ATR Infrapunane Spektroskoopia

Attenuated Total Reflectance

Võimalus saada spektreid nii tavalistest kui ka probleemsetest proovidest

03.2006 2

• Valguse liikumine erineva optilise tihedusega keskkondade vahel

n1 > n2

v1 < v2

ATR Põhimõte

2: Proov

1: ATR kristall

1

2

1

2

2

1

1

2

αsin

αsin

n

n

v

v

03.2006 3

• Sisepeegelduse kriitiline nurk:

ATR Põhimõte

krit

krit2

1

αsin

1

n

n

1

2kritαsin

n

n

2: Proov

1: ATR kristall

03.2006 4

• Kui α1 > αkrit, siis toimub täielik sisepeegeldus

• αkrit sõltub keskkondade murdumisnäitajatest, on seda väiksem, mida:– suurem on n1

– väiksem on n2

• Osa kiirgust läbibproovi

• Proovi läbivat kiirguseosa nimetatakse“evanescentwave”

ATR Põhimõte

2: Proov

1: ATR kristall

03.2006 5

ATR, kiirguse sisenemissügavus• Kiiruse proovi sisenemise sügavus ühekordse

põrke tagajärjel:

• Proovi sisenemise sügavus on seda suurem, mida– väiksem on nurga erinevus kriitilisest nurgast– väiksem on kristalli murdumisnäitaja– pikem on kiirguse lainepikkus

2

1

221

1

sin2

n

nn

d

03.2006 6

Efektiivne kihipaksus• Efektiivne kihipaksus: millise distantsi läbib kiirgus

proovi keskkonnas– Ei ole sama, mis sisenemissügavus

• Efektiivne kihipaksus sõltub:– Kristalli murdumisnäitajast n1

– Pealelangevast nurgast – Põrgete arvust N

– Proovi murdumisnäitajast– Kiirguse lainepikkusest

• Neist esimesed kolm on moodsates seadmetes varieeritavad

03.2006 7

Efektiivne kihipaksus• Konkreetne näide: ZnSe, n1 = 2.4, αkrit = 38.7• n1 muutmiseks tuleb varieerida kristalli

() N Kihipaksus (μm)

40 14 45.6

45 12 12.1

50 10 5.8

55 8 3.1

60 7 1.9

03.2006 8

Kristallimaterjalid

Materjal Lainearvu-vahemik

(cm-1)

n1Kõvadus (Knoop)

Märkused

ZnSe 20000-650 2.4 137 Tavalisim, kardab mõnesid aineid,

mõnevõrra pehme

Ge 5500-475 4.0 550 Suured peegeldus-kaod, kõva ja

vastupidav

KRS-5 20000-400 3.37 40 Spektrivahemik hea, aga pehme

Teemant 4200-200 2.4 7000 Kõrge rõhk ja kõvad proovid võimalikud, kallis, vahemik lai

03.2006 9

Kasutusalad• ATR on muutunud küllaltki standardseks proovi

ettevalmistamisel• Enam vähem universaalne• Oluline: proovi ja kristalli kontakt peab olema

võimalikult efektiivne– pole probleem vedelike, pastade,

pehmete polümeeridega– võib olla suureks probleemiks

kõvade tahkistega• Siis vaja kõrget rõhku• Teemant omab eeliseid• Sellisel juhul on hea,

kui pind on väike

IR Mikrospektroskoopia

Spektrid väikestest proovidest, pinna väikestest osadest, IR “imaging”

03.2006 11

IR Mikrospektroskoopia• Mis see on?

– spektrite registreerimine väikestest proovidest– spektrite registreerimine proovide väikestest osadest– pildi saamine pinnast, sedasi, et kontrast tekib mõne IR

spektraalomaduse põhjal

• Tehnilised lahendused:– läbiv valgus– peegeldus– ATR

• Seega – pole olemas ühtainsat IR mikrospektroskoopiat/mikroskoopiat, on palju erinevaid tehnikaid

03.2006 12

Läbiv valgus

• Proovid peavad olema lapikud ja õhukesed– Enamasti näeb see ette proovi ettevalmistust– Vahel on võimalus pressida proov objektiivi ja

kondenseri vahele

• Energia kaod on küllalt suured

03.2006 13

Tagasipeegelduv valgus• Proovi töötlemist vähe vaja• Objektiiv nii kiirgab kui ka kogub kiirgust• Peegeldumisnähtuse füüsika on keerukas

– esineb specular ja diffuse reflectance– nende vahekord sõltub pinna topograafiast– tekivad moonutused– neid saab tarkvaraliselt korrigeerida

• Energia kaod on rängad

03.2006 14

ATR• ATR objektiiv surutakse füüsiliselt vastu proovi• Proovi ettevalmistust eriti vaja pole• Samas kontakt peab olema hea

– tuleb tugevalt vastu suruda– see toob kaasa proovi mõningase deformeerumise

• Energia kaod küllalt suured

03.2006 15

Täiendavad asjaolud• Signaal-müra suhe on probleemiks

– vajalik intensiivseim võimalik allikas– tundlikuim võimalik detektor

• Üldiselt MCT

• IR kiirguse pika lainepikkuse tõttu kiirgus “paindub nurga taha”– väga kasulik on topelt apertuuur

03.2006 16

Optika• Optika on nn Cassegrain tüüpi• Baseerub vaid peegeldustel – elimineerib sfäärilise

aberratsiooni• Suur osa tänapäevaseid teleskoope töötab

Cassegrain’i optika baasil

• Casegrain’i objektiiv:

03.2006 17

Mikro-ATR• “Vaese mehe” FT-IR Mikro-

spektrokmetri lisaseade• Pinna läbimõõt, millelt toimub

analüüs: alla 250 μm• Kristalliks on teemant• Positsioneerimiseks on 50x

mikroskoop• Saab uurida:

purukesi, kiudusid, värvikihte

03.2006 18

Universaalne FT-IR mikroskoop• Läbiv, peegelduv ja ATR• Visuaalne pilt• IR-pilt• Apertuur kuni 5x5 μm• MCT detektor• Allikat ja interferomeetrit

kasutab külgnevaFT-IR spektromeetri omi