ІЧ-Фур'є спектрометри

ІЧ-Фур'є спектрометри: нові можливості для науки та промисловості

Інфрачервона Фур'є-спектроскопія (FTIR, від англ. Fourier Transform Infrared Spectroscopy) — один з найпотужніших методів спектрального аналізу, що використовується для ідентифікації та кількісного аналізу органічних, неорганічних та полімерних матеріалів. Вона широко використовується у фундаментальних і прикладних лабораторних дослідженнях, а також для контролю виробничих процесів у багатьох галузях. Цей метод дозволяє досліджувати газові, рідкі та тверді зразки найрізноманітнішого складу, виявляючи молекулярні функціональні групи і склад речовин. Завдяки простоті та високій надійності цей метод став невід’ємною складовою сучасного лабораторного процесу. 

В основі методу лежить поглинання інфрачервоного світла зразком, що дозволяє отримати інформацію про його молекулярну структуру. Кожна хімічна сполука має унікальний спектр поглинання ІЧ-випромінювання, який є результатом збудження коливань і обертань її молекул під дією поглинутої енергії. 

Інфрачервоні спектри виникають тоді, коли молекули або кристалічні ґратки поглинають інфрачервоне випромінювання з частотами, що збігаються з їхніми власними коливальними або обертальними частотами. Коливальні рухи тісно пов’язані з хімічними зв’язками в молекулі. У результаті поглинута енергія або викликає збудження коливальних станів молекули, або переходить у її кінетичну енергію. Для багатоатомних молекул коливання мають складний характер і розглядаються як поєднання рухів окремих частин молекули.

ІЧ-Фур'є спектроскопія використовує інтерферометр для одночасного збору інформації про всі довжини хвиль, які проходять через зразок. Це дозволяє отримувати високоякісні спектри за значно коротший час. Отримана інтерферограма потім конвертується за допомогою перетворення Фур'є на традиційний ІЧ-спектр, що показує поглинання світла як функцію довжини хвилі або хвильового числа. Такий підхід забезпечує значну перевагу: усі довжини хвиль вимірюються одночасно, що дозволяє отримувати спектри швидше і з кращим співвідношенням сигнал/шум.

Метод ІЧ-Фур'є спектроскопії широко застосовується для якісного і кількісного аналізу речовин. За допомогою ІЧ-спектрів отримують повну інформацію про молекулярну будову та склад зразка. Цей метод незамінний у контролі якості в хімічній, фармацевтичній, харчовій промисловості, матеріалознавстві, а також у наукових дослідженнях (полімери, біоматеріали тощо).

Принцип дії ІЧ-Фур'є спектрометра

ІЧ-Фур'є спектрометр використовує інтерферометр Майкельсона для отримання спектра поглинання.

Ключові етапи вимірювання:

• Широкосмугове ІЧ-випромінювання від джерела спрямовується на інтерферометр,-де розділяється на два промені.

• Один промінь відбивається від нерухомого дзеркала, інший — від рухомого; при їх повторному об’єднанні через інтерференцію утворюється інтерферограма.

• Об’єднане випромінювання проходить через досліджуваний зразок і потрапляє на детектор, який фіксує інтенсивність сигналу залежно від різниці ходу променів. Спеціальний комп’ютер виконує Фур'є-перетворення інтерферограми, внаслідок чого отримується звичайний ІЧ-спектр поглинання зразка. Таким чином, весь спектр поглинання фіксується за один просвіт інфрачервоного променя, а комп’ютерний аналіз «розшифровує» інформацію про кожну частоту.

ІЧ-Фур'є спектроскопія має низку суттєвих переваг: висока чутливість і точність вимірювань, підвищена продуктивність завдяки одночасній реєстрації випромінювання всього спектрального діапазону, мала кількість зразка досліджуваної речовини та відсутність руйнування зразка.

Компанія PerkinElmer і розвиток ІЧ-Фур'є спектроскопії

Компанія PerkinElmer має довгу історію розвитку технологій ІЧ-спектроскопії та на сьогодні є провідним виробником інноваційного обладнання цього напрямку.

У 1944 році компанія розробила і випустила свій перший інфрачервоний спектрометр Model 12. Це був доволі складний і дорогий прилад, який використовували переважно у військових і промислових дослідженнях під час Другої світової війни. Розвиваючи цей напрямок, у 1947 році PerkinElmer випускає більш надійний і вдосконалений спектрофотометр Model 21, який застосовувався в органічній хімії та промислових дослідженнях у 1950-ті. 

У 1957 році компанія PerkinElmer випустила перший недорогий спектрофотометр — Infracord Model 137. Він охоплював діапазон від 2,5 мкм до 15 мкм (що відповідає 4000–660 см⁻¹). Він став першим таким приладом, який поєднував достатню функціональність з доступністю для широкого лабораторного застосування. Ця модель була вже орієнтована не тільки на великі інституції, а й на університети та промислові лабораторії. Даний крок став каталізатором широкомасштабної комерціалізації ІЧ-спектроскопії, поєднавши економічну доступність із зручністю використання.

Подальші розробки компанії були пов’язані з розширенням спектрального діапазону приладів. У наступних моделях PerkinElmer, замість NaCl, почала використовувати призмові елементи з броміду калію (KBr) та йодиду цезію (CsI), що дозволяло досягати довжини хвиль до ~25 мкм (400 см⁻¹) та 50 мкм (200 см⁻¹), відповідно. 

Саме PerkinElmer зробила ІЧ‑Фур’є спектрометри доступними широкому колу користувачів.

Нове покоління ІЧ-Фур’є спектрометрів PerkinElmer — максимум технологій для вашої лабораторії

Застосовані у приладах PerkinElmer передові технології — це точність, надійність і продуктивність, які відкривають нові горизонти для вашої роботи.

• Інтерферометр Dynascan™ — стабільність і надійність там,-де інші системи дають похибки. Завдяки фіксованій парі дзеркал він працює без додаткових юстувань, які зазвичай необхідні для компенсації помилок у системах з лінійним переміщенням дзеркал.

• Atmospheric Vapor Compensation™ (AVC) — чисті спектри без впливу атмосфери. Забудьте про завади від CO₂ та H₂O: удосконалений алгоритм автоматично прибирає їх у режимі реального часу.

• Absolute Virtual Instrument (AVI) — точність на рівні еталону. Ваші результати завжди стандартизовані та порівнювані завдяки автоматичній корекції спектрів відносно вбудованої еталонної кювети з метаном. Це означає — легке перенесення калібрувань між спектрометрами і повна впевненість у даних.

• Automatic Performance Verification (APV) — автоматична перевірка робочих характеристик приладу. У складі модуля — інтегрована карусель із еталонними фільтрами та програмні алгоритми, що дозволяють у повністю автоматичному режимі проводити тести абсциси, ординати, рівня шуму відповідно до стандартів ASTM.

• Інтелектуальні приставки PerkinElmer — просто підключіть, і вони готові до роботи. Програмне забезпечення одразу їх розпізнає, виконає юстування та налаштує оптику автоматично. Це забезпечує готовність до роботи практично одразу після встановлення. Ніяких зайвих дій, ніяких затримок — лише результат.

• Програмне забезпечення Spectrum 10 поєднує інтуїтивний інтерфейс, повний набір функцій для досліджень та розробок, інструменти автоматизації для рутинних завдань і всі необхідні засоби для формування підсумкових результатів у вигляді готових протоколів. Для підтримки відповідності регуляторним вимогам, як-от 21 CFR Part 11, розроблена версія ПЗ Spectrum 10 ES (Enhanced Security), яка забезпечує контроль доступу, аудит, безпеку даних та цілісність збереженої інформації.

ІЧ-Фур'є спектрометр Spectrum 3 

Spectrum 3 — це високопродуктивний ІЧ-Фур'є спектрометр із 3-діапазонним охопленням (ближня ІЧ, середня ІЧ та далека ІЧ області), призначений для рутинної ідентифікації, верифікації та складних дослідницьких застосувань. Він автоматично перемикається між діапазонами та комплектується різноманітними аксесуарами, що дає змогу аналізувати практично будь-який тип зразка (тверді, рідкі, порошки, плівки, гелі, гази). Spectrum 3 поєднує надзвичайну чутливість та продуктивність, завдяки високому співвідношенню сигнал/шум і точній роботі оптики. Особливістю цієї системи є опційна здатність збирати до 100 спектрів за секунду, що дозволяє проводити аналіз швидкоплинних хімічних процесів у реальному часі. 

Спектрометри Spectrum Two та Spectrum Two N

Spectrum Two — компактний універсальний ІЧ-Фур'є спектрометр, що поєднує високі аналітичні показники із надзвичайною зносостійкістю. Корпус приладу міцний та герметичний, з окремим відсіком для зразків, тож прилад легко пристосовується для польових вимірювань чи роботи у виробничому середовищі. Spectrum Two дозволяє отримувати надійні лабораторні результати «в польових умовах» — з сучасною технологією OpticsGuard™ його оптика захищена від вологості та пилу, що гарантує стабільну роботу навіть без регулярного сервісного обслуговування. Цей спектрометр ідеально підходить для рутинного контролю якості: він забезпечує швидкі, точні ІЧ-аналізи матеріалів у широкому спектрі застосувань. 

Spectrum Two N — портативний БІЧ-Фур'є спектрометр для аналізу в ближньому ІЧ-діапазоні. Він спроєктований як високопродуктивна та зносостійка платформа для швидкого контролю якості продукції (харчова промисловість, сільське господарство, фармацевтика тощо). Гнучка конструкція з «plug-and-play» аксесуарами (для якісних, кількісних аналізів та виявлення домішок) дозволяє оперативно переналаштовувати прилад для різних завдань. Загалом Spectrum Two N гарантує відмінну надійність і відтворюваність результатів як у лабораторії, так і в польових умовах. 

ІЧ-Фур’є мікроскопи Spotlight 200i і Spotlight 400

Spotlight 200i та Spotlight 400 — це високопродуктивні системи ІЧ-мікроскопії, що поєднують Фур’є-спектроскопію з мікроскопічною візуалізацією. Вони дозволяють отримувати ІЧ-спектри та спектральні зображення дуже малих областей зразків та малих часток з високою роздільною здатністю.

Spotlight 200i — це автоматизована система інфрачервоної мікроскопії, створена для досліджень у режимах одиночних точок, автоматизованого картографування і зображень невеликих областей. Оптика приладу забезпечує автоматичне перемикання між режимами пропускання та відбиття, підтримує також режим мікро-ППВВ. Оснащений дуже високочутливими детекторами (стандартний — середньодіапазонний MCT), що забезпечують надзвичайно високе співвідношення сигнал/шум (переважно > 40 000:1). Система має автоматизоване налаштування: фокус, апертура, освітлення та позиціювання зразка виконуються без ручного втручання. Підтримує оновлення до повноцінної візуалізації зразка (FT-IR Imaging в Spotlight 400) — це значно розширює можливості аналізу. Завдяки високій стабільності, автоматизації та зручності у використанні, ця система оптимальна для отримання швидких і надійних результатів у лабораторних умовах.

Spotlight 400 — це система ІЧ-картографування для швидкого отримання інфрачервоних зображень великих областей зразків. Її ключова перевага — поєднання високої чутливості і швидкості сканування з автоматизованою обробкою даних. Spotlight 400 оснащений матричними детекторами й забезпечує отримання ІЧ-зображень із піксельною роздільною здатністю до 6,25 мкм, що дає змогу будувати надзвичайно деталізовані спектральні карти. Користувач може обирати розмір пікселя — 6,25, 25 або 50 мкм — залежно від завдань: від високоточного аналізу до швидкої оглядової зйомки. Опція візуалізації в режимі ППВВ (ATR) — значне підвищення роздільної здатності (до 4×), ефективний піксель аж до 1,56 мкм. Програмне забезпечення SpectrumIMAGE дає інструменти для повного контролю над системою, аналізу зображень, бібліотечного пошуку. 

Мікроскопи Spotlight широко застосовують для аналізу мікроструктур у криміналістиці, матеріалознавстві, біоматеріалах, фармацевтиці, біомедичних дослідженнях та інших галузях. Обладнання ідеально відповідає сучасним потребам лабораторій: автоматизація, потужні засоби аналізу зображень і розширені можливості для різних типів зразків. 

Сфери застосування ІЧ‑Фур’є спектрометрів

ІЧ‑Фур’є спектроскопія знаходить застосування в аналітичних лабораторіях багатьох галузей:

• Матеріалознавство та полімерна індустрія: ідентифікація окремих полімерів, їх сумішей та співполімерів шляхом порівняння зі стандартними ІЧ-спектрами.

• Фармацевтика та виробництво косметичних засобів: контроль якості сировини й готових препаратів, швидка ідентифікація лікарських речовин, косметичних виробів і добавок, контроль кількості інгредієнтів.

• Криміналістика: судово-медична ідентифікація зразків на місцях злочину.

• Екологія: дослідження складу ґрунтів, контроль забруднення води та повітря. 

• Біологічні науки: вивчення структури біологічних молекул — білків, пептидів, нуклеїнових кислот.

• Харчова промисловість: контроль якості інгредієнтів, готових харчових продуктів, виявлення небезпечних домішок.

• Нафтопереробна промисловість: аналіз сумішей нафтопродуктів, контроль якості пального.