Metoda osłabionego całkowitego wewnętrznego odbicia ATR (Attenuated Total Reflection)

Transkrypt

1 Metoda osłabionego całkowitego wewnętrznego odbicia ATR (Attenuated Total Reflection)

2 Całkowite wewnętrzne odbicie n 2 θ θ n 1 n > n 1 2 Kiedy promień pada na granicę ośrodków pod kątem większym od kąta krytycznego, nie pojawia się promień załamany; światło ulega całkowitemu wewnętrznemu odbiciu.

3 Fala zanikająca W wyniku interferencji fali padającej oraz fali odbitej tworzy się fala stojąca, która rozchodzi się w kierunku prostopadłym do granicy ośrodków. Amplituda tej fali (tzw. fali zanikającej) maleje wykładniczo po stronie ośrodka o mniejszej gęstości optycznej; penetracja ośrodka przez falę zanikającą ogranicza się do warstwy o niewielkiej grubości θ n d 2 p n 1 JeŜeli ośrodek 2 jest substancją absorbującą, natęŝenie fali zanikającej ulega dodatkowemu osłabieniu w wyniku absorpcji.

4 Eksperyment ATR próbka kryształ źródło detektor Aby zwiększyć natęŝenie absorpcji stosuje się metodę wielokrotnego odbicia. Intensywność absorpcji jest proporcjonalna do liczby odbić promienia w krysztale, która wynosi: N = L ctg(θ ) h θ h L

5 Zasadniczym kryterium wyboru danego materiału jest zakres jego przepuszczalności oraz współczynnik załamania. Materiał Współczynnik Kąt krytyczny załamania (n 1 ) (dla n 2 =1,5) AgCl KRS-5 (bromek i jodek talu) ZnSe ZnS Ge Si Diament Warunkiem uzyskania dobrego jakościowo widma ATR jest idealne przyleganie badanego materiału do kryształu. W przypadku próbek stałych o niejednolitej, porowatej powierzchni stosuje się kuwety o konstrukcji pozwalającej docisnąć próbkę do kryształu.

6 Głębokość penetracji NatęŜenie fali zanikającej na głębokości z jest równe: I p ( z) = I( 0) e - d z d p - głębokość penetracji (głębokość, na której natęŝenie fali zanikającej maleje do wartości I(z) = I(0)/e ) d p = λ n ( sin θ ) 2π n 21 λ - długość fali światła padającego (w próŝni) n 1 - współczynnik załamania ośrodka 1 θ - kąt padania n 21 - współczynnik załamania ośrodka 2 względem ośrodka 1

7 ZaleŜność głębokości penetracji od długości fali promieniowania padającego natęŝenie transmisji natęŝenie ATR Liczba falowa cm -1 Ok. 90% rejestrowanego natęŝenia promieniowania odbitego pochodzi z warstwy o grubości d p. PoniewaŜ d p zaleŝy od λ światła padającego, zatem równieŝ rejestrowane natęŝenie wiązki będzie funkcją λ.

8 Widmo ATR wymaga korekty tła Widma witaminy B w KBr ATR skorygowane ATR przed korektą

9 ZaleŜność głębokości penetracji od kąta padania 1,5 n 1 = 2,5 n 2 = 1,6 Głębokość penetracji d p/λ 1,0 0,5 kąt krytyczny d p, / λ d p, / λ d p / λ 0, Kąt padania, θ Dla kątów bliskich kątowi krytycznemu głębokość penetracji jest bliska długości fali światła padającego (dla promieniowania podczerwonego 2,5-20 µm). Dla większych kątów głębokość penetracji zaleŝy równieŝ od stanu polaryzacji wiązki padającej.

10 Gwałtowny spadek głębokości próbkowania przy wzroście kąta padania jest częściowo kompensowany przez zwiększanie się próbkowanego obszaru Pole próbkowanej powierzchni jest proporcjonalne do 1/cos θ W konsekwencji mierzone natęŝenie wiązki odbitej nie zmniejsza się drastycznie ze zmianą kąta padania.

11 Analiza ilościowa NatęŜenie wiązki odbitej (a zatem reflektancja) zaleŝy nie tylko od intensywności absorbcji promieniowania przez próbkę, lecz takŝe od długości fali światła padającego, stanu jego polaryzacji oraz kąta padania. Iodb I0 I R = = = 1 a I I 0 0 wielkość a charakteryzuje straty natęŝenia w wyniku absorpcji. Przyjmujemy, iŝ jest ona równa: a = α d e gdzie d e jest to tzw. efektywność grubość próbki: d = e n 2 21E0 d p 2cosθ E 0 - amplituda fali zanikającej na granicy ośrodków

12 Ostatecznie: R = 1 αd e Dla wielokrotnego odbicia: R = ( 1 αd ) N e W przypadku niewielkiej absorbcji (αd e << 1): R =1 Nα d e Jeśli próbka ma postać cienkiego filmu o grubości mniejszej niŝ głębokość penetracji, efektywna grubość próbki dana jest wyraŝeniem: cienki film n 3 d p n 2 d e = n 2 21E d cosθ θ n 1 d - grubość filmu

13 Absorbancja próbki jest w metodzie ATR dana wyraŝeniem; A = 2 E cosθ ( log e) α 10 n n 2 d p Widmo zarejestrowane metodą ATR, aby mogło być porównane z absorbcyjnym widmem uzyskanym w metodzie transmisyjnej, musi zostać poddane obróbce numerycznej mającej na celu skorygowanie tła oraz usunięcie zniekształcenia pasm absorpcyjnych w wyniku anomalnej dyspersji. Widmo transmisyjne oraz ATR wody ATR transmisyjne

14 Widma w świetle spolaryzowanym - badanie orientacji cząsteczek na powierzchni Prawdopodobieństwo wzbudzenia określonego drgania zaleŝy od wzajemnej orientacji wektora E promieniowania padającego i wektora momentu przejścia tego drgania. Naświetlając próbkę światłem spolaryzowanym wzbudzamy tylko te drgania, których momenty przejść mają składową równoległą do kierunku wektora E.

15 Naświetlając próbkę światłem spolaryzowanym prostopadle do płaszczyzny padania (E ) oraz obracając próbkę względem normalnej (z) uzyskujemy widma pochodzące tylko od cząsteczek, których moment przejścia zawiera składową równoległą do kierunku E.

16 Zalety metody ATR moŝliwość pomiaru widma dla wielu rodzajów próbek; ciecze, ciekłe filmy, membrany, stałe filmy np. polimerowe, ciała stałe pod warunkiem dobrego przylegania do kryształu moŝliwość rejestracji widma w większym zakresie częstości niŝ w spektroskopii transmisyjnej (brak ograniczeń spowodowanych absorbcją okienek kuwety) moŝliwość rejestracji widm in situ i in vivo (badania membran biologicznych; potencjalne zastosowanie jako narzędzie diagnostyczne w dermatologii) uzyskanie informacji o orientacji cząsteczek na powierzchni (badania filmów Langmuira, membran biologicznych, polimerów itp.) Wady metody ATR stosunkowo mała czułość wraŝliwość mechaniczna (czasem chemiczna) materiału, z którego wykonany jest kryształ zniekształcenie pasm absorpcyjnych (konieczność poddania widma korekcie komputerowej )

17 Badania in vivo naskórka (Stratum corneum) metodą ATR Figure 6. Photo of subject with her arm resting on a horizontal ATR accessory designed specifically for skin studies (Spectra-Tech). Figure 1 Representative ATR-FTIR spectra of human SC in vivo. The spectra shown are the result of 80 scans and were obtained with the IRE in contact with the surface of the skin. (a) Blue (finger), black (arm), red (neck); (b) black (arm), blue (finger), red (neck), green (forehead), orange (nose).