Spectroskopia refleksyjna w podczerwieni (FTIR)

Dysponent: Akademia Sztuk Pięknych w Krakowie

Kontakt: dr Małorzata Walczak koperta (ASP)

Opis metody

Spektroskopia w podczerwieni (FT-IR) umożliwia analizę większości materiałów, z wyjątkiem metali, soli kwasów beztlenowych, tlenków ciężkich metali i cząsteczek homojądrowych (H2, O2, etc.). W zależności od zastosowanej techniki pomiarowej analizy mogą być wykonane w sposób nieinwazyjny (bezpośrednio na obiekcie, rys. 1.) lub na niewielkich (ok. 5 mg, patrz rys. 2.) próbkach pobranych z obiektu.

Spektroskopia FT-IR mierzy oddziaływanie cząsteczek badanej próbki/obiektu z promieniowaniem podczerwonym. Wynik pomiaru stanowi widmo zależności intensywności absorpcji/odbicia promieniowania od jego energii wyrażanej zwyczajowo jako liczba falowa [cm-1]. Absorpcja promieniowania IR powoduje wzbudzenie cząsteczek na wyższe poziomy oscylacyjne. Każda z cząsteczek posiada unikalny zestaw oscylacyjnych poziomów energetycznych, a absorpcja promieniowania objawia się w postaci pasm (pików) na rejestrowanych widmach.

Analiza widm FT-IR opiera się na porównaniu widma badanej próbki/obiektu z widmami substancji wzorcowych lub na identyfikacji pasm pochodzących od poszczególnych wiązań, czy grup funkcyjnych.

Zastosowanie

Pomiary nieinwazyjne wykonuje obiektów o płaskich, odbijających powierzchni, m.in. dla:

  • malowideł na płótnie i desce, w celu analizy składników spoiw, części pigmentów, zapraw, kitów, etc.;
  • rzeźb, z wyjątkiem zagłębień, do których nie można dotrzeć frontową ścianą aparatu (patrz rys. 1.);
  • innych obiektów o ile ich kształt pozwala na dosunięcie aparatu.

Pomiary mikroinwazyjne, dla niewielkich próbek m.in. dla:

  • warstw malarskich i technicznych malowideł, polichromowanych rzeźb;
  • polimerów naturalnych i syntetycznych;
  • większości innych materiałów organicznych;

Spektroskopia w podczerwieni nie pozwala na identyfikację barwników na papierze lub tkaninach oraz białka w malowidłach ściennych z powodu niedostatecznej czułości. Niemożliwa jest identyfikacja części pigmentów – tlenków, siarczków – które nie dają specyficznego sygnału w rejestrowanym zakresie podczerwieni.

Instrument

W badaniach wykorzystywany jest spektrometr FT-IR Bruker Alpha, z detektorem DLaTGS, o następującej specyfikacji:

  • Zakres pomiarowy: 7500-375 cm-1;
  • Stosunek S/N >50000:1 (przy rejestracji przez 60 s, przy rozdzielczości 4 cm-1);
  • Rozdzielczość: płynnie regulowana od ok. 0.8 cm-1 do 256 cm-1;
  • Dokładność fotometryczna < 0.1% T;
  • Dokładność liczby falowej <0.05 cm-1; precyzja <0.0005 cm-1 (przy 2000 cm-1);

Spektrometr wyposażony jest w przystawki:

  • Bruker QuickSnap External Reflection do pomiarów nieinwazyjnych, która umożliwia rejestrację widm z maksymalnej odległości od obiektu ok. 1cm. Plamka pomiarowa może mieć średnicę: 4, 6 lub ~12 mm, a zamontowana wewnątrz przystawki kamera pozwala na obserwację rejestrowanego fragmentu obiektu;
  • Bruker QuickSnap Platinium ATR z kryształem diamentowym o wymiarach 0,5 x 2 mm.
FTIR-Rus.1 ASP Krakow

Rys. 1. Spektrometr FT-IR z przystawką do pomiarów nieinwazyjnych

Rys. 1. przedstawia zdjęcie aparatu z przystawką do pomiarów nieinwazyjnych przystawioną do przykładowego obiektu, na Rys. 2. przedstawiono zdjęcie pokazujące stolik przystawki ATR z przykładową próbką umieszczoną na krysztale.

Widok (w powiększeniu) stolika przystawki do pomiarów ATR/FT-IR. Ilość próbki widoczna na zdjęciu jest wystarczająca do zarejestrowania dobrej jakości widma.

Rys. 2. Widok (w powiększeniu) stolika przystawki do pomiarów ATR/FT-IR. Ilość próbki widoczna na zdjęciu jest wystarczająca do zarejestrowania dobrej jakości widma.

Warunki badania

  • Pomiary nieinwazyjne – nadmierna wilgotność powietrza, bądź jej duże chwilowe wahania istotnie utrudniają pomiary; pomocne w pomiarach są sztaluga, kliny, klocki itp.
  • Pomiary techniką ATR – wymiary próbki nie powinny przekraczać 8 x 8 cm. Podczas pomiaru próbka jest dociskana do kryształu diamentowego jak pokazano na Rys. 2. Sporadycznie, w przypadku próbek proszkowych próbka może ulec zniszczeniu (nie można jej zebrać z okienka pomiarowego).

Format wyników

W zależności od potrzeb zarejestrowane widma mogą być przekazane w surowej formie, opracowanej bądź poddane kompletnej analizie w zależności od jej celu w dowolnym formacie numerycznym lub graficznym.

Widma bursztynu zarejestrowane w sposób nieinwazyjny (niebieskie), transformacja Kramersa-Kröniga tego widma (fioletowe) oraz widmo ATR zarejestrowane dla niewielkiej próbki (czerwone).

Rys. 3. Widma bursztynu zarejestrowane w sposób nieinwazyjny (niebieskie), transformacja Kramersa-Kröniga tego widma (fioletowe) oraz widmo ATR zarejestrowane dla niewielkiej próbki (czerwone).

Bibliografia

  1. przykladowy raport z badań
  2. Application note (Bruker)
  3. Francesca Rosi, Alessia Daveri, Patrizia Moretti, Costanza Miliani, Interpretation of mid and near-infrared reflection properties of synthetic polymer paints for the non-invasive assessment of binding media in twentieth-century pictorial artworks, Microchemical Journal 124 (2015) 898-908, doi: 10.1016/j.microc.2015.08.019