Прикладная спектроскопия - Applied spectroscopy

Прикладная спектроскопия - это применение различных спектроскопических методов для обнаружения и идентификации различных элементов или соединений для решения проблем в таких областях, как судебная экспертиза , медицина , нефтяная промышленность , химия атмосферы и фармакология .

Спектроскопические методы

Распространенным спектроскопическим методом анализа является инфракрасная спектроскопия с преобразованием Фурье (FTIR), где химические связи могут быть обнаружены по их характерным частотам инфракрасного поглощения или длинам волн. Эти характеристики поглощения делают инфракрасные анализаторы бесценным инструментом в науках о земле, окружающей среде и атмосфере. Например, мониторингу атмосферных газов способствовала разработка имеющихся в продаже газоанализаторов, которые могут различать диоксид углерода, метан, монооксид углерода, кислород и оксид азота.

Ультрафиолетовая (УФ) спектроскопия используется там, где в веществе происходит сильное поглощение УФ-излучения . Такие группы известны как хромофоры и включают ароматические группы, сопряженную систему связей, карбонильные группы и так далее. Спектроскопия ядерного магнитного резонанса обнаруживает атомы водорода в определенных средах и дополняет как инфракрасную (ИК) спектроскопию, так и УФ-спектроскопию. Применение спектроскопии комбинационного рассеяния света растет более специализированных приложений.

Существуют также производные методы, такие как инфракрасная микроскопия , которая позволяет анализировать очень небольшие участки в оптическом микроскопе .

Одним из методов элементного анализа, который важен для судебно-медицинской экспертизы, является энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия (EDX), выполняемая в сканирующем электронном микроскопе окружающей среды (ESEM). Метод включает анализ рентгеновских лучей, рассеянных обратно от образца в результате взаимодействия с электронным пучком. Автоматизированный EDX также используется в ряде автоматических методов минералогии для идентификации и текстурного картирования.

Базовые приготовления

Во всех трех спектроскопических методах образец обычно должен присутствовать в растворе, что может вызвать проблемы во время судебно-медицинской экспертизы, поскольку обязательно включает отбор твердых частиц из объекта, который необходимо исследовать.

В FTIR можно анализировать три типа образцов: раствор ( KBr ), порошок или пленку. Сплошная пленка - это самый простой и понятный тип образца для тестирования.

Анализ полимеров

С помощью ИК-спектроскопии можно проследить многие механизмы деградации полимера , такие как УФ-деградация и окисление, среди многих других видов отказов.

УФ-деградация

ИК-спектр, показывающий поглощение карбонила из-за УФ-разложения полиэтилена

Многие полимеры подвергаются воздействию УФ-излучения в уязвимых точках их цепных структур. Таким образом, полипропилен сильно растрескивается на солнце, если не добавлены антиоксиданты . Точка атаки возникает у третичного атома углерода, присутствующего в каждом повторяющемся звене, вызывая окисление и, наконец, разрыв цепи. Полиэтилен также подвержен УФ-разрушению, особенно те варианты, которые представляют собой разветвленные полимеры, такие как полиэтилен низкой плотности . Точки разветвления представляют собой третичные атомы углерода, поэтому там начинается разложение полимера и приводит к разрыву цепи и охрупчиванию. В примере, показанном слева, карбонильные группы были легко обнаружены с помощью ИК-спектроскопии на литой тонкой пленке. Изделие представляло собой дорожный конус, который треснул во время эксплуатации, и многие аналогичные конусы также вышли из строя из-за того, что не использовалась анти-УФ добавка.

Окисление

ИК-спектр, показывающий поглощение карбонила из-за окислительной деструкции полипропиленовой формованной детали костыля.

Полимеры подвержены воздействию атмосферного кислорода , особенно при повышенных температурах, возникающих во время обработки для придания формы. Многие технологические методы, такие как экструзия и литье под давлением, включают закачку расплавленного полимера в инструменты, и высокие температуры, необходимые для плавления, могут привести к окислению, если не будут приняты меры предосторожности. Например, костыль для предплечья внезапно сломался, и пользователь получил серьезную травму в результате падения. Костыль сломался по полипропиленовой вставке внутри алюминиевой трубки устройства, и ИК-спектроскопия материала показала, что он окислился, возможно, в результате плохого формования.

Окисление обычно относительно легко обнаружить из-за сильного поглощения карбонильной группой в спектре полиолефинов . Полипропилен имеет относительно простой спектр с небольшим количеством пиков в карбонильном положении (как у полиэтилена). Окисление обычно начинается с третичных атомов углерода, потому что свободные радикалы здесь более стабильны, поэтому длятся дольше и подвергаются воздействию кислорода. Карбонильная группа может быть дополнительно окислена, чтобы разорвать цепь, поэтому при ослаблении материала за счет снижения молекулярной массы в пораженных областях начинают расти трещины.

Озонолиз

EDX-спектр поверхности трещины

EDX-спектр неповрежденной резиновой поверхности

Реакция, происходящая между двойными связями и озоном, известна как озонолиз, когда одна молекула газа реагирует с двойной связью:

Непосредственным результатом является образование озонида , который затем быстро разлагается, так что двойная связь разрывается. Это критический шаг при обрыве цепи, когда полимеры подвергаются атаке. Прочность полимеров зависит от молекулярной массы цепи или степени полимеризации : чем больше длина цепи, тем выше механическая прочность (например, предел прочности на разрыв ). При разрыве цепи молекулярная масса быстро падает, и наступает момент, когда она совсем не прочна, и образуется трещина. Дальнейшее разрушение происходит на только что обнаженных поверхностях трещин, и трещина неуклонно растет до тех пор, пока не замкнет цепь и продукт не разделится или не сломается. В случае с уплотнением или трубкой отказ происходит, когда стенка устройства пробита.

Образующиеся концевые карбонильные группы обычно представляют собой альдегиды или кетоны , которые могут дополнительно окисляться до карбоновых кислот . Конечным результатом является высокая концентрация элементарного кислорода на поверхности трещины, которую можно обнаружить с помощью EDX в ESEM. Например, два EDX - спектры были получены при исследовании в озон крекинг из диафрагменных уплотнений в полупроводниковом изготовлении завода. Спектр EDX поверхности трещины показывает пик с высоким содержанием кислорода по сравнению с постоянным пиком серы . Напротив, EDX-спектр спектра поверхности неповрежденного эластомера показывает пик с относительно низким содержанием кислорода по сравнению с пиком серы.

Languages

In other projects