Metoda osłabionego całkowitego wewnętrznego odbicia ATR

Metoda osłabionego całkowitego
wewnętrznego odbicia
ATR
(Attenuated Total Reflection)
Całkowite wewnętrzne odbicie
n2
θ
θ
n1
n1>n2
Kiedy promień pada na granicę ośrodków pod kątem większym od kąta
krytycznego, nie pojawia się promień załamany;
światło ulega całkowitemu wewnętrznemu odbiciu.
Fala zanikająca
W wyniku interferencji fali
padającej oraz fali odbitej
tworzy się fala stojąca,
która rozchodzi się w kierunku
prostopadłym do granicy
dp
ośrodków.
Amplituda tej fali (tzw. fali
θ
zanikającej) maleje
wykładniczo po stronie
ośrodka o mniejszej gęstości
optycznej; penetracja ośrodka
przez falę zanikającą
ogranicza się do warstwy
o niewielkiej grubości
JeŜeli ośrodek 2 jest substancją absorbującą,
natęŜenie fali zanikającej ulega dodatkowemu
osłabieniu w wyniku absorpcji.
n2
n1
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:
L
N = ctg(θ )
h
θ h
L
Zasadniczym kryterium
wyboru danego materiału
jest zakres jego
przepuszczalności oraz
współczynnik załamania.
Współczynnik
Kąt krytyczny
załamania (n1)
(dla n2=1,5)
1.90
49
2.37
40
ZnSe
2.40
40
ZnS
2.20
43
Ge
4.00
22
Si
3.41
26
Diament
2.41
40
Materiał
AgCl
KRS-5
(bromek i jodek talu)
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.
Głębokość penetracji
NatęŜenie fali zanikającej na głębokości z jest równe:
I ( z ) = I (0 ) e
- dz
p
dp - głębokość penetracji (głębokość, na której natęŜenie fali zanikającej
maleje do wartości I(z) = I(0)/e )
dp =
λ n1
2
)
2π (sin 2 θ − n21
λ - długość fali światła padającego (w próŜni)
n1 - współczynnik załamania ośrodka 1
θ - kąt padania
n21 - współczynnik załamania ośrodka 2 względem ośrodka 1
ZaleŜność głębokości penetracji od długości fali promieniowania
padającego
natęŜenie transmisji
natęŜenie ATR
0
500
1000
1500
2000
Liczba falowa cm
2500
3000
3500
4000
-1
Ok. 90% rejestrowanego natęŜenia promieniowania odbitego pochodzi
z warstwy o grubości dp.
PoniewaŜ dp zaleŜy od λ światła padającego, zatem równieŜ rejestrowane
natęŜenie wiązki będzie funkcją λ.
Widmo ATR wymaga korekty tła
Widma witaminy B
w KBr
ATR
skorygowane
ATR
przed korektą
ZaleŜność głębokości penetracji od kąta padania
1,5
1,0
0,5
d p,|| / λ
kąt krytyczny
Głębokość penetracji d p /λ
n 1 = 2,5
n 2 = 1,6
d p/ λ
d p, ⊥ / λ
0,0
30
40
50
60
70
80
90
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.
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.
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.
R=
I odb I 0 − ∆I
=
=1− a
I0
I0
wielkość a charakteryzuje straty natęŜenia w wyniku absorpcji.
Przyjmujemy, iŜ jest ona równa:
a = α de
gdzie de jest to tzw. efektywność grubość próbki:
de =
n21E02 d p
2 cosθ
E0 - amplituda fali zanikającej na granicy
ośrodków
Ostatecznie:
R = 1 − α de
Dla wielokrotnego odbicia:
R = (1 − α d e )
N
W przypadku niewielkiej absorbcji (αde << 1):
R = 1 − Nα d e
Jeśli próbka ma postać cienkiego filmu
o grubości mniejszej niŜ głębokość
penetracji, efektywna grubość próbki
dana jest wyraŜeniem:
2
de =
n21 E d
cosθ
d - grubość filmu
cienki film
dp
θ
n3
n2
n1
Absorbancja próbki jest w metodzie ATR dana wyraŜeniem;
n1 E02 d p
A = (log10 e )
α
n2 cosθ 2
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
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.
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⊥.
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 )
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).