FTIR各種應用領域與樣品前處理方式

2023-11-23

FTIR光譜儀，又稱為傅立葉轉換紅外線光譜儀，廣泛用於物質的官能基鑑定、定性比對、半定量或定量分析。FTIR以穿透、ATR與反射等技術進行樣品分析(技術細節可參閱文章-穿透式/ATR/反射式FTIR技術比較與FTIR顯微成像分享)，根據使用的技術之不同，或樣品類型的不同，例如粉末、大顆粒、黏稠物、液體、揮發性液體、氣體等，有時樣品必須前處理後才能分析，像是稀釋、粉碎、壓片(打錠)等常見的前處理方式。

此外，前處理並非萬能，針對特殊樣品的應用(例如氣體樣品)，FTIR尚需視情況更換配件，才能獲取準確且再現性高的吸收光譜。

本篇文章會根據樣品類型的不同(氣體、液體與固體樣品)，說明這些樣品在FTIR上的主要應用領域與前處理細節，並談論一些FTIR配件的使用，讓各位更加了解FTIR的操作方式。

1. 氣體樣品

FTIR在氣體分析領域上十分強大，可測定的濃度範圍涵蓋低濃度(ppt)到高濃度(%)，甚至可以即時測定複雜混和氣體的濃度，因此常應用於以下產業：

環境空氣監測：偵測空氣中及移動車輛的有害/汙染物質，例如CO、SO2、NO、NO2、O3等。
工業排放檢測：監測工廠、電廠或焚化爐排放的廢氣，例如NH3、CH4、VOC等。
生物醫學應用：用於呼氣分析、疾病診斷或藥物檢測，以評估人體代謝狀況、生物標記物或藥物代謝物等。
氣體純度確認：氣體鋼瓶、藥廠製程、呼吸治療或半導體製程用的氣體純度等。
新能源應用：氫燃料不純物、鋰電池失效有害氣體分析、氣體之分離轉化。
溫室氣體監控：臭氧(O3)、二氧化碳(CO2)、氧化亞氮(N2O)、甲烷(CH4)、氫氟氯碳化物類(CFCs, HFCs, HCFCs)、全氟碳化物(PFCs)與六氟化硫(SF6)等。

以FTIR分析氣體樣品時，通常會把氣體引入氣體容槽(gas cell)，再以紅外線穿透氣體容槽，取得樣品吸收光譜。若氣體樣品的濃度或吸收度偏低，則需增加氣體容槽的光徑長度(optical path)。舉例，濃度為0.1ppm的氣體在100公尺光徑中產生的吸收值，等同10ppm的同種氣體在1公尺光徑的吸收值，因此須依據樣品需求，挑選適當的氣體溶槽，使紅外線吸收值落在FTIR的線性範圍中。

如果光徑需要數公尺甚至數百公尺長怎麼辦?當然，實驗室不大可能購買達數百公尺長的氣體容槽，所以會利用反射的方式增加光徑，如同 Bruker Optics MATRIX MG high performance gas analyzer based on FTIR spectroscopy 影片所示。

2. 液體樣品

FTIR常應用於以下領域的液體樣品分析：

製藥產業：測量藥物的純度、結構、含量、穩定性等，並確認原料與產品的品質。
化學產業：測量化學反應的動力學、機制等，並監測反應過程。
聚合物產業：測量聚合物的分子結構、分子量等，並可鑑別聚合物與添加劑類型。
環境分析：測量水中污染物，並評估水質的變化和影響。
食品產業：測量食用油、脂肪、乳品、紅酒等，用於確認品質與組成鑑定。
生物分析：測量生物液體中的蛋白質、脂質、碳水化合物等，研究這些數值與新陳代謝或疾病間的關係。

不管液體樣品是水溶性、非水溶性、揮發性、黏度高或低、沸點高或低，FTIR都有配件可進行分析。只需要將樣品滴到兩片鹽片間進行穿透式分析，或滴到ATR視窗上進行ATR分析，便能獲得吸收光譜：

若因為樣品的吸收強度很高，則可使用適當溶劑進行稀釋。用於稀釋的溶劑必須具有低紅外線吸收性(至少不能蓋掉樣品的主要吸收峰)、高樣品溶解度、高穩定性且不腐蝕FTIR視窗等特點，常見的溶劑有二硫化碳、二氯甲烷、四氯化碳、環己烷、THF等。

若樣品不只需要定性，還需要定量，則必須使用具有固定光徑的液體槽(liquid cell)，將液體樣品填滿液體槽後進行FTIR分析，才能獲取具有再現性的吸收光譜。

3. 固體樣品

FTIR在固體樣品分析上常用於以下領域：

材料科學：分析材料的組成、結構、相變化、晶體缺陷、表面性質等，並研究材料的合成、加工、老化、磨損等過程。
製藥行業：分析固體藥物的純度、形態、晶型、水分含量、結晶度等，可用於原料與產品鑑別。
化學化工產業：分析化學品的官能基、結合方式、異構物、雜質等，並監測化學反應和催化過程，例如用於固體觸媒的氣相異相催化反應(gas-phase heterogeneous catalysis)。
聚合物領域：分析聚合物的分子結構、分子量分佈、交聯度等，並鑑定聚合物和添加劑的種類。
環境分析領域：分析環境樣品，如土壤、沉積物、廢棄物、塑膠微粒等，並測量其中的有機污染物、礦物組成、聚合物組成等。

固體樣品在分析前是否需要前處理，則要看使用穿透、ATR或反射技術而定(技術細節可參閱文章-穿透式/ATR/反射式FTIR技術比較與FTIR顯微成像分享)。

以操作便利性來說，ATR技術最方便，樣品不需要任何前處理便能直接分析，可使用的樣品種類也多元，操作上只需將樣品放到分析視窗，再將ATR晶體壓上樣品即可開始分析，事後的清潔也非常簡單：

若是使用穿透技術來分析固體樣品，需將樣品磨成細粉，並與液體油膏介質或固體粉末介質混和，再以FTIR進行分析，方法如下：

Nujol mull法：又稱paste法或糊狀法。以重烴油作為液體油膏介質，與樣品粉末混和後用鹽片夾住，再以FTIR分析。
壓片法：又稱pellet法。常用的固體粉末介質為溴化鉀(KBr)。將樣品細粉與溴化鉀粉末混和後，用打錠機壓成薄片，再使用FTIR進行分析：

雖然穿透技術的樣品處理較複雜，但相較於ATR技術，穿透技術可以獲得樣品深層資訊，且沒有ATR晶體的折射率與波長涵蓋範圍問題，因此也是一種常被應用的技術。

相較於ATR技術與穿透技術，反射技術則較少使用，它主要用於分析樣品表面反射的紅外線，用於分析紅外線無法穿透，或是無法使用ATR技術分析的樣品，因此反射技術近年來被廣泛應用於固體觸媒的研究上，而反射技術中的漫反射式技術(DRIFTS: Diffuse reflectance infrared Fourier transform spectroscopy)特別常被提及。

以Bruker FTIR DRIFTS系統為例，在進行固體觸媒的氣相異相催化反應時 (gas-phase heterogeneous catalysis)，內置的Harrick加熱控制器會將樣品槽維持在特定溫度，模擬反應時的高溫條件，Bruker FTIR DRIFTS在即時獲取固體觸媒在反應期間的紅外線光譜變化。

以二氧化碳氫化反應為例，通過FTIR DRIFT技術，可以分辨並監控反應過程中的中間體和產物，進而評估固體觸媒的催化效能；若用於氨氣合成等氣相催化反應，此種分析技術能研究反應機制及觸媒表面上物種的變化，進一步了解反應動力學，並提供固體觸媒最佳化的寶貴數據。

整體來說，根據你的研究方向與樣品特性，再挑選適合的固體樣品分析技術。在多數情況下，若ATR技術適用於你的樣品，還是盡量以ATR技術為主，畢竟操作的便利性與穩定性往往是實驗最重要的一環。

總結

FTIR光譜儀可用於各種氣體、液體與固體樣品的定性、定量或半定量分析。

用於氣體樣品：可測定低濃度或複雜混和氣體，應用於環境空氣監測、工業排放檢測、生物醫學應用、氣體純度確認與溫室氣體監控等領域。
分析樣品時，需使用氣體容槽放置氣體樣品，並根據樣品的濃度與吸收強度選擇適當的光徑長度，以獲得準確的吸收光譜。

用於液體樣品：常用於製藥、化學、聚合物、環境與生物等領域的液體分析。
分析樣品時，通常使用穿透或ATR技術，只需將樣品滴到鹽片或 ATR 視窗上即可。若液體易揮發，則需使用適當的配件以防止揮發。若液體吸收強度高，則需使用適當溶劑進行稀釋。若需要定量分析，則需使用具有固定光徑的液體槽。
用於固體樣品：常用於材料科學、製藥、化學化工、聚合物與環境等領域的固體分析。
分析樣品時，通常使用ATR或穿透技術。ATR技術操作方便，不需前處理，但需注意ATR光譜校正、晶體選擇與無法獲得樣品深層訊息等問題。穿透技術可以取得深層訊息，但需對固體進行破壞或複雜前處理，例如使用Nujol mull法或壓片法等前處理程序。近年來相當熱門的固體觸媒研究，例如氣相異相催化反應的研究，DRIFTS漫反射技術可用於解析反應動力學，用於固體觸媒的最佳化研究。

以上內容主要針對常見的一些應用形式進行介紹，但根據樣品型態之不同，尚有反射與散射等不同的配件可以使用，若想更進一步了解這些技術，後續會針對不同產業的樣品應用進行探討。

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