Was ist die FTIR-Spektroskopie?
Die FTIR-Spektroskopie (kurz für Fourier-Transformations-Infrarot-Spektroskopie) ist eine spezielle Form der Infrarotspektroskopie, die sowohl zur Strukturaufklärung als auch zur qualitativen und quantitativen Bestimmung von Substanzen eingesetzt wird. Im Unterschied zu dispersiven IR-Spektroskopen wird das Spektrum dabei nicht direkt bestimmt, sondern mittels einer Fourier-Transformation aus dem aufgenommenen Interferogramm berechnet.
Inhaltsverzeichnis
Kontaktieren Sie uns –
die passende Lösung ist oft näher als Sie denken.
Mit modernsten Analyseverfahren unterstützen wir Sie bei Qualitätsproblemen, Schadensfällen und Entwicklungsherausforderungen – präzise, fundiert und lösungsorientiert.
Die FTIR-Spektroskopie
bei Quality Analysis
- Identifikation von Polymeren und Kunststoffen, Elastomeren, Klebstoffen und Beschichtungen sowie Vergleich unbekannter Materialien und Proben
- Analyse von Additiven, Füllstoffen und Abbauprodukten, bei Bedarf in Kombination mit weiteren analytischen Verfahren
- Untersuchung partikulärer Verschmutzungen zur Identifikation und Charakterisierung organischer Partikel
- Analyse filmischer Verunreinigungen und Rückstände direkt auf Bauteiloberflächen
- Identifikation unbekannter Ablagerungen, Rückstände und Einschlüsse, z. B. bei Materialabweichungen oder Schadensfällen
- Kombination mit ergänzenden Verfahren wie RAMAN-Spektroskopie, Lichtmikroskopie oder Thermogravimetrie für weiterführende Untersuchungen
Aufbau FTIR-Spektrometer
Ein FTIR-Spektrometer basiert auf einem Michelson-Interferometer. Eine IR-Strahlungsquelle erzeugt Infrarotlicht, das auf einen Strahlteiler trifft und in zwei Strahlen aufgeteilt wird. Einer wird an einem beweglichen Spiegel, der andere an einem unbeweglichen Spiegel reflektiert. Anschließend treffen beide Strahlen wieder aufeinander und erzeugen durch ihre Überlagerung eine Interferenz.
Das Licht wird danach auf die zu untersuchende Probe geleitet, deren Moleküle bestimmte Anteile der IR-Strahlung absorbieren. Die verbleibende Strahlung wird von einem Detektor erfasst und zunächst als Interferogramm dargestellt. Mithilfe der namensgebenden Fourier-Transformation wird dieses anschließend mathematisch in ein IR-Spektrum umgewandelt.
Welche Messmodi sind bei einem FTIR-Spektrometer möglich?
Man unterscheidet bei der FTIR-Spektroskopie zwischen drei verschiedenen Messmodi:
Transmissionsverfahren
Das Transmissionsverfahren erfordert keine weitere Vorbereitung des Spektroskops, lediglich die Probe muss häufig in Folie, Mull o. ä. vorbereitet werden. Anschließend wird die Probe einfach unter den IR-Strahl gelegt und die Messung erfolgt wie oben beschrieben.
Diese Art der Messung eignet sich für dünne, flüssige und transparente Proben, u. a. für thermoplastische und wasserlösliche Polymere, Polymerfilme, Pulver, Gase und Flüssigkeiten. Da es sich beim Transmissionsverfahren um die traditionellste Form der Messung handelt, existieren viele Standardarbeitsanweisungen mit deren Hilfe sich quantitative Bestimmungen leicht realisieren lassen.
Reflexionsverfahren
Beim Reflexionsverfahren (Echte gerichtete Reflexion bzw. Reflexion/Absorption) wird nicht die Energie gemessen, die die Probe durchdringt, sondern die, welche von ihr reflektiert wird. Jede Probe weist dabei einen eigenen Brechungsindex auf, dessen Änderungsrate bei der Reflexion in den verschiedenen Frequenzbandbreiten variiert. Durch Prüfung der Bandbreiten mit einer starken Änderung des Brechungsindexes lassen sich Vermutungen über die Absorption der Probe anstellen.
Dieses sehr empfindliche Verfahren liefert qualitativ hochwertige Daten und kommt daher zum Beispiel bei der Untersuchung metallischer Oberflächen, von Siliziumscheiben und allgemein bei glatten, reflektierenden Oberflächen zum Einsatz.
Abgeschwächte Totalreflexion (ATR)
Bei der ATR-Messung wird der IR-Strahl in einem optisch dichten Kristall reflektiert. Dabei entstehen evaneszente Wellen, die mit der Probe wechselwirken und in den absorbierten Spektralbereichen abgeschwächt werden. Der verbleibende Strahl wird anschließend vom Detektor erfasst.
Da nur der oberflächennahe Bereich der Probe erfasst wird, ist die Probendicke weitgehend unerheblich. ATR eignet sich daher besonders für dicke oder stark absorbierende Proben wie Kunststoffe, Gummi, Farben, Laminate oder Flüssigkeiten. Ein weiterer Vorteil ist die geringe Probenvorbereitung.
Fünf Vorteile der FTIR-Spektroskopie
Die FTIR-Spektroskopie bietet verglichen mit anderen Methoden eine ganze Reihe von Vorteilen, weshalb sie sich in den vergangenen Jahrzehnten zum Standardverfahren der IR-Spektroskopie entwickelt hat.
1. Durchsatz-Vorteil
Verglichen mit dispersiven Spektrometern ist der Lichtdurchsatz deutlich höher, da in FTIR-Spektrometern runde statt Spaltblenden verwendet werden können. Dadurch erhöht sich die Lichtausbeute um das bis zu 200-fache, was wiederum zu einer signifikanten Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses führt.
2. Höhere Genauigkeit
Da bei der FTIR-Spektroskopie ein Helium-Neon-Laser als Referenz verwendet wird, ist die Genauigkeit der Frequenz- und der Wellenlänge-Achse wesentlich höher als bei der klassischen dispersiven Infrarotspektroskopie.
3. Multiplex-Vorteil
Da bei der FTIR-Spektroskopie ein Interferometer statt eines Beugungsgitters zum Einsatz kommt, werden alle Wellenlängen des vordefinierten Spektralbereichs gleichzeitig gemessen. Dadurch verbessert sich wiederum das Signal-Rausch-Verhältnis, außerdem lassen sich dank dieser Eigenschaft sogenannte Fast-Scanning-FTIR-Spektrometer konstruieren, die wesentlich schnellere Messungen erlauben.
4. Höhere Geschwindigkeit
Dank des Multiplex-Vorteils lassen sich Scans mit dem FTIR-Spektrometer in Bruchteilen von Sekunden ausführen. Das erlaubt nicht nur die schnelle Untersuchung zahlreicher Proben hintereinander, sondern auch das Studium dynamischer Prozesse in Echtzeit.
5. Robustheit
Moderne FTIR-Spektrometer sind vergleichsweise robuste und kompakte Geräte, weshalb sie auch für den mobilen Einsatz geeignet sind.
FTIR-Spektroskopie in der Praxis
Aufgrund ihrer besonderen Vorzüge wird die FTIR-Spektroskopie vor allem als spektroskopische Methode in der chemischen Analytik organischer Substanzen eingesetzt, da sie Aussagen über das Vorhandensein und die Konzentration funktioneller Gruppen ermöglicht.
Kunststoffindustrie
Die FTIR-Spektroskopie eignet sich zur Identifikation und Charakterisierung von Polymeren und Kunststoffen. Sie unterstützt zudem beim Materialvergleich sowie bei der Untersuchung von Verunreinigungen und Materialabweichungen.
Automotive
In der Automobilindustrie wird FTIR insbesondere zur Identifikation partikulärer und filmischer Verunreinigungen eingesetzt. So lassen sich beispielsweise organische Rückstände wie Öle, Fette, Reiniger oder Schmierstoffe auf Bauteiloberflächen untersuchen.
Medizintechnik
FTIR unterstützt in der Medizintechnik bei der Materialcharakterisierung von Kunststoffen und polymerbasierten Komponenten sowie bei der Untersuchung von Partikeln und filmischen Rückständen. Auch bei pharmazeutischen Verpackungen gehört die FTIR-Spektroskopie zu den eingesetzten Verfahren der Kunststoffanalytik.
Elektronikfertigung
Bei elektronischen Baugruppen dient FTIR vor allem der Analyse organischer Rückstände, Partikel und Prozesskontaminationen. Spektroskopische Verfahren unterstützen dabei, Verunreinigungen auf Leiterplatten und Bauteiloberflächen zu identifizieren und Material- oder Prozessabweichungen einzugrenzen.
Spielzeug & Babyartikel
Mit der FTIR-Spektroskopie lassen sich Kunststoffe, Elastomere, Beschichtungen und Klebstoffe identifizieren. Sie eignet sich außerdem zur Materialverifikation sowie zur Untersuchung unbekannter Substanzen, Verunreinigungen und Materialabweichungen.
Verpackungsindustrie
Bei Verpackungen eignet sich FTIR insbesondere zur Identifikation und zum Vergleich polymerbasierter Materialien sowie zur Untersuchung unbekannter Materialbestandteile oder Abweichungen. Relevant ist dies vor allem bei Kunststoffen, Folien, Verbundmaterialien und Beschichtungen. Eure Verpackungsseite behandelt diese Materialgruppen bereits, nennt FTIR aktuell aber nicht ausdrücklich als Verfahren.
Zusammenfassung: FTIR-Spektroskopie
Die FTIR-Spektroskopie ist ein vielseitiges Verfahren zur Identifikation und Charakterisierung organischer Materialien und Substanzen. Sie wird unter anderem eingesetzt, um Polymere und Kunststoffe zu bestimmen, Materialien miteinander zu vergleichen sowie Verunreinigungen, Rückstände und unbekannte Stoffe zu analysieren. Damit unterstützt FTIR bei der Materialprüfung, Qualitätskontrolle und Ursachenanalyse in zahlreichen industriellen Anwendungen.