Метод МНПВО: принцип, кристаллы НПВО и выбор между призмой и полусферой

Содержание

Метод МНПВО — ИК-спектроскопия многократного нарушенного полного внутреннего отражения: луч несколько раз отражается внутри кристалла, а прижатый к рабочей грани образец поглощает часть затухающей волны. Проект общей фармакопейной статьи Минздрава России по ИК-спектрометрии называет метод НПВО, или ATR, одним из двух основных методов измерения наряду с пропусканием.

Для метода нарушенного полного внутреннего отражения, в англоязычной литературе attenuated total reflectance, показатель преломления кристалла n1 должен превышать показатель преломления образца n2. Типичная глубина проникновения затухающей волны в образец, по данным PIKE Technologies, составляет 0,5-5 мкм в зависимости от условий измерения. В методе МНПВО жидкости, пасты, порошки и полимерные плёнки анализируют на кристалле почти без пробоподготовки.

В однократном НПВО луч отражается от рабочей грани один раз, в МНПВО многократно: по сведениям PIKE Technologies, стандартные приставки дают 9-20 отражений при угле падения 45°. Призма МНПВО с сечением трапеции или параллелограмма задаёт скосом торцов постоянный угол падения, а на полусфере НПВО луч отражается однократно под переменным углом, от которого зависит глубина зондирования.

Элементы внутреннего отражения делают из ZnSe, Ge, Si, КРС-5 и алмаза. ГК «Кварц-Пром» изготавливает призмы МНПВО из ZnSe, Si, Ge и КРС-5 и полусферы из ZnSe, Si и Ge в типовых исполнениях и по чертежу заказчика.

Где применяют ИК-спектроскопию НПВО и МНПВО

От установки образца до спектра в приставке МНПВО проходит не больше 1-2 мин, по данным группы компаний «Гранат». Объекты анализа:

• Водные и мутные растворы: Носенко и соавторы (ИТМО, 2021) называют применимость к мутным растворам преимуществом НПВО, а ГОСТ Р 57939-2017 (п. 6.2.1) допускает даже водные разбавленные растворы.
• Пищевые и технологические жидкости: «Гранат» публикует спектры молочных продуктов с вычитанием воды, растворов сульфолана и триэтиленгликоля (ФСМ 1201, призма ZnSe, разрешение 4 см⁻¹).
• Вязкие и клейкие вещества, пасты, осадки, шламы, полимеры, слоистые пластики, волокнистые и вспененные материалы (Химическая энциклопедия). Плёнку полиэтилена «Гранат» снимает за 2 с.
• Покрытия и тонкие плёнки: в их спектрах НПВО нет интерференционных особенностей (физфак МГУ, 2016).

Качество спектра зависит от контакта: для твёрдых образцов проект фармакопейной статьи предписывает плотный равномерный контакт. Химическая энциклопедия требует от твёрдого образца гладкой плоской поверхности без чрезмерной жёсткости. По PIKE, сильный прижим пористой пены даёт поглощение в 10 раз больше, чем слабый.

Для жидкостей метод МНПВО заменяет кюветы пропускания, пишут Ефимова, Зайцев и соавторы («Инфракрасная фурье-спектрометрия», физфак МГУ, 2008). Кварцевые кюветы остаются инструментом УФ- и видимой спектрофотометрии, а в приставке МНПВО эффективную толщину слоя задают материал, параметры призмы и n образца («Гранат»).

Принцип метода НПВО: критический угол и глубина проникновения

Метод МНПВО опирается на работы Харрика 1960 года и Фаренфорта 1961 года (обзор Т. Бюрги, Женевский университет), а монография Харрика «Спектроскопия внутреннего отражения» вышла по-русски в 1970 году.

Полное внутреннее отражение возникает, когда луч идёт из кристалла с показателем преломления n1 в образец с n2 < n1 и падает под углом больше критического. Б. Н. Тарасевич в пособии химфака МГУ даёт формулу критического угла θc:

θc = arcsin(n2/n1)

Для органического образца с n = 1,5 граница полного отражения у ZnSe проходит на 38,7°, у Ge на 22,0°. Против воздуха с n = 1 кристаллы с n1 = 2,40 и 4,00 дают 24,6° и 14,5°, и такие углы обычно стоят в справочных таблицах призм. Поэтому критические углы из разных источников сравнимы только при одном и том же n второй среды.

У границы возникает затухающая (эванесцентная) волна. По проекту фармакопейной статьи, она неглубоко заходит в образец и частично поглощается: отражение нарушается, и луч несёт спектр поглощения.

В руководстве PIKE глубина проникновения dp определена как расстояние, на котором амплитуда электрического поля падает в e раз относительно поверхности:

dp = λ / (2π·n1·√(sin²θ − (n2/n1)²))

Здесь θ означает угол падения, а λ в мкм равна 10 000 / волновое число в см⁻¹. От числа отражений глубина проникновения не зависит, поэтому формула одинакова для однократного НПВО и призмы МНПВО.

С длиной волны dp растёт, с ростом угла падения уменьшается. О кристалле Химическая энциклопедия пишет: «Чем выше показатель преломления материала призмы, тем меньше глубина проникновения излучения в образец». По Тарасевичу, чем ближе n2 к n1, тем глубже проникает излучение, а dp составляет от 0,1 λ до нескольких λ. Опорные волновые числа взяты из средней ИК-области, по проекту фармакопейной статьи это 4000-400 см⁻¹.

Расчёт по формуле глубины проникновения для образца с n = 1,5; n1 и n2 приняты постоянными по диапазону; значения при 1000 см⁻¹ совпадают с таблицами PIKE Technologies в пределах 0,01 мкм.

По расчёту, угол 60° вместо 45° и Ge вместо ZnSe уменьшают зондируемый слой, а на 4000 см⁻¹ он вчетверо тоньше, чем на 1000 см⁻¹.

Проект также указывает, что в НПВО поглощение сильнее на длинных волнах, а полосы слегка смещены относительно пропускания, поэтому спектры НПВО и пропускания при идентификации сравнивать не рекомендуется.

Материалы кристаллов НПВО: ZnSe, Ge, Si, КРС-5 и алмаз

Тарасевич (химфак МГУ) предъявляет к материалу призмы четыре требования: прозрачность при толщине в несколько сантиметров, прочность, полировка до высокого класса и химическая инертность.

Показатель преломления и спектральный диапазон

Источники: n по Crystran (алмаз по Specac); пропускание ZnSe, Ge и Si по данным Кварц-Пром (у Crystran для ZnSe 0,6-21 мкм), КРС-5 и алмаза по Crystran; рабочий диапазон по сводной таблице Specac TN21-03; граница по PIKE Technologies.

Когда материалы для ИК-оптики подбирают для окон, смотрят на пропускание тонкой пластины, а в кристалле приставки луч проходит длинный путь, и длинноволновая граница, по данным PIKE, зависит ещё от длины кристалла. Германий как материал пропускает 1,8-23 мкм, а длинноволновая граница элемента у PIKE проходит на 780 см⁻¹, то есть 12,8 мкм; у Specac для Ge указано 480 см⁻¹. Рабочий диапазон задают по элементу, а не по паспорту материала.

Часть спектра закрывает собственное поглощение: алмаз сильно поглощает при 2600-1900 см⁻¹ (Specac; ГОСТ Р 57939-2017 для алмазных наковален даёт 1900-2300 см⁻¹), а фононные полосы кремния 1350-500 см⁻¹ перекрывают область «отпечатков пальцев» (Specac).

В УФ, видимой и ближней ИК-областях кристаллы НПВО чаще делают из кварцевого стекла (SiO₂); сапфир твёрже и меньше царапается, поэтому его ставят в специальных УФ- и БИК-схемах (ИТМО, 2021). Мы поставляем кварцевое стекло КУ-1, КУ-2, КВ и КИ по ГОСТ 15130-86 и лейкосапфир (Al₂O₃), а оптические призмы изготавливаем по чертежу заказчика.

Химическая и механическая стойкость

Источники: pH и твёрдость по PIKE (для алмаза: элемент алмаз на ZnSe), растворимость по Crystran; твёрдость Ge по Кнупу 780 (Crystran).

Самое узкое pH-окно у селенида цинка и КРС-5. В кислой или сильно щелочной среде ZnSe реагирует с образованием токсичных паров (Specac): растворы с pH < 5 могут травить кристалл, а сильные кислоты дают селеноводород H₂Se (PIKE). ИТМО (2021) называет ZnSe самым популярным материалом таких кристаллов, хотя и токсичным. Crystran тоже относит соли таллия из КРС-5 к токсичным.

Пыль ZnSe, Ge и КРС-5 вредна при вдыхании, поэтому механическую обработку этих материалов ведут с местной вытяжкой и в средствах индивидуальной защиты.

Ограничения и деградация при эксплуатации

ГОСТ Р 57939-2017 в разделе о микроспектроскопии внутреннего отражения (п. 7.4.11) предупреждает, что кристалл НПВО легко повредить, и предписывает периодически осматривать его под оптическим увеличением.

• ZnSe чувствителен к точечным нагрузкам: Specac советует его для мягких образцов и считает полурасходным, а царапается он легче германия и кремния (ИТМО, 2021).
• Германий твёрдый, но очень хрупкий и трудный в обработке, поэтому элементы МНПВО из него в эксплуатации легко колются (МГУ, 2016) и требуют защиты от ударов и точечных нагрузок.
• Рабочая температура германия до 100 °C (Кварц-Пром), но Crystran называет порог ниже: чуть выше 350 K (77 °C) прозрачность резко падает из-за тепловых носителей заряда; для нагреваемых приставок Specac германий не рекомендует.
• Просветляющее покрытие ZnSe при нагреве нестабильно, поэтому в нагреваемых ячейках Specac ставит селенид цинка без покрытия.
• Поверхность мягкого КРС-5 склонна к процарапыванию (МГУ, 2016).

Как выбрать кристалл НПВО по показателю преломления образца

У большинства органических образцов n близок к 1,5 (PIKE), у большей части окружающих веществ 1,6-1,7 (labconcept). Для угла падения θ Ефимова и соавторы (МГУ, 2016) требуют n2 < n1·sin θ, иначе вместо спектра НПВО записывается зеркальное отражение.

Расчёт: n2 < n1 · sin 45°.

При n образца, близком к n кристалла, возникает аномальная дисперсия: появляются асимметричные пики с провалом ниже базовой линии (Specac TN21-03). У PIKE жидкость с n = 1,8 при 45° даёт на алмазе сдвиг базовой линии и асимметрию полос, на германии — нормальный спектр. Расчёт объясняет разницу: 1,8 выше предела алмаза 1,70, но ниже предела германия 2,83.

Какие образцы выходят за предел 1,70? Материалы с сажей: у технического углерода n доходит до 2,5, и при содержании сажи выше 10 % алмазный кристалл НПВО применяют ограниченно (labconcept). Германиевая призма, по Химической энциклопедии, даже при малом числе отражений даёт хороший спектр МНПВО сильно наполненной сажей резины.

Плата за германий: меньшая глубина проникновения снижает отношение сигнал/шум, зато он подходит для исследования поверхности (Specac). Для рутинного ИК-Фурье анализа Specac называет самым распространённым выбором алмаз.

Призмы МНПВО: угол скоса и расчёт числа отражений

Стандартные приставки часто выпускают с углом скоса кристалла 45° и падением луча по нормали к скошенному торцу, тогда внутренний угол падения тоже равен 45°. Серийные трапецеидальные кристаллы бывают также с углами 30° и 60°, отмечают Ефимова и соавторы (МГУ, 2016).

Сечение призмы МНПВО имеет форму параллелограмма или равнобедренной трапеции. Луч входит и выходит по нормали к скошенным торцам, а между ними многократно отражается от больших граней. Классификация остальных призм дана в обзоре виды оптических призм.

Thermo Fisher в руководстве «Introduction to ATR Spectroscopy» выражает число отражений приставки МНПВО через длину l и толщину t кристалла и угол падения θ:

N = (l/t)·ctg θ

В горизонтальной приставке НПВО образец касается одной грани и получает половину отражений, поэтому N делят на 2.

Расчёт по формуле Thermo Fisher; на грани с образцом указана целая часть N/2.

С ростом угла падения число отражений и поглощение уменьшаются, указывает Thermo Fisher. Утолщение пластины с 2 до 3 мм снижает N с 25 до 16,7. Изготавливаем призмы МНПВО из ZnSe, Si, Ge и КРС-5 с размерами, углом скоса и числом рабочих отражений по чертежу заказчика.

По Химической энциклопедии, число отражений бывает 25 и более. Горизонтальная приставка МНПВО36 производства Инфраспек даёт до 7 внутренних отражений.

Метод МНПВО усиливает слабые полосы за счёт эффективного оптического пути (EPL): по Thermo Fisher, он равен эффективной толщине поглощающего слоя, умноженной на число отражений. Для ZnSe при 45°, образце с n = 1,5 и 1000 см⁻¹ PIKE приводит 4,36 мкм при одном отражении и 43,6 мкм при десяти, для германия при десяти отражениях 6,14 мкм. Одно отражение PIKE считает идеальным для качественного анализа, а для минорных компонентов число отражений увеличивают, в примере PIKE до 10.

Полусферы НПВО: переменный угол падения и сравнение с призмой

В приставке Harrick Seagull образец кладут под полусферический элемент внутреннего отражения и плавно меняют угол падения в пределах 5-85° без повторной юстировки. Полусферы к ней Harrick выпускает из ZnSe, Ge и Si, а Кварц-Пром изготавливает полусферы для НПВО из ZnSe, Si и Ge в типовых исполнениях и по чертежу.

В отличие от призмы МНПВО с постоянным углом, полусфера позволяет менять угол падения, а с ним глубину проникновения, и со сходящимся пучком заметно усиливает сигнал от малых проб, отмечают Ефимова и соавторы, МГУ, 2016.

Зачем менять угол, если призма даёт стабильный сигнал? Переменный угол нужен для профилирования состава по глубине.

В патенте RU2334957C2 полусфера НПВО описана как элемент для непрерывной вариации угла: чем меньше угол падения, тем глубже уходит затухающая волна. Там же упомянут ИК-микроскоп Spectra-Tech с полусферой в фокусе объектива, снимающий спектры с участков в десятки микрометров. Ниже критического угла спектр, по руководству Harrick, качественно напоминает зеркальное отражение.

Для микрообразцов п. 5.10 ГОСТ Р 57939-2017 описывает приставки микро-НПВО: элемент диаметром 1-3 мм, зона анализа 0,5-2,0 мм, а алмазный элемент выдерживает более высокий прижим. Лучи в таких приставках падают под разными углами, поэтому их спектры стандарт не разрешает напрямую сравнивать со спектрами на регулируемом угле и спектрами пропускания.

Нормативная база метода НПВО и материалов элементов

Для проверки шкалы волновых чисел проект общей фармакопейной статьи Минздрава России задаёт полосы полистирола в режиме НПВО: 906,1; 1027,7; 1601,1 и 3059,7 см⁻¹ с допуском ±1,0 см⁻¹ против 906,6; 1028,3; 1601,2 и 3060,0 см⁻¹ в режиме пропускания.

ГОСТ Р 57939-2017 модифицирован по отношению к ASTM E334-01(2013), а селенид цинка для призм МНПВО и полусфер поставляют по ТУ изготовителя.

Что указать в ТЗ на призму МНПВО или полусферу НПВО

Кварц-Пром работает с 2004 года и выпускает типовые призмы для метода МНПВО из ZnSe, Si, Ge и КРС-5, полусферы из ZnSe по ТУ, Si по ГОСТ 19658-81 и Ge по ГОСТ 16153-80. Нестандартные элементы делаем по чертежу заказчика, параметры согласуем под конкретную приставку. Согласование и приёмка разобраны в статье ИК-оптика на заказ: от ТЗ до приёмки.

Материал кристалла мы подбираем под рабочий диапазон задачи, у полусфер выдерживаем радиус, плоскостность основания и чистоту полировки. Типовой элемент МНПВО из ZnSe по функции соответствует PIKE ZnSe ATR element, германиевый по назначению близок к Specac Ge ATR element. Числа в колонке «Ориентир» приведены как пример серийной спецификации на рынке, а не как параметры Кварц-Пром.

Частые вопросы о методе МНПВО

Чем метод МНПВО отличается от НПВО?

В однократном НПВО одно отражение, в приставках метода МНПВО 9-20 отражений при 45° (PIKE). Эффективный путь у ZnSe при 45° и образце с n = 1,5 на 1000 см⁻¹ растёт с 4,36 мкм при одном отражении до 43,6 мкм при десяти.

На какую глубину ИК-излучение проникает в образец при НПВО?

Глубина проникновения затухающей волны в образец обычно 0,5-5 мкм (PIKE). Для ZnSe при 45° и n образца 1,5 расчёт даёт 0,50-2,01 мкм на 4000-1000 см⁻¹, для германия 0,17-0,66 мкм.

Почему спектр НПВО не совпадает со спектром пропускания?

Глубина проникновения растёт с длиной волны, поэтому длинноволновые полосы НПВО усилены и слегка сдвинуты. Проект фармакопейной статьи Минздрава России не рекомендует сопоставлять спектры НПВО и пропускания при идентификации. Полосу полистирола он задаёт отдельно для каждого режима: 1601,2 см⁻¹ в пропускании и 1601,1 см⁻¹ в НПВО.

Можно ли анализировать кислые растворы на кристалле ZnSe?

Ограниченно: ZnSe допускает образцы с pH 5-9, а более кислые растворы могут травить поверхность; сильные кислоты выделяют токсичный селеноводород H₂Se (PIKE). Кислые среды снимают на германии (pH 1-14) или кремнии (pH 1-12).

Почему резины с сажей снимают на германиевом кристалле?

Показатель преломления сажи может доходить до 2,5, и при её содержании выше 10 % возможности алмаза ограничены (labconcept). Расчётно при 45° германий (n = 4,00) работает с образцами до n = 2,83, а алмаз (n = 2,40) только до 1,70.

Сколько отражений даёт призма МНПВО?

По формуле Thermo Fisher N = (l/t)·ctg θ число отражений призмы зависит от длины l, толщины t и угла падения θ. Призма длиной 50 мм и толщиной 2 мм при 45° даёт 25 отражений, из них 12 на грани с образцом в горизонтальной приставке; при 60° расчёт даёт 14,4 отражения, из них 7 на грани с образцом.

Зачем полусфера НПВО, если есть призма?

Полусфера НПВО позволяет плавно менять угол (в Harrick Seagull 5-85°) и с ним глубину зондирования, что даёт профиль поглощения по глубине, например для покрытия. Со сходящимся пучком она усиливает сигнал от малых проб (МГУ, 2016).

Кварц-Пром изготавливает призмы МНПВО из ZnSe, Si, Ge и КРС-5 и полусферы для НПВО из ZnSe, Si и Ge по чертежу заказчика. Для расчёта элемента под вашу приставку пришлите чертёж или ТЗ на info@quartz-prom.ru.