Techniques de mesure au microscope - Mesures de réflexion et d'ATR
Précautions concernant la méthode de réflexion par microscope IR
La technique de réflexion par microscope IR est extrêmement simple, nécessitant peu ou pas de préparation d'échantillon. Cependant, les mesures sont limitées à certaines formes d'échantillons. L'un des échantillons typiques adaptés à la mesure de réflexion au microscope est la matière étrangère adhérant à un substrat métallique hautement réfléchissant. Trois précautions relatives à l'analyse par réflexion IR des échantillons adhérant à une plaque métallique sont décrites ci-dessous.
Fig. 1 Schéma d'un échantillon épais adhérant à une plaque métallique
1. Analyse d'un échantillon épais
L'analyse d'un objet épais adhérant à la surface d'une plaque métallique est illustrée dans le schéma de la Fig. 1.
La réflexion spéculaire de la surface de l'échantillon, comme indiqué dans la Fig. 1, représente environ 5 % de la lumière incidente totale. Dans la Fig. 1, l'échantillon est suffisamment épais pour que même si une partie de la lumière est réfléchie par la surface métallique, presque aucune lumière ne sera réfléchie par la surface de l'échantillon. Le spectre de réflectance spéculaire obtenu ici affiche une distorsion dans le spectre de première dérivée en raison d'un grand changement dans la réflectance (diffusion anormale de l'indice de réfraction) où une forte absorption se produit. Cependant, un spectre similaire à un spectre d'absorption peut être obtenu en appliquant l'analyse de Kramers-Kronig (K-K).
Typiquement, moins de lumière atteindra le détecteur lors d'une mesure de réflectance avec un microscope IR par rapport à une mesure de transmission. Surtout lors de l'analyse d'un échantillon épais en mode réflexion, la quantité de lumière est considérablement diminuée, nécessitant une intégration considérable pour améliorer le rapport signal/bruit.
La Fig. 2 montre un exemple de mesure d'une feuille de revêtement brillante (environ 1 mm d'épaisseur) sur une plaque métallique. La mesure a été effectuée en se concentrant sur la surface de l'échantillon et en réglant l'ouverture à 30 × 30 µm. Dans la Fig. 2, le pic montre une distorsion dans le spectre de première dérivée comme décrit ci-dessus, contrairement à celui observé dans un spectre d'absorption normal. La Fig. 3 montre le résultat de l'application de l'analyse K-K au spectre de la Fig. 2. Il est facilement déterminé à partir de la Fig. 3 que la feuille de revêtement est en polypropylène.
Fig. 2 Spectre de réflectance spéculaire de la feuille sur une plaque métallique
Fig. 3 Spectre après analyse K-K
Fig. 4 Spectre de réflexion d'absorption d'une feuille sur une plaque métallique
La Fig. 4 montre les résultats d'une mesure en se concentrant sur la surface de la plaque métallique, plutôt que sur la surface de l'échantillon. Dans la Fig. 4, il est évident que les pics sont saturés dans le spectre de réflexion d'absorption en raison de l'épaisseur de l'échantillon.
De cette manière, lorsque l'échantillon est épais, seul le spectre de réflexion spéculaire peut être obtenu si la mise au point est faite sur la surface de l'échantillon, et une analyse qualitative de l'échantillon est possible en appliquant l'analyse K-K. Cependant, avec des échantillons comme des poudres et des fibres, qui ont une surface rugueuse, comme la plupart de la lumière réfléchie est diffusée, il est difficile de détecter uniquement le composant de réflexion spéculaire de la surface de l'échantillon. Lorsque l'échantillonnage est possible, la méthode de transmission du microscope IR est appropriée, et lorsque l'objet cible dépasse de la surface, la méthode ATR du microscope IR est plus applicable.
2. Analyse d'un échantillon mince
L'analyse d'un objet mince adhérant à la surface d'une plaque métallique est illustrée dans le schéma de la Fig. 5.
Lorsque l'échantillon est mince, comme montré dans la Fig. 5, la lumière incidente est réfléchie depuis la surface de la plaque métallique et sort de la surface de l'échantillon. Le spectre obtenu dans ce cas est un spectre de réflexion d'absorption similaire à celui obtenu lors de la mesure en transmission lorsque de grandes quantités de lumière sont réfléchies par la surface métallique (ligne bleue dans la Fig. 5). Cependant, si seule une petite quantité de lumière est réfléchie par la surface métallique, un spectre composé d'un mélange de réflexion spéculaire pure et de spectre d'absorption de réflexion est obtenu. Lorsque ce type de spectre est obtenu, une distorsion positive des pics (augmentation de la transmission) se produit du côté des nombres d'onde plus élevés du position du pic, et inversement, une distorsion négative (réduction de la transmission) se produit du côté des nombres d'onde plus bas. Cette caractéristique est la même que l'effet Christiansen observé lors de l'utilisation des méthodes de pastille de KBr et de muller Nujol. (Effet Christiansen : Phénomène dans lequel la quantité de lumière transmise change à proximité de la position du pic en raison de la relation entre l'indice de réfraction et la réflexion. Cela se produit souvent avec des échantillons diffusants.)
La Fig. 6 montre un exemple de mesure utilisant un échantillon mince. La mesure a été effectuée avec un réglage d'ouverture de 20 × 20 µm. Les mesures 1 et 2 montrent des résultats obtenus à différentes positions. Dans la mesure 1, un spectre d'absorption normal est observé, mais dans la mesure 2, une distorsion des pics est observée dans la proximité de 1500 cm-1. Lorsque ce type de spectre est obtenu, étant donné que la position du pic et l'intensité d'absorption sont différentes des valeurs appropriées, il est nécessaire de rechercher une position où un spectre similaire à celui de la mesure 1 peut être obtenu. Si l'objet cible est extrêmement petit et qu'il n'est pas possible de changer la position de mesure, utilisez la méthode de transmission du microscope IR ou la méthode ATR du microscope IR pour obtenir un spectre non distordu.
Fig. 5 Schéma d'un échantillon mince adhérant à une plaque métallique
Fig. 6 Spectre d'un objet adhérant à la surface d'une plaque métallique
3. Position de mesure de fond (BKG)
Comme décrit dans les précautions requises lors de l'utilisation de la technique de transmission du microscope IR dans le Vol. 5, les positions de mesure de BKG et d'échantillon influencent également le spectre dans la méthode de réflexion du microscope IR. La Fig. 7 et la Fig. 8 montrent un exemple d'analyse d'un objet adhérant à la surface d'une plaque métallique. La Fig. 8 montre les spectres obtenus par des mesures de BKG à deux positions (BKG 1 et BKG 2), avec la position de l'échantillon fixée sur la matière étrangère sur la plaque.
Dans la Fig. 8, les pics ne sont pas aussi distincts dans BKG 2 que dans BKG 1. On pense que dans BKG 2, une quantité minime de matériau identique à la matière étrangère est collée à la plaque, et les pics de BKG sont décalés par le pic de la matière étrangère. Cela illustre l'importance de sélectionner soigneusement les positions de mesure de BKG et d'échantillon dans les mesures de réflexion, comme dans les mesures de transmission.
Une recherche de spectre effectuée pour le spectre de la ligne rouge dans la Fig. 8 (BKG 1) a révélé que la substance est le lactate de sodium.
Fig. 7 Photographie microscopique de matière étrangère sur une plaque
Fig. 8 Spectres de matière étrangère sur une plaque
■ Précautions dans la technique ATR du microscope IR
La technique ATR du microscope IR est extrêmement simple, nécessitant presque aucune préparation d'échantillon. Cependant, il y a plusieurs précautions à garder à l'esprit lors de l'utilisation de cette méthode. Trois précautions importantes sont décrites ci-dessous.
1. Substances résiduelles sur le prisme
Dans l'analyse utilisant la méthode ATR du microscope IR, l'échantillon est fortement pressé contre le prisme. Par conséquent, avant d'analyser un autre échantillon, il est nécessaire de vérifier la présence de toute substance résiduelle de l'échantillon qui pourrait avoir été transférée au prisme, et de nettoyer ce matériau résiduel. Ce flux d'opération est illustré dans la Fig. 9.
Après avoir effectué une mesure de BKG, la mesure de l'échantillon est effectuée avec l'échantillon pressé contre le prisme. Après cela, l'échantillon et le prisme sont séparés, et le spectre est vérifié à l'aide de la mesure sur moniteur. Si aucun pic n'est visible comme montré dans le spectre inférieur de la Fig. 9, l'analyse de l'échantillon suivant est possible car il n'y a pas de substance résiduelle sur le prisme. Cependant, si des pics sont visibles comme montré dans le spectre du milieu de la Fig. 9, cela indique la présence d'une substance résiduelle en raison du transfert de l'échantillon au prisme. Dans ce cas, la surface du prisme doit être nettoyée en utilisant, par exemple, un applicateur à coton imbibé d'éthanol.
Cependant, si l'échantillon est un mélange de substances, il est très probable qu'une seule des substances du mélange soit collée au prisme, et en mesurant le spectre transféré, des informations très détaillées pourraient être obtenues. Par exemple, si la matière étrangère comprend de l'huile, la mesure de l'échantillon en contact avec le prisme fournira un spectre à la fois du matériau étranger et de l'huile, mais après avoir séparé le prisme de l'échantillon, seul le spectre de l'huile sera obtenu. Par conséquent, si un spectre de soustraction est calculé en soustrayant le spectre de résidu du spectre mesuré dans l'état de contact, un spectre du matériau étranger seul sera obtenu.
2. État de surface de l'échantillon et position de contact
Comme la mesure utilisant la technique ATR du microscope IR nécessite que l'échantillon et le prisme soient en contact étroit, en fonction de l'état de la surface de l'échantillon et de la position de contact, un bon spectre peut ne pas être obtenu. Si la surface de l'échantillon est irrégulière, comme montré dans la Fig. 10, un spectre peut ne pas apparaître selon la position.
La Fig. 11 montre un exemple d'analyse ATR du microscope IR de saleté collée à une surface métallique. Dans la Fig. 11, des pics peuvent être identifiés dans le spectre bleu (zone entourée de bleu dans la photo), mais aucun pic distinct n'est obtenu dans les spectres rouge et vert (zones entourées de rouge et vert dans la photo). Cela est probablement dû à la difficulté d'obtenir un bon contact avec ces zones, ou parce que le matériau adhérent dans ces zones est très mince. De cette manière, lorsque aucun pic distinct n'est obtenu, il est nécessaire de changer la position de mesure.
Fig. 10 Schéma de contact entre l'échantillon et le prisme
Fig. 11 Spectres de saleté sur une surface métallique
3. Force de pression
Lorsque vous utilisez la technique ATR du microscope IR, le spectre peut changer en fonction de la force avec laquelle l'échantillon est pressé contre le prisme. Une attention particulière est nécessaire lorsque l'échantillon est mou. Considérez la situation dans laquelle un échantillon mou multicouche est mesuré, comme illustré dans la Fig. 12.
Lorsque la pression est légère, un spectre est obtenu uniquement pour la couche verte dans la Fig. 12, mais à mesure que la force de pression augmente progressivement, la couche verte est progressivement étirée et le spectre de la couche rouge sera superposé à celui de la couche verte.
Un exemple d'analyse ATR du microscope IR de ce type d'échantillon mou multicouche selon la description ci-dessus est montré dans la Fig. 13. Les spectres correspondent à la force de pression dans l'ordre de A < B < C.
Il est évident qu'à mesure que la force de pression augmente, un pic devient évident dans la proximité de 1650 cm-1, et inversement, les pics dans la proximité de 1700 cm-1 et entre 1250 et 1000 cm-1 deviennent plus faibles. La couche la plus superficielle correspond au spectre A dans la Fig. 13, et les composés dans la couche inférieure peuvent être obtenus en calculant le spectre de soustraction entre les spectres C et A. À partir du spectre de soustraction résultant, la couche la plus superficielle a été identifiée comme étant du polyuréthane, et la couche intérieure comme un composé amide.
Fig. 12 Pression du prisme contre un échantillon mou multicouche
Fig. 13 Changement de spectre dû à la variation de la force de pression
