감쇠 전 반사(ATR) 는 구조 및 성분 정보를 얻기 위해 샘플에 빛을 쏘는 샘플링 방법입니다. ATR은 FTIR 분광광도계용 샘플링 기술로 가장 많이 사용되는 것 중 하나입니다. ATR 방식이 편재적으로 사용되는 이유는 고체와 액체 샘플을 깔끔하게 분석할 수 있게 해 사실상 모든 물질의 측정을 단순화한다는 것입니다.
널리 사용되는 다른 샘플링 방법인 투과와는 달리 측정 경로 길이는 샘플의 두께와 무관합니다. ATR은 내부 반사 기반 방법이며 샘플 경로 길이는 샘플 내로의 적외선 에너지 침투 깊이에 따라 달라집니다. 고체 샘플 두께는 100 마이크론 또는 100mm일 수 있으며 기록된 적외선 스펙트럼은 기본적으로 동일하게 보입니다. 유체 또는 슬러리 샘플이 ATR 표면과 접촉하면, 액체 부분의 적외선 스펙트럼이 기록됩니다. 이 후자의 현상으로 인해 감쇠 전반사(ATR)가 화학 반응 모니터링에 매우 강력합니다.
샘플 전처리 또는 희석 없이 스펙트럼을 측정할 수 있으므로, ATR은 고체 및 액체 물질 분석에 적용할 수 있다는 것이 밝혀졌습니다. ATR의 초기 용도 중 하나는 폴리머 샘플 및 필름의 적외선 스펙트럼을 얻는 것이었습니다. 약 25년 전, DiComp 다이아몬드 ATR[1]이 발명되어 화학 반응 모니터링을 포함한 많은 새로운 Application으로 ATR의 사용이 확대되었습니다.
[1] Milosevic, M. Sting, D., Rein, A., “Diamond Composite Sensor for ATR Spectroscopy”, Spectroscopy, 1995, 10, 44-49
감쇠 전 반사(ATR)에서 빛 에너지는 두 가지 주요 특성을 갖는 광학 재료(즉, ATR 센서)를 통과합니다.
선택한 광학 소재와 센서 제작 방식에 따라 반사 횟수나 노드의 수를 신중하게 제어할 수 있습니다.ATR 센서의 유효 경로는 내부 반사의 수와 소멸파의 침투 깊이를 곱한 값으로 정의된다.각 노드에서 에너지의 정재파가 표면에서 발산됩니다.
이 에너지는 센서 표면으로부터의 거리 함수로, 강도가 감소하기 때문에 소멸됩니다. 따라서 센서와 직접 접촉하는 모든 물질은 에너지에 의해 조사됩니다.
또한 침투 깊이는 에너지의 특정 파장에 따라 달라지므로, 스펙트럼을 얻기 위해 변조된 방사선으로 샘플을 스캔할 때 피크의 위치는 투과/흡광도 스펙트럼의 위치와 비슷하지만 개별 대역의 강도는 투과/흡광도 스펙트럼과 다를 것입니다.
ATR IR 분광광도계: 단순하거나 광학적으로 조밀한 물질에 적합합니다
감쇠 전 반사(ATR)는 센서 내에서 내부 반사가 가능할 만큼 충분히 굴절률이 높은 광학 센서 소재를 사용합니다. 선택한 광학 소재와 센서 제작 방식에 따라 반사 횟수나 노드의 수를 신중하게 제어할 수 있으며 광학적으로 조밀한 샘플에 적합한 효과적인 경로 길이를 얻을 수 있습니다.센서와 직접 접촉하는 모든 물질은 에너지에 의해 조사됩니다. FTIR 스펙트럼의 강도는 반사 횟수, 소멸파의 샘플 내 침투 깊이, 관심 대상 샘플의 분자 수 및 각 흡수율에 따라 달라집니다.
빛이 샘플을 가로질러야 하는 투과 기술과는 달리, FTIR ATR과 샘플 두께는 관련이 없습니다. 액체 또는 고체 샘플은 10마이크론 또는 10cm 두께일 수 있으며, 어느 경우든 유용한 FTIR 스펙트럼을 얻을 수 있습니다. 유용한 스펙트럼을 얻기 위하여 샘플의 전처리 또는 희석이 필요하지 않으므로 ATR은 광범위한 화학 반응 연구에 이상적입니다.또한, 내마모성이 있는 ATR 센서를 사용할 수 있으며, 많은 화학 물질과 관련된 열악한 반응 조건을 견딜 수 있습니다.
비교:투과 IR 분광광도계는 유용한 스펙트럼을 얻기 위해 일반적으로 샘플의 전처리가 필요합니다
액체의 투과 스펙트럼을 얻기 위해, 샘플은 적외선 투명 창이 갖는 셀에 에워싸여 있고 에너지는 샘플을 가로질러야 합니다.스펙트럼의 강도는 셀의 경로 길이 및 분석할 용액과 관련이 있습니다. 샘플 경로 길이가 너무 길거나 샘플에 적외선 흡수 또는 산란이 높은 용매 또는 용질 분자가 포함되어 있으면 에너지가 적외선 검출기에 거의 도달하지 않거나 전혀 도달하지 않습니다. 이는 대부분의 화학 반응 분석을 어렵게 만들거나 투과 모드에서 수행할 수 없도록 합니다. 올바른 경로 길이가 분석 물질과 일치하는 경우, 투과 스펙트럼이 얻어집니다. 긴 경로 길이의 셀이 구축될 수 있기 때문에, 투과 IR 분광광도계는 균일한 촉매 반응에서 저농도의 유기금속 종을 식별하고 추적하는 데 유용할 수 있습니다. 대부분의 고체 IR 스펙트럼을 얻기 위해서는 누졸 오일(nujol oil)의 혼련(mulling), 브롬화칼륨 펠릿 압착, 또는 재료의 초박형 슬라이스 준비 등으로 샘플을 희석해야 합니다.
감쇠 전 반사 방법은 in situ 실시간 분석 및 화학 반응 모니터링을 위한 FTIR 분광광도계 를 이상적으로 보완합니다. 반응 혼합물은 일반적으로 중적외선 방사에 광학적으로 조밀합니다. ATR 센서와 접촉하는 반응 용액내로 적외선 에너지가 침투하는 깊이가 제한되어 있으므로 고품질 FTIR 스펙트럼을 기록할 수 있습니다.
적절한 소재로 제작된 튜브형 프로브의 끝단 또는 플로우 셀의 일부로 장착되는 FTIR-ATR 센서는 각 배치 또는 연속으로 흐르는 샘플에서 반응을 분석할 수 있도록 합니다. 화학 반응 분석에 적합한 FTIR-ATR 센서는 내부 반사가 가능한 필수 굴절률을 가지고 있어야 하며, 열악한 화학 환경에서도 성능의 저하 없이 작동해야 합니다. 다이아몬드와 실리콘은 모두 화학물질의 FTIR-ATR 분석에 탁월한 센서 재료이며, 사용할 재료의 선택은 화학 종 및 추적해야 하는 적외선 피크 위치에 따라 달라집니다.
ATR과 FTIR를 사용하면 다음과 같은 이점이 있습니다.
FTIR에 의한 스펙트럼 취득 속도와 새로운 내화학성 ATR 센서의 결합된 기술로 화학적 키네틱 및 메커니즘 정보를 획득하는 방법에 혁신을 일으킵니다.
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작은 스택형 유닛들로 구성되어 있어 ReactIR은 중요한 배기 후드의 공간을 최소한으로 차지하며 실험실 내 다양한 위치에서 배치가 가능합니다. “항상 켜짐” 상태의 검출기는 준비 시간을 절약시키며 바로 데이터를 수집할 수 있도록 항상 준비되어 있습니다.
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프로브 및 흐름 기반의 샘플링 기술은 배치 또는 연속 구성 으로 액체 및 기체 상태의 화학물질을 연구할 수 있게 합니다. 구성에 적합한 물질들은 광범위한 온도 및 압력 전반에 걸쳐 산성 및 부식성 환경에서 데이터 수집을 쉽게 합니다.
일반적인 감쇠 전 반사(ATR) 기술 Application 분야는 다음과 같습니다.
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