Прикладная спектроскопия

Прикладная спектроскопия — это применение различных спектроскопических методов для обнаружения и идентификации различных элементов или соединений для решения проблем в таких областях, как судебная медицина , медицина , нефтяная промышленность , химия атмосферы и фармакология .

Спектроскопические методы

Распространенным спектроскопическим методом анализа является инфракрасная спектроскопия с преобразованием Фурье (FTIR), при которой химические связи можно обнаружить по их характерным частотам или длинам волн инфракрасного поглощения. Эти характеристики поглощения делают инфракрасные анализаторы бесценным инструментом в науках о Земле, науках об окружающей среде и атмосфере. Например, мониторинг атмосферных газов облегчился благодаря разработке коммерчески доступных газоанализаторов, которые могут различать диоксид углерода, метан, окись углерода, кислород и оксид азота.

Ультрафиолетовая (УФ) спектроскопия используется там, где сильное поглощение УФ-излучения в веществе происходит . Такие группы известны как хромофоры и включают ароматические группы, сопряженную систему связей, карбонильные группы и так далее. Спектроскопия ядерного магнитного резонанса обнаруживает атомы водорода в определенных средах и дополняет как инфракрасную (ИК) спектроскопию, так и УФ-спектроскопию. Использование рамановской спектроскопии расширяется для более специализированных приложений.

Существуют также производные методы, такие как инфракрасная микроскопия , которая позволяет анализировать очень небольшие области в оптическом микроскопе .

Одним из методов элементного анализа , который важен в судебно-медицинской экспертизе, является энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия (EDX), выполняемая на сканирующем электронном микроскопе окружающей среды (ESEM). Метод предполагает анализ обратного рассеяния рентгеновских лучей от образца в результате взаимодействия с электронным пучком. Автоматизированный EDX также используется в ряде автоматизированных минералогических методов для идентификации и текстурного картирования.

Подготовка проб

Во всех трех спектроскопических методах образец обычно должен присутствовать в растворе, что может создать проблемы во время судебно-медицинской экспертизы, поскольку она обязательно включает отбор проб твердого вещества из объекта, подлежащего исследованию.

В FTIR можно анализировать три типа образцов: раствор ( KBr ), порошок или пленку. Твердая пленка — это самый простой и понятный тип образца для тестирования.

Анализ полимеров

многие механизмы деградации полимеров С помощью ИК-спектроскопии можно проследить , такие как УФ-деградация и окисление, а также многие другие виды отказов.

УФ-деградация

ИК-спектр, показывающий поглощение карбонила вследствие разложения полиэтилена УФ-излучением.

Многие полимеры подвергаются воздействию УФ-излучения в уязвимых точках структуры цепей. Таким образом, полипропилен сильно растрескивается под воздействием солнечного света, если не антиоксиданты добавлять . Точка атаки возникает у третичного атома углерода, присутствующего в каждой повторяющейся единице, вызывая окисление и, наконец, разрыв цепи. Полиэтилен также подвержен разложению под воздействием ультрафиолета, особенно те варианты, которые представляют собой разветвленные полимеры, такие как полиэтилен низкой плотности . Точками ветвления являются третичные атомы углерода, поэтому там начинается деградация полимера , приводящая к разрыву цепи и охрупчиванию. В примере, показанном слева, карбонильные группы были легко обнаружены с помощью ИК-спектроскопии на отлитой тонкой пленке. Продукт представлял собой дорожный конус, который треснул во время эксплуатации, и многие подобные конусы также вышли из строя из-за того, что не использовалась анти-УФ-присадка.

Окисление

ИК-спектр, показывающий поглощение карбонила вследствие окислительной деструкции формованного полипропиленового костыля.

Полимеры чувствительны к воздействию кислорода воздуха , особенно при повышенных температурах, возникающих во время обработки для придания формы. Многие технологические методы, такие как экструзия и литье под давлением, включают закачку расплавленного полимера в инструменты, а высокие температуры, необходимые для плавления, могут привести к окислению, если не будут приняты меры предосторожности. Например, костыль на предплечье внезапно сломался, и в результате падения пользователь получил серьезные травмы. Костыль сломался по полипропиленовой вставке внутри алюминиевой трубки устройства, и ИК-спектроскопия материала показала, что он окислился, возможно, в результате неправильного формования.

Окисление обычно относительно легко обнаружить благодаря сильному поглощению карбонильной группой в спектре полиолефинов . Полипропилен имеет относительно простой спектр с небольшим количеством пиков в карбонильном положении (как и полиэтилен). Окисление обычно начинается с третичных атомов углерода, поскольку свободные радикалы здесь более стабильны, поэтому действуют дольше и подвергаются атаке кислорода. Карбонильная группа может быть дополнительно окислена, чтобы разорвать цепь, что приводит к ослаблению материала за счет снижения молекулярной массы , и в затронутых областях начинают расти трещины.

Озонолиз

Спектр EDX неповрежденной резиновой поверхности

Реакция, происходящая между двойными связями и озоном, известна как озонолиз , когда одна молекула газа реагирует с двойной связью:

A generalized scheme of ozonolysis

Непосредственным результатом является образование озонида , который затем быстро разлагается, приводя к разрыву двойной связи. Это критический этап разрыва цепи при атаке полимеров. Прочность полимеров зависит от молекулярной массы цепи или степени полимеризации : чем больше длина цепи, тем выше механическая прочность (например, прочность на разрыв ). При разрыве цепи молекулярная масса быстро падает, и наступает момент, когда ее прочность становится совсем низкой, и образуется трещина. Дальнейшее воздействие происходит на только что обнаженные поверхности трещины, и трещина неуклонно растет, пока не замкнет круг и продукт не отделится или не выйдет из строя. В случае с уплотнением или трубкой выход из строя происходит при пробитии стенки устройства.

Образующиеся концевые карбонильные группы обычно представляют собой альдегиды или кетоны , которые могут далее окисляться до карбоновых кислот . Конечным результатом является высокая концентрация элементарного кислорода на поверхности трещин, которую можно обнаружить с помощью EDX в ESEM. Например, два EDX-спектра были получены при исследовании озонового растрескивания диафрагм . на заводе по производству полупроводников EDX-спектр поверхности трещины показывает пик с высоким содержанием кислорода по сравнению с постоянным пиком серы . Напротив, спектр EDX незатронутой поверхности эластомера показывает пик с относительно низким содержанием кислорода по сравнению с пиком серы.

См. также

Ссылки

Судебная экспертиза материалов: тематические исследования Питера Риса Льюиса, Колина Гагга, Кена Рейнольдса, CRC Press (2004).
Питер Р. Льюис и Сара Хейнсворт, Отказ топливной линии из-за коррозионного растрескивания под напряжением , Анализ инженерных отказов, 13 (2006) 946-962.
Дж. Уоркман и Арт Спрингстин (ред.), Прикладная спектроскопия: компактный справочник для практиков , Academic Press (1998). ISBN 978-0-12-764070-9 .