FTIR-spectroscopie

Fourier-transform infraroodspectroscopie (FTIR) is een analytische techniek die infraroodlicht gebruikt om de moleculaire samenstelling en structuur van stoffen te bepalen. Chemische bindingen absorberen infraroodstraling op karakteristieke frequenties die overeenkomen met hun vibratiefrequentie. Het resulterende absorptiespectrum is een moleculaire vingerafdruk waarmee verbindingen kunnen worden geïdentificeerd, mengsels worden gekarakteriseerd en chemische veranderingen worden gevolgd. FTIR wordt toegepast in de farmaceutische industrie, polymeeranalyse, voedingsmiddelenonderzoek, forensisch onderzoek en oppervlakteanalyse.

Principe

FTIR maakt gebruik van een Michelson-interferometer in plaats van een klassiek dispersief element (rooster of prisma). Een infraroodbron zendt polychromatisch IR-licht uit dat door een stralensplitser (beam splitter) in twee bundels wordt verdeeld: één naar een vaste spiegel en één naar een bewegende spiegel. Door de bewegende spiegel te verplaatsen ontstaat een padlengteverschil tussen de twee bundels, waardoor zij bij hereniging interfereren. Het resulterende signaal — het interferogram — bevat informatie over alle golflengten tegelijk. Een Fourier-transformatie zet het interferogram om in het vertrouwde IR-spectrum (transmissie of absorptie als functie van golfgetal in cm⁻¹).

IR-straling: gebieden, bronnen en het verschil tussen IR en FTIR

De drie IR-gebieden

Infraroodstraling beslaat een breder golfgetalbereik dan alleen het mid-IR dat in standaard FTIR wordt gemeten:

De meeste laboratoriuminstrumenten meten uitsluitend het mid-IR bereik. NIR-instrumenten zijn sneller en geschikt voor at-line en online procescontrole. Far-IR vereist speciale apparatuur en is hoofdzakelijk een onderzoekstechniek.

Welke IR-bron wordt gebruikt in FTIR?

De lichtbron in een FTIR-instrument hangt af van het meetgebied:

• Globar (siliciumcarbide, SiC) — de standaardbron voor mid-IR; een keramische staaf die verhit wordt tot ca. 1100 °C en breedbandig IR-licht uitzendt. Robuust en lang levensduur.
• Nernst-staaf (zirkoniumoxide) — historische bron; hogere stralingsintensiteit dan globar bij hogere golfgetallen maar fragiel en beperkte levensduur.
• Wolfraam-halogeenlamp — voor near-IR metingen; hogere intensiteit in het NIR-gebied dan een globar.
• IR-LED en quantumcascadelaser (QCL) — moderne alternatieve bronnen voor specifieke golfgetalbereiken in draagbare en inline FTIR-systemen.

Wat is het verschil tussen dispersieve IR en FTIR?

Voordelen van FTIR ten opzichte van dispersieve IR

Het Fellgett-voordeel (multiplex-voordeel) houdt in dat alle golflengten gelijktijdig worden gemeten, waardoor de signaal-ruisverhouding aanzienlijk beter is dan bij sequentiële meting. Het Jacquinot-voordeel (doorvoervoordeel) levert meer lichtdoorvoer op dan een spleetgebaseerd systeem. Hierdoor zijn FTIR-spectra snel te meten (seconden), nauwkeurig in golfgetal (Connes-voordeel via interne He-Ne-laserkalibratij) en geschikt voor zwakke signalen.

Monstervoorbereiding en meetmethoden

KBr-tablet (transmissie)

De klassieke methode voor vaste stoffen: het monster (1–2 mg) wordt gemalen en gemengd met droog kaliumbromiede (KBr, 100–200 mg), en daarna geperst tot een transparante tablet. KBr is transparant in het volledige mid-IR gebied (400–4000 cm⁻¹). Nadelen zijn de gevoeligheid voor vocht en de tijdrovende voorbereiding.

ATR (Attenuated Total Reflectance)

ATR is de meest gebruikte moderne meetmethode. Het monster wordt direct op een kristal (diamant, ZnSe of Ge) gedrukt; het IR-licht penetreert slechts een paar micrometer in het monster via een evanescent wave. ATR vereist minimale monstervoorbereiding, is geschikt voor vloeistoffen, pasta’s, films en vaste stoffen, en is niet-destructief. Een diamant-ATR-accessoire is universeel inzetbaar en chemisch resistent.

Transmissie (vloeistoffen)

Vloeistoffen worden gemeten in gesloten cellen met ramen van NaCl, KBr of CaF₂. De padlengte (typisch 0,01–1 mm) wordt bepaald door de dikte van de spacer. Water absorbeert sterk in het IR en is moeilijk te meten; gebruik CaF₂-ramen en korte padlengten of ATR.

Diffuse reflectie (DRIFTS)

Diffuse reflectiespectroscopie (DRIFTS) is geschikt voor ruw poeder of oppervlakken. Het licht penetreert in het monster en wordt diffuus gereflecteerd. Geschikt voor katalysatoren, grond, medicijntabletten en coatings.

Microscopie (FTIR-micro)

Koppeling van FTIR aan een IR-microscoop maakt ruimtelijk opgeloste analyse mogelijk met een spatiale resolutie tot ca. 10 µm. Toepassingen zijn microplasticidentificatie, forensisch vezelonderzoek, inclusieanalyse in gesteente en degradatieonderzoek van polymeerfilms.

Het IR-spectrum: interpretatie

Het mid-IR spectrum (4000–400 cm⁻¹) wordt verdeeld in functionele-groepsgebied en vingerafdrukgebied:

• 3600–2500 cm⁻¹ — O–H rek (breed, 3200–3550), N–H rek (3300–3500), C–H rek (2850–3000), C⁻H terminaal alkyn (3300).
• 2500–2000 cm⁻¹ — C≡N, C≡C, C=C=O cumulatieve dubbele bindingen; CO₂ bij 2349 (atmosferische stoorband).
• 1800–1500 cm⁻¹ — C=O rek: ester (1735–1750), keton (1705–1725), amide (1630–1680, amide I), carbonzuur (1700–1725 breed); C=C aromaat (1500, 1600).
• 1500–400 cm⁻¹ — vingerafdrukgebied; karakteristiek per verbinding, moeilijk direct te interpreteren maar essentieel voor identificatie via bibliotheekvergelijking.

Hoe interpreteer je een FTIR-spectrum stap voor stap?

Een systematische aanpak voor het interpreteren van een onbekend FTIR-spectrum:

1. Controleer de spectrumswaliteit — de basislijn moet vlak liggen bij 100 % transmissie (of 0 absorptie-eenheden) in gebieden zonder absorptie. Stoorbanden van CO₂ (2349 cm⁻¹) en waterdamp (1300–2000 en 3500–3900 cm⁻¹) moeten afwezig zijn bij goede purging. Verzadigde pieken (transmissie = 0) zijn niet kwantitatief bruikbaar.
2. Begin in het hoge-golfgetalgebied (3600–2500 cm⁻¹) — bepaal welke X–H-bindingen aanwezig zijn. Breed O–H rond 3300 cm⁻¹ wijst op alcohol of carbonzuur; scherp N–H op amine of amide; C–H (2850–3000) is aanwezig in vrijwel alle organische verbindingen.
3. Controleer het carbonylgebied (1800–1600 cm⁻¹) — aanwezigheid en positie van een C=O-band is de meest diagnostische informatie in het spectrum. Ester (1735), keton (1715), aldeyhde (1725 + twee C–H-banden bij 2720 en 2820), amide (1650), carbonzuur (1710, breed O–H).
4. Bekijk het functionele-groepsgebied (2000–1500 cm⁻¹) — drievoudige bindingen en cumulatieve dubbele bindingen (2000–2500), aromatische C=C-rekbanden (1500 en 1600).
5. Gebruik het vingerafdrukgebied (1500–400 cm⁻¹) voor bibliotheekzoekactie — dit gebied is te complex voor directe interpretatie maar uniek per verbinding. Vergelijk het volledige spectrum met een IR-bibliotheek (NIST, commerciële bibliotheken) via softwarematige matching (Hit Quality Index, HQI). Een HQI ≥ 90 % geldt als goede overeenkomst.
6. Bevestig de identiteit — alle significante pieken in het referentiespectrum moeten aanwezig zijn in het monsterspectrum en vice versa. Ontbrekende pieken of extra pieken duiden op een mengsel, polymorf of verontreinigd monster.

Wat kan FTIR niet detecteren?

FTIR heeft fundamentele beperkingen die bepalen wanneer een andere techniek noodzakelijk is:

Toepassingen

Polymeeridentificatie en -karakterisering

FTIR is de standaardmethode voor de identificatie van polymeertypen (PE, PP, PVC, PS, PET, nylon) in kwaliteitscontrole en recycling. Degradatiegraad (oxidatie-index, carbonylindex) en additiefconcentraties (antioxidanten, vlamvertragers) worden kwantitatief bepaald via piekoppervlakteverhoudingen.

Farmaceutische analyse

Identiteitsbevestiging van API’s en hulpstoffen conform Ph.Eur. en USP via bibliotheekvergelijking. FTIR is de snelste niet-destructieve methode voor incoming goods inspection. Polymorfiebepaling (kristalvormen van hetzelfde geneesmiddel met verschillende biologische beschikbaarheid) is een kritische toepassing in formulatieontwikkeling.

Voedingsmiddelen

Vetsamenstelling (vetzuurprofiel, cis/trans-verhouding), vochtgehalte, eiwitgehalte en adultaratie (bijv. melamine in melkpoeder, palmolie in olijfolie) worden bepaald via FTIR in combinatie met chemometrie (PLS-regressie, PCA).

Milieu en forensisch

Microplasticidentificatie in water en sediment via FTIR-micro, brandstofidentificatie bij brandonderzoek, identificatie van onbekende chemicaliën bij incidentrespons en verificatie van gevaarlijke stoffen.

Gerelateerde technieken

Voor kwantificering van verbindingen in oplossing is UV/Vis-spectrofotometrie eenvoudiger en goedkoper. Voor volledige structuuropheldering van onbekende organische verbindingen is NMR-spectroscopie de gouden standaard. Elementanalyse wordt uitgevoerd via AAS of ICP-MS/ICP-OES.

Veelgestelde vragen

Waarom zie ik een grote CO₂-piek in mijn spectrum?

CO₂ in de atmosfeer absorbeert bij ca. 2349 cm⁻¹ en waterdamp bij 3500–3900 en 1300–2000 cm⁻¹. Deze stoorbanden zijn afwezig wanneer het instrument correct gespurgd wordt met droge stikstof of droge lucht, of wanneer de achtergrondmeting onmiddellijk voor de meting is opgenomen onder dezelfde atmosferische omstandigheden. Controleer ook of de ATR-eenheid volledig gesloten is.

Wat is het verschil tussen ATR en transmissie FTIR?

Bij transmissie gaat het IR-licht door het monster heen; de padlengte bepaalt de absorptie. Bij ATR penetreert het licht slechts enkele micrometers in het monster via totale interne reflectie; de effectieve padlengte is golflengte-afhankelijk en neemt toe naar lage golfgetallen. ATR-spectra tonen daardoor relatief sterkere banden bij lage golfgetallen dan transmissiespectra van hetzelfde monster. Voor bibliotheekvergelijking is het noodzakelijk om ATR-spectra te vergelijken met ATR-bibliotheken, of een ATR-correctie toe te passen.

Wat is het verschil tussen FTIR en HPLC, en wanneer gebruik je welke techniek?

FTIR en HPLC zijn complementaire technieken die elk een fundamenteel ander analytisch doel dienen:

In de farmaceutische kwaliteitscontrole worden beide technieken gecombineerd: FTIR voor snelle identiteitsbevestiging van de grondstof (niet-destructief, resultaat in seconden) en HPLC voor kwantitatieve bepaling van gehalte en onzuiverheden conform farmacopee-monografieën. De twee technieken zijn complementair, niet concurrerend.

Hoe voer je een FTIR-analyse stap voor stap uit?

1. Instrument opstarten en purgen — schakel het instrument minimaal 15–30 minuten voor gebruik in zodat de IR-bron stabiliseert. Spurg het systeem met droge stikstof of droge lucht om CO₂- en waterdampabsorptie te minimaliseren.
2. Achtergrondspectrum opnemen — meet een achtergrond (background) zonder monster: bij ATR het schone ATR-kristal, bij transmissie een lege cel of KBr-tablet zonder monster. Dit spectrum wordt automatisch afgetrokken van het monsterspectrum.
3. Monster aanbrengen:
   • ATR: breng een kleine hoeveelheid monster (druppel vloeistof, klein stuk vaste stof of pasta) direct op het ATR-kristal en druk stevig aan met de drukarm. Goed contact is essentieel voor een sterk signaal.
   • KBr-tablet: maal 1–2 mg monster fijn, meng met 100–200 mg droog KBr en pers tot transparante tablet in een hydraulische pers (8–10 ton druk).
4. Spectrum opnemen — standaard parameters: 16–32 scans coadditie, resolutie 4 cm⁻¹, bereik 4000–400 cm⁻¹. Meer scans verhogen de signaal-ruisverhouding (SNR verbetert met √n).
5. Verwerken en interpreteren — voer basislijn-correctie uit, normaliseer indien nodig, en voer bibliotheekzoekactie uit conform de stappen in de interpretatiesectie hierboven.
6. Reinig het ATR-kristal — verwijder monster volledig met een passend oplosmiddel (aceton, isopropanol, water). Verifieer door een controle-achtergrond te meten: geen restpiek mag zichtbaar zijn.

Deze pagina is onderdeel van de Labvakhandel kennisbank. Canidae Seal B.V. / Labvakhandel.nl is niet aansprakelijk voor de toepassing van deze informatie in specifieke analytische situaties.