espectroscopia de infrarrojo por transformadas de fourier ftir

Espectroscopia de Infrarrojo por Transformadas de Fourier

Soluciones fuera del Laboratorio con Equipos Portátiles.

Diego Lozada – PS, Agilent Technologies.

Junio, 27, 2013.

Agenda:

Concepto FT-IR Espectroscopia por Transformadas de Fourier.

Nuevo Diseño de Celda de Transmisión para el análisis de liquidos.

Soluciones y Aplicaciones en Espectroscopia de FTIR Móvil.

“Traer la solución al problema”

Resumen.

La luz de Infrarrojo es una región del Espectro

Electromagnético y está después de la región visible.

Por conveniencia de las aplicaciones e instrumentatción, el espectro de

infrarrojo es dividido en cercano-, medio-, y lejano infrarrojo. La región más

comunmente usada es el medio infrarrojo.

El espectro electromagnético esta dividido en regiones específicas

incluyendo : Rayos Gamma , Rayos-X, Ultravioleta Visible, Infrarojo

Microondas y Radio. X

-Rays

UV

Vis

ible

NIR

MID

-IR

FIR

Rad

io

Mic

row

ave

4000 400

Frequency in cm-1

Ga

mm

a

Ele

ctr

ic P

ow

er

Qué es la luz infrarrojo?

Energía de infrarrojo es absorbida por una muestra, está causara

una exitación de las vibraciones moleculares de la muestra.

Esta excitación causa un cambio en la amplitud de los enlaces

químicos. Este cambio es medido en Espectroscopía de Infrarrojo.

Por qué la luz de Infrarrojo puede ser usada?

El espectro de infrarrojo de una muestra es una gráfica de la

cantidad de energía IR (y-axis) que se absorbe a una frecuencia

específica (x-axis) en la región de IR del espectro

electromagnético.

4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500

Wavenumber (cm-1)

Ab

so

rba

nc

e

1500 2000 2500 3000 3500 4000

Wavenumbers (cm-1)

1000

Cada muestra tiene un espectro único de IR;

un espectro de IR puede servir como la huella digital de

un compuesto.

Espectro de Infrarrojo

6

¿Qué beneficios tendría si pudiera llevar su equipo de laboratorio a

donde se encuentre su muestra?

Qué es fuera del Laboratorio?

7

Llevando la instrumentación del Laboratorio a la

muestra. Acelerar el tiempo de respuesta/resultados:

• Resultados analíticos obtenidos directamente en el

sitio

• Definir estrategia de muestreo

• Enviar mas muestras relevantes al laboratorio

• Decidir que áreas necesitan mas investigación

Análisis no destructivo de muestras grandes:

• Los objetos no pueden moverse

• Muy caro que se desarmen

July 8, 2013

Confidentiality Label

8

Diferencias de un instrumento portátil vs

instrumento de Laboratorio

Similitud entre las necesidades del laboratorio de control de calidad y el

análisis en campo:

• Misma determinación realizada una y otra vez, trabajo de rutina.

• El método puede ser especializado.

• Usuario final tiende a ser especializado

Usualmente un laboratorio portátil es una extensión del laboratorio de control

de calidad:

• El usuario del laboratorio portátil podría no ser un Químico.

• Métodos simples de usar e implementar.

Requerimientos similares del análisis - Mismos requerimientos

instrumentales.

July 8, 2013


9

Requerimientos de un instrumento portátil:

Características y especificaciones que resulten en un buen desempeño

• Que pueda alcanzar los límites de medición

• Buen desempeño

Versátil, Robusto, Portátil y Compacto

• El instrumento debe ir a donde esta la muestra

• Resistente al uso diario, sujeto a golpes, vibración y usuarios inexpertos

Correcta interface de muestreo

• Poca o nula preparación de la muestra

• Versatilidad: Múltiples usuarios

Fácil de usar y que provea de resultados

July 8, 2013


10

“NUEVO DISEÑO DE CELDA DE TRANSMISIÓN PARA

EL ANÁLIS MUESTRAS LIQUIDAS”

DialPath/TumblIR para análisis de aceites

Pathlength (μm) Typical Conc. Range 30 Neat - 0.1% 50 50% - 500 ppm

100 20% - 100 ppm 200 10 % - 50 ppm

INOVADOR: Tecnología revolucionada para

análisis de líquidos usando “DialPath”.

What matters….. “Easy to use so we don’t make mistakes”

DialPath technology gives sealed cell performance with less chance for error

Absorbance Intensity

DialPath vs. Sealed Cell

30 μm

Wavenumber (cm-1)

%T 50 μm

100 μm

200 μm Toluene

8 second collect

DialPath – el único camino para analizar líquidos!

Soluciones Móviles a través de Sistemas Portátiles.

Mobile

Routine

Materials

Chemicals

Art Conservation

Analyzers

Routine

Petrochem

Biodiesel

Entry

Routine

Chemicals

Pharma

Academia

Mid-High

Research

Chemicals Petrochem Materials Academia

High

Research

Materials Polymers Academia

Bio-Research

FT-IR Linea de Productos Agilent

Agilent Confidential

Posicionamiento Portafolio FT-IR Agilent Analizadores para Mediciones Móviles.

Portable Analyzer

• Chemicals, Petrochem

• Fixed sampling interface

with method-driven

software

• Customers needing

remote capabilities but

still doing specific

applications eg. oil in

wind turbines

Out-of-lab

• Materials testing, Chemicals

• Interchangeable sampling

accessories

• Customers that require

flexibility to take the

instrument to the sample,

where the sample cannot be

easily „prepared‟ for traditional

lab-based FTIR

measurements

4500 Series FTIR

4100 Exoscan

Dedicated Analyzer

• Chem/Petrochem

• Sealed unit with fixed

sampling interface with

method-driven software

• Customers wanting to do

measurements in a „non-

lab‟ environment and

measuring samples

based on standard or in-

house methods, eg.

measuring Biodiesel or

Oil Analysis

Out-of-lab

• Materials testing, Chemicals

• Customers needing added

flexibility getting to „hard-to-

reach‟ areas where the hand-

held Exoscan cannot

4200 Flexscan

5500 Series FTIR


Soluciones para Control Analítico y Control de

Calidad.

Dialpath TumblIR

ATR de Diamante Reflectancia Difusa Transmisión

630 Óptica


Nuevos accesorios: Expandiendo nuestro alcance…

10 Degree Spec 5B (Bounce) ZnSe ATR

1B Ge ATR 45 Degree Spec

630 Engine

Agilent Confidential 18

Posicionamiento Portafolio FT-IR Agilent En-laboratorio…para rutina a investigación

Routine-Research

• Materials/Polymers,

Chemicals, Biotech,

Academic research

• Customers needing more

than MidIR or DTGS

capabilities

• Customers who want to

expand their capabilities

in the future

Research


Chemicals, Biotech,

Academic research

• Customers needing superior

optical performance

• Customers wanting to

perform high-end

experiments: PEM-IRRAS,

PAS, us and ns TRS

660 FTIR

670/680 FTIR

Routine

• Chemicals,

Pharma/Biotech,

Academic teaching

• Customers doing routine

FTIR measurements in

the MidIR spectral region

• Customers whose budget

is <$20K

• Majority of 640 FTIR

customers will fit the

profile for a 630 FTIR

Research


Chemicals, Biotech,

Academic research

• Customers needing to

measure <10um in area

• Customers wanting to do

imaging, primarily looking at

small defects within a larger

sample.

610/620 FTIR

630 FTIR


Aplicaciones FTIR

¡Aplicaciones FTIR!


July 8, 2013 20

Monitoreo de degradación de aceite por FT-IR

• Oxidación

• Sulfatación

• Nitración

• Hollín

• Agua

• Glicol

• Inhibidores de fenol

• ZDDP (inhibidor de

oxidación y corrosión) Zinc

Dialkil Ditiofosfato

Soluciones Agilent dedicadas para el Monitoreo

de degradación : FT-IR 4500t/ 5500t • Los sisteman cuentan con las mísmas especificaciones .

• Solo trabajan en el intervalo MIR (4000 – 400 cm-1).

• El sistema Portátil 4500 FT-IR opera con baterias para usarse en sitio de

muestreo.

• Software idéntico.

• El 4500 FTIR es un sistema portatil para su transporte.

Soluciones Agilent dedicadas para el Monitoreo

de degradación : FT-IR 4500t/ 5500t

• Son excelentes herramientas para el análisis de muestras en fase

líquida.

• Podemos Identificar el material – ID de Materiales.

• Cuantificación – Cuantificación simple.

• El 5500 es fácil de mover y puede ser usado en una mesa o en un

Laboratorio móvil.

• El 5500 es el FTIR más pequeño del mercado.

• USO DE CONTROLADOR PDA para el modelo 4500.

Identificación

Propylene Glycol Triacetin

Métodos simples de cuantificación: Pasa o no

pasa con indicación de color rojo o verde en

pantalla.

Real World Applications

26

Ziltek, Australia

www.Ziltek.com.au

Hydrocarbon Contamination

in Soil

Composite Evaluation for

High Performance Sailboats

QI Composites,Italy

www.QIcomposites.com

Today’s Overview of Applications

27

Material and Engineering

• Solar panels & Aerospatial (composite, heat damage, curing)

• Elastomers Identification

Energy and Lubricant

• Lubricant ID, lifetime (condition)

• Biodiesel and fuel quality

Food Stuff Identification and Adulteration

• Bird‟s nest

• Edible oil

Coatings, Films and Surfaces – Applications by

Handhed FTIR

• Evaluation of Curing Process

– Effectiveness of curing agent

– Solvent residue after curing process

– Detect hardener in curing process

– Evaluate polyurethane curing on metal

• Primers

– Effectiveness of adhesive bonding primer as a function of ambient conditions

– Measure primer thickness on aluminum

– Primer adherence on damaged composite

• Aging of Composite/Plastics

– Oxidation of polyurethane paint

– Thermal and UV degradation of composites

– PVC analysis on steel

• QA/QC of materials and surfaces

– Pass/fail analysis of epoxy on steel

– Identify special coatings on aluminum

• Contamination analysis

– Effect of silicone and hydrocarbon oil on bonding

General Epoxy Resin & Hardener reaction

Hardener

Epoxy

Resin

Epoxy

Polymer

A commercial

system contains a

variety of Epoxides

each for a specfiic

purpose as well as

a variety of differing

aminic groups and

potentially other

additives

End Cure Detection/ Unfinished Cure

Increasing

with time

30 C cure, spectra collected at 30 min intervals

Surface Damage Oxidation of Carbon Composite

• Aircraft and other structures will increasingly be constructed from composite material

• Composites are susceptible to heat and oxidative damage Chemical damage of the epoxy resin

• Exoscan provides new type of non destructive testing to detect heat damage

• Exoscan specified in Boeing 787 NDT Manual

787-8

Composites Serve as Primary

Structural Material

Carbon sandwich

Carbon laminate

Other composites

Aluminum

Titanium

Carbon sandwich

Carbon laminate

Other composites

Aluminum

Titanium

CFRP

43%

Misc.

9%

Composites

50%

Aluminum

20%

Titanium

15%

Steel

10%

Other

5%

120013001400150016001700180019002000

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

0.14

Wavenumber

Ab

so

rba

nc

eNo damage

High damage

120013001400150016001700180019002000

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

0.14

Wavenumber

Ab

so

rba

nc

e

Thermal Damage Study Changes in FTIR Spectra -

Epoxy

No damage

High damage

S

O

O

S

O

O

OH [

[ 1310 cm-1 1340 cm-1

O

OH

O [

[

O OH

O

(proposed)

Thermal Damage Study Changes in FTIR Spectra

– BMI Resin

O=C=N-Ph

(heated)

P-aromatic

(Not heated) C-N-C (?)

(Not

heated)

Imide

Cyclic (1730 cm-1) not heated

Opened ring (1745 cm-1) heated

00AV (not Heated) vs. 17AV (Heated)

Flexscan Integrated with US-50

July 8, 2013 34

Approximate

Measurement

Area

A part program was written to map the heat damage over a small area of the

part. The program contained a grid pattern. At each location in the grid the

instrument was held normal to the part surface for measurement.

Heat Damage

July 8, 2013 35

Highly polished, anodized then

subsequently coated (with a

variety of coatings) aluminium

high reflectivity reflectors.

Samples ran with the 45°

Specular Reflectance interface

- 4100 ExoScan FTIR.

Specialized Coatings - Anodized and Coated Aluminium

Specular Reflectance

Oxide Thickness using Grazing Angle: sub-micron

The Grazing Angle sampling head is

closely related to the External

Reflectance 45° sampling head

80°

45°

and/or oxide

and/or

coating

Oxide Thickness using Grazing Angle: sub-micron

11

87

.7

92

5.2

90

8.7

front 00_2009-05-08t17-12-10(1)

12

64

.0

11

10

.9

1500 1450 1400 1350 1300 1250 1200 1150 1100 1050 1000 950 900 850 800 750 700

0.16

0.14

0.12

0.10

0.08

0.06

0.04

0.02

0.00

-0.02

-0.04

-0.06

-0.08

Wavenumber

Absorb

ance

Metal Oxide Peak 1Metal Oxide

Peak 2

11

87

.7

92

5.2

90

8.7

front 00_2009-05-08t17-12-10(1)

12

64

.0

11

10

.9

1500 1450 1400 1350 1300 1250 1200 1150 1100 1050 1000 950 900 850 800 750 700

0.16

0.14

0.12

0.10

0.08

0.06

0.04

0.02

0.00

-0.02

-0.04

-0.06

-0.08

Wavenumber

Absorb

ance

Metal Oxide Peak 1Metal Oxide

Peak 21 µm

0.5 µm

50 nm

Blank

~15 second

LOD ~25 nm

oxide thickness

Al-oxide

Specialized Coatings - Anodized and Coated Aluminium

Specular Reflectance

Distinct spectra with variation due to thickness of the coating under examination

Silicone based

coating

Acryl-cyanate based

coating

2° alcohol plus alkyl based

coating

Different levels of Al-

oxide formation

Solar Panels – Material design to on-site testing

FTIR – Lab & Portable • Developing adhesives

• Curing studies

• Adhesive thickness

• Coating thickness

• Material ID

• Surface cleanliness

• Panel condition

Oils, Fuels, Lubricants Analysis by Portable FTIR

Fuel Specifications:

• MTBE, ETBE, Ethanol, Total Aromatics, Total olefins, Benzene,

Toluene, RON, MON, Water….

Oil/Lubricant Condition Monitoring

• Identification

• Oil health: water, additives, nitration, soot, anti-wear, extreme

pressure … (based on ASTM E2412 )

• Turbine Oil, Hydraulic fluid (mineral, polyol ester), Gear oil,

compressor oil , Electrical insulating oil (ASTM D2668 )…..

Biodiesel fuel contamination & Biodiesel blending

• Biodiesel is deleterious to stored diesel fuel used for back up

generator for nuclear fuel rods

• EN 14078 & ASTM 7371-07 specify FTIR

July 8, 2013


42

FTIR Analysis of Liquids – DialPath and TumblIR

43

1. Collect background

2. Place sample

3. Analyze the sample

Advantages of DialPath Technology for analysis of

liquids

• Non-viscous and/or volatile liquids can easily fill the DialPath, even when in the “close” position, by simple “capillary action”

• Viscous samples (oils, syrups, etc) can easily fill DialPath in open position

3 µ L Fill Volume

250 µ L Fill Volume

µ L Fill Volume

250 µ L Fill Volume

44

Advantage of DialPath/TumblIR with FTIR solutions

• Immediate and accurate answer

– Accelerate time-to-action

– Reduce costs associated with fluid replacement not required (as well as

cost of disposal)

• Ease of use

– Accelerate and simplify method transfer and training

– Sample throughput

– Limited sample handling and preparation required (no liquid cells)

• In-lab and remote location monitoring

– Develop methods in the lab or directly in the field

– Mining camps /In-vehicle testing

– Off-shore drilling sites

July 8, 2013


45

Oils, Lubricants and Biodiesel in Diesel Fuel

Measuring Anti Oxidants in Oil

R

O H

R

O H

N

H

R R

N

H

R R Phenolic DBPC, di-tertiary-butyl paracresol

3680 3675 3670 3665 3660 3655 3650 3645 3640 3635 3630 3625 3620 3615 3610 Wavenumber

Absorb

ance

3680 3675 3670 3665 3660 3655 3650 3645 3640 3635 3630 3625 3620 3615 3610 Wavenumber

Absorb

ance

3460 3455 3450 3445 3440 3435 3430 3425 3420 3415 3410 3405 3400 3395 Wavenumber

Absorb

ance

3460 3455 3450 3445 3440 3435 3430 3425 3420 3415 3410 340

5

3400 3395 Wavenumber

Absorb

ance

Aminic aDPA, alkyl di-phenylamine

Phenolic/Aminic Antioxidants in Oil

3700 3690 3680 3670 3660 3650 3640 3630 3620 3610

Wavenumber

Ab

so

rba

nce

Peak Area

1

4

7

10

13

16

19

22

25

28

Quant Validation Plot for Phenolic (ppm) R²=1.000

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4

10000

9000

8000

7000

6000

5000

4000

3000

2000

1000

0

Concentr

atio

n

Material Identification – O-ring and seals Germanium ATR

• Selectivity of FTIR is ideal for material

identification • Well suited to polymers and elastomers

• Ge ATR ideal for carbon filled material

• Industrial need for positive ID • Chemical and manufacturing industry

• O-rings and seal materials

• Safety requirement to prevent leaks

48

49

Material Identification – O-ring and seals Germanium ATR

• Identified all 10 groups of seals

• Fluorosilicone, Silicone, Viton, EPR/EPDM,

Neoprene, Butyl, Kalrez, NBR, Polyurethane,

Natural Rubber

•Easy Identification by spectral search

• Similarity = correlation

• Highest correlation = correct ID

•Demonstration - 15 samples

• Exoscan correctly identified all samples

• Only one sample had a close second

• Selectivity of FTIR is ideal for material

identification

Food Applications for Routine, Portable and

Handheld FTIR

Identification

– Incoming product ID

Verification

– Food oil type (olive oil) to prevent

counterfeiting

Adulteration

– Used Vegetable Oils

Contamination

– Ethylene glycol in glycerol

Identification of Food Additives

Glycerol

Glycerol

Propylene Glycol

Di -Propylene Glycol

Triacetin

Glycerol

• 5500 DialPath using 30 μm path length

• 20 second measurement time

• Results confirmed with a library search

• Correct match R2 > 0.99

Other Related Applications

52

App Note 5991-0003EN - In situ screening of quality traits in tomato cultivars using the handheld 4200 FlexScan FTIR

Mossoba et al. (2012), J Am Oil Chem Soc, Vol. 89 (3) pp 419-429 (DOI 10.1007/s11746-011-1930-9)

Field determination of quality traits

Total Trans Fat

Hydrocarbon Contamination in Soil

53

Ziltek, Australia

(www.Ziltek.com.au)

DRIFT with PLS regression analysis

Cross-validation with GC

and bench-top FTIR

http://www.ziltek.com.au/

54

Mediciones en Biodiesel

Confirmar Substancias desconocidas para aplicaciones forenses.

QA/QC en análisis expedito de alimentos para confirmar ingredientes o eliminar

productos en no conformidad

Análisis ambiental de Aire, Suelo y Agua

Análisis de Materiales, compuestos, recubrimientos y polímeros

Algunas soluciones para la industria con la

instrumentación portátil

55

FTIR Portátil de Agilent

Sistemas de Espectroscopia de FTIR portátil

Sistemas de FTIR- MIR

Miniaturizado

Excelentes especificaciones

Similares a las de un instrumento

No portátil

ATR Esférico

• ATR de diamante para identificación de polímeros

• ATR de Germanio para polímeros con Carbón

Reflectancia Externa (45⁰)

• Superficies metálicas Reflectivas

• Oxidación de superficies, grosor de recubrimiento y química

Ángulo Grazing (~82⁰) • Grosor de película sobre superficies metálicas

• Identificación de trazas de contaminantes

Reflectancia Difuse

• Muestras no reflectivas,

• Compuestos de fibra de carbón

Exoscan 4100 y Flexscan 4200 Modos de muestreo

Algunos resultados de lectura

July 8, 2013

Confdentiality Label

57

Calcitas: Lectura en dos superficies diferentes, plana y rugosa, Los espectros

fueron obtenidos empleando ExoScan con Modo de reflectancia 120 Spectros

Co-Add en aproximadamente 1 min, 4 cm-1 de resolución y en el intervalo de

4500 a 650 cm-1

Espectros de rocas y minerales empleando el

ExoScan 4100

July 8, 2013


58

Identificación

July 8, 2013


59

Identificación

July 8, 2013


60

Identificación

July 8, 2013


61

Identificación de Barita, el espectro de abajo fue identificado como Barita por otro

método, si se compara con la biblioteca del espectro de Barita, este corresponde a la

calcita

Software

July 8, 2013


62

63

Reduce Tiempo para obtener

resultados

Elimina el transporte de muestra

Tiempo y dinero

Toma de decisiones

En el lugar de muestra

Selección rápida muestras

criticas

Incrementa productividad

Laboratorio portátil – Conclusión

Visite las páginas Web para Mediciones Moviles www.chem.agilent.com

O Contact a su representante Agilent

https://www.chem.agilent.com/en-US/promotions/Pages/mobilemeasurement.aspx

http://www.chem.agilent.com/

Porqué usar Espectroscopía de FT-IR con DialPath

y TumblIR.

-Análisis FT-IR es fácil de realizar

- FT-IR proporciona resultados increíblemente precisos

- Los resultados están disponibles dentro de segundos a minutos

- El método es muy versátil? (puede acomodar diversos tamaños y tipos de muestra)

- Una potente herramienta para el análisis de cualquier líquido .

- Proporciona tanto resultados cuantitativos y cualitativos

- Análisis FT-IR es rápido y ayuda a la determinación de compuestos volátiles,

- Espectroscopia FT-IR es un método económico.

- FT-IR se requieren muy poca o ninguna preparación de la muestra.

- Monitoreo en el sitio de muestreo.

Where to go for more information

Agilent Life Science and Chemical Analysis Homepage:

http://www.agilent.com/chem

Molecular Spectroscopy homepage (Videos, App notes, Support)

http://www.chem.agilent.com/en-US/products-services/Instruments-Systems/Molecular-

Spectroscopy/Pages/default.aspx

Webdemo

http://www.chem.agilent.com/en-US/promotions/Pages/ExoScan-web-demo.aspx

Speak to your local:

[email protected]

Agilent representative / Product Specialist!

65

http://www.agilent.com/chem

http://www.chem.agilent.com/en-US/products-services/Instruments-Systems/Molecular-Spectroscopy/Pages/default.aspx

















Preguntas?

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espectroscopia de infrarrojo por transformadas de fourier ftir

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