Spektroskopia stosowana
Spektroskopia stosowana to zastosowanie różnych metod spektroskopowych do wykrywania i identyfikacji różnych pierwiastków lub związków w celu rozwiązywania problemów w dziedzinach takich jak kryminalistyka , medycyna , przemysł naftowy , chemia atmosfery i farmakologia .
Metody spektroskopowe
Powszechną spektroskopową metodą analizy jest spektroskopia w podczerwieni z transformacją Fouriera (FTIR), w której wiązania chemiczne można wykryć na podstawie ich charakterystycznych częstotliwości lub długości fal absorpcji w podczerwieni. Te właściwości absorpcji sprawiają, że analizatory podczerwieni są nieocenionym narzędziem w naukach o Ziemi, naukach o środowisku i naukach o atmosferze. Na przykład monitorowanie gazów atmosferycznych zostało ułatwione dzięki opracowaniu dostępnych na rynku analizatorów gazów, które mogą rozróżniać dwutlenek węgla, metan, tlenek węgla, tlen i tlenek azotu.
Spektroskopię w ultrafiolecie (UV) stosuje się tam, gdzie w substancji występuje silna absorpcja promieniowania UV . Takie grupy są znane jako chromofory i obejmują grupy aromatyczne , sprzężony układ wiązań, grupy karbonylowe i tak dalej. Spektroskopia magnetycznego rezonansu jądrowego wykrywa atomy wodoru w określonych środowiskach i uzupełnia zarówno spektroskopię w podczerwieni (IR), jak i spektroskopię UV. Wykorzystanie spektroskopii ramanowskiej rośnie w coraz bardziej specjalistycznych zastosowaniach.
Istnieją również metody pochodne, takie jak mikroskopia w podczerwieni , która umożliwia analizę bardzo małych obszarów w mikroskopie optycznym .
Jedną z metod analizy elementarnej , która jest ważna w analizie kryminalistycznej, jest spektroskopia rentgenowska z dyspersją energii (EDX) wykonywana w środowiskowym skaningowym mikroskopie elektronowym (ESEM). Metoda polega na analizie promieniowania rentgenowskiego wstecznie rozproszonego z próbki w wyniku oddziaływania z wiązką elektronów. Zautomatyzowany EDX jest dalej wykorzystywany w szeregu zautomatyzowanych technik mineralogicznych do identyfikacji i mapowania tekstury.
przygotowanie próbki
We wszystkich trzech metodach spektroskopowych próbka zwykle musi być obecna w roztworze, co może stwarzać problemy podczas badania kryminalistycznego, ponieważ nieuchronnie wiąże się z pobraniem próbki ciała stałego z badanego obiektu.
W FTIR można analizować trzy rodzaje próbek: roztwór ( KBr ), proszek lub błonę. Stały film jest najłatwiejszym i najprostszym rodzajem próbki do przetestowania.
Analiza polimerów
Za pomocą spektroskopii IR można śledzić wiele mechanizmów degradacji polimerów , takich jak degradacja UV i utlenianie, wśród wielu innych trybów awarii.
Degradacja UV
Wiele polimerów jest atakowanych przez promieniowanie UV w wrażliwych punktach ich struktur łańcuchowych. Zatem polipropylen ulega silnemu pękaniu w świetle słonecznym, chyba że dodaje się przeciwutleniacze . Punkt ataku występuje na trzeciorzędowym atomie węgla obecnym w każdej powtarzającej się jednostce, powodując utlenianie i ostatecznie zerwanie łańcucha. Polietylen jest również podatny na degradację UV, zwłaszcza te warianty, które są rozgałęzionymi polimerami, takimi jak polietylen o małej gęstości . Punkty rozgałęzienia to trzeciorzędowe atomy węgla, więc degradacja polimeru zaczyna się tam i powoduje rozszczepienie łańcucha i kruchość. W przykładzie pokazanym po lewej stronie grupy karbonylowe były łatwo wykrywane za pomocą spektroskopii w podczerwieni z odlanej cienkiej warstwy. Produktem był pachołek drogowy, który pękł podczas eksploatacji, a wiele podobnych pachołków również zawiodło, ponieważ nie zastosowano dodatku anty-UV.
Utlenianie
tlenu atmosferycznego , zwłaszcza w podwyższonych temperaturach występujących podczas przetwarzania w celu nadania kształtu. Wiele metod procesowych, takich jak wytłaczanie i formowanie wtryskowe , obejmuje pompowanie stopionego polimeru do narzędzi, a wysokie temperatury potrzebne do topienia mogą powodować utlenianie, jeśli nie zostaną podjęte środki ostrożności. Na przykład kula przedramienia nagle pękła, a użytkownik doznał poważnych obrażeń w wyniku upadku. Kula pękła w poprzek polipropylenowej wkładki w aluminiowej rurce urządzenia, a spektroskopia w podczerwieni materiału wykazała, że uległ on utlenieniu, prawdopodobnie w wyniku złego formowania.
Utlenianie jest zwykle stosunkowo łatwe do wykrycia ze względu na silną absorpcję przez grupę karbonylową w widmie poliolefin . Polipropylen ma stosunkowo proste widmo, z kilkoma pikami w pozycji karbonylowej (jak polietylen). Utlenianie ma tendencję do rozpoczynania się od trzeciorzędowych atomów węgla, ponieważ wolne rodniki są tutaj bardziej stabilne, więc trwają dłużej i są atakowane przez tlen. Grupa karbonylowa może być dalej utleniana w celu rozerwania łańcucha, co osłabia materiał poprzez obniżenie masy cząsteczkowej , a pęknięcia zaczynają rosnąć w dotkniętych obszarach.
Ozonoliza
Reakcja zachodząca między podwójnymi wiązaniami i ozonem jest znana jako ozonoliza , gdy jedna cząsteczka gazu reaguje z podwójnym wiązaniem:
Bezpośrednim skutkiem jest utworzenie ozonku , który następnie szybko się rozkłada, powodując rozerwanie wiązania podwójnego. Jest to krytyczny krok w zerwaniu łańcucha, gdy polimery są atakowane. Wytrzymałość polimerów zależy od masy cząsteczkowej łańcucha lub stopnia polimeryzacji : Im większa długość łańcucha, tym większa wytrzymałość mechaniczna (taka jak wytrzymałość na rozciąganie ). Rozszczepiając łańcuch, masa cząsteczkowa gwałtownie spada i dochodzi do punktu, w którym ma on niewielką siłę i powstaje pęknięcie. Dalszy atak następuje na świeżo odsłoniętych powierzchniach pęknięć, a pęknięcie stale rośnie, aż zamknie obwód i produkt oddzieli się lub zawiedzie. W przypadku uszczelki lub rurki awaria następuje w momencie przebicia ścianki urządzenia.
Tworzone karbonylowe grupy końcowe to zwykle aldehydy lub ketony , które mogą dalej utleniać się do kwasów karboksylowych . Rezultatem netto jest wysokie stężenie pierwiastkowego tlenu na powierzchniach pęknięć, które można wykryć za pomocą EDX w ESEM. Na przykład dwa widma EDX uzyskano podczas badania pękania ozonowego separatorów membranowych w fabryce półprzewodników. Widmo EDX powierzchni pęknięcia pokazuje pik o wysokiej zawartości tlenu w porównaniu ze stałym siarki . W przeciwieństwie do tego, widmo EDX niezmienionego widma powierzchniowego elastomeru wykazuje stosunkowo niski pik tlenu w porównaniu z pikiem siarki.
Zobacz też
- Forensic Materials Engineering: Case Studies autorstwa Petera Rhysa Lewisa, Colina Gagga, Kena Reynoldsa, CRC Press (2004).
- Peter R Lewis i Sarah Hainsworth, Awaria przewodu paliwowego spowodowana pękaniem korozyjnym naprężeniowym , Analiza awarii inżynierskich, 13 (2006) 946-962.
- J. Workman and Art Springsteen (red.), Applied Spectroscopy: A Compact Reference for Practitioners , Academic Press (1998) ISBN 978-0-12-764070-9 .