8 ELEKTRO 12/2013 Využití infračervené spektroskopie s Fourierovou transformací v technické diagnostice 1. Úvod V současné době je v různých průmyslo-vých odvětvích, elektrotechniku nevyjímaje, kladen stále větší důraz na kvalitu, přesnost, spolehlivost a bezpečnost výrobků. Tím jsou zvyšovány i požadavky na parametry mate-riálů, které se pro výrobu používají. Pro za-jištění odpovídajících vlastností je nezbytné získávat informace o použitých materiálech, a to již na molekulární úrovni, tedy o jejich struktuře a složení. Jedním z diagnostických nástrojů, který tyto informace může poskyt-nout, je infračervená spektroskopie.Infračervená spektroskopie je analytická metoda, která se nejčastěji používá k identi-fikaci složení různých materiálů a směsí. His-torie této metody sahá do 30. let 20. století. Od této doby byla postupně zdokonalována až do současné podoby rychlých infračerve-ných spektrometrů s Fourierovou transfor-mací (tzv. FTIR spektrometrů), které pracu-jí na principu interference světla [1]. Jedna z hlavních výhod současných FTIR spektro-metrů spočívá v možnosti analyzovat, v závis-losti na správném výběru techniky a přípravy vzorku, téměř všechny materiály. Protože je možné analyzovat materiály všech skupen-ství, jde o univerzální nástroj, který je využitelný v mnoha odvětvích lidské činnosti, ať už jde o lékařství [2], archeologii [3], forenz-ní kriminalistiku (kde je využívána k identi-fikaci složení důkazních materiálů) nebo, jak bude ukázáno v dalším textu příspěvku, také v různých postupech v průmyslu. Zde jsou metody FTIR využívány např. k identifikaci úrovně zestárnutí elektroizolačních a moto-rových olejů (tribodiagnostika neboli sledo-vání degradace a znečištění olejové náplně), k identifikaci rozkladových prvků v průběhu tepelné dekompozice (např. kabelových izo-lací), popř. v libovolném oboru, kde je třeba vstupní kontrolou hlídat zajištění stabilní do-dávky materiálů.2. Infračervená spektroskopie s Fourierovou transformací (FTIR)Dříve než budou probrány konkrétní mož-nosti infračervené spektroskopie, je nutné nejprve vysvětlit, jaká je podstata této op-tické diagnostické metody. Princip spočí-vá ve schopnosti elektromagnetického záře-ní interagovat s měřeným vzorkem. Jestliže na vzorek dopadá infračervené záření (o in-tenzitě I0), je při jeho průchodu jeho část ab-sorbována jednotlivými molekulami a násled-ně přeměněna na energii, která se projeví vib-racemi těchto molekul (proto je infračervená spektroskopie často označována jako vibrač-ní spektroskopie). Na obr. 1 je naznačeno, že zbytek záření se může na optickém rozhraní odrazit (IR), může být rozptýlen (IS) nebo pro-cházet vzorkem dál (IT).Z pohledu infračervené spektroskopie je za-jímavá absorbovaná složka IA, u které jednotli-vé absorpce vlnových délek odpovídají zmíně-ným vibračním stavům molekul vzorku, na je-jichž základě se stanovuje jeho složení [4].Pro měření infračervených (IR) spekter je využívána část elektromagnetického záře-ní, která se nachází mezi oblastí viditelného a mikrovlnného světla. Infračervené záření se obvykle dělí do tří oblastí: blízká, střední a vzdálená infračervená oblast, přičemž pro identifikaci a určování chemické struktury má největší význam střední oblast (mid-IR v roz-sahu vlnočtů 4 000 až 400 cm–1). Výsledkem měření je tzv. infračervené spektrum, které představuje závislost energie na vlnové dél-ce dopadajícího záření, přičemž energie může být vyjádřena v jednotkách absorbance (cha-rakterizující množství záření vzorkem pohl-ceného) nebo v tzv. jednotkách transmitance (množství světla prošlého vzorkem). Získa-né hodnoty vibračních energií souvisejí s pev-ností chemických vazeb a také s molekulovou geometrií a hmotnostmi jader, tedy s mole-kulovou strukturou. Na základě naměřeného spektra neznámé látky je tak možné získat in-formace o jejím složení a struktuře.3. Techniky měření Pro měření infračervených spekter analy-zovaného vzorku existuje několik možných technik. Použitá technika se liší v závislosti na skupenství testovaného materiálu, dostup-ném zařízení a informaci, kterou uživatel po-třebuje získat.3.1 Transmisní technika S použitím transmisní techniky se ana-lyzuje IR záření, které prochází skrz vzorek umístěný v kyvetě. Technikou lze analyzo-vat materiály pevného, kapalného i plynné-ho skupenství, přičemž vzhled a uspořádání kyvety se liší v závislosti na skupenství ana-lyzované látky. Princip techniky je možné ná-zorněji naznačit na příkladu uspořádání pro měření kapalných látek (obr. 2).Vzorek se umisťuje mezi okénky, která jsou vyrobena z vhodného materiálu. Okén-ka by měla být bez mechanického poškození, prostupná pro široký rozsah vlnočtů infračer-veného záření a neměla by ho v tomto rozsa-hu absorbovat, reagovat nebo být analyzova-ným vzorkem rozpouštěna.Ing. Pavel Prosr, Ph.D., doc. Ing. Radek Polanský, Ph.D., Západočeská univerzita v Plzni, Fakulta elektrotechnická/RICE Obr. 1. Složky intenzit záření při interakci se vzorkem odražené (IR)dopadající (I0)rozptýlené (IS)vzorek absorbované (IA)procházející (IT)Obsah článku je zaměřen na základní seznámení s metodou infračervené spektroskopie. Stručně jsou zde vysvětleny techniky měření. Příspěvek je dále doplněn příklady využití metody při diagnostice materiálů pevného, kapalného a plynného skupenství.Obr. 2. Uspořádání kyvety pro měření kapal-ných vzorkůčela kyvety těsnění spacer okénka plnicí díl těsnicí kroužek