FTIR Letter Vol. 45

Význam tématu

FTIR mikroskopie se stává klíčovou technikou pro identifikaci a kvantifikaci mikroskopických elastomerů, včetně částic opotřebení pneumatik (TRWPs), s dopadem na životní prostředí, dopravní infrastrukturu a průmyslovou kvalitu. Současně rozvoj kompaktních FTIR spektrometrů od společnosti Shimadzu (řada IRSpirit-X) a nové detektory, jako je TEC MCT, usnadňují analýzy v podmínkách s vysokou vlhkostí bez nutnosti kapalného dusíku. Znalost pozice a charakteru absorpčních pásů, zejména karbonylových skupin, je nezbytná pro správnou interpretaci spekter a přesné stanovení chemického složení vzorků.

Cíle a přehled studie / článku

Článek prezentuje čtyři hlavní příspěvky:

• Metodiku FTIR mikroskopie pro detekci a kvantifikaci elastomerových částic ≥20 µm v sedimentu (Chiba Institute of Technology).
• Představení FTIR spektrometru IRSpirit-ZX se ZnSe děličem paprsku odolným vůči vlhkosti (Shimadzu).
• Upozornění na klíčové charakteristiky infračervených spekter karbonylových skupin a jejich klasifikaci.
• Novou volitelnou techniku TEC MCT pro infračervenou mikroskopii bez kapalného dusíku.

Použitá metodika a instrumentace

1. Analýza elastomerů sedimentu:

• Sušení sedimentu 1–3 mg, alkalická degradace (10 % KOH + MeOH), odstředivá flotace v solném poli a filtrace na křemíkovém membránovém filtru (5 µm).
• FTIR mikroskopie v transmisním módu s mapováním (apertura 30×30 µm, krok 15 µm), automatická identifikace pomocí makra YCALOS a ruční ověření spekter.

2. Zařízení IRSpirit-ZX:

• Dělič paprsku ze ZnSe – odolný proti deliquescenci, provoz v horkém a vlhkém prostředí bez potřeby výměny sušicích prostředků.
• Volitelné detektory: DLATGS, LiTaO3 a nově TEC MCT (Peltier cooled MCT), rozsah 5 000–700 cm−1 nebo 4 600–400 cm−1.

3. Infra­červená spektroskopická klasifikace karbonylů:

• Karboxylové kyseliny: široký pás 3 300–2 500 cm−1 (OH-stretching, dimerizace).
• Estery: silné pásy 1 300–1 200 cm−1 a 1 150–1 000 cm−1 (asym./sym. C–O–C stretching).
• Ketony: silný pás 1 250–1 025 cm−1 (alifatické) a 1 325–1 215 cm−1 (aromatické) (C–C–C stretching).
• Aldehydy: slabý pás při ~2 720 cm−1 (Fermiho rezonance CH-stretching + overtone).

4. Detektor TEC MCT pro mikroskopii:

• Měření oblastí ≥25×25 µm bez kapalného dusíku, citlivost srovnatelná s LN2-chlazeným T2SL detektorem.
• Pro větší plochy nebo nižší citlivé aplikace možnost použití DLATGS bez kryogenního chlazení.

Hlavní výsledky a diskuse

TRWP studie:

• Analýza vzorků ze dna Tokijského zálivu odhalila 1,70×105 elastomerových částic/g (63 % NBR+NR, 15 % IIR, 11 % SBR). TRWPs činily 9,8 % detekovaných částic.
• Distribuce velikostí ukázala medián částice 45,8 µm, nižší než v předchozích studiích.
• Kvantitativní odchylky metod FTIR mikroskopie vs. Py-GC/MS: celková koncentrace elastomerů 9 860 µg/g (TRWPs 1 770 µg/g), v souladu s Py-GC/MS pro TRWPs, ale vyšší pro celkový soubor elastomerů.

IRSpirit-ZX:

• ZnSe dělič paprsku odolává vlhkosti, eliminuje ztrátu transmisivity ve vysoké vlhkosti a teplotě, úspora nákladů na údržbu.
• Kompatibilita s širokou škálou příslušenství a detektorů přizpůsobí instrumentaci analytickému úkolu.

Spektroskopie karbonylů:

• Praktická schémata identifikace karboxylů, esterů, ketonů a aldehydů podle sekundárních pásů, nikoli pouze C=O stretchingu.

TEC MCT:

• Umožňuje infračervenou mikroskopii bez kapalného dusíku i pro malé vzorky, jednodušší provoz a snížené náklady.
• Delta ve šumu u 700–600 cm−1 kvůli hranici detektoru 550 cm−1, ale plně vyhovuje běžným aplikacím.

Přínosy a praktické využití metody

• Environmentální monitoring TRWPs a mikročástic elastomerů v půdách, sedimentech, povrchových vodách a ovzduší.
• Kontrola kvality polymerních materiálů a paliv (FAME) v chemickém a automobilovém průmyslu.
• Zavedení kompaktních, citlivých FTIR spektrometrů do běžných laboratoří s minimální údržbou.

Budoucí trendy a možnosti využití

• Automatizace a umělá inteligence v interpretaci FTIR map (přesné třídění polymerů bez manuálních zásahů).
• Vývoj standardních protokolů pro přípravu vzorků TRWPs v různých typech metod (sediment, vodní vzorky, vzduchové filtry).
• Integrace FTIR mikroskopie s komplementárními metodami (Raman, Py-GC/MS) pro komplexní spektrální databáze.
• Další miniaturizace detektorů a rozšíření rozsahu měřených vlnových čísel do THz nebo vizuálního spektra.

Závěr

Precizní FTIR mikroskopie s vhodnou instrumentací (IRSpirit-ZX, TEC MCT) a správnou spectralnou interpretací představuje výkonný nástroj pro kvantifikaci a identifikaci mikroskopických elastomerů a TRWPs. Kombinace robustní metodiky přípravy vzorků a pokročilého softwaru (YCALOS) přináší spolehlivá data v environmentální chemii i průmyslových aplikacích. Další vývoj standardizace a integrace nových technologií povzbudí širší využití FTIR mikroskopie v analytické chemii.

Reference

[1] Y. Kameda a kol., PLoS ONE, 6, e2803 (2011)
[2] Z. Tian et al., Science, 371, 185–189 (2020)
[3] S. Yamamoto, H. Furumai, J. Jpn. Soc. Civ. Eng., G78, III-349–358 (2022)
[4] ISO/TS 20596:2017 (2017)
[5] S. Jeong et al., Sci. Total Environ., 942, 173796 (2024)
[6] C. Rauert et al., Environ. Sci. Technol. Lett., 8, 231–236 (2021)
[7] Y. Kameda, E. Fujita, Environ. Pollut., 284, 117516 (2021)
[8] JIS K6230:2018
[9] S. Rachi, Y. Kameda, E. Fujita, Proc. JSWE 56, 460 (2022)
[10] JRMA statistiky (2025)
[11] K.M. Unice et al., Environ. Sci. Technol., 47, 8138–8147 (2013)