Analýza různorodých plastů - výhody balíčku softwaru KnowItAll

Výhody pro uživatele

• FTIR spektrofotometry jsou analytické přístroje, které jsou užitečné pro stanovení složení mikroplastů a recyklovaných plastů.
• Databázový software KnowItAll umožňuje vyhledávat více složek ve směsích nebo analyzovat funkční skupiny u konkrétních píků
• Jedním kliknutím může volitelný balíček KnowItAll automaticky přijímat data z řídicího softwaru FTIR pro rychlou spektrální analýzu.

Úvod

V našem okolí se používá velké množství plastových výrobků. Plasty jsou lehké, pevné a snadno se zpracovávají, ale způsobují řadu problémů po celém světě. Pro výzkum zaměřený na řešení problémů mikroplastů a recyklovaných plastů je nejprve důležité určit typy použitých plastových materiálů. Z mnoha analytických přístrojů používaných k analýze plastů jsou obzvláště oblíbené spektrofotometry s Fourierovou transformací (FTIR), protože umožňují snadnou analýzu plastů bez složitých předúprav, jako je rozpouštění plastů v rozpouštědlech. 

Tento článek popisuje použití softwaru KnowItAll od společnosti John Wiley & Sons, Inc. pro analýzu plastů. KnowItAll obsahuje rozsáhlou knihovnu pro širokou škálu analýz dat, jako je vyhledávání více složek za účelem identifikace a stanovení procentuálního podílu chemických složek obsažených v plastech nebo identifikace funkčních skupin přiřaditelných konkrétním spektrálním píkom (částečná strukturální analýza). KnowItAll je navíc dodáván spolu se softwarem Shimadzu LabSolutions IR pro FTIR analýzu a softwarem AMsolution pro infračervený mikroskop. Kliknutím na tlačítko [KnowItAll] v softwaru Shimadzu se aktivní spektrální data automaticky odešlou do softwaru KnowItAll, což zajišťuje rychlou analýzu.

Infračervená spektroskopie

Díky rostoucímu počtu databází dostupných v posledních letech pro analýzu FTIR spekter, softwaru pro vyhledávání v databázích s vylepšenými algoritmy a snadnější obsluze je nyní pro každého snadné vyhledávat infračervená spektra a okamžitě zobrazovat výsledky na obrazovce počítače. Pokud však v databázi nejsou nalezena zcela shodná spektra, může dojít k problémům s interpretací výsledků vyhledávání spekter. I když se najdou podobné výsledky, mohou nastat problémy kvůli odlišným píkům ve spektrech. V takových případech se proto doporučuje použít rozdílová spektra (FTIR TALK LETTER, sv. 22). FTIR TALK LETTER, sv. 24, 25 a 26 také poskytují rady, jak efektivněji využívat standardní funkci vyhledávání spektra obsaženou v softwaru LabSolutions IR a AMsolution. 

Kromě standardních funkcí se uživatelům, kteří chtějí automaticky vyhledávat více složek nebo funkčních skupin píků, doporučuje balíček KnowItAll (obr. 1). Po získání infračerveného spektra stačí kliknout na tlačítko [KnowItAll] a spektrum aktivní v softwaru LabSolutions IR nebo AMsolution se automaticky odešle do okna KnowItAll [SearchIt]. Kromě snadného porovnání úrovně shody infračervených spekter může funkce analýzy směsí v SearchIt analyzovat směsi na základě vybraného počtu složek. ID Expert také dokáže určit kvalitu infračervených spekter načtených pro vyhledávání. AnalyzeIt může zobrazit seznam všech funkčních skupin pro jakýkoli kliknutý pík. Ačkoli to zde není zobrazeno, stejné funkce analýzy a vyhodnocení dat popsané pro infračervená spektra jsou k dispozici i pro Ramanova spektra.

Shimadzu: Obr. 1 Balíček KnowItAll (příklad funkčnosti integrované do LabSolutions IR)

Použité přístroje a parametry měření

Byl použit systém s příslušenstvím QATR 10 pro jednoduchý odraz ATR nainstalovaným v komoře pro vzorky infračerveného spektrofotometru s Fourierovou transformací IRXross. Systém je znázorněn na obr. 2 a parametry měření jsou uvedeny níže.

Shimadzu: Obr. 2 Spektrofotometr IRXross FTIR s příslušenstvím QATR 10

• Systém: IRXross a QATR 10 (diamant) 
• Rozlišení: 4 cm^-1 
• Počet skenů: 45 
• Apodizační funkce: SqrTriangle 
• Detektor: DLATGS

Analýza mikroplastů - analýza funkčních skupin

Kontaminace řek a oceánů mikroplasty je celosvětovým problémem, který vyvolává obavy o vliv mikroplastů na živé organismy. V posledních letech byly provedeny různé monitorovací průzkumy a studie mikroplastů, například jejich distribuce po celém světě. Následující text popisuje analýzu mikroplastů pomocí metody ATR s jedním odrazem. Získané infračervené spektrum a odpovídající výsledky vyhledávání v knihovně jsou zobrazeny na obr. 3. 

Shimadzu: Obr. 3 Výsledky vyhledávání pomocí standardní knihovny.

K určení, že se jedná o polypropylen (PP), byla použita standardní knihovna Shimadzu. V rozsahu vlnových délek 3 600 až 3 100 cm^-1 a v blízkosti 1 700 cm^-1 a v oblasti vlnových čísel 1 300 až 1 000 cm^-1 se však vyskytovaly píky, které neodpovídaly údajům v knihovně. Pro vyhledání odpovídajících funkčních skupin byl proto použit program AnalyzeIt z balíčku KnowItAll. Nejprve jsou na obr. 4 zobrazeny výsledky, které potvrdily přiřazení píků PP. 

Shimadzu: Obr. 4 Balíček KnowItAll - Výsledky analýzy funkčních skupin (PP)

Analýza funkčních skupin umožnila určit informace o funkčních skupinách, rozsazích píků, intenzitě píků a vibračních módech. Odlišné píky bylo možné snadno potvrdit na základě předpokládaných poloh píků zobrazených ve spektru. Poté byly postupně vybrány píky, které neodpovídaly PP, aby se zobrazily odpovídající referenční výsledky (obr. 5). 

Shimadzu: Obr. 5 Balíček KnowItAll - Výsledky analýzy funkčních skupin (pro píky, které neodpovídaly PP)

Z toho bylo vyvozeno, že píky v oblasti 3 600 až 3 100 cm^-1 pocházely ze skupiny O-H a píky v blízkosti 1 700 cm^-1 a 1 300 až 1 000 cm^-1 pocházely ze skupin C=O a C-O. Vzhledem k tomu, že žádná z těchto funkčních skupin není přítomna ve strukturách PP, lze předpokládat, že byly způsobeny změnami v infračerveném spektrálním vzoru v důsledku degradace (denaturace) PP.

Společnost Shimadzu nabízí vlastní knihovnu UV-Degraded Plastics Library, která obsahuje infračervená spektra plastů degradovaných ultrafialovým zářením. Obsahuje informace o 14 typech plastů a infračervená spektra získaná ze vzorků vystavených ultrafialovému záření po dobu až 550 hodin (což odpovídá přibližně 10 letům vystavení UV záření) pomocí urychlovacího testovacího zařízení pro stárnutí (Iwasaki Electric Co., Ltd.). Tato knihovna byla použita pro vyhledávání kvůli své použitelnosti pro analýzu mikroplastů. Výsledky vyhledávání (obr. 6) ukazují, že infračervené spektrum PP ozářeného ultrafialovým zářením po dobu 150 hodin bylo podobné získanému spektru, což potvrdilo, že vzorek byl degradovaný PP. To dokazuje, že vlastní knihovna společnosti Shimadzu může být použita jakýmkoli analytikem ke snadné analýze mikroplastů.

Shimadzu: Obr. 6 Výsledky vyhledávání v knihovně plastů degradovaných UV zářením

Analýza recyklovaného plastu – analýza více složek

Recyklované plasty nejsou složeny z jedné složky, ale z více materiálů. Infračervená spektrální analýza plastů obsahujících dva nebo více typů složek proto může být velmi složitá. Například kopolymery polykarbonátu (PC) a akrylonitril-butadien-styrenu (ABS) nabízejí výhody polymerů PC i ABS. Používají se pro širokou škálu aplikací, například pro automobilové interiérové díly, které vyžadují odolnost proti nárazu, tepelně odolné a vynikající tvarovatelné, pro kancelářské vybavení a dokonce i pro elektrické součástky díky svým vynikajícím vlastnostem jako elektricky izolační materiál. 

Proto byl ID Expert z balíčku KnowItAll použit k analýze dat naměřených metodou ATR s jedním odrazem z recyklovaného materiálu PC/ABS. To umožnilo automatické zobrazení výsledků vyhledávání všeho od jednotlivých nebo více složek (obr. 7). V případě více složek může ID Expert syntetizovat kompozitní spektrum z knihovny spekter ve výsledcích vyhledávání a zobrazit zbytkové spektrum na základě naměřených dat. Spektra lze navíc propojit s výsledky vyhledávání píků nebo analýzy funkčních skupin, které nebyly vypočítány pomocí analýzy dat SearchIt. 

Shimadzu: Obr. 7 Balíček KnowItAll - Výsledky vyhledávání ID Expert

Může také vypočítat poměry PC/ABS (0,38:0,62) pomocí optimálního spektrálního přizpůsobení. Tyto poměry jsou však vypočítány na základě poměrů infračervené spektrální oblasti bez zohlednění molárního absorpčního koeficientu příslušných látek, které se mohou lišit od skutečných poměrů (PC:ABS = 0,25:0,75). Při používání hodnot poměrů je proto třeba postupovat opatrně. 

ID Expert navíc dokáže automaticky určit* přítomnost nebo nepřítomnost infračerveného spektrálního šumu (na základě odhadovaných hodnot S/N) a kontaminantů (definovaných jako vodní pára nebo oxid uhličitý v atmosféře). Zahrnuje také funkci pro opakování vyhledávání. 

* Vysoká úroveň šumu nebo kontaminantů může být označena červenou nebo žlutou barvou výběrem pole [Status] vloženého do obr. 7.

Závěr

Systém FTIR v kombinaci s příslušenstvím ATR s jedním odrazem může měřit různé plasty. Analytik však musí být schopen posoudit, zda jsou výsledky analýzy dat softwaru správné, což vyžaduje značné znalosti a zkušenosti. S balíkem KnowItAll popsaným v tomto článku lze však snadno analyzovat funkční skupiny specifických píků nebo více složek, což představuje účinný způsob, jak zlepšit přesnost analýzy dat.