異なる単一成分繊維繊維の反射率スペクトル

r-FT-IRが繊維繊維を同定する能力を評価する最良の方法は、広く使用されているATR-FT-IR技術と比較することである。 これを達成するために、16種類の個々の単一成分繊維材料（全体で61種類の繊維サンプル）からのFT-IRスペクトルは、反射率（r-FT-IR）およびATR（mATR-FT-IR）モードおよびATR-FT-IR分光計（ATR-FT-IR）を用いて記録された。 同じ材料に対するＲ-Ｆ ｔ-Ｉ ｒスペクトルと（ｍ）ＡＴＲ-Ｆ ｔ-Ｉ ｒスペクトルの比較から，一般的な類似性にもかかわらず，詳細レベルではスペクトルが著しく異なることが分かった。 多くの場合，ｒ-Ｆ ｔ-Ｉ ｒスペクトルの吸光度バンドは広く，higherはより高い値にシフトし，ピークの強度比は対応するＡＴＲ-Ｆ Ｔ-Ｉ ｒスペクトルとは異なる。 対応するATR-FT-IRスペクトルからのr-FT-IRスペクトルの変化は織物のサンプルの不均等な表面による検出された信号に同時に貢献している異なった反射率モード(鏡面反射、拡散)によって引き起こされる。 「混合モード」反射率のため、通常のKramers–KronigおよびKubelka–Munk補正は有用ではありません。 完全な解釈は複雑になるかもしれませんが、各繊維タイプには独自のr-FT-IRスペクトルがあり、材料を区別し、反射率モードで未知の繊維サンプルの材料を識別することができます。 である。 1最も一般的な繊維繊維のr-FT-IRおよびmATR-FT-IRスペクトルを比較のために示します。 フルサイズのすべての反射率モードスペクトルは、同様に追加のファイル1に提示されています。 ＡＴＲ-Ｆ ｔ-Ｉ ｒ分光計で記録した異なる繊維繊維のＡＴＲ-Ｆ ｔ-Ｉ ｒスペクトルを著者らの以前の記事で報告した。

最も一般的な繊維繊維のr-FT-IRおよびmATR-FT-IRスペクトル。 図のスペクトルは、各クラスの正規化された結果と平均化された結果を表します。 縦軸は吸光度を表す。 天然のセルロース系繊維は非常に類似したスペクトルを有するので、綿のみが提示される。 リネン、ジュート、サイザル麻などの他の天然繊維のスペクトルは、図1の追加ファイル1

に示されています。 図1に示すように、反射率モードスペクトルは、ATRモードに比べてより多くの吸光度極大を含むように見えることがわかる。 特に、3000−4000cm-1の領域では、吸光度バンドははるかに広く、より集中的である。 このumber領域では，Ｏ–ＨおよびＮ–Ｈ伸張バンドを見いだした。 反射率モードの場合と同様に、サンプルへの光の浸透の程度は小さく、これらのより広く、より集中的なピークは、繊維表面の湿度（水が3000−4000cm-1の領域で強く吸 しかし、これは、乾燥実験として確認されなかった（繊維片を2時間70℃で乾燥させた）乾燥および未乾燥の繊維試料スペクトルの間に有意な変化を示さ おそらく、3000−4000cm-1の領域におけるこれらの振動は、反射率モードに特徴的である。 反射率モードでは、多くの場合、帯域はＡＴＲモードと比較してより高いumbersにシフトする。 例えば、セルロース系ビスコース繊維の場合、ATRモードでのO–H延伸帯域の最大値は3344cm−1であるが、反射率モードでは先端が狭い広い帯域が3500cm−1で見られる。 ATRモード（1022cm–1付近）で目立つように見える特徴的なC−Oストレッチバンドは、反射率モードでは広範囲の吸光度（1400−1100cm−1）にマージされ、バンドは1173と1134cm-1にマージされている。

ポリアミド系繊維を絹、羊毛、合成ポリアミドと区別する際に、反射率モードの予期しない利点が明らかになった。 ATRモードでは、これら3つの材料のATR-FT-IRスペクトルは非常に似ています。 吸光度の最大値はわずかにシフトされ、主な違いは、N–H/O–H延伸（〜3500−3000cm−1）、アミドC=O延伸（〜1630cm–1）およびC–N−H曲げ（〜1520cm-1）吸光度バンドの幅である。 これらの違いは、バンド形状の変化や新しいバンドの出現の可能性があるため、ATR-FT-IRによって良好な状態にあるが、部分的に劣化したおよび/または汚染 反射率モードでは，これら三つのファイバタイプのスペクトルはかなり異なっていた。 例えば、異なる供給源から得られたこの研究で調査されたすべての五つの異なる絹の標準試料は、ウールとポリアミドのスペクトルには存在しない1710cm−1の近くで集中的かつ鋭い吸光度の最大値を有していた。興味深いことに、ポリエステルスペクトルは、ATR-FT-IRスペクトルと比較して、反射スペクトルにいくつかの余分な吸光度バンドを有していた。 反射率モード（2972と2908cm-1で）でC−Hストレッチの相対強度は、対応するバンド（2973と2910cm−1で）が低強度のためにほとんど見過ごされていたATRモードスペクトルに比 芳香族倍音/組み合わせ領域2500と1800cm−1,他の研究された繊維の場合にはマイナーなバンドのみが含まれています,ポリエステルの場合には驚くほど豊富 これらのバンドは、分析されたすべてのサンプルが同様の結果を与えたので、ポリエステル繊維に特徴的である。

ポリプロピレンについては、異なる試料の反射率スペクトル間に有意差が観察された（図参照）。 2)、サンプル間の、また1つのサンプル内の両方。 である。 2つの異なるサンプルからの四つの最も異なる反射率スペクトルは、違いを示すために示されています。 C-H延伸領域は、同じumbers（−2970、-2930、-2840cm-1）でいくつかの吸光度バンドを持っていますが、バンドの形状と相対強度は異なります。 例えば、試料ＰＰ４は全て同じ吸光度を含むが、それらは１つの広い帯域に結合され、一方、スペクトルＰＰ３において、２ ９ ６ ９ｃｍ−１の帯域は、２ ９ ３ ０ｃｍ−１および２ ８ ４ ４ｃｍ−１よ 同じ状況は、1460および1380cm–1−同じバンド、異なる形状の周りのC—H曲げバンドに適用されます。 最も顕著な違いは、800−600cm-1のumberの範囲にあるようです。 ることができる。 2つは713cm−1で、スペクトルPP1吸光度の最高の集中的なバンドを含んでいます、スペクトルPP2にこの区域で非常に小さいバンドがありますが、代りに660cm−1で広く、集中的なバンドがあります。 他の二つのスペクトルPP3とPP4は、この領域に非常に低い強度の何もまたはバンドを含んでいません。 反射率スペクトルのこれらの相違の理由は本当らしい実生活のポリプロピレン項目の製造業で頻繁に使用される添加物か共単量体の少量である。 分析的な繊維の標準が得られなかったので、反射率スペクトルはデータ分析から残っていませんでした。

r-FT-IRモードで記録されたポリプロピレン（PP）サンプルの個々のスペクトル例。 縦軸は吸光度を表す。 最初の二つのスペクトル（PP1とPP2）は、同じサンプルからのものであり、サンプル内の違いを示しています。 スペクトルPP3とPP4は、異なるサンプルからのものです

エラスタンは、主に材料をより弾性にするための添加剤として、テキス 織物としての純粋なエラスタンは非常にまれですが、エラスタン糸が標準として使用されました。 エラスタンの良質のｒ-Ｆ Ｔ-Ｉ ｒスペクトルを得ることは問題であった。 使用したエラスタン糸および他の非常に薄い部分（”異なる繊維サンプルと実用的な側面”のセクションを参照）の反射率スペクトルは歪んでおり、mATR-FT-IRス 吸光度バンドは広く、バンドの先端は1750−1100cm-1の領域で切断されているように見えた（図参照）。 3). Ｃ−Ｏ延伸帯域は、ＡＴＲモード（１ １ ０ ５ｃｍ−１）で最も集中的であり、１ １ ３ ８ｃｍ−１での反射率モードスペクトルでは依然としてよく見られる。

エラスタン試料のr-FT-IR（上）およびmATR-FT-IR（下）スペクトル。 縦軸は吸光度を表す。 図中のスペクトルは、記録されたすべてのスペクトルの正規化および平均化された結果を表す

ATR-FT-IR分光計で記録されたTencel™（リヨセル 反射率モードとATRモードの両方でFT-IRマイクロ分光計を用いた分析により、本研究で使用された二つのTencel™サンプルは、実際には少なくとも二つの繊維の混合物であることが明らかになった（図参照）。 4). 記録されたスペクトルのほんの一部（図1のテンセルのように。 4)はlyocellがあるべきであるように純粋なセルロースベースの繊維に類似していました。 ほとんどのスペクトルは、リヨセルバンド（〜３ ５ ０ ０、〜３ ４ ６ ０、〜１ １ ３ ０ｃｍ−１）に加えて、Ｎ−Ｈ延伸吸光度（〜３ ３ ３ ０ｃｍ−１）および〜１ ６ ６ ０ｃｍ−１でのアミドＣ＝Ｏ延伸バンドも含まれており、図１ ０によ 4月3日、4日にメジャー契約を結んでアクティブ-ロースター入りした。 Tencel™は常に100%純粋なlyocellではないので同一証明は頻繁に困難である場合もある。 これらの困難のために、Tencel™は分類トレーニングセットから削除されました。

r-FT-IRモードで記録されたTencel™サンプルの個々のスペクトル例。 縦軸は吸光度を表す。 スペクトルは、二つのサンプルの異なる部分から記録され、テンセル™材料の複雑な組成のために、異なる吸光度を指摘することができます

単一成分繊維の分類

二つの異なるアプローチが分類のために使用されました: 主成分分析（PCA）ベースの判別分析（DA）とランダムフォレストベースの機械学習アルゴリズム。 Ｄ ａによる分類は，ＡＴＲ-ＦＴ-Ｉ ｒ分光計で記録したＩＲスペクトルを用いて分類を行った以前の研究と同様に，反射率モードで記録したスペクトルに基づいてファイバを容易に区別できることを示した。 分析された繊維繊維のためのPCAグラフ（図を見て下さい。 5)は、最初の三つの主成分を使用して、繊維クラスが実際に互いにどのくらい異なるかを視覚化するのに役立つように提示されています。 反射率モードの各PCのスコアは、PC1=69.7%、PC2=12.1%、PC3=6.2%であり、分散の88.0%をまとめて記述する。 MATR-FT-IRのスコアは、PC1=57.1%、PCA2=21.3%、PC3=9.4%であり、分散の87.8%をまとめて記述する。 ランダムフォレスト分類器の性能は、訓練およびテストセット分類精度スコアに基づいて評価されました。 R-FT-IRの場合、テストセットとトレーニングセットの分類精度スコアは両方とも0.99でした（1.0が最大値です）。 MATR-FT-IRの場合、テストセットとトレーニングセットの分類精度スコアはそれぞれ0.96と1.0でした。

SNV補正を用いた異なる繊維繊維のr-FT-IRスペクトルのPCAグラフ

以前の研究が示しているように、セルロースベースの繊維（綿、リネン、ジュート、サイザル、サイザル、サイザル、サイザル、サイザル、サイザル、サイザル、サイザル、サイザル、サイザル、サイザル、サイザル、サイザル、サイザル、サイザル、サイザル、サイザル、サイザル、サイザル、サイザル、サイザル、サイザル、サイザル、サイザル、サイザル、サイザル、サイザル、サイザル、サイザル、サイザル、サイザル、サイザル、サイザル、サイザル、サイザル、サイザル、サイザル、サイザル、サイザル、サイザル、ビスコース）は、それらの化学組成によって非常に類似しており、irベースの方法では互いに区別することは困難である。 いくつかのセルロース系繊維のIRスペクトルの違いは、GarsideとWyethによって発見されているが、我々の研究では、綿とリネン繊維の反射率スペクトルは明確な同定のためにあまりにも類似していたことがわかった。 したがって、顕微鏡検査のような追加の方法は、自信を持って分析するために使用されなければならない。 ビスコースは天然のセルロース系繊維と非常に密接にクラスタ化されていますが、バンドの形状はわずかに異なり、ビスコースの識別と正しい分類が可 一緒に群がらせるセルロースベースの繊維から離れて、PCAベースの判別分析はこの仕事で分析される織物の巧妙な分類を可能にする。

異なる繊維サンプルと実用的な側面

表1は、繊維繊維の異なるタイプの同定に使用されるFT-IR分光サンプリング技術の比較を提示します。

反射率モードでFT-IR顕微鏡計を使用する場合、重要な要因は、適切なサンプ あるサンプルは非常に厚く、寸断されて、壊れやすいまたは添加物を含んでいてもいいです。 この研究では、サンプル条件にもかかわらず、同定の精度をテストするために、複数の古い、部分的に劣化した、厚いまたは薄い、小片および表面に不均一r-FT-IRは、特に壊れやすいおよび/または貴重なサンプルの場合には、非接触アプローチであるという強い利点を有する。

r-FT-IRは、特に壊れやすいおよ R-FT-IR法の欠点は、凹凸のある表面や試料表面の余分な材料（添加剤または不純物）に遭遇する問題です。 不均等な表面によって、より少ない放射は探知器に反映され、こうしてスペクトルの質は減る。 それを補うためには、より多くのスキャン、より大きい測定区域（開き）および窒素冷却されたMCTのような最良の探知器を使用することを助言される。 表面の余分な材料の場合には、よりきれいな点のための表面をスキャンすることは誤認の危険を軽減する唯一の選択である。 幅が10個未満の非常に小さな糸片は、r-FT-IRで識別することは困難でした。 繊維の種類によっては、薄いエラスタン（上で議論した）および絹糸（以下で議論した）の場合など、スペクトルが歪められ、特徴的でないことがありました。 この場合、ATRアプローチを使用する必要があります。