ATR-FTIR spektroskopie

Oslabená celková odrazivost (ATR) je metodika odběru vzorků, která umožňuje přímé zkoumání pevných nebo kapalných vzorků bez další přípravy. Využívá úplného vnitřního odrazu k vytvoření evanescentní vlny, která proniká do vzorku a poskytuje cenné molekulární informace.

ATR se často používá s infračervenou spektroskopií s Fourierovou transformací (FTIR) (ATR-FTIR spektroskopie), protože umožňuje úhlednou analýzu pevných a kapalných vzorků – zjednodušuje měření prakticky všech látek.

Na rozdíl od transmise (další široce používané metody vzorkování) je délka měřicí dráhy nezávislá na tloušťce vzorku. ATR je metoda založená na vnitřním odrazu a délka dráhy vzorku závisí na hloubce průniku infračervené energie do vzorku. Pevný vzorek může mít tloušťku 100 mikronů nebo 100 mm a zaznamenané infračervené spektrum bude v podstatě vypadat stejně. Pokud je vzorek kapaliny nebo suspenze v kontaktu s povrchem ATR, zaznamená se infračervené spektrum kapalné části. Právě díky tomuto druhému jevu je zeslabená celková odrazivost tak účinná pro monitorování chemických reakcí.

Tato bílá kniha ukazuje, jak kombinace ReactIR s softwarem pro kinetické modelování, jako jsou Reaction Lab a Dynochem, urychluje optimalizaci procesů. Prostřednictvím farmaceutických případových studií, včetně Suzukiho a SNAr couplingů, ilustruje, jak data získaná in situ zlepšují výtěžnost a bezpečnost a zároveň snižují potřebu experimentů náročných na zdroje. Stáhněte si průvodce a zjistěte, jak využít analýzu v reálném čase k rychlejšímu vytváření modelů a udržitelnějšímu navyšování výroby.

ATR-FTIR spektroskopie se používá pro úkoly, jako je identifikace chemických sloučenin, studium molekulárních struktur, zkoumání povrchových vlastností, analýza polymerů, zkoumání biomolekul, sledování chemických reakcí a hodnocení složení materiálů v průmyslových odvětvích, jako je farmacie, věda o materiálech, forenzní věda a environmentální analýza.

Protože ATR-FTIR může měřit spektra bez nutnosti přípravy vzorků nebo ředění, ATR spektroskopie našla použitelnost při analýze pevných a kapalných materiálů. Jedním z prvních použití ATR bylo získání infračervených spekter polymerních vzorků a filmů. Přibližně před 25 lety byl vynalezen diamant DiComp ATR , který rozšířil použití ATR do mnoha nových aplikací včetně monitorování chemických reakcí.

V ATR-FTR prochází světelná energie optickým materiálem (tj. ATR senzorem), který má dvě hlavní charakteristiky:

1. Musí být opticky transparentní vůči frekvenci energie, aby materiál senzoru absorboval malé nebo žádné záření;
   
2. Materiál snímače ATR má index lomu, který je vyšší než u okolního média, takže ATR funguje jako vlnovod, který vnitřně odráží světelnou energii.

Výběrem specifických optických materiálů a řízením výroby senzoru lze přesně upravit počet odrazů nebo uzlů v ATR senzoru. Efektivní délka dráhy snímače se určí vynásobením počtu vnitřních odrazů hloubkou průniku evanescentní vlny. V každém uzlu je z povrchu vyzařována stacionární vlna energie, která přispívá k celkovému jevu ATR.

Tato energie je prchavá, protože její intenzita klesá v závislosti na vzdálenosti od povrchu senzoru. Jakákoli látka, která je v přímém kontaktu se senzorem, je tak vyslýchána energií.

Hloubka průniku je také závislá na specifické vlnové délce energie, takže při skenování vzorku s modulovaným zářením za účelem získání spektra bude poloha píků podobná poloze transmisního/absorbančního spektra, avšak intenzita jednotlivých pásem se bude lišit od transmisního/absorbančního spektra.

Sledujte živou eDemo z práce nebo domácí kanceláře podle svého plánu.

ATR-FTIR spektroskopie: Ideální pro čisté nebo opticky husté látky
Zesílená celková odrazivost (ATR) využívá materiál optického senzoru, který má dostatečně vysoký index lomu, aby umožnil vnitřní odraz uvnitř senzoru. V závislosti na zvoleném optickém materiálu a způsobu výroby senzoru lze pečlivě kontrolovat počet odrazů nebo uzlů a dosáhnout efektivních délek drah, které jsou dobře přizpůsobeny opticky hustým vzorkům. Jakákoli látka, která je v přímém kontaktu se senzorem, je vyslýchána energií. Intenzita FTIR spektra je zásadně závislá na počtu odrazů, hloubce průniku evanescentní vlny do vzorku, počtu molekul, které jsou ve vzorku předmětem zájmu, a jejich příslušné absorptivitě.

Na rozdíl od transmisní techniky, kde světlo musí procházet vzorkem, v ATR-FTIR není tloušťka vzorku relevantní. Kapalný nebo pevný vzorek může mít tloušťku 10 mikronů nebo 10 cm a v obou případech lze získat užitečné infračervené spektrum. Díky tomu je ATR ideální pro studium širokého spektra širokého spektra, protože k získání užitečných spekter není nutná žádná příprava vzorku ani ředění. Kromě toho jsou k dispozici senzory ATR, které jsou odolné proti oděru a odolávají drsným reakčním podmínkám spojeným s mnoha chemickými látkami.

Naproti tomu: transmisní IR spektroskopie obvykle vyžaduje přípravu vzorku pro získání užitečného spektra
Aby se získalo přenosové spektrum kapaliny, je vzorek uzavřen v cele, která má infračervená průhledná okénka a energie musí procházet vzorkem. Intenzita spektra souvisí s délkou dráhy buňky a analyzovaným roztokem. Pokud je délka dráhy vzorku příliš dlouhá a/nebo vzorek obsahuje molekuly rozpouštědla nebo rozpuštěné látky, které vysoce absorbují infračervené záření nebo se vysoce rozptylují, k infračervenému detektoru se dostane malá nebo žádná energie. To ztěžuje nebo znemožňuje provádění analýzy většiny chemických reakcí v režimu přenosu. V případech, kdy je analytu přiřazena správná délka dráhy, je získáno přenosové spektrum. Vzhledem k tomu, že lze zkonstruovat buňky s dlouhou dráhou, může být transmisní infračervená spektroskopie užitečná pro identifikaci a sledování organokovových částic s nízkou koncentrací v homogenních katalytických reakcích. Pro získání IR spektra většiny pevných látek je nutné vzorek zředit buď vařením v nujolovém oleji, lisováním pelety bromidu draselného nebo přípravou ultratenkého plátku materiálu. 

In-situ ATR-FTIR nabízí řadu výhod oproti alternativním analytickým metodám, včetně jiných technik molekulární spektroskopie. Výzkumníci a vědci zlepšují chemický vývoj využitím těchto výhod, včetně:

• Oblast střední infračervené energie poskytuje podrobná spektra "otisků prstů" výchozích materiálů, meziproduktů, produktů a vedlejších produktů, což umožňuje kontinuální sledování těchto klíčových druhů v závislosti na čase
• Měření v reálném čase, prováděné každou minutu nebo méně
• In situ není vyžadován žádný extraktivní odběr vzorků; měřit chemii bez narušení reakce
• Nedestruktivní; zachování integrity chemické reakce
• Měří reakce v dávkovém, polodávkovém nebo kontinuálním průtokovém provozu
• Měří reakce probíhající pod tlakem nebo při zvýšené či nízké teplotě
• Měří reakce ve vodném nebo nevodném prostředí a v širokém rozsahu pH
• Ponořený ATR senzor obvykle není ovlivněn korozivními činidly
• Reakce s korozivními, toxickými nebo nebezpečnými podmínkami lze sledovat bez odběru vzorků
• Měří fázi řešení; bubliny nebo pevné částice se neruší
• Spektrální data lze převést na data o koncentraci v reálném čase, což umožňuje vývoj klíčových kinetických parametrů a přesné určení koncových bodů
• Osvědčená metoda PAT, in-situ FTIR spektroskopie , podporuje úsilí o kvalitu podle návrhu (QbD) a zajišťuje, že CPP jsou definovány a monitorovány
• Poskytuje primární prostředek pro získávání důležitých kinetických dat a faktických důkazů podporujících navrhované mechanismy.
• In-situ FTIR pomáhá identifikovat a sledovat přechodné meziprodukty, které by mohly ovlivnit výtěžnost a kvalitu produktu a je klíčem k mechanistickému pochopení
• Reakční trendy jsou sledovány v reálném čase, což umožňuje sledovat klíčové reakční události, jako je zahájení, ustálený stav, koncový bod a rozklad

Metodika ATR je ideálním doplňkem FTIR spektroskopie pro in-situ analýzu v reálném čase a monitorování chemických reakcí. Reakční směsi jsou typicky opticky husté až střední infračervené záření. Omezená hloubka průniku infračervené energie do reakčního roztoku, který je v kontaktu s ATR senzorem, umožňuje záznam vysoce kvalitních FTIR spekter.

Senzor ATR vyrobený z vhodného materiálu, který je namontován na konci trubicové sondy nebo jako součást průtokové cely, umožňuje analyzovat reakce, ať už v dávkovém nebo kontinuálním průtokovém režimu. Vhodné ATR senzory pro analýzu chemických reakcí musí mít požadovaný index lomu, aby umožnily vnitřní odraz, ale také musí fungovat v drsném chemickém prostředí bez degradace. Diamant i křemík jsou vynikající senzorové materiály pro ATR-FTIR analýzu chemie a jejich výběr závisí na typu chemie a polohách infračervených píků, které je třeba sledovat.

Při použití ATR-FTIR spektroskopie je dosaženo následujících výhod:

• Reakce jsou monitorovány v reálném čase, in-situ za skutečných reakčních podmínek
• Informace o reakčních trendech, průběhu a kinetice lze snadno získat
• Klíčové meziprodukty přechodných reakcí jsou pozorovány jako pomůcka při studiu mechanismů
• Expozice toxickým chemikáliím nebo nebezpečným energetickým reakcím je minimalizována
• Porozumění vztahu mezi reakčními proměnnými a celkovým reakčním výkonem je výrazně lepší

Vzhledem k rychlosti získávání spekter pomocí FTIR a vývoji nové generace chemicky odolných ATR senzorů přináší použití této kombinované technologie revoluci v prostředcích pro získávání chemické kinetiky a mechanických informací.

ReactIR 702L je první FTIR spektrometr, který skutečně spojuje výkon FTIR v reálném čase in-situ s ekvivalentním provozním komfortem. ReactIR je připraven pro každého chemika a pro každý experiment.

ReactIR je připraven ke spuštění přes noc!
Užijte si bezproblémové a efektivní monitorování chemikálií s automatizovanými úlohami.

ReactIR je připraven k použití!
Maximalizujte svůj laboratorní prostor pomocí kompaktních a stohovatelných jednotek ReactIR, které šetří cenný prostor v digestoři. 

ReactIR je připraven na vaši chemii!
Technologie odběru vzorků založené na sondách a průtokech, které vědcům umožňují zkoumat chemii kapalné i plynné fáze v dávkovém nebo kontinuálním uspořádání. 

Mezi běžné oblasti použití spektroskopie s útlumem a celkovou odrazivostí (ATR) patří:

1. Nguyen, T., Shamsabadi, AA, & Bavor, M. (2023). Spojení ATR-FTIR spektroskopie s multivariantní analýzou pro výrobu polymerů a kontrolu molekulové hmotnosti polymerů. Digitální chemické inženýrství, 7, 100089. https://doi.org/10.1016/j.dche.2023.100089
2. Simone, E., Beveridge, G., Sillers, P., Webb, J., George, N., & Hone, J. (2022). Analýza rozpouštění a krystalizace částečně nemísitelných ternárních směsí pomocí kompozitního senzorového pole in situ ATR-FTIR, laserového zpětného rozptylu a zobrazování. Výzkum průmyslové a inženýrské chemie, 61(50), 18514–18529. https://doi.org/10.1021/acs.iecr.2c03494
3. Li, Z., & Zhang, B. (2022). Výzkum glycinové polymorfní transformace pomocí in situ ATR-FTIR a FT-Ramanova spektroskopie. Krystaly, 12(8), 1141. https://doi.org/10.3390/cryst12081141
4. Lomont, J. P., Ralbovsky, N. M., Guza, C., Saha-Shah, A., Burzynski, J., Konietzko, J., Wang, S., McHugh, P. C., Mangion, I., & Smith, J. A. (2022b). Procesní monitoring deketalizace polysacharidů pro vývoj biokonjugací vakcín s využitím analytické metodiky in situ. Časopis farmaceutické a biomedicínské analýzy, 209, 114533. https://doi.org/10.1016/j.jpba.2021.114533
5. Zapata, F., López-Fernández, A., Ortega-Ojeda, F., Quintanilla, G., García-Ruiz, C., & Montalvo, G. (2021). Představujeme ATR-FTIR spektroskopii prostřednictvím analýzy paracetamolových léčiv: Praktické lekce pro interdisciplinární a progresivní učení pro vysokoškolské studenty. Žurnál chemického vzdělávání, 98(8), 2675–2686. https://doi.org/10.1021/acs.jchemed.0c01231
6. Wang, Z., Gérardy, R., Gauron, G., Damblon, C., & Monbaliu, J. (2019). Organokatalytická příprava cyklických organických uhličitanů bez rozpouštědel za škálovatelných podmínek kontinuálního toku. Reakční chemie a inženýrství, 4(1), 17–26. https://doi.org/10.1039/c8re00209f
7. Dunn, A. L., Leitch, D. C., Journet, M., Martin, M. C., Tabet, E., Curtis, N. F., Williams, G. D., Goss, C. W., Shaw, T., O'Hare, B., Wade, C. E., Toczko, M. A., & Liu, P. (2019). Selektivní kontinuální jodace řízená přímým spektroskopickým pozorováním ekvilibrujících aryllithných regioizomerů. Organometalika, 38(1), 129–137. https://doi.org/10.1021/acs.organomet.8b00538
8. Clagg, K., Hold, S., Kumar, A., Koenig, S. G., & Angelaud, R. (2019). Teleskopická Knochelova-Hauserova/Kumadova-Corriuova vazebná strategie k funkcionalizovaným aromatickým heterocyklům. Čtyřstěnné dopisy, 60(1), 5–7. https://doi.org/10.1016/j.tetlet.2018.11.014
9. Folsom, TM, & Darensbourg, D. J. (2019). Kinetické studie termické disociace ligandů oxidu uhelnatého z manganových tri- a tetrakarbonylových derivátů obsahujících objemný dipiperidylmethanový ligand, CH2Pip2. Inorganica Chimica Acta, 484, 443–449. https://doi.org/10.1016/j.ica.2018.09.004
10. Hammarback, L. A., Robinson, A., Lynam, J. M., & Fairlamb, I. J. S. (2019). Mechanistický pohled na katalyticky neutrální redoxně neutrální C–H vazbu zahrnující mangan(I) karbonyly: dráhy aktivace, obratu a deaktivace katalyzátoru odhalují spletitou síť kroků. Časopis Americké chemické společnosti, 141(6), 2316–2328. https://doi.org/10.1021/jacs.8b09095
11. McMillan, A., Steven, A., Ashworth, I. W., Mullen, A. B., Chan, L. W., Espinosa, M. P., Pilling, M. J., Raw, SA, & Jones, M. (2019). Stereoretenční etherifikace α-aryl-β-aminoalkoholu pomocí selektivního aziridiniového kruhového otvoru pro syntézu AZD7594. Časopis organické chemie, 84(8), 4629–4638. https://doi.org/10.1021/acs.joc.8b01062
12. Sagmeister, P., Williams, J. D., Hone, C. A., & Kappe, C. O. (2019). Laboratoř budoucnosti: modulární průtoková platforma s několika integrovanými nástroji PAT pro vícekrokové reakce. Reakční chemie a inženýrství, 4(9), 1571–1578. https://doi.org/10.1039/c9re00087a
13. Rao, K. S., St-Jean, F., & Kumar, A. (2019). Kvantifikace enolizace ketonů a tvorba stereoizomeru vinylsulfonátu pomocí inline IR spektroskopie a modelování. Výzkum a vývoj organických procesů, 23(5), 945–951. https://doi.org/10.1021/acs.oprd.9b00042
14. Dreimann, J. M., Kohls, E., Warmeling, H., Stein, M., Guo, L., Garland, M., Dinh, T., & Vorholt, A. J. (2019). In situ infračervená spektroskopie jako nástroj pro sledování molekulárního katalyzátoru pro hydroformylaci v kontinuálních procesech. Katalýza ACS, 9(5), 4308–4319. https://doi.org/10.1021/acscatal.8b05066
15. Violet, L., Mifleur, A., Vanoye, L., Nguyen, D. K., Favre-Réguillon, A., Philippe, R., Gauvin, R. M., & Fongarland, P. (2019). Online monitoring infračervenou spektroskopií s využitím multivariační analýzy – základní teorie a aplikace na katalytickou dehydrogenativní vazbu butanolu na butylbutyrát. Reakční chemie a inženýrství, 4(5), 909–918. https://doi.org/10.1039/c8re00238j
16. Herman, C., Haut, B., Halloin, V., Vermylen, V., & Leyssens, T. (2012). Použití in situ Ramanových sond, FBRM® a ATR-FTIR pro pochopení rozpouštědlem zprostředkované polymorfní transformace II-I etiracetamu v methanolu. Růst a design krystalů, 16, 49–56. https://difusion.ulb.ac.be/vufind/Record/ULB-DIPOT:oai:dipot.ulb.ac.be:2013/69679/Details
17. Makosch, M., Kartusch, C., Sá, J., Duarte, R. M., Van Bokhoven, J. A., Kvashnina, K. O., Glatzel, P., Fernandes, D. J., Nachtegaal, M., Kleymenov, E., Szlachetko, J., Neuhold, B., & Hungerbühler, K. (2012). Vsádková reaktorová buňka HERFD XAS/ATR-FTIR. Fyzikální chemie Chemická fyzika, 14(7), 2164–2170. https://doi.org/10.1039/c1cp21933b
18. Salehpour, S., & Dubé, M. A. (2011). Reakční sledování skokové polymerace glycerolu pomocí ATR-FTIR spektroskopie. Inženýrství makromolekulárních reakcí, 6(2–3), 85–92. https://doi.org/10.1002/mren.201100071
19. A, B. O., & Glennon, B. (2005). Aplikace in situ FBRM a ATR-FTIR pro sledování polymorfní transformace d-mannitolu. Výzkum a vývoj organických procesů, 9(6), 884–889. https://doi.org/10.1021/op0500887
20. Liotta, V., & Sabesan, V. (2004). Monitorování a zpětnovazební řízení přesycení pomocí ATR-FTIR za účelem výroby aktivní farmaceutické složky s požadovanou velikostí krystalů. Výzkum a vývoj organických procesů, 8(3), 488–494. https://doi.org/10.1021/op049959n