ATR-FTIR spektroskopi

Dæmpet total reflektans (ATR) er en prøveudtagningsmetode, der muliggør direkte undersøgelse af faste eller flydende prøver uden yderligere forberedelse. Den bruger total intern refleksion til at generere en flygtig bølge, der trænger ind i prøven og giver værdifuld molekylær information.

ATR bruges ofte sammen med Fourier transform infrarød (FTIR) spektroskopi (ATR-FTIR-spektroskopi), da det gør det muligt at analysere faste stoffer og væskeprøver pænt – hvilket forenkler målingen af stort set alle stoffer.

I modsætning til transmission (den anden udbredte prøveudtagningsmetode) er målevejens længde uafhængig af prøvens tykkelse. ATR er en intern refleksionsbaseret metode, og prøvens vejlængde er afhængig af dybden af den infrarøde energis indtrængning i prøven. En fast prøve kan være 100 mikron tyk eller 100 mm tyk, og det optagede infrarøde spektrum vil stort set se ens ud. Hvis en væske- eller gylleprøve er i kontakt med ATR-overfladen, registreres det infrarøde spektrum af væskedelen. Det er sidstnævnte fænomen, der gør svækket total reflektans så kraftig til kemisk reaktionsovervågning.

This white paper demonstrates how combining ReactIR with kinetic modeling software like Reaction Lab and Dynochem accelerates process optimization. Through pharmaceutical case studies, including Suzuki and SNAr couplings, it illustrates how in situ data improves yield and safety while reducing the need for resource-intensive experiments. Download the guide to learn how to utilize real-time analytics for faster model building and more sustainable scale-up.

ATR-FTIR-spektroskopi bruges til opgaver som at identificere kemiske forbindelser, studere molekylære strukturer, undersøge overfladeegenskaber, analysere polymerer, undersøge biomolekyler, overvåge kemiske reaktioner og vurdere sammensætningen af materialer i industrier som lægemidler, materialevidenskab, retsmedicin og miljøanalyse.

Fordi ATR-FTIR kan måle spektre uden behov for prøvepræparater eller fortynding, har ATR-spektroskopi fundet anvendelighed til analyse af faste og flydende materialer. En af de tidligste anvendelser af ATR var at opnå de infrarøde spektre af polymerprøver og film. For ca. 25 år siden blev DiComp-diamant-ATR opfundet, hvilket udvidede brugen af ATR til mange nye applikationer, herunder overvågning af kemiske reaktioner.

I ATR-FTIR ledes lysenergi gennem et optisk materiale (dvs. ATR-sensoren), der har to hovedegenskaber:

1. Det skal være optisk gennemsigtigt i forhold til energiens frekvens, således at sensormaterialet absorberer lidt eller intet af strålingen.
   
2. ATR-sensormaterialet har et brydningsindeks, der er højere end det omgivende medie, så ATR'en fungerer som en bølgeleder, der internt reflekterer lysenergien.

Ved at vælge specifikke optiske materialer og kontrollere fremstillingen af sensoren kan antallet af refleksioner eller knudepunkter i en ATR-sensor justeres præcist. Sensorens effektive vejlængde bestemmes ved at gange antallet af interne refleksioner med dybden af indtrængning af den flygtige bølge. Ved hver knude udsendes en stationær bølge af energi fra overfladen, hvilket bidrager til det overordnede ATR-fænomen.

Denne energi er flygtig, da den aftager i intensitet som en funktion af afstanden fra sensorens overflade. Ethvert stof, der er i direkte kontakt med sensoren, bliver således afhørt af energien.

Penetrationsdybden er også afhængig af den specifikke bølgelængde af energi, så når man scanner en prøve med moduleret stråling for at opnå et spektrum, vil positionen af toppene svare til positionen for et transmissions-/absorbansspektrum, men intensiteten af de enkelte bånd vil variere fra transmissions-/absorbansspektret.

Se en Live eDemo fra dit arbejde eller hjemmekontor efter din tidsplan.

ATR-FTIR-spektroskopi: Ideel til pæne eller optisk tætte stoffer
Attenuated Total Reflectance (ATR) anvender et optisk sensormateriale, der har et tilstrækkeligt højt brydningsindeks til at muliggøre intern refleksion i sensoren. Afhængigt af det valgte optiske materiale og hvordan sensoren er fremstillet, kan antallet af refleksioner eller knudepunkter kontrolleres omhyggeligt, og der opnås effektive vejlængder, der er godt tilpasset optisk tætte prøver. Ethvert stof, der er i direkte kontakt med sensoren, forhøres af energien. Intensiteten af FTIR-spektret er grundlæggende afhængig af antallet af refleksioner, dybden af indtrængning af den flygtige bølge i prøven, antallet af molekyler af interesse i prøven og deres respektive absorptionsevne.

I modsætning til transmissionsteknikken, hvor lyset skal krydse prøven, er prøvetykkelsen i ATR-FTIR ikke relevant. En flydende eller fast prøve kan være 10 mikron tyk eller 10 cm tyk, og i begge tilfælde kan der erhverves et nyttigt FTIR-spektrum. Dette gør ATR ideel til at studere en bred vifte af kemiske reaktioner, da der ikke kræves prøveforberedelse eller fortynding for at opnå nyttige spektre. Derudover findes der ATR-sensorer, der er modstandsdygtige over for slid og kan modstå de barske reaktionsforhold, der er forbundet med mange kemikalier.

I modsætning hertil: Transmission IR-spektroskopi kræver typisk prøveforberedelse for at opnå nyttigt spektrum
For at opnå et transmissionsspektrum af en væske er prøven lukket i en celle, der har infrarøde gennemsigtige vinduer, og energien skal krydse prøven. Intensiteten af spektret er relateret til cellens vejlængde og den opløsning, der analyseres. Hvis prøvevejens længde er for lang, og/eller prøven indeholder opløsningsmiddel- eller opløste molekyler, der er stærkt infrarøde absorberende eller stærkt spredende, vil der kun ringe eller ingen energi nå den infrarøde detektor. Dette gør analysen af de fleste kemiske reaktioner vanskelig eller umulig at udføre i transmissionstilstand. I de tilfælde, hvor den rigtige vejlængde matches med analysanden, erhverves transmissionsspektret. Fordi celler med lang vejlængde kan konstrueres, kan transmissions-IR-spektroskopi være nyttig til at identificere og spore lavkoncentrationsorganometalliske arter i homogene katalysereaktioner. For at erhverve IR-spektret af de fleste faste stoffer er det nødvendigt at fortynde prøven ved enten at gruble i nujololie, presse en kaliumbromidpille eller fremstille en ultratynd skive materiale. 

In-situ ATR-FTIR tilbyder adskillige fordele i forhold til alternative analytiske metoder, herunder andre molekylære spektroskopiteknikker. Forskere og videnskabsmænd forbedrer den kemiske udvikling ved at udnytte disse fordele, herunder:

• Mid-IR-energiregionen giver detaljerede "fingeraftryksspektre" af udgangsmaterialer, mellemprodukter, produkter og biprodukter, der muliggør kontinuerlig sporing af disse nøglearter som funktion af tiden
• Realtidsmåling, udført hvert minut eller mindre
• In situ er der ikke behov for ekstraktiv prøveudtagning; måle kemi uden at forstyrre reaktionen
• Ikke-destruktiv; bevarelse af den kemiske reaktions integritet
• Måler reaktioner i batch-, semi-batch- eller kontinuerlig flowdrift
• Måler reaktioner under tryk eller ved forhøjet eller lav temperatur
• Måler reaktioner i vandige eller ikke-vandige medier og over et bredt pH-område
• Den nedsænkede ATR-sensor påvirkes typisk ikke af ætsende reagenser
• Reaktioner med ætsende, giftige eller farlige forhold kan overvåges uden prøveudtagning
• Foranstaltninger løsningsfase; bobler eller faste partikler ikke forstyrrer
• Spektraldata kan konverteres til koncentrationsdata i realtid, hvilket muliggør udvikling af vigtige kinetiske parametre og præcis endepunktsbestemmelse
• En velafprøvet PAT-metode, in-situ FTIR-spektroskopi understøtter Quality by Design (QbD) indsatsen og sikrer, at CPP'er defineres og overvåges
• Giver et primært middel til at indhente vigtige kinetiske data og faktuelle beviser, der understøtter foreslåede mekanismer
• In-situ FTIR hjælper med at identificere og spore transiente mellemprodukter, der kan påvirke produktudbytte og kvalitet, og er nøglen til mekanistisk forståelse
• Reaktionstendenser følges i realtid, hvilket giver mulighed for overvågning af vigtige reaktionshændelser såsom initiering, steady-state, slutpunkt og nedbrydning

ATR-metoden er et ideelt supplement til FTIR-spektroskopi til in-situ, realtidsanalyse og overvågning af kemiske reaktioner. Reaktionsblandinger er typisk optisk tætte til mellem-infrarød stråling. Den begrænsede dybde af indtrængning af infrarød energi i reaktionsopløsningen, der er i kontakt med ATR-sensoren, gør det muligt at registrere FTIR-spektre af høj kvalitet.

En ATR-sensor fremstillet af passende materiale, som er monteret for enden af en rørformet sonde eller som en del af en flowcelle, gør det muligt at analysere reaktioner, uanset om det er i henholdsvis batch- eller kontinuerlig flowtilstand. Egnede ATR-sensorer til analyse af kemiske reaktioner skal have det nødvendige brydningsindeks for at muliggøre intern refleksion, men skal også fungere i barske kemiske miljøer uden nedbrydning. Både diamant og silicium er fremragende sensormaterialer til ATR-FTIR-analyse af kemi, og valget af, hvad der skal bruges, afhænger af typen af kemi og de infrarøde toppositioner, der skal spores.

Når ATR-FTIR-spektroskopi anvendes, opnås følgende fordele:

• Reaktioner overvåges i realtid, in-situ under faktiske reaktionsforhold
• Oplysninger om reaktionstendenser, fremskridt og kinetik er let at erhverve
• Vigtige transiente reaktionsmellemprodukter observeres, hvilket hjælper i mekanismeundersøgelser
• Eksponering for giftige kemikalier eller farlige, energiske reaktioner minimeres
• En forståelse af forholdet mellem reaktionsvariabler og den samlede reaktionsydelse forbedres betydeligt

På grund af hastigheden af FTIR's erhvervelse af spektre og udviklingen af en ny generation af kemikalieresistente ATR-sensorer, revolutionerer brugen af denne kombinerede teknologi midlerne til at erhverve kemisk kinetik og mekanistisk information.

ReactIR 702L er det første FTIR-spektrometer, der virkelig kombinerer styrken ved in-situ FTIR i realtid med tilsvarende driftskomfort. ReactIR er klar til enhver kemiker og til ethvert eksperiment.

ReactIR er klar til at køre natten over!
Nyd problemfri og effektiv kemikalieovervågning med automatiserede opgaver.

ReactIR er klar til at gribe og gå!
Maksimer din laboratorieplads med kompakte og stabelbare ReactIR-enheder, der sparer værdifuld stinkskabsplads. 

ReactIR er klar til din kemi!
Probe- og flowbaserede prøvetagningsteknologier, der giver forskere mulighed for at undersøge både væske- og gasfasekemi i batch- eller kontinuerlige opsætninger. 

Almindelige anvendelsesområder for attenueret total reflektans (ATR) spektroskopi omfatter:

1. Nguyen, T., Shamsabadi, A. A., & Bavarian, M. (2023). Kobling af ATR-FTIR-spektroskopi med multivariat analyse til polymerfremstilling og kontrol af polymerers molekylvægt. Digital kemiteknik, 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). Analyse af opløsning og krystallisation af delvist ikke-blandbare ternære blandinger ved hjælp af et sammensat sensorarray af in situ ATR-FTIR, laserbackscattering og billeddannelse. Industriel og teknisk kemiforskning, 61(50), 18514-18529. https://doi.org/10.1021/acs.iecr.2c03494
3. Li, Z., & Zhang, B. (2022). Undersøgelse af glycinpolymorf transformation ved in situ ATR-FTIR og FT-Raman-spektroskopi. Krystaller, 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). Procesovervågning af polysacchariddeketalisering til udvikling af vaccinebiokonjugation ved hjælp af in situ analytisk metode. Tidsskrift for farmaceutisk og biomedicinsk analyse, 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). Introduktion af ATR-FTIR-spektroskopi gennem analyse af paracetamollægemidler: Praktiske lektioner til tværfaglig og progressiv læring for bachelorstuderende. Tidsskrift for kemisk uddannelse, 98(8), 2675-2686. https://doi.org/10.1021/acs.jchemed.0c01231
6. Wang, Z., Gérardy, R., Gauron, G., Damblon, C., & Monbaliu, J. (2019). Opløsningsmiddelfri organokatalytisk fremstilling af cykliske organiske karbonater under skalerbare kontinuerlige strømningsforhold. Reaktionskemi og teknik, 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). Selektiv kontinuerlig strømningsjodering styret af direkte spektroskopisk observation af ækvibrerende aryllithiumregioisomerer. Organometallics, 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). En teleskoperet Knochel-Hauser/Kumada-Corriu koblingsstrategi til funktionaliserede aromatiske heterocykler. Tetraederbreve, 60(1), 5-7. https://doi.org/10.1016/j.tetlet.2018.11.014
9. Folsom, T. M., & Darensbourg, D. J. (2019). Kinetiske undersøgelser af termisk dissociation af carbonmonoxidligander fra mangantri- og tetracarbonylderivater indeholdende den voluminøse dipiperidylmethanligand, 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). Mekanistisk indsigt i katalytisk redox-neutral C-H-bindingsaktivering, der involverer mangan(I)-carbonyler: katalysatoraktivering, omsætning og deaktiveringsveje afslører et indviklet netværk af trin. Tidsskrift for American Chemical Society, 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, S. A., & Jones, M. (2019). Stereoretentiv etherificering af en α-aryl-β-aminoalkohol ved hjælp af en selektiv aziridiniumringåbning til syntese af AZD7594. Tidsskrift for organisk kemi, 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). Fremtidens laboratorium: En modulær flowplatform med flere integrerede PAT-værktøjer til flertrinsreaktioner. Reaktionskemi og teknik, 4(9), 1571-1578. https://doi.org/10.1039/c9re00087a
13. Rao, K. S., St-Jean, F., & Kumar, A. (2019). Kvantificering af en ketonenolisering og en vinylsulfonatstereoisomerdannelse ved hjælp af inline IR-spektroskopi og modellering. Forskning og udvikling af organiske processer, 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 infrarød spektroskopi som et værktøj til overvågning af molekylær katalysator til hydroformylering i kontinuerlige processer. ACS-katalyse, 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 overvågning ved infrarød spektroskopi ved hjælp af multivariat analyse – baggrundsteori og anvendelse til katalytisk dehydrogenativ kobling af butanol til butylbutyrat. Reaktionskemi og teknik, 4(5), 909-918. https://doi.org/10.1039/c8re00238j
16. Herman, C., Haut, B., Halloin, V., Vermylen, V., & Leyssens, T. (2012). Brug af in situ Raman-, FBRM®- og ATR-FTIR-sonder til forståelse af den opløsningsmiddelmedierede polymorfe transformation af II-I etiracetam i methanol. Krystalvækst og design, 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). HERFD XAS/ATR-FTIR batchreaktorcelle. Fysisk kemi Kemisk fysik, 14(7), 2164-2170. https://doi.org/10.1039/c1cp21933b
18. Salehpour, S., & Dubé, M. A. (2011). Reaktionsovervågning af glyceroltrin-vækstpolymerisation ved hjælp af ATR-FTIR-spektroskopi. Makromolekylær reaktionsteknik, 6(2-3), 85-92. https://doi.org/10.1002/mren.201100071
19. Og, B. O., & Glennon, B. (2005). Anvendelse af in situ FBRM og ATR-FTIR til overvågning af den polymorfe transformation af d-mannitol. Organisk procesforskning og -udvikling, 9(6), 884-889. https://doi.org/10.1021/op0500887
20. Liotta, V., & Sabesan, V. (2004). Overvågning og feedbackkontrol af overmætning ved hjælp af ATR-FTIR til fremstilling af en aktiv farmaceutisk ingrediens af en ønsket krystalstørrelse. Forskning og udvikling af organiske processer, 8(3), 488-494. https://doi.org/10.1021/op049959n