ATR-FTIR spektroskopi

Attenuated total reflectance (ATR) är en provtagningsmetod som gör det möjligt att direkt undersöka fasta eller flytande prover utan ytterligare förberedelser. Den använder total intern reflektion för att generera en flyktig våg som tränger in i provet, vilket ger värdefull molekylär information.

ATR används ofta tillsammans med Fourier transform infraröd (FTIR) spektroskopi (ATR-FTIR-spektroskopi) eftersom det gör det möjligt att analysera fasta ämnen och vätskeprover snyggt – vilket förenklar mätningen av i stort sett alla ämnen.

Till skillnad från transmission (den andra allmänt använda provtagningsmetoden) är mätvägens längd oberoende av provets tjocklek. ATR är en intern reflektionsbaserad metod, och provvägens längd beror på djupet av penetrationen av den infraröda energin i provet. Ett fast prov kan vara 100 mikron tjockt eller 100 mm tjockt och det inspelade infraröda spektrumet kommer i princip att se likadant ut. Om ett vätske- eller slurryprov är i kontakt med ATR-ytan registreras det infraröda spektrumet för vätskedelen. Det är det senare fenomenet som gör försvagad total reflektans så kraftfull för övervakning av kemiska reaktioner.

Detta white paper visar hur kombinationen av ReactIR med kinetisk modelleringsprogramvara som Reaction Lab och Dynochem påskyndar processoptimering. Genom farmaceutiska fallstudier, inklusive Suzuki- och SNAr-kopplingar, illustrerar det hur in situ-data förbättrar utbyte och säkerhet samtidigt som behovet av resursintensiva experiment minskar. Ladda ner guiden för att lära dig hur du kan använda realtidsanalys för snabbare modellbyggande och mer hållbar uppskalning.

ATR-FTIR-spektroskopi används för uppgifter som att identifiera kemiska föreningar, studera molekylära strukturer, undersöka ytegenskaper, analysera polymerer, undersöka biomolekyler, övervaka kemiska reaktioner och bedöma sammansättningen av material inom industrier som läkemedel, materialvetenskap, kriminalteknik och miljöanalys.

Eftersom ATR-FTIR kan mäta spektra utan behov av provberedningar eller utspädning, har ATR-spektroskopi visat sig vara tillämpbar vid analys av fasta och flytande material. En av de tidigaste användningarna av ATR var att erhålla de infraröda spektra av polymerprover och filmer. För ungefär 25 år sedan uppfanns DiComp diamond ATR , som utökade användningen av ATR till många nya tillämpningar, inklusive övervakning av kemiska reaktioner.

I ATR-FTIR passerar ljusenergi genom ett optiskt material (dvs. ATR-sensorn) som har två huvudegenskaper:

1. Den måste vara optiskt transparent för energins frekvens så att sensormaterialet absorberar lite eller ingen strålning.
   
2. ATR-sensormaterialet har ett brytningsindex som är högre än det för det omgivande mediet, så ATR fungerar som en vågledare som internt reflekterar ljusenergin.

Genom att välja specifika optiska material och styra tillverkningen av sensorn kan antalet reflektioner eller noder i en ATR-sensor justeras exakt. Sensorns effektiva väglängd bestäms genom att multiplicera antalet interna reflektioner med djupet för den flyktiga vågens penetration. Vid varje nod sänds en stationär våg av energi ut från ytan, vilket bidrar till det övergripande ATR-fenomenet.

Denna energi är flyktig eftersom den minskar i intensitet som en funktion av avståndet från sensorns yta. Alla ämnen som är i direkt kontakt med sensorn förhörs på så sätt av energin.

Penetrationsdjupet är också beroende av den specifika våglängden för energi, så när man skannar ett prov med modulerad strålning för att erhålla ett spektrum, kommer topparnas position att likna den för ett transmissions-/absorbansspektrum, men intensiteten hos de enskilda banden kommer att variera från transmissions-/absorbansspektrumet.

Visa en live eDemo från ditt arbets- eller hemmakontor enligt ditt schema.

ATR-FTIR-spektroskopi: idealisk för snygga eller optiskt täta ämnen
Attenuated Total Reflectance (ATR) använder ett optiskt sensormaterial som har ett tillräckligt högt brytningsindex för att möjliggöra intern reflektion inuti sensorn. Beroende på vilket optiskt material som väljs och hur sensorn är tillverkad kan antalet reflektioner eller noder kontrolleras noggrant och effektiva väglängder uppnås som är väl anpassade till optiskt täta prover. Alla ämnen som är i direkt kontakt med sensorn förhörs av energin. Intensiteten hos FTIR-spektrumet är i grunden beroende av antalet reflektioner, djupet av penetrationen av den flyktiga vågen i provet, antalet molekyler av intresse i provet och deras respektive absorptionsförmåga.

Till skillnad från transmissionstekniken där ljus måste transversera provet, är provtjockleken i ATR-FTIR inte relevant. Ett flytande eller fast prov kan vara 10 mikron tjockt eller 10 cm tjockt och i båda fallen kan ett användbart FTIR-spektrum erhållas. Detta gör ATR idealiskt för att studera ett brett spektrum av kemiska reaktioner eftersom ingen provberedning eller utspädning krävs för att erhålla användbara spektra. Dessutom finns ATR-sensorer tillgängliga som är resistenta mot nötning och kan motstå de hårda reaktionsförhållanden som är förknippade med många kemikalier.

Däremot: Transmission IR-spektroskopi kräver vanligtvis provberedning för att erhålla användbart spektrum
För att erhålla ett transmissionsspektrum för en vätska är provet inneslutet i en cell som har infraröda transparenta fönster och energin måste transversera provet. Spektrumets intensitet är relaterad till cellens väglängd och lösningen som analyseras. Om provvägens längd är för lång och/eller provet innehåller lösningsmedel eller lösta molekyler som är mycket infraröda absorberande eller mycket spridande, kommer lite eller ingen energi att nå den infraröda detektorn. Detta gör analysen av de flesta kemiska reaktioner svår eller omöjlig att utföra i transmissionsläge. I de fall där rätt väglängd matchas med analyten erhålls transmissionsspektrumet. Eftersom celler med lång väglängd kan konstrueras kan transmissions-IR-spektroskopi vara användbar för att identifiera och spåra lågkoncentrerade organometalliska ämnen i homogena katalysreaktioner. För att erhålla IR-spektrumet för de flesta fasta ämnen är det nödvändigt att späda ut provet genom att antingen glögga i nujololja, pressa en kaliumbromidpellet eller förbereda en ultratunn skiva material. 

In-situ ATR-FTIR erbjuder många fördelar jämfört med alternativa analysmetoder, inklusive andra molekylära spektroskopitekniker. Forskare och vetenskapsmän förbättrar den kemiska utvecklingen genom att utnyttja dessa fördelar, inklusive:

• Det mellersta IR-energiområdet ger detaljerade "fingeravtrycksspektra" av utgångsmaterial, intermediärer, produkter och biprodukter, vilket möjliggör kontinuerlig spårning av dessa nyckelarter som en funktion av tiden
• Mätning i realtid, utförs varje minut eller mindre
• På plats krävs ingen extraktiv provtagning. Mät kemi utan att störa reaktionen
• Icke-destruktiv; bevara integriteten hos den kemiska reaktionen
• Mäter reaktioner i batch-, semi-batch- eller kontinuerlig flödesdrift
• Mäter reaktioner under tryck eller vid förhöjd eller låg temperatur
• Mäter reaktioner i vattenhaltiga eller icke-vattenhaltiga medier och över ett brett pH-område
• Den nedsänkta ATR-sensorn påverkas vanligtvis inte av frätande reagenser
• Reaktioner med frätande, toxiska eller farliga förhållanden kan övervakas utan provtagning
• Åtgärder lösningsfas; bubblor eller fasta partiklar stör inte
• Spektraldata kan omvandlas till koncentrationsdata i realtid, vilket gör det möjligt att utveckla viktiga kinetiska parametrar och exakt bestämning av effektmått
• FTIR-spektroskopi är en väl beprövad PAT-metod som stöder QbD-arbetet (Quality by Design) och säkerställer att CPP:er definieras och övervakas
• Ger ett primärt sätt att erhålla viktiga kinetiska data och faktiska bevis som stöder föreslagna mekanismer
• In-situ FTIR hjälper till att identifiera och spåra tillfälliga intermediärer som kan påverka produktutbyte och kvalitet och är nyckeln till mekanistisk förståelse
• Reaktionstrender följs i realtid, vilket gör det möjligt att övervaka viktiga reaktionshändelser som initiering, steady-state, slutpunkt och nedbrytning

ATR-metodiken är ett idealiskt komplement till FTIR-spektroskopi för in-situ, realtidsanalys och övervakning av kemiska reaktioner. Reaktionsblandningar är vanligtvis optiskt täta till mellaninfraröd strålning. Det begränsade penetrationsdjupet av infraröd energi i reaktionslösningen som är i kontakt med ATR-sensorn gör att FTIR-spektra av hög kvalitet kan registreras.

En ATR-sensor tillverkad av lämpligt material, som är monterad i änden av en rörformig sond eller som en del av en flödescell, gör det möjligt att analysera reaktioner oavsett om det är i batch- respektive kontinuerligt flödesläge. Lämpliga ATR-sensorer för analys av kemiska reaktioner måste ha det brytningsindex som krävs för att möjliggöra intern reflektion, men måste också fungera i tuffa kemiska miljöer utan att brytas ned. Både diamant och kisel är utmärkta sensormaterial för ATR-FTIR-analys av kemi och valet av vilket som ska användas beror på vilken typ av kemi och de infraröda topppositionerna som behöver spåras.

När ATR-FTIR-spektroskopi används uppnås följande fördelar:

• Reaktionerna övervakas i realtid, in-situ under faktiska reaktionsförhållanden
• Information om reaktionstrender, framsteg och kinetik erhålls lätt
• Viktiga transienta reaktionsintermediärer observeras som hjälp vid mekanismstudier
• Exponering för giftiga kemikalier eller farliga, energetiska reaktioner minimeras
• En förståelse för sambandet mellan reaktionsvariabler och övergripande reaktionsprestanda förbättras avsevärt

På grund av hastigheten för att samla in spektra med FTIR och utvecklingen av en ny generation av kemikalieresistenta ATR-sensorer, revolutionerar användningen av denna kombinerade teknik sättet att samla in kemisk kinetik och mekanistisk information.

ReactIR 702L är den första FTIR-spektrometern som verkligen kombinerar kraften i realtid, in-situ FTIR med motsvarande driftsbekvämlighet. ReactIR är redo för varje kemist och för varje experiment.

ReactIR är redo att köras över natten!
Njut av sömlös och effektiv kemikalieövervakning med automatiserade uppgifter.

ReactIR är redo att ta tag i och gå!
Maximera ditt labbutrymme med kompakta och stapelbara ReactIR-enheter, vilket sparar värdefull dragskåpsyta. 

ReactIR är redo för din kemi!
Sond- och flödesbaserad provtagningsteknik, som gör det möjligt för forskare att undersöka både vätske- och gasfaskemi i batch- eller kontinuerliga uppställningar. 

Vanliga applikationsområden för ATR-spektroskopi (Attenuated Total Reflectance) inkluderar:

1. Nguyen, T., Shamsabadi, A. A., & Bavarian, M. (2023). Koppling av ATR-FTIR-spektroskopi med multivariat analys för polymertillverkning och kontroll av polymerers molekylvikt. 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). Analys av upplösning och kristallisation av delvis oblandbara ternära blandningar med hjälp av en kompositsensoruppsättning av in situ ATR-FTIR, laserbackscattering och avbildning. Forskning inom industriell och teknisk kemi, 61(50), 18514–18529. https://doi.org/10.1021/acs.iecr.2c03494
3. Li, Z., & Zhang, B. (2022). Undersökning av glycinpolymorf transformation med in situ ATR-FTIR och FT-Raman-spektroskopi. Kristaller, 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). Processövervakning av polysackariddeketalisering för utveckling av vaccinbiokonjugering med hjälp av in situ analytisk metodik. Tidskrift för farmaceutisk och biomedicinsk analys, 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 av ATR-FTIR-spektroskopi genom analys av paracetamolläkemedel: Praktiska lektioner för tvärvetenskapligt och progressivt lärande för studenter. Tidskrift för kemisk utbildning, 98(8), 2675–2686. https://doi.org/10.1021/acs.jchemed.0c01231
6. Wang, Z., Gérardy, R., Gauron, G., Damblon, C., & Monbaliu, J. (2019). Lösningsmedelsfri organokatalytisk framställning av cykliska organiska karbonater under skalbara kontinuerliga flödesförhållanden. Reaktionskemi och 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 jodering med kontinuerligt flöde vägledd av direkt spektroskopisk observation av ekviliberande aryllitiumregioisomerer. Organometalliska, 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 teleskopisk Knochel-Hauser/Kumada-Corriu-kopplingsstrategi för funktionaliserade aromatiska heterocykler. Tetrahedron-breven, 60(1), 5–7. https://doi.org/10.1016/j.tetlet.2018.11.014
9. Folsom, T. M., & Darensbourg, D. J. (2019). Kinetiska studier av termisk dissociation av kolmonoxidligander från mangantri- och tetrakarbonylderivat innehållande den skrymmande dipiperidylmetanliganden, CH2Pip2. Inorganica Chimica Acta, 484, 443-449. https://doi.org/10.1016/j.ica.2018.09.004
10. Hammarbäck, L. A., Robinson, A., Lynam, J. M., & Fairlamb, I. J. S. (2019). Mekanistisk insikt i katalytisk Redox-neutral C-H-bindningsaktivering som involverar mangan(I)karbonyler: Katalysatoraktiverings-, omsättnings- och deaktiveringsvägar avslöjar ett intrikat nätverk av steg. Tidskrift för 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 eterifiering av en α-aryl-β-aminoalkohol med användning av en selektiv aziridiniumringöppning för syntes av AZD7594. Tidskrift för organisk kemi, 84(8), 4629–4638. https://doi.org/10.1021/acs.joc.8b01062
12. Sagmeister, P., Williams, J. D., Hone, CA, & Kappe, C. O. (2019). Framtidens laboratorium: en modulär flödesplattform med flera integrerade PAT-verktyg för flerstegsreaktioner. Reaktionskemi och teknik, 4(9), 1571–1578. https://doi.org/10.1039/c9re00087a
13. Rao, K. S., St-Jean, F., & Kumar, A. (2019). Kvantifiering av en ketonenolisering och en vinylsulfonatstereoisomerbildning med hjälp av inline IR-spektroskopi och modellering. Organisk processforskning och utveckling, 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 infraröd spektroskopi som ett verktyg för övervakning av molekylära katalysatorer för hydroformylering i kontinuerliga processer. ACS-katalys, 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). Onlineövervakning med infraröd spektroskopi med multivariat analys – bakgrundsteori och tillämpning på katalytisk dehydrogeniv koppling av butanol till butylbutyrat. Reaktionskemi och teknik, 4(5), 909–918. https://doi.org/10.1039/c8re00238j
16. Herman, C., Haut, B., Halloin, V., Vermylen, V., & Leyssens, T. (2012). Användning av in situ Raman-, FBRM®- och ATR-FTIR-sonder för att förstå den lösningsmedelsmedierade polymorfa omvandlingen av II-I etiracetam i metanol. Kristalltillväxt och 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 satsvis reaktorcell. Fysikalisk kemi Kemisk fysik, 14(7), 2164–2170. https://doi.org/10.1039/c1cp21933b
18. Salehpour, S., & Dubé, M. A. (2011). Reaktionsövervakning av glycerol steg-tillväxtpolymerisation med hjälp av ATR-FTIR-spektroskopi. Makromolekylär reaktionsteknik, 6(2–3), 85–92. https://doi.org/10.1002/mren.201100071
19. och, B. O., & Glennon, B. (2005). Tillämpning av in situ FBRM och ATR-FTIR för övervakning av den polymorfa omvandlingen av d-mannitol. Organisk processforskning och utveckling, 9(6), 884–889. https://doi.org/10.1021/op0500887
20. Liotta, V., & Sabesan, V. (2004). Övervakning och återkopplingskontroll av övermättnad med hjälp av ATR-FTIR för att producera en aktiv farmaceutisk ingrediens med önskad kristallstorlek. Organisk processforskning och utveckling, 8(3), 488–494. https://doi.org/10.1021/op049959n