Quang phổ ATR-FTIR

Hệ số phản xạ toàn phần suy giảm (ATR) là một phương pháp lấy mẫu cho phép kiểm tra trực tiếp các mẫu rắn hoặc lỏng mà không cần chuẩn bị thêm. Nó sử dụng phản xạ toàn bộ bên trong để tạo ra một sóng phù cong xuyên qua mẫu, cung cấp thông tin phân tử có giá trị.

ATR thường được sử dụng với quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) (quang phổ ATR-FTIR) vì nó cho phép phân tích các mẫu rắn và chất lỏng một cách gọn gàng - đơn giản hóa việc đo lường hầu như tất cả các chất.

Trái ngược với truyền dẫn (phương pháp lấy mẫu được sử dụng rộng rãi khác), chiều dài đường đo không phụ thuộc vào độ dày của mẫu. ATR là một phương pháp dựa trên phản xạ bên trong và chiều dài đường dẫn mẫu phụ thuộc vào độ sâu thâm nhập của năng lượng hồng ngoại vào mẫu. Một mẫu rắn có thể dày 100 micron hoặc dày 100 mm và phổ hồng ngoại được ghi lại về cơ bản sẽ trông giống nhau. Nếu chất lỏng hoặc bùn sample tiếp xúc với bề mặt ATR, quang phổ hồng ngoại của phần chất lỏng sẽ được ghi lại. Chính hiện tượng thứ hai này làm cho tổng phản xạ suy giảm trở nên mạnh mẽ để theo dõi phản ứng hóa học.

White paper này cho thấy cách kết hợp ReactIR với phần mềm mô hình hóa động học như Reaction Lab và Dynochem giúp tăng tốc tối ưu hóa quy trình. Thông qua các nghiên cứu tình huống trong ngành dược, bao gồm các phản ứng ghép nối Suzuki và SNAr, tài liệu minh họa cách dữ liệu in situ cải thiện hiệu suất và độ an toàn, đồng thời giảm nhu cầu tiến hành các thí nghiệm tốn nhiều nguồn lực. Tải xuống hướng dẫn để tìm hiểu cách tận dụng phân tích thời gian thực nhằm xây dựng mô hình nhanh hơn và mở rộng quy mô bền vững hơn.

Quang phổ ATR-FTIR được sử dụng cho các nhiệm vụ như xác định các hợp chất hóa học, nghiên cứu cấu trúc phân tử, kiểm tra tính chất bề mặt, phân tích polyme, điều tra phân tử sinh học, theo dõi các phản ứng hóa học và đánh giá thành phần của vật liệu trong các ngành công nghiệp như dược phẩm, khoa học vật liệu, pháp y và phân tích môi trường.

Bởi vì ATR-FTIR có thể đo quang phổ mà không cần bất kỳ chuẩn bị mẫu hoặc pha loãng nào, quang phổ ATR đã tìm thấy khả năng ứng dụng trong phân tích vật liệu rắn và lỏng. Một trong những ứng dụng sớm nhất của ATR là thu được quang phổ hồng ngoại của các mẫu và màng polyme. Khoảng 25 năm trước, ATR kim cương DiComp đã được phát minh, mở rộng việc sử dụng ATR cho nhiều ứng dụng mới bao gồm giám sát phản ứng hóa học.

Trong ATR-FTIR, năng lượng ánh sáng được truyền qua một vật liệu quang học (tức là cảm biến ATR) có hai đặc điểm chính:

1. Nó phải trong suốt về mặt quang học với tần số của năng lượng để vật liệu cảm biến hấp thụ ít hoặc không có bức xạ;
   
2. Vật liệu cảm biến ATR có chỉ số khúc xạ cao hơn so với phương tiện xung quanh nên ATR hoạt động như một ống dẫn sóng, phản xạ bên trong năng lượng ánh sáng.

Bằng cách chọn các vật liệu quang học cụ thể và kiểm soát việc chế tạo cảm biến, số lượng phản xạ hoặc nút trong cảm biến ATR có thể được điều chỉnh chính xác. Độ dài đường dẫn hiệu quả của cảm biến được xác định bằng cách nhân số lượng phản xạ bên trong với độ sâu thâm nhập của sóng biến mất. Tại mỗi nút, một sóng năng lượng tĩnh được phát ra từ bề mặt, góp phần tạo ra hiện tượng ATR tổng thể.

Năng lượng này biến mất vì nó giảm cường độ như một hàm của khoảng cách từ bề mặt của cảm biến. Do đó, bất kỳ chất nào tiếp xúc trực tiếp với cảm biến đều bị chất vấn bởi năng lượng.

Độ sâu thâm nhập cũng phụ thuộc vào bước sóng năng lượng cụ thể, vì vậy khi quét một mẫu có bức xạ điều chế để thu được quang phổ, vị trí của các đỉnh sẽ tương tự như của quang phổ truyền / hấp thụ, tuy nhiên, cường độ của các dải riêng lẻ sẽ thay đổi so với phổ truyền / hấp thụ.

Xem Live eDemo từ cơ quan hoặc văn phòng tại nhà theo lịch trình của bạn.

Quang phổ ATR-FTIR: Lý tưởng cho các chất gọn gàng hoặc mật độ quang học
Tổng phản xạ suy giảm (ATR) sử dụng vật liệu cảm biến quang học có chỉ số khúc xạ đủ cao để cho phép phản xạ bên trong cảm biến. Tùy thuộc vào vật liệu quang học được chọn và cách chế tạo cảm biến, số lượng phản xạ hoặc nút có thể được kiểm soát cẩn thận và đạt được độ dài đường dẫn hiệu quả phù hợp với các mẫu dày đặc quang học. Bất kỳ chất nào tiếp xúc trực tiếp với cảm biến đều bị chất vấn bởi năng lượng. Cường độ của quang phổ FTIR về cơ bản phụ thuộc vào số lượng phản xạ, độ sâu thâm nhập của sóng biến mất vào mẫu, số lượng phân tử quan tâm trong mẫu và khả năng hấp thụ tương ứng của chúng.

Trái ngược với kỹ thuật truyền ánh sáng phải đi ngang mẫu, trong ATR-FTIR, độ dày mẫu không liên quan. Một mẫu lỏng hoặc rắn có thể dày 10 micron hoặc dày 10 cm và trong cả hai trường hợp, có thể thu được phổ FTIR hữu ích. Điều này làm cho ATR trở nên lý tưởng để nghiên cứu một loạt các phản ứng hóa học vì không cần chuẩn bị hoặc pha loãng mẫu để thu được quang phổ hữu ích. Ngoài ra, cảm biến ATR có khả năng chống mài mòn và có thể chịu được các điều kiện phản ứng khắc nghiệt liên quan đến nhiều hóa chất.

Ngược lại: Quang phổ hồng ngoại truyền thường yêu cầu chuẩn bị mẫu để có được quang phổ hữu ích
Để có được phổ truyền của chất lỏng, mẫu được bao bọc trong một ô có cửa sổ hồng ngoại trong suốt và năng lượng phải đi ngang mẫu. Cường độ của quang phổ có liên quan đến độ dài đường đi của tế bào và dung dịch được phân tích. Nếu chiều dài đường dẫn mẫu quá dài và / hoặc mẫu chứa các phân tử dung môi hoặc chất tan có khả năng hấp thụ hồng ngoại cao hoặc tán xạ cao, ít hoặc không có năng lượng sẽ đến được máy dò hồng ngoại. Điều này làm cho việc phân tích hầu hết các phản ứng hóa học trở nên khó khăn hoặc không thể thực hiện ở chế độ truyền. Trong trường hợp độ dài đường đi phù hợp với chất phân tích, phổ truyền được thu thập. Bởi vì các tế bào có chiều dài đường dài có thể được xây dựng, quang phổ hồng ngoại truyền có thể hữu ích để xác định và theo dõi các loài kim loại hữu cơ nồng độ thấp trong các phản ứng xúc tác đồng nhất. Để có được quang phổ IR của hầu hết các chất rắn, cần phải pha loãng mẫu bằng cách nghiền trong dầu nujol, ép viên kali bromide hoặc chuẩn bị một lát vật liệu siêu mỏng. 

ATR-FTIR tại chỗ mang lại nhiều lợi thế so với các phương pháp phân tích thay thế, bao gồm các kỹ thuật quang phổ phân tử khác. Các nhà nghiên cứu và nhà khoa học cải thiện sự phát triển hóa học bằng cách tận dụng những lợi thế này, bao gồm:

• Vùng năng lượng hồng ngoại trung bình mang lại quang phổ "dấu vân tay" chi tiết của các vật liệu ban đầu, chất trung gian, sản phẩm và sản phẩm phụ cho phép theo dõi liên tục các loài quan trọng này như một hàm của thời gian
• Đo thời gian thực, được thực hiện mỗi phút hoặc ít hơn
• Tại chỗ, không cần lấy mẫu khai thác; Đo hóa học mà không làm xáo trộn phản ứng
• Không phá hủy; Bảo tồn tính toàn vẹn của phản ứng hóa học
• Đo phản ứng theo lô, bán lô hoặc hoạt động dòng chảy liên tục
• Đo các phản ứng chạy dưới áp suất hoặc ở nhiệt độ cao hoặc thấp
• Đo phản ứng trong môi trường nước hoặc không nước và trên phạm vi pH rộng
• Cảm biến ATR ngâm thường không bị ảnh hưởng bởi thuốc thử ăn mòn
• Các phản ứng với các điều kiện ăn mòn, độc hại hoặc nguy hiểm có thể được theo dõi mà không cần lấy mẫu
• Đo lường giai đoạn giải pháp; bong bóng hoặc hạt rắn không can thiệp
• Dữ liệu quang phổ có thể được chuyển đổi thành dữ liệu nồng độ thời gian thực, cho phép phát triển các thông số động học chính và xác định điểm cuối chính xác
• Một phương pháp PAT đã được chứng minh tốt, quang phổ FTIR tại chỗ hỗ trợ các nỗ lực Chất lượng theo thiết kế (QbD) và đảm bảo rằng CPP được xác định và giám sát
• Cung cấp một phương tiện chính để thu thập dữ liệu động học quan trọng và bằng chứng thực tế hỗ trợ các cơ chế được đề xuất
• FTIR tại chỗ giúp xác định và theo dõi các chất trung gian thoáng qua có thể ảnh hưởng đến năng suất và chất lượng sản phẩm và là chìa khóa để hiểu về cơ học
• Các xu hướng phản ứng được theo dõi trong thời gian thực, cho phép theo dõi các sự kiện phản ứng chính như bắt đầu, trạng thái ổn định, điểm cuối và phân hủy

Phương pháp ATR là một bổ sung lý tưởng cho Quang phổ FTIR để phân tích tại chỗ, thời gian thực và theo dõi các phản ứng hóa học. Hỗn hợp phản ứng thường có bức xạ quang học dày đặc đến hồng ngoại trung bình. Độ sâu thâm nhập hạn chế của năng lượng hồng ngoại vào dung dịch phản ứng tiếp xúc với cảm biến ATR cho phép ghi lại quang phổ FTIR chất lượng cao.

Cảm biến ATR được chế tạo bằng vật liệu thích hợp, được gắn ở cuối đầu dò hình ống hoặc như một phần của tế bào dòng chảy, cho phép phân tích các phản ứng tương ứng ở chế độ dòng chảy hàng loạt hoặc liên tục. Cảm biến ATR phù hợp để phân tích các phản ứng hóa học phải có chỉ số khúc xạ cần thiết để cho phép phản xạ bên trong nhưng cũng phải hoạt động trong môi trường hóa học khắc nghiệt mà không bị phân hủy. Cả kim cương và silicon đều là vật liệu cảm biến tuyệt vời để phân tích hóa học ATR-FTIR và việc lựa chọn sử dụng phụ thuộc vào loại hóa học và vị trí đỉnh hồng ngoại cần được theo dõi.

Khi sử dụng quang phổ ATR-FTIR, đạt được những lợi ích sau:

• Các phản ứng được theo dõi trong thời gian thực, tại chỗ trong điều kiện phản ứng thực tế
• Thông tin về xu hướng phản ứng, tiến trình và động học có thể dễ dàng thu thập
• Các chất trung gian phản ứng thoáng qua chính được quan sát thấy hỗ trợ trong các nghiên cứu cơ chế
• Giảm thiểu tiếp xúc với hóa chất độc hại hoặc các phản ứng nguy hiểm, năng lượng
• Sự hiểu biết về mối quan hệ giữa các biến phản ứng và hiệu suất phản ứng tổng thể được nâng cao đáng kể

Do tốc độ thu thập quang phổ bằng FTIR và sự phát triển của thế hệ cảm biến ATR kháng hóa chất mới, việc sử dụng công nghệ kết hợp này đã cách mạng hóa các phương tiện để thu thập động học hóa học và thông tin cơ học.

ReactIR 702L là máy quang phổ FTIR đầu tiên thực sự kết hợp sức mạnh của FTIR tại chỗ, thời gian thực với sự tiện lợi khi vận hành tương đương. ReactIR sẵn sàng cho mọi nhà hóa học và cho mọi thí nghiệm.

ReactIR đã sẵn sàng chạy qua đêm!
Tận hưởng giám sát hóa chất liền mạch và hiệu quả với các tác vụ tự động.

ReactIR đã sẵn sàng để lấy và đi!
Tối đa hóa không gian phòng thí nghiệm của bạn với các thiết bị ReactIR nhỏ gọn và có thể xếp chồng lên nhau, tiết kiệm không gian tủ hút có giá trị. 

ReactIR đã sẵn sàng cho hóa học của bạn!
Công nghệ lấy mẫu dựa trên đầu dò và dòng chảy, cho phép các nhà khoa học điều tra cả hóa học pha lỏng và khí trong các thiết lập hàng loạt hoặc liên tục. 

Các lĩnh vực ứng dụng quang phổ toàn phản xạ suy giảm (ATR) phổ biến bao gồm:

1. Nguyễn, T., Shamsabadi, AA, & Bavarian, M. (2023). Kết hợp quang phổ ATR-FTIR với phân tích đa biến để sản xuất polyme và kiểm soát trọng lượng phân tử của polyme. Kỹ thuật hóa học kỹ thuật số, 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). Phân tích sự hòa tan và kết tinh của hỗn hợp bậc ba không thể trộn lẫn một phần bằng cách sử dụng mảng cảm biến tổng hợp ATR-FTIR tại chỗ, tán xạ ngược laser và hình ảnh. Nghiên cứu Hóa học Công nghiệp & Kỹ thuật, 61(50), 18514–18529. https://doi.org/10.1021/acs.iecr.2c03494
3. Li, Z., & Zhang, B. (2022). Nghiên cứu biến đổi đa hình glycine bằng quang phổ ATR-FTIR và FT-Raman tại chỗ. Pha lê,12(8), 1141. https://doi.org/10.3390/cryst12081141
4. Lomont, JP, Ralbovsky, NM, Guza, C., Saha-Shah, A., Burzynski, J., Konietzko, J., Wang, S., McHugh, PC, Mangion, I., & Smith, JA (2022b). Giám sát quy trình khử keketalization polysaccharide để phát triển liên hợp sinh học vắc-xin bằng phương pháp phân tích tại chỗ. Tạp chí Phân tích Dược phẩm và Y sinh, 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). Giới thiệu quang phổ ATR-FTIR thông qua phân tích thuốc acetaminophen: Bài học thực tế cho học tập liên ngành và tiến bộ cho sinh viên đại học. Tạp chí Giáo dục Hóa học, 98(8), 2675–2686. https://doi.org/10.1021/acs.jchemed.0c01231
6. Wang, Z., Gérardy, R., Gauron, G., Damblon, C., & Monbaliu, J. (2019). Chuẩn bị xúc tác hữu cơ không dung môi của cacbonat hữu cơ tuần hoàn trong điều kiện dòng chảy liên tục có thể mở rộng. Hóa học và Kỹ thuật phản ứng, 4(1), 17–26. https://doi.org/10.1039/c8re00209f
7. Dunn, AL, Leitch, DC, Journet, M., Martin, MC, Tabet, E., Curtis, NF, Williams, GD, Goss, CW, Shaw, T., O'Hare, B., Wade, CE, Toczko, MA, & Liu, P. (2019). Iodion dòng chảy liên tục có chọn lọc được hướng dẫn bởi quan sát quang phổ trực tiếp của các đồng phân aryl lithium cân bằng. Kim loại hữu cơ, 38(1), 129–137. https://doi.org/10.1021/acs.organomet.8b00538
8. Clagg, K., Hold, S., Kumar, A., Koenig, SG, & Angelaud, R. (2019). Một chiến lược ghép nối Knochel-Hauser / Kumada-Corriu được kính viễn vọng với các dị chu hương thơm chức năng. Thư tứ diện, 60(1), 5–7. https://doi.org/10.1016/j.tetlet.2018.11.014
9. Folsom, TM, & Darensbourg, DJ (2019). Các nghiên cứu động học về sự phân ly nhiệt của phối tử carbon monoxide từ các dẫn xuất mangan tri- và tetra-carbonyl có chứa phối tử dipiperidylmethane cồng kềnh, CH2Pip2. Inorganica Chimica Acta, 484, 443–449. https://doi.org/10.1016/j.ica.2018.09.004
10. Hammarback, LA, Robinson, A., Lynam, JM, & Fairlamb, IJS (2019). Cái nhìn sâu sắc về kích hoạt liên kết C – H trung tính oxy hóa khử xúc tác liên quan đến mangan (I) cacbonyl: Các con đường kích hoạt, quay vòng và khử hoạt chất xúc tác tiết lộ một mạng lưới các bước phức tạp. Tạp chí của Hiệp hội Hóa học Hoa Kỳ, 141 (6), 2316–2328. https://doi.org/10.1021/jacs.8b09095
11. McMillan, A., Steven, A., Ashworth, IW, Mullen, AB, Chan, LW, Espinosa, MP, Pilling, MJ, Raw, SA, & Jones, M. (2019). Ether hóa lập thể của rượu α-aryl-β-amino bằng cách sử dụng lỗ mở vòng aziridinium chọn lọc để tổng hợp AZD7594. Tạp chí Hóa học Hữu cơ, 84(8), 4629–4638. https://doi.org/10.1021/acs.joc.8b01062
12. Sagmeister, P., Williams, JD, Hone, CA, & Kappe, CO (2019). Phòng thí nghiệm của tương lai: một nền tảng dòng chảy mô-đun với nhiều công cụ PAT tích hợp cho các phản ứng nhiều bước. Hóa học và Kỹ thuật Phản ứng, 4(9), 1571–1578. https://doi.org/10.1039/c9re00087a
13. Rao, KS, St-Jean, F., & Kumar, A. (2019). Định lượng enol hóa xeton và sự hình thành đồng phân lập thể vinyl sulfonate bằng cách sử dụng mô hình và quang phổ hồng ngoại nội tuyến. Nghiên cứu và Phát triển Quy trình Hữu cơ, 23(5), 945–951. https://doi.org/10.1021/acs.oprd.9b00042
14. Dreimann, JM, Kohls, E., Warmeling, H., Stein, M., Guo, L., Garland, M., Dinh, T., & Vorholt, AJ (2019). Quang phổ hồng ngoại tại chỗ như một công cụ để theo dõi chất xúc tác phân tử cho hydroformyl hóa trong các quá trình liên tục. Xúc tác ACS, 9(5), 4308–4319. https://doi.org/10.1021/acscatal.8b05066
15. Violet, L., Mifleur, A., Vanoye, L., Nguyen, DK, Favre-Réguillon, A., Philippe, R., Gauvin, RM, & Fongarland, P. (2019). Giám sát trực tuyến bằng quang phổ hồng ngoại sử dụng phân tích đa biến - lý thuyết nền tảng và ứng dụng cho sự kết hợp khử hydro xúc tác của butanol với butyl butyrate. Hóa học và Kỹ thuật Phản ứng, 4(5), 909–918. https://doi.org/10.1039/c8re00238j
16. Herman, C., Haut, B., Halloin, V., Vermylen, V., & Leyssens, T. (2012). Sử dụng đầu dò Raman, FBRM® và ATR-FTIR tại chỗ để hiểu về sự biến đổi đa hình qua trung gian dung môi của II-I etiracetam trong metanol. Crystal Growth & 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, RM, Van Bokhoven, JA, Kvashnina, KO, Glatzel, P., Fernandes, DJ, Nachtegaal, M., Kleymenov, E., Szlachetko, J., Neuhold, B., & Hungerbühler, K. (2012). Tế bào phản ứng hàng loạt HERFD XAS / ATR-FTIR. Vật lý hóa học Vật lý, 14(7), 2164–2170. https://doi.org/10.1039/c1cp21933b
18. Salehpour, S., & Dubé, MA (2011). Theo dõi phản ứng trùng hợp tăng trưởng từng bước glycerol bằng quang phổ ATR-FTIR. Kỹ thuật phản ứng đại phân tử, 6(2–3), 85–92. https://doi.org/10.1002/mren.201100071
19. Và, B. O., & Glennon, B. (2005). Ứng dụng FBRM và ATR-FTIR tại chỗ để theo dõi sự biến đổi đa hình của d-mannitol. Nghiên cứu và Phát triển Quy trình Hữu cơ, 9(6), 884–889. https://doi.org/10.1021/op0500887
20. Liotta, V., & Sabesan, V. (2004). Giám sát và kiểm soát phản hồi của quá bão hòa bằng cách sử dụng ATR-FTIR để tạo ra một thành phần dược phẩm hoạt tính có kích thước tinh thể mong muốn. Nghiên cứu và Phát triển Quy trình Hữu cơ, 8(3), 488–494. https://doi.org/10.1021/op049959n