Spettroscopia IR vs Raman

La spettroscopia Raman e FTIR (infrarossa a trasformata di Fourier) offre informazioni molecolari sulla struttura e la composizione di campioni chimici e biologici. A causa dei principi fondamentali che governano ciascuna tecnologia, entrambe possono produrre informazioni complementari. Tuttavia, spesso una tecnologia è una scelta migliore, a seconda della natura dell'applicazione.

a. La spettroscopia Raman fornisce informazioni sulle vibrazioni intra e intermolecolari. Il primo fornisce uno spettro caratteristico delle vibrazioni specifiche degli atomi in una molecola ed è prezioso per identificare una sostanza, una forma e una configurazione della spina dorsale molecolare, per citarne alcuni. Quest'ultimo fornisce informazioni sui modi a bassa frequenza, che riflettono la struttura del reticolo cristallino e la forma polimorfa.

b. La spettroscopia infrarossa fornisce una "regione di impronte digitali" dello spettro in cui le vibrazioni intramolecolari sono ben definite e altamente caratteristiche del legame degli atomi.

Un esempio pratico di differenziazione tra queste due tecnologie è lo studio di un processo di cristallizzazione, in cui Raman analizza le forme cristalline solide e l'IR misura contemporaneamente le caratteristiche della fase di soluzione come la supersaturazione.

Raman.  L'effetto Raman è debole (spesso indicato come un evento su dieci milioni), derivante da un evento energetico quando i fotoni di luce monocromatica (laser) interagiscono con una molecola che porta ad un rilascio di fotoni anelastici.

Quando i fotoni interagiscono con una molecola, un elettrone può essere eccitato a un livello di energia più elevato (cioè uno stato virtuale eccitato) ma non subire completamente una transizione elettronica. L'elettrone può quindi rilassarsi a un livello di energia vibrazionale diverso da quello dell'energia incidente. La differenza tra l'energia del fotone incidente e l'energia del fotone diffuso è chiamata spostamento Raman. L'interazione della molecola con la luce può indurre uno spostamento della nuvola di elettroni della molecola che si traduce in un cambiamento nella polarizzabilità. Una molecola ha specifiche transizioni di energia legate ai suoi legami intramolecolari in cui si verifica un cambiamento di polarizzabilità, e questi cambiamenti danno origine a modalità attive Raman. La frequenza dello spostamento Raman è correlata al tipo di legame che viene eccitato e l'intensità di questo picco Raman è proporzionale al numero di tali legami.

IR. La spettroscopia a infrarossi (IR) è una tecnica più potente che si basa sull'assorbimento della luce da parte delle molecole a frequenze corrispondenti alle vibrazioni fondamentali di tali molecole. Le molecole con gruppi funzionali che hanno forti dipoli mostrano forti picchi nell'IR, mentre i gruppi funzionali che hanno dipoli deboli e subiscono prontamente un cambiamento nella polarizzabilità mostrano forti picchi nel Raman.

Il movimento degli atomi in una molecola ha una frequenza naturale di vibrazione correlata alla loro forza di legame. Quando la frequenza della vibrazione di un legame è uguale alla frequenza della radiazione IR diretta su di esso, il legame assorbe la radiazione. Le frequenze IR specifiche che i legami di una molecola assorbono danno origine a uno spettro IR della molecola.

Di seguito illustreremo i vantaggi e i limiti di ciascuna tecnologia, insieme alle reazioni appropriate per ciascuna. Quindi esploreremo come la strumentazione può fornire valore per le principali aree di applicazione e articoli di riviste recenti per ulteriori letture.

La spettroscopia Raman e IR fornisce la profilazione in tempo reale delle specie di reazione e tiene traccia dell'inizio della reazione, dell'avanzamento, degli intermedi transitori e del punto finale. Consentono inoltre un rapido sviluppo di dati cinetici e supportano i meccanismi di reazione proposti. Per saperne di più sulle reazioni di sintesi.

Entrambi i metodi di spettrometria possono studiare la massa catalitica e la struttura superficiale, studiare le specie adsorbite su superfici catalitiche, esaminare il legame ligando-metallo, sviluppare relazioni struttura-attività e ottimizzare i processi catalitici misurando l'effetto delle variabili di reazione sulla resa, la qualità e l'attività del catalizzatore del prodotto. Tutto questo può essere fatto tramite spettroscopia IR e Raman in situ a pressione/temperatura effettiva, oltre ad analizzare reazioni catalitiche omogenee nel flusso. Per saperne di più sulle reazioni catalitiche.

Per un'ampia gamma di classi di reazione, utilizzare celle a flusso chimicamente inerti in linea (Raman) e celle a flusso ATR (IR) per monitorare continuamente e garantire la stabilità delle reazioni di flusso. Le tecnologie IR e Raman supportano studi rapidi di ottimizzazione dei processi nel flusso tracciando le specie di reazione chiave in funzione delle condizioni di flusso variabili. Per saperne di più sulla chimica a flusso continuo.

L'IR in situ misura i soluti nella fase di soluzione per lo sviluppo della cristallizzazione, mentre la spettroscopia Raman in situ misura la crescita e il polimorfismo dei cristalli in funzione di variabili quali solventi, semina, profilo di raffreddamento, temperatura e pH. Per saperne di più sulla cristallizzazione.

L'analisi IR e Raman in situ può essere utilizzata per supportare varie fasi di lavorazione a valle, tra cui la cattura primaria, lo scambio di tamponi, la purificazione, la bioconiugazione e la formulazione. In queste e altre applicazioni, l'analisi in tempo reale elimina i tradizionali colli di bottiglia e i ritardi associati alla tradizionale analisi offline. Per saperne di più sulla lavorazione a valle.

La spettroscopia Raman è potente per analizzare la struttura della spina dorsale del polimero, la lunghezza della catena, l'apertura dell'anello e la conformazione. Utilizza la spettroscopia IR per analizzare catene laterali, gruppi terminali di molecole a catena lunga e gruppi funzionali. Acquisisci dati per la cinetica di reazione, i tassi di conversione dei monomeri, i rapporti di reattività, le energie di attivazione, il ruolo degli iniziatori, degli intermedi e la formazione dei sottoprodotti, il tutto in tempo reale senza la necessità di campionamento estrattivo e analisi offline. L'analisi in situ elimina l'irriproducibilità del campionamento offline causata dall'aumento della viscosità della reazione e dalla mancanza di punti dati di analisi durante le polimerizzazioni rapide, fornendo così dati cinetici più accurati. Per saperne di più sulle reazioni di polimerizzazione.

La strumentazione e l'interfaccia con il campione per queste due tecniche sono simili nell'approccio, ma differiscono nei dettagli.

Gli spettrometri Raman utilizzano un laser come sorgente (tipicamente laser visibile o vicino all'infrarosso), mentre gli spettrometri IR utilizzano tipicamente un radiatore a corpo nero (come una barra luminosa) per fornire energia nella regione del medio infrarosso.

Inoltre, i sistemi optomeccanici sono diversi in quanto gli spettrometri Raman utilizzano un reticolo olografico con un rivelatore CCD altamente sensibile e gli spettrometri FTIR utilizzano un interferometro per fornire radiazioni modulate che vengono rilevate da rivelatori piroelettrici (DTGS) o, più sensibili, fotonici (MCT).

Entrambe le tecniche utilizzano sonde in fibra ottica per il monitoraggio delle reazioni in situ. Nel caso di Raman, la fibra ottica è composta da silice e può variare in lunghezza da pochi metri (2 m) a diversi (>50 m) metri o chilometri. Le sonde in fibra IR sono costruite con un materiale che trasmette radiazioni nel medio infrarosso come vetri calcogenuri o alogenuri d'argento (AgX) ed è limitato in lunghezza (<4 m) a causa della naturale attenuazione dell'energia IR da parte del materiale in fibra ottica. L'interfaccia tra il campione e la sonda nella spettroscopia FTIR è un sensore ATR riflettente interno in cristallo di diamante o silicio, mentre l'interfaccia con il campione per le misure Raman in situ utilizza una lente di zaffiro per focalizzare il laser in un punto vicino all'interfaccia lente di zaffiro/campione.

ReactRaman™ e ReactIR™ fanno parte di una famiglia integrata di prodotti che vengono combinati attraverso la piattaforma iC Software™ per fornire una comprensione congiunta della cinetica di reazione, del meccanismo e delle informazioni sul percorso per una migliore caratterizzazione delle reazioni.

ReactRaman è un sistema Raman basato su sonda o cella di flusso eccezionalmente compatto, compatto e intercambiabile, ottimizzato per il monitoraggio in situ delle reazioni chimiche e dei processi dicristallizzazione. Il sistema utilizza un laser a stato solido da 785 nm per ridurre la fluorescenza del campione mantenendo un'eccellente sezione d'urto per massimizzare il segnale di scattering Raman . L'energia laser viene trasmessa e raccolta dal campione tramite cavi in fibra ottica e una sonda a inserzione indurita chimicamente dotata di una lente in zaffiro per interfacciarsi con il campione. L'energia diffusa viene passata su un reticolo olografico ad alte prestazioni e, infine, un rivelatore CCD cattura questa energia per produrre lo spettro Raman.

ReactIRè uno spettrometro FTIR compatto dedicato al monitoraggio delle reazioni chimiche con una sonda a inserzione intercambiabile o una cella di flusso che si interfaccia rispettivamente a sintesi batch o a flusso continuo. Gli spettrometri FTIR, in generale, sono costituiti da diversi componenti chiave: una sorgente luminosa (tipicamente una barra luminosa a infrarossi), un interferometro con specchi fissi e mobili e un rivelatore termico o fotonico. L'energia infrarossa a banda larga proveniente dalla sorgente viene diretta su un divisore di fascio che trasmette l'energia lungo due percorsi diversi. Un percorso ha uno specchio fisso all'estremità, l'altro uno specchio mobile. L'energia infrarossa proveniente da questi due percorsi ritorna e si ricombina al divisore di fascio causando un modello di interferenza costruttivo e distruttivo, l'interferogramma. Questo raggio infrarosso modulato viene passato al campione dove viene assorbito in funzione della struttura molecolare del campione e quindi genera lo spettro IR per l'analisi.