Raman- und IR-Spektroskopie im Vergleich

Raman- und Fourier-Transformations-Infrarot- oder FTIR-Spektroskopie liefern molekulare Informationen über die Struktur und Zusammensetzung chemischer und biologischer Proben. Aufgrund der grundlegenden Prinzipien, die für jede der Technologien gelten, können beide sich ergänzende Informationen liefern. Allerdings ist je nach Anwendung häufig eine Technologie die bessere Wahl.

a. Die Raman-Spektroskopie liefert Informationen über intra- und intermolekulare Schwingungen. Erstere liefert ein Spektrum, das für die spezifischen Schwingungen von Atomen in einem Molekül charakteristisch ist, und ist unter anderem für die Identifizierung einer Substanz, der Form und der Konfiguration der molekularen Struktur nützlich. Letztere liefert Informationen über niedrigere Frequenzmodi, die die Kristallgitterstruktur und die polymorphe Form widerspiegeln.

b. Der grösste Nutzen der Infrarotspektroskopie liegt in ihrer Fähigkeit, den „Fingerprint-Bereich“ des Spektrums zu untersuchen, in dem intramolekulare Schwingungen klar definiert und für die Bindung von Atomen sehr charakteristisch sind.

Ein praktisches Beispiel für die Differenzierung dieser beiden Technologien ist die Untersuchung eines Kristallisationsprozesses, bei dem Raman die feste(n) Kristallform(en) analysiert und IR gleichzeitig die Eigenschaften der Lösungsphase wie die Übersättigung misst.

Raman.Der Raman-Effekt ist schwach (oft als 1:10-Millionen-Ereignis bezeichnet) und resultiert aus einem Energieereignis, bei dem Photonen von monochromatischem Licht (Laser) mit einem Molekül interagieren, was zur Freisetzung von inelastischen Photonen führt.

Wenn Photonen mit einem Molekül interagieren, kann ein Elektron auf ein höheres Energieniveau angeregt werden (also ein angeregter virtueller Zustand), aber keinen vollständigen Elektronenübergang durchlaufen. Das Elektron kann dann auf ein Schwingungsenergieniveau relaxieren, das sich von dem der einfallenden Energie unterscheidet. Die Differenz zwischen der Energie des einfallenden Photons und der Energie des gestreuten Photons wird Raman-Shift genannt. Die Wechselwirkung des Moleküls mit Licht kann zu einer Verschiebung der Elektronenwolke des Moleküls führen, was zu einer Änderung der Polarisierbarkeit führt. Ein Molekül weist spezifische Energieübergänge auf, die mit den intramolekularen Bindungen, bei denen es zu einer Änderung der Polarisierbarkeit kommt, zusammenhängen. Durch diese Änderungen entstehene Raman-aktive Modi. Die Frequenz des Raman-Shifts hängt von der Art der angeregten Bindung ab, und die Intensität dieses Raman-Peaks ist proportional zur Anzahl dieser Bindungen.

IR. Die Infrarotspektroskopie (IR) ist eine stärkere Technik, die auf der Absorption von Licht durch Moleküle beruht. Die Frequenzen entsprechen dabei den Grundschwingungen dieser Moleküle. Moleküle mit funktionellen Gruppen, die starke Dipole haben, zeigen starke Peaks im IR-Spektrum, wohingegen funktionelle Gruppen mit schwachen Dipolen und leicht veränderlicher Polarisierbarkeit starke Peaks im Raman-Spektrum aufweisen.

Die Bewegung von Atomen in einem Molekül hat eine natürliche Schwingungsfrequenz, die mit ihrer Bindungsstärke zusammenhängt. Wenn die Frequenz der Schwingung einer Bindung gleich der Frequenz der auf sie gerichteten IR-Strahlung ist, absorbiert die Bindung die Strahlung. Die spezifischen IR-Frequenzen, die die Bindungen eines Moleküls absorbieren, erzeugen ein IR-Spektrum des Moleküls.

Im Folgenden werden die Vorteile und Einschränkungen jeder der Technologien sowie die für jede Technologie geeigneten Reaktionen beschrieben. Anschliessend werden wir erläutern, wie die Instrumente für wichtige Anwendungsbereiche von Nutzen sein können, und aktuelle Fachartikel zur weiteren Lektüre vorstellen.

Raman- und IR-Spektroskopie ermöglichen das Echtzeit-Profiling der Reaktionsspezies und verfolgen den Reaktionsstart, den Fortschritt, kurzlebige Zwischenprodukte und den Endpunkt. Sie ermöglichen ausserdem eine schnelle Entwicklung von Kinetikdaten und unterstützen vorgeschlagene Reaktionsmechanismen.

Beide Spektrometriemethoden können die katalytische Bulk- und Oberflächenstruktur sowie adsorbierte Spezies auf katalytischen Oberflächen und Ligand-Metall-Bindungen untersuchen, Struktur-Aktivitäts-Beziehungen entwickeln und katalytische Prozesse optimieren, indem sie den Einfluss von Reaktionsvariablen auf die Produktausbeute, Qualität und Katalysatoraktivität messen. All dies kann mithilfe von In-situ-IR- und Raman-Spektroskopie unter den tatsächlichen Druck-/Temperaturbedingungen sowie durch die Analyse homogener katalytischer Reaktionen in Strömungen erfolgen.

Verwenden Sie für eine Vielzahl von Reaktionsklassen chemisch inerte Inline-Durchflussmesszellen (Raman) und ATR-Durchflussmesszellen (IR), um die Stabilität von Strömungsreaktionen kontinuierlich zu überwachen und sicherzustellen. IR- und Raman-Technologien unterstützen schnelle Prozessoptimierungsstudien in der Strömung, indem wichtige Reaktionsspezies in Abhängigkeit von unterschiedlichen Strömungsbedingungen verfolgt werden.

Die In-situ-IR misst gelöste Stoffe in der Lösungsphase für die Kristallisationsentwicklung, und die In-situ-Raman-Spektroskopie misst das Kristallwachstum und die Polymorphie als Funktion von Variablen wie Lösungsmitteln, Impfung, Kühlprofil, Temperatur und pH-Wert.

Die In-situ-IR- und Raman-Analyse kann zur Unterstützung verschiedener nachgelagerter Verarbeitungsschritte eingesetzt werden, darunter die primäre Erfassung, der Pufferaustausch, die Reinigung, die Biokonjugation und die Rezeptierung. Bei diesen und anderen Anwendungen eliminiert die Echtzeitanalyse die Engpässe und Verzögerungen, die mit der herkömmlichen Offline-Stichprobenanalyse verbunden sind.

Die Raman-Spektroskopie eignet sich für die Analyse der Polymergerüststruktur, Kettenlänge, Ringöffnung und Konformation. Nutzen Sie die IR-Spektroskopie zur Analyse von Seitenketten, terminalen Endgruppen langkettiger Moleküle und funktioneller Gruppen. Erfassen Sie Daten für die Reaktionskinetik, die Monomerumwandlungsraten, die Reaktivitätsverhältnisse, die Aktivierungsenergien und die Rolle von Initiatoren, Zwischenprodukten und der Bildung von Nebenprodukten in Echtzeit, ohne dass eine extraktive Probennahme und Offline-Analyse notwendig ist. Die In-situ-Analyse beseitigt die mangelhafte Reproduzierbarkeit der Offline-Probennahme, die durch eine erhöhte Reaktionsviskosität und verpasste Analysedatenpunkte während schneller Polymerisationen verursacht wird, und liefert somit genauere kinetische Daten. 

Die Instrumente und die Schnittstelle zur Probe für diese beiden Techniken ähneln sich im Ansatz, unterscheiden sich jedoch in den Details.

Raman-Spektrometer verwenden einen Laser als Quelle (in der Regel Laser im sichtbaren oder Nahinfrarotbereich), während IR-Spektrometer in der Regel einen schwarzen Strahler (z. B. einen Glühstab) verwenden, um Energie im mittleren Infrarotbereich zu liefern.

Darüber hinaus unterscheiden sich die optomechanischen Systeme darin, dass Raman-Spektrometer ein holografisches Gitter mit einem hochempfindlichen CCD-Detektor und FTIR-Spektrometer ein Interferometer verwenden, um modulierte Strahlung zu liefern, die von pyroelektrischen (DTGS) oder empfindlicheren photonischen (MCT) Detektoren erfasst wird.

Bei beiden Techniken werden Glasfasersonden zur In-situ-Reaktionsüberwachung eingesetzt. Im Fall von Raman besteht die Glasfaser aus Silika und kann eine Länge von wenigen Metern (2 m) bis zu vielen Metern (> 50 m) oder Kilometern aufweisen. IR-Tauchsonden bestehen aus einem Material, das im mittleren IR-Bereich durchlässig ist, z. B. Chalkogenidgläser oder Silberhalogenid (AgX). Die Länge ist begrenzt (<4 m), da die IR-Energie durch das Glasfasermaterial natürlich gedämpft wird. Die Schnittstelle zwischen Probe und Sonde bei der FTIR-Spektroskopie ist ein interner reflektierender ATR-Sensor aus Diamant oder Siliziumkristall, während die Schnittstelle zur Probe für In-situ-Raman-Messungen eine Saphirlinse verwendet, um den Laser auf einen Punkt in der Nähe der Saphirlinse/Probenschnittstelle zu fokussieren.

ReactIR und ReactRaman sind Teil einer integrierten Produktfamilie, die über die gesamte iC-Softwareplattform hinweg kombiniert werden, um ein besseres Verständnis der Reaktionskinetik, der Mechanismen und der Reaktionswege zu ermöglichen und so die Reaktionscharakterisierung zu verbessern.

ReactRaman ist ein aussergewöhnlich kompaktes, austauschbares Raman-System auf Sonden- oder Durchflussmesszellenbasis, das für die In-situ-Überwachung chemischer Reaktionen und Kristallisationsprozesse optimiert wurde. Das System verwendet einen 785-nm-Festkörperlaser, um die Fluoreszenz der Probe zu reduzieren und gleichzeitig einen hervorragenden Streuquerschnitt beizubehalten. So wird das Raman-Signal maximiert. Die Laserenergie wird über Glasfaserkabel und eine chemisch gehärtete Eintauchsonde, die mit einer Saphirlinse ausgestattet ist, zur Probe übertragen und von dieser gesammelt. Die gestreute Energie wird an ein holografisches Hochleistungsgitter weitergeleitet und schliesslich von einem CCD-Detektor erfasst, um das Raman-Spektrum zu erzeugen.

ReactIR ist ein kompaktes FTIR-System zur Überwachung chemischer Reaktionen mit entweder einer austauschbaren Eintauchsonde oder einer Durchflussmesszelle, die sich für Chargen- oder kontinuierliche Durchflusssynthesen eignen. FTIR-Spektrometer bestehen im Allgemeinen aus mehreren Schlüsselkomponenten: einer Lichtquelle (in der Regel ein Infrarot-Glühstab), einem Interferometer mit festen und beweglichen Spiegeln und einem thermischen oder photonischen Detektor. Die Breitband-Infrarot-Energie wird von der Quelle auf einen Strahlteiler geleitet, der die Energie auf zwei verschiedene Pfade aufteilt. Am Ende des einen Pfades befindet sich ein fester Spiegel, am Ende des anderen Pfades ein beweglicher Spiegel. Die Infrarotenergie dieser beiden Pfade wird am Strahlteiler wiedervereint, sodass ein konstruktives und destruktives Interferenzmuster entsteht, das Interferogramm. Dieser modulierte Infrarotstrahl wird zur Probe geleitet, wo er in Abhängigkeit der molekularen Struktur der Probe absorbiert wird und so das IR-Spektrum für die Analyse erzeugt.

ReactIR und ReactRaman vereinen die Vorteile der Echtzeit-Spektroskopie mit Benutzerfreundlichkeit. Das Ergebnis: ein umfassendes Reaktionsverständnis sowohl für Experten als auch für unerfahrene Benutzer.

1. Kompakt und tragbar. Die kleinen und stapelbaren Einheiten sparen wertvollen Platz im Abzug oder in der Glovebox, sodass Sie die In-situ-Spektroskopie ganz flexibel dort durchführen können, wo es gerade nötig ist.

2. Einfach anschliessen und los geht‘s. Eine Kombination aus herausragender Leistung und optimierter Integration von Sonden sorgt für Stabilität und Empfindlichkeit ganz ohne besondere Anforderungen wie Flüssigstickstoff.

3. One Click Analytics. Erhalten Sie schnell qualitativ hochwertige Informationen mit automatischem Reaktionsprofil und Trendverfolgungsfunktionen. Die fortschrittliche und zugleich intuitive Software identifiziert und verfolgt wichtige Reaktionsspezies, darunter kurzlebige Zwischenprodukte, die Einfluss auf die Produktreinheit nehmen.

4. Integrierte Syntheseplattform. Die iC-Software ist der Industriestandard und ermöglicht eine vollständige Automatisierung von Arbeitsabläufen und die Integration von Prozess- und Analysedaten zur Synthese, Kristallisation und für weitere Betriebsabläufe.

5. Untersuchung aller Arten von Reaktionen. Mit einer Auswahl an chargen- und durchflussbasierten Optionen können chemische Untersuchungen in vielen verschiedenen Umgebungen durchgeführt werden – sogar in aggressiven Reaktanten und Reagenzien.

Ya Wang, Jun Yu, Yanding Wang, Zhuwen Chen, Lei Dong, Rongming Cai, Mei Hong, Xia Long und Shihe Yang, „in-situ templating synthesis of mesoporous Ni–Fe electrocatalyst for oxygen evolution reaction“, RSC Adv., (2020), 10, 23321.

Die Autoren berichten, dass sie amorphe mesoporöse pyrogene Kieselsäure (MFS) als Gerüst für die Diffusion von Ni²⁺ - und Fe³⁺ - Ionen verwenden, um einen Elektrokatalysator für die Sauerstoffentwicklungsreaktion zu schaffen. In Verbindung mit Röntgen-Photoelektronenspektroskopie-Messungen zeigen Raman-Spektroskopie-Messungen, dass die Ni²⁺ -Ionen kovalent an die Oberflächen-Si-OH-Gruppen gebunden sind, während Fe-Si-O-Bindungen durch die Infusion von Fe³⁺ -Ionen in das MFS-Gerüst gebildet werden.

Bei MFS sind Raman-Banden bei 345–450, 575, 750, 973 und 1070 cm^-1 mit verschiedenen Si-O-Si-Schwingungen und der Si-OH-Streckung verbunden. Bei hohem Fe-Gehalt treten Raman-Banden bei 332, 495 und 1163 cm^-1 auf, die den Fe-O-Si-Spezies zugeordnet werden. Bei MFS mit hohem Ni-Gehalt wird die Si-OH-Streckbande bei 973 cm^-1 verringert und es sind keine weiteren neuen Banden vorhanden. Dies deutet darauf hin, dass das Ni an der Si-OH-Oberfläche gebunden ist und nicht Teil des MFS-Kieselsäure-Gerüsts ist. Die Fähigkeit der Raman-Spektroskopie, niederfrequente Schwingungen zu messen, war wichtig, um diese Einblicke in die Bindung zu erhalten. 

Kallakuri Suparna Rao, Fredéric St-Jean, Archana Kumar, „Quantitation of a Ketone Enolization and a Vinyl Sulfonate Stereoisomer Formation Using Inline IR Spectroscopy and Modeling“, Org. Process Res. Dev. 2019, 23, 945−951.

Die Autoren haben ReactIR verwendet, um die Bildung eines tetrasubstituierten azyklischen Olefins durch Keton-Enolisierung und Tosylierung in einer zweistufigen Eintopfreaktion zu untersuchen. Sie konnten die Umwandlung des Ketons in ein Enolat durch univariate Modellierung auf Grundlage der Ketoncarbonylbande bei 1685 cm^-1verfolgen. Das Modell wurde anschliessend verwendet, um die Verbrauchsgeschwindigkeit des Ausgangsmaterials zu verfolgen und dann die Vervollständigung in Abhängigkeit von den variierenden Reaktionsbedingungen zu definieren.

Um im zweiten Schritt das Verhältnis von E-zu-Z-tetrasubstituierten Vinyltosylat-Isomeren zu bestimmen, haben die Forscher multivariate PCA- und PLS-Modelle unter Verwendung von In-situ-IR-Daten des vollen Spektrums und Offline-HPLC-Daten erstellt. Mit diesen Modellen konnte die relative Menge der beiden Isomere in Folgereaktionen bestimmt werden und die Modelle wurden mit Daten von Reaktionen validiert, die unter verschiedenen Bedingungen erzielt wurden.

Wanya Li, Peng Shi, Lina Jia, Yanxiao Zhao, Binqiao Sun, Mingtao Zhang, Junbo Gong, Weiwei Tang, „Eutectics and Salt of Dapsone With Hydroxybenzoic Acids: Binary Phase Diagrams, Characterization and Evaluation“, J. Pharm. Sci., (2020), 109 (7), 2224–2236.

Die Autoren berichten über die Synthese des Antibiotikums Dapson mit Hydroxybenzoesäure-Konformeren zur Bildung neuer Mehrkomponenten-Feststoffe. Die Strukturbestimmung und Charakterisierung dieser Feststoffe erfolgte durch Röntgenbeugung, DSC-, IR- und Raman-Messungen. Dabei zeigte sich, dass ein neues Salz von DAP mit 2,6-Dihydroxybenzoesäure (26DHBA) und 4 Eutektika mit anderen Hydroxybenzoesäuren gebildet wurden. Die IR- und Raman-Messungen zeigten, dass im neuen Salz ionische Wechselwirkungen auftreten.

Das IR-Spektrum einer physikalischen 1:1-Mischung aus DAP und 26DHBA ist ein additives Spektrum, das sich aus den Spektren der beiden einzelnen Verbindungen zusammensetzt. Das IR-Spektrum des neuen Produkts DAP-26DHBA (1:1) weist deutliche Änderungen auf. Beispielsweise verschwindet die Carbonylfrequenz für 26DHBA bei 1677 cm^-1, und im Spektrum des Produkts erscheint eine neue Bande bei 1386cm^-1, was die Bildung eines ionischen Salzes anzeigt. Spektrale Änderungen in den Raman-Messungen des Produkts DAP-26DHBA (1:1) stimmen mit den IR-Resultaten überein. Darüber hinaus stimmen die Raman-Spektren der Eutetika DAP-SAL, DAP-3HBA, DAP-4HBA und DAP25DHBA [Salicylsäure (SAL), 3-Hydroxybenzoesäure (3HBA), 4- Hydroxybenzoesäure (4HBA), 2,5-Dihydroxybenzoesäure ( 25DHBA) und 2,6-Dihydroxybenzoesäure (26DHBA)] mit den Spektren der jeweiligen Einzelkomponenten überein, was darauf hinweist, dass bei den Eutetika keine neue kristalline Phase vorhanden ist.

IR-Spektroskopie

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Raman-Spektroskopie

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Raman- und IR-Spektroskopie

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