IR vs Raman-spektroskopi

Raman- och FTIR-spektroskopi (Fourier-transform infrared) ger molekylär information om strukturen och sammansättningen av kemiska och biologiska prover. På grund av de grundläggande principer som styr varje teknik kan båda ge kompletterande information. Ofta är dock en teknik ett bättre val, beroende på applikationens karaktär.

a. Raman-spektroskopi ger information om intra- och intermolekylära vibrationer. Den förstnämnda ger ett spektrum som är karakteristiskt för de specifika vibrationerna hos atomer i en molekyl och är värdefullt för att identifiera ett ämne, form och molekylär ryggradskonfiguration för att nämna några. Det senare ger information om lägre frekvenslägen, som återspeglar kristallgitterstruktur och polymorf form.

b. Infraröd spektroskopi ger ett "fingeravtrycksområde" av spektrumet där intramolekylära vibrationer är väldefinierade och mycket karakteristiska för bindningen av atomer.

Ett praktiskt exempel på differentiering mellan dessa två tekniker är i undersökningen av en kristallisationsprocess, där Raman analyserar fasta kristallformer och IR samtidigt mäter lösningsfasens egenskaper såsom övermättnad.

Raman.  Raman-effekten är svag (ofta kallad en på tio miljoner händelser), som är resultatet av en energihändelse när fotoner av monokromatiskt ljus (laser) interagerar med en molekyl som leder till en frisättning av oelastiska fotoner.

När fotoner interagerar med en molekyl kan en elektron exciteras till en högre energinivå (dvs. ett exciterat virtuellt tillstånd) men inte helt genomgå en elektronisk övergång. Elektronen kan då slappna av till en vibrationsenerginivå som skiljer sig från den infallande energin. Skillnaden mellan energin hos den infallande fotonen och energin hos den spridda fotonen kallas Ramanskiftet. Molekylens interaktion med ljus kan inducera en förskjutning av molekylens elektronmoln som resulterar i en förändring i polariserbarheten. En molekyl har specifika energiövergångar relaterade till dess intramolekylära bindningar där en förändring av polariserbarheten sker, och dessa förändringar ger upphov till Raman-aktiva lägen. Frekvensen av Raman-skiftet är relaterat till vilken typ av bindning som exciteras och intensiteten hos denna Raman-topp är proportionell mot antalet av dessa bindningar.

IR. Infraröd (IR) spektroskopi är en starkare teknik som bygger på absorption av ljus av molekyler vid frekvenser som motsvarar de grundläggande vibrationerna hos dessa molekyler. Molekyler med funktionella grupper som har starka dipoler uppvisar starka toppar i IR, medan funktionella grupper som har svaga dipoler och lätt genomgår en förändring i polariserbarhet uppvisar starka toppar i Raman.

Rörelsen av atomer i en molekyl har en naturlig frekvens av vibrationer relaterad till deras bindningsstyrka. När frekvensen av en bindnings vibration är lika med frekvensen av IR-strålning riktad mot den, absorberar bindningen strålningen. De specifika IR-frekvenser som en molekyls bindningar absorberar ger upphov till ett IR-spektrum av molekylen.

Nedan kommer vi att beskriva fördelarna och begränsningarna med varje teknik tillsammans med reaktioner som är lämpliga för varje. Sedan kommer vi att utforska hur instrumenteringen kan ge värde för viktiga applikationsområden och nyligen publicerade tidskriftsartiklar för vidare läsning.

Raman- och IR-spektroskopi ger realtidsprofilering av reaktionsarter och spårar reaktionsinitiering, framsteg, transienta mellanliggare och slutpunkt. De möjliggör också snabb utveckling av kinetiska data och stöder föreslagna reaktionsmekanismer. Läs mer om syntesreaktioner.

Båda spektrometrimetoderna kan undersöka katalytisk bulk och ytstruktur, studera adsorberade ämnen på katalytiska ytor, undersöka ligand-metallbindningar, utveckla struktur-aktivitetsrelationer och optimera katalytiska processer genom att mäta effekten av reaktionsvariabler på produktutbyte, kvalitet och katalysatoraktivitet. Allt detta kan göras via in-situ IR- och Raman-spektroskopi under faktiskt tryck/temperatur, samt analys av homogena katalytiska reaktioner i flöde. Läs mer om katalytiska reaktioner.

För ett brett spektrum av reaktionsklasser, använd inline kemiskt inerta flödesceller (Raman) och ATR-flödesceller (IR) för att kontinuerligt övervaka och säkerställa stabiliteten hos flödesreaktioner. IR- och Raman-teknologier stöder snabba processoptimeringsstudier i flöde genom att spåra viktiga reaktionsarter som en funktion av varierande flödesförhållanden. Läs mer om kontinuerlig flödeskemi.

In-situ IR mäter lösta ämnen i lösningsfasen för kristallisationsutveckling, och in-situ Raman-spektroskopi mäter kristalltillväxt och polymorfism som en funktion av variabler som lösningsmedel, sådd, kylprofil, temperatur och pH. Läs mer om kristallisation.

In-situ IR- och Raman-analys kan användas för att stödja olika bearbetningssteg nedströms, inklusive primär infångning, buffertutbyte, rening, biokonjugering och formulering. I dessa och andra applikationer eliminerar realtidsanalys de traditionella flaskhalsar och förseningar som är förknippade med traditionell offline-analys med stickprov. Läs mer om nedströmsbearbetning.

Raman-spektroskopi är kraftfull för att analysera polymerens ryggradsstruktur, kedjelängd, ringöppning och konformation. Använda IR-spektroskopi för att analysera sidokedjor, terminala ändgrupper av långkedjiga molekyler och funktionella grupper. Samla in data för reaktionskinetik, monomeromvandlingshastigheter, reaktivitetsförhållanden, aktiveringsenergier, rollen för initiatorer, intermediärer och biproduktbildning allt i realtid utan behov av extraktiv provtagning och offlineanalyser. In-situ-analys eliminerar irreproducerbarheten av offline-provtagning orsakad av ökad reaktionsviskositet och missade analysdatapunkter under snabba polymerisationer, vilket ger mer exakta kinetiska data. Läs mer om polymerisationsreaktioner.

Instrumentationen och gränssnittet till exemplet för dessa två tekniker är liknande i tillvägagångssätt, men skiljer sig åt i detaljerna.

Raman-spektrometrar använder en laser som källa (vanligtvis synlig eller nära IR-laser), medan IR-spektrometrar vanligtvis använder en svartkroppsradiator (t.ex. en glödstång) för att ge energi i det mellaninfraröda området.

Dessutom är de optomekaniska systemen annorlunda genom att Raman-spektrometrar använder ett holografiskt gitter med en mycket känslig CCD-detektor, och FTIR-spektrometrar använder en interferometer för att ge modulerad strålning som detekteras av pyroelektriska (DTGS) eller, mer känsliga, fotoniska (MCT) detektorer.

Båda teknikerna använder fiberoptiska sonder för in-situ reaktionsövervakning. När det gäller Raman består fiberoptiken av kiseldioxid och kan variera i längd från några meter (2 m) till flera (>50 m) meter eller kilometer. IR-fibersonder är konstruerade av ett material som överför mid-IR-strålning, såsom kalkogenidglas eller silverhalogenid (AgX) och är begränsade i längd (<4 m) på grund av den naturliga dämpningen av IR-energin av det fiberoptiska materialet. Gränssnittet mellan provet och sonden i FTIR-spektroskopi är en intern reflekterande ATR-sensor gjord av diamant- eller kiselkristall, medan gränssnittet till provet för in-situ Raman-mätningar använder en safirlins för att fokusera lasern på en punkt nära safirlinsen/provgränssnittet.

ReactRaman™ och ReactIR™ är en del av en integrerad familj av produkter som kombineras över iC Software-plattformen™ för att ge en gemensam förståelse för reaktionskinetik, mekanism och väginformation för förbättrad reaktionskarakterisering.

ReactRaman är ett exceptionellt kompakt, kompakt, utbytbart prob- eller flödescellsbaserat Raman-system som är optimerat för in-situ övervakning av kemiska reaktioner och kristallisationsprocesser. Systemet använder en 785 nm solid-state-laser för att minska provfluorescensen samtidigt som ett utmärkt tvärsnitt bibehålls för att maximera Raman-spridningssignalen . Laserenergin överförs till och samlas in från provet med fiberoptiska kablar och en kemiskt härdad införingssond utrustad med en safirlins för att samverka med provet. Den spridda energin skickas till ett högpresterande holografiskt gitter, och slutligen fångar en CCD-detektor upp denna energi för att ge Raman-spektrumet.

ReactIR (på engelska)är en kompakt FTIR-spektrometer dedikerad till övervakning av kemiska reaktioner med antingen en utbytbar insättningssond eller flödescell som ansluter till batch- respektive kontinuerliga flödessynteser. FTIR-spektrometrar består i allmänhet av flera nyckelkomponenter – en ljuskälla (vanligtvis en infraröd glödskena), en interferometer med både fasta och rörliga speglar och en termisk eller fotonisk detektor. Bredbandig infraröd energi från källan riktas mot en stråldelare som skickar energin längs två olika vägar. Den ena banan har en fast spegel i slutet, den andra en rörlig spegel. Den infraröda energin från dessa två banor återvänder och rekombineras vid stråldelaren och orsakar ett konstruktivt och destruktivt interferensmönster, interferogrammet. Denna modulerade infraröda stråle skickas till provet där den absorberas som en funktion av provets molekylära struktur och genererar därför IR-spektrumet för analys.