Monitoring of crystallization processes by using infrared spectroscopy and multivariate methods

Väitöstutkimuksessa on tarkasteltuinfrapunaspektroskopian ja monimuuttujaisten aineistonkäsittelymenetelmien soveltamista kiteytysprosessin monitoroinnissa ja kidemäisen tuotteen analysoinnissa. Parhaillaan kiteytysprosessitutkimuksessa maailmanlaajuisesti tutkitaan intensiivisesti erilaisten mittausmenetelmien soveltamista kiteytysprosessin ilmiöidenjatkuvaan mittaamiseen niin nestefaasista kuin syntyvistä kiteistäkin. Lisäksi tuotteen karakterisointi on välttämätöntä tuotteen laadun varmistamiseksi. Erityisesti lääkeaineiden valmistuksessa kiinnostusta tämäntyyppiseen tutkimukseen edistää Yhdysvaltain elintarvike- ja lääkeaineviraston (FDA) prosessianalyyttisiintekniikoihin (PAT) liittyvä ohjeistus, jossa määritellään laajasti vaatimukset lääkeaineiden valmistuksessa ja tuotteen karakterisoinnissa tarvittaville mittauksille turvallisten valmistusprosessien takaamiseksi. Jäähdytyskiteytyson erityisesti lääketeollisuudessa paljon käytetty erotusmenetelmä kiinteän raakatuotteen puhdistuksessa. Menetelmässä puhdistettava kiinteä raaka-aine liuotetaan sopivaan liuottimeen suhteellisen korkeassa lämpötilassa. Puhdistettavan aineen liukoisuus käytettävään liuottimeen laskee lämpötilan laskiessa, joten systeemiä jäähdytettäessä liuenneen aineen konsentraatio prosessissa ylittää liukoisuuskonsentraation. Tällaiseen ylikylläiseen systeemiin pyrkii muodostumaan uusia kiteitä tai olemassa olevat kiteet kasvavat. Ylikylläisyys on yksi tärkeimmistä kidetuotteen laatuun vaikuttavista tekijöistä. Jäähdytyskiteytyksessä syntyvän tuotteen ominaisuuksiin voidaan vaikuttaa mm. liuottimen valinnalla, jäähdytyprofiililla ja sekoituksella. Lisäksi kiteytysprosessin käynnistymisvaihe eli ensimmäisten kiteiden muodostumishetki vaikuttaa tuotteen ominaisuuksiin. Kidemäisen tuotteen laatu määritellään kiteiden keskimääräisen koon, koko- ja muotojakaumansekä puhtauden perusteella. Lääketeollisuudessa on usein vaatimuksena, että tuote edustaa tiettyä polymorfimuotoa, mikä tarkoittaa molekyylien kykyä järjestäytyä kidehilassa usealla eri tavalla. Edellä mainitut ominaisuudet vaikuttavat tuotteen jatkokäsiteltävyyteen, kuten mm. suodattuvuuteen, jauhautuvuuteen ja tabletoitavuuteen. Lisäksi polymorfiamuodolla on vaikutusta moniin tuotteen käytettävyysominaisuuksiin, kuten esim. lääkeaineen liukenemisnopeuteen elimistössä. Väitöstyössä on tutkittu sulfatiatsolin jäähdytyskiteytystä käyttäen useita eri liuotinseoksia ja jäähdytysprofiileja sekä tarkasteltu näiden tekijöiden vaikutustatuotteen laatuominaisuuksiin. Infrapunaspektroskopia on laajalti kemian alan tutkimuksissa sovellettava menetelmä. Siinä mitataan tutkittavan näytteenmolekyylien värähtelyjen aiheuttamia spektrimuutoksia IR alueella. Tutkimuksessa prosessinaikaiset mittaukset toteutettiin in-situ reaktoriin sijoitettavalla uppoanturilla käyttäen vaimennettuun kokonaisheijastukseen (ATR) perustuvaa Fourier muunnettua infrapuna (FTIR) spektroskopiaa. Jauhemaiset näytteet mitattiin off-line diffuusioheijastukseen (DRIFT) perustuvalla FTIR spektroskopialla. Monimuuttujamenetelmillä (kemometria) voidaan useita satoja, jopa tuhansia muuttujia käsittävä spektridata jalostaa kvalitatiiviseksi (laadulliseksi) tai kvantitatiiviseksi (määrälliseksi) prosessia kuvaavaksi informaatioksi. Väitöstyössä tarkasteltiin laajasti erilaisten monimuuttujamenetelmien soveltamista mahdollisimman monipuolisen prosessia kuvaavan informaation saamiseksi mitatusta spektriaineistosta. Väitöstyön tuloksena on ehdotettu kalibrointirutiini liuenneen aineen konsentraation ja edelleen ylikylläisyystason mittaamiseksi kiteytysprosessin aikana. Kalibrointirutiinin kehittämiseen kuuluivat aineiston hyvyyden tarkastelumenetelmät, aineiston esikäsittelymenetelmät, varsinainen kalibrointimallinnus sekä mallin validointi. Näin saadaan reaaliaikaista informaatiota kiteytysprosessin ajavasta voimasta, mikä edelleen parantaa kyseisen prosessin tuntemusta ja hallittavuutta. Ylikylläisyystason vaikutuksia syntyvän kidetuotteen laatuun seurattiin usein kiteytyskokein. Työssä on esitetty myös monimuuttujaiseen tilastolliseen prosessinseurantaan perustuva menetelmä, jolla voidaan ennustaa spontaania primääristä ytimenmuodostumishetkeä mitatusta spektriaineistosta sekä mahdollisesti päätellä ydintymisessä syntyvä polymorfimuoto. Ehdotettua menetelmää hyödyntäen voidaan paitsi ennakoida kideytimien muodostumista myös havaita mahdolliset häiriötilanteet kiteytysprosessin alkuhetkillä. Syntyvää polymorfimuotoa ennustamalla voidaan havaita ei-toivotun polymorfin ydintyminen,ja mahdollisesti muuttaa kiteytyksen ohjausta halutun polymorfimuodon saavuttamiseksi. Monimuuttujamenetelmiä sovellettiin myös kiteytyspanosten välisen vaihtelun määrittämiseen mitatusta spektriaineistosta. Tämäntyyppisestä analyysistä saatua informaatiota voidaan hyödyntää kiteytysprosessien suunnittelussa ja optimoinnissa. Väitöstyössä testattiin IR spektroskopian ja erilaisten monimuuttujamenetelmien soveltuvuutta kidetuotteen polymorfikoostumuksen nopeaan määritykseen. Jauhemaisten näytteiden luokittelu eri polymorfeja sisältäviin näytteisiin voitiin tehdä käyttäen tarkoitukseen soveltuvia monimuuttujaisia luokittelumenetelmiä. Tämä tarjoaa nopean menetelmän jauhemaisen näytteen polymorfikoostumuksen karkeaan arviointiin, eli siihen mitä yksittäistä polymorfia kyseinen näyte pääasiassa sisältää. Varsinainen kvantitatiivinen analyysi, eli sen selvittäminen paljonko esim. painoprosentteina näyte sisältää eri polymorfeja, vaatii kaikki polymorfit kattavan fysikaalisen kalibrointisarjan, mikä voi olla puhtaiden polymorfien huonon saatavuuden takia hankalaa.

Discrimination of native wood charcoal by infrared spectroscopy

Brazil is one of the largest producers and consumers of charcoal in the world. About 50% of its charcoal comes from native forests, with a large part coming from unsustainable operations. The anatomic identification of charcoal is subjective; an instrumental technique would facilitate the monitoring of forests. This study aimed to verify the feasibility of using medium and near infrared reflectance spectroscopy to discriminate native (ipê) from plantation charcoals (eucalyptus). Principal Components Analysis, followed by Discriminant Factorial Analysis formed two different groups indicated by Mahalanobis distances of 40.6 and 80.3 for near and mid infrared, respectively. Validation of the model showed 100% efficacy.

Application of fourier transform infrared spectroscopy, chemical and chemometrics analyses to the characterization of agro-industrial waste

Agroindustrial waste in general presents significant levels of nutrients and organic matter and has therefore been frequently put to agricultural use. In this context, the objective of this study was to determine the chemical composition, nitrogen, phosphorus, potassium, calcium, magnesium and carbon content, as well as the qualitative characteristics through Fourier transform infrared spectroscopy of four samples of poultry litter and one sample of cattle manure, from the southwestern region of Paraná, Brazil. Results revealed that, in general, the poultry litter presented higher amount of nutrients and carbon than the cattle manure. The infrared spectra allowed identification of the functional groups present and the differences in degree of sample humification. The statistical treatment confirmed the quantitative and qualitative differences revealed.

Infrared spectroscopy of Mg-doped SrRuO3 thin films /

The reflectance of thin films of magnesium doped SrRu03(Mg-SR0) produced by pulsed laser deposition on SrTiOa (100) substrates has been measured at room temperature between 100 and 7500 cm~^. The films were chosen to have wide range of thickness, stoichiometry and electrical properties. As the films were very thin (less than 300 nm), and some were insulating the reflectance data shows structures due to both the film and the substrate. Hence, the data was analyzed using Kramers-Kronig constrained variational fitting (VDF) method to extract the real optical conductivity of the Mg-SRO films. Although the VDF technique is flexible enough to fit all features of the reflectance spectra, it seems that VDF could not eliminate the substrate's contribution from fllm conductivity results. Also the comparison of the two different programs implementing VDF fltting shows that this technique has a uniqueness problem. The optical properties are discussed in light of the measured structural and transport properties of the fllms which vary with preparation conditions and can be correlated with differences in stoichiometry. This investigation was aimed at checking the VDF technique and also getting answer to the question whether Mg^"*" substitutes in to Ru or Sr site. Analysis of our data suggests that Mg^+ goes to Ru site.

Far infrared spectroscopy of heavy fermion superconductor CeCoIn5

The optical response to far infrared radiation has been measured on a mosaic of heavy fermion CeColnssingle crystals. The superconducting transition temperature of the crystals has been determined by van der Pauw resistivity and ac-susceptibility measurements as Tc = 2.3 K. The optical measurements were taken above and below the transition temperature using a 3He cryostat and step and integrate Martin-Puplett type polarizing interferometer. The absolute reflectance of the heavy fermion CeColns in the superconducting state in range (0, 100)cm-1 was calculated from the measured thermal reflectance, using the normal state data of Singley et al and a low frequency extrapolation for a metallic material in the Hagen-Rubens regime. By means of Kramers-Kronig analysis the absolute reflectance was used to calculate the optical conductivity of the sample. The real part of the calculated complex conductivity 0-(w) ofCeColns indicates a possible opening of an energy gap close to 50 em-I.

Far infrared spectroscopy of heavy fermion superconductor CeCoIn5 /

The optical response to far infrared radiation has been measured on a mosaic of heavy fermion CeCoIns single crystals. The superconducting transition temperature of the crystals has been determined by van der Pauw resistivity and ac-susceptibility measurements as Tc = 2.3 K. The optical measurements were taken above and below the transition temperature using a ^He cryostat and step and integrate Martin-Puplett type polarizing interferometer. The absolute reflectance of the heavy fermion CeCoIns in the superconducting state in range (0, 100)cm~^ was calculated from the measured thermal reflectance, using the normal state data of Singley et al and a low frequency extrapolation for a metallic material in the Hagen-Rubens regime. By means of Kramers-Kronig analysis the absolute reflectance was used to calculate the optical conductivity of the sample. The real part of the calculated complex conductivity a{u)) of CeCoIns indicates a possible opening of an energy gap close to 50 cm~^.

Infrared Spectroscopy of Gadolinium

Measurements of the optical reflectivity of the normal incident light along c-axis [0001] have been made on a Gadolinium single crystal, for temperatures between 50 K and room temperature just above the Curie temperature of Gd, which is 293 K. And covering the spectrum range between 100 -11000 cm-I . This work is the first study of Gd in the far infrared range. In fact it fills the gap below 0.2 eV which has never been measured before. Extreme attention was paid to the fact that Gadolinium is a very reactive metal with air. Thus, the sample was mechanically polished and carefully handled during the measurement. However, temperature dependent optical measurements have been made in the same frequency range for a sample of Gd2O3. For comparison, both samples of Gd and Gd2O3 were examined by X-Ray diffraction. XRD analysis showed that the sample was pure gadolinium and the oxide layer either does not exist, or is very thin. Furthermore, this fact was supported by the absence of any of Gd2O3 features in the Gd sample reflectivity. Kramers Kronig analysis was applied to extract the optical functions from the reflectance data. The optical conductivity shows a strong temperature dependence feature in the mid-infrared. This feature disappears completely at room temperature which supports a magnetic origin.

Far-infrared spectroscopy of nanoscopic InAs rings

We have employed time-dependent local-spin-density theory to analyze the far-infrared transmission spectrum of InAs self-assembled nanoscopic rings recently reported [A. Lorke et al., Phys. Rev. Lett. (to be published)]. The overall agreement between theory and experiment is fairly good, which on the one hand confirms that the experimental peaks indeed reflect the ringlike structure of the sample, and on the other hand, asseses the suitability of the theoretical method to describe such nanostructures. The addition energies of one- and two-electron rings are also reported and compared with the corresponding capacitance spectra

Developments in near infrared spectroscopy

Vibrational spectroscopy at high excitation is an important research frontier for two reasons. Firstly, the near infrared is proving to be an important area for the analytical applications of spectroscopy, and we would therefore like to understand how the spectra we observe relate to the molecular structure of the absorbing species. Secondly, there is a fundamental interest in understanding molecular dynamics and energy flow within a polyatomic molecule at high excitation, because this is the boundary between spectroscopy and chemistry through which we try to understand the details of a chemical reaction. In this presentation I shall survey recent progress in this field.

Remote gas detection and quantitative analysis from infrared emission spectra obtained by Fourier transform infrared spectroscopy

Techniques for obtaining quantitative values of the temperatures and concentrations of remote hot gaseous effluents from their measured passive emission spectra have been examined in laboratory experiments. The high sensitivity of the spectrometer in the vicinity of the 2397 cm-1 band head region of CO2 has allowed the gas temperature to be calculated from the relative intensity of the observed rotational lines. The spatial distribution of the CO2 in a methane flame has been reconstructed tomographically using a matrix inversion technique. The spectrometer has been calibrated against a black body source at different temperatures and a self absorption correction has been applied to the data avoiding the need to measure the transmission directly. Reconstruction artifacts have been reduced by applying a smoothing routine to the inversion matrix.

The gas-phase reactions Of SiCl4 and Si2Cl6 with CH3OH and C2H5OH: an investigation by mass spectrometry and matrix-isolation infrared spectroscopy

The gas phase reactions Of SiCl4 and Si2Cl6 With CH3OH and C2H5OH have been investigated using both mass spectrometry and matrix isolation techniques. SiCl4 reacts with both CH3OH and C2H5OH upon mixing of the vapours for times in excess of 3 h to generate the HCl-elimination products SiCl3OR (R = CH3 or C2H5). The identity of these products is confirmed by deuteration experiments and by ab initio calculations at the HF/6-31G(d) level. Further products are generated when the mixture is passed through a tube heated to 750degreesC. Si2Cl6 reacts with CH3OH and C2H5OH via a different mechanism in which the Si-Si bond is cleaved to yield SiCl3OR and HCl. Other products of the type SiCl4-n(OCH3)(n) are tentatively identified by a combination of mass spectrometric and matrix isolation measurements. These latter products indicate further replacement of Cl atoms by OR groups as a result of reaction of CH3OH or C2H5OH with the initial product.

Ultrafast charge separation in a photoreactive rhenium-appended porphyrin assembly monitored by picosecond transient infrared spectroscopy

Rhenium(bipyridine)(tricarbonyl)(picoline) units have been linked covalently to tetraphenylmetalloporphyrins of magnesium and zinc via an amide bond between the bipyridine and one phenyl substituent of the porphyrin. The resulting complexes, abbreviated as [Re(CO)(3)(Pic)Bpy-MgTPP][OTf] and [Re(CO)(3)(Pic)Bpy-ZnTPP][OTf], exhibit no signs of electronic interaction between the Re(CO)(3)(bpy) units and the metalloporphyrin units in their ground states. However, emission spectroscopy reveals solvent-dependent quenching of porphyrin emission on irradiation into the long-wavelength absorption bands localized on the porphyrin. The characteristics of the excited states have been probed by picosecond time-resolved absorption (TRVIS) spectroscopy and time-resolved infrared (TRIR) spectroscopy in nitrile solvents. The presence of the charge-separated state involving electron transfer from MgTPP or ZnTPP to Re(bpy) is signaled in the TRIR spectra by a low-frequency shift in the nu(CO) bands of the Re(CO)(3) moiety similar to that observed by spectroelectrochemical reduction. Long-wavelength excitation of [Re(CO)(3)(Pic)Bpy-MTPP][OTf] results in characteristic TRVIS spectra of the S-1 state of the porphyrin that decay with a time constant of 17 ps (M = Mg) or 24 ps (M = Zn). The IR bands of the CS state appear on a time scale of less than 1 ps (Mg) or ca. 5 ps (Zn) and decay giving way to a vibrationally excited (i.e., hot) ground state via back electron transfer. The IR bands of the precursors recover with a time constant of 35 ps (Mg) or 55 ps (Zn). The short lifetimes of the charge-transfer states carry implications for the mechanism of reaction in the presence of triethylamine.