IR-Spektroskopie und FTIR-Spektroskopie: Funktionsweise eines FTIR-Spektrometers und FTIR-Analyse

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Die Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie (FTIR) ist heute aufgrund ihrer einzigartigen Kombination aus Empfindlichkeit, Flexibilität, Spezifität und Robustheit eine äußerst beliebte Technik. Da es mit festen, flüssigen und gasförmigen Analyten zurechtkommt, ist es zu einer der am weitesten verbreiteten analytischen Instrumententechniken in der Wissenschaft geworden. Obwohl FTIR eine Reihe bekannter Einschränkungen aufweist, wie z. B. seine relative Unverträglichkeit gegenüber Wasser und seine Empfindlichkeit gegenüber den physikalischen Eigenschaften der Analysematrix, ist es dennoch äußerst beliebt und wird häufig in so unterschiedlichen Branchen wie der Lebensmittel- und Getränkeindustrie eingesetzt1 Chemie, Ingenieurwesen, Umwelt2, Pharmazeutik3 und Biomasse4 sowie in klinischen Umgebungen.5 Geeignete Instrumentierungsformen umfassen jetzt sowohl Tisch-, Hand- als auch Online-Echtzeitgeräte.

Was ist IR-Spektroskopie?

Was ist FTIR-Spektroskopie und was ist der Unterschied zwischen FTIR- und IR-Spektroskopie?

Wie funktioniert FTIR?

FTIR-Analyse und Erfassung von FTIR-Daten

So interpretieren Sie ein IR-Spektrum und ein FTIR-SpektrumIR-Spektrumdiagramm

Vorteile, Nachteile und Einsatzmöglichkeiten der Spektroskopie im mittleren und nahen IR/FTIR

FTIR-Anwendungen – Gegenwart und Zukunft

Das menschliche Auge kann nur einen kleinen Teil des viel breiteren Spektrums elektromagnetischer Strahlung sehen (Abbildung 1). Auf der energiereichen Seite des sichtbaren Spektrums liegt der ultraviolette (UV) Bereich, während auf der energieärmeren Seite der Infrarotbereich (IR) liegt. IR-Bereiche, die für die Analyse organischer Verbindungen am nützlichsten sind, haben in der Regel eine Wellenlänge von 2.500 bis 16.000 nm. Fernes, mittleres und nahes IR (NIR) werden unter dem Oberbegriff „molekulare Spektroskopie“ zusammengefasst.

IR-Spektroskopie ist die Untersuchung der Wechselwirkung von IR-Licht mit Materie, wobei IR-Licht durch den Wellenzahlbereich von 12.800 bis 10 cm-1 gekennzeichnet ist. Traditionell wird IR üblicherweise als „Wellenzahl“ beschrieben, wobei jede Wellenzahl umgekehrt proportional zu ihrer Wellenlänge ist. Somit hat eine kürzere Wellenlänge eine größere Wellenzahl, was darauf hinweist, dass mehr Wellen in eine bestimmte Entfernung passen würden. Fern-IR wird typischerweise als Strahlung zwischen 500 und 20 cm-1 definiert, mittleres IR zwischen 4.000 und 500 cm-1 und NIR als typischerweise zwischen ~ 10.000 und 4.000 cm-1.

IR-Licht wird von Molekülen bei bestimmten Frequenzen absorbiert, basierend auf den molekularen Bindungen zwischen Atomen und den am Ende der Bindungen vorhandenen Atomtypen. Photonenenergien im IR-Bereich induzieren eine Schwingungsanregung kovalent gebundener Atome. Diese kovalenten Bindungen werden oft als steife Federn betrachtet, die sich dehnen, biegen, drehen und scheren können (Abbildung 2). Die energiereichere Strahlung im mittleren Infrarotbereich regt Grundschwingungen an, wenn Energie von Molekülen absorbiert wird, und hebt sie vom Grundzustand in den ersten Schwingungszustand. Im Gegensatz dazu besteht die NIR-Spektroskopie aus Kombinationsbändern von „Obertönen“, die aus diesen Grundschwingungen erzeugt werden. Der Leser wird außerdem auf nützliches zusätzliches Einführungsmaterial verwiesen, das von der Royal Society of Chemistry erhältlich ist.

Abbildung 2: Animation, die die dreidimensionalen Bewegungen zeigt, die bei Anregung durch IR-Licht bei molekularen Atombindungen auftreten können. Diese Bewegungen verursachen die von uns beobachteten IR-Spektralabsorptionsbanden. Bildnachweis: Von YouTube https://www.youtube.com/watch?v=0S_bt3JI150

Der Unterschied zwischen IR und FTIR besteht darin, dass letzteres aus einem Interferogramm als Rohsignal erstellt wird. Dies stellt die Lichtintensität als Funktion der Position eines Spiegels im Interferometer dar, nicht als Funktion der Wellenlänge (wie es bei dispersiven Instrumenten der Fall ist). Das ist die „FT“. Das Signal muss zunächst einer Fourier-Transformation (FT) unterzogen werden, um die Intensität als Funktion der Wellenzahl zu erzeugen.

Wenn wir von FTIR sprechen, denken wir üblicherweise an einen Betrieb im mittleren IR-Bereich. Allerdings sind FT-Instrumente sowohl für UV- als auch für NIR-Spektralformen verfügbar. FTIR und FT-NIR sind potenziell komplementäre Techniken, aber normalerweise muss der Analyst entscheiden, welche er für eine bestimmte Anwendung verwenden möchte, daher lohnt es sich, ihre relativen Stärken und Schwächen zu berücksichtigen.

Die Aufnahme von FTIR-Spektren ist viel schneller als mit herkömmlichen dispersiven Instrumenten. Die FT-Methode erzeugt Spektren, die ein viel besseres Signal-Rausch-Verhältnis aufweisen und, da die Wellenlängenskala mit einem sehr präzisen Referenzlaser kalibriert wird, eine höhere Wellenlängengenauigkeit als IR bietet.

Infrarotspektrophotometer wurden Mitte der 1940er Jahre entwickelt. Anfangs beschränkten sich ihre Anwendungen hauptsächlich auf Forschungsarbeiten zu organischen Verbindungen und vor allem auf den petrochemischen Bereich. Diese ersten Instrumente waren dispersive Scanning-Spektrophotometer (Abbildung 3) und langsam. Dispersive Instrumente gibt es immer noch und sie haben in neuartigen Anwendungen ein neues Leben gefunden, da sie leichter miniaturisiert und viel kostengünstiger hergestellt werden können, um kleine, handliche Gehäuse mit einfachen Betriebssystemen herzustellen, die auf Mobiltelefonen laufen.

Heutzutage sind die meisten für Forschung und Entwicklung geeigneten Mittel-IR-Instrumente vom FT-Typ. Ihre Entwicklung lässt sich bis in die 1890er Jahre und die Arbeit von Albert Michelson zurückverfolgen, der während seiner Erforschung der Lichtgeschwindigkeit das „Interferometer“ erfand, für das er den Nobelpreis erhielt. Ein FTIR-Instrument verwendet ein Interferometer (Abbildung 4), das aus einer Quelle, einem Strahlteiler, zwei Spiegeln, einem Laser und einem Detektor besteht. Die Energie gelangt von der Quelle zum Strahlteiler, der den Strahl in zwei Teile aufteilt. Ein Teil wird auf einen beweglichen Spiegel übertragen, der andere wird auf einen festen Spiegel reflektiert. Der bewegliche Spiegel bewegt sich mit konstanter Geschwindigkeit hin und her, gesteuert durch die Reaktion des Kalibrierlasers. Die beiden Strahlen werden von den Spiegeln reflektiert und am Strahlteiler wieder vereint, wodurch ein Interferenzmuster entsteht, das durch den Probenraum (und, falls vorhanden, die Probe, in der die Absorption auftritt) zum Detektor übertragen wird. Dieses Signal wird dann der FT-Funktion unterzogen, um ein Spektrum zu erzeugen.

Die vom FT-Instrument erzeugte resultierende Interferenzwellenform, „Interferogramm“ genannt (später besprochen), kodiert alle Informationen über alle gemessenen Wellenlängen hinweg. Um jedoch ein interpretierbares Spektrum zu erzeugen, muss das Signal zunächst einer rechenintensiven mathematischen Fourier-Transformationsfunktion unterzogen werden. Im Jahr 1966 lieferte die Entwicklung des Coey-Tukey-Algorithmus6, 7 eine Abkürzung für die Berechnung, die „schnelle Fourier-Transformation“ oder FFT. Zusammen mit der Einführung der ersten kommerziellen Computersysteme ermöglichte dies die Einführung des ersten kommerziellen FTIR, des FTS-14, im Jahr 19698 (Abbildung 5).

Die Analyse mittels FTIR läuft wie folgt ab.

Mittlerweile gibt es eine ganze Reihe von FTIR-Geräten und vielseitig austauschbarem Zubehör, die es ermöglichen, gasförmige, flüssige und feste Proben unterschiedlicher Größe und Form mit demselben Grundgerät zu analysieren. Es ist zu beachten, dass normales Glas nicht für den mittleren Infrarotbereich durchlässig ist. Daher müssen alle Instrumentenoptiken und Probenahmezubehörteile aus anderen geeigneten optischen IR-Materialien hergestellt werden. Frühe Techniken, die für feste Proben entwickelt wurden, erforderten das Mahlen und Mischen des Analyten mit IR-durchlässigen Substraten, häufig Kaliumbromid (KBr), unter hohem Druck zu einer kleinen, festen, klaren Scheibe. Diese wurden dann für Transmissionsmessungen in einer Halterung montiert. Flüssige (nicht wasserhaltige) Proben wurden oft als dünne Filme zwischen zwei solchen IR-durchlässigen Scheiben mit einem kleinen Abstandshalter gebildet. Zeit und Reproduzierbarkeit waren bei dieser Methode beide Probleme.

In den letzten 30 Jahren wurden zunehmend Alternativen eingesetzt, insbesondere die mittlerweile allgegenwärtigen Techniken der „ATR“ (abgeschwächte Totalreflexion). Dieses Gerät kann kleine Mengen flüssiger oder fester Proben aufnehmen, die auf ein Kristallfenster gegeben werden, ohne dass eine echte Probenvorbereitung erforderlich ist, sodass in wenigen Sekunden ein Spektrum erstellt werden kann. Bei der Analyse werden Feststoffe durch eine obere Befestigungsklammer fest auf das Kristallfenster gedrückt (Abbildung 6). Die meisten veröffentlichten Anwendungen für feste Proben verwenden mittlerweile diese Geräteform. Für bestimmte Anwendungen sind auch andere Arten von Geräten erhältlich, beispielsweise eine reflektierende Halbkugel für diffuse Reflexion oder gasprobenversiegelte Zellen. Es gibt sogar Platten im Mikrotiterformat mit 96 Positionen aus Gold und anderen IR-kompatiblen Materialien, die ein Hochdurchsatz-Screening mit speziell angepassten FTIR-Zubehöreinheiten ermöglichen.9

Ein typischer Betriebsmodus (Abbildung 7) erfordert zunächst die Erfassung eines „leeren“ Hintergrundspektrums. Darin sind Absorptionswerte des gesamten Lichtstrahlengangs (Optik und Atmosphäre) enthalten. Die Probe wird dann analysiert und das Leerspektrum davon subtrahiert, um die spektralen Reaktionen zu erhalten, die nur für die Probe allein gelten. Sowohl die Wellenzahlauflösung (typischerweise 4 bis 16 cm-1) als auch die gleichzeitigen Scans (typischerweise 8 bis 64) erfordern eine anwendungsspezifische Optimierung, um ein akzeptables Signal-Rausch-Verhältnis zu erreichen. Einzelne Scans sind schnell und dauern bei modernen Instrumenten typischerweise weniger als 1 Sekunde. Mit der gleichzeitigen Addition von Scans und der Hintergrundspektralsubtraktion können Analyseworkflows für eine einzelne Probe auf einem ATR-Gerät in weniger als 2 Minuten durchgeführt werden. Dies macht FTIR-ATR insbesondere ideal für die Messung von Hunderten oder Tausenden von Proben in Herstellungs- oder Screening-Anwendungen, einschließlich metabolomischem Fingerabdruck.10

FTIR-Spektren sind reich an Informationen, aber gerade diese Tatsache kann ihre Verwendung und Interpretation zu einer Herausforderung machen. Eine nützliche Einführung zur Interpretation von FTIR finden Sie hier. Selbst eine einfache, reine Probe mit einer einzigen Verbindung wie Vanillin (Abbildung 8) weist ein Spektrum mit mehreren Peaks auf. In solchen Fällen können Bibliotheksvergleichsansätze zu einem authentifizierten Standard diesen in einer Mischung aus einzelnen Komponenten identifizieren, in komplexen Mischungen anderer Verbindungen wäre dies jedoch unmöglich. Das Problem besteht darin, dass die meisten organischen Stoffe Kombinationen von Kohlenstoff- (C), Wasserstoff- (H), Stickstoff- (N) oder Sauerstoffatomen (O) an Einfach- oder Doppelbindungen enthalten und daher von Verbindung zu Verbindung dieselben mehrfachen Absorptionspeaks überlappen. Allein der Versuch, viele Spektren zu „beäugen“, um zu beurteilen, ob oder wie sich die Proben, aus denen sie stammen, in irgendeiner Weise unterscheiden, wird selbst für einen erfahrenen Analysten schnell zu einer überwältigenden Herausforderung. Um dieses Problem anzugehen, werden FTIR-Daten häufig in Kombination mit statistischen Modellierungsansätzen wie der multivariaten Analyse (MVA) verwendet, die im chemischen Kontext üblicherweise als „Chemometrie“ bezeichnet wird.

FTIR-Spektraldaten eignen sich sehr gut für MVA-Techniken, bei denen im Kern einfach mehrere Spektren von jeder Probe gesammelt und in einer einzigen Datenmatrix zusammengefasst werden müssen. Hier ist jede Tabellenzeile das vollständige Spektrum einer einzelnen Probe und jede Spalte die ausgerichtete Absorption für bestimmte aufeinanderfolgende Wellenzahlen über alle Proben hinweg. In dieser Form können Techniken wie die Hauptkomponentenanalyse (PCA) angewendet werden, um mögliche klassenbasierte Beziehungen zwischen den Spektralreaktionen verschiedener Stichprobengruppen anhand ihrer Ergebnisdiagramme effizient zu untersuchen und zu visualisieren. Dies ergibt eine unmittelbare „Interpretierbarkeit“ von Probenunterschieden, die nur sehr schwer durch einfache Überlagerung von Spektren verschiedener Probenklassen beurteilt werden kann. Ein Beispiel für ein PCA-Score-Diagramm ist in Abbildung 9 für die Differenzierung von rohen und verarbeiteten Bioölproben dargestellt.

Wenn die Quantifizierung das Ziel ist (z. B. Konzentrationswerte), können MVA-Ansätze wie die partielle Regression der kleinsten Quadrate verwendet werden, um auf quantitativen Werten basierende Kalibrierungsvorhersagen für Eigenschaften wie chemische Konzentrationen zu erstellen, wobei zuvor Daten zur Zusammensetzung jeder Probe verwendet werden andere Testtechniken. Diese bekannten Werte werden dann in die algorithmische Berechnung eingespeist, um Spektralmerkmale zu identifizieren, die am besten mit dem interessierenden externen Wert korrelieren. Dieser letztgenannte Ansatz ist sehr beliebt, da er bei richtiger Planung und Validierung dazu führen kann, dass FTIR nasschemische Tests für neue unbekannte Proben (des gleichen Typs) effektiv ersetzt und so Zeit und Geld spart. Eine nützliche Konsequenz der Erstellung von MVA-Modellen besteht darin, dass die erstellte statistische Ausgabetabelle zusätzlich zu den Beispieldiagrammen die Identifizierung der wichtigsten Wellenlänge ermöglicht, die bei der Erstellung des Modells verwendet wird. Aus diesen Informationen ist es oft möglich, einige direkte chemische Erkenntnisse zu interpretieren.

Es wird praktisch immer davon ausgegangen, dass FTIR ein „mittleres“ FTIR ist. Dispersionsinstrumente im mittleren IR-Bereich ohne FT-Technologie können dieses breite Spektrum nicht erzeugen, da die Scanrate langsam und ihre Leistung (Signal-Rausch-Verhältnis) viel schlechter ist. Allerdings hat NIR so viel mehr Energie, dass ein nicht-FT-dispersives Instrument ähnliche Spektren erzeugen kann wie Instrumente mit mittlerem FTIR. Dies würde jedoch länger dauern und daher ist die Auflösung (Anzahl der tatsächlich gemessenen Wellenzahlen) tendenziell geringer.

Das folgende Diagramm (Abbildung 10) zeigt die von den wichtigsten funktionellen Gruppen (1500 cm-1 und höher) erzeugten Banden. Der Bereich 500-1500 cm-1, der im mittleren IR-Bereich liegt, wird als Fingerabdruckregion bezeichnet und liefert molekulare Fingerabdrücke, die für bestimmte Verbindungen einzigartig sind und nicht gefälscht werden können.

Die Form und Struktur von Spektren im mittleren IR-Bereich und im NIR-Spektrum unterscheiden sich erheblich. Spektren im mittleren IR-Bereich enthalten schärfere und definiertere spektrale Absorptionsbanden (Abbildung 11) für organische Spezies, wodurch sich die Technik zur Strukturaufklärung und Identifizierung von Verbindungen eignet. Darüber hinaus wurden im Laufe der Jahre detaillierte Datentabellen charakteristischer Wellenzahlbereiche molekularer Funktionsgruppen zusammengestellt und veröffentlicht, viele davon innerhalb spezifischer Anwendungsbereiche. Organische Moleküle absorbieren Strahlung im mittleren Infrarotbereich stark, so dass mit relativ wenig Probenmaterial (z. B. einigen Pulverkörnern) gute Spektren erhalten werden können. Zu den Nachteilen gehört die Unverträglichkeit gegenüber Wasser (das das IR-Signal bereits bei nur wenigen Prozent unterdrückt). Darüber hinaus bedeutet die Tatsache, dass organische Stoffe im Allgemeinen den mittleren IR-Bereich so gut absorbieren, dass das resultierende Spektrum nur aus einer Probenpenetration von wenigen Mikrometern stammt und eine begrenzte Homogenität aufweist. Daher ist eine wesentlich sorgfältigere Probenvorbereitung bzw. analytische Replikation erforderlich.

Zu den Vorteilen von NIR gehört eine starke Reaktion auf sowohl chemische als auch physikalische Eigenschaften der Probe (was es beispielsweise für allgemeine Anwendungen zur Probenbewertung nützlich macht). Da die NIR-Strahlung nur schwach absorbiert wird, dringt sie weitaus stärker in die Probe ein. Ein größeres Probenahmevolumen kann die Empfindlichkeit erhöhen, eine bessere Homogenität erzielen und eine weitaus geringere Probenvorbereitung für die Durchführung einer Messung erfordern. Die größten Nachteile von NIR hängen mit der chemischen Spezifität zusammen. Bei den meisten NIR-Molekülreaktionen handelt es sich um Obertöne erster Ordnung (oder höher), die ein gewisses Maß an Signalüberlappung aufweisen, was möglicherweise die Unterscheidungskraft einschränkt. Was jedoch als Vor- und Nachteil betrachtet wird, ist völlig anwendungsspezifisch, sodass sowohl Instrumente im mittleren IR- als auch im NIR-Bereich häufig für unterschiedliche Anwendungen eingesetzt werden.

FTIR befindet sich hinsichtlich der Gerätekosten, der Benutzerfreundlichkeit und der Informationen, die es produzieren kann, in einem ganz besonderen „Sweet Spot“. Aufgrund seiner Flexibilität wurde es auf mehr Bereiche angewendet, als in diesem Artikel diskutiert werden kann. Eine Reihe pharmazeutischer und medizinischer Anwendungen werden immer häufiger eingesetzt.11

Darüber hinaus war eine besonders interessante technische Entwicklung in den letzten 20 Jahren das Aufkommen und die Entwicklung der chemischen Bildgebung auf Basis von FTIR-Videochips (Focal Place Array, „FPA“) für den Einsatz in der Mikroskopie. Zwar gibt es FTIR-Mikroskope bereits seit den 1970er-Jahren im Standardformat, sie verwenden jedoch lediglich einen Einzelpunkt-IR-Detektor, und eine Bildgebung kann nur durch Zusammenfügen einer großen Anzahl einzelner räumlicher Messungen erreicht werden. Es würde Stunden dauern, solche Bilder zu sammeln, selbst von etwas Kleinem wie einem geschnittenen Gewebestück von einer Größe von 2 cm. Moderne Bildgebungschips für den mittleren Infrarotbereich, beispielsweise Arrays mit einer typischen Größe von 128 x 128 Pixeln (können jedoch eine höhere Auflösung aufweisen), sind mittlerweile zum Standard geworden. Ein 128x128-Array erzeugt in einem Scan 16.000 ortsaufgelöste Spektren. Bilder können in weniger als 30 bis 60 Sekunden erfasst werden und sind mittlerweile weit verbreitet. Dies ermöglicht räumlich aufgelöste Anwendungen wie Forensik, archäologische Artefakte, physische Verunreinigungen wie Mikroplastik, Tests von pharmazeutischen gepressten Tabletten12 und Gewebebiopsie-Screening für den Krankheitszustand und diagnostische Vorhersage. 13, 14 FTIR-FPA kann sinnvoll auf Situationen angewendet werden, in denen chemische Signale in einem breiten räumlichen Kontext interpretiert werden müssen.15, 16

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