Investigating the Use of the Agilent 8700 LDIR Chemical Imaging System in Published Literature

Význam tématu

Laserová direktní infračervená (LDIR) chemická zobrazovací analýza představuje rychlý a prostorově rozlišený přístup k mid‑IR spektrální identifikaci materiálů. Díky kombinaci QCL zdrojů a rychlé optiky je možné získat kvalitní obrazy a spektra za řádově kratší dobu než u konvenčních metod, což otevírá nové možnosti v kvalitativní i kvantitativní kontrole, forenzní autentizaci, vývoji materiálů a prostředí pro rutinní screening v průmyslových i výzkumných laboratořích.

Cíle a přehled studie / článku

White paper shrnuje přehled publikovaných aplikací Agilent 8700 LDIR systému a doprovodného softwaru Agilent Clarity v řadě oblastí (biomateriály, geovědy, buněčné zemědělství, farmacie, analýza tkání, potravinářství). Cílem je ukázat praktické využití přístroje, jeho provozní režimy, klíčové výkonnostní charakteristiky a konkrétní přínosy v porovnání s jinými vibračními zobrazovacími technikami.

Použitá metodika a instrumentace

Popis přístroje a provozních režimů:

• Agilent 8700 LDIR: QCL (quantum cascade laser) jako zdroj, spektrální rozsah 1800–975 cm–1 (mid‑IR fingerprint region).
• Detektor: termometricky chlazený single‑point MCT (HgCdTe).
• Režimy zobrazení: dvě viditelné (široké zorné pole, vysoké zvětšení) a dva IR (direct reflectance a ATR).
• Scan režim: „parkovaný“ vlnový číselník, rychlý přesun optiky pro výběr pikslů na jedné frekvenci (rychlé lokalizování částic/rozložení).
• Sweep režim: optika parkována, QCL kmitá přes spektrální rozsah pro získání plného spektra v bodu.
• Agilent Clarity software: load‑and‑go workflowy, tvorba metod, automatizace, spektrální knihovny, automatická volba peak/baseline, klasifikační metody a reporting.

Pomůcky a příslušenství (využívané v publikacích):

• Sample Planar pro vyhlazení povrchu a zajištění konzistentní interakční hloubky.
• Low‑e (nízká emisivita) sklíčka, Au nebo Al potažené filtry pro reflexní analýzu.
• Microtome/diamond‑finish čepele pro sekce, lepidla s nízkým outgassingem, držáky slidů a další spotřební materiál.

Hlavní výsledky a diskuse

Souhrn klíčových aplikací a zjištění:

• Biomateriály: LDIR v odrazném módu mapoval amide I pásy v peptidech tvořících nanospirály; rozlišil sekundární struktury (antiparalelní β‑sheet vs směs β/α/ náhodné smyčky), což korelovalo s rozdílnou fibrilární morfologií.
• Geovědy: na leštěných vzorcích hornin LDIR vytvářel hyperspektrální mapy rozložení minerálů; data porovnána s USGS spektrální knihovnou a zpracována PCA a cosine‑similarity; efektivní pro mapování fází a hran zrn bez přípravy tenkého řezu.
• Buněčné zemědělství: v produkci jedlých makropórových mikronositelů (EPM) byl 8700 použit pro kvantifikaci počtu částic (~2 000 částic na mg), což pomohlo optimalizovat dávkování buněk pro kultivaci a 3D tisk.
• Farmacie – homogenita: studie prokázaly, že LDIR dokáže mapovat prostorové rozložení API a excipientů v tabletách s výsledky srovnatelnými s konfokálním Ramanem, ale mnohonásobně rychleji (příklad: 7,5 min vs ~4 h; jiné zprávy uvádějí ~30x až ~100x zrychlení v závislosti na nastavení).
• Farmacie – metodologie: optimalizace výběru vlnových čísel a velikosti pixelu (doporučeno ≤10 µm pro detekci drobných domén) je klíčová; LDIR často detekoval větší počet menších domén (menší Feretův průměr) než Raman.
• Tkáňová analýza: aplikace na explantáty biodegradovatelných stentů prokázala lokalizaci kolagenu I a distribuci materiálů (silk fibroin/PCL) bez nutnosti značení nebo rozsáhlé přípravy vzorku.
• Potraviny: LDIR se osvědčil jako rychlý screening pro detekci ekonomické adulterace v práškových surovinách; citlivost 82 % při 1 % přímích příměsí (pro suché míchání) a 92–100 % při ≥5 %; schopnost detekovat velmi nízké koncentrace některých látek (např. guanidin ~0,06 %).

Praktická omezení a diskuse:

• LDIR v reflektivním módu pracuje v omezeném spektrálním rozsahu (fingerprint) a vyžaduje hladké paralelní plochy vzorků; topografie může ovlivnit signál, proto jsou užitečné pomůcky jako Sample Planar.
• Homogenní disperze adulterantů (zejména v mokrém míchání) je pro LDIR náročná na detekci kvůli nižšímu kontrastu chemických domén.
• Metodický vývoj (výběr wavenumber, pixel size, tvorba knihoven) je nezbytný pro dosažení optimální specificity a citlivosti.

Přínosy a praktické využití metody

Hlavní přínosy 8700 LDIR pro praxi:

• Rychlost: výrazné zkrácení doby snímání ve srovnání s konvenčními FTIR/Raman mapami — umožňuje rutinní kontrolu více vzorků a at‑line monitoring.
• Prostorové rozlišení: při vhodné volbě pixelu umožňuje detekci malých domén API, částic a kontaminantů.
• Bez značení a minimální příprava: schopnost analyzovat explantáty či pelleted práškové vzorky bez barvení nebo rozsáhlého zpracování.
• Flexibilita workflow: kombinace Scan (rychlý screening) a Sweep (spektrální identifikace) redukuje dobu a objem dat.

Budoucí trendy a možnosti využití

Očekávané směry rozvoje a aplikací:

• Integrace LDIR do výrobních linek jako rychlý at‑line nástroj pro QC a troubleshooting ve farmacii a potravinářství.
• Rozšíření spektrálních knihoven a pokročilá automatizovaná klasifikace (strojové učení) pro lepší rozlišení chemicky podobných proteinů a aditiv.
• Využití v geovědách jako doplněk k minerální klasifikaci na větších plošných vzorcích bez destruktivní přípravy.
• Další optimalizace příslušenství (levnější reflexní filtry, zlepšené planarizační nástroje) pro vyšší throughput a reprodukovatelnost analýz.
• Možné kombinace s jinými zobrazovacími modalitami (Raman, SEM-EDX) pro korelační multimodální analýzu, kdy LDIR poskytne rychlý screening a ostatní metody potvrdí detailní chemické či elementární informace.

Závěr

Agilent 8700 LDIR s Clarity softwarem se v publikované literatuře ukázal jako robustní a univerzální platforma pro rychlé chemické zobrazování v mnoha oblastech. Klíčovou výhodou je kombinace rychlosti, přijatelného prostorového rozlišení a uživatelsky přívětivých workflowů, které umožňují rutinní nasazení v průmyslovém QC i výzkumných projektech. Metodický vývoj (výběr vlnových čísel, pixel size, vzorkovací pomůcky) zůstává důležitým krokem pro dosažení optimálních výsledků v konkrétních aplikacích.

Reference

1. Gowen A. A., O'Donnell C. P., Cullen P. J., Bell S. E. J. Recent Applications of Chemical Imaging to Pharmaceutical Process Monitoring and Quality Control. European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics 2008, 69(1), 10–22. DOI:10.1016/j.ejpb.2007.10.013.
2. Alvarez‑Fernandez A.; Pawar N.; Sanchez‑Puga P.; Zaccai N. R.; Maestro A. Peptide‑Guided Self‑Assembly: Fabrication of Tailored Spiral‑like Nanostructures for Precise Inorganic Templating. Advanced Functional Materials 2024, 35(1), 2411061. DOI:10.1002/adfm.202411061.
3. Gordon N.; Beaudoin H.; Kelso P. R.; Southwell B.; Wright D. D. Laser Direct Infrared Spectroscopy Hyperspectral Imaging; Applications in Geochemical Phase Mapping and Interpretation of Multidimensional Analysis. AGU 2024.
4. Gordon N.; Beaudoin H.; Kelso P. R.; Southwell B.; Wright D. D. Laser Direct Infrared Spectroscopy Hyperspectral Imaging; Applications in Geochemical Phase Mapping and Interpretation of Multidimensional Analysis. ESS Open Archive 2024. DOI:10.22541/essoar.173532426.64038391/v1.
5. Zhou X.; Zheng H.; Wu Y.; Yin H.; Mao X.; Li N.; Guo H.; Chang Y.; Jiang X.; Ai Q.; Xue C. Scalable Production of Muscle and Adipose Cell‑Laden Microtissues Using Edible Macroporous Microcarriers for 3D Printing of Cultured Fish Fillets. Nature Communications 2025, 16, 1740. DOI:10.1038/s41467-025-57015-1.
6. Sacré P.-Y.; Alaoui Mansouri M.; De Bleye C.; Coïc L.; Hubert Ph.; Ziemons E. Evaluation of Distributional Homogeneity of Pharmaceutical Formulation Using Laser Direct Infrared Imaging. International Journal of Pharmaceutics 2022, 612, 121373. DOI:10.1016/j.ijpharm.2021.121373.
7. Carruthers H.; Clark D.; Clarke F. C.; Faulds K.; Graham D. Evaluation of Laser Direct Infrared Imaging for Rapid Analysis of Pharmaceutical Tablets. Analytical Methods 2022, 14(19), 1862–1871. DOI:10.1039/d2ay00471b.
8. Zaker Y.; Yilmaz H.; Lex T. R.; Guo C.; Rodriguez J. D.; Willett D. R. Advancing Pharmaceutical Tablet Analysis with Laser Direct Infrared (LDIR) Imaging. Journal of Pharmaceutical and Biomedical Analysis 2025, 262, 116897. DOI:10.1016/j.jpba.2025.116897.
9. Zaker Y.; Yilmaz H.; Willett D. Assessment of Laser Directed Infrared (LDIR) Imaging for a Physicochemical Approach to In Vitro Characterization of Pharmaceutical Tablets. FDA Science Forum 2023.
10. Ojha A. K.; Rajasekaran R.; Hansda A. K.; Singh A.; Dutta A.; Seesala V. S.; Das S.; Dogra N.; Sharma S.; Goswami R.; et al. Biodegradable Multi‑Layered Silk Fibroin‑PCL Stent for the Management of Cervical Atresia: In Vitro Cytocompatibility and Extracellular Matrix Remodeling in Vivo. ACS Applied Materials & Interfaces 2023, 15(33), 39099–39116. DOI:10.1021/acsami.3c06585.
11. da Costa Filho P. A.; Cobuccio L.; Mainali D.; Rault M.; Cavin C. Rapid Analysis of Food Raw Materials Adulteration Using Laser Direct Infrared Spectroscopy and Imaging. Food Control 2020, 113, 107114. DOI:10.1016/j.foodcont.2020.107114.
12. Yeh K.; Kenkel S.; Liu J.-N.; Bhargava R. Fast Infrared Chemical Imaging with a Quantum Cascade Laser. Analytical Chemistry 2014, 87(1), 485–493. DOI:10.1021/ac5027513.
13. Hildebrandt L.; Zimmermann T.; Sobakpo M.; Hahn K.; Profrock D. A Validated, Cost‑Effective Alternative: Gold‑Coated vs. Aluminum‑Coated Membranes for LDIR Microplastic Analysis. 2025.
14. Huang X.; Li C.; Jiang S.; Wang X.; Zhang B.; Liu M. Supramolecular Chirality of the Hydrogen‑Bonded Complex Langmuir–Blodgett Film of Achiral Barbituric Acid and Melamine. Journal of Colloid and Interface Science 2005, 285(2), 680–685. DOI:10.1016/j.jcis.2004.12.025.
15. Huang X.; Li C.; Jiang S.; Wang X.; Zhang B.; Liu M. Self‑Assembled Spiral Nanoarchitecture and Supramolecular Chirality in Langmuir−Blodgett Films of an Achiral Amphiphilic Barbituric Acid. JACS 2004, 126(5), 1322–1323. DOI:10.1021/ja036878i.
16. Zhang Y.; Chen P.; Jiang L.; Hu W.; Liu M. Controllable Fabrication of Supramolecular Nanocoils and Nanoribbons and Their Morphology‑Dependent Photoswitching. JACS 2009, 131(8), 2756–2757. DOI:10.1021/ja805891k.
17. Wen H.; Yao J.; Chen X.; Ling S.; Shao Z. Silk‑Derived Peptide Nanospirals Assembled by Self‑Propelled Wormlike Filaments. Nano Research 2022, 16(1), 1414–1420.