DE69735411T2

DE69735411T2 - Infrarot-spektroskopie und abbildung von bibliotheken

Info

Publication number: DE69735411T2
Application number: DE69735411T
Authority: DE
Inventors: W. Eric San Jose McFARLAND; William Hillsborough ARCHIBALD
Original assignee: Symyx Technologies Inc
Current assignee: Symyx Technologies Inc
Priority date: 1996-10-09
Filing date: 1997-10-07
Publication date: 2006-09-07
Anticipated expiration: 2017-10-08
Also published as: US20090045341A1; EP1021711A2; US20020197731A1; EP1280185A1; US6401519B1; DE69730883T2; US6373570B1; EP1021711A4; EP1669738A2; ATE277422T1; US6541271B1; CA2267908C; ES2182040T3; AU4749397A; CA2267908A1; DE69735411D1; US6034775A; CA2267897C; US7364697B2; WO1998015969A3

Description

SACHGEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Verfahren und Vorrichtungen zum schnellen Heraussortieren eines Felds unterschiedlicher Materialien, die an bekannten Stellen auf einer einzelnen Substratfläche erzeugt worden sind, und insbesondere auf die kombinatorische Synthese und Charakterisierung von Bibliotheken unterschiedlicher Materialien unter Verwendung von IR-Abbildungs- und Spektroskopie-Techniken.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Entdeckung neuer Materialien mit neuartigen chemischen und physikalischen Eigenschaften führt oftmals zu der Entwicklung von neuen und nützlichen Technologien. Derzeit sind große Aktivitäten bei der Entdeckung und Optimierung von Materialien, wie beispielsweise Superleitern, Zeolithen, magnetischen Materialien, Phosphoren, Katalysatoren, thermoelektrischen Materialien, hoch und niedrig dielektrischen Materialien, und dergleichen, vorhanden. Leider sind, gerade obwohl die Chemie von erweiterten Feststoffen umfangreich erforscht worden ist, ein paar allgemeine Prinzipien hervorgetreten, die ermöglichen, mit Sicherheit die Zusammensetzung, die Struktur und die Reaktionswege für die Synthesen der Feststoff-Komponenten vorherzusagen.
Die Vorhersage von neuen Materialien mit neuartigen chemischen und physikalischen Eigenschaften ist der beste Umstand mit dem derzeitigen Verständnis. Demzufolge hängt die Entdeckung von neuen Materialien stark von der Fähigkeit ab, neue Verbindungen zu synthetisieren und zu analysieren. Mit ungefähr 100 Elementen in der Perioden-Tabelle, die verwendet werden können, um Zusammensetzungen zu bilden, die aus zwei oder mehr Elementen bestehen, verbleibt eine ungeheuer große Zahl von möglichen neuen Verbindungen, die weitgehendst unerforscht sind. Als solches ist im Stand der Technik ein Bedarf nach einer effizienteren, ökonomischeren und systematischeren Maßnahme für die Synthese von neuartigen Materialien und zum Heraussortieren solcher Materialien für nützliche Eigenschaften vorhanden.
Einer der Prozesse, mit dem die Natur Moleküle erzeugt, die neuartige Funktionen haben, setzt die Erzeugung von großen Zusammenstellungen (Bibliotheken) aus Molekülen und das systematische Heraussortieren solcher Zusammenstellungen für Moleküle, die eine erwünschte Eigenschaft haben, ein. Ein Beispiel eines solchen Vorgangs ist das menschliche Immunsystem, das über Wochen einige 10¹² Antikörper-Moleküle heraussortiert, um eines davon herauszufinden, das spezifisch einen Fremderreger bindet (Nisonoff et al., The Antibody Molecule (Academic Press, New York, 1975)). Dieser Hinweis eines Erzeugens und Heraussortierens von großen Bibliotheken bzw. Libraries aus Molekülen ist in neuerer Zeit bei dem Vorgang der Medikamenten-Entwicklung angewandt worden.
Unter Anwenden dieser Logik sind Verfahren für die Synthese und das Heraussortieren großer Bibliotheken (bis zu 10¹⁴ Molekülen) von Peptiden, Oligonukleotiden und anderen, kleinen Molekülen, entwickelt worden. Geysen et al., zum Beispiel, haben ein Verfahren entwickelt, bei dem Peptid-Synthesen parallel an mehreren Stäben oder Stiften ausgeführt werden (J. Immun. Meth. 102:259–274 (1987)). Allgemein setzt das Verfahren von Geysen et al. eine Funktionalisierung der Endpunkte von polymeren Stäben und ein sequenzielles Eintauchen der Endpunkte in Lösungen von individuellen Aminosäuren ein. Zusätzlich zu dem Verfahren von Geysen et al. sind in neuerer Zeit Techniken zum Synthetisieren von großen Feldern unterschiedlicher Peptide und von anderen Polymeren auf Feststoff-Oberflächen eingeführt worden. Pirrung et al. haben eine Technik zum Erzeugen von Feldern aus Peptiden und anderen Molekülen, unter Verwendung, zum Beispiel, von licht-gerichteten, räumlich-adressierbaren Synthese-Techniken entwickelt (US-Patent Nr. 5,143,854 und PCT-Veröffentlichung Nr. WO 90/15070). Zusätzlich haben Fodor et al. ein Verfahren zum Sammeln von Fluoreszenz-Intensitäts-Daten verschiedener, fotoempfindlicher Schutzgruppen, Maskierungs-Techniken und automatisierten Techniken zum Durchführen von licht-gerichteten, räumlich-adressierbaren Synthese-Techniken entwickelt (Fodor et al., PCT-Veröffentlichung Nr. WO 92/10092).
Unter Verwendung dieser verschiedenen Verfahren können Felder, die tausende oder Millionen unterschiedlicher Elemente haben, gebildet werden (US-Patentanmeldung Nr. 08/805,727, angemeldet am 6. Dezember 1991). Als eine Folge deren Beziehung zu Halbleiter-Herstellungs-Techniken sind diese Verfahren als „Very Large Scale Immobilized Polymer Synthesis" oder „VLSIPS^TM" Technologie bezeichnet worden. Solche Techniken sind mit wesentlichem Erfolg beim Heraussortieren verschiedener Liganden, wie bei spielsweise Peptiden und Oligonukleotiden, erfüllt worden, um deren relative Bindungsaffinität an einem Rezeptor, wie beispielsweise einem Antikörper, zu bestimmen.
Die Festphasen-Synthese-Techniken, die derzeit verwendet werden, um solche Bibliotheken zu präparieren, setzen die sequenzielle Kopplung von Bildungsblöcken ein, um die Verbindungen, die von Interesse sind, zu bilden. Zum Beispiel werden in dem Verfahren nach Pirrung et al. Felder auf einem Substrat durch Anhängen von foto-entfernbaren Gruppen an die Oberfläche des Substrats, Belichten ausgewählter Bereiche des Substrats mit Licht, um diese Bereiche zu aktivieren, Anhängen eines Aminosäuremonomers mit einer foto-entfernbaren Gruppe an den aktivierten Bereich und Wiederholen der Schritte einer Aktivierung und eines Anhängens, bis Polypeptide der erwünschten Länge und Sequenz synthetisiert sind, synthetisiert. Diese Festphasen-Synthese-Techniken können nicht einfach dabei verwendet werden, viele anorganische und organische Verbindungen zu präparieren.
In PCT WO 96/11878 sind Verfahren und Vorrichtungen zum Präparieren eines Substrats mit einem Feld aus diversen Materialien, niedergeschlagen in vorgegebenen Bereichen, offenbart. Einige der Verfahren eines Niederschlagens, offenbart in der PCT WO 96/11878, umfassen Sputter-, Ablations-, Verdampfungs- und Flüssigkeitsabgabesysteme. Unter Verwendung der offenbarten Technologie können viele Klassen von Materialien kombinatorisch erzeugt werden, umfassend anorganische, intermetallische Materialien, Metalllegierungen und Keramiken.
Allgemein bezieht sich die kombinatorische Chemie auf die Maßnahme, sehr große Anzahlen von Verbindungen durch Reaktion eines Satzes von Ausgangschemikalien in allen möglichen Kombinationen zu erzeugen. Seit deren Einführung in die pharmazeutische Industrie in den späten 80ern hat sie sehr stark den Medikamenten-Entwicklungsprozess beschleunigt und ist heutzutage eine Standard-Praxis in der Industrie (Chem. Eng. News, 12. Februar 1996). In neuerer Zeit sind kombinatorische Techniken erfolgreich bei der Synthese von anorganischen Materialien angewandt worden (G. Briceno et al., SCIENCE 270, 273–275, 1995, und X.D. Xiang et al., SCIENCE 268, 1738–1740, 1995). Durch die Verwendung von verschiedenen Oberflächen-Niederschlagstechniken, Maskierungs-Strategien und Verarbeitungs-Bedingungen, ist es nun möglich, hunderte bis tausende von Materialien mit bestimmten Zusammensetzungen pro Quadratinch zu erzeugen. Diese Materialien umfassen Superleiter mit hohem T_c, Ma gneto-Resistoren und Phosphore. Die Entdeckung von heterogenen Katalysatoren wird zweifelsohne durch die Einführung solcher kombinatorischen Maßnahmen beschleunigt werden.
Eine Hauptschwierigkeit bei diesen Prozessen ist das Fehlen von schnellen und zuverlässigen Testverfahren für ein schnelles Heraussortieren und Optimieren der Materialien. In neuerer Zeit sind parallele Siebverfahren basierend auf einer Reaktions-Wärmebildung berichtet worden (F. C. Moates et al., Ind. Eng. Chem. Res. 35, 4801–4803, 1996). Für die Oxidation von Wasserstoff über einer metallischen Oberfläche ist es möglich, die R-Strahlungsbilder eines Felds von Katalysatoren zu erhalten. Die warmen Flecken in dem Bild entsprechen aktiven Katalysatoren und können durch eine Infrarotkamera aufgelöst werden.
Ein Heraussortieren von großen Feldern aus Materialien in kombinatorischen Bibliotheken ruft eine Anzahl von Herausforderungen für existierende, analytische Techniken hervor. Zum Beispiel ist traditionell ein heterogener Katalysator durch die Verwendung eines Mikroreaktors charakterisiert, der ein paar Gramm von porös gestützten Katalysatoren enthält. Allerdings kann das traditionelle Verfahren nicht dazu verwendet werden, eine Katalysator-Bibliothek, erzeugt mit kombinatorischen Verfahren, herauszusortieren. Erstens kann eine heterogene Katalysator-Bibliothek, synthetisiert durch ein kombinatorisches Chemieverfahren, von ein paar hundert bis zu vielen tausenden Katalysatoren enthalten. Es ist unpraktisch, ein paar Gramm jedes Katalysators in einem kombinatorischen Format zu synthetisieren. Als zweites liegt die Ansprechzeit von Mikroreaktoren typischerweise in der Größenordnung von ein paar Minuten. Die Zeit, die benötigt wird, um Gleichgewichts-Zustände zu erreichen, ist noch länger. Es ist schwierig, ein Heraussortieren mit einem hohen Durchsatz in Verbindung mit solchen langen Ansprechzeiten zu erreichen.
Eine andere Herausforderung mit Feldern zum Heraussortieren eines Katalysators ist das niedrige Niveau der Komponenten, die in den Reaktionen vorhanden sein können. Die Folge des niedrigen Niveaus an katalytischem Material ist eine niedrige Konversionsrate. Zum Beispiel kann eine Oxidation von Ethylen zu Ethylenoxid über einen auf Silber basierenden Katalysator durchgeführt werden (S. Rebsdat et al., US-Patent Nr.'n 4,471,071 und 4,808,738). Für einen Oberflächen gestützten Katalysator mit einem Bereich von 1 mm mal 1 mm und derselben Aktivität wie der industrielle Katalysator werden nur ungefähr 10 Teile pro Billion (ppb) an Ethylen in das erwünschte Ethylenoxid umgewandelt, wenn die Kontaktzeit 1 Sekunde beträgt.
Ein Erfassen solcher niedrigen Komponenten-Niveaus bei dem Vorhandensein unterschiedlicher Atmosphären einer Reaktionsmischung ist eine Herausforderung für analytische Verfahren. Viele analytische Techniken, umfassend optische Verfahren, wie beispielsweise eine Vier-Wellen-Misch-Spektroskopie und eine Kavitäts-Ring- und Abwärts-Absorptions-Spektroskopie, ebenso wie herkömmliche Verfahren, wie beispielsweise GC/MS, sind aufgrund deren schlechten Empfindlichkeiten, der nicht universellen Dedektierbarkeit und/oder des langsamen Ansprechverhaltens ausgeschlossen. Deshalb sind eine Vorrichtung und eine Methodologie zum Heraussortieren eines Substrats, das ein Feld von Materialien besitzt, die sich leicht in der chemischen Zusammensetzung, der Konzentration, der Stoichiometrie und/oder der Dicke unterscheiden, erwünscht.
Die WO 97/32208, die ein Stand der Technik unter Artikel 54(3) EPÜ ist, beschreibt ein Verfahren zum gleichzeitigen Testen einer Vielzahl von Katalysator-Rezepturen, um eine vergleichende Katalysator-Aktivität der Rezepturen beim Vorhandensein eines gegebenen Reaktanten oder einer Reaktanten-Mischung zu schaffen, das aufweist: Tragen der Vielzahl der Katalysator-Rezepturen auf mindestens einem Träger; Fixieren der Rezepturen auf dem mindestens einen Träger durch optionales Stabilisieren der Rezepturen; in Kontakt bringen der Rezepturen mit einem gemeinsamen Dampf des Reaktanten oder der Reaktanten-Mischung unter Reaktions-Bedingungen in einer gemeinsamen Reaktorkammer; und Erfassen einer vergleichenden Katalysator-Aktivität, die an jeder der Rezepturen während des Schritts der in Kontaktbringung auftritt, über im Wesentlichen gleichzeitiges Erfassen von Strahlung, die emittiert, absorbiert oder durch die jeweiligen Rezepturen, die Reaktanten oder die Produkte geändert werden, die für die Katalysator-Aktivität kennzeichnend sind, unter Verwendung eines Detektors, der getrennt von der Rezeptur, den Reaktanten und den Produkten ist.
„In situ infrared measurements during hot filamtent CDV of diamond in rotating substrate reactor"; 6TH EUROPEAN CONFERENCE ON DIAMOND, DIAMOND-LIKE AND RELATED MATERIALS (DIAMOND FILMS'95), BARCELONA, SPAIN, 10–15 SEPT. 1995, Vol. 5, No. 3–5, Seiten 242–246, APRIL 1996, ELSEVIER, SWITZERLAND, MORRISON P W JR ET AL, offenbart ein Verfahren und ein System unter Verwendung von Fouriertransformation-(FTIR)-Techniken für in-situ Messungen der Gasphasen- Zusammensetzung während eines Wachstums von Diamantfilmen, das Infrarot-Detektoren verwendet.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung schafft Verfahren und Vorrichtungen für die schnelle Charakterisierung und Analyse eines Felds aus Materialien unter Verwendung von Infrarot-Abbildungs- und -Spektroskopie-Techniken. Typischerweise wird jedes der einzelnen Materialien auf dem Feld in Bezug auf eine oder mehrere Material-Charakteristika heraussortiert oder abgefragt werden. Die einzelnen Materialien können, wenn sie einmal heraussortiert sind, bewertet werden oder in anderer Weise relativ zueinander in Bezug auf die Material-Charakteristik, die untersucht wird, verglichen werden. Materialien, die unter Verwendung der Verfahren und der Vorrichtungen der vorliegenden Erfindung verglichen werden können, umfassen, zum Beispiel, Flüssigkeiten, aufgelöste, organische oder anorganische Moleküle, kovalente Netzwerk-Feststoffe, ionische Feststoffe und molekulare Feststoffe. Insbesondere ist die vorliegende Erfindung auf Charakterisierungssysteme gerichtet, die eine Fouriertransformations-Infrarot-Spektroskopie-Abbildung, entsprechend den beigefügten Ansprüchen, verwendet.
Ein weiteres Verständnis der Art und der Vorteile der Erfindung hier kann unter Bezugnahme auf die verbleibenden Teile der Beschreibung und der beigefügten Zeichnungen vermittelt werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Unterlagen dieses Patents enthalten mindestens eine Zeichnung, die in Farbe ausgeführt ist. Kopien dieses Patents mit der farbigen Zeichnung (den farbigen Zeichnungen) werden durch das Patent- und Markenamt unter Anforderung und Bezahlung der notwendigen Gebühr bereitgestellt werden.
1 stellt die Bestimmung der relativen, thermischen Diffusivitäten der unterschiedlichen Materialien in einer Bibliothek dar;
2 stellt eine nicht-abtastende Anordnung der 1 dar;
3 stellt eine zweidimensionale Bibliothek aus Materialien innerhalb von Löchern bzw. Vertiefungen an einem Substrat dar:
4 zeigt eine Reaktionskammer zum Überwachen einer thermischen Emission einer Polymerisations-Reaktion bei einem vorgegebenen Druck und einer vorgegebenen Temperatur;
5 zeigt eine thermische Karte einer Polymerisations-Reaktion für 61 Elemente in einer Bibliothek aus Elementen innerhalb einer unter Druck gesetzten Reaktionskammer;
6 zeigt eine grafische Darstellung, die die thermische Evolution als eine Funktion der Zeit für die Polymerisations-Reaktionen von elf Vertiefungen einer Bibliothek darstellt;
7 zeigt eine Infrarot-Quelle, die eine Bibliothek aus Verbindungen auf einem für Infrarot transparenten Substrat bestrahlt;
8 zeigt eine polychromatische Quelle, die eine Bibliothek aus Verbindungen auf einem für Infrarot transparenten Substrat bestrahlt; und
9 zeigt eine schematische Darstellung eines IR-Abbildungssystems gemäß der Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Glossar
Die nachfolgenden Ausdrücke sind dazu vorgesehen, dass sie die nachfolgenden, allgemeinen Bedeutungen, wie sie hier verwendet werden, haben.
Substrat:
Ein Substrat ist ein Material, das eine feste oder halbfeste Oberfläche besitzt. In vielen Ausführungsformen wird mindestens eine Oberfläche des Substrats im Wesentlichen flach sein. In einigen Ausführungsformen wird das Substrat physikalische Trennungen zwischen Synthesebereichen zu unterschiedliche Materialien haben. Geeignete, physikalische Separationen umfassen, zum Beispiel, Versenkungen, Vertiefungen, erhobene Bereiche und geätzte Vertiefungen. Gemäß anderen Ausführungsformen können kleine Kügelchen oder Pellets auf der Oberfläche, entweder alleine oder innerhalb von Substrat-Oberflächen-Vertiefungen, vorgesehen werden. Der Oberflächenbereich des Substrats ist so ausgelegt, um die Erfordernisse einer bestimmten Anwendung zu erfüllen. Typischerweise liegt der Oberflächenbereich des Substrats in dem Bereich von 1 cm² bis 400 cm². Allerdings können andere Größen in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden, zum Beispiel sind Oberflächenbereiche bis zu 0,001 cm² klein oder bis zu 10 m² groß möglich.
Vordefinierter Bereich:
Ein vordefinierter Bereich ist ein lokalisierter Bereich auf einem Substrat, der für die Bildung eines spezifischen Materials verwendet wird, verwendet wurde oder verwendet werden soll. Der vordefinierte Bereich kann, in der Alternativen, als ein „bekannter" Bereich, ein „Reaktions" Bereich, ein „ausgewählter" Bereich oder einfach als ein „Bereich" bezeichnet werden. Der vordefinierte Bereich kann irgendeine passende Form haben, zum Beispiel linear, kreisförmig, rechtwinklig, elliptisch oder keilförmig. Zusätzlich kann der vordefinierte Bereich eine Kugel oder ein Pellet sein, die mit der Komponente(n), die von Interesse ist, beschichtet ist. In dieser Ausführungsform kann die Kugel oder das Pellet mit einem Etikett identifiziert werden, wie beispielsweise einem geätzten, binären Balkencode, der dazu verwendet werden kann, zu Identifizieren, welche Komponenten auf der Kugel oder dem Pellet niedergeschlagen wurden. Der Flächenbereich der vordefinierten Bereiche hängt von der Anwendung ab und ist typischerweise kleiner als ungefähr 25 cm². Allerdings können die vordefinierten Bereiche kleiner als 10 cm², kleiner als 5 cm², kleiner als 1 cm², kleiner als 1 mm², kleiner als 0,5 mm², kleiner als 10.000 μm², kleiner als 1.000 μm², kleiner als 100 μm², oder noch kleiner als 10μm² sein.
Strahlung:
Die Strahlung bezieht sich auf Energie mit einer Wellenlänge zwischen 10^–14 und 10⁴. Beispiele einer solchen Strahlung umfassen Elektronenstrahlstrahlung, Gammastrahlung, Röntgenstrahlung, ultraviolette Strahlung, sichtbares Licht, Infrarotstrahlung, Mikrowellenstrahlung und Funkwellen. Bestrahlung bezieht sich auf die Aufbringung der Strahlung auf ein Material oder Objekt.
Komponente:
Komponente wird hier dazu verwendet, auf jede einzelne Substanz, die auf ein Substrat niedergeschlagen wird, Bezug zu nehmen. Komponenten können untereinander reagieren, um ein bestimmtes Material zu bilden. Komponenten können direkt miteinander oder mit einer externen Energiequelle, wie beispielsweise Strahlung, einem elektrischen Feld oder einem magnetischen Feld, reagieren. Ein drittes Material oder eine chemische Substanz kann auch auf Komponenten einwirken. Eine Komponente kann ein Element, eine Chemikalie, ein Material, oder eine Mischung aus Elementen und Chemikalien, sein. Komponenten können Schichten, Gemische oder Mischungen, oder Kombinationen davon, bilden.
Quellenmaterial:
Der Ausdruck Quellenmaterial, wie er hier verwendet wird, bezieht sich auf das originale Material, von dem eine Komponente abgeleitet wurde. Quellenmaterialien können aus Elementen, Verbindungen, Chemikalien, Molekülen, usw., die in einem Lösungsmittel aufgelöst werden, die verdampft werden, die in Dampf übergeführt werden, die zum Sieden gebracht werden, die sublimiert, ablatiert, usw., aufgelöst werden, um so zu ermöglichen, dass die Quellenmaterialien, auf einem Substrat während des Synthese-Prozesses niedergeschlagen werden, zusammengesetzt sein.
Resultierendes Material:
Der Ausdruck resultierendes Material, wie er hier verwendet wird, bezieht sich auf die Komponente oder die Kombination von Komponenten, die auf einem vordefinierten Bereich eines Substrats niedergeschlagen worden sind. Die resultierenden Materialien können eine einzelne Komponente oder eine Kombination von Komponenten aufweisen, die direkt miteinander oder mit einer externen Quelle zur Reaktion gebracht worden sind. Alternativ kann das resultierende Material eine Schicht, ein Gemisch oder eine Mischung aus Komponenten auf einem vordefinierten Bereich des Substrats aufweisen. Die resultierenden Materialien werden in Bezug auf spezifische Eigenschaften oder Charakteristika gesiebt bzw. aussortiert, um deren relative Funktionsweise zu bestimmen.
Mischung oder Gemisch:
Der Ausdruck Mischung, oder, gegeneinander austauschbar, Gemisch, bezieht sich auf eine Ansammlung von Molekülen, Ionen, Elektronen oder chemischen Substanzen. Jede Komponente in der Mischung kann unabhängig variiert werden. Eine Mischung kann aus zwei oder mehr Substanzen bestehen, die ohne einen konstanten Prozentsatz einer Zusammensetzung durchmischt sind, wobei jede Komponente im Wesentlichen ursprüngliche Eigenschaften beibehalten oder nicht beibehalten kann, und wobei eine molekulare Phasenmischung auftreten kann oder nicht auftreten kann. In Mischungen können die Komponenten, die die Mischung bilden, unterscheidbar voneinander aufgrund deren chemischen Art verbleiben oder nicht verbleiben.
Schicht:
Der Ausdruck Schicht, wie er hier verwendet wird, bezieht sich auf ein Material, das ein Material, eine Komponente, ein Substrat oder eine Umgebung voneinander trennt. Eine Schicht ist oftmals dünn in Bezug auf deren Flächenbereiche und deckt das Material darunter ab. Eine Schicht kann dünn oder flach sein oder nicht, allerdings deckt sie allgemein, wenn sie einmal niedergeschlagen ist, die gesamte Oberfläche ab, so dass sie die Komponente oder das Substrat unterhalb der Schicht von der Komponenten oder Umgebung oberhalb der Schicht trennt.
Heterogener Katalysator:
Heterogene Katalysatoren ermöglichen, dass katalytische Reaktionen mit den Reaktanten und den Katalysatoren, die in unterschiedlichen Phasen vorhanden sind, auftreten. So, wie sie hier verwendet werden, umfassen heterogene Katalysatoren gemischte Metalloxide, gemischte Metallnitride, gemischte Metallsulfide, ge mischte Metallkarbide, gemischte Metallfluoride, gemischte Metallsilikate, gemischte Metallaluminate, gemischte Metallphosphate, Edelmetalle, Zeolithen, Metalllegierungen, intermetallische Verbindungen, anorganische Mischungen, anorganische Verbindungen und anorganische Salze, sind allerdings nicht hierauf beschränkt.
Homogener Katalysator:
Homogene Katalysatoren ermöglichen, dass katalytische Reaktionen mit den Reaktanten und Katalysatoren, die in derselben Phase vorhanden sind, auftreten. So, wie sie hier verwendet werden, umfassen homogene Katalysatoren solche Katalysatoren für die Polymerisation von einem oder mehreren Olefinen oder Vinylmonomer(en), sind allerdings nicht darauf beschränkt. Olefine Monomere umfassen, sind allerdings nicht darauf beschränkt, Ethylen oder Alpha-Olefine, die von 3 bis 10 Kohlenstoffatome enthalten, wie beispielsweise Propylen, 1-Buten, 1-Pentan, 1-Hexan und 1-Oktan. Vinylmonomere umfassen, sind allerdings nicht darauf beschränkt, Vinylchlorid, Vinylacetat, Vinylacrylat, Methylmethacrylat, Methylvinylether, Ethylvinylether und Azetonnitril. Die Katalysatoren, die eingesetzt werden, um eine Polymerisation von einem oder mehreren Monomer(en) dieses Typs durchzuführen, umfassen, sind allerdings nicht darauf beschränkt, radikale Katalysatoren, kationische Katalysatoren, anionische Katalysatoren und anionische Koordinations-Katalysatoren.
Erzeugung von Feldern aus Materialien
Allgemein wird ein Feld aus Materialien durch aufeinander folgendes Zuführen von Komponenten der Materialien zu vordefinierten Bereichen auf einem Substrat und gleichzeitiges zur Reaktion bringen der Komponenten, um mindestens zwei Materialien zu bilden, oder alternativ, dass die Komponenten miteinander in Wechselwirkung zu treten, um mindesten zwei Materialien zu bilden. In einer Ausführungsform wird, zum Beispiel, eine erste Komponente eines ersten Materials zu einer ersten, vorgegebenen Stelle auf einem Substrat zugeführt und eine erste Komponente eines zweiten Materials wird zu einem zweiten, vorgegebenen Bereich auf demselben Substrat zugeführt. Gleichzeitig zusammen damit, oder danach, wird eine zweite Komponente des ersten Materials zu dem ersten Bereich auf dem Substrat zugeführt und eine zweite Komponente des zweiten Materials wird zu dem zweiten Bereich auf dem Substrat zugeführt. Jede Komponente kann entweder in einer gleichförmigen oder gradientenartigen Art und Weise zugeführt werden, um entweder eine Einzel-Stöchiometrie, oder, alternativ, eine große Anzahl von Stöchiometrien innerhalb eines einzelnen, vordefinierten Bereichs zu erzeugen. Weiterhin können die Komponenten als amorphe Filme, epitaxiale Filme, oder Gitter- oder Supergitter-Strukturen zugeführt werden. Der Vorgang wird wiederholt, mit zusätzlichen Komponenten, um ein sehr großes Feld aus Komponenten an vorgegebenen Stellen auf dem Substrat zu bilden. Danach werden die Komponenten gleichzeitig zur Reaktion gebracht, um mindestens zwei Materialien zu bilden, oder, alternativ, werden die Komponenten in Wechselwirkung zueinander gebracht, um mindestens zwei Materialien zu bilden. So, wie es hier beschrieben ist, können die Komponenten sequenziell oder gleichzeitig zu den vorgegebenen Bereichen auf dem Substrat unter Verwendung irgendeiner Anzahl von unterschiedlichen Zuführungstechniken zugeführt werden.
Zahlreiche kombinatorische Techniken können verwendet werden, um die verschiedenen Felder aus unterschiedlichen Materialien auf dem Substrat entsprechend der vorliegenden Erfindung zu synthetisieren. Zum Beispiel wird in einer Ausführungsform eine erste Komponente eines ersten und eines zweiten Materials zu den vordefinierten Bereichen auf dem Substrat zugeführt. Dann wird eine zweite Komponente des ersten und des zweiten Materials zu den vordefinierten Bereichen auf dem Substrat zugeführt. Dieser Vorgang führt für die anderen Komponenten fort (z.B. dritte, vierte, fünfte, usw., Komponente) und/oder die anderen Materialien (z.B. drittes, viertes, fünftes, usw., Material), bis das Feld vollständig ist. In einer anderen Ausführungsform wird das Feld, wie zuvor beschrieben, gebildet, allerdings werden Materialien unmittelbar gebildet, wenn die Komponenten miteinander auf dem Substrat in Kontakt treten. In einer noch anderen Ausführungsform wird das Feld so, wie zuvor beschrieben, gebildet, allerdings wird, nachdem die verschiedenen Komponenten zu dem Substrat zugeführt sind, ein Verarbeitungsschritt ausgeführt, der zulässt oder bewirkt, dass die Komponenten in Wechselwirkung treten, um Schichten, Gemische, Mischungen und/oder Materialien, die aus einer Reaktion zwischen den Komponenten resultieren, zu bilden. In einer noch anderen Ausführungsform werden zwei oder mehr Komponenten zu vordefinierten Bereichen auf dem Substrat unter Verwendung schneller, sequenzieller oder paralleler Zuführungstechniken zugeführt, so dass die Komponenten miteinander in Wechselwirkung treten, bevor sie das Substrat berühren. Das sich ergebende Feld aus Materialien, jedes an einer diskreten und bekannten Stelle auf dem Substrat, weist Schichten, Gemische, Mischungen und/oder Materialien auf, die sich aus einer Reaktion zwischen Komponenten ergeben.
Im Wesentlichen kann irgendein denkbares Substrat bei der Erfindung eingesetzt werden. Das Substrat kann organisch, anorganisch, biologisch, nicht biologisch, oder eine Kombination davon, sein. Das Substrat kann als Partikel, Fäden, Niederschlägen, Gelen, Folien, Röhren, Sphären, Behältern, Kapillaren, Pads, Stücken, Filmen, Platten, Plättchen, usw., existieren. Das Substrat kann irgendeine passende Form haben, wie beispielsweise eine Scheibe, ein Quadrat, eine Sphäre, ein Kreis, usw.. Das Substrat ist vorzugsweise flach, kann allerdings eine Vielfalt von alternativen Oberflächen-Konfigurationen annehmen. Zum Beispiel kann das Substrat erhobene oder vertiefte Bereiche enthalten, auf denen die Synthese der unterschiedlichen Materialien stattfindet. Das Substrat und seine Oberfläche bilden vorzugsweise einen festen Träger, auf dem die Reaktionen, die hier beschrieben sind, ausgeführt werden. Das Substrat kann irgendeine breite Vielfalt von Materialien sein, umfassend, zum Beispiel, Polymere, Kunststoffe, Pyrex, Quarz, Harze, Silizium, Siliziumoxid oder auf Siliziumoxid basierende Materialien, Kohlenstoffe, Metalle, anorganische Gläser, anorganische Kristalle und Membrane. Unter Durchsicht dieser Angaben werden andere Substrat-Materialien leicht für Fachleute auf dem betreffenden Fachgebiet ersichtlich werden. Oberflächen auf dem festen Substrat können aus denselben Materialien wie das Substrat zusammengesetzt sein, oder sie können sich, alternativ, unterscheiden (d.h. die Substrate können mit einem unterschiedlichen Material beschichtet sein). Weiterhin kann die Substrat-Oberfläche darauf ein Absorptionsmittel (zum Beispiel Zellulose) enthalten, zu dem die Komponenten, die von Interesse sind, zugeführt werden. Das geeigneteste Substrat und die geeignetesten Substrat-Oberflächen-Materialien werden von der Klasse der Materialien, die synthetisiert werden sollen, abhängen, und die Auswahl in irgendeinem gegebenen Fall wird leicht für einen Fachmann auf dem betreffenden Fachgebiet ersichtlich werden. In anderen Ausführungsformen kann das Substrat eine Reihe von kleinen Kügelchen oder Pellets sein. Wie bei dem einzelnen Substrat, das ein Feld aus Materialien darauf besitzt, kann jedes einzelne Kügelchen oder Pellet aus Materialien, die nützliche Eigenschaften haben, aussortiert werden.
Eine Vielfalt von Substrat-Systemen ist möglich, einschließlich zwei- und dreidimensionalen Substrat-Systemen. In einigen Ausführungsformen wird die zweidimensionale, kombinatorische Katalyse-Bibliothek entweder auf einem porösen Substrat, wie beispielsweise Aluminiumoxid, oder auf einem nicht porösen Substrat niedergeschlagen werden. In einigen Ausführungsformen wird das Substrat weiterhin einen Synthese-Träger enthalten. Der Synthese-Träger kann aus Aluminiumoxid, Silizium, Quarz, Zeolith, Teflon, Siliziumoxid, und anderen Oxiden, usw., hergestellt sein. Der Synthese-Träger kann in der Form von Kügelchen, Scheiben bzw. Platten, oder in irgendeiner anderen Geometrie in, zum Beispiel, einer der folgende Substrat-Konfigurationen vorliegen: i) einem porösen Träger, angeordnet in einer Vertiefung, wobei die Reaktanten durch den Träger von der Oberseite der Vertiefung heraus durch ein Loch in dem Boden der Vertiefungen fließen (oder ein Fluss kann in der umgekehrten Richtung vorliegen); ii) einem porösen Träger, angeordnet in Vertiefungen, wobei die Reaktanten nicht von der Oberseite zu dem Boden der Vertiefungen, sondern zu und von der Oberseite der Vertiefungen, fließen; iii) einem nicht porösen Träger, angeordnet in Vertiefungen, wobei die Reaktanten um den Träger herum von der Oberseite der Vertiefungen heraus durch ein Loch in dem Boden der Vertiefungen fließen (oder können in der umgekehrten Richtung fließen); iv) einem nicht porösen Träger, angeordnet in Vertiefungen, wobei die Reaktanten nicht von der Oberseite zu dem Boden der Vertiefung hindurchfließen, sondern nur zu und von der Oberseite der Vertiefung; oder v) einem porösen oder nicht porösen Träger, nicht enthalten in den Vertiefungen, wobei die Reaktanten direkt auf der Substrat-Oberfläche niedergeschlagen sind.
Allgemein können physikalische Maskierungs-Systeme in Kombination mit verschiedenen Niederschlagstechniken eingesetzt werden, um Komponenten auf einem Substrat in einer kombinatorischen Art und Weise aufzubringen, um dadurch resultierende Materialien an vordefinierten Stellen auf dem Substrat zu erzeugen. Die Felder der resultierenden Materialien werden sich gewöhnlich in der Zusammensetzung, der Stoichiometrie und/oder der Dicke über das Substrat unterscheiden. Die Komponenten können, zum Beispiel, an das Substrat in der Form eines Gases, einer Flüssigkeit oder eines Pulvers abgegeben werden. Geeignete Niederschlagstechniken umfassen, sind allerdings nicht darauf beschränkt, Sputtern, Elektronenstrahl- und thermisches Verdampfen, Laserniederschlag, Ionenstrahlniederschlag, chemischer Dampfniederschlag und Sprühbeschichtung. Beim Lösungs-Phasen-Niederschlag umfassen Techniken, zum Beispiel, Sol/Gel-Verfahren, diskrete Flüssigkeits-Abgabetechniken (z.B. Pipetten, Spritzen, Ink Jets, usw.), Schleuderbeschichtung mit Lithografie, Mikrokontakt-Drucken, Sprühen mit Masken und Tauchimprägnierung. Weiterhin können solche Abgabesysteme manuell sein, oder sie können, alternativ, automatisiert sein, unter Verwendung von, zum Beispiel, Robotertech niken. Eine vollständiger Beschreibung repräsentativer Felder aus Materialien und von Systemen, umfassend Verfahren zum Erzeugen solcher Felder aus Materialien, können in den gemeinsam übertragenen, parallel anhängigen Patentanmeldungen „The Combinatorial Synthesis Of Novel Materials", Veröffentlichungs-Nr. WO 95/13278, angemeldet am 18. Oktober 1995; „Systems and Methods vor the Combinatorial Synthesis of Novel Materials", Patentanmeldung Serial No. 08/841,423; angemeldet am 22. April 1997; und „Discovery of Phosphor Materials Using Combinatorial Synthesis Techniques", vorläufige Patentanmeldung Serial No. 60/039,882, angemeldet am 4. März 1997; vorgefunden werden.
In einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können, nachdem die Komponenten auf vordefinierten Bereichen auf einem Substrat niedergeschlagen worden sind, sie unter Verwendung einer Anzahl von unterschiedlichen Techniken zur Reaktion gebracht werden. Zum Beispiel können die Komponenten unter von auf Lösung basierenden Synthese-Techniken, fotochemischen Techniken, Polymerisations-Techniken, durch auf eine Maske gerichtete Synthese-Techniken, epitaxiale Wachstums-Techniken, durch den Sol/Gel-Prozess, durch thermisches, infrarotes oder Mikrowellen-Erwärmen, durch Kalzinierung, Sinterung oder Glühen, durch hydrothermische Verfahren, durch Flussmittel-Verfahren, durch Kristallisation über Verdampfung eines Lösungsmittels, usw., zur Reaktion gebracht werden. Weiterhin kann jeder vordefinierte Bereich auf dem Substrat gleichzeitig oder aufeinander folgend unter Verwendung von Wärmequellen, wie beispielsweise fokussierte Infrarotstrahlung, durch Widerstandsheizen, usw., erwärmt werden. Reaktanten können, zum Beispiel, auf die Bibliothek aus Elementen in der Form eines Gases oder einer Flüssigkeit abgegeben werden. Andere, nützliche Techniken, die verwendet werden können, um die Komponenten, die von Interesse sind, zur Reaktion zu bringen, werden durch Fachleute auf dem betreffenden Fachgebiet ersichtlich werden. Zusätzliche Komponenten können mit anderen augenblicklich, unter Kontaktbringung miteinander, oder in der Luft, vor einem Kontaktieren des Substrats, reagieren. Die Komponenten können auch Schichten, Gemische oder Mischungen, in der Luft oder auf dem Substrat, bilden, im Gegensatz dazu, miteinander zu reagieren.
Das Feld aus den resultierenden Materialien kann, wenn es einmal präpariert ist, in Bezug auf nützliche Eigenschaften unter Verwendung der Verfahren, die hier beschrieben sind, gesiebt bzw. aussortiert werden. Entweder kann das gesamte Feld, oder, alternativ, ein Teil davon (z.B. eine Reihe aus vordefinierten Bereichen), unter Verwendung einer parallelen oder schnellen, sequenziellen Siebung gesiebt werden. In einigen Ausführungsformen ist ein vordefinierter Bereich auf dem Substrat, und deshalb der Bereich, auf dem jedes bestimmte Material synthetisiert ist, kleiner als ungefähr 25 cm², geringer als 10 cm², geringer als 5 cm², geringer als 1 cm², geringer als 1 mm², oder geringer als 0,5 mm². In anderen Ausführungsformen besitzen die Bereiche einen Flächenbereich geringer als ungefähr 10.000 μm², geringer als 1.000 μm², geringer als 100 μm², oder geringer als 10μm² sein. Dementsprechend wird die Dichte der Bereiche pro Flächeneinheit größer als 0,04 Bereiche/cm², größer als 0,1 Bereiche/cm², größer als 1 Bereich/cm², größer als 10 Bereiche/cm², oder größer als 100 Bereiche/cm², sein. In anderen Ausführungsformen wird die Dichte der Bereiche pro Einheitsfläche größer als 1.000 Bereiche/cm², größer als 10.000 Bereiche/cm², größer als 100.000 Bereiche/cm² oder größer als 10.000.000 Bereiche/cm² sein.
In einigen Ausführungsformen werden die Siebsysteme der vorliegenden Erfindung dazu verwendet werden, ein einzelnes Substrat, das mindestens 9 unterschiedliche Materialien besitzt, herauszusortieren bzw. auszusieben. In anderen Ausführungsformen scannt das Siebsystem ein Einzelsubstrat ab, das mehr als 50, 100, 10³, 10⁴, 10⁵, 10⁶, oder mehr, Materialien, die darauf synthetisiert sind, besitzt. In einigen Ausführungsformen wird das Substrat Felder aus Materialien mit so wenig wie zwei Komponenten haben, obwohl das Substrat Materialien mit 3, 4, 5, 6, 7, 8 oder mehr Komponenten darin haben kann. Das Substrat kann aus Materialien heraussortiert werden, die nützliche Eigenschaften haben, und/oder die resultierenden Materialien können bewertet werden oder in anderer Weise verglichen werden, in Bezug auf deren relativen Funktionsweisen in Bezug auf nützliche Eigenschaften oder andere Charakteristika. Die resultierenden Materialien umfassen, sind allerdings nicht darauf beschränkt, Kovalent-Netzwerk-Feststoffe, ionische Feststoffe und molekulare, anorganische Materialien, intermetallische Materialien, Metalllegierungen, keramische Materialien, organische Materialien, organometallische Materialien, nicht-biologische, organische Polymere, Komposit-Materialien (z.B. anorganische Komposite, organische Komposite, oder Kombinationen davon), oder homogene oder heterogene Katalysatoren. Wiederum kann, wenn einmal nützliche, resultierende Materialien unter Verwendung der Verfahren der vorliegenden Erfindung identifiziert worden sind, eine Vielfalt unterschiedlicher Verfahren verwendet werden, um solche Materialien in einem großen oder Massen-Maßstab mit im Wesentlichen derselben Struktur und denselben Ei genschaften zu präparieren. Eigenschaften, die heraussortiert werden können, umfassen, sind allerdings nicht darauf beschränkt, elektrische, thermische, mechanische, morphologische, optische, magnetische, chemische, Leitfähigkeits-, Super-Leitfähigkeits-, Widerstandsfähigkeits-, thermische Leitfähigkeits-, anisotrope, Härte-Kristallinität-, optische Transparenz-, Magneto-Widerstands-, Permeabilitäts-, Frequenzverdopplungs-, Fotoemissions-, Koerzivitäts-, dielektrische Festigkeit, oder andere nützliche Eigenschaften, die für Fachleute auf dem betreffenden Fachgebiet unter Durchsicht dieser Unterlagen ersichtlich werden. Es ist wichtig, dass das Synthetisieren und Sieben bzw. Heraussortieren eines diversen Felds aus resultierenden Materialien ermöglicht, dass neue Zusammensetzungen mit neuen, physikalischen Eigenschaften identifiziert werden.
Unter Vorgabe der chemischen Komplexität von katalytischen Systemen, dem Fehlen von Vorhersagemodellen, der Anzahl möglicher Kombinationen von Metallen, Gegenionen, Liganden, und Supports, und dem zeitaufwändigen Vorgang eines Evaluierens der Funktionsweise jeder Katalysator-Rezeptur unter Verwendung von herkömmlichen Laboratioriums-Pilotreaktoren, ist es nicht überraschend, dass die Suche nach dem optimalen Katalysator ein zeitaufwändiger und ineffizienter Prozess ist. Demzufolge ist eine kombinatorische Maßnahme, um katalytische Systeme zu entdecken und zu optimieren, die die Synthese von Katalysator-Bibliotheken mit aussortierenden Tools dieser Erfindung kombinieren, für eine Beschleunigung des Fortschreitens einer Untersuchung auf diesem Gebiet nützlich. Die Katalysator-Bibliotheken der vorliegenden Erfindung können organische (z.B. katalytische Antikörper), organometallische, heterogene oder anorganische Festkörper-Feldelemente umfassen. Organometallische Katalysator-Bibliotheken, die nach nützlichen Katalysator-Eigenschaften durchsucht werden können, umfassen, sind allerdings nicht darauf beschränkt, solche, die in der parallel anhängigen US-Patentanmeldung Serial No. 08/898,715, angemeldet am 22. Juli 1997, beschrieben sind.
Katalysator-Bibliotheken, die anorganische (z.B. heterogene oder anorganische Feststoffe) Materialien aufweisen, können auch im Hinblick auf nützliche Eigenschaften unter Verwendung der Verfahren dieser Erfindung durchsucht werden. Katalysator-Bibliotheken können Pulver, imprägnierte Feststoff-Träger, anorganische Filme und Monolithe, oder Kristalle, die räumlich innerhalb eines Substrat-Systems getrennt sind (z.B. Vertiefungen, flache Oberflächen) aufweisen. Anorganische Feststoff-Materialien, die als heterogene Katalysatoren nützlich sind, sind ausreichend in der chemischen Industrie be kannt. Heterogene Katalysatoren ermöglichen, dass katalytische Reaktionen auftreten, wobei die Reaktanten und Katalysatoren in unterschiedlichen Phasen vorliegen, und umfassen, sind allerdings nicht darauf beschränkt, gemischte Metalloxide, gemischte Metallnitride, gemischte Metallsulfide, gemischte Metallkarbide, gemischte Metallfluoride, gemischte Metallsilikate, gemischte Metallaluminate, gemischte Metallphosphate, Edelmetalle, Zeolithe, Metalllegierungen, intermetallische Verbindungen, anorganische Mischungen, anorganische Verbindungen und anorganische Salze. Heterogene Katalysator-Systeme weisen typischerweise Metalle, Metalloxide, Metallsulfide und andere Metallsalze auf, können auf einem Träger getragen werden (z.B. Aluminiumoxid, Siliziumoxid mit einer kontrollierten Teilchengröße und Porosität) und können in großen Mengen verwendet werden.
Heterogene Katalysatoren können durch eine Anzahl von Verfahren präpariert werden, die ausreichend im Stand der Technik bekannt sind, und umfassen ein Mischen von reaktiven Lösungen, eine Imprägnierung von Lösungen aus Metallsalz-Prekursoren auf oder in festen Trägern, eine Kopräzipitation und Mischen von kolloidalen Dispersionen. Diese Verfahren ergeben chemisch komplexe Mehrkomponenten-Feststoff-Produkte, die weiter mit reduzierenden Mitteln, oxidierenden Mitteln, und anderen, dritten Komponenten und Modifizierern behandelt werden können, um optimierte Materialien zu erzeugen.
Wenn einmal ein Feld eines Katalysators gebildet ist, können die Siebverfahren der vorliegenden Erfindung verwendet werden, um die katalytischen Eigenschaften der verschiedenen Verbindungen durch Beobachten, zum Beispiel, der Aktivität, der Lebensdauer und der Selektivität für eine Vielzahl von katalytischen Transformationen zu charakterisieren. Für die Zwecke dieser Erfindung ist ein Katalysator als irgendein Material definiert, das die Rate einer chemischen Reaktion beschleunigt und das entweder nicht während der Reaktion verbraucht wird oder das unter einer Rate langsamer (auf einer molaren Basis) als die Reaktion verbraucht wird, unter der es katalysiert wird. Beispiele von katalytischen Reaktionen/Transformationen umfassen, sind allerdings nicht darauf beschränkt, totale Oxidationen (z.B. die Umwandlung von CO in CO₂ unter Verwendung von Sauerstoff, oder NO_x für eine gleichzeitige Reduktion des NO_x), selektive Oxidationen (z.B. Epoxidationen von Olefinen), Reduktion (z.B. Wasserstoff-Erzeugung von ungesättigten Spezien), Polymerisationen (z.B. Ethylen-Copolymerisationen), Dimerisierung (z.B. Ethylen zu Buten), Trimerisierung, Oligomerisierung, Dekompositionen (z.B. Umwandlung von No_x in N₂ und O₂), Hydrosilanierung, Karbonylasierungen, Hydrozyanierung, Hydroformylatierung, Isomerisierung, Metathesis (z.B. von Olefinen und Azetylenen), Kohlenwasserstoff-Aktivierung, Kreuzkopplung, Friedel-Kraft-Acrylierung und Alkylierung, Hydration, und Diels-Alder-Reaktionen.
Thermische Bilderzeugung von kombinatorischen Bibliotheken
Die thermodynamische Evaluierung von kombinatorischen, chemischen Bibliotheken liefert kritische Informationen, die bei dem Entdecken und der Optimierung von neuen Materialien nützlich sind. Eine thermodynamische Charakterisierung bezieht sich auf die beobachtbaren Massen-Eigenschaften eines Materials (Volumen, Enthalpie, Wärme-Kapazität, Freie Energie, Reaktionswärme, katalytische Aktivität, thermische Leitfähigkeit, usw.), die den externen Bedingungen (Druck, Temperatur, Zusammensetzung, usw.) auferlegt werden. Im Prinzip werden thermodynamische Messungen vorgenommen und die Ergebnisse werden tabellarisch aufgebaut und verwendet, um Trends in den beobachteten Systemen unter unterschiedlichen Bedingungen zu überwachen.
Die Temperatur einer gesamten Bibliothek von Materialien kann mit einer Infrarotkamera als ein Maß der thermodynamischen Mengen, die den Materialien zugeordnet sind, überwacht werden, wobei die Messungen entweder seriell oder parallel durchgeführt werden. Kommerzielle, positions-empfindliche Systeme, wie beispielsweise Infrarot-Fokusebenen-Felder, zum Beispiel aufgebaut aus InSb- oder HgCdTe-Detektoren, besitzen eine Empfindlichkeit von besser als ± 0,05 °C über den Bereich von Temperaturen von –50 °C bis 800 °C und eine räumliche Auflösung besser als 1 mm, in Abhängigkeit von den Optiken. Die Geschwindigkeit der Daten-Akquisition von einer kommerziellen Infrarotkamera ist bis zu 120 Einzelbilder pro Sekunde hoch, was eine ausreichende Geschwindigkeit liefert, um den meisten, chemischen Reaktionen und thermischen Diffusionsübergängen zu folgen.
Eine Infrarotkamera wird verwendet, um die Wärme einer Reaktion einer kombinatorischen Bibliothek unter verschiedenen, äußeren Bedingungen, wie beispielsweise Temperatur und Gasfluss, zu überwachen. Zum Beispiel kann, wenn eine Festkatalysator-Bibliothek und deren umgebender Träger in einer zweidimensionalen Bibliothek einem Reaktanten ausgesetzt werden, eine messbare Erwärmung der Umgebung in Abhängigkeit von der Aktivität des chemischen Prozesses auftreten. In dem Fall eines Katalysators wird die Aktivität des Katalysators auf dem Träger durch die Energie, die als Wärme frei gegeben oder absorbiert wird, während der chemischen Reaktion zwischen dem Katalysator und dem Austauschgas dargestellt werden. In einer kombinatorischen Bibliothek sind Elemente nahezu identisch in der thermischen Masse, so dass Messungen der Wärme, die durch ein Element in der Bibliothek mit sich gebracht wird, relativ zu anderen innerhalb der Bibliothek Trends ergeben wird, die in der Charakterisierung der chemischen Prozesse, die durch diese Materialien induziert werden, ergeben.
Entsprechend 1 werden die relativen, thermischen Diffusions-Fähigkeiten der unterschiedlichen Materialien in einer Bibliothek gemessen, was demzufolge ein Maß der Materialdichte, der thermischen Leitfähigkeit und der spezifischen Wärme für die einzelnen Materialien liefert. Die unterschiedlichen Materialien 101 sind an einem gleichförmigen Substrat 103 befestigt, zum Beispiel unter Verwendung eines Niederschlagsvorgangs. Eine modulierte Wärmequelle 105 ist zu der Unterseite der Bibliothek hin gerichtet, entweder direkt angrenzend zu einem einzelnen Element, oder in einer solchen Art und Weise, um gleichzeitig und gleichförmig die gesamte Bibliothek zu bestrahlen. Ein IR-Detektor 107 tastet die Bibliothek ab, entweder durch Umpositionierung des Detektors oder durch Umpositionierung der Bibliothek relativ zu dem Detektor. Der Detektor 107 überwacht die Temperaturänderung der Bibliothek-Materialien 101 in Abhängigkeit von der Modulation der Wärmequelle 105. Wenn die Wärmequelle 105 nicht gleichzeitig und gleichförmig die gesamte Bibliothek bestrahlt, muss sie in Verbindung mit dem Detektor 107 abgetastet werden, was demzufolge sicherstellt, dass die überwachten, thermischen Diffusions-Fähigkeiten demselben Wärmeeintrag entsprechen. Um die Empfindlichkeit dieser Anordnung zu maximieren, sollte das Substrat 103 so dünn und thermisch transparent wie möglich sein.
2 stellt eine zweite Anordnung der 1 dar. In dieser Anordnung bestrahlt eine modulierte Wärmequelle 201 gleichzeitig und gleichförmig das gesamte Substrat 103, und demzufolge alle Bibliothek-Materialien 101. Ein positions-empfindliches IR-Detektorfeld 203 überwacht die Temperaturänderung aller Bibliothek-Elemente 101, was demzufolge die Notwendigkeit für ein Tanslationssystem beseitigt.
3 stellt eine zweidimensionale Bibliothek 300 aus Materialien dar. Die einzelnen Bibliothek-Elemente sind innerhalb einer Vielzahl von Reaktions-Vertiefungen 301 in einem Substrat 303 vorhanden. Das Substrat 303 ist innerhalb einer abgedichteten Reaktionskammer (nicht dargestellt) angeordnet, die darauf folgend mit ausgewählten Gasen gefüllt wird und unter Druck gesetzt wird. Das Substrat 303 wird dann in situ erwärmt. Fenster 305 und 307 sind aus einem infrarot-transparentem Medium (z.B. BaF₂, CaF₂, NaCl, usw.), geeignet zum Halten des unter Druck gesetzten Gases innerhalb der Kammer, hergestellt. Da die Fenster 305 und 307 transparent sind, können thermische Abbildungs-Techniken verwendet werden, um, parallel zu der Wärme einer Reaktion des Felds, unter verschiedenen äußeren Bedingungen zu überwachen.
Eine Messung der Reaktionswärme über Temperaturänderungen ist eine nützliche Technik zum Feststellen der katalytischen Rate. Dieses Verfahren liefert, obwohl es für Produkte unempfindlich ist, ein paralleles Sieb mit hohem Durchsatz, wenn eine Aktivität von Interesse ist. Für kondensierte Phasen-Produkte sowohl eines homogenen als auch eines heterogenen Katalysators stehen die Produkte selbst in einem thermischen Kontakt mit dem Katalysator. Demzufolge liefert eine Infrarot-Emissionsabbildung der Bibliothek-Elemente ein einzigartiges Mittel, um große Bibliotheken parallel zu beurteilen. Wenn große Differenzen in der Emissions-Fähigkeit für die einzelnen Bibliothek-Elemente beobachtet werden, kann eine alternative Ausführungsform verwendet werden, in der die Bilderzeugung von der Seite des Substrats, gegenüberliegend zu den Bibliothek-Elementen aus, durchgeführt wird. In dieser Anordnung wird die Bilderzeugung über ein Material, wie beispielsweise Graphit, das eine gleichförmige Empfindlichkeit besitzt, durchgeführt. Als eine Folge wird ein wesentlich besseres Signal-zu-Rausch-Verhältnis erreicht. Allerdings schließen, da relative Änderungen in der Temperatur von Interesse sind, Unterschiede in der Emissions-Fähigkeit nicht die Nützlichkeit der Messung aus.
In dem System mit kondensierter Phasen-Erfassung, das vorstehend beschrieben ist, werden sich sowohl die Produkte, der Katalysator als auch der Träger in der Temperatur ändern. Allerdings ist, in der Gas-Phase, die Temperatur-Variation auf den Katalysator und den Träger beschränkt. Die Temperatur jedes einzelnen Bibliothek-Elements ebenso wie die Differenz in der Temperatur relativ zu den umgebenden Elementen gibt die Aktivität einer Stelle einer spezifischen Bibliothek und die Reaktionswärme wieder. Vorzugsweise besitzt der Katalysator-Träger eine minimale, thermische Masse und der katalytische Oberflächenbereich für jedes Bibliothek-Element ist nahezu identisch.
Um eine Messung durchzuführen, werden die Probenkammer, die Bibliothek und die Struktur zuerst auf eine gleichförmige Temperatur ausgeglichen. Ein Inertgas füllt die Kammer unter einem vorgegebenen Druck. Zu der Zeit t gleich 0 wird das erwünschte Re aktantgas in die Kammer langsam hineingeführt und die Substrat-Temperatur wird über wacht. Vorzugsweise wird die Substrat-Temperatur unter periodischen Intervallen überwacht, obwohl eine fortlaufende Überwachung auch verwendet werden kann. Der Anstieg oder der Abfall in der Temperatur der thermischen Masse, die den Katalysator trägt, ist ein direktes Maß der exothermen oder endothermen, katalytischen Aktivität der Stelle.
Als eine Abschätzung der Temperaturänderung, die erwartet wird, wenn ein Mikrojoule in einem Bereich eines Materials von 1 mm × 1 mm × 0,0001 mm niedergeschlagen wird, wird eine Temperaturänderung von ungefähr 0,5 K erwartet. Die Reaktion von Ethylen und Wasserstoff mit Ethan erzeugt 120 KJ/Mol, und deshalb erfordert 1 Mikrojoule nur die Reaktion von 5 × 10¹² Molekülen. Viele Male wird die Zahl von Molekülen pro Sekunde auf einem typischen, porösen Träger mit 1 mm × 1 mm × 0,0001 mm oder einem nicht porösen Film mit 1 mm × 1 mm × 0,000001 mm reagieren. In einer anderen Ausführungsform können einzelne Elemente in Serie unter Verwendung einer positions-unempfindlichen Temperaturerfassungs-Technologie oder mit einem Einzel-Element abgetasteten Detektoren überwacht werden.
Beispiel
Das nachfolgende Beispiel gibt die Verwendung einer thermischen Bilderzeugung an, um thermische Emission während einer Polymerisations-Reaktion zu überwachen. 4 stellt eine Reaktionskammer 400 zum Überwachen einer thermischen (d.h. infraroten) Emission bei einem vordefinierten Druck und einer vorgegebenen Temperatur dar. Demzufolge kann das System 400 dazu verwendet werden, Bibliotheken aus potenziellen Katalysatoren in Bezug auf eine Aktivität unter Polymerisations-Bedingungen auszusortieren. Typischerweise wird eine Bibliothek aus Katalysatoren, wie beispielsweise das Substrat, dargestellt in 3, in dem System 400 angeordnet. Die Katalysatoren, Lösungsmittel, Initiatoren und zusätzlichen Komponenten, die dazu notwendig sind, die Polymerisations-Reaktion durchzuführen, werden in Vertiefungen innerhalb eines thermisch härtenden Substrats 303 angeordnet, das dazu geeignet ist, erhöhte Temperaturen, wie beispielsweise 100 °C, unter einem Überdruck von Gas, wie beispielsweise Ethylengas bei 40 psig, zu erreichen. Die Temperatur jeder Vertiefung wird über ein IR-transparentes Fenster 401 mit einem positions-empfindlichen Abbildungssystem 403 überwacht. Vorzugsweise erfasst das Abbildungssystem 403 thermische Karten der Bibliothek unter festgelegten Zeitintervallen. 5 stellt eine repräsentative, thermische Karte 500 dar. Die Bibliothek, ab gebildet in der thermischen Karte 500, umfasst 61 Elemente. Wie dargestellt ist, sind höhere Temperaturen durch eine Erhöhung in der Bildempfindlichkeit ebenso wie in einer Änderung von Farbe in blau zu rot angegeben.
Die grafische Darstellung, gezeigt in 6, gibt die Temperatur von elf repräsentativen Bibliothek-Elementen als eine Funktion der Zeit an. Wenn eine höhere Auflösung erforderlich ist, können häufigere Datenpunkte einfach durch Verringern der Zeitintervalle zwischen IR-Bildern erhalten werden.
Differenzielle, thermische Analyse
Änderungen in der Struktur und der Bindung einer chemischen Zusammensetzung während eines Übergangs von einer thermodynamisch stabilen Phase zu einer anderen führt zu Wärme, die entwickelt wird (exothermischer Prozess) oder absorbiert wird (endothermischer Prozess). Deshalb kann sich, während eines Phasen-Übergangs, die Temperatur der Probe, die von Interesse ist, ändern, oder die Rate einer Temperaturänderung kann sich erhöhen oder verringern. Traditionell wird eine differenzielle, thermische Analyse in einer ausgewählten Umgebung durchgeführt, wo die Temperatur des Materials, das gemessen werden soll, mit der Temperatur eines Standard-Materials (z.B. α-Al₂O₃), das keinen Phasen-Übergang besitzt, wenn die Temperatur über den Bereich, der von Interesse ist, variiert wird, verglichen wird. In einer differenziellen, thermischen Analyse wird die Temperatur des Standard-Materials von der Temperatur des Proben-Materials subtrahiert, um die Temperatur-Differenz zu erhalten. Dann wird eine grafische Darstellung der Temperatur gegenüber der abgeleiteten Temperatur-Differenz erstellt.
Eine differenzielle, thermische Analyse von kombinatorischen Bibliotheken wird unter Verwendung einer Infrarotkamera durchgeführt. Die Infrarotkamera überwacht die Temperatur jedes Bibliothek-Elements parallel und vergleicht es mit der Temperatur eines bekannten Standard-Materials, niedergeschlagen innerhalb des Sichtfelds der Kamera, und unterworfen denselben, physikalischen Bedingungen wie die Bibliothek-Elemente. Auf diese Art und Weise werden komplizierte Phasen-Beziehungen für große Bibliotheken aus Materialien durch Erwärmen oder Kühlen der Bibliothek und Messen der Änderungen in der differenziellen Temperatur oder der Steigung der differenziellen Temperatur gegenüber der tatsächlichen Temperatur gemessen.
Schnelles Heraussortieren kombinatorischer Bibliotheken mit Infrarot-Spektroskopie
Bis hier sind keine bekannten Vorrichtungen vorhanden gewesen, die zum Charakterisieren parallel der Struktur-Aktivitäts-Beziehungen für eine große Anzahl von chemischen Reaktionen in einer Zeitskala, relevant für die Geschwindigkeit der meisten Polymerisations- und katalytischen Reaktionen, geeignet sind. Die meisten, existierenden Instrumente charakterisieren eine Probe zu einem Zeitpunkt, oder eine Anzahl von Proben in Serie unter einer Rate, die langsamer als die meisten, chemischen Reaktionen sind.
In Bezug auf ein System für ein gleichzeitiges Charakterisieren der Reaktions-Produkte von einer Bibliothek aus unterschiedlichen Katalysatoren sind, in einem Beispiel, die Produkte Polymere, und Informationen über die Polymer-Struktur können erhalten werden. Vorzugsweise arbeitet das System in den nahen IR (NIR) (12.500–4.000 cm^–1) und den mittleren IR-Bereichen (4.000–200 cm^–1) des Spektrums.
Absorptions-Banden in dem nahen IR-Bereich werden durch Oberschwingungen und Kombinationen von fundamentalen, molekularen Vibrationsbändern, die üblicherweise in dem mittleren IR vorgefunden werden, verursacht. Demzufolge ist der nahe IR-Bereich ein etwas einfacheres Spektrum für einen Computer, um es analytisch anzupassen. Allgemein wird die Beziehung zwischen Änderungen in dem Absorptions-Spektrum und Änderungen in den physikalischen Eigenschaften der Polymere empirisch mit der Hilfe einer Anpassung mittels Computer des nahen IR-Spektrums bestimmt. Die relative Art der Absorptions-Analyse in dem nahen IR macht sie für ein Aussortieren mit hohem Durchsatz geeignet. Polymer-Molekulargewicht, Schmelzindex, Taktizität, Verzweigungs-Verhältnis und der Grad einer Umwandlung sind Beispiele von Informationen, die von einer Analyse des nahen IR-Spektrums erhalten werden.
Der mittlere IR-Bereich des Spektrums liefert viel mehr Informationen über den vibrationsmäßigen Charakter von Polymeren. Zum Beispiel können strukturelle Parameter, wie beispielsweise die Frequenz von Methyl-, Butyl-, und Ethyl-Verzweigungen in Polyethylen, aus Änderungen in den Peak-Absorptionsvermögen in dem mittleren IR-Bereich bestimmt werden.
Dabei sind mehrere Anordnungen der Erfindung vorhanden, die dazu verwendet werden können, das Infrarot-Absorptions-Spektrum einer kombinatorischen Bibliothek zu messen, wobei Beispiele davon nachfolgend beschrieben sind.
Infrarot Absorptions Spektroskopie unter Verwendung einer monochromatischen Quelle
Spezifische, molekulare Vibrationen können durch eine Infrarot-Absorption evaluiert werden. Da C=C Dehnungsmoden spezifische Absorptionen bei 1650 und 2200 cm^–1 haben, führt eine Überwachung der relativen Änderung in der Absorption bei diesen Frequenzen über eine Bibliothek zu einem Maß der relativen Änderung in der Anzahl von C=C Bindungen in dem System. Deshalb gibt die Änderung in der Absorption strukturelle Änderungen wieder, die während einer Polymerisation auftreten, zum Beispiel während der Polymerisation von Ethylen.
7 stellt ein System dar, in dem eine monochromatische Infrarot-Quelle 700 eine Bibliothek aus Verbindungen 705, enthalten auf einem Substrat 710, bestrahlt. Das Substrat 710 ist aus einem infrarot-transparenten Material, wie beispielsweise BaF₂, CaF₂, oder NaCl, aufgebaut, und kann Vertiefungen umfassen oder nicht umfassen, wie dies dargestellt ist. Die Quelle 700 kann eine monochromatische Infrarot-Quelle, abgestimmt auf eine spezifische Wellenlänge, unter Verwendung von selektiven Filtern, zum Beispiel, oder irgendeine andere, abstimmbare, monochromatische Quelle sein. Die Intensität des Bereichs des IR-Strahls 715, der durch das Bibliothek-Element 705 und das Substrat 710 hindurchführt, wird als eine Funktion der Zeit durch einen IR-Sensor 720 erfasst. Der IR-Sensor 720 kann aus, zum Beispiel, entweder HgCdTe- oder InSb-Detektoren aufgebaut sein. Durch Überwachen der Infrarot-Absorption als eine Funktion der Zeit kann ein Fortschreiten der Reaktion überwacht werden.
Die Quelle 700 kann durch individuelle Bibliothek-Elemente, eines nach dem anderen, in einer seriellen Art, hindurchgeführt werden, oder ein Quellenstrahl mit einem großen Flächenbereich kann durch die gesamte Bibliothek hindurchgeführt werden. Ähnlich kann ein Infrarot-Erfassungssystem 720 ein einzelner Infrarot-Detektor, abgetastet über die Bibliothek, in einer seriellen Art und Weise sein, oder kann ein positions-empfindliches Abbildungssystem sein, das die Absorption aller Bibliothek-Elemente in einer parallelen Art und Weise überwacht.
Infrarot-Absorptions-Spektroskopie unter Verwendung einer polychromatischen Quelle
Die Absorption von spezifischen, molekularen Vibrationen im Infrarot wird nach Bestrahlen einer Bibliothek mit polychromatischer Strahlung gemessen. Nach einer Absorpti on durch die Bibliothek wird die Strahlung, die durch die Bibliothek-Elemente hindurchführt, gefiltert, um so einen Bereich einer erwünschten Wellenlänge unter Verwendung von selektiven Bandpassfiltern zu erfassen. 8 stellt ein System dar, das eine polychromatische Quelle 800 verwendet, um eine Bibliothek aus Verbindungen 705 auf einem infrarot-transparenten Substrat 710 zu bestrahlen. Ein oder mehrere Filter 805 ist bzw. sind zwischen der Bibliothek und dem Detektor-System 810 platziert. Wie in dem vorstehenden Beispiel kann das System entweder einen Strahl mit breitem Bereich verwenden, um die gesamte Bibliothek zu bestrahlen, oder ein kleinerer Strahl kann verwendet werden, um einen bestimmten Untersatz der Bibliothek-Elemente zu bestrahlen, zum Beispiel ein einzelnes Element. Ähnlich können die Filter 805 und das Erfassungssystem 810 über die Bibliothek in einer seriellen Art und Weise abtasten, oder die gesamte Bibliothek kann unter Verwendung eines positions-empfindlichen Detektors überwacht werden. Filter 805 können entweder getrennt von dem Erfassungssystem 810, oder integral damit, vorliegen.
Infrarot-Absorptions-Spektroskopie unter Verwendung eines FT-IR-Abbildungssystems
In einer Ausführungsform der Erfindung kann eine große Anzahl von chemischen Reaktionen auf einem Zeitmaßstab von Minuten, im Gegensatz zu Stunden, charakterisiert werden. Das System umfasst allgemein ein Fourier Transformations-Infrarot-(FT-IR)-Spektrometer, eine Hochgeschwindigkeits-Infrarotkamera und einen Computer. In einer Ausführungsform, die so aufgebaut ist, um in einem Transmissions-Mode zu arbeiten, erzeugt ein modifiziertes FT-IR-Spektrometer einen modulierten Infrarot-Strahlungsstrahl, der auf die kombinatorische Bibliothek fokussiert wird, wo er mit den Verbindungen, die von Interesse sind, in Wechselwirkung tritt. Nach der Wechselwirkung mit der Bibliothek wird der Strahl zurück auf das Fokusebenenfeld (FPA) einer Hochgeschwindigkeits-Infrarotkamera fokussiert. Das FPA wirkt als ein Bereichs-Detektor, um Strahlung für jede Position innerhalb des Sichtfelds zu erfassen, was eine wahre, parallele Erfassung der IR-Spektren für große, kombinatorische Bibliotheken zulässt.
9 stellt schematisch ein IR-Abbildungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung dar. Das System umfasst ein IR-Quellen/Interferometer 901, einen Probe/Bibliothek-Bereich 903 und eine Infrarotkamera 905, verbunden mit einem Computer 907. Das System erfordert eine ausreichend intensive Quelle einer modulierten IR-Strahlung, um gleichförmig den erweiterten Proben-Bereich, der von Interesse ist, zu bestrahlen. Das Interferometer 901 moduliert die Signal-Frequenz in einem Bereich, erfassbar durch die Kamera 905. Nach Verlassen des Interferometers 901 wird der IR-Strahl, zum Beispiel unter Verwendung einer Linse 909, vor einer Wechselwirkung mit der Probe 903 erweitert. Geeignete Sammeloptiken 911 fokussieren den IR-Strahl, der durch die Probe 903 hindurchführt, auf den FPA der Kamera 905. Die Infrarotkamera 905 erfasst positionsempfindliche Infrarot-Profile sequenziell in der Zeit unter einer Rate, bestimmt durch die erwünschte, spektrale Auflösung und die spektrale Bandbreite, vorzugsweise unter einer Rate von 60 Einzelbildern/sec oder größer. Die sequenziellen Intensitäts-Profile werden (unter Verwendung einer Fourier Analyse) in ein vollständiges Infrarot-Spektrum mit der Hilfe eines Computers 907 transformiert.
Die Infrarot-Quellen 901 der Abbildungs-FT-IR-Einstellung umfassen allgemein eine Strahlungsquelle und eine Signal-Verarbeitungsgerätschaft (z.B. Interferometer). Eine typische Quelle ist ein Heizstab oder ein bestimmtes anderes, erwärmtes Material, das dazu geeignet ist, ein polychromatisches Spektrum, das den Infrarot-Bereich, der von Interesse ist, abdeckt, zu erzeugen.
In einem FT-IR-System wird Licht von einer Punktquelle durch eine Kollimiereinrichtung parallel gemacht und weiter zu einem Strahlteiler geführt. Die zwei Strahlen, gebildet durch den Strahlteiler, laufen zu den Spiegeln und werden zurückreflektiert. Die Strahlen verbinden sich dann wieder an dem Strahlteiler, wo sie so in Wechselwirkung treten, um ein Interferogramm zu erzeugen, das auf die kombinatorische Bibliothek gerichtet wird. Nach Wechselwirken mit der Bibliothek wird die Infrarot-Strahlung, die durch die Bibliothek hindurchführt, auf den Detektor fokussiert. Der Detektor zeichnet ein Intensitätssignal auf, das von der Weg-Differenz, die durch den Lauf und von den Spiegeln aufgebracht wird, und der Absorption durch die Materialien in der kombinatorischen Bibliothek abhängt. Der Abstand von dem Strahlteiler zu den Spiegeln ist wahlweise; dasjenige, was wichtig ist, ist die Differenz in den Längen der Wege.
Einer der Spiegelarme in dem Interferometer wird unter einer konstanten Geschwindigkeit, V, bewegt. Wenn durch die monochromatische Quelle beleuchtet wird, wird der Detektor eine sich periodisch variierende Kosininuswelle sehen. Die elektrische Frequenz f dieser Welle wird durch die Änderungsrate der Weg-Differenz dD/dt bestimmt. Da dD/dt einfach 2V ist, ist f äquivalent zu 2nV. Deshalb kann ein Michelson-Interferometer dahingehend angesehen werden, dass es von einer Form eines Frequenzwandlers ist, der optische Frequenzen umwandelt, die typischerweise zu schnell für einen Detektor sind, um herunter zu elektrischen Frequenzen zu überwachen, die irgendeinen Wert haben können, der durch die Spiegel-Geschwindigkeit V bestimmt ist.
Die Weg-Differenz wird einfach mit der Hilfe eines Lasers, zum Beispiel eines HeNe-Lasers, bestimmt. Der Laserstrahl wird durch das Interferometer gleichzeitig mit der IR-Bestrahlung geschickt. Wenn sich die Weg-Differenz ändert, bildet das monochromatische Laserlicht eine Kosinuswelle an einem Detektor. Durch Zählen der Anzahl von Maxima (Ringen) in dem Muster, erzeugt durch den rekombinierten Strahl, kann die Weg-Differenz sehr präzise gemessen werden, wie dies ausreichend im Stand der Technik bekannt ist.
Dabei sind zwei grundsätzlich unterschiedliche Maßnahmen vorhanden, um ein FT-IR-Spektrometer zu steuern. Bei der ersten wird der Spiegel unter einer konstanten Geschwindigkeit bewegt, was zu einem Kosinusausgang an dem Detektor führt. Die am meisten kommerziellen FT-IR-Spektrometer verwenden ein Interferometer, das kontinuierlich den Interferometer-Spiegel abtastet. In der zweiten Maßnahme wird der Spiegel stufenweise zwischen Probepunkten so schnell wie möglich bewegt. Bei jedem Schritt wird der Spiegel in einer Position für die erwünschte Integrationszeit gehalten. Diese Maßnahme, bekannt als Schrittabtastung, besitzt zwei bestimmte Vorteile gegenüber einer kontinuierlichen Abtastung. Zuerst ist die Messung der Spiegelposition und deshalb die Weg-Differenz einfacher und präziser. Als zweites beruht in der bevorzugten Ausführungsform das Abbildungssystem auf einer Infrarotkammer mit einem FPA von ungefähr 256 × 256 (65.536) Elementen. Aufgrund der Größe des FPA ist die Rate, unter der Daten von dem Feld entladen werden können, begrenzt. Eine Schrittabtastung ermöglicht eine kleine Pause, wenn der Spiegel stufenweise zu der nächsten Position geht, während der die Daten von dem FPA entladen werden können. Ein Triggersignal wird zu der IR-Kamera zugeführt, wenn der Spiegel eine gegebene Position erreicht. Der offensichtliche Nachteil eines Schrittabtast-Interferometers relativ zu einem Kosinusabtast-Interferometer ist die Geschwindigkeit, unter der Daten erhalten werden können.
Kommerzielle Schrittabtast-Interferometer, die in dem mittleren IR arbeiten, verwenden typischerweise eine Glühstabquelle, die dazu geeignet ist, eine Energiedichte von 0,7 mW/mm² (d.h. 35 mW über einen Strahldurchmesser von 8 mm) zu erzeugen. Deshalb erfordert eine Erweiterung des Standardstrahls über die vollständige Größe einer Polymer-Bibliothek einer Erhöhung des Leistungsausgangs der Quelle, um dieselbe Leistungs dichte über jedes Element in der Bibliothek beizubehalten. Zum Beispiel erfordert ein Beleuchten eines Bereichs mit einem Durchmesser von 40 mm mit 0,7 mW/mm² eine Leistung eines Glühstabs von 880 mW, ein Faktor um 25 größer als ein typischer Glühstab. Weiterhin müssen, wenn der Leistungsausgang der Quelle erhöht wird, die Leistungs-Handhabungs-Fähigkeiten der Interferometer-Optiken ähnlich erhöht werden. Eine Maßnahme für eine Quelle mit hoher Intensität ist diejenige, mehrere Glühstab-Quellen mit einem geeigneten, ellipsoidalen Spiegel zu verwenden. Der intensivierte Strahl wird dann kollimiert.
Erweiterungs-Optiken 909 sollten dazu in der Lage sein, den Strahl mit hoher Intensität von dem Interferometer ohne einen ersichtlichen Leistungsverlust zu erweitern. Dies ist mit Laserstrahl-Expandern möglich, die IR-Transmissions-Beschichtungen, optimiert für den spektralen Bereich des FPA, haben. Falls erforderlich ist, können Faser-Optiken verwendet werden, um die Strahlung auf die Reaktions-Vertiefungen einzugrenzen, was demzufolge die gesamte Leistung, die erforderlich ist, durch Beseitigen der Leistung, die normalerweise an dem toten Raum zwischen den Reaktions-Vertiefungen verschwendet wird, zu verringern.
Gemäß der vorliegenden Erfindung schafft das spektroskopische Abbildungssystem eine parallele Messung des Infrarot-Spektrums einer kombinatorischen Bibliothek aus Verbindungen. Deshalb tritt die modulierte IR-Strahlung von dem Interferometer vorzugsweise mit jeder Probe in der Bibliothek in Wechselwirkung, bevor sie die IR-Kamera erreicht. Deshalb sind dabei zwei unterschiedliche Proben-Konfigurationen vorhanden, die für eine Polymer-Analyse nützlich sind: (i) Post-Polymerisations-Analyse von Polymerfilmen, denen es an Lösungsmittel fehlen kann, und (ii) in situ Analyse von Polymerisations-Reaktionen, wobei ein Lösungsmittel vorhanden sein kann. Beide Konfigurationen können mit einer Transmissions-Spektroskopie durchgeführt werden. Allerdings unterscheiden sich die Einschränkungen an den Proben für jede Konfiguration aufgrund der Erfassungsgrenzen des FPA und der Wechselwirkungen mit dem Lösungsmittel.
Eine Post-Reaktions-Analyse von Dünnfilm-Bibliotheken ist wesentlich einfacher als bei einer in situ Analyse. Neben dem Beseitigen der Lösungsmittel-Peaks von dem Spektrum wird das Signal-zu-Rausch-Verhältnis durch Erhöhen der Integrationszeit an dem FPA erhöht, da die Zeitbeschränkungen, die dem System auferlegt werden, während versucht wird, eine chemische Reaktion zu verfolgen, beseitigt werden. Das Signal-zu- Rausch-Verhältnis wird weiterhin aufgrund der eigenen Erhöhung in der Absorption, sich aus einer hohen Konzentration eines Polymers ergebend, das mit der Quellenstrahlung in Wechselwirkung tritt, maximiert. Eine Dünnfilm-Bibliothek kann mittels Roboter auf einem geeigneten, IR-transmittierenden Substrat niedergeschlagen werden und kann dann parallel sehr einfach mit diesem System abgebildet werden.
Eine Überwachung einer Polymerisations-Reaktion ist wesentlich komplizierter. Zunächst muss ein Reaktionsgefäß, geeignet zum Aufnehmen der Polymerlösungen, mit den folgenden Kriterien konstruiert werden: (i) mindestens eine Seite des Reaktionsgefäßes muss ein IR-transparentes Material haben, um zu ermöglichen, dass Strahlung durch die Probe hindurchführt; (ii) die allgemeinen Merkmale eines Polymerisations-Reaktors müssen beibehalten werden (z.B. Temperatur-Steuerung, Mischen/Agitation, usw.); und (iii) die Dicke und deshalb die IR-Weglänge des Reaktionsgefäßes muss klein genug sein, dass die Strahlung nicht vollständig gedämpft wird, allerdings noch lang genug, um eine messbare Menge einer Absorption zu ermöglichen. Zum Beispiel kann ein Zylinder mit 6 mm Durchmesser × 10 mm Länge (mit einem Volumen ungefähr gleich zu 0,3 cm³) in einer Standardplatte für das nahe IR verwendet werden, und ein ähnlicher Aufbau einer Platte mit einem Zylinder, der eine Weglänge von 1 mm besitzt, wird für das mittlere IR verwendet. Ein Beispiel eines Designs ist schematisch in 3 dargestellt.
Die Probenkammer sollte gegen Streu-IR-Strahlung isoliert sein. Zum Beispiel liefert eine Person, die in den Bereich hineinläuft, wo das Experiment durchgeführt wird, eine messbare Menge an reflektierter Wärmestrahlung, die durch den FPA aufgenommen werden kann. Eine geschlossene Probenkammer ähnlich zu solchen, die in kommerziellen FT-IRs vorgefunden wird, ist typischerweise akzeptierbar.
Der FPA der Kamera sollte ein hohes Signal-zu-Rausch-Verhältnis haben, um das schwache Signal, das von jedem Element (d.h. Reaktor) in der Bibliothek ankommt, zu messen. Die exakten Grenzen werden durch den Umfang der Intensität, geliefert durch die Quelle, und durch den Umfang eines Verlusts in dem System eingestellt. Kommerzielle IR-Kameras haben FPAs, die primär aus gekühlten InSb- und HgCdTe-Detektoren, mit festgelegten Rausch-Charakteristika, hergestellt sind. Da die Kamera typischerweise als eine fertig gestellte Anordnung erworben wird, ist die Empfindlichkeit des FPA kein wichtiger Faktor, vielmehr ist es die Empfindlichkeit der gesamten Kamera (FPA, Elektroniken, Filterungen, usw.), die der kritische Design-Faktor ist.
Um chemische Reaktionen mit dieser Vorrichtung zu verfolgen, muss das IR-Spektrum unter bestimmten Zeitintervallen abgetastet werden, die von allen 20 Sekunden bis zu einer einzelnen Messung in Abhängigkeit von den erwünschten Informationen (d.h. in situ Messungen gegenüber Film-Charakterisierung) reichen können. Ein Erfassen des IR-Spektrums für jedes Element in der Bibliothek alle 20 Sekunden erfordert eine Hochgeschwindigkeits-IR-Kamera; die Daten-Akquisitionsrate der Kamera wird durch die Stärke des Signals, die erwünschte, spektrale Bandbreite und die Auflösung bestimmt. Obwohl die wahre Zeit, die erforderlich ist, um ein Spektrum zu erhalten, auf der Daten-Akquisitionsrate und auf der Computer-Verarbeitung beruht, ermöglicht die Fähigkeit der IR-Kamera, unter schneller als 120 Einzelbildern/sec zu arbeiten, dass eine ausreichende Anzahl von Interferogrammen abgetastet werden kann, um das Spektrum schnell zu rekonstruieren.
Die Bilder, erfasst durch die IR-Kamera, sollten so zusammengestellt und analysiert werden, um eine Reihe von Interferogrammen (Intensität gegenüber der Zeit) für jedes Element in dem Bild entsprechend zu einem Element in der kombinatorischen Bibliothek zu erzeugen. Die Interferogramme müssen zurück zu einer nützlicheren Intensität gegenüber einer Wellenlängen-Darstellung mit der Hilfe einer Fourier Transformation, durchgeführt durch den Computer, transformiert werden. Um die Fourier Transformation durchzuführen, muss der Computer präzise die Zeit oder die Spiegel-Position entsprechend zu jedem Bild kennen. Es ist deshalb notwendig, einen elektronischen Auslöser an dem Interferometer zu haben, um den Kameraverschluss auszulösen. Auf diese Art und Weise kann eine Reihe von Ausdrucken der Absorption gegenüber der Wellenlänge für jedes Element innerhalb des Sichtfelds der Infrarotkamera aufgebaut werden.
Es sollte verständlich werden, dass die vorstehende Beschreibung dazu vorgesehen ist, erläuternd und nicht beschränkend, zu sein. Viele Ausführungsformen werden für Fachleute auf dem betreffenden Fachgebiet unter Lesen der vorstehenden Beschreibung ersichtlich werden. Der Schutzumfang der Erfindung sollte deshalb nicht unter Bezugnahme auf die vorstehende Beschreibung bestimmt werden, sondern sollte anstelle davon unter Bezugnahme auf die beigefügten Ansprüche bestimmt werden.

Claims

Verfahren zur Charakterisierung einer Bibliothek von Materialien, die in einem Feld enthalten sind, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: Bereitstellen eines Substrats, das das Feld von Materialien auf dem Substrat umfasst; paralleles Charakterisieren des Feldes der Materialien durch Erzeugen eines modulierten Strahles aus Infrarotstrahlung; gleichzeitiges Bestrahlen der Materialien mit dem modulierten Strahl aus Infrarotstrahlung, Zulassen, dass der modulierte Strahl aus Infrarotstrahlung mit den Materialien wechselwirkt, Fokussieren des modulierten Strahls, der durch das Feld hindurchgeht, auf ein Brennebenenfeld einer Infrarotkamera, die als ortsauflösender Flächendetektor dient, gleichzeitiges Überwachen der Materialien durch Erfassen von ortsaufgelösten Intensitätsprofilen in zeitlicher Abfolge unter Verwendung des ortsauflösenden Flächendetektors, und Umwandeln der Abfolge der Intensitätsprofile in Infrarotspektren unter Verwendung von Fourieranalyse.
Verfahren zur Charakterisierung von Materialien nach Anspruch 1, worin der ortsempfindliche Flächendetektor eine Infrarotkamera ist.
Verfahren zur Charakterisierung von Materialien nach Anspruch 1, das weiterhin die Schritte umfasst: Bestrahlen des Feldes von Materialien mit einer monochromatischen Infrarotstrahlungsquelle; und Überwachen der Absorption durch die Materialien für jedes der Materialien des Feldes als eine Funktion der Zeit unter Verwendung eines ortsauflösenden Flächendetektors.
Verfahren zur Charakterisierung von Materialien nach Anspruch 1, das weiterhin die Schritte umfasst: Bestrahlen des Feldes von Materialien mit einer polychromatischen Infrarotstrahlungsquelle; Filtern von Strahlung, die durch das Feld von Materialien hindurchgeht, mit mindestens einem optischen Filter, worin das optische Filter so ausgewählt wird, dass es die gewünschten Wellenlängenspektren durchlässt, und Überwachen der Absorption durch das Material für jedes der Materialien des Feldes als eine Funktion der Zeit unter Verwendung des ortsauflösenden Flächendetektors.
Verfahren zur Charakterisierung von Materialien nach Anspruch 2, das weiterhin die Schritte umfasst: gleichzeitiges Bestrahlen des Feldes von Materialien mit einem modulierten Strahl Infrarotstrahlung, wobei mindestens ein Teil des modulierten Strahles mit mindestens einem der Materialien wechselwirkt; Fokussieren der Strahlung, die durch das Feld hindurchgeht, auf das Brennebenenfeld der Infrarotkamera, wobei die Infrarotkamera ortsaufgelöste Intensitätsprofile zeitlich nacheinander erfasst; und Umwandeln der zeitlich aufeinanderfolgenden Profile in ein vollständiges Infrarotspektrum unter Verwendung von Fourieranalyse.
Verfahren zur Charakterisierung von Materialien nach Anspruch 1, das weiterhin die Schritte umfasst: Bestrahlen des Feldes von Materialien mit Infrarotstrahlung einer ersten Wellenlänge; und Überwachen einer Infrarotemission von jedem der Materialien mit dem ortsauflösenden Flächendetektor, wobei die Infrarotemission bei einer zweiten Wellenlänge stattfindet.
Verfahren zur Charakterisierung von Materialien nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 6, das weiterhin die Schritte umfasst: Bereitstellen von mindestens einem Reaktantengas, wobei das Reaktantengas in Kontakt mit dem Feld von Materialien ist; und Aktivieren von mindestens einem der Materialien auf dem Feld mit einer Wärmequelle.
Verfahren zur Charakterisierung von Materialien nach Anspruch 7, worin die Wärmequelle und der ortsauflösende Flächendetektor das Feld von Materialien im Einklang zueinander abtasten.
Verfahren zur Charakterisierung von Materialien nach irgend einem der Ansprüche 1 bis 8, worin das gesamte Feld von Materialien gleichzeitig von dem ortsauflösenden Flächendetektor überwacht wird.
Verfahren zum Charakterisieren von Materialien nach Anspruch 1, das weiterhin die Schritte umfasst: Einschließen des Feldes in eine Kammer; Füllen der Kammer mit einem Inertgas bei einem vordefinierten Druck; Ausgleichen der Kammer und des Feldes zu einer einheitlichen Temperatur; Einlassen von mindestens einem Reaktantengas in die Kammer; und Überwachen einer Infrarotemission von dem Feld von Materialien mit dem ortsauflösenden Flächendetektor, wobei die Messvorrichtung für die Infrarotstrahlung eine Reihe von Signalen ausgibt, die einer Emissionsintensität als eine Funktion der Zeit für jedes der Materialien entsprechen.
Verfahren zur Charakterisierung von Materialien nach Anspruch 1, das weiterhin die Schritte umfasst: Einschließen des Feldes in eine Kammer; Einschließen eines Standardmaterials in der Kammer; Überwachung einer Infrarotemission von jedem der Materialien des Feldes und des Standardmaterials mit dem ortsauflösenden Flächendetektor, während mindestens eine Umgebungsbedingung innerhalb der Kammer variiert wird, wobei der ortsauflösende Flächendetektor eine Reihe von Signalen ausgibt, die einer Temperatur von jedem der Materialien als eine Funktion der Zeit entsprechen, und wobei die Umgebungsbedingung aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus der Kammertemperatur, dem Kammerdruck und der Kammergaszusammensetzung besteht; und Berechnen einer Temperaturdifferenz zwischen jedem der Materialien des Feldes und dem Standardmaterial.
Verfahren zur Charakterisierung von Materialien nach Anspruch 5, worin die Infrarotkamera eine Hochgeschwindigkeitsinfrarotkamera ist, die ortsaufgelöste Intensitätsprofile bei einer Rate von mindestens 60 Bilder pro Sekunde erfasst.
Verfahren zur Charakterisierung von Materialien nach Anspruch 5, worin ein kontinuierlich abtastendes Interferometer verwendet wird, um die Wellenlängen des modulierten Strahles aus Infrarotstrahlung zu variieren.
Verfahren zur Charakterisierung von Materialien nach Anspruch 5, worin ein schrittweise abtastendes Interferometer verwendet wird, um die Wellenlänge des modulierten Strahles der Infrarotstrahlung zu variieren.
Verfahren nach irgendeinem der vorherigen Ansprüche, worin ein thermisch einheitliches Substrat bereitgestellt wird.
Verfahren nach irgendeinem der vorherigen Ansprüche, worin ein Substrat bereitgestellt wird, das eine Vielzahl von unterschiedlichen Materialien an bekannten Orten einschließt.
Verfahren nach Anspruch 16, worin die Vielzahl von diversen Materialien auf dem Substrat abgeschieden sind.
Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, worin eine Zusammensetzung, eine Stöchiometrie und/oder Dicke der Vielzahl von diversen Materialien über das Substrat variiert.
Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 16 bis 18, worin die Vielzahl von unterschiedlichen Materialien über das Substrat variiert.
Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 16 bis 19, worin die Vielzahl von unterschiedlichen Materialien auf dem Substrat durch im Wesentlichen dieselbe Technik abgeschieden wird.
Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 16 bis 20, worin eine Größe oder eine Gestalt der Vielzahl von unterschiedlichen Materialien im Wesentlichen dieselbe über das Substrat ist.
Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 16 bis 21, worin der Bestrahlungsschritt einschließt, dass Energie so gerichtet wird, dass sie einheitlich die Vielzahl von verschiedenen Materialien bestrahlt.
Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 3 bis 22, worin der Überwachungsschritt eine Neupositionierung eines Detektors einschließt.
Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 3 bis 23, worin der Überwachungsschritt eine Neupositionierung des Feldes relativ zu dem Detektor einschließt.
Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 2 bis 24, worin die Strahlungsquelle gleichzeitig und einheitlich das gesamte Substrat bestrahlt.
Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 16 bis 25, worin der Detektor ein ortsauflösendes Detektorfeld einschließt und worin der Detektor die Temperaturänderung der Vielzahl von diversen Materialien überwacht.
Verfahren nach irgendeinem der vorherigen Ansprüche, worin eine Aktivität eines Katalysators gemessen wird.
Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 16 bis 27, worin die Vielzahl von verschiedenen Materialien nach der relativen Leistungsfähigkeit hinsichtlich nützlicher Eigenschaften oder anderer Charakteristiken in eine Rangfolge eingeordnet oder auf andere Weise verglichen wird.
Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 16 bis 28, worin nach der Überwachung der Vielzahl von diversen Materialien eine weitere Materialbearbeitung durchgeführt wird, oder zusätzliche Überprüfungen durchgeführt werden.
Verfahren nach irgendeinem der vorherigen Ansprüche, worin der Detektor ein Infrarotdetektor mit einem Brennebenenfeld ist.
Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 16 bis 29, worin die Vielzahl von diversen Materialien hinsichtlich ihrer relativen thermischen Diffusionseigenschaften verglichen werden.
Vorrichtung zur Charakterisierung eines kombinatorischen Feldes von Materialien, wobei die Vorrichtung umfasst: ein infrarottransparentes Substrat, das das kombinatorische Feld von Materialien enthält; und eine Einrichtung zur gleichzeitigen Bestrahlung der Materialien mit einem modulierten Strahl aus Infrarotstrahlung, eine Einrichtung zum Fokussieren des modulierten Strahls nach der Wechselwirkung mit dem Feld von Materialien auf ein Brennebenenfeld einer Infrarotkamera, die als ein ortsauflösender Flächendetektor arbeitet, eine Infrarotstrahlungskamera, die ausgelegt ist, um gleichzeitig ortsaufgelöste Intensitätsprofile zeitlich aufeinanderfolgend aufzuzeichnen unter Verwendung des ortsauflösenden Flächendetektors, und eine Einrichtung zum Umwandeln der aufeinanderfolgenden Intensitätsprofile in Infrarotspektren unter Verwendung von Fourieranalyse.
Vorrichtung nach Anspruch 32, worin das Substrat ein IR-durchlässiges Substrat ist.
Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 32 bis 34, worin der ortsauflösende Flächendetektor ausgebildet ist, die Absorption durch das Material von jedem der Materialien des Feldes von Materialien als eine Funktion der Zeit zu überwachen.
Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 32 bis 34, worin die Bestrahlungseinrichtung eine monochromatische Strahlungsquelle ist.
Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 32 bis 34, worin die Bestrahlungseinrichtung eine polychromatische Strahlungsquelle ist, wobei die Vorrichtung weiterhin mindestens einen optischen Filter umfasst, der zwischen dem Feld von Materialien und der Infrarotstrahlungsmessvorrichtung angeordnet ist.
Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 32 bis 33, worin der Detektor mit dem Brennebenenfeld eine Hochgeschwindigkeitsinfrarotkamera ist.
Vorrichtung nach Anspruch 37, die weiterhin umfasst: eine Quelle für modulierte Infrarotstrahlung, worin die Strahlungsquelle zur gleichzeitigen Bestrahlung des Feldes von Materialien ausgebildet ist; ein optisches Element, das zwischen dem Feld von Materialien und dem Brennebenenfeld der Hochgeschwindigkeitsinfrarotkamera angeordnet ist, worin das optische Element zur Fokussierung der Strahlung von dem Feld von Materialien auf das Brennebenenfeld ausgebildet ist; und einen Prozessor, der an der Hochgeschwindigkeitsinfrarotkamera angeschlossen ist, wobei der Prozessor zur Umwandlung aufeinanderfolgende Intensitätsprofile, die von der Hochgeschwindigkeitsinfrarotkamera erfasst wurden, in Infrarotspektren unter Verwendung von Fourieranalyse ausgebildet ist.
Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 32 bis 38, worin ein Substrat thermisch einheitlich ist.
Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 32 bis 39, die weiterhin eine Einrichtung zur Neupositionierung des ortsauflösenden Flächendetektors umfasst.
Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 32 bis 40, die weiterhin eine Einrichtung zur Neupositionierung des Feldes relativ zum ortsauflösenden Flächendetektor umfasst.
Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 32 bis 41, worin der ortsauflösende Flächendetektor so ausgebildet ist, dass er die Überwachung der Temperaturänderung einer Vielzahl von unterschiedlichen Materialien erlaubt.
Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 32 bis 42, worin der ortsauflösende Flächendetektor ein Infrarotdetektor mit einem Brennebenenfeld ist.