מבוא

במדעי החומר, זיהוי מדויק של חומרים הוא סלע המחקר, בקרת איכות ופיתוח המוצר. שתי טכניקות אנליטיות חזקות ומבוססות היטב - X-ray Diffraction (XRD) ו-Raman Spectroscopy - כבר בשימוש באופן עצמאי כדי לחקור היבטים שונים של מבנה הדגימה. XRD מגלה סדר גבישי ארוך טווח, שלב, ו- lcemetric פרמטרים מספק מידע מעמיק על עומק כימי, בעוד שגורם לשילוב של שימוש קוגניטיבי, הוא שיפור משמעותי של שיטות שונות של תכונות מולקולריות.

יסודות רנטגן

(ה) קרינת רנטגן מסתמכת על ההתערבות הבונים המונוכרומטיים של צילומי רנטגן מפוזרים על ידי סידור תקופתי של אטומים בחומר גבישי. כאשר האירוע X-ray beam satisfies Bragg (FLT:0nλ=2d ⁇ FLT:1), פסגות נבדלות מופקות.

הטכניקה משמשת נרחב במינרלוג'י, כימיה מלט, מתכתי, וניתוח מוצק של תרופות מוצקות המדינה.כלי XRD מודרניים כוללים לעתים קרובות זיהוי שלב אוטומטי באמצעות מסדי נתונים כגון אבקת Diffraction File (PDF) שנשמר על ידי המרכז הבינלאומי עבור נתונים Diffraction.FLT:0XRD הוא כוח של כוח הוא ביכולתו להבדיל באופן לא חד-משמעי בין פולימורפים גבישיים וגילוי לשלב תצורה של 1%-1.

ראשי התיבות של Raman Spectroscopy

Raman Spectroscopy מבוסס על פיזור inelastic של אור לייזר מונוכרומטי.כאשר photons אינטראקציה עם רטטים מולקולריים, שבריר קטנה של שינויים אור מפוזרים באנרגיה (Stokes ו אנטי-Stokes Shifts), חושף את האנרגיות של מצבי רטט בדגימה.טביעת אצבע זו היא ספציפית מאוד אג"ח כימי מולקולרי, מה שהופך את ראמן כלי מצוין לזיהוי חומרים מבניים והפרעות, כולל מתחים, כולל, והפרעות פוליאמוריות.

בניגוד ל- XRD, ראמן יכול לנתח הן חומרים גבישיים והן amorphous, והוא מספק מידע על גודל הרבה יותר קטן (מיקרומטר ל- sub-micrometer) הטכניקה היא רגישה משטח, עם עומק לייזר בדרך כלל החל מכמה מיקרומטר לעשרות מיקרומטרים בהתאם לתכונות אופטיות של הדגימה.

ספריות של Raman spectra, כגון אלה המסופקים על ידי מסד הנתונים של Horiba Jobin Yvon או פרויקט RRUFF הפתוח גישה פתוחה, להקל על זיהוי מהיר. מיקרוסקופים מודרניים המוקד Raman לאפשר מיפוי עתיר-resolution גבוה, חושף heterogene כימי ומבני בקנה מידה מיקרון.

The Rationale forשילוב XRD ו-Raman

לכל טכניקה יש כתמים עיוורים. XRD נאבק עם חומרים גבישיים זוהרים או עניים, והנתונים שלה יכולים להיות מעורפלים כאשר שלבים גבישיים מרובים עם פרמטרים דומים coexist. Raman, בעוד רגיש למבנה מולקולרי, לא יכול לספק את המידע לטווח ארוך הדרוש כדי לקבוע סימטריה גבישית או ממדים תאים. יתר על כן, Raman spectra של כמה חומרים (למשל, מתכות טהורות) הם חלשים, בעוד XD מתאים היטב, כמו כן.

על ידי שילוב XRD ו-Raman, מדענים לגשר על הפער בין סדר קריסטלים לטווח ארוך והתנהגות מולקולרית לטווח קצר.שני הנתונים הם באמת משלימים: FLT:0XRD מספק את "הארכיטקטורה" של הליטקטיבית הקריסטלית, בעוד ראמן מגלה את "טביעת אצבע אמיצה" של המולקולות בתוך אדריכלות זו.

היתרונות הסינרגיים של הגישה המשולבת

יעילות מוגברת וצמצום שאיפה

כאשר שתי טכניקות עצמאיות מסכימות על זהות החומר, האמון בתוצאה הוא גבוה משמעותית.לדוגמה, בבדיקת פולימורפ של תרכובות פרמצבטיות, דפוס XRD ספציפי עשוי להתאים למספר פולימורפים של מועמדים, אך ראמן יכול לעתים קרובות להבחין ביניהן בהתבסס על הבדלים תואמים עדינים.

ניתוח שלב שלם - Crystalline and Amorphous

דגימות בעולם האמיתי רבות מכילות גם מרכיבים גבישיים ו amorphous. XRD מיישר את השבריר גבישי ומזהה את השלבים, אבל זה משאיר את החלק amorphous בלתי נראה במידה רבה (מלבד לחות רקע רחב) Raman, עם זאת, יכול לזהות ולעתים קרובות לזהות את השלב amorphous על ידי להקות רחבות האופייניות שלה.

Non-Destructive ו-Minimal Sample

שתי הטכניקות אינן הרסניות, ומאפשרות לאותה הדגימה להיות ניתוק שוב ושוב או נתון לבדיקות נוספות.זה קריטי במדעי המורשת (יצירות אמנות וממצאים ארכיאולוגיים), שבו יש לשמר את השלמות המדגם, אף טכניקה לא דורשת הכנה של דגימות נרחבות: אבקות ניתן לנתח ישירות, ודגימות מוצקות רק צריך משטח שטוח עבור XRD או נקודה לייזר ממוקדת עבור Raman.

ניתוח סודיות

שילוב של מיקרוסקופיות Raman עם micro-XRD (למשל, באמצעות מקורות סינכרון או מיקרו-diffractometers מעבדה) מאפשר מיפוי מתואמת מרחבית בקנה מידה דומה. A אזור של עניין מזוהה בתמונה אופטית או ראמאן יכול להיות בדיוק מתאים לניתוח XRD, ולהיפך.זה חזק בחומרים כי הם הומוגניים, כגון חלקי גיאולוגי, סוללת אלקטרו-רנדס (Ramandes) עם חומרים מורכבים).

מהירות ומאמץ

מכשירים מודרניים מאפשרים שתי המדידות להתבצע על אותה פלטפורמה או באופן משמעותי עם טיפול מדגם אוטומטי.יש מערכות מסחריות המשלבות XRD ו-Raman בכלי ספסל יחיד.זה זרימת עבודה זרמים, מפחית את הצורך במספר רב של דגמים, וחתכים זמן ניתוח. בשליטה איכותית, שילוב טכניקות על פלטפורמה אחת יכול לשפר באופן משמעותי באמצעות חישוב תוך הבטחת אימות חומר יסודי יותר.

Instrument and Dataאינטגרציה

שילוב XRD ו-Raman ניתן להשיג במספר דרכים.הגישה הפשוטה ביותר היא לבצע מדידות באמצעות מכשירים נפרדים, עם רישום מדגם זהיר.עוד תצורה מתקדמת כוללים מכשירים hyphenated שבו שתי הטכניקות משולבות בתא אחד, המאפשרות שלבים בו זמנית או ליד-סמויים לאיסוף נתונים , לדוגמה, מערכת FLT:0X-Raman-Raman שפותחה על ידי Malnalytical Raphalpleic, אשר מאפשר לזוגות XRd, באופן ישיר, כדי לאסוף את אותם תאים XRd, באופן ישיר, באופן ישיר, כדי לאסוף את אותם זוגות XRd, באופן ישיר, באופן ישיר, באופן ישיר, כדי לאסוף את אותם תאים XRd, כדי לאסוף את אותם תאים XRd, באופן ישיר, כדי לאסוף את אותם זוגות XRd.

שילוב נתונים לעתים קרובות כרוך overlaying או מיזוג דפוסים diffraction ו Raman spectra בתוכנה ייעודית.כמה פלטפורמות מאפשרות זיכוך משותף של מודלים מבניים באמצעות שני מסדי נתונים, למרות שזה נשאר גישה ברמת מחקר. בפועל, האינטגרציה הנפוצה ביותר היא בשלב זיהוי: שאילתות המשתמש הן מסד נתונים של אבקת diffraction והן ספריית Raman spectral Library ומשלב את ה-Reman כדי להגיע לקונצנזוס.

(FLT:0) התקדמות בלמידה של מכונות ו-chemometrics מאפשרת עוד היתוך אוטומטי של נתוני XRD ו-Raman.veFLT:1 Multivariate שיטות סטטיסטיות, כגון ניתוח רכיב ראשי (PCA) וחלק פחות ריבועים discriminant Analysis (PLS-DA), יכולים לשלב תכונות משני סוגי נתונים כדי לשפר את הדיוק הסיווג ואת הרכיבים הדומים בניתוח זה משולב במיוחד עבור נתונים.

יישומים בזיהוי חומרי

מינרלים וגיאו-מדעים

בגאולוגיה, זיהוי מהיר ומדויק של מינרלים בסלעים ובקרקעות הוא חיוני. XRD מזהה את השלבים המינרליים העיקריים (למשל, quartz, Martispar, חימר) ומדכא את השפע שלהם.עם זאת, מינרלים רבים יש תבניות XRD דומות (למשל מינרלים מילוטיים) כגון kaolinite, חולה, ו- smectite, לעתים קרובות יכול להבדיל אלה על ידי Raxicsds, או אינטגרציה נמוכה יותר, כגון סגסוגת מימית של s.

תרופות ופולימורפ מסך

מוצקות תרופות יכולות להתקיים במספר צורות גבישים (polymorphs, hydrates, מלחים, co-crystals) עם solubility שונים, זמינות ביולוגית ויציבות. סוכנויות רגלאז'ר = צורך באופי יסודי של כל צורות מוצקות.FLT:0XRD הוא תקן הזהב לזיהוי גבישי, אך Raman הוא בשימוש יותר ויותר עבור בדיקות מהירות וגילוי רמות של חומרים כימיים בצורת IFD.

פולימרים ו- Composites

Semicrystalline פולימרים מכילים גם lamellae גבישי ו amorphous אזורים interlamellar. XRD מודד את התואר של גבישיות ואת הפרמטרים התא של שלב גבישי (למשל, α, β, β, ⁇ טפסים של פוליפרופילן), להיות רגיש לשרשרת, יכול לספק מידע נוסף על היחס של gche, אוריינטציה מלאה של צינורות צהובה, או מילוי של צינורות פחמן.

חומרים ננוטכנולוגיה ו 2D

ננו חומריסטים מציגים אתגרים ייחודיים: גודלם הקטן מוביל לפסגות רחבות של XRD ואת האפשרות של שלבים נוספים שלא נראים ברובם. Raman רגיש במיוחד לסביבה הננומטרית - למשל, ה-D וה-GPS בפחמן חושפים צפיפות פגומה, מספר שכבה בגרף (Giadoltcin) וקוטר קריטי ב-FLT:0Combined XRD ו-Raytor של גרף XRD-F, אך מספק אפקטים מבניים ו-XDiferpherd; אך ורקורד XD (D) ו-XDFD) ו-XLT: גרף XLT: גרף XLT: גרף XD, אך ורקורד XLT: גרף XLT: גרף XLT: גרף XD.

שימור אמנות וארכיאולוגיה

אובייקטים מורשת תרבותית הם לעתים קרובות heterogeneous ושברירי, הדורש ניתוח לא הרסני. XRD משמש לזיהוי פיגמנטים, מוצרים השפלה (למשל, חלודה לבנה על כסף, נצלנות על קרמיקה, או מוצרי נחושת קורוזיה) מזהה את זה על ידי זיהוי כופים אורגניים, צבעים, ושינויים כי עשוי להיות amorphous A משולב על גבי מחקר צבע אדום (Ricrampgicicic) כולל צבעים צהובה) כדי לזהות את ה-ragicams צהובה (Ricial) צבע גלימות צבע צהובה) צבע גלימות צבע צהובה (Ricial)).

מקרה מחקר: זיהוי של פולימורפים בצוללת סמים

כדי להמחיש את הכוח המעשי של XRD ו-Raman, לשקול תרחיש כללי של פיתוח תרופות.ישות כימית חדשה (מועמד סמים) נמצא להתגלגל בשני פולימורפים שונים, טופס A וצורה B. Xvel תבניות של שני הטפסים מראה עמדות שיא שונות, אבל טופס A עם דחיסות מורכבות עם הרבה פסגות חופפות, מה שהופך קוונטית בתערובת עם B.R.

אתגרים ושיקולים

למרות היתרונות ברורים, יש אתגרים מעשיים.ראשון, העלות של רכישת, שמירה, תפעול שני מכשירים מתוחכמים יכול להיות גבוה.שילוב מערכות חד-ממדיות חד-ממדיות להפחית את זה אבל עשוי לדרוש פשרות בביצוע אחת או שתיים. השני, שילוב נתונים אינו תמיד פשוט: פתרון מרחבי של XRD (בדרך כלל 100 מיקרומטר-1 מ"מ) ו-Raman (בדרך כלל 1 מיקרומטר) על ידי רזולוציית לייזר אחת, כל כך יעילה, לא יכול למנוע את הפחתת כמות של חומרים קלים של חומר XCRD.

לבסוף, הפרשנות של נתונים משולבים דורשת מומחיות הן קריסטלוגרפיה והן ספקטרום רטט.ניהול של צוות או שיתוף פעולה בין מומחים הוא לעתים קרובות הכרחי כדי להפיק את הערך המלא.עם זאת, כאשר הטכניקה הופכת נפוצה יותר, ידידותי למשתמש כי באופן אוטומטי חוצה הסכמות XRD וRaman ספריות ממצמצמצמצמצמות אתגר זה.

פרספקטיבה עתידית

המגמה לקראת ניתוח רב-ממדי, correlative היא מאיצה.התקדמות במקורות רנטגן (למשל, סילון נוזלי-מטר לייצר מיקרובים עתירי דם) ומכשירי Raman (IR) נבדקים גם על גבי רצף X-S Directed או Raman עם רזולוציה גבוהה) הופכים מערכות משולבות יותר ועוצמתיות.

התחום של חומרים 2D, שבו מספר שכבתי וסדר ערימה הם קריטיים, ירוויח מאוד מ-Time-Time משולב XRD-Ramanמיפוי. בתעשיית התרופות, תהליך טכנולוגיה אנליטית (PAT) כבר משתמש ראמן עבור ניטור בזמן אמת, אבל תוספת של XRD מקוון יכול לספק אישור אורטוקונים של שינויים מדינתיים יציבים במהלך הייצור.השילוב הוא גם משחק תפקיד מפתח באופי של חומרים אלקטרו-קרקע, כגון חומרים כימיים, כמו גם חומרים חדשים, כמו גם חומרים כימיים, כמו גם חומרים חדשים, כמו גם חומרים כימיים.

מסקנה

X-ray Diffraction ו-Raman Spectroscopy כל לספק נופים חיוניים אך לא שלמים של המבנה של החומר.על ידי שילובם, מדענים להשיג הבנה מקיפה המשתרעת מהלחיצת קריסטל לטווח הארוך לרטטים האג"ח המולקולריים.סינרגיה זו פותרת ambiguities, מרחיבה את הניתוח ל-Ricline וגם שלבים, ומאפשרת חקירות מרחביים של ריאה כי הם יעילים יותר מטכניקה של חומר משולב, כמו גם כן, כדי לשנות את הטיפול המתודולוגיה, להמשיך את הטיפולית, כדי לפתח את המידע המתודולוגיה של חומר חכם יותר מטכניקה יעילה יותר מאשר ניתוח חומרים מתודולוגיה.

(ב) [ה] לקראת יתר, תייעץ עם המשאבים הבאים: ⁇

  • (FLT:0)CCDC (מרכז נתונים קריסטלוגרפיה של קמברידג') – משאבים על קריסטלוגרפיה ופירוש נתונים.
  • (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (ב) [15] ,5 ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇