Table of Contents
התפקיד של ניתוח ספקטרוסקופי באפיון פולימרים המבוססים על ביולוגית להנדסת הנדסה
פולימרים המבוססים על ביולוגית מייצגים שינוי טרנספורמטיבי במדעי החומרים, המציע חלופות מתחדשות, biodegradable למוצרים מפלסטיקים מייצור נפט.מקורם מזין טבעי כגון עמילן תירס, סוכר, צלולוז, ומיקרוביאלי של מוצרי תסיסה, חומרים אלה הם יותר ויותר פרוסים באריזה, מכשירים ביולוגיים רפואיים, חקלאות, בנייה, ביצועים שלהם ביישומים הנדסיים על שליטה מדויקת, ומיקרוביקטיבית של תכונות אלה, מבטיחות מורכבות של חומרים אופטיקה, כולל חומרים חיוניים, כולל חומרים חיוניים, כולל חומרים כימיים, ומאובטחים, תכונות התפתחות מולקולרית, כולל חומרים חיוניים.
סקירה של Bio-based Polymer כיתות
פולימרים המבוססים על הביולוגית נופלים לקטגוריות גדולות, כל אחת עם תכונות כימיות נפרדות המשפיעות על התנהגות מכנית, תרמית והשפלה שלהם.הבנת ההבדלים הללו חיונית לבחירת שיטות ספקטרוסקופיות מתאימות.
פולילאקטי Acid (PLA)
PLA הוא אחד מהפולימרים הביולוגיים המצליחים ביותר מבחינה מסחרית, המיוצר על ידי פולימריזציה של טבעת-פתוחה של לקטד נגזר מכוכב צמח מותס. ester backbone נותן לו כוח מכני טוב ושקיפות, מה שהופך אותו מתאים עבור 3D הדפסה filaments, חיתוך חד פעמי, ואריזות מזון. Spectroscopic ניתוח של PLA מתמקד על גבישי פחמן, sterlinity, ואת היחס של , cting Diltic.
Polyhydroxyalkanoates (PHA)
PHAs הם פוליסטרים מסונתז על ידי חיידקים בתנאים המוגבלים תזונתיים ומאוחסנים כמו גררנולים intracell. הם מציגים מגוון מדהים של הרכב מונומר - יותר מ-150 חומצות הידרוקסיקלנויות שונות זוהו - המאפשרים תכונות מכניות טונה ble החל מתרמופלסטיקים ועד גומי.
פלסטיק מבוסס Starch
Starch, פוליצריד טבעי המורכב של amylose ו amylopectin, הוא לעתים קרובות מעורבב עם פולימרים אחרים או מפלסטיק כדי ליצור עמילן תרמופלסטי (TPS) הטבע ההידרופילי שלה מחייב ניתוח זהיר של מגע מימן, תוכן מים, והפצת הפלסטינקט.
פולימרים מבוססי ביו-אי
- (ב) ⁇ (PBS): 1 (בלטינית: A biodegradable polyester with Good מכני Properties; לעתים קרובות ניתחו עבור קישורי ester סמוצ'י.
- (ב) [ה]ב"ה] [ה][דרוש מקור]] [ב]] [ה]]] [החלופה מבוססת-ביו ל-PET עם תכונות מכשול גז גבוהות יותר; רטטי טבעת הפרווה הם סמנים מרכזיים.
- (ב) ⁇ :0) נגזרות של ⁇ : FLT:1 Cellulose acetate, carboxymethyl cellulose, וננולוז דורש ניתוח של הידרוקסיל, ester וקבוצות ether.
- (FLT:0) חלבון סויה ופולימרים מבוססי חלבון אחרים: Emide I ו-II להקות לספק מידע על מבנה משני חלבונים וחיבור בין-קשר בין-ידי ל- cross-linking.
טכניקות ספציפיות ל-Bio-based Polymer Analysis
כל שיטת spectroscopic מציעה יתרונות ייחודיים מבחינת החלטה, דרישות מדגם, ואת סוג של מידע מולקולרי שהושג. גישה רב-טכניקה הוא לעתים קרובות הכרחי עבור אפיון מקיף.
Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR)
FTIR נשאר עבודת הזיהוי קבוצות פונקציונליות ביו-פוחיות.זה מודד את ספיגה של אור אינפרא אדום עקב מעברים רטט באג"ח כימי, ומייצר טביעת אצבע מולקולרית. עבור פולימרים המבוססים על ביולוגית, FTIR הוא שימושי במיוחד עבור:
- (FLT:0Chemical Identity: FLT:1) מאשר נוכחות של ester (C=O למתוח ליד 1750 ס"מ -1 ב PLA ו PHAs), hydroxyl (ברואד O-H למתוח קרוב 3300 ס"מ -1 ב עמילן ותאולוז), וקבוצות amide (1650 ו-1550 ס"מ בחלבונים).
- (FLT:0) ניטור של דייטינג: FLT:1 מעקב אחר התמוטטות הידרוליטית או אנזאמטית באמצעות שינויים בעוצמת שיא של פחמן גליקול והופעתן של להקות חדשות (למשל, חומצה קרוקסיתלית).
- (FLT:0) קריסטליניות estimation:cioFLT ( 1:1) היחס של קריסטל לשלבים amorphous ניתן להעריך באמצעות להקות ספציפיות, כגון 956 ס"מ - 1 להקה עבור גבישי PLA.
- (FLT:0) תאימות: FLT:1 Shifts בעמדות שיא מצביעים על אינטראקציות בלתי-חלוניות בין רכיבים פולימרים.
גרסאות מתקדמות של FTIR כוללות את Attenuated Total Reflectance (ATR-FTIR), הדורשות הכנה מינימלית של דגימות והוא אידיאלי לניתוח פני השטח של סרטים וסיבים.דמיית Hyperspectral FTIR יכול למפות heterogeneity כימי על פני דגימות, גילוי שלב הפרדה או הפצה של נחיתות.
חידוש מגנטי גרעיני (NMR) Spectroscopy
NMR מספק פרטים מבניים שאין כמוהו על ידי זיהוי אינטראקציות מגנטיות של גרעינים גרעיניים (בעיקר 1H ו-13C) בתחום מגנטי.זה הכרחי לקביעת מבנה פולימר, סטריאוכימיה, והרכב.
- (FLT:0)Monomer Sequencing: FIRLT:1 עבור copolymers כמו PHA או PLA תערובות, 13C NMR יכול לפתור רצפים דיאד ושלישי, לחשוף בלוק מול אדריכלות copolymer אקראי.
- (FLT:0) ניתוח של קבוצת End-group: 1FLT:1 integrating אותות סוף-קבוצה ביחס אותות עמוד השדרה מניב משקל מולקולרי מספר-ממוצע (Mn) ללא צורך בשקדת עמודה.
- (ב) ⁇ :0) ⁇ ופגמים: FLT:1ir שרשרת ארוך שרשרת או אתרי קישור צלב מייצרים שינויים כימיים נפרדים בפתרון NMR.
- (FLT:0)Solid-state NMR:FreaLT:1 ; For Insoluble or high-molecular-molecular-molecular-molecular-molecular-molecular-molecular-molecular-molecular-molecular-molecular-mocular-mocular-communicaing networks.
שתי שיטות NMR (COSY, HSQC, HMBC) לפתור אותות חופפים ולהקצות ספקטרום מורכב, במיוחד יקר עבור פולימרים טבעיים עם שינויים חוזרים.
ראומן Spectroscopy
ראמן spectroscopy הוא משלים FTIR, probing מצבי רטט חלשים אינפרא אדום.הוא מציע כמה יתרונות עבור ניתוח ביו-פומרי:
- (FLT:0) התערבות במים מינימלית: 1FLT:1 ראומן ספקטרום הם במידה רבה בלתי מושפעים על ידי מים, מה שהופך אותו אידיאלי לניתוח פולימרים מיובשים (למשל, הידרוג'לים, ג'ל עמילן).
- (FLT:0) רזולוציה של רזולוציה: 1FLT:1 Confocal Raman microscopy יכול להשיג פתרון תת-מיקרומטר, המאפשר הדמיה כימית של תערובת פולימרים, תרכובות ואינטראקציות רקמות ביולוגיות.
- (FLT:0) פולימורפיזם וכיוון: FIRLT:1) Polarized Raman מגלה נטייה שרשרת בסיבים או סרטים, חיוני אופטימיזציה של נכסים מכניים.
- (FLT:0) ממורמרים ביוסינתזה: ibph:1) In-situ Raman שימש כדי לעקוב אחר הצטברות PHA בתאים חיידקיים מבלי להפריע לתסיסה.
Resonance Raman יכול לשפר אותות מ chromophores ספציפיים, בעוד Surface-Enhanced Raman Scattering (SERS) דוחף את הגבלת זיהוי כדי לאתר זיהומים או תוספים.
X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS)
XPS מנתח את הרכב האלמנטלי ואת מצב כימי של פני כדור הארץ (למעלה מ 1-10 nm) עבור פולימרים המבוססים על ביולוגית, זה משמש:
- (FLT:0)Quantify קבוצות פונקציונליות משטח: FIRLT:1 מהפכת C 1s שיא מבחין סביבות פחמן (C-C, C-O, C=O, O-C=O), מתן מידע על מצב חמצון ושינוי פני השטח.
- (ב) ניתן לזהות את היסודות של זרז או סיועי עיבוד בעמימות.
- (FLT:0) ויזואליות בין-גזעיות: LT:1 בחומרים מורכבים, XPS מגלה קשר בין מטבוליות ביו-פומליות וסיבים טבעיים או ננופלרים.
זווית-resolved XPS מספקת עומק פרופיל לא-הרסיבי, בעוד ש- XPS הדמיה ממפה את ההרכב הכימי על פני אזורים עד מאות מיקרונים.
טכניקות נוספות
- (FLT:0) Near-Infrared Spectroscopy (NIR): שיטה מהירה, לא הרסנית עבור לחות תוכן, גבישיות וחיבור; בשימוש נרחב עבור בקרת איכות באינטרנט.
- (FLT:0) UV-Visscopy:BuildFLT:1 Measures שקיפות, תוצרי לוואי של מוצרים ותכנים chromophore; לעתים קרובות בשילוב עם HPLC לניתוח תוספים.
- (FLT:0)Mass Spectrometry (MS): כאשר יחד עם chromatography או אינפוזיה ישירה, MS (כולל MALDI-TOF) מספק הפצה מולקולרית במשקל, oligomer ריצוף, וזיהוי של מוצרים השפלה.
- (FLT:0) דיטרוסקופיה אופטית: FLT:1 Probes hydrohydrnesss ו מוליכות ionic, רלוונטית עבור אלקטרוליטים ביו-פומליים.
Integrating Spectroscopy עם ביצועי הנדסה
המטרה הסופית של ניתוח ספקטרוסקופי היא לקשר מבנה מולקולרי לנכסים מקרוסקופיים הקובעים את התועלת ההנדסית.מספר מחקרים של מקרה ממחישים את הקשר הזה.
כוח מכני וקריסטל
עבור PLA, FTIR ו NMR קריסטלנות מדידות תואמים ישירות עם Tenile Modulus והשפעה כוח. גמישות גבוהה יותר (העברה דרך annealing או nucleating סוכנים) משפר את הנוקשות אבל מפחית את הארכה על ידי ניטור השבר קריסטל באמצעות הקבוצה 1458 ס"מ-1 (CH3 aסימטרי bending), מהנדסים יכולים לייעל תנאים (זמן, קירור) כמו יישומים גמישים.
Biodegradation Kinetics
דרדציה של bio-polymers ב composting או סביבות ימיות כוללת הידרוליזה והתקפה אנזומטית. FTIR מחקרים הראו כי כמו PLA degrads, את משמרות שיא פחמן ולהקות O-H חדשות מופיעים מקבוצות קצה חומצה carboxylic. Kinetic המבוססים על יחסי שטח שיא מאפשרים חיזוי של חצי חיים.עבור ניתוח משותף, NMR של חניכיים 3, ובכך להפחית השפעות גבישיות (אך).
יציבות
ניתוח ה-TGA (TGA) בשילוב עם FTIR או MS (TG-FTIR, TG-MS) מזהה מוצרים ומנגנונים של קידודים מבוססי כוכבים, מים משוחררים ופלסטיקים תנודתיים ניתן לעקוב, מתן מידע בזמן אמת על בטיחות ומחזור חיים. XPS ניתוח של שאריות תרמית מגלה מסלולים חמצון, המנחה את עיצוב של הלהבות-מבוהמות.
« « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « «
סיבים טבעיים-reinforced bio-polymer מורכב (למשל, flax /PLA, hemp / pHA) הם חומרים קלים מבטיחים עבור רכב ובניה. Raman מיפוי של ממשקי סיבים-מטריקס מראה להעביר את הלחץ באמצעות שינויים ספקטרליים ברטטים אחוריים פולימר, חושף מתח לקוי שבו spectra נשאר ללא שינוי.
אתגרים בניתוח ספקטרוסקופי של Polymers מבוסס ביולוגית
למרות הכוח שלהם, טכניקות ספקטרוסקופיות להתמודד עם מכשולים כאשר הם חלים על פולימרים המבוססים על ביולוגית, במיוחד אלה ממקורות טבעיים heterogeneous.
שילובים מורכבים ומכשולים
הזנות טבעיות מכילות לעתים קרובות חלבונים שאריות, לימין, או מלחים אורגניים שיכולים לערפל אותות פולימרים.לדוגמה, FTIR spectra של עמילן מעורבב עם פוליcaprolactone עשוי להראות חפיפות להקות פחמן. שיטות ניתוח רב-לשוני כמו ניתוח Component Analysis (PCA) או Partial Least Squares (S) משמשים יותר ויותר ל deconconcontcontextexing.
רדיסטליניות נמוכה ו- Amorphous Dominance
רבים ביו-פוחיות (במיוחד לאחר עיבוד ההיתוך) הם בעיקר amorphous, המייצרים רחב, כולל NMR ו- X-ray diffraction תבניות. Solid-state NMR טכניקות עם רצפי הדופק מתקדמים (למשל, דיפולפולפולט דהphasing, INEPT) יכול לבדוק באופן סלקטיבי תחומים amorphous לעומת אזורים גבישיים קשיחים.
רגישות
ביו-פוחיות הידרופיליות כמו עמילן וחלבון סופגים מים, משנים רשתות קישור מימן ויצירת הפרעה ספקטרלית (למשל, רחבת O-H ב FTIR) פרוטוקולים יבשים ומדידות אוויר מבוקרות הם חיוניים, אך יבשה עשויה לשנות את המבנה הפולימרים.
יצירת אמנות
סרטים דקים לשידור FTIR עשויים להציג את ההפרעות; דגימת דגימת עבור KBr pellets יכול לגרום השפלה מכנית. ATR-FTIR להימנע מבעיות הכנה רבות אבל יש עומק חדירה מוגבל (בדרך כלל 1-2 מיקרומטר), פוטנציאל חסר תכונות רוביות. עבור NMR, פירוק ב פותרים מלוטשים עשוי לגרום הדבקה שרשרת או הקלה ביותר; NMR מוצקה יש להימנע זה אך יש לכך רגישות נמוכה יותר.
Stereoכימיה ו- Isomerism
היחס של L--D-isomers ב PLA משפיע מאוד על גבישיות והשפלה. בעוד chromatography chiral יכול להפריד בין Isomers, NMR עם משככי משמרות צ'רלי או סוכנים מבוססי Cyodextrin יכול לכמת עודף enantiomeric ישירות בפתרון עם, עם זאת, שיטות אלה אינן שגרתיות ודורשות מומחיות מיוחדת.
שיטות עתידיות וטכנולוגיות מתפתחות
התקדמות בחומרה, ניתוח נתונים ושיטות ההיפנוזה מרחיבות את היכולות של ניתוח ספקטרוסקופי עבור פולימרים המבוססים על ביולוגית.
Ultrafast and In-line Spectroscopy
ניטור תהליכים בזמן אמת באמצעות NIR או Raman בדיקות מאפשר ליצרנים להתאים את Extrusion או הזרקת הפרמטרים על זבוב. ספקטרום ספקטרום ויזואלי משולב עם אלגוריתמי למידת מכונה יכול לסווג ציוני פולימרים או לחזות תכונות מכניות תוך שניות, צמצום הפסולת ושיפור עקביות.
Hyperspectral Imaging ומיקרוסקופיות כימיות
שילוב FTIR או Raman הדמיה עם ניתוח נתונים רב-תחומי מספק מפות כימיות נפתרות מרחבית של תרכובות ביו-פוחיות, חשיפת הכללות של אי-אלימות, גבולות שלב ואזורי השפלה.זה חשוב במיוחד עבור שתלים ביו-רפואיים שבו הומוגניות משפיעה על הביצועים.
Multi-Nuclear ו- Dynamic NMR
מעבר 1H ו-13C, גרעינים כגון 15N, 31P ו 23Nana (עבור אינטראקציות ביופומרימר-salt) הם צוברים תשומת לב.זמני הירגעות (T1, T2) ו diffusion-ordered spectroscopy (DOSY) לספק מידע על דינמיקות פולימר, גדלים פוארים הידרוגלס, ומשקל מולקולרי ללא שבריר.
ספקטרום אופטי ו- Machine Learning
תורת פונקציונליות דנטלית (DFT) חישובים חוזים תדרים של תרכובות מודל, סיוע spectral Task. Machine Learning מודלים מאומן על ספריות ספקטרליות גדולות יכול לזהות במהירות לא ידוע bio-polymers, לחזות את ההרכב מ FTIR או NMR נתונים, ואפילו להציע תנאי עיבוד אופטימליים.FLT:0Recent עבודה הוכיחה למידה עמוקה עבור חיזוי של מונומרים מ ATR-Fspectra 1Fspectra 1FLT: 1.
שיטות היפנוזה למחקרי דיכאון
שילוב של pyrolysis-GC /MS עם FTIR או NMR מספק אופי מקיף של מוצרים ומנגנונים השפלה.FLT:0 Thermogravimetry יחד עם FTIR ו ספקטרומטריה המונית כבר הוחל ללמוד השפלה תרמית של תערובת Starch-polyesterערובsFLT:1, זיהוי מינים תנודתיים בכל שלב decomposition.
תגית: Operando Spectroscopy
ניטור שינויים מבניים במהלך השפלה, טעינה מכנית, או טיפול תרמי דורש תאים ספקטרוסקופיים המאפשרים שליטה סביבתית בו זמנית.לדוגמה, ספקטרום:0Raman spectroscopy בשלב רבילי שימש למעקב אחר אוריינטציה מולקולרית ועיקשים בקריסטליזציה המושרה על ידי לחץ בסרטי PLA FLT:1.
מסקנה
ניתוח ספקטרוסקופי הוא עמוד הכרחי בהתפתחות ויישום של פולימרים המבוססים על ביולוגית עבור פתרונות הנדסיים בר קיימא.טכניקות כגון FTIR, NMR, Raman, ו- XPS לספק תובנות ברמה מולקולרית המדריכות את העיצוב של חומרים עם אתגרים מכניים, תרמיים והשפלה. כמו שדה בוגר, שילוב עם תהליך בזמן אמת, ניטור רב-ממדי, ולמידה יהיה להאיץ את המעבר מן הסקרנות המסחרית של שיטות בקרה מעגליות:0-Fspectros: