隨著人口老齡化和眼科疾病患病率的上升，眼科行業(yè)已成為一個(gè)價(jià)值數(shù)十億美元的市場(chǎng)。如白內(nèi)障手術(shù)中常用的人工晶狀體等材料，對(duì)于此類(lèi)眼科手術(shù)材料制造商來(lái)說(shuō)，使用光譜學(xué)技術(shù)能夠提高生產(chǎn)效率，加速開(kāi)發(fā)更有效的新材料。

實(shí)驗(yàn)配置

為驗(yàn)證785nm拉曼光譜表征眼科材料固化過(guò)程的可行性，使用模塊化拉曼光譜儀測(cè)量由固化燈照射的混合物。在不同的曝光時(shí)間內(nèi)進(jìn)行多次測(cè)量。基于數(shù)據(jù)中的幾個(gè)明確固化指標(biāo)，我們證明了拉曼光譜可有效應(yīng)用于外科眼科材料的在線過(guò)程檢測(cè)。

實(shí)驗(yàn)搭建圖

數(shù)據(jù)采集及處理

Step 1

將眼科材料混合物置于小瓶中并由UV固化燈照射。在沒(méi)有UV固化的情況下制備后立即測(cè)量混合物，然后在UV固化后的間隔1、5、10、15、20和30分鐘分別進(jìn)行測(cè)量。

Step 2

關(guān)閉激光器采暗光譜，然后采用~380mW激光功率激發(fā)樣品。積分時(shí)間1秒，OceanView軟件中有一種叫"CleanPeaks"清峰算法，可用于去除基線和熒光效應(yīng).

Step 3

同時(shí)，原始數(shù)據(jù)還可通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變量變換（SNV）進(jìn)行處理，進(jìn)行基線去除。SNV算法通過(guò)特定范圍內(nèi)的平均值減去數(shù)據(jù)，再除以同一范圍內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)偏差。

（了解有關(guān)拉曼清峰算法，可參考先前發(fā)布的“拉曼數(shù)據(jù)處理”）

為了解混合物固化過(guò)程中拉曼光譜的變化，將這些數(shù)據(jù)與之前采集的單個(gè)組分的光譜進(jìn)行比較，其中包括單體和交聯(lián)劑，紫外線吸收劑和光敏劑。這有助于我們?cè)u(píng)估固化對(duì)每種化合物的分子結(jié)構(gòu)的影響，因?yàn)樗鼈兊睦盘?hào)強(qiáng)度在固化過(guò)程中發(fā)生變化。

數(shù)據(jù)分析

分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)特別有趣的波數(shù)范圍：~1620-1650cm-1和1710-1745cm-1。

1632 cm^-1和 1720 cm^-1處的原始拉曼隨時(shí)間的變化

對(duì)于前者，化合物PEA和PEMA的聚合導(dǎo)致C=C雙鍵的斷裂，碳鍵與其他分子結(jié)合。根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道的典型拉曼峰，峰值在~1620-1650cm-1間屬C=C 伸縮振動(dòng)1。當(dāng)混合物樣品固化時(shí)，1632cm-1處強(qiáng)度隨時(shí)間的推移而減小。

1632 cm^-1和 1720 cm^-1處清峰后拉曼強(qiáng)度隨時(shí)間的變化

Lui 等人的研究揭示了通過(guò)觀察1632cm-1處的拉曼信號(hào)演變可用于表征固化過(guò)程，由于固化發(fā)生時(shí) C=C 鍵的斷裂，拉曼強(qiáng)度隨固化時(shí)間的推移而降低。

1632 cm^-1和 1720 cm^-1處SNV處理后拉曼強(qiáng)度隨時(shí)間的變化

另一有趣的現(xiàn)象發(fā)生在1710-1745cm-1范圍內(nèi)，由于C=O共價(jià)鍵的伸縮振動(dòng)，該峰值出現(xiàn)在每種化合物的不同峰位處，且在固化時(shí)間的前五分鐘內(nèi)略有變化1。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論

本文使用拉曼光譜監(jiān)測(cè)曝光于紫外光下眼科材料的固化。1632cm-1峰位處的變化可用于確定分子固化時(shí)C=C鍵斷裂的程度。1720cm-1峰位處的拉曼強(qiáng)度變化表明C=O共價(jià)鍵的伸縮，結(jié)合1632cm-1峰位處的強(qiáng)度，可用作計(jì)算聚合物的轉(zhuǎn)化率（圖1）。

參考文獻(xiàn)

1. Socrates, G. Infrared and Raman Characteristic Group Frequencies, Third Edition, John Wiley & Sons, LTD, 2001.

2. Liu, F., Wang, Y, Xue, X. and Yang, H. Photopolymerization of UV Curable Coatings Monitored by Raman Spectroscopy. Polymer(Korea), 2016, 40, 390-396.

結(jié)語(yǔ)

世界上僅白內(nèi)障手術(shù)每年就超過(guò)1000萬(wàn)臺(tái)，而手術(shù)中材料的微小變化都會(huì)對(duì)患者的術(shù)后生活產(chǎn)生重大影響。除了加快材料開(kāi)發(fā)速度外，嚴(yán)格控制眼科材料的固化過(guò)程還可以防止固化材料產(chǎn)生彎曲和變形等問(wèn)題。此外，還可以最大限度的減少材料過(guò)度曝光所產(chǎn)生的不良影響。

通過(guò)拉曼方法，可非常有效監(jiān)控材料固化過(guò)程，聚合物轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)物生產(chǎn)過(guò)程。