Name: Spektroskopowa identyfikacja mechanizmów wiązania dyspergatora/cząstek w farbach funkcjonalnych z dyfuzyjnym odbiciem dyfuzyjnym (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2015-05-08T15:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 31 s
Description: Poznaj metodę DRIFTS do identyfikacji mechanizmów wiązania dyspergatora z cząstkami w koloidalnych dyspersjach. Technika ta minimalizuje zakłócenia od rozpuszczalnika i umożliwia analizę stabilności cząstek funkcyjnych.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

playerTrialDesktop

Autorzy dziękują za wsparcie Laboratoriów Badawczych Sił Powietrznych w ramach podumowy o podwykonawstwo UES #S-932-19-MR002. Autorzy doceniają ponadto wsparcie sprzętowe ze strony New York State Graduate Research and Teaching Initiative (GRTI/GR15).

1. Przygotowanie próbki do analizy wstępnej
<ol>
	<li>Oddzielanie cząstek funkcjonalnych od nośnika atramentu: wirowanie
	<ol>
		<li>Na podstawie początkowej receptury farby należy obliczyć, ile próbki farby potrzeba do uzyskania co najmniej 2,0 g osadu w postaci cząstek. Na przykład, jeśli tusz jest ceramiczny o gęstości 10% obj., a gęstość ceramiki wynosi 6,67 g/cm3, to do wytworzenia 2,0 g osadu potrzeba co najmniej 3,0 ml tuszu.</li>
		<li>Odpipetować co najmniej minimalną wymaganą ilość farby do probówki wirówkowej. Wybór probówki wirówkowej powinien być dokonany na podstawie wymaganej ilości atramentu i obojętności materiału probówki na rozpuszczalniki atramentowe.</li>
		<li>Umieścić probówkę w wirówce. Wybór wirówki i szybkości rotacji będzie podyktowany siłą grawitacji wymaganą do osadzenia cząsteczki atramentu. Zwykle wystarcza standardowa wirówka laboratoryjna, taka jak wirówka Sorvall ST16 z wahliwym wirnikiem kubełkowym TX-200.</li>
		<li>Zaprogramuj wirówkę do wirowania farby z prędkością obrotową i czasem niezbędnym do wytworzenia klarownego supernatantu. W przypadku zastosowanej tutaj wirówki typowe prędkości i czasy to 3.000 – 4.000 obr./min przez od 30 min do 90 min. Osiągnięcie prawidłowej prędkości obrotowej i czasu niezbędnego do sedymentacji atramentu może wymagać prób i błędów, ponieważ nawet atramenty o tych samych średnich rozmiarach cząstek mogą mieć różny rozkład wielkości cząstek.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Postępowanie z próbką po separacji: usunięcie sklarowanego osadu, mycie próbki, suszenie
	<ol>
		<li>Po uzyskaniu klarownego supernatantu wyjąć probówkę wirówkową z wirówki.</li>
		<li>Zdekantować supernatant i zapisać w szklanej fiolce z próbką do ewentualnej analizy w przyszłości. Cząstki funkcjonalne są teraz szczątkowe w probówce wirówkowej.</li>
		<li>Po zdekantowaniu umieść odkorkowaną probówkę wirówkową do góry nogami na ręczniku papierowym i pozwól, aby dodatkowy supernatant wypłynął na 1 minutę.</li>
		<li>Wyjmij probówkę z ręcznika papierowego i spłucz osadzone cząstki, dodając do probówki około 2 ml świeżego rozpuszczalnika o tym samym składzie, co preparat atramentowy. Należy pamiętać, że ten rozpuszczalnik dotknie tylko górnej warstwy cząstek osadzonych w probówce wirówkowej. Rozpuszczalnik dekantacyjny. Powtórz cykl płukania trzy razy.</li>
		<li>Po ostatnim cyklu płukania umieść niezakorkowaną probówkę wirówkową do góry nogami na ręczniku papierowym i pozwól, aby dodatkowy rozpuszczalnik wypłynął na około 5 minut.</li>
		<li>Użyj cienkiej metalowej szpatułki, aby usunąć osad z dna probówki wirówkowej i rozprowadź na czystym, suchym szkiełku zegarka. Użyj niestrzępiącego się, nieściernego bawełnianego wacika lub końcówki czystej szpatułki, aby usunąć nadmiar cząstek z końcówki szpatułki.</li>
		<li>Umieść szkiełko zegarka w piekarniku o temperaturze 50 °C i pozostaw cząstki do wyschnięcia na 24 godziny. Temperatura piekarnika powinna być utrzymywana na stosunkowo niskim poziomie, aby zminimalizować możliwość rozkładu zaadsorbowanych gatunków. Czas potrzebny do wysuszenia cząstek będzie zależał od prężności par rozpuszczalnika. Zazwyczaj jest to 24 godziny, ale wyniki są zwykle niewrażliwe na czas oczekiwania tak krótki, jak 12 godzin i tak długi, jak 3 tygodnie.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
2. Pomiar spektroskopii w podczerwieni za pomocą dyfuzyjnego odbicia
<ol>
	<li>Przygotowanie spektrometru podczerwieni: wyrównanie akcesorium, komora przedmuchiwania
	<ol>
		<li>Włącz spektrometr podczerwieni.</li>
		<li>Aby przygotować się do pomiarów spektroskopii w podczerwieni z odbiciem dyfuzyjnym, należy umieścić akcesorium do pobierania próbek odbicia dyfuzyjnego w komorze próbkowania spektrometru podczerwieni. Spektrometr podczerwieni może być dowolnym spektrometrem podczerwieni z transformacją Fouriera, zdolnym do współpracy z aparatem do pobierania próbek z dyfuzyjnym odbiciem. Do tego protokołu wykorzystano spektrometr Shimadzu IR Prestige 21 sprzężony z akcesorium Pike Technologies EasiDiff. W przypadku większości cząstek atramentu standardowy detektor deuterowanego siarczanu triglicyny domieszkowanej L-alaniną (DLaTGS) zapewnia czułość wystarczającą do pomiaru. Detektor ciekłego tellurku rtęci i kadmu (MCT) chłodzony ciekłym azotem zapewnia od czterech do dziesięciu razy większą czułość, ale zwykle nie jest to konieczne do identyfikacji adsorbatów na powierzchniach cząstek atramentu.</li>
		<li>Dopasuj akcesorium do pobierania próbek odbicia rozproszonego zgodnie z instrukcjami producenta.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Po wyrównaniu zamknij komorę pobierania próbek na podczerwień i rozpocznij przedmuchiwanie azotem lub suchym powietrzem wolnym od CO2 (szybkość przedmuchiwania 10 l/min). Standardowy generator gazu przedmuchującego FT-IR firmy Parker Balston dostarcza powietrze o stężeniu mniejszym niż 1 ppm wody i CO2 . Czas oczyszczania niezbędny do uzyskania stabilnej komory wolnej od wody i CO2 będzie zależał od konfiguracji komory próbki i wilgotności w laboratorium. Niezbędny czas oczyszczania można określić doświadczalnie, porównując widma tła pobrane w odstępach 1 lub 2 minutowych i oceniając intensywność pasm wody i CO2 w funkcji czasu.</li>
	<li>Przygotowanie próbki do pomiaru spektroskopii w podczerwieni z odbiciem dyfuzyjnym
	<ol>
		<li>Zaopatrz się w następujące akcesoria do przygotowywania próbek: mały (35 mm) moździerz i tłuczek z agatu, małą metalową szpatułkę, prostą żyletkę i dwie kubki na próbki w podczerwieni o rozproszonym współczynniku odbicia. Wytrzyj akcesoria do czysta etanolem, a następnie acetonem i pozostaw do wyschnięcia na 10 minut w piekarniku o temperaturze 50 °C.</li>
		<li>Wyjmij czyste, suche akcesoria do przygotowywania próbek z piekarnika, umieść je na dużej chusteczce Kimwipe i pozwól im ostygnąć do temperatury RT.</li>
		<li>Podczas gdy akcesoria do przygotowywania próbek stygną, usuń zaschnięte cząstki atramentu z piekarnika i użyj wagi analitycznej, aby zmierzyć 0,025 g próbki cząstek. Pozostawić próbkę w wadze analitycznej.</li>
		<li>Wróć do akcesoriów do przygotowania próbki i wlej 0,5 g KBr do zaprawy agatowej. Zawsze używaj KBr sprzedawanego do zastosowań na podczerwień. Zalecane są wstępnie odmierzone pojedyncze opakowania 0,5 g KBr (Thermo Scientific), ponieważ minimalizują one czas ważenia i narażenie higroskopijnego KBr na działanie otaczającej pary wodnej. Zmiel KBr do jednolitego wyglądu, zwykle 1 minutę ciągłego mielenia ręcznego.</li>
		<li>Całkowicie napełnić jeden z kubków do pobierania próbek podczerwieni o rozproszonym współczynniku odbicia zmielonym proszkiem KBr. Lekko wycisnąć proszek końcem tłuczka i uzupełnić kubek do pobierania próbek KBr.</li>
		<li>Użyj boku żyletki, aby spłaszczyć górną część KBr w kubku na próbkę. Ta wypełniona i spłaszczona próbka stanowi odniesienie lub tło.</li>
		<li>Wyrzuć resztki KBr w zaprawie i wytrzyj do czysta.</li>
		<li>Otwórz nowe opakowanie 0,5 g proszku KBr (lub dodaj 0,5 g proszku KBr) i wlej do moździerza.</li>
		<li>Dodaj wcześniej zważone 0,025 g cząstek atramentu do 0,5 g KBr i zmiel tłuczkiem do uzyskania jednolitego proszku, zwykle 1 minuta ciągłego mielenia ręcznego. Ten stosunek cząstek atramentu do KBr zapewnia próbkę o wartości 5% wagowych podczas pomiaru. Mieści się ona w standardowym zakresie (1 – 10% wag.), ale można ją regulować w górę lub w dół w zależności od chłonności i siły sygnału próbki.</li>
		<li>Wykonaj kroki 2.3.5 i 2.3.6, aby utworzyć kubek na próbkę wypełniony mieszaniną cząstek/KBr.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Pomiar spektroskopowy w podczerwieni
	<ol>
		<li>Umieścić kubki referencyjne i kubki na próbkę w uchwycie, a następnie umieścić uchwyt w akcesorium do pobierania próbek spektroskopii w podczerwieni z rozproszonym odbiciem. Ustaw uchwyt tak, aby kubek zawierający materiał tła (czysty KBr) był wystawiony na działanie promieniowania podczerwonego.</li>
		<li>Zamknąć komorę do pobierania próbek na podczerwień i pozostawić komorę do oczyszczenia przez 5 minut. Ten czas czyszczenia można dostosować w zależności od czasu określonego jako niezbędny w kroku 2.2.</li>
		<li>Po 5 minutach oczyszczania uzyskaj widmo tła w podczerwieni w obszarze zainteresowania. Liczbę skanów należy ustawić tak, aby zmaksymalizować stosunek sygnału do szumu przy jednoczesnej minimalizacji czasu pomiaru. Zwykle wystarcza 128 skanów w rozdzielczości 4 cm-1.</li>
		<li>Po zakończeniu skanowania tła otwórz komorę na próbkę podczerwieni i przesuń kubek zawierający mieszaninę cząstek/KBr tak, aby był teraz wystawiony na działanie promieniowania podczerwonego.</li>
		<li>Powtórzyć kroki 2.4.2 i 2.4.3 w celu uzyskania widma mieszaniny cząstka/KBr.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

<ol><li>Wray, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Additive+manufacturing-+Turning+manufacturing+inside+out%5BTitle%5D)+AND+%22American+Ceramic+Society+Bulletin%22%5BJournal%5D)">Additive manufacturing- Turning manufacturing inside out.</a> American Ceramic Society Bulletin. 93, (2014).</li>
<li>Hiemenz, P. C., Rajagopalan, R. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aHiemenz%2C+PC+%22Principles+of+Colloid+and+Surface+Chemistry%2C+Third+Edition%2C+Revised+and+Expanded%22">Principles of Colloid and Surface Chemistry, Third Edition, Revised and Expanded</a>. , Marcel Dekker. (1997).</li>
<li>Böhnlein-Mauß, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+function+of+polymers+in+the+tape+casting+of+alumina%5BTitle%5D)+AND+%22Advanced+Materials%22%5BJournal%5D)">The function of polymers in the tape casting of alumina.</a> Advanced Materials. 4, 73-81 (1992).</li>
<li>Grote, C., Cheema, T. A., Garnweitner, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Comparative+Study+of+Ligand+Binding+during+the+Postsynthetic+Stabilization+of+Metal+Oxide+Nanoparticles%5BTitle%5D)+AND+%22Langmuir%22%5BJournal%5D)">Comparative Study of Ligand Binding during the Postsynthetic Stabilization of Metal Oxide Nanoparticles.</a> Langmuir. 28, 14395-14404 (2012).</li>
<li>Zhang, Q., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Aqueous+Dispersions+of+Magnetite+Nanoparticles+Complexed+with+Copolyether+Dispersants%3A+Experiments+and+Theory%5BTitle%5D)+AND+%22Langmuir%22%5BJournal%5D)">Aqueous Dispersions of Magnetite Nanoparticles Complexed with Copolyether Dispersants: Experiments and Theory.</a> Langmuir. 23, 6927-6936 (2007).</li>
<li>Amstad, E., Gillich, T., Bilecka, I., Textor, M., Reimhult, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ultrastable+Iron+Oxide+Nanoparticle+Colloidal+Suspensions+Using+Dispersants+with+Catechol-Derived+Anchor+Groups%5BTitle%5D)+AND+%22Nano+Letters%22%5BJournal%5D)">Ultrastable Iron Oxide Nanoparticle Colloidal Suspensions Using Dispersants with Catechol-Derived Anchor Groups.</a> Nano Letters. 9, 4042-4048 (2009).</li>
<li>Wu, N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Interaction+of+Fatty+Acid+Monolayers+with+Cobalt+Nanoparticles%5BTitle%5D)+AND+%22Nano+Letters%22%5BJournal%5D)">Interaction of Fatty Acid Monolayers with Cobalt Nanoparticles.</a> Nano Letters. 4, 383-386 (2004).</li>
<li>Blackman, K., Slilaty, R. M., Lewis, J. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Competitive+Adsorption+Phenomena+in+Nonaqueous+Tape+Casting+Suspensions%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+the+American+Ceramic+Society%22%5BJournal%5D)">Competitive Adsorption Phenomena in Nonaqueous Tape Casting Suspensions.</a> Journal of the American Ceramic Society. 84, 2501-2506 (2001).</li>
<li>Hind, A. R., Bhargava, S. K., McKinnon, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((At+the+solid%2Fliquid+interface%3A+FTIR%2FATR+%E2%80%94+the+tool+of+choice%5BTitle%5D)+AND+%22Advances+in+Colloid+and+Interface+Science%22%5BJournal%5D)">At the solid/liquid interface: FTIR/ATR — the tool of choice.</a> Advances in Colloid and Interface Science. 93, 91-114 (2001).</li>
<li>Wang, J., Gao, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Surface+properties+of+polymer+adsorbed+zirconia+nanoparticles%5BTitle%5D)+AND+%22Nanostructured+Materials%22%5BJournal%5D)">Surface properties of polymer adsorbed zirconia nanoparticles.</a> Nanostructured Materials. 11, 451-457 (1999).</li>
<li>Guedes, M., Ferreira, J. M. F., Ferro, A. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+study+on+the+aqueous+dispersion+mechanism+of+CuO+powders+using+Tiron%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Colloid+and+Interface+Science%22%5BJournal%5D)">A study on the aqueous dispersion mechanism of CuO powders using Tiron.</a> Journal of Colloid and Interface Science. 330, 119-124 (2009).</li>
<li>Guedes, M., Ferreira, J. M. F., Ferro, A. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Dispersion+of+Cu2O+particles+in+aqueous+suspensions+containing+4%2C5-dihydroxy-1%2C3-benzenedisulfonic+acid+disodium+salt%5BTitle%5D)+AND+%22Ceramics+International%22%5BJournal%5D)">Dispersion of Cu2O particles in aqueous suspensions containing 4,5-dihydroxy-1,3-benzenedisulfonic acid disodium salt.</a> Ceramics International. 35, 1939-1945 (2009).</li>
<li>Gottlieb, H. E., Kotlyar, V., Nudelman, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((NMR+Chemical+Shifts+of+Common+Laboratory+Solvents+as+Trace+Impurities%5BTitle%5D)+AND+%22The+Journal+of+Organic+Chemistry%22%5BJournal%5D)">NMR Chemical Shifts of Common Laboratory Solvents as Trace Impurities.</a> The Journal of Organic Chemistry. 62, 7512-7515 (1997).</li>
<li>Amstad, E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Influence+of+Electronegative+Substituents+on+the+Binding+Affinity+of+Catechol-Derived+Anchors+to+Fe3O4+Nanoparticles%5BTitle%5D)+AND+%22The+Journal+of+Physical+Chemistry+C%22%5BJournal%5D)">Influence of Electronegative Substituents on the Binding Affinity of Catechol-Derived Anchors to Fe3O4 Nanoparticles.</a> The Journal of Physical Chemistry C. 115, 683-691 (2010).</li>
<li>Naviroj, S., Koenig, J. L., Ishida, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Diffuse+Reflectance+Fourier+Transform+Infrared+Spectroscopic+Study+of+Chemical+Bonding+and+Hydrothermal+Stability+of+an+Aminosilane+on+Metal+Oxide+Surfaces%5BTitle%5D)+AND+%22The+Journal+of+Adhesion%22%5BJournal%5D)">Diffuse Reflectance Fourier Transform Infrared Spectroscopic Study of Chemical Bonding and Hydrothermal Stability of an Aminosilane on Metal Oxide Surfaces.</a> The Journal of Adhesion. 18, 93-110 (1985).</li>
<li>Li, C. -C., Chang, M. -H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Colloidal+stability+of+CuO+nanoparticles+in+alkanes+via+oleate+modifications%5BTitle%5D)+AND+%22Materials+Letters%22%5BJournal%5D)">Colloidal stability of CuO nanoparticles in alkanes via oleate modifications.</a> Materials Letters. 58, 3903-3907 (2004).</li>
<li>Lee, S., Paik, U., Yoon, S. -M., Choi, J. -Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Dispersant-Ethyl+Cellulose+Binder+Interactions+at+the+Ni+Particle-Dihydroterpineol+Interface%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+the+American+Ceramic+Society%22%5BJournal%5D)">Dispersant-Ethyl Cellulose Binder Interactions at the Ni Particle-Dihydroterpineol Interface.</a> Journal of the American Ceramic Society. 89, 3050-3055 (2006).</li>
<li>Lee, S. J., Kim, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Diffuse+reflectance+infrared+spectra+of+stearic+acid+self-assembled+on+fine+silver+particles%5BTitle%5D)+AND+%22Vibrational+Spectroscopy%22%5BJournal%5D)">Diffuse reflectance infrared spectra of stearic acid self-assembled on fine silver particles.</a> Vibrational Spectroscopy. 18, 187-201 (1998).</li>
<li>Lee, D. H., Condrate, R. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((FTIR+spectral+characterization+of+thin+film+coatings+of+oleic+acid+on+glasses%3A+I.+Coatings+on+glasses+from+ethyl+alcohol%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Materials+Science%22%5BJournal%5D)">FTIR spectral characterization of thin film coatings of oleic acid on glasses: I. Coatings on glasses from ethyl alcohol.</a> Journal of Materials Science. 34, 139-146 (1999).</li>
<li>Lee, D. H., Condrate, R. A., Lacourse, W. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((FTIR+spectral+characterization+of+thin+film+coatings+of+oleic+acid+on+glasses+Part+II+Coatings+on+glass+from+different+media+such+as+water%2C+alcohol%2C+benzene+and+air%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Materials+Science%22%5BJournal%5D)">FTIR spectral characterization of thin film coatings of oleic acid on glasses Part II Coatings on glass from different media such as water, alcohol, benzene and air.</a> Journal of Materials Science. 35, 4961-4970 (2000).</li>
<li>Jay Deiner,, Piotrowski, L., A, K., Reitz, T. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Mechanisms+of+Fatty+Acid+and+Triglyceride+Dispersant+Bonding+in+Non-Aqueous+Dispersions+of+NiO%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+the+American+Ceramic+Society%22%5BJournal%5D)">Mechanisms of Fatty Acid and Triglyceride Dispersant Bonding in Non-Aqueous Dispersions of NiO.</a> Journal of the American Ceramic Society. 96, 750-758 (2013).</li>
<li>Young, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ink-jet+printing+of+electrolyte+and+anode+functional+layer+for+solid+oxide+fuel+cells%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Power+Sources%22%5BJournal%5D)">Ink-jet printing of electrolyte and anode functional layer for solid oxide fuel cells.</a> Journal of Power Sources. 184, 191-196 (2008).</li>
<li>Nakamoto, K. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aNakamoto%2C+K+%22Infrared+and+Raman+Spectra+of+Inorganic+and+Coordination+Complexes%22">Infrared and Raman Spectra of Inorganic and Coordination Complexes</a>. , 5th edn, John Wiley & Sons, Inc. (1997).</li>
<li>Fuller, M. P., Griffiths, P. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Diffuse+reflectance+measurements+by+infrared+Fourier+transform+spectrometry%5BTitle%5D)+AND+%22Analytical+Chemistry%22%5BJournal%5D)">Diffuse reflectance measurements by infrared Fourier transform spectrometry.</a> Analytical Chemistry. 50, 1906-1910 (1978).</li>
</ol>

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Dwa krytyczne czynniki pozwalające na uzyskanie wysokiej jakości widm podczerwieni przy zastosowaniu tej procedury to: 1) minimalizacja bezwzględnej ilości zanieczyszczeń wodnych oraz różnic w ilości tych zanieczyszczeń pomiędzy próbką a wzorcem; oraz 2) przygotowanie próbek i wzorców w formie jednorodnych płaskich warstw o podobnej wielkości ziaren KBr. Oba te cele osiąga się poprzez szczególną dbałość o procedury przygotowania próbek opisane w sekcji 2.3.
Aby zminimalizować całkowitą ilość z...

Produkcja addytywna pojawiła się ostatnio jako obiecująca technika wytwarzania wszystkiego, od ceramiki przez półprzewodniki po urządzenia medyczne1. Wraz z rozszerzaniem się zastosowań wytwarzania przyrostowego na drukowane części ceramiczne, tlenkowe i metalowe, pojawia się potrzeba opracowania specjalistycznych atramentów funkcjonalnych. Pytanie o to, w jaki sposób sformułować wymagane atramenty funkcyjne, wiąże się z fundamentalnym zagadnieniem w nauce o powierzchni i koloidach: jakie są mechanizmy, za pomocą których cząstki w dyspersji koloidalnej są stabilizowane przed agregacją? Ogólnie rzecz biorąc, stabilizacja wymaga modyfikacji powierzchni cząstek w taki sposób, że bliskie zbliżenie się cząstek (a tym samym agregacja) jest uniemożliwione albo przez odpychanie kulombowskie (stabilizacja elektrostatyczna), albo przez entropiczną karę splątania polimeru (stabilizacja steryczna), albo przez kombinację sił kulombowskich i entropicznych (stabilizacja elektrosteryczna)2. Aby osiągnąć którykolwiek z tych mechanizmów stabilizacji, zwykle konieczna jest modyfikacja chemii powierzchni cząstek poprzez przyłączenie polimerów lub grup funkcyjnych o krótszych łańcuchach. Tak więc racjonalne formułowanie stabilnych farb funkcjonalnych wymaga, abyśmy wiedzieli, czy dany dodatek chemiczny przyczepia się do powierzchni cząstki i jaka grupa chemiczna przyłącza się do powierzchni cząstki.
Celem metody przedstawionej w tym protokole jest szybkie scharakteryzowanie związków chemicznych zaadsorbowanych na powierzchni cząstek w funkcjonalnych tuszach. Cel ten jest szczególnie ważny, ponieważ formułowanie atramentów funkcjonalnych przechodzi od specjalistycznego zadania dla naukowców zajmujących się powierzchnią i koloidami do działalności szeroko praktykowanej przez szereg naukowców i inżynierów zainteresowanych drukowaniem urządzeń ceramicznych, tlenkowych i metalowych. Osiągnięcie tego celu wymaga zaprojektowania eksperymentu, który pokona wyzwania związane z charakteryzowaniem nieprzezroczystych dyspersji o dużej zawartości ciał stałych. Wymaga to również rozróżnienia między gatunkami chemicznymi, które są obecne w dyspersji, ale nie są zaadsorbowane na cząstkach, od tych, które są faktycznie zaadsorbowane. Wymaga to ponadto rozróżnienia między tymi gatunkami, które są chemicznie zaadsorbowane na cząstkach, od tych, które są słabo fizsorbowane. W tym protokole eksperymentalnym przedstawiono zastosowanie spektroskopii w podczerwieni z rozproszonym odbiciem do charakterystyki przyłączania dyspergatora w tuszach funkcjonalnych. Pomiar spektroskopii w podczerwieni z odbiciem dyfuzyjnym odbywa się zgodnie z techniką przygotowania próbki przed analizą, niezbędną do odróżnienia zaadsorbowanych gatunków od tych tylko obecnych w dyspersji.
Obecnie używane są różne metody, aby uzyskać wgląd w naturę interakcji między chemicznymi składnikami tuszu a koloidalnie rozproszonymi cząstkami. Niektóre z tych metod to sondy pośrednie, w których zakłada się, że mierzone właściwości korelują z funkcjonalizacją powierzchni. Na przykład zakłada się, że zmiany w reologii gnojowicy lub szybkości sedymentacji korelują z adsorpcją modyfikatorów powierzchni3. Rozkład wielkości cząstek, charakteryzujący się dynamicznym rozpraszaniem światła (DLS) i potencjał zeta, charakteryzujący się ruchliwością elektroforetyczną, zapewniają wgląd w adsorpcję polimerów lub gatunków o ładunku powierzchniowym4,5. Podobnie, utrata masy próbki badana za pomocą analizy termograwimetrycznej (TGA) odnosi się do obecności gatunków desorpcyjnych i siły oddziaływania między adsorbatem a cząstką6. Informacje z wyżej wymienionych sond pośrednich sugerują zmiany w chemii powierzchni, ale nie dają bezpośredniego wglądu w tożsamość gatunków adsorpcyjnych ani mechanizmu ich adsorpcji. Bezpośredni wgląd jest szczególnie ważny w przypadku farb funkcyjnych, w których w dyspersji występuje duża liczba składników. Aby uzyskać szczegółowe informacje na poziomie molekularnym, zbadano spektroskopię fotoelektronów rentgenowskich (XPS)7, magnetyczny rezonans jądrowy 13C (NMR) 4,6 i spektroskopię w podczerwieni8-12. Z tych trzech opcji szczególnie obiecująca jest spektroskopia w podczerwieni. W porównaniu do 13C NMR, spektroskopia w podczerwieni nie wymaga, aby atramenty były formułowane z analitycznie czystymi rozpuszczalnikami, aby zapobiec zakłóceniom podczas pomiaru13. W porównaniu z rentgenowską spektroskopią fotoelektronów, standardowa spektroskopia w podczerwieni może być prowadzona pod ciśnieniem otoczenia, co pozwala uniknąć konieczności stosowania warunków ultrawysokiej próżni podczas pomiaru.
Istnieje precedens w literaturze dotyczący użycia spektroskopii w podczerwieni do badania interakcji między koloidalnie zdyspergowaną ceramiką, tlenkiem metalu i nanocząstkami metalu. Prace te można podzielić na próby pomiaru chemii międzyfazowej in situ przy użyciu podczerwieni o tłumieniu całkowitego odbicia (ATR-IR)9 oraz próby pomiaru chemii międzyfazowej ex situ przyużyciu próbkowania stałego8. Chociaż pomiary in situ mają swoje zalety, niepewności wynikające z konieczności manipulacji spektralnej sprawiają, że metoda ta jest trudna w przypadku atramentów wieloskładnikowych, w których znajdują się rozpuszczalniki i wiele składników polimerowych. W związku z tym protokół ten koncentruje się na pobieraniu próbek ciał stałych i pomiarach ex situ. Wszystkie metody pobierania próbek ciał stałych obejmują etap obróbki wstępnej, w którym ciało stałe otrzymuje się przez oddzielenie cząstek od rozpuszczalnika, oraz etap analizy, w którym wykonuje się pomiary w podczerwieni cząstek stałych. Różnica między metodami wynika z wyboru obróbki wstępnej próbki oraz z wyboru techniki eksperymentalnej stosowanej do analizy ciała stałego w podczerwieni. Historycznie rzecz biorąc, tradycyjnym sposobem wykorzystania spektroskopii w podczerwieni do analizy ciał stałych było mielenie małych ilości (< 1%) próbki stałej za pomocą bromku potasu (KBr) w proszku, a następnie poddanie mieszaniny spiekaniu pod wysokim ciśnieniem. Rezultatem jest przezroczysta granulka KBr. Procedura ta została z powodzeniem przeprowadzona z proszkami pochodzącymi z wodnych zawiesin nanocząstek tlenku cyrkonu funkcjonalizowanych polietylenoaminą10, monowarstwami kwasów tłuszczowych na nanocząstkach kobaltu7 oraz dyspergatorami pochodzącymi z katecholu na nanocząstkach Fe3O4 14. Pomimo tych udanych zastosowań techniki granulowania KBr do wykrywania zaadsorbowanych dyspergatorów, spektroskopia w podczerwieni z rozproszonym odbiciem ma kilka zalet. Jedną z zalet jest uproszczone przygotowanie próbki. W przeciwieństwie do granulowania KBr, próbka stała o współczynniku odbicia rozproszonego może być po prostu mielona ręcznie. Nie ma etapu spiekania, ponieważ sam proszek jest ładowany do kubka na próbkę i mierzone jest rozproszone światło podczerwone. Inną zaletą odbicia dyfuzyjnego w porównaniu z granulowaniem KBr jest zwiększona czułość powierzchni15. Wzrost czułości powierzchniowej jest szczególnie przydatny w obecnym zastosowaniu, w którym krytycznymi pytaniami są obecność i charakter adsorbatów na powierzchniach nanocząstek.
Wśród prac, które wykorzystywały technikę próbkowania dyfuzyjnego odbicia do badania adsorpcji związków chemicznych na próbkach zdyspergowanych koloidalnie, główne różnice pojawiają się w metodzie oddzielania nanocząstek od ciekłego medium. Ten etap ma kluczowe znaczenie, ponieważ bez separacji niemożliwe byłoby odróżnienie specyficznie zaadsorbowanych dyspergatorów od dyspergatorów po prostu rozpuszczonych w ciekłym środowisku. W kilku przykładach metoda separacji nie jest oczywista z protokołu eksperymentalnego12,16,17. Najczęściej praktykowaną metodą jest separacja grawitacyjna. Uzasadnienie jest takie, że ceramika, tlenek metalu i nanocząstki metalu są bardziej gęste niż otaczające je media. Kiedy osiądą, pociągną za sobą tylko specjalnie zaadsorbowane gatunki. Związki chemiczne, które nie wchodzą w interakcje z cząstkami, pozostaną w roztworze. Podczas gdy dyspersje mogą łatwo osiadać pod normalną siłą grawitacji18, stabilny atrament do drukarek atramentowych nie powinien obserwować osiadania w okresie krótszym niż rok. W związku z tym preferowana jest metoda polegająca na zastosowaniu wirowania do separacji przed analizą. Wykazano to w kilku badaniach adsorpcji dyspergatora na cząstkach szkła19,20, adsorpcji spoiwa dyspergującego na tlenku glinu8 i anionowej funkcjonalizacji dyspergatora CuO11. Ostatnio wykorzystaliśmy go do oceny mechanizmów wiązania kwasów tłuszczowych w niewodnych dyspersjach NiO stosowanych do drukowania atramentowego i aerozolowego warstw ogniw paliwowych ze stałym tlenkiem21.

<table><tbody><tr><td>Ławka FTIR</td><td>Shimadzu Scientific Instruments</td><td>IR_Prestige 21 użyta w tej pracy; w 2013 roku model IR-Tracer 100 zastąpił Prestige-21</td><td>Dopuszczalny jest dowolny FTIR klasy badawczej z komorą na próbki</td></tr>, którą można usunąć <tr><td>Generator gazu przedmuchującego do komory próbki</td><td>Parker Balston</td><td>74-5041NA Laboratoryjny generator</td> <td>gazuDostarcza powietrze o mocy mniejszej niż 1&nbsp; ppm CO2 i woda; Możliwe jest również opróżnianie komory za pomocą zbiornika N2</td></tr><tr><td>Akcesorium do podczerwieni z rozproszonym odbiciem</td><td>Pike Technologies</td><td>042-10XX</td><td>Zawiera zestaw do przygotowania próbki oraz moździerz i tłuczek (można je również kupić osobno, opisano poniżej)</td></tr><tr><td>Zestaw do przygotowania próbki z odbiciem dyfuzyjnym</td><td>Pike Technologies</td><td>042-3040</td><td>Zawiera kubki na próbki, szpatułki, lusterko do wyrównywania, szczotkę lustrzaną, żyletki</td></tr><tr><td>Moździerz agatowy i tłuczek</td><td>Pike Technologies</td><td>161-5035</td><td></td></tr><tr><td>Wirówka</td><td>ThermoScientific</td><td>Sorvall ST16</td><td>Większość wirówek stołowych o prędkości ~5,000 obr./min będzie akceptowalna</td></tr><tr><td colspan="4">[nagłówek]</td></tr><tr><td colspan="4">Materiały eksploatacyjne</td></tr><tr><td>Probówki wirówkowe</td><td>Evergreen Scientific</td><td>222-2470-G8K</td><td>Dopuszczalna jest dowolna probówka wirówkowa o kompatybilnym rozmiarze i materiale</td></tr><tr><td>Pakiety proszkowe KBr</td><td>ThermoScientific</td><td>50-465-317</td><td>Możliwe również skorzystanie z alternatywnego dostawcy KBr</td></tr></tbody></table>

spektroskopowa identyfikacja mechanizmów wiązania dyspergatora/cząstek w farbach funkcjonalnych z dyfuzyjnym odbiciem dyfuzyjnym

Diffuse Reflectance Infrared Spectroscopic Identification of Dispersant/Particle Bonding Mechanisms in Functional Inks

W produkcji addytywnej, czyli druku 3D, materiał jest nakładany kropla po kropli, tworząc warstwy od mikronów do makroskal. Typowy atrament do drukarek atramentowych to dyspersja koloidalna zawierająca około dziesięciu składników, w tym rozpuszczalnik, cząstki w skali od nano do mikronów, które będą składać się na wydrukowaną warstwę, polimerowe dyspergatory stabilizujące cząstki oraz polimery dostrajające wytrzymałość warstwy, napięcie powierzchniowe i lepkość. Aby racjonalnie i skutecznie sformułować taki tusz, kluczowe jest to, w jaki sposób składniki oddziałują na siebie. W szczególności, które polimery wiążą się z powierzchniami cząstek i jak są one łączone? Odpowiedź na to pytanie wymaga procedury eksperymentalnej, która rozróżnia polimer zaadsorbowany na cząstkach i wolny polimer. Ponadto metoda musi dostarczyć szczegółowych informacji na temat tego, w jaki sposób grupy funkcyjne polimeru oddziałują z cząstką. W tym protokole pokazujemy, jak zastosować wirowanie do oddzielenia cząstek z zaadsorbowanym polimerem od reszty tuszu, przygotowania oddzielonych próbek do pomiaru spektroskopowego i wykorzystania spektroskopii w podczerwieni z transformacją Fouriera z rozproszonym odbiciem (DRIFTS) do dokładnego określenia mechanizmów wiązania dyspergator/cząstka. Istotną zaletą tej metodologii jest to, że zapewnia ona wysoki poziom szczegółów mechanistycznych przy użyciu tylko prostego, powszechnie dostępnego sprzętu laboratoryjnego. Dzięki temu kluczowe dane są dostępne dla prawie każdego laboratorium zajmującego się formulacją. Metoda ta jest najbardziej przydatna w przypadku atramentów składających się z cząstek metalu, ceramiki i tlenków metali w zakresie 100 nm lub większym. Ze względu na gęstość i wielkość cząstek tych atramentów można je łatwo oddzielić za pomocą wirowania. Co więcej, sygnatury spektroskopowe takich cząstek są łatwe do odróżnienia od wchłoniętego polimeru. Podstawowym ograniczeniem tej techniki jest to, że spektroskopia jest wykonywana ex situ na oddzielonych i wysuszonych cząstkach, a nie na cząstkach w dyspersji. Jednak wyniki z osłabionych widm całkowitego odbicia cząstek oddzielonych od siebie na mokro dostarczają dowodów na słuszność pomiaru DRIFTS.

Procedura eksperymentalna opisana w niniejszym protokole została zastosowana w celu zrozumienia mechanizmu stabilizacji cząstek NiO w tuszu wykorzystywanym do drukowania anody stałotlenkowych ogniw paliwowych. Tusz ten jest dyspersją cząstek NiO w 2-butanolu, alfa-terpineolu oraz szeregu dyspergatorów i lepiszczy22. Przedstawiono tutaj reprezentatywne wyniki dla uproszczonej dyspersji NiO w 2-butanolu z kwasem oleinowym jako dyspergatorem. Na Rysunku 1A przedstawiono surowe dane z dyfuzyjnej s...

Formułowanie stabilnych, funkcjonalnych atramentów ma kluczowe znaczenie dla rozszerzenia zastosowań produkcji addytywnej. Z kolei wiedza na temat mechanizmów wiązania dyspergatora z cząstkami jest niezbędna do skutecznego formułowania tuszu. Spektroskopia w podczerwieni z transformacją Fouriera (DRIFTS) z dyfuzyjnym odbiciem jest przedstawiana jako prosty i niedrogi sposób na uzyskanie wglądu w te mechanizmy.

Spektroskopowa identyfikacja mechanizmów wiązania dyspergatora/cząstek w farbach funkcjonalnych z dyfuzyjnym odbiciem dyfuzyjnym

In additive manufacturing, or 3D printing, material is deposited drop by drop, to create micron to macroscale layers.  A typical inkjet ink is a colloidal ...

Ogólnym celem niniejszej procedury jest identyfikacja cząsteczek dyspergentu zaabsorbowanych na cząstkach rozproszonych w dyspersjach koloidalnych. Osiąga się to najpierw poprzez wirowanie roztworu koloidalnego w celu oddzielenia cząstek od dyspergentu. Następnie wyizolowane cząstki są przemywane rozpuszczalnikami, odzyskiwane za pomocą wirowania i suszone w suszarce.Wysuszony osad miesza się następnie z matrycą bromku potasu i uciera na drobny proszek. Na koniec mieszaninę umieszcza się w uchwycie na próbkę i poddaje pomiarowi za pomocą spektroskopii w podczerwieni z rozproszonym odbiciem (DRIFTS).Zastosowana spektroskopia służy do identyfikacji cząsteczek chemi orb oraz dyspergatora esor. Główną zaletą tej techniki w porównaniu z innymi metodami, takimi jak podczerwień z osłabionym całkowitym odbiciem, jest minimalizacja interferencji pochodzących z rozpuszczalnika. Dzięki temu technika ta może pomóc w odpowiedzi na kluczowe pytania z zakresu nauki o koloidach i powierzchniach, w tym w kwestii tego, w jaki sposób cząstki funkcjonalne są stabilizowane w dyspersji koloidalnej.W tym filmie zaprezentuję procedurę związaną ze spektroskopią w podczerwieni, przygotowaniem próbek i pomia

diffuse-reflectance-infrared-spectroscopic-identification

Research

JoVE Journal

Chemistry

Chemia

Identyfikacja mechanizmów wiązania dyspecjonantu/cząstki w farbach funkcjonalnych za pomocą dyfuzyjnej spektroskopii odbicia w podczerwieni

Opisano protokół syntezy i charakterystyki koloidów pokrytych cząstkami supramolekularnymi. Te supramolekularne koloidy ulegają samoorganizacji po aktywacji wiązań wodorowych między cząsteczkami zakotwiczonymi na powierzchni przez światło UV.

Synteza i charakterystyka koloidów supramolekularnych

Tutaj prezentujemy niezawodną metodę monitorowania inkorporacji nanocząstek do matrycy gospodarza polimeru poprzez enkapsulację pęcznienia. Pokazujemy, że stężenie powierzchniowe kropek kwantowych selenku kadmu można dokładnie zobrazować za pomocą przekrojowego obrazowania fluorescencyjnego.

Zaawansowana analiza składu kompozytów nanocząstkowo-polimerowych z wykorzystaniem bezpośredniego obrazowania fluorescencyjnego

Polimeryzacja wytrącająca bez mieszania zapewnia szybkie, powtarzalne podejście do prototypowania syntezy wrażliwych na bodźce mikrożeli poli(N-izopropyloakrylamidowych) o wąskim rozkładzie rozmiarów. W tej syntezie protokołu demonstruje się charakterystykę rozpraszania światła i śledzenie fluorescencji pojedynczych cząstek tych mikrożeli w mikroskopii szerokokątnej.

Kontrolowana synteza i śledzenie fluorescencji wysoce jednorodnych mikrożeli poli(N-izopropyloakrylamidowych)

Ta metoda dwuetapowej pirolizy online w połączeniu z chromatografią gazową z detekcją spektrometryczną mas i protokołem oceny danych może być używana do wieloskładnikowej analizy tuszy do tatuażu i dyskryminacji podrabianych produktów.

Dwuetapowa metoda pirolizy i chromatografii gazowej z detekcją spektrometrii mas do identyfikacji składników tuszu do tatuażu i podrabianych produktów

Opisano użycie spektroskopii FTIR do badania właściwości powierzchni polikrystalicznych ciał stałych. Omówiono przygotowanie osadów próbek, procedury aktywacji, charakterystykę za pomocą cząsteczek sondy oraz modelowe badania adsorpcji CO2 .

In situ Spektroskopia FTIR jako narzędzie do badania oddziaływań gaz/ciało stałe: adsorpcja CO2 wzmocniona wodą w strukturze metaloorganicznej UiO-66

Obecny protokół opisuje cyfrowy druk 3D materiałów polimerowych oparty na przetwarzaniu światła przy użyciu fotoinicjowanej odwracalnej polimeryzacji łańcuchowej addycyjno-fragmentacyjnej typu I i późniejszej post-funkcjonalizacji materiału in situ poprzez polimeryzację za pośrednictwem powierzchni. Fotoindukowany druk 3D zapewnia materiałom niezależnie dopasowane i kontrolowane przestrzennie właściwości sypkie i międzyfazowe.

Druk 3D i modyfikacja powierzchni in situ za pomocą fotoinicjowanej odwracalnej polimeryzacji łańcuchowej addycyjno-fragmentacyjnej typu I

To badanie wykorzystuje temperaturę i skład materiału do kontrolowania właściwości płynów o granicy plastyczności. Stan podobny do ciała stałego atramentu może chronić strukturę druku, a stan podobny do cieczy może w sposób ciągły wypełniać pozycję drukowania, realizując cyfrowe przetwarzanie światła 3D z wyjątkowo miękkich biotuszów.

Ilościowa charakterystyka właściwości ciekłego światłoczułego biotuszu do ciągłego druku opartego na cyfrowym przetwarzaniu światła

Ten protokół opisuje zastosowanie mikroskopii sił atomowych i nanoskalowej spektroskopii w podczerwieni do oceny wydajności fototermicznej spektroskopii w podczerwieni w nanoskali w charakterystyce trójwymiarowych próbek wielopolimerowych.

Postępy w nanoskalowej spektroskopii w podczerwieni w celu zbadania wielofazowych układów polimerowych

Za pomocą nieinwazyjnej techniki czasu rzeczywistego, nanoskopowy ruch polimeru wewnątrz filamentu polimerowego jest obrazowany podczas drukowania 3D. Dostrojenie tego ruchu ma kluczowe znaczenie dla tworzenia konstrukcji o optymalnej wydajności i wyglądzie. Metoda ta dociera do sedna stapiania warstw tworzywa sztucznego, oferując w ten sposób wgląd w optymalne warunki drukowania i kryteria projektowania materiałów.

Obrazowanie w czasie rzeczywistym łączenia warstw drukowanych w 3D

Przedstawiona tutaj jest metoda ekstrakcji mikroplastiku z gleby i identyfikacji ich typów polimerów. Metoda została zoptymalizowana pod kątem wykonania, możliwości zastosowania i opłacalności. Stanowi ona naukowe podstawy do standaryzacji metody analitycznej do identyfikacji mikrodrobin plastiku w glebie.

Separacja i identyfikacja konwencjonalnych mikrodrobin plastiku z gleb użytków rolnych

Tutaj prezentujemy protokół prezentujący optycznie przezroczyste i płaskie podłoże do usprawnionego wychwytywania i analizy cząstek zanieczyszczających w wodzie pitnej. Przedstawiono tutaj Silicon Nanomembrane Analysis Pipeline (SNAP): elastyczny rurociąg do wychwytywania, kwantyfikacji i identyfikacji cząstek w ciekłych mediach.

Multimodalna analiza mikroplastiku w wodzie pitnej przy użyciu rurociągu do analizy nanomembran krzemowych

Poznaj metodę DRIFTS do identyfikacji mechanizmów wiązania dyspergatora z cząstkami w koloidalnych dyspersjach. Technika ta minimalizuje zakłócenia od rozpuszczalnika i umożliwia analizę stabilności cząstek funkcyjnych.

Spektroskopowa identyfikacja mechanizmów wiązania dyspergatora/cząstek w farbach funkcjonalnych z dyfuzyjnym odbiciem dyfuzyjnym (Wideo) | JoVE Journal

Spektroskopowa identyfikacja mechanizmów wiązania dyspergatora/cząstek w farbach funkcjonalnych z dyfuzyjnym odbiciem dyfuzyjnym

Przeglądaj więcej filmów