Introduction
وقد ظهرت المضافة التصنيع مؤخرا باعتبارها تقنية واعدة للتصنيع كل شيء من السيراميك لأشباه الموصلات الأجهزة الطبية 1. كما تطبيقات مضافة التصنيع توسيع إلى السيراميك المطبوعة، أكسيد المعادن، وقطع معدنية، والحاجة إلى صياغة الأحبار وظيفية متخصصة تنشأ. مسألة كيفية صياغة الأحبار الوظيفية المطلوبة تتعلق مسألة أساسية في المياه السطحية والغروانية العلم: ما هي الآليات التي الجزيئات في تشتت الغروية واستقرت ضد التجميع؟ على نطاق واسع، وتحقيق الاستقرار يتطلب تعديل أسطح الجسيمات مثل هذا النهج بالقرب من الجسيمات (وبالتالي تجميع) يتم منع إما عن طريق Coulombic التنافر (تثبيت كهرباء)، من ركلة جزاء التدهور الحتمي من التورط البوليمر (تثبيت الفراغية)، أو عن طريق مزيج من Coulombic والقوات التدهور الحتمي (تثبيت electrosteric) 2. من أجل تحقيق أي من هذه الآليات منالاستقرار، فمن الضروري عادة لتعديل الكيمياء السطحية الجسيمات من خلال مرفق البوليمرات أو المجموعات الوظيفية سلسلة أقصر. وبالتالي، فإن صياغة عقلانية من الأحبار وظيفية مستقرة وتتطلب أن نعرف ما إذا كانت المضافات الكيماوية نظرا تعلق على سطح الجسيمات وما الكيميائية مجموعة يعلقها على سطح الجسيمات.
والهدف من هذا الأسلوب الواردة في هذا البروتوكول هو لإثبات توصيف السريع الأنواع الكيميائية كثف على الأسطح الجسيمات في الأحبار وظيفية. هذا الهدف أهمية خاصة حيث ظيفية التحولات صياغة الحبر من عمل متخصصة للمياه السطحية والغروانية العلماء إلى النشاط الذي يمارس على نطاق واسع من قبل مجموعة من العلماء والمهندسين المهتمين في مجال الطباعة السيراميك، أكسيد المعادن، والأجهزة المعدنية. تحقيق هذا الهدف يتطلب تصميم التجربة أن يتغلب على تحديات تميز مبهمة، والمواد الصلبة عالية التحميل التفرق. كما يتطلب تمييزا بين الفصلالأنواع emical التي تكون موجودة في تشتت ولكن لا كثف على جزيئات من تلك التي كثف الواقع. فإنه يتطلب مزيد من التمييز بين هذه الأنواع التي يتم كثف كيميائيا على جزيئات من تلك التي physisorbed ضعيفة. في هذا البروتوكول التجريبي، نقدم استخدام منتشر الانعكاس الطيفي بالأشعة تحت الحمراء لتوصيف مرفق مشتتة في الأحبار وظيفية. الانعكاس منتشر الأشعة تحت الحمراء قياس الطيفي في أعقاب ما قبل التحليل تقنية إعداد العينات اللازمة لتمييز الأنواع كثف من الحاضرين فقط في التشتت.
وتستخدم مجموعة متنوعة من أساليب حاليا إلى التبصر في طبيعة التفاعلات بين مكونات الحبر الكيميائية والجسيمات فرقت colloidally. بعض من هذه الأساليب هي تحقيقات غير المباشرة التي تقاس يفترض خصائص لربط مع functionalization السطح. على سبيل المثال، والتغييرات في الريولوجيا الطين أو الترسيب صيفترض آتش لربط مع امتصاص معدلات السطح 3. توزيع حجم الجسيمات، كما تتميز ضوء ديناميكية نثر (DLS)، وزيتا المحتملة، كما تتميز التنقل الكهربي، وتوفير نظرة ثاقبة على امتصاص البوليمرات أو الأنواع ذات الشحنة السطحية 4،5. وبالمثل، تذوق الخسارة الجماعية فيما حققت من خلال تحليل الحراري الوزني (TGA) صلته وجود desorbing الأنواع وقوة التفاعل بين كثف والجسيمات 6. المعلومات من تحقيقات غير المباشرة المذكورة أعلاه تشير التغيرات في كيمياء السطوح، ولكنها لا توفر نظرة مباشرة إلى هوية الأنواع التكثيف أو آلية امتصاص لها. رؤية المباشرة أهمية خاصة للأحبار وظيفية شارك فيها عدد كبير من عناصر موجودة في التشتت. تقديم معلومات مفصلة المستوى الجزيئي، والأشعة السينية الضوئية الطيفي (XPS) 7، 13 C المغناطيسي النوويصدى (NMR) 4،6، والتحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء 12/8 تم استكشاف. من هذه الخيارات الثلاثة، مطيافية الأشعة تحت الحمراء واعدة للغاية. بالمقارنة مع 13 C NMR، لا يتطلب التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء التي الأحبار أن تصاغ مع المذيبات النقيه تحليلي لمنع التدخلات خلال قياس 13. بالمقارنة مع الأشعة السينية الضوئية الطيفي، ويمكن إجراء التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء القياسي في الضغط المحيط، وتجنب الحاجة إلى الظروف فراغ عالية جدا أثناء القياس.
هناك سابقة الأدب لاستخدام مطياف الأشعة تحت الحمراء لتحقيق التفاعل بين السيراميك فرقت colloidally، أكسيد المعادن، والمعادن النانوية. يمكن فصل هذه الأعمال إلى محاولات لقياس الكيمياء بينية في الموقع باستخدام الموهنة مجموع انعكاس الأشعة تحت الحمراء (ATR-IR) 9، ومحاولات لقياس بينية الكيمياء بحكم الموقع باستخدام أخذ العينات الصلبة 8. While هناك مزايا عليها في الموقع، والشكوك التي تنشأ بسبب ضرورة للتلاعب الطيفي تجعل من الصعب على طريقة الأحبار المتعددة العناصر التي توجد فيها المذيبات ومكونات البوليمر متعددة. لذا، يركز هذا البروتوكول على أخذ العينات الصلبة وقياس خارج الموقع. جميع طرق أخذ العينات الصلبة ينطوي على خطوة ما قبل المعالجة حيث يتم الحصول على مادة صلبة عن طريق فصل الجزيئات من المذيب، وخطوة التحليل التي تجري فيها قياس الأشعة تحت الحمراء على جسيمات صلبة. الفرق بين أساليب ينشأ في اختيار عينة ما قبل المعالجة وفي اختيار تقنية تجريبية تستخدم لتحليل الأشعة تحت الحمراء للصلب. تاريخيا، كانت الطريقة التقليدية لاستخدام مطياف الأشعة تحت الحمراء لتحليل المواد الصلبة لطحن كميات صغيرة (<1٪) من العينة الصلبة مع بروميد البوتاسيوم (KBR) مسحوق، ومن ثم إخضاع المزيج لارتفاع ضغط تلبد. والنتيجة هي KBR بيليه شفافة. هذا والعلاقات العامةوقد حاول ocedure بنجاح مع مساحيق المستمدة من تعليق مائي النانوية زركونيا functionalized مع polyethyleneamine 10، مع الطبقات الوحيدة الأحماض الدهنية على الجسيمات النانوية الكوبالت 7، ومع المشتتات المستمدة من الكاتيكول على الحديد 3 O 4 النانوية 14. على الرغم من هذه التطبيقات الناجحة لتقنية التكوير كي بي آر للكشف عن المشتتات كثف، ويوفر الانعكاس منتشر مطياف الأشعة تحت الحمراء العديد من المزايا. تم تبسيط واحد ميزة إعداد العينات. وعلى النقيض من كي بي آر التكوير، العينة الصلبة في الانعكاس منتشر يمكن أن تكون الأرض ببساطة عن طريق اليد. ليس هناك خطوة تلبد مثل مسحوق يتم تحميل نفسها في الكأس العينة ويتم قياس الأشعة تحت الحمراء المتناثرة منتشرة. ميزة أخرى من الانعكاس منتشر على KBR التكوير هو زيادة حساسية سطح 15. الزيادة في حساسية سطح مفيدة بشكل خاص لهذا الطلب فيها CRIأسئلة tical هي وجود وطبيعة adsorbates وعلى أسطح جزيئات النانو.
من بين الأعمال التي استخدمت هذه التقنية منتشرة أخذ العينات الانعكاس للتحقيق في امتصاص الأنواع الكيميائية على عينات فرقت colloidally، تنشأ الاختلافات الأساسية في طريقة لفصل الجسيمات النانوية من وسط سائل. هذه الخطوة الحاسمة لأنه بدون فصل، فإنه سيكون من المستحيل التمييز بين المشتتات كثف تحديدا من المشتتات حله ببساطة في وسط سائل. في العديد من الأمثلة، وطريقة فصل ليست واضحة من 12،16،17 بروتوكول التجريبية. عندما المحدد، وطريقة أكثر ما يمارس ينطوي على فصل الجاذبية. الأساس المنطقي هو أن السيراميك، أكسيد المعادن، والمعادن النانوية كلها أكثر كثافة من وسائل الإعلام المحيطة بها. عندما يحلون، وسيجر معهم الأنواع كثف على وجه التحديد فقط. الأنواع الكيميائية لا تتفاعل مع الجزءستبقى icles في الحل. في حين التفرق قد يستقر بسهولة تحت قوة الجاذبية العادية 18، يجب أن الحبر النافثة للحبر ثابت لا يستقر observably على مدى فترة زمنية أقل من عام. على هذا النحو، ويفضل طريقة الطرد المركزي التي تستخدم لمرحلة ما قبل التحليل الانفصال. وقد تجلى ذلك في العديد من الدراسات من مشتتة الامتزاز على جسيمات زجاج 19،20، مشتتة الموثق الامتزاز على الألومينا 8، وانيوني functionalization مشتتة من CUO 11. وفي الآونة الأخيرة، وقد استخدمنا ذلك لتقييم آليات الأحماض الدهنية ملزمة في التفرق بظاهرة غير المائية المستخدمة لالنافثة للحبر والهباء الجوي طائرة طباعة الأكسيد الصلب طبقات خلايا الوقود 21.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. مرحلة ما قبل التحليل إعداد نموذج
- فصل الجزيئات وظيفية من السيارة الحبر: الطرد المركزي
- استنادا إلى صياغة الحبر الأولية، وحساب كيفية التي تشتد الحاجة إليها عينة الحبر للحصول على الحد الأدنى من 2.0 غرام من الجسيمات الرواسب. على سبيل المثال، إذا كان الحبر هو 10 المجلد٪ السيراميك وكثافة السيراميك هو 6.67 جم / سم 3، ثم هناك حاجة إلى ما لا يقل عن 3.0 مل من الحبر لتوليد 2.0 غرام من الرواسب.
- الماصة ما لا يقل عن الحد الأدنى المطلوب كمية الحبر في أنبوب الطرد المركزي. ينبغي اختيار أنبوب الطرد المركزي على أساس كمية من الحبر المطلوبة وعلى همود المواد أنبوب للمذيبات الحبر.
- وضع أنبوب في أجهزة الطرد المركزي. سيتم أملت اختيار الطرد المركزي ومعدل دوران من قبل قوة الجاذبية اللازمة لترسيب الجسيمات الحبر. مختبر أجهزة الطرد المركزي القياسية مثل أجهزة الطرد المركزي Sorvall ST16 مع TX-200 يتأرجح دلو الدوار عادة كافية.
- الطرد المركزي برنامج لزيادة ونقصان الحبر في را التناوبالشركة المصرية للاتصالات والوقت اللازم لإنتاج طاف واضح. لأجهزة الطرد المركزي المستخدمة هنا، ومعدلات نموذجية والأوقات 3000 - 4000 دورة في الدقيقة لمدة تتراوح بين 30 دقيقة و 90 دقيقة. وعند وصوله الصحيح السرعة والوقت اللازم لالرواسب الحبر قد تتطلب التجربة والخطأ التناوب لأنه حتى الأحبار من نفس متوسط أحجام الجسيمات قد يكون مختلف توزيع حجم الجسيمات.
- ما بعد الانفصال التعامل مع العينة: إزالة طاف وغسل العينة، والتجفيف
- مرة واحدة وقد حققت طاف واضحة، وإزالة أنبوب الطرد المركزي من أجهزة الطرد المركزي.
- صب طاف وحفظ في عينة قنينة زجاجية توج لتحليل محتمل في المستقبل. الجسيمات وظيفية هي الآن المتبقية في أنبوب الطرد المركزي.
- بعد الصب، ووضع أنبوب الطرد المركزي لم يسبق لهم اللعب رأسا على عقب على منشفة ورقية والسماح طاف إضافي لتقطر من لمدة 1 دقيقة.
- إزالة أنبوب من منشفة ورقية وشطف الجسيمات الرسوبية عن طريق إضافة لأنبوب حوالي 2 مل من المذيب النقي من نفس التركيبة المستخدمة في صياغة الحبر. لاحظ أن هذا المذيب سوف تلمس فقط الطبقة العليا معظم الجزيئات الرسوبية في أنبوب الطرد المركزي. مذيب صب. تكرار دورة شطف ثلاث مرات.
- بعد دورة شطف النهائي، ووضع أنبوب الطرد المركزي لم يسبق لهم اللعب رأسا على عقب على منشفة ورقية، والسماح للمذيب إضافي لتقطر من لحوالي 5 دقائق.
- استخدام ملعقة معدنية رقيقة لإزالة الرواسب من قاع أنبوب الطرد المركزي، وتنتشر على نظيفة، الزجاج ووتش الجاف. استخدام غير جلخ مسحة القطن خالية من الوبر أو غيض من ملعقة نظيفة لإزالة جزيئات الزائدة من طرف الملعقة.
- وضع الزجاج ووتش في فرن C 50 درجة، والسماح للجسيمات لتجف لمدة 24 ساعة. يجب أن تبقى درجة حرارة الفرن منخفضة نسبيا للحد من إمكانية متحللة الأنواع كثف. فإن الوقت اللازم لتجفيف الجسيمات تعتمد على ضغط بخار المذيب. 24 ساعة نموذجية، ولكن النتائج عادة ما تكون حساسة لأوقات الانتظار قصيرة قدر 12 ساعة وطالما 3 أسابيع.
2. منتشر الانعكاس الطيفي بالأشعة تحت الحمراء قياس
- إعداد مطياف الأشعة تحت الحمراء: محاذاة الإكسسوارات، وتطهير مقصورة
- بدوره على IR الطيف.
- للتحضير لالانعكاس الطيفي منتشر قياسات الأشعة تحت الحمراء، ضع منتشر أخذ العينات الانعكاس ملحق في الأشعة تحت الحمراء مقصورة أخذ العينات مطياف. قد يكون مطياف الأشعة تحت الحمراء أي تحويل فورييه مطياف الأشعة تحت الحمراء قادرة على التواصل مع منتشر جهاز أخذ العينات الانعكاس. تم استخدام مطياف الأشعة تحت الحمراء شيمادزو برستيج 21 ربطه مع ملحق بايك تكنولوجيا EasiDiff لهذا البروتوكول. بالنسبة لمعظم جزيئات الحبر، ويوفر بالديوتيريوم قياسي، L ألانين مخدر triglycine كبريتات (DLaTGS) للكشف عن حساسية كافية للقياس. A النيتروجين السائل يبرد الزئبق والكادميوم تيلوريد (MCT) ديوفر etector أربعة إلى عشرة أضعاف زيادة في الحساسية، ولكن هذا ليس ضروريا لتحديد adsorbates وعلى أسطح الجسيمات الحبر عادة.
- محاذاة منتشر أخذ العينات الانعكاس الإكسسوارات وفقا لتعليمات الشركة الصانعة.
- بعد المحاذاة، إغلاق حجرة العينات تحت الحمراء وتبدأ تطهير مع النيتروجين أو مع CO 2 خالية، والهواء الجاف (معدل تطهير من 10 لتر / دقيقة). يوفر باركر Balston FT-IR مولد غاز تطهير القياسية للهواء ومياه أقل من 1 جزء في المليون وCO 2. ومقدار الوقت اللازم لتطهير الحصول على المياه مستقر وCO 2 غرفة خالية تعتمد على تكوين حجرة العينة والرطوبة في المختبر. الساعة تطهير الضروري يمكن تحديد تجريبيا من خلال مقارنة خلفية اتخذت الأطياف في 1 أو 2 دقيقة فترات وتقييم شدة الماء وCO 2 عصابات بوصفها وظيفة من الزمن.
- إعداد نموذج لمنتشر انعكاس الأشعة تحت الحمراء الاتفاقات البيئية المتعددة الأطراف الطيفيurement
- الحصول على الملحقات إعداد نموذج التالي: صغير (35 ملم) العقيق هاون ومدقة، ملعقة معدنية صغيرة، شفرة الحلاقة مباشرة، واثنين من الانعكاس منتشر عينة الأشعة تحت الحمراء الكؤوس. مسح الملحقات نظيفة مع الايثانول، ثم الأسيتون، والسماح لهم لتجف لمدة 10 دقيقة في فرن C 50 درجة.
- إزالة نظيفة جافة الاكسسوارات، وإعداد العينات من الفرن، ووضعها على Kimwipe كبير، والسماح لهم لتبرد إلى RT.
- في حين الملحقات إعداد العينات والتبريد، وإزالة جزيئات حبر جاف من الفرن، واستخدام الميزان التحليلي لقياس 0.025 غرام من العينة الجسيمات. ترك العينة يجلس في الميزان التحليلي.
- العودة إلى الملحقات إعداد العينات وتصب 0.5 غرام من كي بي آر هاون في العقيق. دائما استخدام باعت شركة KBR لتطبيقات الأشعة تحت الحمراء. ينصح الفردية 0.5 غرام الحزم قبل قياسها من كي بي آر (الحرارية العلمية) لأنها الحد منه وزنها الوقت والتعرض للKBR hydroscopic إلى ambieالإقليم الشمالي بخار الماء. طحن KBR إلى مظهر موحد، عادة 1 دقيقة من دليل المستمر طحن.
- تماما ملء واحدة من الانعكاس منتشر أكواب أخذ العينات الأشعة تحت الحمراء مع KBR مسحوق الأرض. اضغط برفق مسحوق مع نهاية حادة من مدقة، وأعلى من الكأس أخذ العينات مع KBR.
- استخدام جانب من شفرة حلاقة لشد الجزء العلوي من كي بي آر في الكأس العينة. هذه العينة شغل وسويت بالأرض هي المرجعية أو الخلفية.
- التخلص من المتبقي أي كي بي آر في هاون، ومحو نظيفة.
- فتح 0.5 غرام حزمة جديدة من مسحوق كي بي آر (أو إضافة 0.5 غرام من مسحوق KBR)، وتصب في هاون.
- إضافة زنه سابقا 0.025 غرام من جزيئات الحبر على 0.5 غرام من كي بي آر، وتطحن مع مدقة لتشكيل مسحوق موحد، عادة 1 دقيقة متواصلة طحن اليدوي. هذه النسبة من جزيئات الحبر لKBR توفر عينة 5٪ بالوزن أثناء القياس. هذا هو ضمن نطاق معيار (1-10٪ بالوزن)، ولكن يمكن تعديلها صعودا وهبوطا تبعا سن الامتصاصية وقوة الإشارة من العينة.
- اتبع الخطوات 2.3.5 و2.3.6 لإنشاء كوب عينة مليئة الجسيمات / كي بي آر الخليط.
- القياس الطيفي بالأشعة تحت الحمراء
- ضع إشارة والكؤوس العينة إلى حامل، ووضع حامل في الانعكاس منتشر مطياف الأشعة تحت الحمراء لأخذ العينات من الإكسسوارات. وضع حامل بحيث الكأس الذي يحتوي على خلفية ما يتعرض (نقية KBR) المواد للأشعة تحت الحمراء.
- إغلاق المقصورة أخذ العينات الأشعة تحت الحمراء، والسماح للمقصورة لتطهير لمدة 5 دقائق. ويمكن تعديل هذه المرة تطهير اعتمادا على مقدار الوقت مصممة على أن تكون ضرورية في الخطوة 2.2.
- بعد 5 دقائق من تطهير، الحصول على طيف الأشعة تحت الحمراء للخلفية في المنطقة من الفائدة. يجب تعيين عدد من عمليات التفحص لتعظيم إشارة إلى نسبة الضوضاء مع التقليل من قياس الوقت. 128 بالاشعة في 4 سم -1 القرار هي عادة كافية.
- بعد backgrounاكتمال د المسح الضوئي، افتح نموذج حجرة الأشعة تحت الحمراء ونقل الكأس الذي يحتوي على الجسيمات / كي بي آر خليط بحيث يتم الآن تتعرض للإشعاع الأشعة تحت الحمراء.
- كرر الخطوات من 2.4.2 و2.4.3 للحصول على الطيف من الجسيمات / كي بي آر الخليط.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
تم تطبيق الإجراء التجريبي الموصوفة في هذا البروتوكول إلى التبصر في آلية بظاهرة استقرار الجسيمات في الحبر المستخدمة في طباعة أنود خلايا وقود الأكسيد الصلبة. هذا الحبر هو تشتت الجسيمات بظاهرة في 2-بيوتانول، ألفا تربينول، ومجموعة من المشتتات وتجليد 22. وتظهر نتائج ممثلة هنا للحصول على تشتت مبسط للبظاهرة في 2-بيوتانول مع مشتتة حمض الأوليك. في الشكل 1A، وتبين لنا منتشر الانعكاس الطيفي بالأشعة تحت الحمراء البيانات الخام. لتفسير هذه البيانات، فمن الضروري مقارنة الطيف من الجسيمات بظاهرة تم الحصول عليها من التشتت لطيف من الجزيئات بظاهرة قبل التشتت (الشكل 1B) والطيف للمشتتة أنيق، حمض الأوليك (الشكل 1C). نلاحظ هنا أن أيا من البيانات في الشكل 1 خضع الطرح الأساسي أو التحول الرياضي. وبالتالي، ليس هناك شك منrtifacts الناجمة عن معالجة البيانات. لأن التوقيع الطيفي للبظاهرة فرقت يختلف بظاهرة التي لم تخضع التشتت، فمن الواضح أن الأنواع كثف موجودة على بظاهرة تم الحصول عليها من بظاهرة / 2-بيوتانول / الأوليك تشتت حامض. منذ هذه القمم لا تنشأ عندما تتوزع بظاهرة في 2-بيوتانول دون حمض الأوليك، يجب على قمم تأتي من شاردة حمض الأوليك. الاختلافات بين حمض الأوليك أنيق (الشكل 1C) وشاردة حمض الأوليك كثف على بظاهرة توفر نظرة ثاقبة آلية الامتصاص. مشاركة C = C السندات في التفاعل ملزمة كثف / الجسيمات ليس واردا لأن المنطقة CH تمتد (~ 2800 سم -1 إلى 3200 سم -1) هي دون عائق. ومن الجدير بالذكر أن CH تمتد الفينيل في نفس المنصب لمدة كثف وحمض الأوليك أنيق. من ناحية أخرى، C = O تمتد المقابلة لوظيفة حمض الكربوكسيلية (1708 سم -1) قوي والحالي لميلان الأوليك أنيقالهوية، ولكن غاب عن حمض الأوليك كثف. وبالمثل، فإن من طائرة OH وضع تشوه من حمض الأوليك (γ (OH)، ~ 940 سم -1) يختفي لدى إطلاقها مع بظاهرة. اختفاء تمتد وضع الكربونيل ووضع تشوه OH، يرافقه ظهور ν ل(COO) الذروة (1547 سم -1) مما يشير إلى أن السندات حمض الأوليك إلى بظاهرة عن طريق كل من الأكسجين في η 2 التكوين 21 . وη 2 الأنواع المقترحة قد تكون مخلبية (سواء الأكسجين الترابط من خلال مركز سطح واحد ني) أو سد (الأكسجين الرابطة إلى السطح من خلال مراكز ني المجاورة) (الشكل 2). ان التمييز بين هذه الخيارات تتطلب القدرة على حل ق ν (COO) وν باسم (COO) وسائط، كما أنشئت من خلال دراسات الأشعة تحت الحمراء والأشعة السينية البلورات السابقة من خلات المركبات 23.
ص منتشرeflectance بيانات التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء حساسة للتحضير العينة (فعالية عينة / كي بي آر خلط وكي بي آر / عينة حجم الجسيمات) وإلى مدى درجة حرارة المصدر الطيفية الأشعة تحت الحمراء بشكل صحيح حتى الشكل يوفر 3 مثال على خط الأساس على شكل حرف U و قمم أوسع. في حين أن الطيف في الشكل (3) يوفر معلومات نوعية مماثلة حول طبيعة حمض الأوليك / بظاهرة السندات، بعرض الذروة تعرقل قرار من الميزات الطيفية، ولا سيما في المناطق دون 1250 سم -1 فما فوق 3000 سم -1. وعلاوة على ذلك، فإن خط الأساس على شكل حرف U يبالغ شدة الخصائص الطيفية مع زيادة تشويه على حد سواء من نطاق متجه مموج موجه.
أخيرا، والتحول من الانعكاس منتشر البيانات الطيفية الأشعة تحت الحمراء عن طريق تطبيق المعادلات Kubelka مونك يوفر الآلية التي كثافة الأشعة المتناثرة يمكن أن تكون ذات صلة الكمية إلى تركيز
الشكل 1. الخام البيانات الطيفية الأشعة تحت الحمراء. منتشر الانعكاس الطيفي بالأشعة تحت الحمراء البيانات الموافق (A) جزيئات بظاهرة تم الحصول عليها من بظاهرة / الأوليك حمض / 2-بيوتانول التشتت، بالمقارنة مع (B) جزيئات بظاهرة وحده، بالمقارنة مع (C) قلصت مجموع infrare الانعكاسالبيانات الطيفية د من حمض الأوليك أنيق.
وتشمل الشكل 2. ممكن η 2 تكوينات للارتباط حمض الأوليك إلى بظاهرة ممكن تكوينات: (A) خالب، و (ب) سد. وتستند هذه الخيارات لالامتزاز على الهياكل النموذجية لوحظ في المجمعات غير العضوية 23. لا يتم رسمها أطوال السندات والزوايا السندات إلى مقياس.
الشكل 3. الخام البيانات الطيفية الأشعة تحت الحمراء. منتشر الانعكاس الطيفي بالأشعة تحت الحمراء البيانات المقابلة لجزيئات بظاهرة تم الحصول عليها من بظاهرة / الأوليك حمض / 2-بيوتانول التشتت. ويوضح التتبع الحمراء U-الشكلد خط الأساس وزيادة الاعراض ذروة مميزة لعدم كفاية الاحماء من مصدر الأشعة تحت الحمراء وعدم كفاية خلط وطحن العينة ومساحيق KBR. للبيانات في هذا الرقم، وكان يعمل مصدر الأشعة تحت الحمراء للشيمادزو IR برستيج 21 أداة على ما يقرب من 1 ساعة قبل القياس. لشيمادزو IR برستيج 21 الصك، وعادة ما يتم الحصول عليها تحسن البيانات عند بالطاقة مصدر الأشعة تحت الحمراء لمدة اثني عشر ساعة أو أكثر قبل القياس. لتتبع الأحمر في هذا الرقم، والاختلاط، وأجريت لطحن أقل من دقيقة واحدة والتجانس في حجم الحبوب في العينة كان واضحا بصريا.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
العوامل الحاسمة اثنين لتوليد عالية الجودة أطياف الأشعة تحت الحمراء باستخدام هذا الإجراء هي: 1) التقليل من كمية المطلقة لتلوث المياه والاختلافات في كمية تلوث المياه بين العينة والمرجعية أكواب. و2) خلق نموذج ومرجعية الكؤوس مع طبقات مسطحة موحدة وأحجام مماثلة الحبوب KBR. وحقق كل من هذه العوامل من خلال إيلاء اهتمام خاص لإجراءات إعداد العينات الواردة في القسم 2.3.
من أجل تقليل الكمية الإجمالية لتلوث المياه والحفاظ على تلوث المياه نفسها في إشارة ونموذج، فمن الضروري تقليل كمية الوقت التي يتعرض لها كي بي آر استرطابي لبخار الماء في الغلاف الجوي وللحفاظ على المرجعية و عينة KBR يتعرض إلى الغلاف الجوي لحوالي نفس الكميات من الزمن. لتقليل كمية الوقت الذي يتعرض فيه كي بي آر لبخار الماء في الغلاف الجوي خلال عينة محضراتن، يجب أن توزن العينة الجسيمات الحبر قبل أن يتم فتح الحزم كي بي آر (أو وزن مسحوق KBR). أيضا، يجب أن تبقى العينة حجرة الأشعة تحت الحمراء تحت تطهير المستمر للالنظيف، والهواء الجاف (أو غاز النيتروجين) حتى لا يحدث امتصاص المياه أثناء القياس. لتقليل الفرق في تلوث المياه بين العينة والمرجعية أكواب، يجب إنشاء كي بي آر كوب المرجعي الجديد وتقاس كل مرة يتم إنشاء نموذج جديد وقياسها. وعلاوة على ذلك، استخدمت شركة KBR لكأس عينة ينبغي أن تكون مفتوحة ومعرضة للهواء بأقل قدر من التأخير بعد الإشارة KBR هو الأرض.
لخلق نموذج ومرجعية الكؤوس مع طبقات مسطحة موحدة وأحجام مماثلة الحبوب KBR، يجب أن تكون الأرض العينات لنفس مقدار الوقت وبنفس الحماس. مع الممارسة، طحن اليدوي هو فعالة للغاية، على الرغم من أن طحن الميكانيكية وإكسسوارات مزج متاحة تجاريا. مرة واحدة وقد حققت مسحوق الصحيح، عينة والمراجع جيجب أن تكون معبأة شكا بحيث الطبقة العليا هي مسطحة وموحدة. واحد طريقة بسيطة للقيام بذلك هي لملء كوب مسحوق، اضغط برفق مسحوق مع مدقة، ثم تتويج الكأس مع مسحوق إضافية. ثم يتم تسوية هذه الطبقة العليا من مسحوق عن طريق تشغيل الجانب من شفرة حلاقة على طول السطح. وبمجرد إنشاء، ومن ثم يجب نقل العينة وإشارة أكواب في جهاز الانعكاس منتشر من دون إزعاج الأسطح المسطحة. للقيام بذلك، يجب اتخاذ كل الحرص على عدم زعزعة الكؤوس.
عند تنفيذ أخذ العينات الانعكاس منتشر للجزيئات الحبر، والتحديات التي واجهتها هي الأكثر شيوعا عدم انتظام خط الأساس، والإفراط عرض الذروة، وعدم كفاية إشارة إلى نسبة الضوضاء. عدم انتظام خط الأساس الأكثر شيوعا هو واضح U-الشكل الذي بالغت في المناطق المرتفعة والمنخفضة متجه مموج موجه الزيادات في الامتصاصية. قد يكون هذا قطعة أثرية من عدم كفاية عينة خلط 24. بدلا من ذلك، وهذا قد يكون مؤشرا على أن infrar لم يتم تحسنت مصدر الإشعاع إد في مطياف بما فيه الكفاية حتى. في مقارنة لأخذ العينات الأشعة تحت الحمراء الأخرى في أوضاع أخرى، يظهر قياس الانعكاس منتشر حساسة للغاية لطيف وقت من الأوقات الاحماء. وبالمثل، عرض ذروة حساس جدا لتحضير العينة، ولا سيما لحجم الجسيمات من الأرض كي بي آر. أحجام الجسيمات الكبيرة تؤدي إلى قمم أوسع نطاقا 24. لذلك، إذا عرض ذروة كبير جدا لحل الخصائص الطيفية المطلوب، قد يكون من المفيد للتبديل الموردين KBR، تمديد زمن طحن اليدوية، أو التحول إلى طحن الميكانيكية. منذ التقنية الحالية تركز على الكشف عن adsorbates والسطح، كما واجه عدم كفاية إشارة إلى نسبة الضوضاء في بعض الأحيان. إذا كان MCT-A كاشف هو متاح، قد يكون من المفيد للتبديل من كشف DLaTGS الافتراضية إلى أكثر حساسية MCT-A. تم تحسين إشارة إلى نسبة الضوضاء أيضا من خلال زيادة عدد المسح الضوئي وتناقص المنطقة الطيفية أكثر من التي يتم تنفيذ المسح.
الصورة = "jove_content"> وحتى عندما يتم اتخاذ كل العناية في إعداد العينات وقياس، وهناك بعض القيود الملازمة لتطبيق الانعكاس منتشر مطياف الأشعة تحت الحمراء لتحليل الترابط كثف في الأحبار وظيفية. أولا، يجب أن تكون الكثافة وأحجام الجسيمات وظيفية في النطاق الذي يمكن فصلها عن السيارة الحبر عن طريق الطرد المركزي. وكلما زاد الفرق بين الكثافة السيارة الحبر وجزيئات، وأكبر أحجام الجسيمات، وأسهل الانفصال. وتتلخص هذه المعلومات عن طريق ستوكس القانون (مكافئ 1):
[1]
حيث مباراة هي سرعة الترسيب من الجسيمات ذات الكثافة ρ ص ونصف قطرها R. كثافة السوائل واللزوجة هي ρ و وμ، على التوالي، والتسارع الناتج عن الجاذبية هو ز. أصباغ العضوية أو غيرها من المواد الكربونية في حدود أقل من 100 نانومتر قد تتطلب قوات ز عالية، وسرعات عالية وبالتالي الطرد المركزي لفصل. حتى عندما قد يكون للانفصال، أصباغ العضوية أو غيرها من جزيئات الكربون استنادا الصعب قياس بسبب امتصاص قوي واسعة من الكربون في المنطقة تحت الحمراء. في الممارسة العملية، والحد من تركيز عينة من المواد الكربونية (أي زيادة التخفيف مع KBR) يساعد أحيانا تحسين الكشف المنصوص عليه في adsorbates و، ولكن إشارة لا تزال تميل إلى أن تكون منخفضة. الحد النهائي لهذا الأسلوب هو أنه هو قياس خارج الموقع. يجب توخي الحذر لضمان أثناء عملية التجفيف، والأنواع كثف لا تتحلل ولا تتغير بشكل ملحوظ تفاعلها مع الجسيمات الحبر وظيفية. طريقة واحدة للتحقق من هذا هو لأداء موهن مجموع الانعكاس الطيفي بالأشعة تحت الحمراء (ATR-IR) على كمية صغيرة من الرواسب لا تزال رطبة على الفور بعد الطرد المركزي. وATR-IR أطياف يمكن جمعها بشكل دوري كما يجف العينة على لوحة ATR. عصابات لاحظت وبالتالي تظهر كثف بالإضافة إلى كميات متناقصة من المذيبات بوصفها وظيفة من الزمن. إذا كانت العصابات كثف ولدت من خلال هذه التجربة ATR-IR تتفق مع العصابات كثف ولدت خلال قياس الانعكاس منتشر، ثم هناك أدلة على أن عملية التجفيف لا يغير كثيرا من طبيعة التفاعل كثف / الجسيمات. نلاحظ هنا أنه في حين أجرى ATR-IR بهذه الطريقة يولد المعلومات المفيدة، ويفضل قياس الانعكاس منتشر لأن قياس ATR-IR بالتالي إجراء يتطلب أن العينة لا تزال في غرفة لفترة من الوقت كافية لتتبخر المذيب. البيانات التي حصل عليها خلال هذه الأوقات تجريبية طويلة قد يعانون من العصابات مياه كبيرة (حتى عندما يتم تطهير مقصورة بقوة عن طريق الجو جاف ونظيف). ويمكن أيضا أن التجارب تأكيد أن يؤديها باستخدام التجارب ATR-IR على unseالحبر parated 9، ولكن الطرح الأساسية المناسبة هو غير تافهة في مثل هذه الحالة، وأنه قد يكون من المستحيل التمييز بين physisorbed البوليمر والبوليمر في الحل.
يوفر الانعكاس منتشر بروتوكول مطياف الأشعة تحت الحمراء هو موضح أعلاه معلومات قيمة حول طبيعة التفاعل بين adsorbates ووالجزيئات وظيفية في الأحبار السيراميك، أكسيد المعادن، والمعادن. في المقابل، يمكن هذه الرؤية إبلاغ صياغة عقلانية من الأحبار وظيفية. كما طبع السيراميك، أكسيد المعادن، والأجهزة المعدنية الانتقال من البحث الأكاديمي إلى التصنيع التجاري، وهذا الانعكاس منتشر تقنية التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء مفيدا مختبرات صياغة الصناعية. بدلا من الاعتماد على أدلة غير مباشرة من الجسيمات / التفاعل كثف (الريولوجيا، وحجم الجسيمات، وإمكانات زيتا)، وبالتركيب لديهم أدلة مباشرة من الجزيئات التي السندات بأكبر قدر من الفعالية وتحقيق استقرار الجسيمات معين.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
الكتاب ليس لديهم ما يكشف.
Acknowledgments
يعترف واضعو بدعم من مختبرات أبحاث سلاح الجو تحت UES التعاقد من الباطن # S-932-19-MR002. الكتاب نعترف كذلك دعم المعدات من ولاية نيويورك العليا البحوث ومبادرة التعليم (GRTI / GR15).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| FTIR bench | Shimadzu Scientific Instruments | IR_Prestige 21 used in this work; in 2013 IR-Tracer 100 model replaced Prestige-21 | Any research grade FTIR with purgable sample compartment is acceptable |
| Purge gas generator for sample compartment | Parker Balston | 74-5041NA Lab Gas Generator | Provides air with less than 1 ppm CO2 and water; also possible to purge compartment with N2 tank |
| Diffuse Reflectance Infrared Accessory | Pike Technologies | 042-10XX | Includes sample preparation kit and mortar and pestle (these can also be purchased separately, described below) |
| Diffuse Reflectance Sample Preparation kit | Pike Technologies | 042-3040 | Includes sample holder cups, spatulas, alignment mirror, mirror brush, razor blades |
| Agate mortar and pestle | Pike Technologies | 161-5035 | |
| Centrifuge | ThermoScientific | Sorvall ST16 | Most benchtop centrifuges capable of ~5,000 rpm will be acceptable |
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Consumables | |||
| Centrifuge tubes | Evergreen Scientific | 222-2470-G8K | Any centrifuge tube of compatible size and material is acceptable |
| KBr powder packets | ThermoScientific | 50-465-317 | Also possible to use alternative KBr supplier |
References
- Wray, P. Additive manufacturing- Turning manufacturing inside out. American Ceramic Society Bulletin. 93, (2014).
- Hiemenz, P. C., Rajagopalan, R. Principles of Colloid and Surface Chemistry, Third Edition, Revised and Expanded. , Marcel Dekker. (1997).
- Böhnlein-Mauß, J., et al. The function of polymers in the tape casting of alumina. Advanced Materials. 4, 73-81 (1992).
- Grote, C., Cheema, T. A., Garnweitner, G. Comparative Study of Ligand Binding during the Postsynthetic Stabilization of Metal Oxide Nanoparticles. Langmuir. 28, 14395-14404 (2012).
- Zhang, Q., et al. Aqueous Dispersions of Magnetite Nanoparticles Complexed with Copolyether Dispersants: Experiments and Theory. Langmuir. 23, 6927-6936 (2007).
- Amstad, E., Gillich, T., Bilecka, I., Textor, M., Reimhult, E. Ultrastable Iron Oxide Nanoparticle Colloidal Suspensions Using Dispersants with Catechol-Derived Anchor Groups. Nano Letters. 9, 4042-4048 (2009).
- Wu, N., et al. Interaction of Fatty Acid Monolayers with Cobalt Nanoparticles. Nano Letters. 4, 383-386 (2004).
- Blackman, K., Slilaty, R. M., Lewis, J. A. Competitive Adsorption Phenomena in Nonaqueous Tape Casting Suspensions. Journal of the American Ceramic Society. 84, 2501-2506 (2001).
- Hind, A. R., Bhargava, S. K., McKinnon, A. At the solid/liquid interface: FTIR/ATR — the tool of choice. Advances in Colloid and Interface Science. 93, 91-114 (2001).
- Wang, J., Gao, L. Surface properties of polymer adsorbed zirconia nanoparticles. Nanostructured Materials. 11, 451-457 (1999).
- Guedes, M., Ferreira, J. M. F., Ferro, A. C. A study on the aqueous dispersion mechanism of CuO powders using Tiron. Journal of Colloid and Interface Science. 330, 119-124 (2009).
- Guedes, M., Ferreira, J. M. F., Ferro, A. C. Dispersion of Cu2O particles in aqueous suspensions containing 4,5-dihydroxy-1,3-benzenedisulfonic acid disodium salt. Ceramics International. 35, 1939-1945 (2009).
- Gottlieb, H. E., Kotlyar, V., Nudelman, A. NMR Chemical Shifts of Common Laboratory Solvents as Trace Impurities. The Journal of Organic Chemistry. 62, 7512-7515 (1997).
- Amstad, E., et al. Influence of Electronegative Substituents on the Binding Affinity of Catechol-Derived Anchors to Fe3O4 Nanoparticles. The Journal of Physical Chemistry C. 115, 683-691 (2010).
- Naviroj, S., Koenig, J. L., Ishida, H. Diffuse Reflectance Fourier Transform Infrared Spectroscopic Study of Chemical Bonding and Hydrothermal Stability of an Aminosilane on Metal Oxide Surfaces. The Journal of Adhesion. 18, 93-110 (1985).
- Li, C. -C., Chang, M. -H. Colloidal stability of CuO nanoparticles in alkanes via oleate modifications. Materials Letters. 58, 3903-3907 (2004).
- Lee, S., Paik, U., Yoon, S. -M., Choi, J. -Y. Dispersant-Ethyl Cellulose Binder Interactions at the Ni Particle-Dihydroterpineol Interface. Journal of the American Ceramic Society. 89, 3050-3055 (2006).
- Lee, S. J., Kim, K. Diffuse reflectance infrared spectra of stearic acid self-assembled on fine silver particles. Vibrational Spectroscopy. 18, 187-201 (1998).
- Lee, D. H., Condrate, R. A. FTIR spectral characterization of thin film coatings of oleic acid on glasses: I. Coatings on glasses from ethyl alcohol. Journal of Materials Science. 34, 139-146 (1999).
- Lee, D. H., Condrate, R. A., Lacourse, W. C. 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. Journal of Materials Science. 35, 4961-4970 (2000).
- Jay Deiner,, Piotrowski, L., A, K., Reitz, T. L. Mechanisms of Fatty Acid and Triglyceride Dispersant Bonding in Non-Aqueous Dispersions of NiO. Journal of the American Ceramic Society. 96, 750-758 (2013).
- Young, D., et al. Ink-jet printing of electrolyte and anode functional layer for solid oxide fuel cells. Journal of Power Sources. 184, 191-196 (2008).
- Nakamoto, K. Infrared and Raman Spectra of Inorganic and Coordination Complexes. , 5th edn, John Wiley & Sons, Inc. (1997).
- Fuller, M. P., Griffiths, P. R. Diffuse reflectance measurements by infrared Fourier transform spectrometry. Analytical Chemistry. 50, 1906-1910 (1978).
