【微光譜應用】拉曼在線監測眼科材料的固化速率

隨著人口老齡化和眼科疾病患病率的上升，眼科行業已成為一個價值數十億美元的市場。如白內障手術中常用的人工晶狀體等材料，對于此類眼科手術材料制造商來說，使用光譜學技術能夠提高生產效率，加速開發更有效的新材料。

實驗配置

為驗證785nm拉曼光譜表征眼科材料固化過程的可行性，使用模塊化拉曼光譜儀測量由固化燈照射的混合物。在不同的曝光時間內進行多次測量。基于數據中的幾個明確固化指標，我們證明了拉曼光譜可有效應用于外科眼科材料的在線過程檢測。

實驗搭建圖

數據采集及處理

Step 1

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

Step 2

關閉激光器采暗光譜，然后采用~380mW激光功率激發樣品。積分時間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.

Step 3

同時，原始數據還可通過標準正態變量變換（SNV）進行處理，進行基線去除。SNV算法通過特定范圍內的平均值減去數據，再除以同一范圍內的標準偏差。

（了解有關拉曼清峰算法，可參考先前發布的“拉曼數據處理”）

為了解混合物固化過程中拉曼光譜的變化，將這些數據與之前采集的單個組分的光譜進行比較，其中包括單體和交聯劑，紫外線吸收劑和光敏劑。這有助于我們評估固化對每種化合物的分子結構的影響，因為它們的拉曼信號強度在固化過程中發生變化。

數據分析

分析數據發現了兩個特別有趣的波數范圍：~1620-1650cm-1和1710-1745cm-1。

1632 cm^-1和 1720 cm^-1處的原始拉曼隨時間的變化

對于前者，化合物PEA和PEMA的聚合導致C=C雙鍵的斷裂，碳鍵與其他分子結合。根據文獻報道的典型拉曼峰，峰值在~1620-1650cm-1間屬C=C 伸縮振動1。當混合物樣品固化時，1632cm-1處強度隨時間的推移而減小。

1632 cm^-1和 1720 cm^-1處清峰后拉曼強度隨時間的變化

Lui 等人的研究揭示了通過觀察1632cm-1處的拉曼信號演變可用于表征固化過程，由于固化發生時 C=C 鍵的斷裂，拉曼強度隨固化時間的推移而降低。

1632 cm^-1和 1720 cm^-1處SNV處理后拉曼強度隨時間的變化

另一有趣的現象發生在1710-1745cm-1范圍內，由于C=O共價鍵的伸縮振動，該峰值出現在每種化合物的不同峰位處，且在固化時間的前五分鐘內略有變化1。

實驗結論

本文使用拉曼光譜監測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C=C鍵斷裂的程度。1720cm-1峰位處的拉曼強度變化表明C=O共價鍵的伸縮，結合1632cm-1峰位處的強度，可用作計算聚合物的轉化率（圖1）。

參考文獻

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.

結語

世界上僅白內障手術每年就超過1000萬臺，而手術中材料的微小變化都會對患者的術后生活產生重大影響。除了加快材料開發速度外，嚴格控制眼科材料的固化過程還可以防止固化材料產生彎曲和變形等問題。此外，還可以最大限度的減少材料過度曝光所產生的不良影響。

通過拉曼方法，可非常有效監控材料固化過程，聚合物轉化率和產物生產過程。