Akustische Resonanzspektroskopie

Akustische Resonanzspektroskopie (Ars) ist eine Methode von Spektroskopie in dem akustisch Region, vor allem die Sonic und Ultraschall- Regionen. ARS ist normalerweise viel schneller als HPLC und Nir. Es ist nicht destruktiv und erfordert keine Probenvorbereitung, da der Probenahmwellenleiter einfach in ein Probenpulver/eine Probenflüssigkeit oder in Kontakt mit einer festen Probe gedrückt werden kann. Bisher der AR Spektrometer hat in verschiedenen Formen erfolgreich differenzierte und quantifizierte Stichprobenanalyten; (Tabletten, Pulver und Flüssigkeit). Es wurde verwendet, um das Fortschreiten chemischer Reaktionen zu messen und zu überwachen, z. B. die Einstellung und Härte von Beton aus Zementpaste Solid. Akustische Spektrometrie wurde auch verwendet, um den Volumenanteil von zu messen Kolloide in einem Dispersionsmediumsowie für die Untersuchung physikalischer Eigenschaften von kolloidale Dispersionenwie Aggregation und Partikel Größenverteilung. Typischerweise werden diese Experimente mit durchgeführt sinusförmig Anregungssignale und die experimentelle Beobachtung des Signals Dämpfung. Aus einem Vergleich der theoretischen Abschwächung mit experimenteller Beobachtung werden die Partikelgrößenverteilung und Aggregationsphänomene abgeleitet.

Geschichte

Dipen sinha der Los Alamos Nationales Labor entwickelte ARS im Jahr 1989.[1] Die meisten veröffentlichten Arbeiten in Acoustics befanden sich in der Ultraschallregion und ihre Instrumentierung hat sich mit der Ausbreitung durch ein Medium und nicht durch einen Resonanzeffekt befasst. Eine der ersten, wenn nicht die erste Veröffentlichung im Zusammenhang mit akustischer Resonanz war 1988 im Journal of Applied Specroscopy. Die Forscher konzipierten einen V -formierten Quarz Stabinstrument, das Ultraschallwellen verwendete, um Unterschriften von zu erhalten Mikroliter von verschiedenen Flüssigkeiten.[2] Die Forscher hatten keine Art von Klassifizierungsstatistiken oder Identifikationsprotokollen; Die Forscher beobachteten einfach Ultraschallresonanzsignaturen mit diesen verschiedenen Materialien. Insbesondere arbeitete Sinha an der Entwicklung eines ARS -Instruments, das nukleare, chemische und biologische Waffen erkennen kann. Bis 1996 hatte er erfolgreich eine tragbare ARS -Einheit entwickelt, die in einem Schlachtfeld verwendet werden kann. Die Einheit kann tödliche Chemikalien erkennen und identifizieren, die in Minuten in Massen in Behältern gespeichert sind. Darüber hinaus wurde das Instrument von einer anderen Forschungsgruppe (Dr. Robert Lodder, Universität von Kentucky) weiterentwickelt und ihre Arbeiten auch in angewandter Spektroskopie veröffentlicht. Die Forscher haben ein V-förmiges Instrument erstellt, das die Sonic- und Ultraschallregionen verstoßen könnte, die mehr Vielseitigkeit verursachen. Der Begriff Akustisches Resonanzspektrometer wurde auch für das V-förmige Spektrometer geprägt.[3] Seit der Studie im Jahr 1994 hat sich der ARS entwickelt und wurde verwendet, um Holzarten zu unterscheiden, pharmazeutische Tabletten zu differenzieren, Verbrennungsraten zu bestimmen und die Auflösungsraten von Tabletten zu bestimmen.[4][5][1] Im Jahr 2007 zeigte die Analytical Chemistry die frühere und aktuelle Arbeit des Labors von Dr. Lodder über das Potenzial der Akustik in der analytischen Chemie- und Ingenieurfelder.[6]

Theorie

Vibrationen

Es gibt zwei Hauptarten von Vibrationen: Frei und erzwungen. Freie Schwingungen sind die natürlichen oder Normale Modi Vibration für eine Substanz. Zwangsvibrationen werden durch eine Art Anregung verursacht, um den Analyten über seine normalen Modi hinaus zu schwingen. ARS verwendet erzwungene Schwingungen auf dem Analyten im Gegensatz zu am häufigsten verwendeten Techniken, die freie Schwingungen verwenden, um den Analyten zu messen. ARS erregt mehrere normale Modi, indem sie die Anregungsfrequenz eines Analyten ohne interne Schwingungen fegen, um ein Resonanzspektrum zu erhalten. Diese Resonanzfrequenzen hängen stark von der Art des gemessenen Analyten ab und hängen auch stark von den physikalischen Eigenschaften des Analyten selbst ab (Masse, Form, Größe usw.). Die physikalischen Eigenschaften beeinflussen den vom Resonanzanalyten erzeugten Frequenzen stark. Im Allgemeinen haben kleine Analyten Megahertz -Frequenzen, während größere Analyten nur ein paar hundert Hertz sein können. Je komplexer der Analyt ist, desto komplexer ist das Resonanzspektrum. [7]

Quarzstange

Das ARS ist im Wesentlichen eingerichtet, um einen Fingerabdruck für verschiedene Stichproben durch konstruktive und destruktiv Störungen. Abbildung 1 ist ein Schema der Quarzstab -ARs, die den Pfad des Schalls durch die Quarzstange veranschaulicht. Ein Funktionsgenerator ist die Quelle[8] Obwohl jedes Gerät, das ausgeben kann Klang in Stromspannung Form könnte verwendet werden (d.h. CD-Player, MP3-Player oder Soundkarte). weißes Rauschen wird erzeugt und die Spannung wird in a umgewandelt Schallwelle durch eine piezoelektrische Scheibe[3] gekoppelt mit der Quarzstange. Der Schall schwingt die Quarzstange an, die als blaue sinusförmige Welle gezeigt wird[9] und zwei wichtige Wechselwirkungen treten auf. Ein Teil der Energie (rot) wird in die Probe eingeführt und weltweit in einer spezifischen Weise von der Probe abhängig und ein weiterer Teil der Energie (blau) wird unverändert durch die Quarzstange. Die beiden Energien haben immer noch die gleiche Frequenz, obwohl sie Änderungen in ihrer Phase und möglicherweise möglicherweise haben werden Amplitude. Die beiden Wellen rekombinieren nach der Probe[10] und konstruktive oder destruktive Störung tritt ab, abhängig von der Phasenverschiebung und Amplitudenänderung aufgrund der Probe. Die veränderte kombinierte Energie wird durch eine andere piezoelektrische Scheibe am Ende der Quarzstange in eine elektrische Spannung umgewandelt.[11] Die Spannung wird dann von einer Tonkarte auf einem Computer aufgenommen.[12] Die Probe ist an den Quarzstab bei konstantem Druck gekoppelt, der durch a überwacht wird Druckwandler was auch als Stichprobenhalter fungiert. Gummi Tatsache werden verwendet, um die Quarzstange in einem stabilen Ständer zu sichern, das die Kopplung des Stabes an die Umgebung minimiert. Breitband -weißes Rauschen wird verwendet, um eine volle zu erhalten Spektrum; Die meisten Soundkarten nehmen jedoch nur zwischen 20 und 22.050 auf Hz. Die Wellenform, die an den Computer gesendet wird, ist ein zeitbasiertes Signal der Wechselwirkungen von weißem Rauschen mit der Probe. Schnelle Fourier-Transformation (FFT) wird in der Wellenform durchgeführt, um das zeitbasierte Signal in das nützlichere Frequenzspektrum zu verwandeln.

Erkennungsgrenzen

Ein mehrdimensionales Populationsübersetzungsexperiment wurde verwendet, um die zu bestimmen Erkennungsgrenzen eines ARS -Geräts,[13] Populationen mit einer kleinen mehrdimensionalen Trennung, in diesem Fall Aspirin und Ibuprofen, wurden verwendet, um zu bestimmen, dass Tabletten mit einem Dickungsunterschied von 0,08 mM, 0,0046 g Massenunterschied und einer Differenz der Dichte von 0,01658 g/ml durch ARS nicht getrennt werden können. Unter Verwendung von Vitamin C und Paracetamol für die größte mehrdimensionale Trennung waren Tabletten mit einer Dickedifferenz von 0,27 mm, 0,0756 g Massenunterschied und 0,01157 g/ml -Dichtedifferenz in der Dichte miteinander untrennbar miteinander verbunden. Experimentell ist der Dynamikbereich von ARS ein Faktor von zehn.

Anwendungen

Eine potenzielle Anwendung von ARS umfasst die schnelle und zerstörerte Identifizierung der Überprüfung der Arzneimitteltabletten. Derzeit gibt es keine unfehlbaren Methoden zur Beseitigung kontaminierter oder fehlzündlicher Produkte, ein Prozess, der manchmal dazu führt, dass Millionen von Pillen zurückgerufen werden müssen. Weitere Studien müssen abgeschlossen werden, um festzustellen, ob ARS in der Industrie als Prozessanalysetechnik verwendet werden könnte, um Probleme mit Pillen zu verhindern, bevor sie versendet werden.[4] ARs können auch nützlich sein, um den Wirkstoff in pharmazeutischen Salben und Gelen zu quantifizieren. [14]

Verweise

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