【微光谱应用】拉曼在线监测眼科材料的固化速率

随着人口老龄化和眼科疾病患病率的上升，全球眼科行业已成为一个价值数十亿美元的市场。如白内障手术中常用的人工晶状体等材料，对于此类眼科手术材料制造商来说，使用光谱学技术能够提高生产效率，加速开发更有效的新材料。

实验配置

为验证785nm拉曼光谱表征眼科材料固化过程的可行性，使用模块化拉曼光谱仪测量由固化灯照射的混合物。在不同的曝光时间内进行多次测量。基于数据中的几个明确固化指标，我们证明了拉曼光谱可有效应用于外科眼科材料的在线过程检测。

数据采集及处理

Step 1

将眼科材料混合物置于小瓶中并由UV固化灯照射。在没有UV固化的情况下制备后立即测量混合物，然后在UV固化后的间隔1、5、10、15、20和30分钟分别进行测量。

Step 2

关闭激光器采暗光谱，然后采用~380mW激光功率激发样品。积分时间1秒，OceanView软件中有一种叫"CleanPeaks"清峰算法，可用于去除基线和荧光效应.

Step 3

同时，原始数据还可通过标准正态变量变换（SNV）进行处理，进行基线去除。SNV算法通过特定范围内的平均值减去数据，再除以同一范围内的标准偏差。

（了解有关拉曼清峰算法，可参考先前发布的“拉曼数据处理”）

为了解混合物固化过程中拉曼光谱的变化，将这些数据与之前采集的单个组分的光谱进行比较，其中包括单体和交联剂，紫外线吸收剂和光敏剂。这有助于我们评估固化对每种化合物的分子结构的影响，因为它们的拉曼信号强度在固化过程中发生变化。

数据分析

分析数据发现了两个特别有趣的波数范围：~1620-1650cm^-1和1710-1745cm^-1。

1632 cm^-1和 1720 cm^-1处的原始拉曼随时间的变化

对于前者，化合物PEA和PEMA的聚合导致C=C双键的断裂，碳键与其他分子结合。根据文献报道的典型拉曼峰，峰值在~1620-1650cm^-1间属C=C 伸缩振动1。当混合物样品固化时，1632cm^-1处强度随时间的推移而减小。

1632 cm^-1和 1720 cm^-1处清峰后拉曼强度随时间的变化

Lui 等人的研究揭示了通过观察1632cm^-1处的拉曼信号演变可用于表征固化过程，由于固化发生时 C=C 键的断裂，拉曼强度随固化时间的推移而降低。

1632 cm^-1和 1720 cm^-1处SNV处理后拉曼强度随时间的变化

另一有趣的现象发生在1710-1745cm^-1范围内，由于C=O共价键的伸缩振动，该峰值出现在每种化合物的不同峰位处，且在固化时间的前五分钟内略有变化1。

实验结论

本文使用拉曼光谱监测曝光于紫外光下眼科材料的固化。1632cm^-1峰位处的变化可用于确定分子固化时C=C键断裂的程度。1720cm^-1峰位处的拉曼强度变化表明C=O共价键的伸缩，结合1632cm^-1峰位处的强度，可用作计算聚合物的转化率（图1）。

参考文献

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.

结语

全世界仅白内障手术每年就超过1000万台，而手术中材料的微小变化都会对患者的术后生活产生重大影响。除了加快材料开发速度外，严格控制眼科材料的固化过程还可以防止固化材料产生弯曲和变形等问题。此外，还可以最大限度的减少材料过度曝光所产生的不良影响。

通过拉曼方法，可非常有效监控材料固化过程，聚合物转化率和产物生产过程。