Акустическая резонансная спектроскопия

Спектроскопия акустического резонанса ( АРС ) — метод спектроскопии в акустической области, прежде всего в звуковой и ультразвуковой областях. ARS обычно работает намного быстрее, чем HPLC и NIR . Он неразрушающий и не требует подготовки образца, поскольку волновод для отбора проб можно просто вставить в образец порошка/жидкости или ввести в контакт с твердым образцом.

На сегодняшний день AR- спектрометр успешно дифференцирует и количественно определяет аналиты проб в различных формах; (таблетки, порошки и жидкости). Его использовали для измерения и мониторинга хода химических реакций, таких как схватывание и затвердевание бетона от цементного теста до твердого состояния. Акустическая спектрометрия также использовалась для измерения объемной доли коллоидов в дисперсионной среде , а также для исследования физических свойств коллоидных дисперсий , таких как агрегация и распределение частиц по размерам. Обычно такие эксперименты проводятся с синусоидальными сигналами возбуждения и экспериментальным наблюдением затухания сигнала . На основе сравнения теоретического ослабления с экспериментальными наблюдениями сделаны выводы о распределении частиц по размерам и явлениях агрегации.

История

Дипен Синха из Лос-Аламосской национальной лаборатории разработал ARS в 1989 году. ^[1] Большинство опубликованных работ по акустике посвящено ультразвуковой области, и их приборы связаны с распространением через среду, а не с резонансным эффектом. Одна из первых, если не первая публикация, посвященная акустическому резонансу, была в 1988 году в журнале «Прикладная спектроскопия». Исследователи разработали V-образный кварцевый стержень, который использовал ультразвуковые волны для получения характеристик микролитров различных жидкостей. ^[2] У исследователей не было какой-либо классификационной статистики или протоколов идентификации; исследователи просто наблюдали ультразвуковые резонансные сигнатуры этих различных материалов. В частности, Синха работал над разработкой инструмента ARS, который может обнаруживать ядерное, химическое и биологическое оружие. К 1996 году он успешно разработал переносную установку АРС, которую можно использовать на поле боя. Устройство может обнаружить и идентифицировать смертоносные химические вещества, хранящиеся в контейнерах, за считанные минуты. Кроме того, инструмент был доработан другой исследовательской группой (доктором Робертом Лоддером из Университета Кентукки), и их работа также была опубликована в журнале «Прикладная спектроскопия». Исследователи создали инструмент V-образной формы, который может преодолевать звуковые и ультразвуковые области, создавая большую универсальность. Термин «спектрометр акустического резонанса» также был придуман для обозначения V-образного спектрометра. ^[3] Со времени исследования, проведенного в 1994 году, ARS развивался и использовался для дифференциации пород древесины, дифференциации фармацевтических таблеток, определения скорости горения и определения скорости растворения таблеток. ^[4]^[5]^[1] В 2007 году «Аналитическая химия» представила прошлые и текущие работы лаборатории доктора Лоддера, в которых обсуждался потенциал акустики в области аналитической химии и техники. ^[6]

Теория

Вибрации

Различают два основных типа колебаний : свободные и вынужденные. Свободные вибрации — это естественные или нормальные виды вибрации вещества. Вынужденные вибрации вызываются своего рода возбуждением, заставляющим анализируемое вещество резонировать за пределами его обычных режимов. ARS использует принудительные вибрации аналита в отличие от наиболее часто используемых методов, в которых для измерения аналита используются свободные вибрации. ARS возбуждает несколько нормальных мод путем изменения частоты возбуждения аналита без внутренних вибраций для получения резонансного спектра. Эти резонансные частоты сильно зависят от типа измеряемого аналита, а также от физических свойств самого аналита (массы, формы, размера и т. д.). Физические свойства будут сильно влиять на диапазон частот, создаваемых резонирующим аналитом. Обычно небольшие аналиты имеют частоты мегагерц, тогда как более крупные аналиты могут иметь частоту всего в несколько сотен герц. Чем сложнее аналит, тем сложнее резонансный спектр. ^[7]

Кварцевый стержень

По сути, ARS создана для создания отпечатков пальцев для различных образцов путем конструктивного и деструктивного взаимодействия . На рисунке 1 представлена схема ARS с кварцевым стержнем, которая иллюстрирует путь звука через кварцевый стержень. Генератор функций является источником ^[8] любое устройство, способное выводить звук в виде напряжения хотя можно использовать (например, проигрыватель компакт-дисков , MP3-плеер или звуковую карту ). Генерируется белый шум , а напряжение преобразуется в звуковую волну с помощью пьезоэлектрического диска. ^[3] соединен с кварцевым стержнем. Звук резонирует с кварцевым стержнем, который показан в виде синей синусоидальной волны. ^[9] и происходят два ключевых взаимодействия. Часть энергии (красный цвет) вводится в образец и взаимодействует определенным образом, в зависимости от образца, а другая часть энергии (синий цвет) проходит через кварцевый стержень в неизмененном виде. будут меняться Обе энергии по-прежнему будут иметь одинаковую частоту, хотя их фаза и, возможно, амплитуда . Две волны рекомбинируются после образца ^[10] и конструктивная или деструктивная интерференция возникает в зависимости от фазового сдвига и изменения амплитуды из-за образца. Измененная объединенная энергия преобразуется в электрическое напряжение с помощью другого пьезоэлектрического диска на конце кварцевого стержня. ^[11] Затем напряжение записывается на компьютер с помощью звуковой карты. ^[12] Образец соединяется с кварцевым стержнем при постоянном давлении, которое контролируется датчиком давления , который также действует как держатель образца. Резиновые втулки используются для закрепления кварцевого стержня на устойчивой стойке, сводя к минимуму контакт стержня с окружающей средой. Широкополосный белый шум используется для получения полного спектра ; однако большинство звуковых карт улавливают частоту только от 20 до 22 050 Гц . Форма волны, отправляемая на компьютер, представляет собой временной сигнал взаимодействия белого шума с образцом. Быстрое преобразование Фурье (БПФ) выполняется над формой сигнала для преобразования временного сигнала в более полезный частотный спектр.

Пределы обнаружения

Многомерный эксперимент по популяционному переводу был использован для определения пределов обнаружения устройства ARS. ^[13] Популяции с небольшим многомерным разделением, в данном случае аспирин и ибупрофен, использовались для определения того, что таблетки с разницей в толщине 0,08 мм, разницей в массе 0,0046 г и разницей в плотности 0,01658 г/мл не поддаются разделению с помощью ARS. При использовании витамина С и ацетаминофена для наибольшего многомерного разделения таблетки с разницей в толщине 0,27 мм, разницей в массе 0,0756 г и разницей в плотности 0,01157 г/мл были неразделимы. Экспериментально динамический диапазон ARS составляет десять раз.

Приложения

Одно из потенциальных применений ARS предполагает быструю и неразрушающую идентификацию таблеток с лекарственными препаратами. В настоящее время не существует надежных методов устранения загрязненных или неправильно маркированных продуктов, и этот процесс иногда приводит к необходимости отзыва миллионов таблеток . Необходимо провести дополнительные исследования, чтобы определить, можно ли использовать ARS в качестве метода технологического анализа в промышленности для предотвращения проблем с таблетками до их отправки. ^[4] ARS также может быть полезен для количественного определения активного ингредиента в фармацевтических мазях и гелях. ^[14]

Ссылки

^ Перейти обратно: ^а ^б ДиГрегорио, Барри Э. (2007). «AC Detective: Все, что вам нужно, это звук» . Аналитическая химия . 79 (19). Американское химическое общество (ACS): 7236. doi : 10.1021/ac071966x . ISSN 0003-2700 .
^ Лай, Эдвард ПК; Чан, Бекки Л.; Чен, Сьюзен (1988). «Ультразвуковой резонансный спектроскопический анализ микролитров жидкостей». Прикладная спектроскопия . 42 (3). Публикации SAGE: 526–529. Бибкод : 1988ApSpe..42..526L . дои : 10.1366/0003702884427906 . ISSN 0003-7028 . S2CID 94787680 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Бьюс, Роберт Г.; Пинкстон, Пол; Лоддер, Роберт А. (1994). «Оптимизация акустико-резонансной спектрометрии для анализа неповрежденных таблеток и прогнозирования скорости растворения». Прикладная спектроскопия . 48 (4). Публикации SAGE: 517–524. Бибкод : 1994ApSpe..48..517B . дои : 10.1366/000370294775268929 . ISSN 0003-7028 . S2CID 10416928 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Ханнель, Фаддей; Линк, Дэвид; Лоддер, Роберт А. (14 августа 2008 г.). «Комплексное зондирование и обработка — акустическая резонансная спектрометрия (ISP-ARS) в дифференциации d-тагатозы и других лекарств, производимых платным способом». Журнал фармацевтических инноваций . 3 (3). ООО «Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа»: 152–160. дои : 10.1007/s12247-008-9038-y . ISSN 1872-5120 . S2CID 177787 .
^ Медендорп, Джозеф П.; Факлер, Джейсон А.; Дуглас, Крейг С.; Лоддер, Роберт А. (2007). «Комплексная акустическая резонансная спектрометрия обнаружения и обработки (ISP-ARS) для классификации образцов». Журнал фармацевтических инноваций . 2 (3–4). ООО «Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа»: 125–134. дои : 10.1007/s12247-007-9014-y . ISSN 1872-5120 . S2CID 6064202 .
^ Катнелл, JD; Джонсон, К.В., Физика . Уайли: Нью-Йорк, 1997.
^ Франко-Вильяфанье, Ж.А.; Флорес-Ольмедо, Э; Баез, Г; Гандарилья-Каррильо, О; Мендес-Санчес, РА (3 октября 2012 г.). «Акустическая резонансная спектроскопия для передовой бакалаврской лаборатории». Европейский журнал физики . 33 (6). Издательство ИОП: 1761–1769. arXiv : 1312.5611 . Бибкод : 2012EJPh...33.1761F . дои : 10.1088/0143-0807/33/6/1761 . ISSN 0143-0807 . S2CID 54058402 .
^ Куртиш, Д; Али, Л. Айт; Алььес, Л; Нади, М; Читнала, А. (14 октября 2003 г.). «Гармоническое распространение звуковых лучей конечной амплитуды: визуализация второй гармоники в томографии с ультразвуковым отражением». Измерительная наука и технология . 15 (1). Издательство ИОП: 21–28. дои : 10.1088/0957-0233/15/1/003 . ISSN 0957-0233 . S2CID 250826581 .
^ Миллс, Тимоти П.; Джонс, Анджела; Лоддер, Роберт А. (1993). «Идентификация пород древесины методом акустико-резонансной спектрометрии с использованием многомерного субпопуляционного анализа». Прикладная спектроскопия . 47 (11). Публикации SAGE: 1880–1886 гг. Бибкод : 1993ApSpe..47.1880M . дои : 10.1366/0003702934065957 . ISSN 0003-7028 . S2CID 17775719 .
^ Миллс, Т.; Наир, П.; Чандрасекаран, С.; Лоддер, Р. «Улучшенная идентификация фармацевтических таблеток с помощью ближней ИК-спектрометрии и ближней ИК-/акустической резонансной спектрометрии с бутстреп-главными компонентами».
^ Почвоведение. Соц. Являюсь. Дж. , Том. 68, январь – февраль 2004 г.
^ Мартин, LP; Порет, Дж.К.; Данон, А.; Розен, М. (1998). «Влияние адсорбированной воды на скорость ультразвука в прессовках порошка оксида алюминия» . Материаловедение и инженерия: А. 252 (1). Эльзевир Б.В.: 27–35. дои : 10.1016/s0921-5093(98)00669-8 . ISSN 0921-5093 .
^ Медендорп, Джозеф; Лоддер, Роберт А. (2006). «Акустико-резонансная спектрометрия как процессно-аналитическая технология быстрой и точной идентификации таблеток» . AAPS PharmSciTech . 7 (1). Springer Science and Business Media LLC: E175–E183. дои : 10.1208/pt070125 . ISSN 1530-9932 . ПМЦ 2750732 . ПМИД 16584156 .
^ Медендорп, Джозеф; Бьюс, Роберт Г.; Лоддер, Роберт А. (2006). «Акустически-резонансная спектрометрия как процессно-аналитическая технология количественного определения активного фармацевтического ингредиента в полутвердых веществах» . AAPS PharmSciTech . 7 (3). ООО «Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа»: E22–E29. дои : 10.1208/pt070359 . ISSN 1530-9932 . ПМК 2750501 . ПМИД 16584153 .

Чжан, Руй; Цзян, Бэй; Цао, Вэньу (2002). «Влияние размера образца на измерения ультразвуковой фазовой скорости в пьезоэлектрической керамике». Журнал прикладной физики . 91 (12). Издательство AIP: 10194. Бибкод : 2002JAP....9110194Z . дои : 10.1063/1.1479754 . ISSN 0021-8979 .
Лю, Цюн; Ланге, Ребекка А.; Ай, Юхуэй (2007). «Измерения акустической скорости жидкостей Na ₂ O–TiO ₂ –SiO ₂ : свидетельства существования сильно сжимаемого компонента TiO _2, связанного с пятикоординированным Ti». Geochimica et Cosmochimica Acta . 71 (17). Эльзевир Б.В.: 4314–4326. Бибкод : 2007GeCoA..71.4314L . дои : 10.1016/j.gca.2007.06.054 . ISSN 0016-7037 .
Болдуин, Стивен Л.; Марутян Карен Р.; Ян, Мин; Уоллес, Кирк Д.; Холланд, Марк Р.; Миллер, Джеймс Г. (2006). «Измерения анизотропии затухания ультразвука в свежеиссеченном миокарде» . Журнал Акустического общества Америки . 119 (5). Акустическое общество Америки (ASA): 3130–3139. Бибкод : 2006ASAJ..119.3130B . дои : 10.1121/1.2188333 . ISSN 0001-4966 . ПМИД 16708967 .
Умнова, Ольга; Аттенборо, Кейт; Шин, Хо-Чул; Каммингс, Алан (2005). «Вычисление извилистости и пористости по измерениям акустического отражения и пропускания на толстых образцах жестко-пористых материалов». Прикладная акустика . 66 (6). Эльзевир Б.В.: 607–624. doi : 10.1016/j.apacoust.2004.02.005 . ISSN 0003-682X .
Лей, Синлинь; Масуда, Кодзи; Нисидзава, Осаму; Жунио, Лоуренс; Лю, Лицян; Ма, Вэньтао; Сато, Такаши; Кусуносе, Киничиро (2004). «Детальный анализ активности акустической эмиссии при катастрофическом разрушении разломов горных пород». Журнал структурной геологии . 26 (2). Эльзевир Б.В.: 247–258. Бибкод : 2004JSG....26..247L . дои : 10.1016/s0191-8141(03)00095-6 . ISSN 0191-8141 .
Канклер-Пек, Эндрю Дж.; Терви, Монтана (2000). «Форма слуха». Журнал экспериментальной психологии: человеческое восприятие и деятельность . 26 (1). Американская психологическая ассоциация (APA): 279–294. дои : 10.1037/0096-1523.26.1.279 . ISSN 1939-1277 . ПМИД 10696618 .
Гордон, Майкл С.; Розенблюм, Лоуренс Д. (2004). «Восприятие звукопоглощающих поверхностей с использованием суждений в масштабе тела». Экологическая психология . 16 (2). Информа UK Limited: 87–113. дои : 10.1207/s15326969eco1602_1 . ISSN 1040-7413 . S2CID 144740329 .
Синха, Д.Н. (1992). «Акустическая резонансная спектроскопия (АРС)». Возможности IEEE . 11 (2). Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE): 10–13. дои : 10.1109/45.127718 . ISSN 0278-6648 . S2CID 42159817 .

[DiGregorio-1] Перейти обратно: ^а ^б ДиГрегорио, Барри Э. (2007). «AC Detective: Все, что вам нужно, это звук» . Аналитическая химия . 79 (19). Американское химическое общество (ACS): 7236. doi : 10.1021/ac071966x . ISSN 0003-2700 .

[2] Лай, Эдвард ПК; Чан, Бекки Л.; Чен, Сьюзен (1988). «Ультразвуковой резонансный спектроскопический анализ микролитров жидкостей». Прикладная спектроскопия . 42 (3). Публикации SAGE: 526–529. Бибкод : 1988ApSpe..42..526L . дои : 10.1366/0003702884427906 . ISSN 0003-7028 . S2CID 94787680 .

[Buiceetal-3] Перейти обратно: ^а ^б Бьюс, Роберт Г.; Пинкстон, Пол; Лоддер, Роберт А. (1994). «Оптимизация акустико-резонансной спектрометрии для анализа неповрежденных таблеток и прогнозирования скорости растворения». Прикладная спектроскопия . 48 (4). Публикации SAGE: 517–524. Бибкод : 1994ApSpe..48..517B . дои : 10.1366/000370294775268929 . ISSN 0003-7028 . S2CID 10416928 .

[Hannel2008-4] Перейти обратно: ^а ^б Ханнель, Фаддей; Линк, Дэвид; Лоддер, Роберт А. (14 августа 2008 г.). «Комплексное зондирование и обработка — акустическая резонансная спектрометрия (ISP-ARS) в дифференциации d-тагатозы и других лекарств, производимых платным способом». Журнал фармацевтических инноваций . 3 (3). ООО «Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа»: 152–160. дои : 10.1007/s12247-008-9038-y . ISSN 1872-5120 . S2CID 177787 .

[5] Медендорп, Джозеф П.; Факлер, Джейсон А.; Дуглас, Крейг С.; Лоддер, Роберт А. (2007). «Комплексная акустическая резонансная спектрометрия обнаружения и обработки (ISP-ARS) для классификации образцов». Журнал фармацевтических инноваций . 2 (3–4). ООО «Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа»: 125–134. дои : 10.1007/s12247-007-9014-y . ISSN 1872-5120 . S2CID 6064202 .

[6] Катнелл, JD; Джонсон, К.В., Физика . Уайли: Нью-Йорк, 1997.

[7] Франко-Вильяфанье, Ж.А.; Флорес-Ольмедо, Э; Баез, Г; Гандарилья-Каррильо, О; Мендес-Санчес, РА (3 октября 2012 г.). «Акустическая резонансная спектроскопия для передовой бакалаврской лаборатории». Европейский журнал физики . 33 (6). Издательство ИОП: 1761–1769. arXiv : 1312.5611 . Бибкод : 2012EJPh...33.1761F . дои : 10.1088/0143-0807/33/6/1761 . ISSN 0143-0807 . S2CID 54058402 .

[8] Куртиш, Д; Али, Л. Айт; Алььес, Л; Нади, М; Читнала, А. (14 октября 2003 г.). «Гармоническое распространение звуковых лучей конечной амплитуды: визуализация второй гармоники в томографии с ультразвуковым отражением». Измерительная наука и технология . 15 (1). Издательство ИОП: 21–28. дои : 10.1088/0957-0233/15/1/003 . ISSN 0957-0233 . S2CID 250826581 .

[9] Миллс, Тимоти П.; Джонс, Анджела; Лоддер, Роберт А. (1993). «Идентификация пород древесины методом акустико-резонансной спектрометрии с использованием многомерного субпопуляционного анализа». Прикладная спектроскопия . 47 (11). Публикации SAGE: 1880–1886 гг. Бибкод : 1993ApSpe..47.1880M . дои : 10.1366/0003702934065957 . ISSN 0003-7028 . S2CID 17775719 .

[10] Миллс, Т.; Наир, П.; Чандрасекаран, С.; Лоддер, Р. «Улучшенная идентификация фармацевтических таблеток с помощью ближней ИК-спектрометрии и ближней ИК-/акустической резонансной спектрометрии с бутстреп-главными компонентами».

[11] Почвоведение. Соц. Являюсь. Дж. , Том. 68, январь – февраль 2004 г.

[12] Мартин, LP; Порет, Дж.К.; Данон, А.; Розен, М. (1998). «Влияние адсорбированной воды на скорость ультразвука в прессовках порошка оксида алюминия» . Материаловедение и инженерия: А. 252 (1). Эльзевир Б.В.: 27–35. дои : 10.1016/s0921-5093(98)00669-8 . ISSN 0921-5093 .

[13] Медендорп, Джозеф; Лоддер, Роберт А. (2006). «Акустико-резонансная спектрометрия как процессно-аналитическая технология быстрой и точной идентификации таблеток» . AAPS PharmSciTech . 7 (1). Springer Science and Business Media LLC: E175–E183. дои : 10.1208/pt070125 . ISSN 1530-9932 . ПМЦ 2750732 . ПМИД 16584156 .

[14] Медендорп, Джозеф; Бьюс, Роберт Г.; Лоддер, Роберт А. (2006). «Акустически-резонансная спектрометрия как процессно-аналитическая технология количественного определения активного фармацевтического ингредиента в полутвердых веществах» . AAPS PharmSciTech . 7 (3). ООО «Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа»: E22–E29. дои : 10.1208/pt070359 . ISSN 1530-9932 . ПМК 2750501 . ПМИД 16584153 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]