Quantitative Analysis of a Water-soluble Polymer Using the i-Raman EX Spectrometer

Význam tématu

Vibrační spektroskopie patří mezi nejvýznamnější metody pro charakterizaci polymerů díky schopnosti poskytovat molekulární „otisk“ materiálu. Kombinace infračervené a Ramanovy spektroskopie umožňuje nejen kvalitativní identifikaci funkčních skupin, ale i kvantitativní stanovení míry modifikace polymerů. Zvláštní význam má Ramanova technika u vodných systémů, kde je prakticky zanedbatelný signál vody a vynikají pásy aromatických struktur.

Cíle a přehled studie

Cílem studie bylo navrhnout jednoduchou, robustní a rychlou kvantitativní metodu pro stanovení rozsahu funkcionování polystyrenu na vodorozpustný polymer. Využit byl moderní i-Raman EX spektrometr od B&W Tek, který nabízí vysokou citlivost, minimální nároky na údržbu a přátelské uživatelské rozhraní vhodné pro provozní QC laboratoře.

Použitá metodika a instrumentace

Analýza probíhala ve dvou krocích: nejprve kvalifikační model PCA-MD pro rozlišení vodné a organické fáze, poté kvantitativní PLS1 model pro výpočet % funkcionovaného polymeru. Spektra byla získána s excitací 1064 nm (495 mW), v oblasti 250–2500 cm⁻¹ s rozlišením 9,5 cm⁻¹. K měření sloužil i-Raman EX se 512prvkovou InGaAs detekční maticí, vzorky ve 15mm borosilikátových vials a měření probíhalo přes NR-LVH komoru.

Hlavní výsledky a diskuse

Ve spektrální oblasti 900–1300 cm⁻¹ se projevují dvě diagnostické pásy aromatické skupiny na 1002 cm⁻¹ (výchozí polymer) a 1132 cm⁻¹ (funkcionovaný). Jednobodová univariační analýza poměru výšek těchto pásů prokázala lineární závislost (R² > 0,95). PCA-MD model rozlišil vodnou a organickou fázi s 100% úspěšností. PLS1 kvantitativní model, využívající druhou derivaci spektra (Savitzky-Golay), dosáhl pro kalibraci R² = 0,95 a pro validaci R² = 0,87. RMSEC činilo 1,22 % a RMSEP 1,43 %. Jednodenní přesnost činila 0,49 %, střední RMSE pro 16 výrobních šarží 1,31 %.

Přínosy a praktické využití metody

Navržená Ramanova metoda poskytuje rychlé, přesné a reprodukovatelné stanovení míry funkcionace polymeru v roztocích bez dodatečné přípravy vzorku. Díky jednoduchému push-button workflow a integrované chemometrii je metodu možné bezproblémově nasadit v multiuser QC laboratořích i v procesní výrobě.

Budoucí trendy a možnosti využití

Očekává se rozšíření online monitorování polymerních procesů, hlubší využití pokročilých chemometrických algoritmů a real-time kontrola výroby. Dále lze metodu adaptovat pro jiné polymerní systémy a kombinovat ji s automatizovanými odběry vzorku.

Závěr

Studie prokázala, že i-Raman EX spektrometr společně se sofistikovanými chemometrickými nástroji umožňuje spolehlivě kvantifikovat funkcionaci polystyrenu v roztocích. Vyvíjená metoda nabízí vysokou přesnost i opakovatelnost a již je úspěšně využívána v závodních QC laboratořích.

Použitá instrumentace

• i-Raman EX spektrometr (B&W Tek) s 1064 nm excitací, 512prvková InGaAs detekční matice
• Vial holder adapter BWT-840000287 pro 15 mm borosilikátové vials
• Enclosed cuvette/vial sample compartment NR-LVH
• Softwarové nástroje: BWSpec v4.04 (akvizice), BWIQ verze 3.0.6 (chemometrie)

Reference

• Everall N.J., Chalmers J.M., Griffiths P.R.: Vibrational Spectroscopy of Polymers: Principles and Practice. John Wiley & Sons, Chichester 2007.
• Koenig J.L.: Spectroscopy of Polymers. American Chemical Society, Washington DC 1991.
• Larkin P.J.: Infrared and Raman Spectroscopy: Principles and Spectral Interpretation, 2nd ed. Elsevier, Cambridge MA 2018.
• Otto M.: Chemometrics: Statistics and Computer Application in Analytical Chemistry. Wiley-VCH, Weinheim 2017.