In-line Monitoring of Precipitation Process using Raman Spectroscopy and ATR-FTIR

Polymorfian jatkuva seuranta saostuksessa on hyödyllistä suunnittelun ja kidetuotteen ominaisuuksien sekä kiteytystä seuraavan jatkoprosessoinnin kannalta. Tässä diplomityössä on tutkittu L-glutamiinihapon kahden (- ja ß) polymorfimuodon liukoisuuden riippuvuutta pH:sta ja lämpötilasta.Tulokseksi saatiin, että kummankin polymorfin liukoisuus kasvoi sekä pH:ta ettälämpötilaa kasvatettaessa. ¿¿muodon liukoisuus oli korkeampi kuin ß-muodon liukoisuus valituilla pH-arvoilla eri lämpötiloissa. Lisäksi seurattiin puolipanostoimisen saostuksen aikana 1-litraisella laboratoriokiteyttimellä muodostuvan kiteisen polymorfiseoksen koostumusta hyödyntäen in-line Raman-spektroskopiaa. Myös liuoksen pH-muutosta seurattiin sekä liuoksen koostumusta ATR FTIR-spektroskopian (Attenuated Total Reflection Fourier Transform Infrared Spectrometer) avulla. Tutkittavina muuttujina olivat mm. sekoitusintensiteetti, sekoitintyyppi, reaktanttien (natriumglutamaatti ja rikkihappo) konsentraatiot sekä syötetyn rikkihapon syöttökohta kiteyttimessä. Työhön sisältyi 36 koetta ja osa kokeista toistettiin tulosten oikeellisuuden tarkistamiseksi. Inline-mittaustulosten verifioimiseksi kidenäytteet analysoitiin myös käyttämällä konfokaali Raman-mikroskooppia. Kidemorfologiaa tutkittiin SEM-kuvien (Scanning Eletronic Microscope) avulla. Työ osoitti, että Raman-spektroskopia on joustava ja luotettava menetelmä saostusprosessin jatkuvaan seurantaan L-glutamiinihapolla. Alhaiset lähtöainepitoisuudet tuottivat pääasiassa ¿¿muotoa, kun taas alhainen sekoitusteho edisti ß-muodon muodostumista. Syöttökohta vaikutti merkittävästi polymorfiaan. Kun rikkihapon syöttökohta oli epäideaalisesti sekoitetulla vyöhykkeellä, nousi ylikylläisyystaso korkeaksi ja päätuote oli tällöin ß-muotoa. 6-lapainen vinolapaturbiini (nousukulma 45o) ja 6-lapainen levyturbiini eivät merkittävästi poikenneet toisistaan muodostuvien polymorfien osalta.

Monitoring of crystallization processes by using infrared spectroscopy and multivariate methods

Väitöstutkimuksessa on tarkasteltuinfrapunaspektroskopian ja monimuuttujaisten aineistonkäsittelymenetelmien soveltamista kiteytysprosessin monitoroinnissa ja kidemäisen tuotteen analysoinnissa. Parhaillaan kiteytysprosessitutkimuksessa maailmanlaajuisesti tutkitaan intensiivisesti erilaisten mittausmenetelmien soveltamista kiteytysprosessin ilmiöidenjatkuvaan mittaamiseen niin nestefaasista kuin syntyvistä kiteistäkin. Lisäksi tuotteen karakterisointi on välttämätöntä tuotteen laadun varmistamiseksi. Erityisesti lääkeaineiden valmistuksessa kiinnostusta tämäntyyppiseen tutkimukseen edistää Yhdysvaltain elintarvike- ja lääkeaineviraston (FDA) prosessianalyyttisiintekniikoihin (PAT) liittyvä ohjeistus, jossa määritellään laajasti vaatimukset lääkeaineiden valmistuksessa ja tuotteen karakterisoinnissa tarvittaville mittauksille turvallisten valmistusprosessien takaamiseksi. Jäähdytyskiteytyson erityisesti lääketeollisuudessa paljon käytetty erotusmenetelmä kiinteän raakatuotteen puhdistuksessa. Menetelmässä puhdistettava kiinteä raaka-aine liuotetaan sopivaan liuottimeen suhteellisen korkeassa lämpötilassa. Puhdistettavan aineen liukoisuus käytettävään liuottimeen laskee lämpötilan laskiessa, joten systeemiä jäähdytettäessä liuenneen aineen konsentraatio prosessissa ylittää liukoisuuskonsentraation. Tällaiseen ylikylläiseen systeemiin pyrkii muodostumaan uusia kiteitä tai olemassa olevat kiteet kasvavat. Ylikylläisyys on yksi tärkeimmistä kidetuotteen laatuun vaikuttavista tekijöistä. Jäähdytyskiteytyksessä syntyvän tuotteen ominaisuuksiin voidaan vaikuttaa mm. liuottimen valinnalla, jäähdytyprofiililla ja sekoituksella. Lisäksi kiteytysprosessin käynnistymisvaihe eli ensimmäisten kiteiden muodostumishetki vaikuttaa tuotteen ominaisuuksiin. Kidemäisen tuotteen laatu määritellään kiteiden keskimääräisen koon, koko- ja muotojakaumansekä puhtauden perusteella. Lääketeollisuudessa on usein vaatimuksena, että tuote edustaa tiettyä polymorfimuotoa, mikä tarkoittaa molekyylien kykyä järjestäytyä kidehilassa usealla eri tavalla. Edellä mainitut ominaisuudet vaikuttavat tuotteen jatkokäsiteltävyyteen, kuten mm. suodattuvuuteen, jauhautuvuuteen ja tabletoitavuuteen. Lisäksi polymorfiamuodolla on vaikutusta moniin tuotteen käytettävyysominaisuuksiin, kuten esim. lääkeaineen liukenemisnopeuteen elimistössä. Väitöstyössä on tutkittu sulfatiatsolin jäähdytyskiteytystä käyttäen useita eri liuotinseoksia ja jäähdytysprofiileja sekä tarkasteltu näiden tekijöiden vaikutustatuotteen laatuominaisuuksiin. Infrapunaspektroskopia on laajalti kemian alan tutkimuksissa sovellettava menetelmä. Siinä mitataan tutkittavan näytteenmolekyylien värähtelyjen aiheuttamia spektrimuutoksia IR alueella. Tutkimuksessa prosessinaikaiset mittaukset toteutettiin in-situ reaktoriin sijoitettavalla uppoanturilla käyttäen vaimennettuun kokonaisheijastukseen (ATR) perustuvaa Fourier muunnettua infrapuna (FTIR) spektroskopiaa. Jauhemaiset näytteet mitattiin off-line diffuusioheijastukseen (DRIFT) perustuvalla FTIR spektroskopialla. Monimuuttujamenetelmillä (kemometria) voidaan useita satoja, jopa tuhansia muuttujia käsittävä spektridata jalostaa kvalitatiiviseksi (laadulliseksi) tai kvantitatiiviseksi (määrälliseksi) prosessia kuvaavaksi informaatioksi. Väitöstyössä tarkasteltiin laajasti erilaisten monimuuttujamenetelmien soveltamista mahdollisimman monipuolisen prosessia kuvaavan informaation saamiseksi mitatusta spektriaineistosta. Väitöstyön tuloksena on ehdotettu kalibrointirutiini liuenneen aineen konsentraation ja edelleen ylikylläisyystason mittaamiseksi kiteytysprosessin aikana. Kalibrointirutiinin kehittämiseen kuuluivat aineiston hyvyyden tarkastelumenetelmät, aineiston esikäsittelymenetelmät, varsinainen kalibrointimallinnus sekä mallin validointi. Näin saadaan reaaliaikaista informaatiota kiteytysprosessin ajavasta voimasta, mikä edelleen parantaa kyseisen prosessin tuntemusta ja hallittavuutta. Ylikylläisyystason vaikutuksia syntyvän kidetuotteen laatuun seurattiin usein kiteytyskokein. Työssä on esitetty myös monimuuttujaiseen tilastolliseen prosessinseurantaan perustuva menetelmä, jolla voidaan ennustaa spontaania primääristä ytimenmuodostumishetkeä mitatusta spektriaineistosta sekä mahdollisesti päätellä ydintymisessä syntyvä polymorfimuoto. Ehdotettua menetelmää hyödyntäen voidaan paitsi ennakoida kideytimien muodostumista myös havaita mahdolliset häiriötilanteet kiteytysprosessin alkuhetkillä. Syntyvää polymorfimuotoa ennustamalla voidaan havaita ei-toivotun polymorfin ydintyminen,ja mahdollisesti muuttaa kiteytyksen ohjausta halutun polymorfimuodon saavuttamiseksi. Monimuuttujamenetelmiä sovellettiin myös kiteytyspanosten välisen vaihtelun määrittämiseen mitatusta spektriaineistosta. Tämäntyyppisestä analyysistä saatua informaatiota voidaan hyödyntää kiteytysprosessien suunnittelussa ja optimoinnissa. Väitöstyössä testattiin IR spektroskopian ja erilaisten monimuuttujamenetelmien soveltuvuutta kidetuotteen polymorfikoostumuksen nopeaan määritykseen. Jauhemaisten näytteiden luokittelu eri polymorfeja sisältäviin näytteisiin voitiin tehdä käyttäen tarkoitukseen soveltuvia monimuuttujaisia luokittelumenetelmiä. Tämä tarjoaa nopean menetelmän jauhemaisen näytteen polymorfikoostumuksen karkeaan arviointiin, eli siihen mitä yksittäistä polymorfia kyseinen näyte pääasiassa sisältää. Varsinainen kvantitatiivinen analyysi, eli sen selvittäminen paljonko esim. painoprosentteina näyte sisältää eri polymorfeja, vaatii kaikki polymorfit kattavan fysikaalisen kalibrointisarjan, mikä voi olla puhtaiden polymorfien huonon saatavuuden takia hankalaa.

Pulsed electric field assisted sol-gel preparation of TiO2 particles and their photocatalytic properties

The objective of this thesis was to study the effect of pulsed electric field on the preparation of TiO2 nanoparticles via sol-gel method. The literature part deals with properties of different TiO2 crystal forms, principles of photocatalysis, sol-gel method and pulsed electric field processing. It was expected that the pulsed electric field would have an influence on crystallite size, specific surface area, polymorphism and photocatalytic activity of produced particles. TiO2 samples were prepared by using different frequencies and treatment times of pulsed electric field. The properties of produced TiO2 particles were examined X-ray diffraction (XRD), Raman spectroscopy and BET surface area analysis. The photocatalytic activities of produced TiO2 particles were determined by using them as photocatalysts for the degradation of formic acid under UVA-light. The photocatalytic activities of samples produced with sol-gel method were also compared with the commercial TiO2 powder Aeroxide® (Evonic Degussa GmbH). Pulsed electric field did not have an effect on the morphology of particles. Results from XRD and Raman analysis showed that all produced TiO2 samples were pure anatase. However, pulsed electric field did have an effect on crystallite size, specific surface area and photocatalytic activity of TiO2 particles. Generally, the crystallite sizes were smaller, specific surface areas larger and initial formic acid degradation rates higher for samples that were produced by applying the pulsed electric field. The higher photocatalytic activities were attributed to larger surface areas and smaller crystallite sizes. Though, with all of the TiO2 samples produced by the sol-gel method the initial formic acid degradation rates were significantly slower than with the commercial TiO2 powder.

Reducing contact resistance in graphene devices

In this thesis, the contact resistance of graphene devices was investigated because high contact resistance is detrimental to the performance of graphene field-effect transistors (GFET). Method for increasing so-called edge-contact area was applied in device fabrication process, as few nanometers thick Ni layer was used as a catalytic etchant during the annealing process. Finally, Ni was also used as a metal for contact. GFETs were fabricated using electron beam lithography using graphene fabricated by chemical vapor deposition (CVD). Critical part of the fabrication process was to preserve the high quality of the graphene channel while etching the graphene at contact areas with Ni during the annealing. This was achieved by optimizing the combination of temperature and gas flows. The structural properties of graphene were studied using scanning electron microscopy, scanning confocal μ-Raman spectroscopy and optical microscopy. Evaluation of electric transport properties including contact resistance was carried out by transmission line method and four-probe method. The lowest contact resistance found was about at 350 Ωμm. In addition, different methods to transfer CVD graphene synthesized on copper were studied. Typical method using PMMA as a supporting layer leaves some residues after its removal, thus effecting on the performance of a graphene devices. In a metal assisted transfer method, metal is used as an interfacial layer between PMMA and graphene. This allows more effective removal of PMMA. However, Raman spectra of graphene transferred by metal assisted method showed somewhat lower quality than the PMMA assisted method

Magnetic properties of defective graphene

In this thesis, the influence of the functionalization of graphene and graphite on their magnetic properties was investigated. The functionalization was performed by covalent attaching of a phenyl groups with three different radicals (4-bromoaniline, 4-chloroaniline and 4-nitroaniline). Magnetic properties were measured by SQUID magnetometer. Both pristine graphite and graphene showed strong diamagnetic behavior. For good quality graphite, diamagnetism was found to be temperature-dependent. All samples demonstrated noticeable paramagnetic contribution below 50 K. According to fitting experimental results with Brillouin function and Curie law, it was shown that paramagnetism is provided by small clusters of spins (superparamagnetic behavior). Moreover, the clusters size and spin concentrations were calculated. For the samples functionalized with nitroaniline the antiferromagnetic transition around 120 K was observed. To explain this behavior, a simple model was proposed. Additional analysis of the graphene quality, structure and composition of the samples was carried out by HRTEM, EDS mapping, Raman spectroscopy and X-ray diffraction techniques.

Fourier self-deconvolution in coherent anti-Stokes Raman scattering spectrum analysis

Coherent anti-Stokes Raman scattering (CARS) microscopy is rapidly developing into a unique microscopic tool in biophysics, biology and the material sciences. The nonlinear nature of CARS spectroscopy complicates the analysis of the received spectra. There were developed mathematical methods for signal processing and for calculations spectra. Fourier self-deconvolution is a special high pass FFT filter which synthetically narrows the effective trace bandwidth features. As Fourier self-deconvolution can effectively reduce the noise, which may be at a higher spatial frequency than the peaks, without losing peak resolution. The idea of the work is to experiment the possibility of using wavelet decomposition in spectroscopic for background and noise removal, and Fourier transformation for linenarrowing.

Development of phase retrieval algorithm and techniques for optical spectrum analysis

Coherent anti-Stokes Raman scattering is the powerful method of laser spectroscopy in which significant successes are achieved. However, the non-linear nature of CARS complicates the analysis of the received spectra. The objective of this Thesis is to develop a new phase retrieval algorithm for CARS. It utilizes the maximum entropy method and the new wavelet approach for spectroscopic background correction of a phase function. The method was developed to be easily automated and used on a large number of spectra of different substances.. The algorithm was successfully tested on experimental data.

Characterization of board impurities with a Raman device

Erilaisia epäpuhtauksia kulkeutuu paperinvalmistusprosessiin ja monenlaisia saostumia muodostuu paperinvalmistuksen prosesseissa. Epäpuhtaudet voivat aiheuttaa prosessiongelmia sekä alentaa tuotteen laatua. Epäpuhtauksien alkuperän ja koostumuksen selvittäminen edellyttää usein erilaisten analyysimenetelmien käyttöä. Epäpuhtauksien luokittelu on useasti välttämätöntä ennen tarkempaa kemiallista analyysia. Paperinvalmistuksen epäpuhtauksien kvalitatiiviseen luokitteluun on yleisimmin käytetty mikroskopian, IR-spektroskopian ja analyyttisen pyrolyysin menetelmiä. Raman spektroskopia on harvinaisempi menetelmä paperiteollisuuden tutkimuksessa. Raman instrumenttien kehittyminen on ollut voimakasta viimeisen vuosikymmenen aikana. Raman spektroskopia onkin osoittanut mandollisuutensa polymeerien, lääketeollisuuden ja polttoaineteollisuuden tutkimuksissa. Tässä työssä tutkittiin erään elintarvikepakkauskartongin epäpuhtauksia Raman spektroskoopilla. Työn tavoitteena oli selvittää Raman analyysin käyttökelpoisuutta kartongin epäpuhtauksien online-luokittelussa. Tutkimukset suoritettiin Spectracoden RP-1 Raman instrumentilla. Tutkimukset osoittivat, että näytteen fluoresenssi ja näytteen hajoaminen asettavat rajoituksia epäpuhtauksien Raman analyysille. Epäpuhtauksien online-tunnistaminen toimii käytettäessä suuria lasertehoja ja säteilytysaikoja. Näytteiden laserherkkyys ja fluoresenssi rajoittavat kuitenkin suurien laiteparametrien käyttöä. Laiteparametrien pienentäminen johti mittauksien signaali-kohina suhteen alenemiseen, mikä puolestaan aiheutti online-tunnistuksen toimimattomuuden.

Development of Raman microscopy methods for polymer coatings of polyfilms

Työn tavoitteena oli tutkia Raman-spektrometrin soveltuvuutta muovipäällystettyjen kartonkien syvyyssuuntaisiin mittauksiin. Lisäksi pyrittiin selvittämään voidaanko kiteisyyttä nähdä Raman-laitteistolla. Työn kirjallisessa osassa on selvitetty Raman-laitteiston teknisiä ominaisuuksia. Kokeellinen osa suoritettiin Lappeenrannan teknillisessä yliopistossa Membraanitekniikan ja teknillisen polymeerikemian laboratoriossa. Työssä käytettiin Horiban Jobin Yvon¿in valmistamaa konfokaalista Raman-spektrometri-laitteistoa (LabRam). Syvyyssuuntaisissa mittauksissa käytettiin apuna motorisoitua x-, y- ja z-suuntaan liikkuvaa tasoa. Mittaukset suoritettiin pistemäisesti tietyllä askelvälillä fokusoimalla näytteen pinnasta sisällepäin. Syvyysprofilointimittaukset aloitettiinmäärittelemällä laitteiston syvyysresoluutio eri konfokaalireikäkoolla. Lisäksityössä tehtiin syvyysprofilointimittauksia sekä läpinäkyvillä monikerrosmuoveilla että muovipäällystetyillä kartongeilla. Työssä mitatut muovipäällysteet sisälsivät pääasiassa polyeteeniä. Tulokset osoittivat, että Raman laitteistolla voidaan havainnoida Raman-aktiiviset ryhmät näytteen eri kerroksista. Lisäksi polyeteenin kiteisyysaste voidaan havaita tietyillä aallonpituuksilla.

Positron measurements in Mg-doped GaN and development of digital Doppler broadening spectroscopy

In this work parameters of Mg-doped GaN samples were studied using positron annihilation spectroscopy and analyzed. It is shown that gallium vacancies exist in an unintentionally doped sample. Next, the sample with higher concentration of Mg and low growth temperature contains vacancy clusters. In case of low concentration of Mg the growth temperature does not affect the formation of defects. Analog electronics can be replaced by a modern digital device. While promising a high quantity of benefits, the performance of these digitizers requires thorough adjustment. A 14-bit two channel digitizer has been tested in order to achieve better performance than the one of a traditional analog setup, and the adjustment process is described. It has been shown that the digital device is unable to achieve better energy resolution, but it is quite close to the corresponding attribute of the available analog system, which had been used for measurements in Mg-doped GaN.

Conventional and nonconventional Kramers-Kronig analysis in optical spectroscopy

This Master’s Thesis is dedicated to the investigation and testing conventional and nonconventional Kramers-Kronig relations on simulated and experimentally measured spectra. It is done for both linear and nonlinear optical spectral data. Big part of attention is paid to the new method of obtaining complex refractive index from a transmittance spectrum without direct information of the sample thickness. The latter method is coupled with terahertz tome-domain spectroscopy and Kramers-Kronig analysis applied for testing the validity of complex refractive index. In this research precision of data inversion is evaluated by root-mean square error. Testing of methods is made over different spectral range and implementation of this methods in future is considered.