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.

The infra-red spectra of silyl fluoride and silyl fluoride-d3

Infra-red spectra have been recorded for silyl fluoride and silyl fluoride-d3 at a resolution of circa 0·3 cm-1. Rotational structure has been observed for parallel fundamentals in both molecules, and for all perpendicular fundamentals. In both SiH3F and SiD3F the A1 and E species deformation modes interact strongly via a Coriolis perturbation; this has been analysed, and the band origin of v5 for SiH3F is reassigned. A hybrid-orbital force field based on the experimental data is also reported.

Cosmic ray modulation of infra-red radiation in the atmosphere

Cosmic rays produce molecular cluster ions as they pass through the lower atmosphere. Neutral molecular clusters such as dimers and complexes are expected to make a small contribution to the radiative balance, but atmospheric absorption by charged clusters has not hitherto been observed. In an atmospheric experiment, a narrowband thermopile filter radiometer centred on 9.15 {\mu}m, an absorption band previously associated with infra-red absorption of molecular cluster ions, was used to monitor changes following events identified by a cosmic ray telescope sensitive to high-energy (>400 MeV) particles, principally muons. The average change in longwave radiation in this absorption band due to molecular cluster ions is 7 mWm sup{-2}. The integrated atmospheric energy density for each event is 2 Jm sup{-2}, representing an amplification factor of 10 sup{12} compared to the estimated energy density of a typical air shower. This absorption is expected to occur continuously and globally, but calculations suggest that it has only a small effect on climate.

Extended optimal estimation techniques for sea surface temperature from the Spinning Enhanced Visible and Infra-Red Imager (SEVIRI)

Sea surface temperature (SST) can be estimated from day and night observations of the Spinning Enhanced Visible and Infra-Red Imager (SEVIRI) by optimal estimation (OE). We show that exploiting the 8.7 μm channel, in addition to the “traditional” wavelengths of 10.8 and 12.0 μm, improves OE SST retrieval statistics in validation. However, the main benefit is an improvement in the sensitivity of the SST estimate to variability in true SST. In a fair, single-pixel comparison, the 3-channel OE gives better results than the SST estimation technique presently operational within the Ocean and Sea Ice Satellite Application Facility. This operational technique is to use SST retrieval coefficients, followed by a bias-correction step informed by radiative transfer simulation. However, the operational technique has an additional “atmospheric correction smoothing”, which improves its noise performance, and hitherto had no analogue within the OE framework. Here, we propose an analogue to atmospheric correction smoothing, based on the expectation that atmospheric total column water vapour has a longer spatial correlation length scale than SST features. The approach extends the observations input to the OE to include the averaged brightness temperatures (BTs) of nearby clear-sky pixels, in addition to the BTs of the pixel for which SST is being retrieved. The retrieved quantities are then the single-pixel SST and the clear-sky total column water vapour averaged over the vicinity of the pixel. This reduces the noise in the retrieved SST significantly. The robust standard deviation of the new OE SST compared to matched drifting buoys becomes 0.39 K for all data. The smoothed OE gives SST sensitivity of 98% on average. This means that diurnal temperature variability and ocean frontal gradients are more faithfully estimated, and that the influence of the prior SST used is minimal (2%). This benefit is not available using traditional atmospheric correction smoothing.

Estimation of sea surface temperature from the Spinning Enhanced Visible and Infra Red Imager, improved using numerical weather prediction

Most of the operational Sea Surface Temperature (SST) products derived from satellite infrared radiometry use multi-spectral algorithms. They show, in general, reasonable performances with root mean square (RMS) residuals around 0.5 K when validated against buoy measurements, but have limitations, particularly a component of the retrieval error that relates to such algorithms' limited ability to cope with the full variability of atmospheric absorption and emission. We propose to use forecast atmospheric profiles and a radiative transfer model to simulate the algorithmic errors of multi-spectral algorithms. In the practical case of SST derived from the Spinning Enhanced Visible and Infrared Imager (SEVIRI) onboard Meteosat Second Generation (MSG), we demonstrate that simulated algorithmic errors do explain a significant component of the actual errors observed for the non linear (NL) split window algorithm in operational use at the Centre de Météorologie Spatiale (CMS). The simulated errors, used as correction terms, reduce significantly the regional biases of the NL algorithm as well as the standard deviation of the differences with drifting buoy measurements. The availability of atmospheric profiles associated with observed satellite-buoy differences allows us to analyze the origins of the main algorithmic errors observed in the SEVIRI field of view: a negative bias in the inter-tropical zone, and a mid-latitude positive bias. We demonstrate how these errors are explained by the sensitivity of observed brightness temperatures to the vertical distribution of water vapour, propagated through the SST retrieval algorithm.

Probabilistic physically-based cloud screening of satellite infra-red imagery for operational sea surface temperature retrieval

We propose and demonstrate a fully probabilistic (Bayesian) approach to the detection of cloudy pixels in thermal infrared (TIR) imagery observed from satellite over oceans. Using this approach, we show how to exploit the prior information and the fast forward modelling capability that are typically available in the operational context to obtain improved cloud detection. The probability of clear sky for each pixel is estimated by applying Bayes' theorem, and we describe how to apply Bayes' theorem to this problem in general terms. Joint probability density functions (PDFs) of the observations in the TIR channels are needed; the PDFs for clear conditions are calculable from forward modelling and those for cloudy conditions have been obtained empirically. Using analysis fields from numerical weather prediction as prior information, we apply the approach to imagery representative of imagers on polar-orbiting platforms. In comparison with the established cloud-screening scheme, the new technique decreases both the rate of failure to detect cloud contamination and the false-alarm rate by one quarter. The rate of occurrence of cloud-screening-related errors of >1 K in area-averaged SSTs is reduced by 83%. Copyright © 2005 Royal Meteorological Society.

Infra-red laser ablative micromachining of parylene-C on SiO2substrates for rapid prototyping, high yield, human neuronal cell patterning

Cell patterning commonly employs photolithographic methods for the micro fabrication of structures on silicon chips. These require expensive photo-mask development and complex photolithographic processing. Laser based patterning of cells has been studied in vitro and laser ablation of polymers is an active area of research promising high aspect ratios. This paper disseminates how 800 nm femtosecond infrared (IR) laser radiation can be successfully used to perform laser ablative micromachining of parylene-C on SiO2 substrates for the patterning of human hNT astrocytes (derived from the human teratocarcinoma cell line (hNT)) whilst 248 nm nanosecond ultra-violet laser radiation produces photo-oxidization of the parylene-C and destroys cell patterning. In this work, we report the laser ablation methods used and the ablation characteristics of parylene-C for IR pulse fluences. Results follow that support the validity of using IR laser ablative micromachining for patterning human hNT astrocytes cells. We disseminate the variation in yield of patterned hNT astrocytes on parylene-C with laser pulse spacing, pulse number, pulse fluence and parylene-C strip width. The findings demonstrate how laser ablative micromachining of parylene-C on SiO2 substrates can offer an accessible alternative for rapid prototyping, high yield cell patterning with broad application to multi-electrode arrays, cellular micro-arrays and microfluidics.

Further considerations of cosmic ray modulation of infra-red radiation in the atmosphere

Understanding effects of ionisation in the lower atmosphere is a new interdisciplinary area, crossing the traditionally distinct scientific boundaries between astro-particle and atmospheric physics and also requiring understanding of both heliospheric and magnetospheric influences on cosmic rays. Following the paper of Erlykin et al. (2014) we develop further the interpretation of our observed changes in long-wave (LW) radiation, Aplin and Lockwood (2013) by taking account of both cosmic ray ionisation yields and atmospheric radiative transfer. To demonstrate this, we show that the thermal structure of the whole atmosphere needs to be considered along with the vertical profile of ionisation. Allowing for, in particular, ionisation by all components of a cosmic ray shower and not just by the muons, reveals that the effect we have detected is certainly not inconsistent with laboratory observations of the LW absorption cross section. The analysis presented here, although very different from that of Erlykin et al., does come to the same conclusion that the events detected by AL were not caused by individual cosmic ray primaries – not because it is impossible on energetic grounds, but because events of the required energy are too infrequent for the 12 h_1 rate at which they were seen by the AL experiment. The present paper numerically models the effect of three different scenario changes to the primary GCR spectrum which all reproduce the required magnitude of the effect observed by AL. However, they cannot solely explain the observed delay in the peak effect which, if confirmed, would appear to open up a whole new and interesting area in the study of water oligomers and their effects on LW radiation. We argue that a technical artefact in the AL experiment is highly unlikely and that our initial observations merit both a wide-ranging follow-up experiment and more rigorous, self-consistent, three-dimensional radiative transfer modelling

Near-infrared Raman spectroscopy to detect anti-Toxoplasma gondii antibody in blood sera of domestic cats: quantitative analysis based on partial least-squares multivariate statistics

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Estudo de propriedades físico-químicas de resinas odontológicas: grau de conversão, dureza e expansão térmica

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Estudo do grau de conversão e dureza em compósitos odontológicos fotopolimerizáveis

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Color tunability in green, red and infra-red upconversion emission in Tm3+/Yb3+/Ho3+ co-doped CeO2 with potential application for improvement of efficiency in solar cells

The preparation of Tm3+/Yb3+/Ho3+ co-doped CeO2 prepared by the precipitation method using ammonium hydroxide as a precursor is presented. By X-ray diffraction the materials show the phase-type of fluorite structure and the crystallite sizes were calculated by the Scherrer's equation. No other phase was observed evincing that the rare earth ions were inserted into the fluorite phase as substitutional or interstitial dopants. The microstrain calculated by the Williamson-Hall method do not show significant changes in their values, indicating that the inclusion of rare earths does not causes structural changes in the CeO2 used as a host matrix. All material showed intense upconversion emission at red and green region under excitation with diode laser at 980 nm. The color of emission changes from green to red with increasing excitation power pump. The materials showed suitable photoluminescent properties for applications as a laser source, solar cells, and great emitter at 800 nm. (C) 2014 Elsevier B.V. All rights reserved.

High temperature infra-red transmission studies of ultrasil fused quartz for Project FIRE /

Photocopy.