فروش پلی آکریل آمید

کاربرد پلی اکریل آمید ( PAM )

• لایه نشانی کوتینگ کاغذ
• خط تولید انواع هیدرو ژل
• منعقد کننده در تصفیه آب و فاضلاب
• عامل ترسیب در صنایع مختلف مانند صنایع نیشکر،‌خالص سازی گل فعال،‌خالص سازی غذا و نوشیدنی­ها
• عامل کنترل کننده انرژی حرکتی در طغیان آب
• ماده افزودنی برای جریان بهتر نفت در چاه­های نفتی
• کمک کننده شکست هیدرولیکی، اسیدی کردن و سایر عملیات مرتبط با استخراج
• افزایش استحکام
• پوشش برای مواد دیگر به جز کاغذ و منسوجات
• مصارف ساختمانی و شهرسازی به منظور تحکیم خاک
• کاربرد در تهیه چسب­ها
• کاهش فرسودگی و بهبود خواص فیزیک خاک
• پلاستیک­ها و افزودنی­ها
• صنایع معدنی به منظور خالص سازی برخی  مواد معدنی مانند آلومینیوم

پلیمر تصفیه فاضلاب چیست؟

در تصفیه فاضلاب ، از پلیمرها برای انعقاد جامدات معلق و تولید کشک های بزرگ از مواد جامد ( لخته ) استفاده می شود. قبل از استفاده باید با آب تا غلظت 0.5٪ رقیق شود.

پلیمرها جامدات را از مایعات از طریق فرآیندی به نام لخته سازی جدا می کنند. با توجه به نام فرآیند، این پلیمرهای محلول در آب خاص را می شنوید که به عنوان فلوکولانت یا لخته ساز پلیمری معرفی می شوند.

توانایی پلیمرها در لخته سازی جامدات نقش اصلی آنها در تصفیه آب است . آنها می توانند به تنهایی موثر باشند و در صورت ترکیب با یک منعقد کننده بسیار تأثیرگذار باشند.

اغلب آب یا فاضلاب فرآیندهای صنعتی شامل رسوبات و ذرات با بار الکتریکی منفی است. بار منفی اطراف هر ذره باعث می شود که آنها به هم نرسند و پراکندگی کلوئیدی ایجاد شود. ذرات باردار منفی برای ساعت‌ها، هفته‌ها و حتی سال‌ها به هم نمی‌آیند و در حالت تعلیق مایع شناور نمی‌شوند. یک مثال ساده آب گل آلودی است که توسط تولیدکنندگان سنگدانه ایجاد می شود که شن و ماسه را می شویند.

منعقد کننده ای که به آب گل آلود اضافه می شود، فرآیند انعقاد ایجاد می کند که بار منفی ذرات را خنثی می کند. پس از خنثی شدن، ذرات می توانند با هم جمع شوند و ذرات بزرگتری به نام لخته های کوچک یا پین لخته تشکیل دهند .

آیا پلیمر لخته ساز است یا منعقد کننده؟

پلیمرها (مواد شیمیایی آلی با زنجیره بلند، با وزن مولکولی بالا) به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرند. اینها را می توان به عنوان کمک منعقد کننده همراه با منعقد کننده های غیر آلی معمولی استفاده کرد. پلیمرهای آنیونی (با بار منفی) اغلب با منعقد کننده های فلزی استفاده می شوند.

چرا پلیمر به لجن اضافه می شود؟

تصفیه خانه های فاضلاب عمدتاً از پلیمرها در فرآیند خشک کردن لجن استفاده می کنند تا به انعقاد قطعات کوچک بیوسولیدها به قطعات بزرگتر کمک کنند. دلیل آن این است که استفاده از ترکیبات مبتنی بر آهن و آلومینیوم باعث تکه تکه شدن جامدات زیستی و مملو از آب می شود.

تجزیه شیمیایی و فتولیتیکی پلی آکریل آمیدهای مورد استفاده در تصفیه آب آشامیدنی

تجزیه شیمیایی و فتولیتیکی پلی‌آکریل آمیدهای مورد استفاده در تصفیه آب آشامیدنی دانشگاه Peiyao Cheng در فلوریدا جنوبی این و کارهای اضافی را در ادامه مطلب دنبال کنید: بخشی از مطالعات آمریکایی. ، “تجزیه شیمیایی و فتولیتیکی پلی آکریل آمیدهای مورد استفاده در تصفیه آب آشامیدنی” (2004). پایان نامه ها و رساله های تحصیلات تکمیلی. این پایان نامه به صورت رایگان و آزاد توسط دانشکده تحصیلات تکمیلی در Scholar Commons برای شما آورده شده است. برای گنجاندن در پایان نامه ها و پایان نامه های تحصیلات تکمیلی توسط یک مدیر مجاز Scholar Commons پذیرفته شده است. برای اطلاعات بیشتر لطفا تماس بگیرید

تخریب شیمیایی و فتولیتیکی پلی آکریل آمیدهای مورد استفاده در تصفیه آب آشامیدنی

توسط Peiyao Cheng پایان نامه ای که برای انجام بخشی از الزامات مدرک کارشناسی ارشد گروه علوم محیطی و سیاست کالج علوم و هنر دانشگاه فلوریدا جنوبی ارائه شده است. استاد ارشد: آدری دی. لوین، دکترای تخصصی دونالد دوک، دکتری. عبدالمالک، دکتری. تاریخ تصویب: 12 نوامبر 2004 کلمات کلیدی: پلی الکترولیت ها، مونومر آکریل آمید، اکسیداسیون، تابش UV، عملکرد لخته سازی کپی رایت 2004، Peiyao Cheng

4.2.1 لخته سازی پلیمری با اکسیداسیون کلر اکسیداسیون پلیمر با اکسیداسیون پرمنگنات

32 نتیجه و بحث در مورد تخریب شیمیایی باقیمانده اکسیدان اکسیدان طیف UV/جذب کل باقیمانده های آکریلامید کربن ارگانیک 6 باقیمانده نیتروژن غیر طبیعی است. مراجع 62 ضمیمه 67 ضمیمه A: تست کل جامدات 68 پیوست B: آزمایش کلر 70 پیوست C: آزمایش پرمنگنات 71 پیوست D: آزمایش آکریل آمید توسط GC-ECD 73 پیوست E: برگه داده ایمنی مواد 76 و پیوست F: نمودارهای 89 ii

6 فهرست جداول جدول 2.1 مسیرهای تخریب پلی آکریل آمیدها 8 جدول 2.2 تخریب پلی آکریل آمیدها در اثر قرار گرفتن در معرض کلر یا ازن 11 جدول 2.3 عوامل موثر بر عملکرد لخته سازی پلیمری آزمایش‌های نیتروژن 28 جدول 3.4 آزمایش‌های باقی‌مانده آکریل آمید 29 جدول 4.1 جدول 4.2 جدول 4.3 مقایسه کاهش باقی‌مانده‌های کلر/پرمنگنات پس از واکنش با سه نمونه PAM (N-3300 P، A-3333 P، و C-3328 برای ساعت‌های C-435) محتوای نیتروژن در سه کلاریفلوک PAM (N 3300 P، A-3333 P و C-3280) قبل و بعد از KMnO 4 (4 میلی گرم در لیتر و 6 میلی گرم در لیتر) و کلر (10 میلی گرم در لیتر و 15 میلی گرم در لیتر) اکسیداسیون به مدت 1 ساعت 48 مقایسه عملکرد لخته سازی PAM ها پلی اکریل آمید ( PAM ) قبل و بعد از اکسیداسیون با کلر آزاد (10 میلی گرم در لیتر) یا پرمنگنات پتاسیم (4 میلی گرم در لیتر) 55 iii

7 فهرست شکل ها شکل 1.1 ساختار پلی آکریل آمیدها. (الف) PAM غیر یونی؛ (ب) کوپلیمر PAM آنیونی. (ج) کوپلیمر کاتیونی ACM و DADMAC 2 شکل 2.1 ساختار آکریل آمید 6 شکل 2.2 هیدرولیز اسیدی مجدد پلی آکریل آمید 9 شکل 2.3 هیدرولیز قلیایی پلی آکریل آمید 9 شکل 3.1 نمودار طرح 3.1 آکریل آمید پس از اکسیداسیون Figure21. 10 میلی گرم در لیتر Clarifloc C-3280 (دوز KMnO 4 در 6 میلی گرم در لیتر) 35 کاهش کلر باقیمانده پس از اکسیداسیون 10 میلی گرم در لیتر Clarifloc N 3300 P, A-3333 P و C-3280 (دوز کلر در 15 میلی گرم /l) 35 سینتیک برای کاهش باقیمانده کلر در 40 دقیقه اول (دوز کلر در 15 میلی گرم در لیتر) 36 شکل 4.4 طیف UV کلاریفلوک N-3300 P (10 میلی گرم در لیتر) 38 شکل 4.5 طیف UV کلاریفلوک A- 3333 P (10 mg/l) 39 شکل 4.6 طیف UV Clarifloc C-3280 (10 mg/l) 39 شکل 4.7 شکل 4.8 شکل 4.9 جذب UV در 195 نانومتر (اندازه گیری شده در نمونه های 5 سانتی متری PAM) تغییر می کند. 10 میلی گرم در لیتر) هنگام قرار گرفتن در معرض 2 میلی گرم در لیتر KMnO 4 40 جذب UV در 195 نانومتر (اندازه گیری شده در سلول 5 سانتی متر) برای نمونه های PAM (10 میلی گرم در لیتر) تغییر می کند. l) هنگام قرار گرفتن در معرض 5 میلی گرم در لیتر کلر آزاد.

8 شکل 4.10 شکل 4.11 شکل 4.12 طیف UV کلاریفلوک C-3280 (10 میلی گرم در لیتر) پس از افزودن 5 میلی گرم در لیتر کلر به مدت 30 دقیقه. , A-3333 P و C-3280) پس از 5 ساعت اکسیداسیون 44 تأثیر دوز KMnO 4 بر محتوای کربن قابل اکسید شدن سه PAM (N 3300 P, A-3333 P و C-3280) پس از 5 ساعت اکسیداسیون 44 شکل 4.13 Acrylamide باقیمانده در 10 میلی گرم در لیتر C-3280 (میزان شده با استاندارد آکریل آمید 10 میکروگرم در لیتر) 45 شکل 4.14 باقیمانده آکریل آمید در 10 میلی گرم در لیتر C-3280 (با 10 میکروگرم در لیتر استاندارد آکریل آمید) پس از قرار گرفتن در معرض 15 میلی گرم در لیتر کلر به مدت 30 دقیقه 46 شکل 4.15 باقیمانده آکریل آمید در 10 میلی گرم در لیتر C-3280 (که با استاندارد آکریل آمید 10 میکروگرم در لیتر مشخص شده است) پس از قرار گرفتن در معرض 6 میلی گرم در لیتر KMnO 4 به مدت 30 دقیقه. 46 شکل 4.16 شکل 4.17. در جذب UV در 195 نانومتر (اندازه‌گیری شده در سلول 5 سانتی‌متری) برای سه PAM در هنگام قرار گرفتن در معرض تابش UV 50 تأثیر تابش UV بر محتوای TOC سه PAM s 50 مقایسه باقیمانده آکریل آمید در 10 میلی گرم در لیتر C-3280 تحت شرایط مختلف (قرار گرفتن در معرض اشعه ماوراء بنفش، کلر، پرمنگنات و ترکیبات آنها) 52 مقایسه مقدار کلر مصرفی در طی اکسیداسیون سه PAM (10 میلی گرم در لیتر) ل) فقط با کلر آزاد (15 میلی گرم در لیتر) و ترکیب آن با تابش اشعه ماوراء بنفش به مدت 30 دقیقه. و ترکیب آن با تابش UV به مدت 30 دقیقه 54 v

شكل F-1 شكل F-2 شكل F-3 شكل F-4 شكل F-5 شكل F-6 شكل F-7 شكل F-8 شكل F-9 شكل F-10 شكل F-11 شكل F-12 كاهش باقیمانده های پرمنگنات هنگام واکنش با محلول های PAM 10 پی پی ام (KMnO 4 با دوز 6 پی پی ام) 89 کاهش باقیمانده های پرمنگنات هنگام واکنش با محلول های PAM 10 پی پی ام (KMnO 4 با دوز 4 پی پی ام) 89 کاهش باقیمانده های پرمنگنات پس از واکنش مجدد با ppm1 (KMnO 4 با دوز 2 پی پی ام) 90

کاهش باقیمانده کلر هنگام واکنش با محلول های PAM 10 پی پی ام (Cl 2 با دوز 10 پی پی ام)

90 کاهش باقیمانده های کلر هنگام واکنش با محلول های PAM 10 پی پی ام (Cl 2 ppm دوز شده در 95) کلر مصرف شده در 30 دقیقه برای سه PAM با و بدون اثرات UV (Cl 2 با دوز 5 ppm) 91 مقایسه کلر مصرف شده در 30 دقیقه برای سه PAM با و بدون اثرات UV (Cl 2 با دوز 10 ppm) 92 مقایسه KMnO 4 مصرف شده در 30 دقیقه برای سه PAM با و بدون اثرات UV (KMnO 4 با دوز 2 ppm) 92 Compa خطر KMnO 4 مصرف شده در 30 دقیقه برای سه PAM با و بدون اثرات UV (KMnO 4 با دوز 6 پی پی ام) 93 کروماتوگرام باقیمانده آکریل آمید در 10 پی پی ام C-3280 (با استاندارد ACM ppb 10) پس از قرار گرفتن در معرض UV برای 30 دقیقه 93 کروماتوگرام باقیمانده آکریل آمید در 10 پی پی ام C-3280 (با استاندارد ACM 10 ppb) پس از قرار گرفتن در معرض اشعه ماوراء بنفش و 6 پی پی ام KMnO 4 به مدت 30 دقیقه و 94 کروماتوگرام باقیمانده آکریل آمید در 10 ppm 10 ppb با ACM3 استاندارد) پس از قرار گرفتن در معرض UV و 15 ppm کلر به مدت 30 دقیقه و 94 vi

10 فهرست اختصارات Adam MeCl AWWA ACM CD CV DADMAC DBP EAD EPA Epi-DMA GC GH LD 50 MS MW MSDS NDMA NOM PAM PATA Py-GC Py-GC-MS SEC TOC UV WHO Ethanaminium N,N-N, -(1-oxo-2-پروپنیل)اکسی، کلرید انجمن کارخانه آب آمریکا آکریل آمید چگالی شارژ کریستال بنفش دی آلیل دی متیل آمونیوم کلرید محصولات جانبی ضد عفونی آشکارساز الکترون گیر آژانس حفاظت از محیط زیست Epichlorohydrin-dimethylamine Gas Chromatate-dimethylamine برگه اطلاعات ایمنی مواد با وزن مولکولی طیف سنج جرمی N-nitrosodimethlylamine ماده آلی طبیعی پلی آکریل آمید پلی آکریل آمید عامل ضخیم کننده پیرولیز گاز کروماتوگرافی پیرولیز- کروماتوگرافی گازی- طیف سنجی جرمی اندازه حذف کروماتوگرافی سازمان جهانی بهداشتی Ultra Organic

تخریب شیمیایی و عکس پلی آکریل آمیدهای مورد استفاده در تصفیه آب آشامیدنی PEYAO CHENG

چکیده پلی آکریل آمیدها (PAMs)

دسته ای از پلیمرها هستند که از آکریل آمید به تنهایی یا کوپلیمر شده با مونومرهای دیگر تشکیل شده اند. PAM ها در تصفیه آب آشامیدنی به عنوان لخته کننده یا منعقد کننده در بالاترین حجم در بین انواع پلیمرها مورد استفاده قرار گرفته اند. در فرآیندهای تصفیه آب آشامیدنی، پلی آکریل آمیدها اغلب در معرض اکسیدان ها (مانند کلر و پرمنگنات) و تابش اشعه ماوراء بنفش نور خورشید یا منابع مصنوعی قرار می گیرند. هدف از این مطالعه ارزیابی تخریب احتمالی PAM ها ناشی از اکسیداسیون شیمیایی و / یا تابش UV است. سه نوع از محصولات PAM (غیر یونی، کاتیونی و آنیونی) تحت اکسیداسیون کلر آزاد و پرمنگنات، تابش اشعه ماوراء بنفش و اثرات ترکیبی آنها مورد مطالعه قرار گرفتند. مشخص شده است که PAM کاتیونی ناپایدارترین پلیمر در بین سه نوع مطالعات نمونه پلیمری بود، با این حال، تنها تخریب جزئی مشاهده شد. باقیمانده آکریل آمید در کاتیونی PAM C-3280 بالاتر از مقدار دستورالعمل ایالات متحده بود و قرار گرفتن در معرض کلر یا پرمنگنات تا حدی منجر به کاهش سطح آکریل آمید شد. تابش اشعه ماوراء بنفش باعث کاهش کل پلیمر نمی شود

محتویات و باقیمانده آکریل آمید

، اما تخریب ناشی از مواد شیمیایی را تسریع کردند. قرار گرفتن در معرض کلر یا پرمنگنات به مدت یک ساعت منجر به کاهش 20-35٪ در عملکرد لخته سازی برای هر نمونه پلیمری شد. قرار گرفتن در معرض زمان کوتاه (5 دقیقه) منجر به از دست دادن عملکرد لخته سازی برای PAM های غیر یونی و آنیونی نشد. با این حال، برای PAM کاتیونی، حتی قرار گرفتن در معرض کوتاه مدت در معرض کلر منجر به از دست دادن عملکرد لخته‌سازی % شد که نشان داد PAM کاتیونی نسبت به اکسیداسیون حساس‌تر است. ix

مقدمه پلیمرهای آلی

بیش از 40 سال است که در تصفیه آب آشامیدنی استفاده می شوند. در سال 1967، اولین پلیمر آلی کاملاً مصنوعی توسط سرویس بهداشت عمومی ایالات متحده برای تصفیه آب آشامیدنی پذیرفته شد (AWWA، 2001). پس از 15 سال، تخمین زده شد که بیش از نیمی از تصفیه خانه های آب در ایالات متحده از یک یا چند پلیمر برای بهبود کارایی تصفیه استفاده می کنند (AWWA Coagulation and Filtration کمیته، 1982). اگرچه هزاران محصول پلیمری پذیرفته شده توسط EPA وجود دارد، اعتقاد بر این است که تعداد ترکیبات مرتبط با آن محصولات کمتر از 20 است که در میان آنها محصولات پلی آکریل آمید بیشترین حجم را به کار می برند (Hanson et al., 1983; Mangravite, 1983). ). پلی آکریل آمیدها (PAMs) خانواده ای از پلیمرها و کوپلیمرها هستند که از نظر شکل محصول، نوع بار، چگالی بار، وزن مولکولی و سایر خواص متفاوت هستند. آنها به طور کلی با پلیمریزاسیون آکریل آمید (ACM) به تنهایی برای تشکیل یک پلیمر غیر یونی، با اسید اکریلیک یا نمک های اسید اکریلیک برای تشکیل یک پلیمر آنیونی، یا با یک مونومر کاتیونی (به عنوان مثال DADMAC) برای تشکیل یک پلیمر کاتیونی تهیه می شوند. PAM های آنیونی را می توان با هیدرولیز قلیایی PAM غیریونی نیز تهیه کرد. ساختار PAM و برخی از کوپلیمرهای آن در شکل 1.1 نشان داده شده است (اقتباس از Bolto، 1995). 1

ساختار پلی آکریل آمیدها.

(الف) PAM غیر یونی؛ (ب) کوپلیمر PAM آنیونی. (ج) کوپلیمر کاتیونی ACM و DADMAC (اقتباس شده از Bolto، 1995) PAM ها در کاربردهای مختلفی مانند انعقاد/لخته سازی آب آشامیدنی و فاضلاب، تهویه خاک، کشاورزی، بازیافت نفت و کاربردهای زیست پزشکی استفاده شده اند. این پایان نامه بر کاربرد آنها در تصفیه آب آشامیدنی تمرکز دارد. در تصفیه آب آشامیدنی، PAM ها معمولاً در طول انعقاد یا لخته سازی اضافه می شوند تا ذرات و مواد آلی طبیعی (NOM) را بی ثبات کنند و با ته نشینی یا فیلتراسیون حذف را تسهیل کنند. PAM های کاتیونی اغلب به عنوان منعقد کننده های اولیه برای افزایش انعقاد و رسوب (یا فیلتراسیون) ذرات با بار منفی در آب طبیعی از طریق 2 استفاده می شوند.

جذب و خنثی سازی بار سطحی

(لترمن و پرو، 1990). PAMهای غیر یونی و آنیونی معمولاً دارای وزن مولکولی بالاتر (یا زنجیره بلندتر) نسبت به PAMهای کاتیونی هستند. آنها اغلب پس از انعقاد اضافه می شوند تا به اتصال ذرات دارای بار مثبت کمک کنند تا از طریق مکانیزمی به نام پل پلیمری، آگلومراهای بزرگتری تشکیل دهند. در تصفیه آب آشامیدنی، همراه با پلی الکترولیت های آلی، از انواع مواد شیمیایی نیز استفاده می شود، از جمله اکسیدان ها (مانند کلر، ازن، پرمنگنات و دی اکسید کلر)، آهک، منعقد کننده های معدنی، فلوراید و بازدارنده های خوردگی. در تصفیه آب های سطحی، اکسیدان ها اغلب قبل از انعقاد (به نام پیش اکسیداسیون) برای درمان مواد معدنی کاهش یافته و ترکیبات مرتبط با طعم و بو اضافه می شوند (لوین و همکاران، 2004). این نگرانی وجود دارد که آن اکسیدان های باقیمانده ممکن است با پلی الکترولیت های آلی اضافه شده برای انعقاد/لخته سازی واکنش دهند و این واکنش ها ممکن است بر عملکرد پلیمرها تأثیر منفی بگذارد و پیش سازهای محصولات جانبی ضد عفونی (DBPs) تولید کنند (لوین و همکاران، 2004). . در بیشتر شرایط، اکسیدان‌ها پس از شفاف‌سازی آب برای ضدعفونی اضافه می‌شوند. یک باقیمانده اکسیدان معمولاً در آب تمام شده برای کنترل رشد باکتری در سیستم های توزیع نگهداری می شود. اگر پلیمرهای باقیمانده وجود داشته باشد، ممکن است واکنش‌هایی با اکسیدان‌های باقیمانده در سیستم توزیع آب رخ دهد و احتمالاً برخی مواد سمی (مانند مونومر آکریل آمید) یا محصولات جانبی ضدعفونی تولید کند. 3

این مطالعه برای ارائه ارزیابی تغییرات پلی آکریل آمیدها و مونومرهای آکریل آمید در طول تصفیه آب طراحی شده است

و نتایج این مطالعه می تواند داده های علمی ارائه دهد که ممکن است در ارزیابی اثربخشی سیاست فعلی مربوط به استفاده از پلی آکریل آمیدها مفید باشد. اهداف خاص این مطالعه عبارتند از: 1) ارزیابی تجزیه شیمیایی پلی آکریل آمیدهای ناشی از کلر و پرمنگنات، بر اساس کاهش باقیمانده اکسیدان و تغییرات احتمالی پلی آکریل آمیدها (کربن آلی کل و طیف/جذب UV) و ناخالصی های آنها (باقی مانده های آکریل آمید). و باقیمانده نیتروژن معدنی)؛ 2) تجزیه نوری پلی آکریل آمیدها با قرار گرفتن در معرض نور خورشید مصنوعی با طیف UV، بر اساس تغییرات کل کربن آلی، جذب UV و باقیمانده های آکریل آمید را بررسی کنید، و همچنین تاثیر UV را بر اکسیداسیون کلر/پرمنگنات PAM ها ارزیابی کنید. 3) ارزیابی تأثیر اکسیدان ها (کلر و پرمنگنات) بر عملکرد لخته سازی پلی آکریل آمیدها، بر اساس نرخ ته نشینی دوغاب کائولن. و 4) ارائه پیشنهادات در مورد انتخاب و استفاده از پلیمرها در تصفیه آب آشامیدنی. 4

پیشینه این فصل به بررسی ویژگی های آکریل آمید و پلیمرهای آن می پردازد.

این فصل خلاصه‌ای را ارائه می‌کند که بر مطالعات قبلی در مورد تخریب پلیمری ناشی از فوتولیتیک و شیمیایی، تغییرات عملکرد مرتبط با تخریب پلیمر، و تجزیه و تحلیل شیمیایی مونومرهای پلی‌اکریلامیدها (PAMs) و آکریل آمید (ACM) تاکید می‌کند. بخش آخر مقررات جاری در مورد محصولات PAM را بررسی می کند. 1. آکریل آمید و پلی آکریل آمیدها آکریل آمید مونومر اصلی پلی آکریل آمیدها است. با این حال، آکریل آمید و پلی آکریل آمیدها خواص کاملاً متفاوتی دارند. این بخش خصوصیات فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی آکریل آمید و پلی آکریل آمیدها را معرفی می کند که برای درک تخریب پلی آکریل آمیدها و مونومرهای آنها بسیار مهم هستند. 1.1 آکریل آمید آکریل آمید یک جامد کریستالی بی بو سفید است که در آب و دیگر حلال های قطبی مانند استون و استونیتریل بسیار محلول است. این شامل دو گروه عاملی اصلی، یک گروه آمید و پیوند دوگانه کربن-کربن وینیلیک است (شکل 2.1) (Caufield et al., 2002). به دلیل وجود پیوند دوگانه با کمبود الکترون، آکریل آمید به طیف وسیعی حساس است از واکنش ها، مانند افزودن های هسته ، دیلز-آلدر، و واکنش های رادیکال (MacWilliams، 1973). CH 2 CH CO NH 2 شکل 2.1 ساختار آکریل آمید (اقتباس از Caufield و همکاران، 2002) آکریل آمید می تواند به طور حاد سمی باشد.

به آسانی با خوردن و استنشاق و از طریق پوست جذب می شود و سپس به طور گسترده در مایعات بدن توزیع می شود

(WHO، 1996). LD 50 خوراکی (دوز کشنده برای نیمی از جمعیت) mg/kg وزن بدن موش و mg/kg وزن بدن برای موش است (Letterman and Pero, 1990). LD 50 پوستی در موش 400 میلی گرم بر کیلوگرم وزن بدن است (WHO، 1996). آکریل آمید همچنین یک نوروتوکسین تجمعی است که می تواند منجر به آسیب عصبی ناشی از قرار گرفتن در معرض مزمن دهان در انسان و حیوانات شود، با اثراتی مانند بی حسی و ضعف در دست ها و پاها (US EPA، 1999). خطر سرطان نیز در جمعیت های انسانی و همچنین در مطالعات انجام شده بر روی موش ها ثبت شده است. بنابراین، آژانس حفاظت از محیط زیست ایالات متحده (EPA) آکریل آمید را به عنوان یک B2، یک سرطان زای احتمالی برای انسان طبقه بندی کرد (US EPA، 1984 و 1993). 1.2 پلی آکریل آمیدها پلی آکریل آمیدها از طریق پلیمریزاسیون شعاعی آزاد آکریل آمید با استفاده از انواع سیستم های شروع (مانند پراکسیدها، پرسولفات ها، زوج های ردوکس و فتوشیمیایی) در محلول های آبی یا پراکندگی تهیه می شوند.

خواص فیزیکی هر محصول پلی آکریل آمید معمولاً متفاوت است.

به عنوان مثال، شکل PAM ها می تواند جامد، امولسیون یا محلول باشد، با وزن مولکولی از هزاران تا بیش از میلیون دالتون. پلی آکریل آمید برای انسان، حیوانات، ماهی یا گیاهان نسبتاً غیر سمی است (Seybold، 1994؛ WHO، 1985). LD 50 خوراکی برای موش‌ها بیشتر از 5000 میلی‌گرم بر کیلوگرم وزن بدن و برای ماهی‌ها بیشتر از 100 میلی‌گرم بر کیلوگرم است (برگه اطلاعات ایمنی مواد در ضمیمه E). در حالی که واکنش آکریل آمید به دلیل پیوند دوگانه کمبود الکترون آن است، پلی آکریل آمیدها به دلیل عدم وجود پیوند دوگانه که با فرآیند پلیمریزاسیون حذف می شود، نسبتاً بی اثر در نظر گرفته می شوند (MacWilliams, 1973). با این حال، پلی آکریل آمیدها بسته به ماهیت پلیمر، ناخالصی های موجود و شرایطی که در معرض آن قرار می گیرند، مستعد انواع فرآیندهای تخریب هستند. به عنوان مثال، گروه آمید در پلی آکریل آمیدها می تواند تحت هیدرولیز و کم آبی قرار گیرد (Caulfield et al., 2002). به طور کلی، واکنش های تخریب غیر قابل برگشت هستند و خواص فیزیکی و شیمیایی پلیمر را تغییر می دهند. محصولات جانبی تخریب نیز نگران کننده هستند زیرا ممکن است با آزاد کردن مونومرهای آکریل آمید یا تشکیل محصولات جانبی ضد عفونی (مانند تری هالومتان ها) از کلر زنی به سمیت کمک کنند. 2. تخریب پلی آکریل آمیدها پنج مسیر اصلی تخریب برای پلی آکریل آمیدها وجود دارد: تجزیه حرارتی، فتولیتیک، بیولوژیکی، شیمیایی و مکانیکی.

مکانیسم این مسیرهای تخریب توسط کالفیلد و همکاران بررسی شده است.

(2002) و در جدول 2.1 خلاصه شده است. تخریب شیمیایی و ناشی از عکس تمرکز این پایان نامه است و در اینجا مورد بحث قرار می گیرد. جدول 2.1 مسیرهای تخریب پلی آکریل آمیدها (Caufield et al., 2002) مسیرهای تخریب حرارتی فوتولیتیک شیمیایی بیولوژیکی مکانیکی تا 200 درجه سانتیگراد: بریدگی پیوند نسبتاً پایدار از جذب تابش UV هیدرولیز اسیدی هیدرولیز اسیدی هیدرولیز مجدد بیولوژیکی از گروه آمید (یعنی 200 درجه سانتیگراد تا 300 درجه سانتیگراد: واکنش برگشت ناپذیر گروه عاملی آمید افزودن O 2 در طول تابش اشعه ماوراء بنفش (فتواکسیداسیون) هیدرولیز پایه برش بالا، بار مکانیکی مستقیم، هم زدن) دمای > 300 درجه سانتیگراد: تجزیه آمید آزاد ناشی از شیمیایی، بریدگی زنجیره اصلی تجزیه رادیکال بریدگی پیوند تصادفی (یعنی H 2 O 2، K 2 S 2 O 8 ) 2.1 تجزیه شیمیایی پلی آکریل آمیدها در تصفیه آب پلی اکریل آمید ( PAM ) ، انواع مواد شیمیایی ممکن است به موازات پلی الکترولیت ها از جمله اکسیدان ها (مانند کلر، کلرامین، اوزون) استفاده شوند. پرمنگنات، پراکسید)، منعقد کننده ها (به عنوان مثال آلوم، سولفات آهن)، مواد شیمیایی برای تنظیم ph (به عنوان مثال آهک، سود سوزآور، خاکستر سودا، اسید سولفوریک)، فلوراید و بازدارنده های خوردگی این مواد شیمیایی، به ویژه اکسیدان ها، ممکن است با باقی مانده های پلی الکترولیت موجود در آب واکنش داده و منجر به تخریب آنها شود. ph 8 همچنین بر سرعت و میزان تخریب پلیمر تأثیر می گذارد (Soponkanaporn and Gehr, 1989). در شرایط اسیدی یا بازی، پلی آکریل آمیدها به هیدرولیز حساس هستند.

واکنش هیدرولیز اسیدی

شامل افزودن هسته دوست آب به آمید پروتونه شده و به دنبال آن حذف NH 3 است. برای تشکیل یک باقیمانده اسید اکریلیک، سپس یک پروتون توسط NH 2 – از باقی مانده اسید اکریلیک حذف می شود تا آنیون کربوکسیلات و آمونیاک پایدارتر تشکیل شود (Caulfield et al., 2002). اعتقاد بر این است که تنها گروه آمیدی PAM ها در طی هیدرولیز اسیدی یا بازی تغییر می کند، در حالی که کاهش وزن مولکولی مشاهده نشده است. شکل 2.2 هیدرولیز اسیدی پلی آکریل آمید (اقتباس از Caulfield و همکاران، 2002) شکل 2.3 هیدرولیز قلیایی پلی آکریل آمید (اقتباس از Caulfield و همکاران، 2002) 9

22 تخریب پلی آکریل آمیدهای ناشی از کلر و ازن مطالعات گسترده ای انجام شده است. مقایسه یافته های تحقیق در جدول 2.2 ارائه شده است. Soponkanaporn و Gehr (1987) از کروماتوگرافی حذف اندازه برای بررسی تخریب پلی آکریل آمید کاتیونی توسط ازن استفاده کردند. گزارش شد که وزن مولکولی پلیمرها پس از قرار گرفتن در معرض ازن به مدت 10 دقیقه از حدود 6 میلیون به کمتر از 1 میلیون کاهش یافت. تخریب یک PAM کاتیونی (1 تا 100 میلی گرم در لیتر) با قرار گرفتن در معرض هر دو کلر (20 میلی گرم در لیتر) و ازن (3 میلی گرم در لیتر) در سطوح PH از 3 تا 9 بیشتر مورد مطالعه قرار گرفت (Gehr and Soponkanaporn, 1990). ). در تمام آزمایشات از آب دوبار تقطیر استفاده شد. پلی اکریل آمید ( PAM ) اکسیداسیون کلر و ازن هر دو منجر به کاهش وزن مولکولی پلیمر، بدون از دست دادن قابل توجه کربن آلی کل (TOC) و نیتروژن کل (TN) شدند. این نتیجه توسط لوین و همکاران تایید شد. (2004) که تجزیه دو پلی آکریل آمید را مورد مطالعه قرار داد و دریافت که کلر کمترین تأثیر را بر کل کربن آلی دارد. تولید محصولات جانبی سمی (یعنی آکریل آمید، کلروفرم) در طی تجزیه پلیمر نیز به یک نگرانی اضافی اما مهم تبدیل شده است. مطالعات نشان داده اند که مونومرهای آکریل آمید در طی تجزیه PAM با کلر و ازن تولید نمی شوند. در واقع، اکسیداسیون منجر به کاهش غلظت باقیمانده آکریل آمید شد (Gehr and Soponkanaporn, 1990). نتیجه با نتایج Mallevialle و همکاران مطابقت دارد. 10

ازن زنی آکریل آمید

به تنهایی و آکریل آمید را در یک PAM آنیونی مطالعه کرد. حذف مونومرهای آکریل آمید سریع بود، با ضریب سرعت واکنش مرتبه اول در -0.14 در دقیقه. تشکیل کلروفرم در طول کلرزنی تشخیص داده شد و غلظت با افزایش غلظت پلی الکترولیت و زمان انکوباسیون افزایش یافت (Gehr and Soponkanaporn, 1990). مطالعه دیگری در مورد تشکیل کلروفرم از یک PAM کاتیونی نشان داد که سرعت و میزان واکنش پلیمر با افزایش ph و دما افزایش می‌یابد (Gehr and Soponkanaporn, 1989). N-nitrosodimethlylamine (NDMA) یک سرطان‌زای حیوانی شناخته شده با LD 50 خوراکی با 58 میلی‌گرم بر کیلوگرم برای موش‌ها است (NDMA Material Safety Data Sheet، 2004). گزارش شده است که پیری محلول ذخیره ای Epi-DMA (اپی کلروهیدرین-دی متیل آمین) منجر به افزایش تولید NDMA طی یک دوره 5 ساعته می شود (کوهوت و اندروز، 2003). 2.2 تخریب نوری پلی آکریل آمیدها اعتقاد بر این است که تخریب نوری پلی آکریل آمیدها یک فرآیند رادیکال آزاد است که ممکن است منجر به شکاف ستون فقرات پلیمری (بریدگی زنجیره ای)، اتصال عرضی، معرفی گروه های عاملی جدید و تشکیل محصولات با وزن مولکولی پایین تر شود (Reddy, et. همکاران، 1994؛ کالفیلد و همکاران، 2002). کالفیلد و همکاران (2003) پایداری پلی آکریل آمیدهای خطی را تحت شرایط حرارتی و تابش مطالعه کرد. مشخص شد که PAM ها در زیر نورهای فلورسنت پایدار هستند و 12 قابل تشخیص را آزاد نمی کنند

سطح آکریل آمید در دمای 95 درجه سانتیگراد، اگرچه هیدرولیز گروه های آمیدی زنجیره جانبی به گروه های اسیدی در طول تخریب آبی حرارتی مشاهده شد.

تحت تابش UV در 254 نانومتر، سطوح کمی از آکریل آمید آزاد شده (به طور کلی کمتر از 50 قسمت در میلیون واحد تکرار مونومر در پلیمر) و افت ویسکوزیته مشاهده شد. نتیجه گیری شد که آکریل آمید آزاد شده به دلیل بریدگی زنجیره است، نه باز شدن زیپ زنجیره پلیمری. اسمیت و همکاران (1996 و 1997) تخریب یک عامل غلیظ کننده پلی آکریل آمید (PATA)، فرموله شده بدون و با علف کش سورفکتانت گلیفوسیت (GH)، در نمونه های آب مقطر-دیونیزه، آب سطحی و آب زیرزمینی را بررسی کردند. در دمای کنترل شده آزمایشگاهی (4، 25 و 37 درجه سانتیگراد) و شرایط نور (طول موج بین 300 تا 700 نانومتر) و در محیط بیرون، مشخص شد که وجود GH یا آکریل آمید و/یا پلی آکریل آمید را از تخریب محافظت می کند یا باعث تخریب پلی آکریل آمید می شود. به آکریل آمید آنها پیشنهاد کردند که GH ممکن است به عنوان یک کروموفور عمل کند، تابش عکس را جذب کرده و انرژی را به پلی آکریل آمید منتقل کند، در نتیجه پیوندهای CC را در پلیمر بشکند. با این حال، نتایج آنها توسط سایر محققان به چالش کشیده شده است. Vers (1999) آزمایشاتی را تحت شرایط تخریب مشابه انجام داد اما نتایج متفاوتی از اسمیت یافت. Vers نتیجه گرفت که پلی آکریل آمید نمی تواند در حضور نور خورشید یا علف کش گلایفوسات یا هر ترکیبی از آنها به مونومرهای آکریل آمید تجزیه شود. وی به 13 مورد اشاره کرد

26 نقص روش های مورد استفاده توسط اسمیت و همکاران.

برای تجزیه و تحلیل آکریل آمید، مانند وضوح ضعیف بین مونومر آکریل آمید و اسید اکریلیک، و این کمبودها ممکن است به نتایج گمراه کننده آنها کمک کرده باشد.

کی شومیکر و همکاران (1998) همچنین قابلیت اطمینان نتایج قبلی در مورد تجزیه پذیری پلی آکریل آمید به مونومر آن توسط اسمیت و همکاران (1996 و 1997) را زیر سوال برد. مطالعه آنها نشان داد که تابش اشعه ماوراء بنفش پلی آکریل آمید آنیونی با وزن مولکولی بالا منجر به کاهش وزن مولکولی پلیمر می شود. با این حال، هیچ مدرکی مبنی بر وجود آکریل آمید وجود نداشت زیرا PAM تحت درمان با اشعه ماوراء بنفش قادر به حمایت از رشد باکتری ها نبود (مونومر آکریل آمید می تواند به عنوان تنها پلی اکریل آمید ( PAM ) منبع کربن برای رشد باکتری ها عمل کند). نتایج آنها نشان می دهد که آکریل آمید در طی تخریب پلی آکریل آمید تحت تابش UV تشکیل نشده است. نتایج اسمیت و همکاران (1996 و 1997) توسط سایر محققان نیز به چالش کشیده شد: بولونیا و همکاران. (1999) پیشنهاد کردند که اگر پلیمریزاسیون اتفاق بیفتد، غلظت آکریل آمید مشاهده شده به طور قابل توجهی بالاتر از آنچه توسط اسمیت و همکاران (1996 و 1997) ادعا شده بود خواهد بود. همچنین پیشنهاد شد که بازسازی پیوند دوگانه در آکریل آمید از PAM ها از نظر ترمودینامیکی امکان پذیر نیست. به طور خلاصه، به طور کلی پذیرفته شده است که تابش اشعه ماوراء بنفش می تواند منجر به کاهش وزن مولکولی پلی آکریل آمیدها شود، با این حال، هنوز در مورد امکان تجزیه پلی آکریل آمیدها به مونومر آکریل آمید اختلاف نظر وجود دارد، که باید بیشتر توضیح داده شود. 14

27 3. عملکرد لخته سازی عملکرد یک لخته ساز را می توان از نظر میزان پلی اکریل آمید ( PAM ) ته نشینی، شفافیت، حجم رسوب، یا مصرف لخته ارزیابی کرد که تحت تأثیر تعامل پیچیده بین تعدادی از عواملی است که در جدول 2.3 خلاصه شده است. جدول 2.3 عوامل موثر بر عملکرد لخته سازی پلیمری (اقتباس شده از Owen et al., 2002; Farrow and Swift, 1996) قدرت یونی اندازه ذرات ph خواص دوغاب غلظت و شدت جامد، ترکیب محلول سطح سطح بار سطح بار چگالی شارژ، وزن فلوکولار، شکل تابعی جنبه دینامیکی قدرت و مدت هم زدن تعدادی از نویسندگان رابطه بین عملکرد لخته سازی و خواص فیزیکی پلی الکترولیت ها، به ویژه وزن مولکولی و چگالی بار را بررسی کرده اند. برای PAM کاتیونی، خنثی سازی بار به عنوان مکانیسم لخته سازی غالب پیشنهاد شده است، به این معنی که افزایش چگالی بار یک پلیمر کاتیونی منجر به عملکرد لخته سازی بهتر می شود (Tiravanti et al., 1985; Mabire et al., 1983). با این حال، نتیجه گیری آنها توسط سایر محققان به چالش کشیده شده است: اسمیت-پالمر و همکاران. (1994) عملکرد لخته سازی یک سری از PAMهای کاتیونی را با استفاده از نرخ ته نشینی کائولن مورد مطالعه قرار داد. 15 بود

دریافتند که نرخ ته نشینی با چگالی بار رابطه معکوس دارد، که نشان می دهد پل زدن می تواند نقش مهمی در مکانیسم لخته سازی داشته باشد.

این نتیجه توسط گیل و هرینگتون (1986) پشتیبانی شد، آنها به این نتیجه رسیدند که چگالی بار یک عامل تعیین کننده نیست، اما پل زدن مکانیسم غالب است، و تفاوت در سرعت ته نشینی باید به دلیل تفاوت های کوچک در وزن مولکولی باشد. عامل دیگری که مورد بحث قرار گرفته است، قدیمی شدن محلول های سهام PAM (به طور کلی در دوره های چند هفته یا ماه) است. Shyluk و Stow (1969) مشاهده کردند که کاهش ویسکوزیته محلول پلی آکریل آمید در طول زمان می تواند به عنوان یک فرآیند دو مرحله ای، با کاهش سریع اولیه (حدود 15 روز) و به دنبال آن کاهش آهسته و پیوسته توصیف شود. آنها همچنین گزارش دادند که افزایش سن توانایی پلیمر در لخته سازی سوسپانسیون کائولین را کاهش می دهد. توضیحات مکانیسم فرآیند پیری به گسستگی پلیمر (گاردنر و همکاران، 1978)، تغییرات ساختار (کلین و وسترکمپ، 1981؛ کولیکه و نیوسکه، 1981)، وجود میکروارگانیسم‌ها یا رادیکال‌های آزاد (هاس و مک دونالد) نسبت داده شده است. ، 1972). داده های محدودی در مورد تأثیر اکسیدان ها بر عملکرد لخته سازی PAM در دسترس است. Gehr و Soponkanaporn (1990) گزارش کردند که کلر بازده لخته سازی یک PAM کاتیونی را در یک قرار گرفتن در معرض 10 دقیقه اندکی کاهش داد و ازن غلظت موثر پلیمر را به طور قابل توجهی در چند دقیقه اول کاهش داد و سپس غلظت ثابت باقی ماند. 16

تأثیر کلر، پرمنگنات، اشعه ماوراء بنفش و ترکیبات آنها را بر بازده لخته سازی یک پلی اکریل آمید ( PAM ) غیریونی بر اساس کدورت آب تمام شده و آزمون زمان تا فیلتر مطالعه کرد.

گزارش شده است که تابش اشعه ماوراء بنفش منجر به تغییر کدورت قابل توجهی نمی شود، اما کلر، پرمنگنات و کلر همراه با قرار گرفتن در معرض اشعه ماوراء بنفش همگی منجر به کاهش عملکرد با اندازه گیری کدورت باقیمانده می شوند. با این حال، آزمایش زمان تا فیلتر نشان داد که قرار گرفتن در معرض اشعه ماوراء بنفش و/یا کلر یا پرمنگنات منجر به بهبود قابلیت فیلترپذیری سوسپانسیون می‌شود که نشان می‌دهد ذرات بزرگ‌تر ممکن است از لخته‌سازی پلیمری تشکیل شده باشند که گرفتگی و مقاومت کمتری را در برابر جریان از طریق آن ایجاد می‌کنند. منافذ را فیلتر کنید 4. تجزیه و تحلیل شیمیایی تعیین سرنوشت نهایی پلیمرهای مورد استفاده در تصفیه آب مهم است. تعدادی از رویکردها برای ردیابی باقی مانده های پلیمری در آب مورد مطالعه قرار گرفته است. یک رویکرد استفاده از تیتراسیون کلوئیدی در برابر یک الکترولیت با بار مخالف، با استفاده از رنگ‌ها (وانگ و شوستر، 1975؛ پارازاک و همکاران، 1987) یا با ترکیبات فلورسنت (تاناکا و ساکاموتو، 1993) به عنوان شاخص است. با این حال، این روش به ویژه حساس نیست، با محدودیت های تشخیص پایین تر از 0.5 تا 1 میلی گرم در لیتر. یک تغییر در این موضوع برای لخته‌سازهای کاتیونی اندازه‌گیری جذب نور در طول موج 680 نانومتر به دنبال افزودن تدریجی یک محلول استاندارد از یک ترکیب o,o-dihydroxyazo است که با پلیمر 17 ارتباط برقرار می‌کند.

30 (Kirie et al., 1986). Masadome (2003) همچنین روش مشابهی را با استفاده از کریستال ویوله (CV) به عنوان شاخص و اندازه گیری تغییر جذب در 590 نانومتر توسط یک اسپکتروفتومتر معمولی گزارش کرد. روش مشابه دیگر نظارت بر کدورت با افزودن اسید تانیک برای رسوب دادن پلیمر است (آتیا و روبیو، 1975). روش‌های دیگری نیز برای توصیف پلی‌الکترولیت‌های مصنوعی ایجاد شده‌اند. Goppers و Straub (1976) از کروماتوگرافی لایه نازک برای تشخیص پلیمر و مونومر باقی مانده مرتبط با پلی آکریل آمید کاتیونی استفاده کردند. پلی اکریل آمید ( PAM ) کروماتوگرافی حذف اندازه (SEC) برای تعیین وزن مولکولی و توزیع وزن مولکولی پلیمرها استفاده شده است. برای تعیین مقادیر کمی از پلی آکریل آمید نیمه هیدرولیز شده آنیونی (Belzley، 1985)، پلی آکریل آمید غیر یونی باقیمانده در لجن آلوم (Keenan et al., 1998) و پلی آکریل آمیدهای کاتیونی با وزن مولکولی بالا (Soponkanaporn،19 و 178) استفاده شده است. . الکتروفورز ژل نیز به عنوان ابزاری برای تعیین توزیع وزن مولکولی پلی الکترولیت مصنوعی با زنجیره بلند استفاده شده است (اسمیسک و هوگلند، 1990). ادعا شد که الکتروفورز ژل دارای مزیت وضوح بالاتر و محدوده وزن مولکولی بسیار گسترده‌تر نسبت به SEC آبی است، با حد بالای اندازه زنجیره که بسیار بالاتر از وزن مولکولی هر پلیمر مصنوعی با اهمیت تجاری است. عیب این روش این است که فقط برای پلیمرهای باردار قابل استفاده است، در حالی که SEC را می توان برای پلیمرهای غیر یونی نیز اعمال کرد. 18

کروماتوگرافی گازی پیرولیز (Py-GC)

یا کروماتوگرافی گازی پیرولیز- طیف سنجی جرمی (Py-GC-MS) بیش از 30 سال است که یک تکنیک مهم در شناسایی پلیمرهای مصنوعی، هم از نظر کیفی و هم از نظر کمی، بوده است علاوه بر شناسایی ترکیب، پیرولیز همچنین برای کشف ساختار کوپلیمرها و مطالعه منظم بودن هموپلیمرها مورد استفاده قرار گرفت (وانگ، 1999). بلک و همکاران (1966) از Py-GC-MS پس از جداسازی توسط SEC برای تجزیه و تحلیل کوپلیمر با وزن مولکولی بالا، چگالی بار کم (CD) آکریل آمید و آکریلات سدیم استفاده کرد.

تجزیه و تحلیل ناخالصی های پلیمری مانند باقی مانده های آکریل آمید نیز بسیار مهم است

روش های فعلی مورد استفاده برای تجزیه و تحلیل باقیمانده آکریل آمید شامل کروماتوگرافی مایع با کارایی بالا با آشکارساز UV (Vers, 1999)، کروماتوگرافی گازی و به دنبال آن آشکارساز جذب الکترون (ECD) (بولونیا و همکاران، 1999) یا طیف سنج جرمی (MS) (Oho) است. و همکاران، 2003). 5. مقررات مربوط به استفاده از پلی آکریل آمیدها در حال حاضر، طیف گسترده ای از پلی الکترولیت ها موجود است و وجود مونومر واکنش نداده باعث نگرانی شده است، به ویژه مونومرهای آکریل آمید و اپی کلروهیدرین که برای انسان و حیوانات سمی هستند. به دلیل این نگرانی ها، سوئیس و ژاپن استفاده از پلی الکترولیت ها از جمله پلی آکریل آمید را در تصفیه آب آشامیدنی مجاز نمی دانند (لترمن و پرو، 1990). کشورهای دیگر، مانند ایالات متحده و بریتانیا، محدودیت هایی را برای سطوح آلاینده و دوز مصرف تعیین می کنند. 19

در ایالات متحده، هنگامی که محصولات PAM در تصفیه آب آشامیدنی استفاده می شود،

ترکیب مونومر و دوز نباید از 0.05٪ (از نظر وزن پلیمر فعال) مونومر آکریل آمید با دوز 1 ppm (40 CFR)، که مربوط به حداکثر غلظت نظری 0.5 میکروگرم در لیتر مونومر در آب. در مقایسه با ایالات متحده، انگلستان دارای مقادیر دستورالعمل بسیار سخت گیرانه تری است: هیچ واحدی نمی تواند حاوی بیش از 0.02 درصد مونومر آکریل آمید آزاد بر اساس محتوای ماده فعال باشد، و دوز آن نباید به طور متوسط ​​از 0.25 ppm بیشتر باشد و هرگز از 0.50 ppm ماده فعال تجاوز نکند. مواد تشکیل دهنده (BS EN 1407:1998 و BS EN 1410:1998). با این حال، این مقررات تنها بر کیفیت خود محصولات متمرکز است تا کیفیت آب نهایی. پلی اکریل آمید ( PAM ) پس از ورود به سیستم آب آشامیدنی، PAMها و مونومرها می‌توانند تحت واکنش‌های مختلفی قرار گیرند (همانطور که در بخش‌های قبلی توضیح داده شد)، که ممکن است منجر به افزایش یا کاهش در باقیمانده‌های آکریل آمید شود. هیچ یک از این مقررات تغییرات بالقوه باقیمانده ACM در سیستم های تصفیه و توزیع آب را در نظر نمی گیرد. علاوه بر این، هیچ دستورالعمل علمی برای انتخاب محصولات پلیمری در تصفیه آب وجود ندارد. محصولات پلی الکترولیت اغلب به صورت تجربی بر اساس عملکرد و هزینه در مقیاس رومیزی انتخاب می شوند و تخریب احتمالی پلیمرها در طول تصفیه و توزیع معمولاً در نظر گرفته نمی شود. بنابراین، ارزیابی تجزیه پلیمرها در سیستم تصفیه آب ضروری است که به انتخاب و استفاده از محصولات پلیمری در تصفیه آب آشامیدنی کمک می کند. 20

33 روش ها و مواد این فصل روش های تجربی بکار رفته برای این تحقیق را تشریح می کند. سه بخش عمده در این فصل وجود دارد: تجزیه شیمیایی PAM، تجزیه UV PAM، و تست های عملکرد لخته سازی. اثر ترکیبی UV و اکسیدان های شیمیایی بر باقیمانده های آکریل آمید و باقی مانده های اکسیدان نیز مورد ارزیابی قرار گرفت که در دو بخش اول گنجانده شد. نموداری از کل طرح آزمایشی در شکل 3.1 نشان داده شده است. تجزیه شیمیایی PAM تخریب شیمیایی (اکسیدان ها) توسط UV ترکیبی UV با اکسیدان باقیمانده اکسیدان TOC، طیف UV ACM باقیمانده عملکرد لخته سازی نیتروژن معدنی عملکرد لخته سازی نیتروژن معدنی شکل 3.1 نمودار طرح آزمایشی 1. سه محصول پلی آکریل آمید از پلی آکریل آمید در این مطالعه انتخاب شدند.

تحقیق و بررسی پلی اکریل آمید ( PAM )

برخی از خصوصیات پلیمرها مانند نام تجاری پلیمر، شکل، وزن مولکولی، نوع بار، چگالی بار، و اجزای اصلی، توسط سازنده ارائه شده است، و در جدول 3.1 فهرست شده است. هر سه پلیمر انتخاب شده به دلیل محتوای بالای پلیمر فعال در مقایسه با فرم های امولسیونی یا محلول به صورت پودر بودند. سایر خواص این سه پلیمر با یکدیگر متفاوت است. به عنوان مثال، آنیونی A-3333 P دارای بالاترین وزن مولکولی (MW) میلیون دالتون است، در حالی که کاتیونی C-3280 دارای کمترین MW با 4-6 میلیون دالتون است. هر سه پلیمر انتخاب شده نشان دهنده سه نوع PAM از نظر شارژ و جزء هستند. قبل از انجام آزمایش‌ها، محلول‌های استوک پلیمری 0.1 درصد (بر اساس کل جامدات) ساخته شد. برای این مطالعه، ماتریس آب مورد استفاده، آب نانو خالص تولید شده توسط یک سیستم تصفیه آب آزمایشگاهی Millipore بود. قبل از ساخت محلول های ذخیره، کل جامدات سه پلیمر با خشک کردن مقدار مشخصی از پلیمر (به عنوان مثال 0.5 گرم) در اجاق با دمای 105 تا 110 درجه سانتیگراد به مدت 3 ساعت و اندازه گیری اختلاف وزن قبل و بعد از خشک شدن مورد آزمایش قرار گرفت (پیوست A). ). سپس پلیمرها را در آب گرم (25 تا 35 درجه سانتیگراد) با هم زدن حل کردند تا محلولهای آبی 0.1 درصد بر اساس جامدات کل تشکیل شود (مثلاً برای 90 درصد جامدات کل، 1.11 گرم پلیمر در 1 لیتر آب حل می شود). محلول های کاری پلیمری 10 میلی گرم در لیتر از محلول های 0.1 درصد برای آزمایش های بیشتر ساخته شد. اگرچه سطوح پایین‌تری از PAMs (معمولاً کمتر از 1 میلی‌گرم در لیتر) معمولاً در تصفیه‌خانه‌های آب استفاده می‌شود، در این مطالعه، غلظت 10 میلی‌گرم در لیتر برای اکثر آزمایش‌ها به دلیل حساسیت کم روش‌های تحلیلی اتخاذ شد. 22

35 جدول 3.1 ویژگی های پلیمر (Polydyne Inc., 2004) نام تجاری پلیمر Clarifloc N-3300 P Clarifloc A-3333 P Clarifloc C-3280 فرم پلیمر پودر سفید پودر سفید پودر سفید وزن مولکولی پودر سفید پودر سفید وزن مولکولی، Daltons نوع مول بار شارژ 8 درصد، ~ 10 میلیون خنثی 0 12 ~ 16 میلیون آنیونی 30 درصد 4 ~ 6 میلیون کاتیونی 55 درصد جزء اصلی آکریل آمید هموپلیمر آکریل آمید و کوپلیمر آکریلات سدیم آکریل آمید و کوپلیمر آدام MeCl* * Adam MeCl: Ethanaminium N,N-2-N-t 1-oxo-2-propenyl)oxy، کلرید. 2. اکسیداسیون شیمیایی پلی آکریل آمیدها در این مطالعه از دو نوع اکسیدان شیمیایی از کلر آزاد و پرمنگنات پتاسیم استفاده شد. تخریب محصولات PAM از طریق چندین آزمایش، از جمله ارزیابی باقیمانده‌های اکسیدان، طیف/جذب UV، کربن آلی کل (TOC)، باقی‌مانده‌های آکریل آمید، و باقی‌مانده‌های نیتروژن معدنی مورد ارزیابی قرار گرفت. تغییرات باقیمانده های اکسیدان به عنوان یک شاخص غیرمستقیم برای حضور و درجه واکنش های رخ داده بین اکسیدان ها و پلیمرها مورد استفاده قرار گرفت، زیرا تشخیص مستقیم تغییرات ساختار پلیمری به تکنیک های بسیار پیشرفته تری نیاز دارد (مانند Py-GC-MS). آزمون‌های طیف/جذب TOC و UV برای ارزیابی تغییرات محتویات کل پلیمر مورد استفاده قرار گرفت، به عنوان مثال، کاهش سطح TOC به این معنی است که مقداری از کربن آلی به شکل معدنی تبدیل می‌شود.

تغییر باقیمانده پلی اکریل آمید ( PAM ) در محلول پلیمری به دلیل سمیت آن یک نگرانی بزرگ است.

در حالی که نیتروژن معدنی، مانند آمونیاک-n، به عنوان یک شاخص برای هیدرولیز پلیمر استفاده شد. نمونه ها در سه تکرار مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفتند. 2.1 آزمایش کلر آزاد باقیمانده اکسیدان تقریباً 1000 میلی گرم در لیتر محلول استوک کلر از سفید کننده تجاری 6 درصد تهیه شد و غلظت آن در برابر محلول استاندارد تیوسولفات سدیم N (Hach) بر اساس روش های استاندارد 4500-Cl G (روش های استاندارد برای) استاندارد شد. بررسی آب و فاضلاب، 1377). در این آزمایش، دوزهای کلر 5، 10 و 15 میلی گرم در لیتر به عنوان Cl 2 برای دستیابی به نسبت های جرمی کلر به پلیمر 0.5، 1.0 و 1.5 بود. شرایط آزمایشی دقیق در جدول 3.2 آورده شده است. جدول 3.2 شرایط آزمایشی برای آزمایش های باقیمانده اکسیدان دوز پلیمرها، نام mg/l Cl 2، mg/l اکسیدان KMnO 4، mg/l زمان قرار گرفتن در معرض، ساعت N-3300 P 10 5، 10، 15 2، 4، 6 5 A- 3333 P 10 5, 10, 15 2, 4, 6 5 C , 10, 15 2, 4, 6 5 مقدار 200 میلی لیتر از هر محلول پلیمری 10 میلی گرم در لیتر در یک فلاسک شیشه ای 250 میلی لیتری قرار داده شد و مقدار مشخصی محلول استوک کلر به فلاسک اضافه شد. ظروف شیشه ای مورد استفاده در این مطالعه با اسید شسته شده بودند. مقدار 20 میلی لیتر بلافاصله پس از اختلاط برای ارزیابی باقیمانده کلر اولیه با استفاده از روش تیتراسیون ید (پیوست B) برداشته شد. در این روش از محلول استاندارد تیوسولفات سدیم با نشاسته 24 استفاده می شود

37 شاخص برای تیتر کردن ید آزاد آزاد شده از ید پتاسیم اضافی توسط کلر (روشهای استاندارد برای بررسی آب و فاضلاب، 1998). سپس فلاسک با یک درپوش شیشه ای پوشانده شد و با فویل آلومینیومی مهر و موم شد تا از تأثیر احتمالی اشعه ماوراء بنفش جلوگیری شود. فلاسک را روی شیکر مکانیکی قرار داده و به مدت 5 ساعت با دور 200 تکان داد. در فواصل زمانی مشخص، نمونه های 10 میلی لیتری برای آزمایش باقیمانده کلر برداشته شد. پس از یک زمان واکنش پلی اکریل آمید ( PAM ) 5 ساعته، واکنش با افزودن 2-3 قطره محلول تیوسولفات سدیم 0.1 مولار متوقف شد. از زمان تماس 5 ساعته استفاده شد تا در صورت امکان واکنش ها به تعادل برسند. 2.2 تست پرمنگنات پتاسیم باقیمانده اکسیدان 1000 میلی گرم در لیتر محلول ذخیره KMnO 4 با وزن 0.1 میلی گرم پودر KMnO 4 (فیشر) و حل شدن در 100 میلی لیتر آب نانو خالص ساخته شد. دوزهای پرمنگنات مورد استفاده برای اکسیداسیون محلول پلیمری 10 میلی گرم در لیتر 2، 4 یا 6 میلی گرم در لیتر به عنوان KMnO 4 بود (جدول 3.2). روش شرح داده شده در بخش قبل (اکسیداسیون کلر) دنبال شد و تغییر باقیمانده پرمنگنات با گذشت زمان مورد ارزیابی قرار گرفت. غلظت پرمنگنات پتاسیم به طور مستقیم با اندازه گیری جذب آن در 525 نانومتر با استفاده از اسپکتروفتومتر (HACH DR 4000U) تعیین شد، زیرا غلظت آن نسبت مستقیمی با جذب اندازه گیری شده در 525 نانومتر دارد. روش تفصیلی در ضمیمه C. 25 توضیح داده شده است

2.3 کل کربن آلی و طیف/جذب UV کل کربن آلی (TOC) محلول های PAM (10 میلی گرم در لیتر) با استفاده از آنالایزر توتال کربن آلی Sievers مورد آزمایش قرار گرفت.

اندازه گیری TOC بر اساس ارزیابی جرم دی اکسید کربن تولید شده از اکسیداسیون مواد آلی توسط جفت شدن تابش UV و اکسیداسیون پرسولفات آمونیوم در شرایط اسیدی است (لوین و همکاران، 2004). برای هر اندازه‌گیری، حدود 30 میلی‌لیتر از نمونه در یک ویال 40 میلی‌لیتری 29×81 میلی‌متری با درپوش پیچی با پوشش تفلون قرار داده شد و سپس در دستگاه نمونه‌بردار خودکار قرار داده شد. پارامترهای تست با استفاده از یک سیستم کامپیوتری برنامه ریزی شدند. برای ارزیابی تاثیر اکسیداسیون بر محتوای کربن آلی پلی آکریل آمیدها، محتوای TOC سه PAM (محلول 10 میلی گرم در لیتر) قبل و بعد از اکسیداسیون با کلر در 5، 10، 15 میلی گرم در لیتر و پرمنگنات پتاسیم در 2، 4 مورد آزمایش قرار گرفت. پلی اکریل آمید ( PAM ) 6 میلی گرم در لیتر به مدت 5 ساعت. روش دیگر برای اندازه گیری باقیمانده پلیمر، طیف/جذب UV است. نمونه‌های پلیمری قبل و بعد از اکسیداسیون با کلر/پرمنگنات با استفاده از اسپکتروفتومتر UV/Vis (Hach DR 4000U) از 190 تا 300 نانومتر اسکن شدند. از آنجایی که مطالعات آزمایشگاهی قبلی نشان داده است که پلی آکریل آمیدها حداکثر جذب خود را در محدوده 190 نانومتر تا 205 نانومتر به دست می آورند. بنابراین، جذب محلول های PAM در 195 نانومتر به عنوان یک استاندارد برای مقایسه تغییرات جذب قبل و بعد از واکنش های اکسیداسیون تنظیم شد. مدت زمان واکنش تا 1 ساعت بود که نزدیک به زمان ماند برخی از تاسیسات تصفیه آب است. 26

2.4 تغییر باقیمانده های آکریل آمید

محتوای باقیمانده آکریل آمید محلول های PAM

با استفاده از کروماتوگرافی گازی (GC) و آشکارساز جذب الکترون (ECD) آزمایش شد. آکریل آمید در نمونه های آبی با آب برم اشباع شده (فیشر) برای تشکیل 2،3-دیبروموپروپیون آمید برم شد و سپس با اتیل استات (فیشر) استخراج شد و به 2-پروپن آمید پایدارتر تبدیل شد. 2-پرومامید در یک ستون مویرگی DBwax قطبی (پلی اتیلن گلیکول) (30 mx 0.25-mm id، 0.25 میکرومتر ضخامت فیلم) (J&W Scientific) جدا شد و سپس توسط یک آشکارساز ECD شناسایی شد. روش تفصیلی در ضمیمه D شرح داده شده است. از آنجایی که مطالعات قبلی نشان دادند که PAM کاتیونی نسبت به اکسیداسیون حساس تر است، تنها تغییر باقیمانده آکریل آمید محلول PAM کاتیونی (10 میلی گرم در لیتر) در این مطالعه ارزیابی شد. محلول به مدت 30 دقیقه در معرض 15 میلی گرم در لیتر کلر یا 6 میلی گرم در لیتر KMnO 4 قرار گرفت، سپس باقیمانده ACM اندازه گیری شد. اثرات ترکیبی تابش اشعه ماوراء بنفش نیز مورد بررسی قرار گرفت که در بخش باقیمانده‌های نیتروژن معدنی توضیح داده خواهد شد. 4000U). برای هر اندازه گیری، روش های تجزیه و تحلیل ارائه شده توسط فروشنده ابزار (Hach) دنبال شد. 100 میلی لیتر محلول پلیمری 10 میلی گرم در لیتر با کلر 10، 15 میلی گرم در لیتر یا پرمنگنات در 4 و 27 اکسید شد.

40 mg/l 6 به مدت 1 ساعت، سپس NH 3 -N، NO 2 – -N و NO 3 – -N مورد آزمایش قرار گرفت و پلی اکریل آمید ( PAM ) با نتایج گروه کنترل (بدون اکسیدان اضافه شده در محلول های پلیمری) مقایسه شد.

روش های آزمایش نیتروژن معدنی در جدول 3.3 خلاصه شده است. سایر روش های تحلیلی مورد استفاده در تحقیق در پیوست ها ارائه شده است که از روش های استاندارد یا سایر منابع اصلاح شده است. جدول 3.3 روش‌های آزمایش‌های نیتروژن معدنی (راهنمای اسپکتروفتومتر Hach DR4000، 2001) روش پارامتر تشخیص تداخل‌های حد ابزار مجموع NH 3 -N DR4000U طیف‌سنج HACH 0.09 پی‌پی‌ام، NO -NO-2, M, NO, NO, M3 – 2 -N DR4000U HACH اسپکتروفتومتر ppm Pb 2+, Fe 2+, Fe 3+, NO – 3, اکسید کننده و کاهنده قوی NO – 3 -N DR4000U HACH اسپکتروفتومتر 0.01 ppm Ca, Cl -, Fe 2+, Fe +، NO – 2، ph، عوامل اکسید کننده و کاهنده قوی 3. تجزیه نوری پلی آکریل آمیدها یک لامپ نور خورشید با طیف UV برای مطالعه تخریب ناشی از عکس پلی آکریل آمیدها استفاده شد. نمونه‌های پلیمری در معرض اشعه ماوراء بنفش قرار گرفتند و تجزیه pf PAM بر اساس آزمایش‌هایی که در بخش‌های زیر توضیح داده شد، ارزیابی شد. شدت UV اعمال شده برای این آزمایش حدود 7 میکرووات بر سانتی متر مربع بود، زیرا در طول دوره ای که آزمایش انجام شد (مه 2004) در ظهر به شدت UV در نور واقعی خورشید نزدیک بود. زمان نوردهی 30 دقیقه ای اعمال شد زیرا زمان نوردهی طولانی تر بود ممکن است منجر به گرم شدن بیش از حد محلول های پلیمری و سرعت تبخیر سریعتر شود. برای اندازه گیری حجم از دست رفته ناشی از تبخیر، 50 میلی لیتر محلول کاری پلیمری به مدت 30 دقیقه در معرض همان نور قرار گرفت و حجم با استفاده از استوانه مدرج اندازه گیری شد. نتایج مطالعات بعدی با درصد تبخیر از دست رفته تصحیح شد.

3.1 تغییرات پلیمری ناشی از اشعه ماوراء بنفش

تأثیر تابش اشعه ماوراء بنفش بر محتوای TOC PAM و طیف UV مورد ارزیابی قرار گرفت. روش ها مشابه روش هایی است که در بخش دو توضیح داده شده است. 3.2 تغییرات باقیمانده آکریل آمید توسط UV و ترکیب با اکسیدان ها محلول 10 میلی گرم در لیتر کاتیونی PAM (C-3280) به مدت 30 دقیقه در معرض تابش اشعه ماوراء بنفش قرار گرفت و/یا با اکسیدان ها (کلر و/یا پرمنگنات) ترکیب شد و سپس برای باقیمانده های آکریل آمید مورد آزمایش قرار گرفت. با استفاده از GC-ECD شرایط آزمایشی در جدول 3.4 خلاصه شده است. جدول 3.4 آزمون های باقیمانده آکریل آمید نام پلیمر دوز پلیمر UV کلر پتاسیم پرمنگنات زمان قرار گرفتن در معرض C mg/l 30 دقیقه C mg/l X 30 دقیقه C mg/l X 15 mg/l 30 دقیقه C mg/l X 6 mg/l 30 دقیقه C mg/l X 15 mg/l 6 mg/l 30min 3.3 باقیمانده اکسیدان ترکیب UV با کلر/پرمنگنات این آزمایش تأثیر تابش UV بر اکسیداسیون کلر/پرمنگنات محلول های PAM را بررسی کرد. 10 میلی گرم در لیتر PAM 29

محلول در معرض تابش اشعه ماوراء بنفش

قرار گرفتند و مقدار مشخصی محلول کلر (یا پرمنگنات) برای دستیابی به باقیمانده اولیه 5، 10 یا 15 میلی گرم در لیتر به عنوان Cl 2 (یا 2، 4، 6 میلی گرم در لیتر) اضافه شد. به عنوان KMnO 4 برای اکسیداسیون پرمنگنات). نمونه های 10 میلی لیتری هر 10 دقیقه یکبار برداشته شد و باقیمانده های کلر (یا باقیمانده های پرمنگنات) تا پایان واکنش مورد آزمایش قرار گرفتند. کاهش باقیمانده اکسیدان در 30 دقیقه با کاهش آنها در 30 دقیقه بدون مداخله UV مقایسه شد. 4. عملکرد لخته سازی در این آزمایش، عملکرد لخته سازی PAM های منتخب، قبل و بعد از اکسیداسیون، بر اساس نرخ ته نشینی 1.5 درصد دوغاب کائولن ارزیابی و مقایسه شد. روش آزمون نرخ ته نشینی از طریق مطالعه اسمیت-پالمر و همکاران اصلاح شد. (1994). برای هر مجموعه از تست های لخته سازی، 15 گرم کائولن (فیشر) با 890 میلی لیتر آب نانو خالص و 10 میلی لیتر محلول نمک به مدت حداقل یک ساعت هم زده شد. محلول نمک حاوی M کلرید سدیم (فیشر)، M کلرید کلسیم (فیشر) و M کلرید منیزیم (فیشر) است. سپس دوغاب کائولن در مقادیر 30 میلی لیتری سه بار (در مجموع 90 میلی لیتر) در یک سیلندر مدرج 100 میلی لیتری توزیع شد. پس از آن، مقدار مشخصی از محلول پلیمری به سیلندر اضافه شد و حجم آن به 100 میلی لیتر رسید. سیلندر برای اختلاط 5 دقیقه ای معکوس شد، سپس فاصله ته نشینی (سانتی متر) در 3 دقیقه اندازه گیری شد و میانگین سرعت ته نشینی (cm/min) محاسبه شد. قبل از آزمایش عملکرد لخته سازی پلیمرها، 30

مشخص کردن خواص ویسکوالاستیک ژل های پلی آکریل آمید

مشخص کردن ویژگی‌های ویسکوالاستیک ژل‌های پلی آکریل آمید یک گزارش پروژه واجد شرایط اصلی: ارائه شده به دانشکده مؤسسه پلی‌تکنیک WORCESTER در تحقق بخشی از الزامات برای مدرک لیسانس علوم توسط Zachary Gautreau 1, Peterpan, Jeremy, Jeremy, P. Thongpradit 1 1 Department of Biomedical Engineering, Worcester Polytechnic Institute 2 Department of Physics, Worcester Polytechnic Institute تاریخ: 27 آوریل، پلی آکریل آمید 2. ویسکوالاستیسیته 3. کشت سلولی پروفسور Kristen Billiar 1، Major Advisor Prof. Nancy Burnham

2 جدول مطالب 1. مقدمه اطلاعات پس زمینه اطلاعات ژل های پلی آکریل آمید تورفتگی توپ ، میکروسکوپ نیروی اتمی ، و مکانیک تماس هرتز ، آزمایش کششی یک محوره و ویسکوالاستیک و ویسکوالاستیک رویکرد طراحی روش شناسی روش شناسی پلی آکریل آمید ژل ساختگی توپ اتمی میکروسکوپی یک محوره تست آزمایشی وجود دارد. میکروسکوپ نیروی اتمی تست کشش تک محوری تست رئولوژی بحث توصیه های آینده مراجع پیوست نمودار مقایسه دو به دو پروتکل پلی آکریل آمید توپ فرورفتگی TATOMIC LOXIEN

3 جدول از ارقام شکل 1: ساختار شیمیایی مونومر آکریلامید شکل 2: ترکیبی از مدل های هرتزیایی یک نوک مخروطی AFM شکل 3: یک طرحواره از نمونه تحت کشیدگی شکل 4: تست آرامش استرس شکل 5: شکل 6: شکل 6: هدفمند شکل 7: روش پلیمریزاسیون صفحه شیشه ای شکل 8: ورق ژل پلی آکریل آمید شکل 9: نمای شماتیک از عمق تورفتگی نهایی شکل 10: تصویربرداری نوک با استفاده از برنامه SPMLAB شکل 11: طرح ورود/ورود به سیستم شکل 12: یک دستگاه دو محوره شکل 13: نمونه پلی آکریل آمید با Velcro شکل 14: دو قطعه Velcro اضافی با سوراخ شکل 15: یک موقعیت بارگیری صحیح شکل 16: نمای دوربین شکل 17: Bohlin Gemini Rheometer شکل 18: شماتیک سیستم های رئولوژیکی شکل 19: یک فرکانس جارو شکل 20: یک فشار فشار

علیرغم استفاده متداول آن در مطالعات کشت سلولی، خواص مکانیکی ژل پلی آکریل آمید نامشخص است.

رای توصیف کامل این ژل، از میکروسکوپ نیروی اتمی، آزمایش تک محوری، رئولوژی و فرورفتگی توپ استفاده شد. محدوده مدول الاستیک به ترتیب kpa و kpa برای غلظت ژل 5%/0.025% و 8%/0.08% بود و نسبت پواسون 0.45 یافت شد. تحقیقات آینده با استفاده از پلی آکریل آمید به عنوان یک بستر کشت سلولی باید نشان دهد که ژل چگونه مشخص شده است و عدم قطعیت در مقادیر سفتی را تایید کند.

8 1. مقدمه پلی آکریل آمید ثابت کرده است که یک محیط محبوب برای بررسی پاسخ سلول های کشت شده به سفتی محیط اطرافشان است. علاقه به پلی آکریل آمید از زیست سازگاری آزمایش شده و خواص مکانیکی قابل تنظیم آن به وجود آمده است. بسترها برای تقلید دقیق از شرایط طبیعی بافت‌های بیولوژیکی برای تکنیک‌های کشت سلولی مورد نیاز هستند و مشخص است که ژل‌های پلی آکریل آمید این توانایی را دارند که با خواص مکانیکی یکسان بافت‌های نرم، نرمال و پاتولوژیک تهیه شوند. با این حال، پتانسیل پلی آکریل آمید به عنوان یک بستر کشت سلولی برای مطالعات آزمایشگاهی در حال حاضر به دلیل عدم اطمینان در مقادیر سختی ایجاد شده ایجاد شده، مانع شده است.

با مطالعه خواص مکانیکی ژل های پلی آکریل آمید، امید به ایجاد طیف وسیعی از مقادیر سفتی ثابت برای دو غلظت ژل است.

تاکنون، تحقیقات علمی محدودی با هدف جزئیات پارامترهای مکانیکی مختلف که پلی آکریل آمید با بافت نرم طبیعی مشترک است، انجام شده است. در تلاش برای تعیین مقادیر نسبی سختی برای غلظت‌های مختلف پلی آکریل آمید، دکتر Yu-li Wang و همکارانش طیفی از مقادیر سختی را که بسیار شبیه به بافت نرم بومی است که از طریق آزمایش مکانیکی به‌دست آمده بود، ثبت کردند (Wang et al., 2002). با این حال، نتایج منتشر شده دکتر وانگ اخیراً توسط یک گروه تحقیقاتی به سرپرستی دکتر دنیس دیشر در دانشگاه پنسیلوانیا با استفاده از یک روش آزمایش جایگزین، تا حد قدر نادرست برچسب خوردند (Engler et al., 2004). بسط این یافته ها، و نتایج ذکر شده در این گزارش، پیامدهای عملی برای مطالعه برهمکنش های سلولی بر روی یک بستر پلی آکریل آمید دارد. فعل و انفعالات سلول- سوبسترا برای تأثیرگذاری بر ویژگی های سلولی مختلف مانند نرخ تکثیر، مسیرهای تمایز، مهاجرت، چسبندگی و بازسازی ماتریکس شناخته شده است. تأثیر بستر بر روی این ویژگی‌ها را می‌توان تا حد زیادی به مکانیکی آن نسبت داد

خواص.

الزامات مکانیکی یک بستر مطابق با نوع سلول خاص است. بنابراین مقادیر ناشناخته سفتی غلظت پلی آکریل آمید عمق احتمالات تحقیقاتی را تا حد زیادی محدود می کند. هدف اصلی این پروژه یافتن اعداد قابل اعتمادی است که خواص مکانیکی پلی آکریل آمید را در طیف وسیعی از غلظت ها کمیت می کند. با استفاده از چهار تکنیک، امید است که بتوان یک ارزیابی کامل از قابلیت اطمینان، مزایا و قابلیت‌های تکنیک را ترسیم کرد که امکان یک نتیجه‌گیری کلی را فراهم آورد. تعیین خواص ارتجاعی از طریق آزمایش های تجربی طراحی شده برای میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM)، فرورفتگی توپ، رئولوژی دینامیکی و کشش تک محوری به دست می آید. پس از معرفی مختصری از موضوعات زمینه مرتبط، این مقاله رویه‌های تجربی و نتایج هر تکنیک را مورد بحث قرار می‌دهد. این تکنیک ها برای ارائه طیف وسیعی از مقادیر سفتی قابل قبول برای دو غلظت خاص از ژل های پلی آکریل آمید مقایسه و تجزیه و تحلیل خواهند شد. نتایج حاصل از این مطالعه پتانسیل تعیین استانداردی برای ترکیب بسترهای ژل پلی آکریل آمید مورد استفاده در کشت سلول را دارد. 9

اطلاعات پیشینه ژل های پلی آکریل آمید

مطالعات قبلی نشان داده اند که سلول ها هنگام کشت روی بسترهایی با سفتی مکانیکی متفاوت واکنش متفاوتی نشان می دهند. فعل و انفعالات مکانیکی بین سلول و سوبسترا بر تعدادی از رفتارهای سلولی تأثیر می گذارد (بنینگو و همکاران، 2002). ژل پلی آکریل آمید به راحتی تهیه می شود و بسیاری از کارشناسان فکر می کنند که بستر مناسبی برای رشد سلول ها ارائه می دهد زیرا می توان آن را به گونه ای ساخت که از نزدیک خواص مکانیکی بافت های طبیعی را تقلید کند. محققان موفقیت زیادی در چسبیدن سلول ها به بسترهای ژل پلی آکریل آمید داشته اند. با این حال، ثابت می‌کند که ارزیابی دقیق پاسخ‌های سلولی ناشی از خواص مکانیکی بستر دشوار است، زیرا هیچ استاندارد مشخصی برای تعیین خواص مکانیکی آنها وجود ندارد. دکتر Yu-li Wang و همکارانش تلاش کردند تا با استفاده از تکنیک فرورفتگی توپ، خواص ژل پلی آکریل آمید را کمی کنند. علاوه بر این، دکتر دنیس دیشر و همکارانش مقایسه بین مقادیر سفتی مکانیکی چندین بستر ژل طبیعی و پلی آکریل آمید را با استفاده از AFM ارزیابی کرده اند (Engler, 2004). نتایج قانع‌کننده‌ای به دست آمد که شباهت‌های بین چندین نوع بستر را نشان می‌دهد. به منظور تقلید از محیط و ساختار بافت های نرم طبیعی، محققان ژل های پلی آکریل آمید مصنوعی با خواص مشابه بافت های سالم و پاتولوژیک انسان تولید می کنند. این ژل ها با حل کردن آکریل آمید و مونومر متقاطع N، N’- متیلن بیساکریل آمید (bis) تشکیل می شوند. ساختار شیمیایی مونومر آکریل آمید را می توان در شکل 1 مشاهده کرد.

ساختار شیمیایی مونومر آکریل آمید

پلیمریزاسیون ژل پلی آکریل آمید یک واکنش کاتالیز شده با رادیکال های آزاد است و منجر به زنجیره های طولانی می شود که توسط پیوندهای کووالانسی به هم متصل می شوند. ژل‌های پلی آکریل آمید معمولاً بین دو صفحه شیشه‌ای ساخته می‌شوند، زیرا اکسیژن به عنوان یک جاذب رادیکال آزاد عمل می‌کند و پلیمریزاسیون را مهار می‌کند ([راهنما]، 2005).

مزایای متعددی فراتر از ساخت ساده آن برای استفاده از ژل های پلی آکریل آمید به عنوان ساختاری برای مطالعه خواص مکانیکی در سطح میکروسکوپی وجود دارد. خواص مکانیکی به راحتی با تغییر غلظت آکریل آمید و بیساکریل آمید بدون ایجاد هیچ تغییری در خواص شیمیایی ژل دستکاری می شود.

ژل های پلی آکریل آمید به دلیل ماهیت انعطاف پذیر نرم، مدل بسیار واقعی تری از بافت فیزیولوژیکی را نسبت به سطح شیشه ای یا پلاستیکی ارائه می دهند. این ماده ژل دارای خواص نوری است که به محققان اجازه می دهد تصویربرداری با وضوح بالا برای تجزیه و تحلیل ساختار انجام دهند. علاوه بر این، برخی از مطالعات شامل اجرای دانه های فلورسنت در ژل ها برای تجزیه و تحلیل بیشتر خواص مکانیکی با وضوح نزدیک به 2 میکرومتر است (بنینگو و همکاران، 2002).

طیف وسیعی از مقادیر سختی را می توان به سادگی با داشتن غلظت کل ثابت آکریل آمید در حالی که غلظت پیوند متقاطع بیساکریل آمید را تغییر داد، به دست آورد. تحقیقات قبلی نشان داده است که غلظت بسیار کم بیساکریل آمید باعث ترک خوردن سطح ژل می شود و ممکن است ژل پلیمریزه نشود.

وانگ و همکاران قبلا نشان داده اند که مخلوط ژل 5-8% آکریل آمید / بیساکریل آمید دارای داربست مناسبی برای اندازه گیری نیروهای کشش سلولی است (Engler et al., 2002). به همان اندازه مهم

به غلظت کلی اجزای ژل، حفظ ضخامت مناسب است.

ضخامت یک ژل را نمی توان از حجم محلول استفاده شده محاسبه کرد. ضخامت واقعی ژل تا چهار برابر بیشتر از مقدار محاسبه شده است. این به دلیل پاسخ ژل به تغییرات دما، اسمولاریته و هیدراتاسیون است. بنابراین نظارت بر جو آزمایش و حفظ مداوم شرایط آزمایشی مناسب هنگام کار با ژل های پلی آکریل آمید بسیار مهم است.

بخش‌های زیر اصول و تکنیک‌های مشخص‌سازی مکانیکی و ویسکوالاستیک ژل‌های پلی آکریل آمید را تشریح می‌کند. فرورفتگی توپ، میکروسکوپ نیروی اتمی، و فرورفتگی توپ مکانیک تماس هرتز به دلیل روش‌شناسی ساده، روش استاندارد برای تعیین مقادیر سختی مواد نرم در نظر گرفته می‌شود. اصول اساسی.

با پیروی از اصول مکانیک هرتز، می توان با این تکنیک ساده مقدار سختی را تعیین کرد. دکتر یو لی وانگ از دانشکده پزشکی UMass از این روش برای پلی آکریل آمید استفاده کرد (پلهام و وانگ، 1997). نتایج حاصل از این آزمایش در نهایت در مقاله ای در سال 2002 منتشر شد که در آن روش شناسی ارائه شد (انگلر، 2002). در این تحقیق از روش‌های پژوهشی مشابه با تغییرات کمی استفاده شده است.

شکاف های مشاهده شده در روش تحقیق قبلی به منظور ارزیابی بیشتر اثربخشی روش ها مورد تجزیه و تحلیل قرار خواهد گرفت. مکانیک هرتز پشتوانه و تئوری ریاضی پشت فرورفتگی توپ را فراهم می کند. همه مسائل مکانیک هرتز نیازمند چندین فرض برای تحلیل ریاضی هستند.

مفروضات در نظر گرفته شده در این تحقیق به شرح زیر است (امیل، 2002): در نقطه تماس، شکل هر یک از سطوح تماس را می توان با یک چند جمله ای درجه دوم همگن در دو متغیر توصیف کرد. هر دو سطح به طور ایده آل صاف هستند.

تنش تماسی و تغییر شکل معادلات دیفرانسیل را برای تنش و کرنش اجسام همگن،

همسانگرد و الاستیک در حالت تعادل برآورده می‌کنند. استرس در فاصله زیاد از منطقه تماس ناپدید می شود. اجزای تنش مماسی در هر دو سطح در داخل و خارج از منطقه تماس صفر هستند. اجزای تنش نرمال در هر دو سطح خارج از منطقه تماس صفر هستند. تنش ادغام شده روی ناحیه تماس برابر با نیرویی است که دو جسم را به هم فشار می دهد. فاصله بین دو جسم در داخل صفر اما در خارج از منطقه تماس محدود است. در غیاب نیروی خارجی، ناحیه تماس تا نقطه‌ای انحطاط پیدا می‌کند. با رعایت این مفروضات، استخراج ریاضی منجر به معادله پوشاننده مورد استفاده برای تعیین مقدار سختی بستر می‌شود.

استخراج معادله اصلی را می توان در پیوست 10.3 یافت (وانگ و همکاران، 2002): 2 (ν) 31 Ps E = (N/m2). معادله d R که در آن E مدول یانگ است، ν نسبت Poission s، Ps نیروی اعمال شده برای یک کره، d فرورفتگی اندازه گیری شده توپ و R شعاع توپ استفاده شده است. تحقیقات پیشرفته تر و محلی تری بعداً با استفاده از میکروسکوپ نیروی اتمی بر روی پلی آکریل آمید انجام شد. مشابه با فرورفتگی توپ، یک کاوشگر AFM روی نمونه پایین می آید و عمق فرورفتگی اندازه گیری می شود. با این حال، AFM در مقیاس بسیار کوچکتر عمل می کند.

یک کنسول، شامل یک فرورفتگی مخروطی در نوک، روی نمونه پایین می‌آید و سپس کنسول را خم می‌کند. یک لیزر روی نوک کنسول هدایت می شود و سپس روی یک فتودیود منحرف می شود. موقعیت لیزر روی فتودیود با میزان انحراف کنسول ارتباط دارد که امکان اندازه گیری دقیق را فراهم می کند. دکتر دنیس دیشر از دانشگاه پنسیلوانیا یک محقق برجسته است که از AFM در مطالعات خود روی بسترهای سلولی استفاده می کند (Discher et al., 2004). ایجاد

14 ساده‌سازی فرآیند دریافت داده‌ها از AFM روی سطح سازگار هنوز در حال پیشرفت است. یک تکنیک فعلی در گزارشی توسط مارگو فری از موسسه پلی تکنیک ورسستر (فری و همکاران، 2005) توضیح داده شده است. نوک مخروطی AFM از هر دو مدل هرتزی مخروطی و کروی پیروی می کند. نوک مانند یک کره عمل می کند و تا یک عمق فرورفتگی معین از معادله 2 تبعیت می کند.

پس از آن، از مدل هرتزی یک مخروط پیروی می کند: 2 2Pc (1 v ) E =، معادله 2 2 d π tanθ با θ معادل نیم زاویه نوک s که با استفاده از مرحله توری تابع یک پله توصیف شده در AFM اندازه گیری می شود. روش شناسی. شکل 2: ترکیب مدل های هرتزی یک نوک AFM مخروطی برای AFM از معادلات زیر برای محاسبه مدل های هرتزی استفاده شد. مدل هرتزی یک نوک کروی به صورت زیر نشان داده شده است: 14

(3/2) P s = bd. معادله 3 کمیت b با معادله زیر تعیین می شود:

b 4 3 E (1 ν ) R / nm (3 / (1/ 2) 2) = * * (nn)، معادله 4 2 که در آن R شعاع نوک، و ν نسبت پواسون است. دو تکنیک فرورفتگی توپ و AFM خواص محلی یک ماده را اندازه گیری می کنند. دو بخش زیر اصل دو تکنیکی را که در این تحقیق برای به دست آوردن خواص حجیم ژل های پلی آکریل آمید مورد استفاده قرار گرفت، تشریح می کند.

امید است ترکیب اندازه‌گیری‌ها در هر دو مقیاس، درک کاملی از این ماده پیچیده را ارائه دهد. تست کشش تک محوری و ویسکوالاستیسیته برای تکمیل اندازه‌گیری‌های محلی فرورفتگی توپ و AFM، یک تست کشش تک محوری خواص حجیم ژل پلی آکریل آمید را به دست خواهد آورد.

تست کشش تک محوری یک اندازه گیری مستقیم مکانیکی است که رفتار یک ماده را تحت کشش در یک جهت مشاهده می کند. دو پارامتر مهم برای این تکنیک، مقدار نیرو در واحد سطح و پاسخ ازدیاد طول ماده تحت یک نیروی شناخته شده است.

این نتایج جمع‌آوری‌شده امکان ایجاد یک منحنی تنش-کرنش و یک مدول یانگ محاسبه‌شده را برای تعیین کمیت سختی یک ماده فراهم می‌کند. تنش اعمال شده بر روی یک ماده را می توان با تقسیم نیرو بر ناحیه اولیه نمونه که در آن نیرو اعمال می شود، یافت. تنش (σ)، موجود در معادله 5، به عنوان مقدار نیرو در واحد سطح تعریف می شود: = نیروی σ. معادله 5 مساحت اولیه

در حالی که تنش اعمال می شود، نمونه تحت کشش محوری و بعد جانبی تحت انقباض قرار می گیرد.

شماتیک یک نمونه تحت یک بار کششی در طول آزمایش تک محوری در شکل 3 نشان داده شده است. شکل 3: شماتیکی از نمونه ای که در طول آزمایش کشش تک محوری تحت کشش در جهت محوری و انقباض در جهت عرضی قرار می گیرد.

مقدار کرنش تغییر شکل جسم را زمانی که تحت فشار قرار می‌گیرد، کمیت می‌دهد. یک کرنش مهندسی به عنوان تغییر طول تقسیم بر طول اولیه آن تعریف می شود. معادله اساسی با حرف یونانی ε (epsilon) نشان داده شده در معادله 6 نشان داده شده است: طول ε =. معادله 6 طول اولیه از شکل 3، بی نهایت کوچک، یا کرنش محوری مهندسی، به صورت: CC = ‘C ε نشان داده شده است. معادله 7 چندین محقق در گذشته بوده اند که خواص ژل پلی آکریل آمید را با استفاده از تکنیک کشش تک محوری مورد مطالعه قرار داده اند (Pelham and Wang, 1997). با توجه به خواص فیزیکی ژل، یکی از مسائل رایج در تست کشش، گرفتن آن بود.

طرح های مختلف دستگیره به عنوان تلاشی برای جلوگیری از لغزش و پارگی نمونه در طول آزمایش کشش ایجاد شد. یکی از گروه‌های تحقیقاتی از گیره‌های کاغذی به‌عنوان روشی برای اتصال به ژل پلی‌اکریلامید استفاده کرد. این تکنیک از وزن گیره ها برای اعمال نیروی کششی از 16 استفاده می کرد

جاذبه به نمونه ژل (پلهام و وانگ، 1997).

گروه دیگری که توسط وانگ رهبری می‌شد، روشی را توسعه داد که شامل چسباندن قطعات لایه شفاف با چسب به هر دو انتهای نمونه ژل و اعمال وزن‌های شناخته شده با استفاده از سیم مسی بود (وونگ، 2003). در حالی که حداکثر مقادیر کرنش از تحقیقات گذشته به طور گسترده مورد بحث قرار نگرفت، مهم است که درصد کرنش را در محدوده پاسخ سلول نگه دارید. یک مطالعه کشش سلولی توسط انگلر نشان داد که حداکثر کرنش تولید شده از یک سلول منفرد حدود 15-25٪ است (Engler, 2004).

محققان از معادلات تنش و کرنش همانطور که در بالا ذکر شد برای یافتن مدول الاستیک استفاده کردند. علاوه بر این، نسبت پواسون را می توان با استفاده از این روش آزمایش با محاسبه تغییر شکل در کرنش های عرضی و محوری تعیین کرد. سه تکنیک دیگر در این پروژه درگیر در این تحقیق بر نسبت دقیق پواسون برای محاسبه مدول الاستیک تکیه دارند.

محققان از نسبت پواسون در یک محدوده مشخص به جای یک عدد تعریف شده خاص استفاده کرده‌اند: تیم تحقیقاتی انگلر نسبت پواسون را در محدوده 1 یافت، در حالی که گروه دکتر وانگ مقدار 0.3 را در نظر گرفت (انگلر، 2004). این مقادیر از طیف وسیعی از مطالعه بر روی رفتار تورمی ژل های پلی آکریل آمید در سال 1980 به دست آمد (گیسلر، 1980).

علاوه بر اندازه‌گیری نسبت پواسون و مدول یانگ، می‌توان از تکنیک کششی تک محوری برای تعیین کمیت رفتار ویسکوالاستیک مواد استفاده کرد. برای بررسی رفتار ویسکوالاستیک ژل پلی آکریل آمید، نرخ کرنش های مختلف و روش آرام سازی تنش با آزمون های کششی استفاده شد. دستگاه مورد استفاده برای این تکنیک اجازه می دهد تا نرخ کرنش متفاوت باشد، در حالی که محققان گذشته رفتار ژل را تحت نرخ های کرنش مختلف بررسی نکرده اند. انتظار می‌رود که مقادیر سفتی مواد ویسکوالاستیک با افزایش نرخ کرنش افزایش یافته و در طول زمان در طول آزمایش آرامش تنش کاهش یابد. شکل 4 بیشتر ویژگی های رفتاری بین مواد الاستیک و ویسکوالاستیک را نشان می دهد.

زمان تنش

تنش ab زمان شکل 4: تست آرامش استرس: الف) ماده عمدتاً الاستیک است زیرا تنش ثابت می‌شود ب) ماده مانند یک سیال ویسکوالاستیک با مقدار تنش در حال کاهش مداوم رفتار می‌کند. به منظور انجام یک تحلیل کامل از خاصیت ویسکوالاستیک پلی آکریل آمید، نظریه دیگری از ویسکوالاستیسیته با آزمایش دینامیکی شامل حرکت هارمونیک مورد بررسی قرار گرفت. مفاهیم معرفی شده کاربردهای خاصی در تکنیک تست رئولوژی مورد استفاده در این تحقیق دارند.

همانطور که قبلا ذکر شد، مواد نیمه جامد، یا ویسکوالاستیک، بسته به دما و تنش و کرنش اعمال شده در طول زمان، خواص مایع و جامد از خود نشان می دهند (گودوین، 2000). یک رئومتر دینامیکی می تواند برای تعیین خواص ویسکوالاستیک پلی آکریل آمید با محاسبه مدول برشی پیچیده تحت تغییر شکل برشی نوسانی فرکانس پایین استفاده شود.

ژل های پلی آکریل آمید به دلیل شبکه سه بعدی متقاطع خود، رفتار ویسکوالاستیک را نشان می دهند و توانایی ذخیره انرژی و همچنین جریان را در هنگام قرار گرفتن تحت تغییر شکل های کوچک دارند. رئومتر یک گشتاور نوسانی هارمونیک را به نمونه ژل پلی آکریل آمید اعمال می کند و قادر به اندازه گیری حرکات خروجی برای محاسبه ویسکوالاستیک 18 است.

به صورت بصری مفهوم تنش برشی اعمال شده

و تغییر شکل یا کرنش برشی حاصل را نشان می دهد. τ γ δ G* G δ G τ = تنش برشی (Pa) γ = کرنش برشی G = مدول ذخیره سازی (Pa) G = مدول افت (Pa) δ = زاویه فاز (rad) G*= مدول پیچیده شکل 5: این ویسکوالاستیک شماتیک دو موج سین خارج فاز را نمایش می دهد که یکی نشان دهنده تنش برشی و دیگری کرنش برشی حاصل است.

مدول ذخیره سازی (G) مقدار انرژی الاستیک در سیستم را کمیت می کند، در حالی که مدول تلفات (G) انرژی مکانیکی از دست رفته در اثر نیروهای ویسکوز است. پاسخ الاستیک یک ژل خاص با مدول ذخیره سازی (G) اندازه گیری می شود، اندازه گیری توانایی ژل برای ذخیره انرژی الاستیک که در نهایت می تواند بازیابی شود.

اندازه‌گیری دوم که به عنوان مدول اتلاف (G) شناخته می‌شود، مقدار انرژی مکانیکی را که به صورت گرما به دلیل نیروهای چسبناک وارد بر ژل از دست می‌رود، کمیت می‌کند. در نهایت، نسبت G/G نشان دهنده مماس زاویه فاز بین تنش و برش در طول برش نوسانی است (Grattoni، 2001). زاویه فاز درجه ویسکوالاستیسیته یک ماده خاص را کمیت می کند.

مواد الاستیک دارای زوایای فاز نزدیک به 0 (کرنش برشی در فاز با تنش برشی اعمال شده) و مواد چسبناک دارای زاویه فاز حدود 90 (کرنش برشی کاملاً خارج از فاز با تنش برشی اعمال شده). مدول پیچیده (G*) به عنوان مدول ویسکوالاستیک یا پیچیده شناخته می شود و از نسبت تنش به کرنش به دست می آید. این مقدار مقاومت کل در برابر برش نوسانی را کمیت می کند. 19

برای یک ماده الاستیک خطی، اندازه گیری مدول برشی گرفته شده با رئومتر ممکن است با استفاده از معادله زیر به مقدار مدول الاستیک تبدیل شود:

E 2(1 +ν) * G =. معادله 8 مقدار G* مورد استفاده در این محاسبات مدول مختلط ذکر شده قبلی است. همانطور که در بخش کشش تک محوری بحث شد، نسبت پواسون (ν) منفی نسبت کرنش جانبی به کرنش تک محوری در بارگذاری محوری است. محاسبه نسبت پواسون از آزمایش تک محوری ژل های پلی آکریل آمید حاصل می شود. محققان از انواع تکنیک های رئولوژیکی برای تعیین کمیت خواص ویسکوالاستیک ژل های پلی آکریل آمید استفاده کرده اند.

باتلر و همکاران (1998) از دانه های فرومغناطیسی کوچک درون ژل برای تعیین کمیت خواص رئولوژیکی آن استفاده کرد. چرخش زاویه ای مهره ها زمانی اندازه گیری شد که مهره های مغناطیسی شده توسط یک میدان مغناطیسی خارجی چرخانده شدند. باتلر و همکاران گزارش کرده اند که تفسیر ویسکوزیته و مدول الاستیک ماده از روی پارامترهای داده شده دشوار است. تحقیقات دیگر شامل استفاده از میکرورئولوژی برای توصیف خواص ژل پلی آکریل آمید است. داسگوپتا و همکاران از پروب های تعبیه شده در محیط برای تعیین کمیت خواص ویسکوالاستیک محلی استفاده کنید.

این تحقیق نشان داد که پراکندگی نور شبه الاستیک، طیف‌سنجی امواج منتشر، و تکنیک‌های ردیابی ذرات مبتنی بر ویدئو با موفقیت خواص ژل‌های پلی آکریل آمید را اندازه‌گیری کردند (Dasgupta، 2005). مقایسه نتایج بدست‌آمده توسط گروه تحقیقاتی Dasgupta دشوار است، زیرا آنها از غلظت‌های کاملاً متفاوت مونومر آکریل آمید و پیوند متقاطع بیساکریل آمید برای ساختن نمونه‌های پلی آکریل آمید خود استفاده کردند. جالب است بدانید که این گروه متوجه شدند که تکنیک‌های میکرورئولوژی و رئولوژی توده‌ای منجر به تغییرات مشابهی از مدول‌های الاستیک و ویسکوز می‌شود. همچنین در سطح محلی، Schnurr و همکاران. از تکنیک تداخل سنجی لیزری برای اندازه گیری مهره های 20 استفاده کرده اند

در بستر پلی آکریل آمید

محدودیت این تکنیک این بود که قادر به ارائه وضوح زمانی و مکانی واضح در سطح محلی نبود و نمی‌توانست مقدار زیادی از مهره‌ها را همزمان اندازه‌گیری کند (داسگوپتا، 2005). به دلیل در دسترس نبودن تجهیزات، بسیاری از تکنیک های میکرورئولوژی و مهره های ذکر شده در بالا می توانند در این تحقیق مورد استفاده قرار گیرند. فصل روش شناسی رومتری، آزمایش نوسانی دینامیکی را که برای این پروژه انجام شد، با جزئیات بیشتری توضیح می دهد. توجه به تفاوت در مقیاس خواص اندازه گیری شده ژل های پلی آکریل آمید مهم است.

رویکرد پروژه این پروژه از این نظر منحصر به فرد بود که هیچ شی فیزیکی برای طراحی و تایید وجود نداشت.

این کار مستلزم طراحی روشی برای توصیف خواص ویسکوالاستیک ژل های پلی آکریل آمید بود. در تلاش برای درک کامل خواص ژل های پلی آکریل آمید، یک فرآیند طراحی استراتژیک باید دنبال می شد.

برای مطالعه خواص مکانیکی ژل‌های پلی آکریل آمید، انتخاب روش‌های اندازه‌گیری که خواص را در مقیاس ماکرو و میکرو کمیت می‌کند، ضروری بود.

رویکرد پروژه این تحقیق استفاده از انواع سیستم‌های اندازه‌گیری برای یافتن تکرارپذیری و سازگاری در خواص مکانیکی ژل‌های پلی آکریل آمید است.

این تیم با پرسیدن چندین سوال به بیانیه اصلی پروژه مشتری نزدیک شد تا اهداف، محدودیت ها و عملکردهای مشتری را به وضوح تعریف کند. تحقیقات قبلی شامل ژل پلی آکریل آمید به طور کامل مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت و نشان داد که کار زیادی در مورد خواص ویسکوالاستیک مواد وجود ندارد.

این تیم از ابزارهای مدیریت پروژه برای کمک به این نتیجه گیری استفاده کرد که دنبال کردن چندین تکنیک برای برآورده کردن نیازهای مشتری ضروری است. علاوه بر این، تیم تصمیم گرفت تا به این مشکل از مقیاس‌های اندازه‌های مختلف نزدیک شود.

امکان مقایسه آسان با مقادیر منتشر شده و ارزیابی کامل مطالب. از تحقیقات پیش‌زمینه، محدودیت‌های بودجه و در دسترس بودن ماشین، تیم تصمیم گرفت از چهار تکنیک استفاده کند: فرورفتگی توپ، میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM)، آزمایش کششی تک محوری و رئولوژی. سه تکنیک فرورفتگی توپ، AFM، و تست کشش تک محوری در محوطه WPI انجام شد.

با این حال، تیم از یک رئومتر در Malvern Instruments در Southborough، MA استفاده کرد. تکنیک‌های فرورفتگی توپ و AFM مقادیر سفتی را در مقیاس محلی ارائه می‌کنند، در حالی که روش تست کششی تک محوری و روش‌های رئومتری خواص توده‌ای را اندازه‌گیری می‌کنند. با استفاده از این چهار تکنیک، تیم امیدوار بود که برخی از 22 تکنیک را روشن کند

موضوع بحث برانگیز با مقادیر سفتی و ارائه درک بهتر در مورد خواص ژل در مقیاس های چندگانه

4. طراحی برای فرمول بندی صحیح روش آزمایشی برای این پروژه، فرآیند طراحی که در کتاب درسی، طراحی مهندسی:

مقدمه ای مبتنی بر پروژه توسط Dym and Little تشریح شده است، دنبال شد (Dym et al., 2004). بخش بعدی روند کلی را که برای طراحی ساختار این پروژه استفاده شده است، تشریح خواهد کرد. تلاش برای توسعه یک طراحی آزمایشی جدید، فرآیند طراحی این پروژه را از یک فرآیند طراحی معمولی که شامل توسعه یک دستگاه فیزیکی است، جدا می‌کند.

چندین جلسه مصاحبه با مشتری، تجزیه و تحلیل اولیه از اهداف و محدودیت های پروژه را ارائه کرد. در تلاش برای به دست آوردن خواص ویسکوالاستیک قابل اعتماد ژل های پلی آکریل آمید، اهداف بعدی از مصاحبه با مشتری ایجاد شد: ایجاد خواص ویسکوالاستیک قابل اعتماد، ماندن در بودجه پروژه، نمی تواند به کاربر آسیب برساند و باید استفاده آسان باشد.

پس از فرآیند مصاحبه، فهرست مشخص تری از الزامات برای گنجاندن در یک درخت هدف و یک نمودار مقایسه زوجی ایجاد شد. درخت هدف را می توان در شکل 6 مشاهده کرد، در حالی که نمودار مقایسه زوجی را می توان در ضمیمه یافت. از این ابزارها مشخص شد که تمرکز اصلی پروژه یافتن نتایج قابل تکرار در میان تکنیک های اندازه گیری فردی است.

به دست آوردن خواص ویسکوالاستیک قابل اعتماد ژل های پلی آکریل آمید ارزان قیمت و ایمن سهولت استفاده تجزیه و تحلیل خطا به حداکثر رساندن دامنه فرکانس ها

برای رئومتری و AFM حداکثر کردن تعداد غلظت های آزمایش شده بین محدوده kpa حداکثر کردن تعداد نمونه های آزمایش شده از هر غلظت در دسترس بودن E : Objective Tree: این ابزار طراحی به تیم در اولویت بندی اهداف کلی پروژه کمک کرد.

هدف نهایی این تحقیق به دست آوردن خواص ویسکوالاستیک قابل اعتماد ژل پلی آکریل آمید بود. نمودار مقایسه زوجی (PCC) برای همه مشتریان از جمله دکتر بیلیار، دکتر برنهام، انجی تروم و مارگو فری ارسال شد. این گیرندگان به عنوان سهامداران کلیدی از تحقیقات مربوطه شناسایی شده اند، بنابراین تشریح نگرانی های آنها مهم بود. برای ایجاد مقایسه، ما تیم تحقیقاتی یک PCC را نیز پر کردیم. PCC به مشتری و تیم اجازه داد تا سطح اهمیت اهداف پروژه را رتبه بندی کنند.

نمودار PCC به عنوان یکی دیگر از رسانه های ارتباطی بین مشتری و تیم برای ارزیابی و مقایسه سطح درک عمل می کند. اعداد 1، 0.5 یا 0 امتیازهایی هستند که برای رتبه بندی سطح اهمیت عینی استفاده می شوند. بزرگی امتیاز نشان دهنده سطح اهمیت است. اگر او احساس کند که هدف در محور y مهمتر از هدف در محور x است، نمودار با قرار دادن شماره 1 در کادر کار می کند.

اگر او احساس کند که هدف در محور x مهمتر است، عدد 0 قرار می گیرد. در صورتی که احساس کند هر دو به یک اندازه اهمیت دارند، باید عدد 0.5 را در کادر سفید قرار دهد. پاسخ های مشتریان و تیم ما نشان داد که به دست آوردن مقادیر قابل تکرار به عنوان بالاترین اولویت قرار دارد. حداکثر تعداد غلظت‌ها و نمونه‌هایی که در ابتدا تیم فکر می‌کرد بیشتر از 25 بود

با استفاده از این نمودار PCC اشتباه مورد مهم ثابت شد.

این نمودار PCC در فرآیند طراحی به تیم کمک زیادی کرد تا نتایج ارزشمند و رضایت بخشی را برای مشتریان خود به دست آورد. نتایج حاصل از این فرآیند در زیر به طور خلاصه بیان شده است. نتایج قطعی توسط مشتریان تعیین شد که هدف اصلی تحقیق اطمینان از قابلیت اطمینان کلی تکنیک‌های آزمایشی دنبال‌شده در این تحقیق بود. به دنبال این اهمیت، به حداکثر رساندن پارامترهای تست (مثلاً محدوده فرکانس) بود. سومین هدف اولیه که توسط مشتریان تعیین شد، به حداکثر رساندن تعداد آزمایش‌های انجام شده به منظور تولید مقدار زیادی داده برای تجزیه و تحلیل بود. پس از بررسی این اسناد، تیم تحقیقاتی مجبور شدند هدف اولیه خود را از کار تغییر دهند. این با یک تفاوت جزئی در ادراک بین مشتریان و محققین مشخص شد. در ابتدا، هدف این تیم جمع‌آوری هرچه بیشتر داده‌ها در محدوده وسیعی از غلظت‌های پلی آکریل آمید بود. با پیشرفت پروژه، دامنه پروژه مختصرتر شد و مشخص شد که داده های مربوط به دو غلظت خاص ژل پلی آکریل آمید نسبت به سایرین قابل توجه تر است (محلول 8.0٪ آکریل آمید / 0.08٪ بیساکریل آمید و 5.0٪ آکریل آمید / 0.025٪ بیساکریل آمید). مشتریان پیشنهاد کردند که این غلظت‌ها بسیار مهم هستند زیرا اغلب در تحقیقات کشت سلولی استفاده می‌شوند. دکتر بیلیار به طور گسترده از این دو غلظت در آزمایشگاه خود استفاده می کند. نرم 5%/0.025% نشان دهنده یک بافت طبیعی سالم است، در حالی که 8%/0.08% نشان دهنده یک بافت بیمار یا فیبروتیک است. با استفاده از فرآیند طراحی، تیم توانست اهمیت به حداکثر رساندن تعداد نمونه ها را بین این دو غلظت خاص روشن کند. در پایان، آزمایش تعداد کمتری از نمونه‌های منفرد از غلظت‌های چندگانه، به گروه اجازه نمی‌دهد که یافته‌های قطعی به دست آورد. هر تکنیک انتخاب شده مزایا و معایب خاص خود را دارد. تیم مزایا و معایب هر روش را همانطور که در ضمیمه ذکر شده است، علاوه بر تعیین 26 مورد ارزیابی کرد.

هدف پروژه در مراحل اولیه فرآیند طراحی، تیم باید تصمیم می گرفت که کدام روش برای اندازه گیری خواص ویسکوالاستیک ژل های پلی آکریل آمید مناسب تر است.

چندین ابزار برای اندازه‌گیری خواص ویسکوالاستیک در مقالات ذکر شده است، اما به دلایل مختلفی از جمله در دسترس بودن تجهیزات و بودجه محدود، نامناسب هستند. در حالی که یک ویسکومتر در محوطه دانشگاه WPI موجود بود، برای اندازه گیری اندازه گیری های مورد نیاز ژل های پلی آکریل آمید مناسب نبود. ویسکومتر از یک دوک برای اعمال برش یک جهته به نمونه استفاده می کند و استفاده از آن را به نمونه های چسبناک یا مایع محدود می کند. مشابه ویسکومتر، ثابت شد که رومتری مویرگی یک روش آزمایش نامناسب است زیرا نمونه باید دارای عنصر جریان باشد تا بتواند نتایج دقیقی را به همراه داشته باشد. بسیاری از روش‌های دیگر که برای مشخص کردن ویژگی‌های ویسکوالاستیک مواد ژل مانند استفاده شده‌اند عبارتند از: میکرورومتری تله لیزری، سیتومتری پیچشی مغناطیسی، رئومتری خطی با تحریک پیزوالکتریک، و الاستیسیته اولتراسوند 1 بعدی. تمام تکنیک های ذکر شده در بالا داده های جالبی را ارائه می دهند اما نمی توانند در این پروژه استفاده شوند زیرا تجهیزات به راحتی در دسترس نبود. جدول زیر محدودیت های یافت شده برای هر تکنیک را مشخص می کند. محدودیت‌های روش تجربی تجهیزات میکرورومتری تله لیزری در دسترس نیست، هزینه تجهیزات سیتومتری پیچشی مغناطیسی در دسترس نیست، هزینه تجهیزات رئومتری خطی با تحرک پیزوالکتریک در دسترس نیست، هزینه جریان اولتراسوند یک‌بعدی هزینه کشش 1-بعدی ضروری است، تجهیزات لازم است. محدودیت‌های تکنیک‌های جایگزین: این ابزار طراحی به محدود کردن تکنیک‌های آزمایشی ممکن کمک کرد. 27

میکرورومتری تله لیزری خواص مکانیکی محلی را با یک تله لیزری مادون قرمز و یک اسکنر گالوانومتری اندازه گیری می کند (Velegol، 2001).

سیتومتری پیچشی مغناطیسی از یک میدان مغناطیسی برای چرخش دانه های فرومغناطیسی کوچک در ژل استفاده می کند و چرخش زاویه ای گشتاور اعمال شده را اندازه گیری می کند تا محاسبات پارامترهای خاص را امکان پذیر کند (باتلر، 1998). رئومتری خطی تحریک شده با پیزوالکتریک سودمند است زیرا از یک کنسول برای اعمال تنش برشی نوسانی به نمونه ژل در یک محیط هیدراته استفاده می کند (پارسونز، 2002). در نهایت، روش الاستیسیته اولتراسوند شامل یک تنظیم مبدل پیچیده است که فشرده سازی تک محوری را بر روی نمونه آزمایش انجام می دهد (چن، 1996). در نهایت مشخص شد که چهار روش میکروسکوپ نیروی اتمی، فرورفتگی توپ، کشش تک محوری و رئولوژی مناسب ترین هستند. فصل روش شناسی زیر این گزارش مزایای هر یک از این چهار تکنیک را برجسته خواهد کرد. برای انجام وظایف پروژه، تیم یک نمودار مورفولوژیکی ایجاد کرد تا راه های ممکن برای به دست آوردن تمام اطلاعات لازم برای آنچه پروژه باید برآورده کند را نشان دهد. یک نمودار مورفولوژیکی برای کمک به تیم برای ارزیابی روش‌های مشخص کردن خواص ژل‌های پلی آکریل آمید با نمایش عملکرد و میانگین پروژه استفاده می‌شود. توابع تعریف می کنند که پروژه باید چه کاری انجام دهد، در حالی که ابزار راه های ممکنی را که تیم می تواند به عملکردهای خاص دست یابد را روشن می کند. 28

تابع ابزار ممکن اندازه گیری کشش رئولوژی تورفتگی توپ AFM کشش تک محوری نسبت پواسون را به دست آورید

تکنیک تنش تک محوری تعیین تکرارپذیری تکنیک اندازه توپ برای تکنیک فرورفتگی توپ انواع صفحات بین رومتری انواع صفحات برای رئومتری انواع تکنیک های حلقوی نتایج تجزیه و تحلیل محلی نتایج مقایسه AFM و فرورفتگی توپی مقایسه رئولوژی و تست کشش تک محوری تعیین محدوده مقادیر سختی قابل اعتماد برای غلظت مشخص از نتایج قابل اعتماد تعیین شده از روش AFM، رئولوژی، فرورفتگی توپ و تکنیک تست کشش تک محوری برای ارزیابی محدوده سختی برای یک غلظت خاص استفاده کنید. جدول 2 : نمودار مورفولوژیکی ابزارهای ممکن برای ارضای عملکرد پروژه را تعیین می کند. پس از استفاده از این فرآیند طراحی، تصمیم گرفتیم از چهار تکنیک فرورفتگی توپ، AFM، تست کشش تک محوری و رئولوژی استفاده کنیم. این تکنیک ها همگی قادر به تعیین مدول یانگ ژل های پلی آکریل آمید هستند و هر کدام مزایای منحصر به فرد خود را دارند. برای مثال، روش تست کشش تک محوری قادر به اندازه‌گیری مقدار نسبت پواسون است، در حالی که تکنیک‌های فرورفتگی توپ و AFM قادر به تعیین کمیت خواص در مقیاس محلی هستند. در پایان، ما به این نتیجه رسیدیم که مشتریان ما بیشتر به یافتن یک تکنیک قابل اعتماد به جای به حداکثر رساندن محدوده غلظت های آزمایش شده علاقه مند هستند. 29

روش شناسی فصل زیر قصد دارد جزئیات روش های آزمایشی چهار تکنیک آزمایش مورد استفاده در این تحقیق را برای تعیین کمیت خواص مکانیکی ژل های پلی آکریل آمید بیان کند

هر تکنیک به صورت جداگانه توضیح داده می شود و به تشریح تنظیمات مورد نیاز، مراحل انجام شده برای جمع آوری داده ها و محاسبات مورد استفاده برای تولید نتایج می پردازد. منابع تنوع با کنترل شرایط محیطی (دما، رطوبت و هیدراتاسیون ژل) در تلاش برای حفظ ثبات برای تجزیه و تحلیل نتایج حذف شدند. برای اطمینان از غلظت یکنواخت ژل در طول فرآیند آزمایشی دنبال شد.

ژل های پلی آکریل آمید مورد استفاده در این تحقیق از محلول های استوک آکریل آمید و N, N’-methylenebisacrylamide تشکیل شده است.

محلول ها هر دو از شرکت Bio-Rad بدست آمدند و با آب مقطر و 1 مولار هپس (PH 8.5) به غلظت های مناسب رقیق شدند: 40% وزن/حجم برای آکریل آمید و 2% وزن/حجم برای بیساکریل آمید. پس از تهیه یک محلول خوب مخلوط شده طبق پروتکل ذکر شده در ضمیمه 10.2، مخلوط باید گاز زدایی شود تا پلیمریزاسیون کافی فراهم شود. در نهایت، 10% پرسولفات آمونیوم و TEMED (N,N,N,N-tetramethylethylenediamine) برای القای پلیمریزاسیون به محلول اضافه می شود. پس از ریخته‌گری ژل‌ها به شیوه‌ای مناسب، که بیشتر در بخش روش‌شناسی این گزارش مورد بحث قرار گرفت، ژل‌ها در دمای 4 درجه سانتی‌گراد در هپس 50 مولار ذخیره می‌شوند (وانگ و همکاران، 2002). پروتکل اصلی برای ساخت ژل های ضخیم 70 میکرومتر لازم برای AFM در نظر گرفته شده بود.

بنابراین، تغییرات جزئی در مرحله پلیمریزاسیون پروتکل برای هر تکنیک فردی ضروری بود. سه تکنیک فرورفتگی توپ، تست کشش تک محوری و 30

رئولوژی به ژل های بسیار ضخیم تری نیاز داشت.

پروتکل ارائه شده توسط وانگ و همکاران. پیشنهاد می‌کند که ژل‌ها را بین یک لام شیشه‌ای فعال و یک لغزش پوشش شیشه‌ای ریخته شود. گاز زدایی محلول و پوشاندن ژل در طول پلیمریزاسیون ضروری است زیرا اکسیژن به عنوان یک پاک کننده رادیکال های آزاد عمل می کند و پلیمریزاسیون را مهار می کند. پلیمریزاسیون ناکافی منجر به خواص مکانیکی ناسازگار و نادرست در طول آزمایش می شود. در تلاش برای حذف منابع تجربی خطا، پلیمریزاسیون ژل ها در بین دو صفحه شیشه ای با یک محلول بزرگ از محلول آکریل آمید/بیس کامل شد. محفظه به دو صفحه شیشه ای موازی، استاپ لاستیکی، پارافیلم و ژل آگارز نیاز داشت. دو اسپیسر لاستیکی در بین صفحات شیشه ای قرار داده شد و کف آن با ژل آگارز 1% و پارافیلم مهر و موم شد تا از نشت محلول ها از محفظه جلوگیری شود. از گیره های بایندر برای بستن و مهر و موم کردن صفحات شیشه ای در برابر اسپیسرهای لاستیکی و ژل آگارز استفاده شد. به جای ساختن 5 میلی لیتر محلول سنتی، سیستم ژل سازی جدید به 180 میلی لیتر محلول نیاز داشت. ابعاد شکاف بین دو صفحه شیشه ای را می توان در شکل 7 مشاهده کرد. شکل 7: روش پلیمریزاسیون صفحه شیشه ای: جدا کننده های لاستیکی در طرفین و ژل آگارز در قسمت پایین مانع از نشت محلول شدند.

برای اطمینان از مخلوط شدن خوب محلول، محلول آکریل آمید قبل از گاززدایی به مدت پنج دقیقه روی صفحه همزن قرار داده شد.

علاوه بر این، پس از گاززدایی، محلول یک بار دیگر به هم زده شد و پرسولفات آمونیوم و TEMED اضافه شد. محلول به سرعت در شکاف بین صفحات شیشه ای ریخته شد و به دلیل افزایش حجم ژل به مدت یک ساعت اجازه داده شد تا جامد شود. ورق ژل پلی آکریل آمید حاصل، که در شکل 8 مشاهده می شود، سپس به سادگی با قیچی به نمونه های ژل کوچکتر بریده شد. شکل 8: ورق ژل پلی آکریل آمید: ورق بزرگ اجازه می دهد تا چندین نمونه در شرایط یکسان با ضخامت نمونه برابر ساخته شود. به منظور برآوردن الزامات خاص چهار تکنیک، تغییرات جزئی در پروتکل ذکر شده در بالا انجام شد. روش‌شناسی تکنیک زیر این تغییرات خاص و استدلال پشت آن‌ها را پوشش می‌دهد. هر گونه تعدیل در پروتکل فوق با احتیاط انجام شد تا بر خواص کلی ژل مورد آزمایش تأثیری نگذارد فرورفتگی توپ هدف از آزمایش فرورفتگی توپ ارزیابی تأثیر قطر توپ بر مقادیر سفتی نسبی بود. این رویکرد از شکاف مشاهده شده در تحقیقات انجام شده توسط دکتر وانگ به دست آمده است. این تغییر با انجام آزمایش با سه توپ فولادی با قطرهای مختلف (0.64 میلی متر، 1 میلی متر و 2 میلی متر در قطر) به دست آمد. تمام اجزای دیگر (مواد چگالی و پولیش) توپ ها به منظور حذف متغیرهای تجربی برابر شدند.

یک میکروسکوپ معکوس با یک میکرومتر متصل برای ایجاد فواصل مختلف در جهت z استفاده شد.

دو ژل پلی آکریل آمید در غلظت های مختلف به طور همزمان ساخته شد تا تمام تغییرات آزمایشی ممکن (شرایط اتاق و زمان مجاز برای گاززدایی و پلیمریزاسیون) حذف شود. بلافاصله پس از زمان پلیمریزاسیون، هر ژل با محلول HEPES 50 میلی متری غوطه ور شد تا هیدراتاسیون برای تورم مداوم پلی آکریل آمید حفظ شود. بخش 5.1 یک پروتکل دقیق از آماده سازی پلی آکریل آمید ارائه می دهد. یکی از اصلاحات شامل ساخت ژل با ضخامت 1.75 میلی متر به جای ضخامت 3.45 میلی متر است تا محدودیت های میکروسکوپ را در خود جای دهد. آزمایش نیاز به حذف محلول بافر HEPES به منظور حذف نیاز به گنجاندن متغیرهای شناوری در محاسبات نیروی اعمالی داشت. محلول بافر اطراف فقط از ژل مورد آزمایش خارج شد تا دو ژل دیگر مرطوب باقی بمانند. این مرحله با اجازه دادن به تمام محلول برای خارج شدن آزادانه از سطح ژل انجام شد تا شرایط آزمایش رضایت‌بخشی را در زمانی که هیچ فیلم مایع قابل رویتی روی سطح وجود نداشته باشد، فراهم کند. با شروع با توپ 0.64 میلی متر، ده اندازه گیری بر روی ژل از هر غلظت (5/0.025٪ و 8/0.08٪) انجام شد. هنگامی که 10 اندازه گیری روی ژل اول انجام شد، در حالی که ژل بعدی آزمایش شد، دوباره در HEPES 50 میلی متری قرار می گیرد. در نهایت، هر نمونه ژل با هر یک از سه توپ استفاده شد. اثرات خشک کردن ژل به طور کامل درک نشده است، به همین دلیل است که ثبات در طول آزمایش برای حذف این عامل حفظ شد. به دلیل تنوع زیاد با اندازه گیری دستی نقاط کانونی، اندازه گیری های متعددی انجام شد. هدف تعیین فاصله ای بود که پایین توپ از سطح بالایی ژل در یک محدوده ثابت از بیش از 20 مکان مختلف در 33 قرار داشت.

ژل

در ابتدا این فرآیند به عنوان فاصله از سطح بالایی ژل تا نقطه ای که در هنگام حرکت دادن نقطه کانونی بیشتر به داخل ژل دیگر قابل مشاهده نبود، در نظر گرفته می شد. پس از ارزیابی مشخص شد که این روش اندازه گیری دقیق کف توپ را ارائه نمی دهد. در عوض، اندازه گیری انجام شده نسبت به پراش نور از طریق ژل و اطراف توپ روی سطح ژل بود. به منظور رفع این مشکل، یک روش اندازه گیری جدید اجرا شد. در ابتدا، بالای سطح ژل متمرکز شد و میکرومتر صفر شد.

این کار با تمرکز لنز بر روی نواقص سطح ژل انجام شد. این بخش از اندازه‌گیری را می‌توان برای بسیاری از تغییرات در مقادیر فرورفتگی اندازه‌گیری شده نسبت داد، زیرا ذرات روی سطح ژل می‌توانند با درک موقعیت سطح ژل تداخل داشته باشند. مهم این بود که اندازه‌گیری سطح حداقل یک قطر از لبه بیرونی توپ فاصله داشته باشد تا برای چسبندگی ژل به سطح توپ مناسب باشد. مرکز توپ دومین اندازه گیری برای تعیین موقعیت عمودی شعاع توپ بود. مرکز به عنوان نقطه ای تعیین شد که در آن پرتو نور کاملاً دایره ای با بیشترین شدت در اطراف لبه قابل مشاهده توپ است.

با حرکت اندکی لنز به سمت بالا یا پایین، یک تغییر واضح در نور متمرکز وجود داشت که این اندازه گیری را نسبتاً ثابت می کرد و برای در نظر گرفتن محدوده فوکوس لازم بود. این محدوده شامل انحراف معیاری است که در نتایج به‌دست‌آمده و در نتیجه تغییرات ایجاد شده توسط چشم انسان مشاهده می‌شود. این محدوده در ابتدا 40 میکرومتر بود اما از طریق آزمایش گسترده به تقریباً 20 میکرومتر کاهش یافت. محاسبه فرورفتگی با معادله زیر انجام شد که در آن Ms موقعیت عمودی سطح ژل اندازه گیری شده، R مقدار شعاع شناخته شده توپ و Mc برابر با 34 است.

مقدار اندازه گیری ارتفاع مرکز.

یک تصویر دقیق از این موقعیت های اندازه گیری در شکل 9 ارائه شده است. تورفتگی (d) = R (M c Ms) معادله 9 شکل 9: نمای شماتیک اندازه گیری های مورد نیاز برای محاسبه عمق فرورفتگی نهایی را نشان می دهد.

این مقدار تورفتگی برای محاسبه نهایی مدول یانگ مورد نیاز است. مقادیر به دست آمده از طریق معادله 9 برای محاسبه مدول یانگ با استفاده از معادله 1 استفاده شد همانطور که قبلا در این مقاله توضیح داده شد میکروسکوپ نیروی اتمی تفاوت در تهیه ژل پلی آکریل آمید برای میکروسکوپ نیروی اتمی از پروتکل ارائه شده توسط دکتر یو-لی وانگ (پیوست) 10.2) این است که برای نصب ژل به یک لغزش پوشش شیشه ای نیاز است.

شیشه با اعمال پوشش های مختلف، که در پروتکل توضیح داده شده است، فعال می شود. اندازه نسبی سر اسکن AFM استفاده از ظرف پتری را برای حاوی ژل پلی آکریل آمید در طول آزمایش ممنوع می کند. یک لغز پوشش فعال تقریباً سه سانتی متر قطر دارد و به عنوان سکوی نصب برای نمونه ها استفاده می شود. برخلاف پتری دیش، این لغزنده های فعال شده صاف هستند و با سلول مرطوب یا هد اسکن روی AFM تداخلی ندارند. خود لغزش‌های پوششی هنوز نیاز به فعال‌سازی دارند، که با مراحل یک تا شش پروتکل دکتر وانگ مرتبط است.

هنگامی که غلظت خاصی از پلی آکریل آمید ایجاد شد، تقریباً 200 میلی لیتر روی لغزش پوشش فعال شده با استفاده از یک پیپت انتقال قرار می گیرد. یک پوشش دایره ای یا مربعی کوچکتر روی ژل 35 قرار می گیرد

در حین پلیمریزاسیون برای صاف شدن ژل و دادن ضخامت یکنواخت به آن.

ژل پلی آکریل آمید با سمت فعال پوشش روکش به سمت پایین پلیمریزه می شود و پس از پلیمریزاسیون ژل حذف آسان می شود. برای به دست آوردن داده های دقیق با AFM، کنسول و نوک باید به خوبی تعریف شوند. بدون دانستن سفتی کنسول یا شعاع نوک، مدول یانگ را نمی توان با استفاده از اصول مکانیک هرتزی محاسبه کرد. برای هر پروب، سفتی و خواص اندازه باید اندازه گیری شود. مشخص است که داده های سازنده در مورد کاوشگر همیشه دقیق نیستند و نتایج به شدت به این ویژگی ها بستگی دارد. ابتدا فرکانس تشدید با راندن کنسول در حالت غیر تماسی اندازه گیری می شود. در حالی که در حالت غیر تماسی، پروب در بالای نمونه در طیف وسیعی از فرکانس ها نوسان می کند. پاسخ لیزر پیک های جابجایی را با تغییر فرکانس ها نشان می دهد. فرکانس رزونانس (vk) حداکثر پیک جابجایی اندازه گیری شده خواهد بود. این مقدار بعداً برای استخراج سفتی کنسول استفاده می شود. بر اساس تحقیقات دکتر برنهام، یکی از کارآمدترین راه ها برای به دست آوردن ثابت فنر یک کنسول، روشی است که به عنوان کالیبراسیون حرارتی شناخته می شود. مقایسه تکنیک‌های کالیبراسیون مختلف که همگی نتایجی در حدود 17 درصد از سختی اسمی سازنده را توسط کالیبراسیون حرارتی حاصل از محقق به دست آوردند، استفاده آسان‌تر بود و دامنه وسیعی از کاربرد داشت (Burnham et al, 2003). کالیبراسیون حرارتی از قضیه برابری نشات می‌گیرد و از همبستگی بین دما و انرژی برای اندازه‌گیری ویژگی‌های کنسول استفاده می‌کند. با توجه به فیزیک آماری، دما یک نوسان جزئی را در یک جسم فراخوانی می‌کند، در این مورد کنسول AFM، که در معادله 10 توضیح داده شده است. معادله زیر: vk 36