Editorial Feature

拉曼光谱:分析水凝胶的潜力

水凝胶的巨大吸水能力使其成为包括工程和生物技术在内的许多领域的令人兴奋的材料。 可以设计“智能”水凝胶,通过改变水凝胶的环境条件(例如施加电压)来调整它们的水结合特性。

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水凝胶是可以吸收和保留大量水分的材料。为了实现这一点,水凝胶具有强亲水性的三维网络结构,并为结合水创造了一个大的、有吸引力的表面积。水凝胶材料可以是结晶的、无定形的或半结晶的,底层的聚合物结构对水凝胶材料的性能至关重要。

水凝胶最广泛使用的应用可能是隐形眼镜制造,其中材料的高含水量有助于避免佩戴时眼睛表面干燥。

水凝胶的其他医学应用包括伤口敷料和药物输送。对于伤口敷料,水凝胶聚合物具有透氧性,可以帮助吸收从伤口渗出的液体和细胞。

它们还可以提供防腐作用以防止感染并帮助维持伤口部位的液体平衡以促进愈合。

水凝胶的光谱学

由于聚合物的结构是水凝胶性能的关键,因此可以评估聚合物链的化学组成和排列的分析技术对于新水凝胶的分析和开发是必要的。

理想情况下,水凝胶的多孔网络结构将根据应用进行定制,以确保它可以去除正确的废物并提供最佳的水分含量。

这样做意味着需要使用高级表征技术。

拉曼光谱一直是制药和化学制造的主力技术之一。这是一种出色的定量和定性技术,可以恢复有关溶液和固体中分子的化学特性和键合结构的信息。

拉曼光谱的一个优点是它是一种无标记技术,因此需要最少的额外样品制备来进行测量。

它还可以在未受干扰的状态下测量系统,而不会因相互作用和与标记物质的结合而产生任何潜在的失真。

水凝胶在重水环境中很常见,而红外区的强溶剂响应会使红外吸收光谱具有挑战性。拉曼光谱通常受到来自溶剂的较少光谱干扰。

然而,水凝胶上的拉曼光谱有几个缺点,迄今为止,这些缺点限制了它对这些材料的吸收。 其中主要的一个是样品在用激光进行光激发后产生的大荧光信号。

由于拉曼效应相对较弱,较大的荧光背景可以淹没较小的拉曼信号。

不幸的是,在入射激光波长的选择方面也需要做出具有挑战性的折衷。

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虽然较短的波长会产生更强的拉曼信号,但它们通常会产生更大的荧光背景并导致更差的对比度。

升级拉曼光谱

规避与传统稳态拉曼光谱相关挑战的一种方法是执行光学克尔门测量。

克尔门拉曼测量利用了荧光和拉曼信号之间的寿命差异。

光学克尔门拉曼光谱使用皮秒或更短的激发脉冲工作。

探测器不是连续记录,而是设置为仅在激光脉冲本身期间记录信号。

这是抑制来自荧光或环境光的任何背景信号的极好方法,但需要足够快的电子通信速度,以便可以在相对较短 (< 1 ns) 的时间范围内触发和记录检测器。

虽然光学克尔门拉曼已用于实验室环境,但设备的复杂性和相对庞大的装置尺寸限制了它在专家组之外的使用。

然而,使用时间门控单光子雪崩光电二极管 (SPAD) 的最新进展可能会将这项技术带给更广泛的受众。4

水凝胶上的克尔门拉曼

研究小组能够使用时间分辨 SPAD 传感器来研究两种物质(甲硝唑和维生素 C)在特定水凝胶中的扩散特性,并作为不同底物浓度的函数。

通过获得无背景拉曼光谱和荧光寿命,研究人员可以研究药物是否在水凝胶的某些点结合或发生某种类型的降解。

所有这些信息都可用于绘制水凝胶中底物的扩散路径,并恢复有关可能的相互作用和药物释放时间尺度的信息。

水凝胶的水性使它们成为一种吸引人的药物递送系统,因此了解其结构中药物释放机制的新工具对于该领域的进一步发展非常重要。  

光学克尔门拉曼光谱是一种令人难以置信的通用技术。这是因为它是无标记的,而且拉曼对不同分子的振动结构具有极好的灵敏度。

大多数分子具有特征性的“指纹”光谱,因此可适用于其他水凝胶/底物组合,因此具有作为制药行业机理研究工具的巨大潜力。

随着检测器电子设备和通信速度的不断提高和系统的进一步简化,克尔门拉曼可能成为一种更常见的水凝胶监测方式。

参考资料和进一步阅读

艾哈迈德, E. M. (2015)。水凝胶:制备、表征和应用:综述。高级研究杂志,6(2),105-121。 //doi.org/10.1016/j.jare.2013.07.006

Balakrishnan, B.、Mohanty, M.、Umashankar, P. R. 和 Jayakrishnan, A. (2005)。基于氧化海藻酸盐和明胶的原位形成水凝胶伤口敷料的评价。生物材料,26(32),6335-6342。 //doi.org/10.1016/j.biomaterials.2005.04.012

Zini, J., Kekkonen, J., Kaikkonen, V. A., Laaksonen, T., Keränen, P., Talala, T., Mäkynen, A. J., Yliperttula, M., & Nissinen, I. (2021)。通过结合时间分辨拉曼光谱和荧光光谱法研究纳米原纤维纤维素水凝胶中的药物扩散率。受控释放杂志,334(二月),367-375。 //doi.org/10.1016/j.jconrel.2021.04.032

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丽贝卡·英格尔,博士

撰稿人

丽贝卡·英格尔,博士

Rebecca Ingle 博士是超快光谱学领域的研究员,她擅长使用 X 射线和光谱学来精确跟踪光触发化学反应过程中发生的情况。

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