成果速递|亚微米空间分辨同步IR + Raman光谱成像分析 PLA/PHA生物微塑料薄片

    来源于石油中的塑料产品已经成为现代生活不可分割的一部分，它们性能优异，用途广泛且相对便宜，但同时也引发了人们对于塑料垃圾在环境中累积问题的担忧，迫使我们尽快采取行动探索替代传统塑料的新型材料。生物塑料, 如聚乳酸(PLA)和聚羟基烷酸酯(PHA)等均来源于天然资源（如糖，植物油等），它们在适当条件下可发生生物降解，因此其制成的产品即使不小心泄漏到环境中，也不会像传统塑料一样长期残留在土壤和水道中，而是Z终回归自然，安全而又环保。

    虽然典型的PLA和PHA在分子层面上基本不混溶，但得益于其优异的相容性，它们可以以不同比例形成复合材料，创造出许多性质迥异的功能材料。为了更好地理解这两种材料在微观上的相互作用，美国特拉华大学Isao Noda教授课题组与Photothermal Spectroscopy Corp公司合作，利用基于光学光热红外技术（O-PTIR）的新一代非接触亚微米分辨红外拉曼同步测量系统mIRage（图1）对PLA和PHA的复合薄片进行红外拉曼同步成像分析，探究这两种材料结合的方式和内在机理。

图1. 非接触亚微米分辨红外拉曼同步测量系统—mIRage结构示意图

    光学光热红外技术(O-PTIR)是一种新兴的光谱分析技术，可以提供几百纳米尺度上高空间分辨的振动光谱，且远低于传统红外显微镜的衍射极限（~10-20 μm）。在O-PTIR光谱学中，高频率调制下的强红外光束源，如量子级联激光器(QCL)，用于照射样品。当红外光束波数与样品分子振动频率相匹配时，红外光被吸收，能量被转化为热。当被激发的分子回到基态时，温度会以光源调制的频率发生波动，从而引发相应的体积变化(光声效应)和折射率变化(光热效应)。这些信号可被具有远低于传统红外源空间衍射极限的高度聚焦的可见激光束所探测，同时在同一位置上伴随O-PTIR信号产生一个拉曼散射信号，从而实现真正的同时红外吸收和拉曼散射测量，并具有亚微米级的空间分辨率。

    O-PTIR作为一种新型的光谱技术，具有传统FTIR显微镜不可比拟的优点，并克服了许多限制。首先，O-PTIR可以提供空间分辨率约为500 nm的红外谱图，远远超过了典型的红外衍射极限空间分辨率，且不依赖于入射红外波长。更重要的是，它能够以反射/非接触(远场)工作模式简单快速的生成高质量的类似于FTIR的谱图，从而避免了制备样本薄切片的必要，且光谱与商用FTIR数据库搜索完全兼容和可译。另外，即使样品中包含易产生荧光干扰的组分（压制拉曼信号或造成其饱和），O-PTIR的可调制信号收集特性也确保它完全不受任何荧光的影响。IR和Raman在O-PTIR方法的结合下，可以充分利用这两种互补性技术的优势，实现同步的红外吸收和拉曼散射测量，并相互印证。

    该工作中，作者首先对这PHA和PLA的结合面进行了固定波数下的红外成像（图2）。通过对比可以发现，在约330 nm的范围内（空气/PHA界面）1725 cm-1处的红外信号出现了急剧的下降，而在PHA/PLA界面处几微米范围内1760 cm-1处的变化较为平缓，且无清晰的边界，表明PHA和PLA可能有某种程度的分子混合。由于使用O-PTIR技术，不存在困扰传统红外成像设备的米氏散射效应，因此能够确定这一模糊的边界是来自于两种材料间的相互渗透而非光学伪影。

图2. 使用O-PTIR技术实现PLA和PHA在固定波数下的红外成像。（A）红外成像图（红色1725 cm^-1为PHA；绿色1760 cm^-1 为PLA）；（B）A图中黑色线性区域PHA/PLA红外吸收强度分布对比

    为了进一步研究PHA/PLA界面处的化学成分变化，作者对这大概2 μm左右交界面的红外图谱进行了间隔200 nm的线性红外扫描分析（图3）。从羰基（C=O）伸缩振动区和指纹区（图3 A和B）的线性扫描红外谱图可以清晰的区分PHA（1720和1740 cm^-1）和PLA分子（1750-1760 cm^-1）。区别于理想的简单二元系统（不互溶或无分子相互作用），PHA/PLA薄片羰基伸缩振动红外叠加图谱（图3 C）并不存在一个明显的等吸收点，反映了在界面区域存在着复杂的组分变化及两种以上不同物种的分布。

图3. PHA/PLA界面区域每200 nm间隔的羰基伸缩振动区域（A）和指纹图谱区域 (B) 以及羰基区域伸缩振动的叠合O-PTIR图谱(C)

    为获取更详细的界面处PHA/PLA组分的空间分布规律，同步和异步二维相关光谱(2D-COS，two-dimensional correlation spectroscopy)被用来分析羰基拉伸区域采集到的红外谱图（图4A和4B），并以等高线的图形式展现，详细的分析方法可以参考相关信息（Combined Use of KnowItAll and 2D-COS, https://www.youtube.com/watch?v=0UCcD3irVtE）。结果显示，在主要为PHA的混合界面区域同时观测到来源于PLA的1760 cm^-1红峰外，表明部分PLA渗透到PHA层，且与PHA层的其余部分相比，界面附近的PHA结晶度明显降低。在对指纹图谱区域进行2D PHA/PLA相关光谱同步和异步对比时，也得到了同样的结果（可参照发表文章，在此不再显示）, 即PLA向PHA渗透，且PHA的晶型有所改变。另外，作者还通过O-PTIR技术对该区域进行了同步红外和拉曼分析（图4C），两者选择性和灵敏度不同却可以很好的互补，进一步验证了这一发现的可靠性。结果证实，即使是表面上不混相的PHA和PLA聚合物对，也存在一定程度的分子混合，这种混合可能发生在界面只有几百纳米的空间水平上，很好的解释了这两种生物塑料之间的高度相容性。

图4.  PHA/PLA羰基伸缩振动区域二维同步(A)和异步(B)相关光谱（2D-COS）分析以及交界区域同步O-PTIR红外和拉曼光谱分析（左为红外，右为拉曼）

参考文献：

[1] Two-dimensional correlation analysis of highly spatially resolved simultaneous IR and Raman spectral imaging of bioplastics composite using optical photothermal Infrared and Raman spectroscopy，Journal of Molecular Structure， DOI: 10.1016/j.molstruc.2020.128045.

题：The mIRage IR+Raman Dual Channel Microspectroscopy: Particle and Contamination Analysis

[报告简介]

    颗粒物无处不在，气溶胶、PM2.5、灰尘、棉絮、污染物、微塑料、药物粉末和化学残留物对生活的方方面面都有着很大的影响。对这些微粒的积极识别有助于确定它们在人体内的潜在影响，并可以揭示这种物质的来源，作为未来消除这种影响的一步。

    然而，识别单个粒子的化学组成对分析科学提出了重大挑战，因为颗粒物的尺寸通常比红外光的波长更小。传统较弱的红外光源加上小于10 µm的颗粒尺寸，会导致明显的光谱噪声，难以进行有效的组成识别。更加复杂的是，小颗粒锐利边缘的散射像差会导致红外峰的漂移和异常的带形状。这些困难大大降低了人们正确解释小粒子红外光谱结果的信心。通常认为，传统的FTIR仅可以可靠地分析大于20 µm的粒子。尽管使用了新型红外激光器（如QCL激光器），小颗粒的红外吸收变化仍然很小，实际的空间分辨率在5 ~ 20微米之间, 而由于散射像差引发的数据和光谱信息的可译性差也未能得到改善。

    PSC (Photothermal Spectroscopy Corp. )公司新发布的mIRage亚微米IR+Raman显微镜将独特的光学光热红外(O-PTIR)技术与同步拉曼光谱技术相结合，直接解决了上述挑战。该系统利用固定波长的探测光束直接感应材料的光热变化，从而提供可靠的红外吸收光谱。这种方法对小到几百纳米的粒子提供了较高的灵敏度。尽管粒子直径很小，这些光谱的红外吸收带不含任何散射像差，并可在常规红外数据库中搜索来实现快速的未知物种鉴定。另外同步拉曼显微镜为O-PTIR光谱在同一位置、同一时间、同一分辨率下提供了补充和验证的结果。这一独特的功能只需简单的鼠标点击，即可提供无与伦比的物种识别信心，并显著节省时间，从获得两个独立的光谱数据通道。

    在这次研讨会中，Mike Lo博士将深入探讨基于O-PTIR技术的mIRage显微光谱和IR+Raman技术, 并结合几个具体的应用案例，来探讨它们在分析颗粒物方面的显著优势。我们诚挚欢迎各位前来Quantum Design北京实验室进行mIRage红外+拉曼同步测量系统样机的参观和使用。

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[主讲人介绍]

Michael K. Lo  博士

美国加州大学洛杉矶分校获得化学和生物分子工程博士学位，并获得项目管理专业认证 (PMP)。目前是美国PSC公司亚太地区应用和业务发展经理，拥有15年以上的仪器相关经验，涉及从IR/Raman, AFM和电子显微镜到材料合成和聚合物组成调配等研究领域。他在超越传统光学衍射极限的红外仪器的开发和应用方面有着丰富的经验。

[报告时间]

开始  2020年07月24日  14:00

结束  2020年07月24日  15:00

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[直播好礼]

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引言

Z新动态

图文导读 

相关参考 

    近年来，范德瓦尔斯（vdW）材料中的表面极化激元(SP)研究，例如等离极化激元、声子极化激元、激子极化激元以及其他形式极化激元等，受到了广大科研工作者的关注，成为了低维材料领域纳米光学研究的热点。其中，范德瓦尔斯原子层状晶体存在独特的激子极化激元，可诱导可见光到太赫兹广阔电磁频谱范围内的光学波导。同时，具有较强的激子共振可以实现非热刺激（包括静电门控和光激发）的光波导调控。

    前期的众多研究工作表明，扫描近场光学显微镜（SNOM）已经被广泛用于稳态波导的可视化表征，非常适合评估范德瓦尔斯半导体的各向异性和介电张量。 如上所述，范德瓦尔斯材料中具有异常强烈的激子共振，这些激子共振能产生吸收和折射光谱特征，这些特征同样被编码在波导模式的复波矢量qr中，鉴于范德瓦尔斯半导体在近红外和可见光范围内对ab-平面的光学极化率有重大影响，因此引起了人们的研究兴趣。

    2020年7月，美国哥伦比亚大学Aaron J. Sternbach和D.N. Basov教授等研究者在Nature Communications上发表了题为：”Femtosecond exciton dynamics in WSe₂ optical waveguides”的研究文章。研究者以范德瓦尔斯半导体中的WSe₂材料为例，利用德国neaspec公司的纳米空间分辨超快光谱和成像系统，通过飞秒激光激发研究了WSe₂材料中光波导在空间和时间中的电场分布，并成功提取了飞秒光激发后光学常数的时间演化关系。同时，研究者也通过监视波导模式的相速度，探测了WSe2材料中受激非相干的A-exciton漂白和相干的光学斯塔克（Stark）位移。                                                                原文导读：

①    在纳米空间分辨超快光谱和成像（tr-SNOM）实验中（图1，a），研究者首先将Probe探测光（蓝色）照到原子力显微镜（AFM）探针JD的顶点上，从探针JD顶点（光束A）散射回的光被离轴抛物面镜（OAPM）收集并发送到检测器。同时，WSe₂材料的中的波导被激发并传播到样品边缘后，进而波导被散射到自由空间（光束B）。第二个Pump泵通道（红色）可均匀地扰动样本并改变波导的传播。 通过在WSe₂/SiO₂界面处的近场tr-SNOM的振幅图像（图1b）可明显观察到约120 nm厚WSe₂材料边缘（白色虚线）处形成的特征周期条纹—光波导电场分布。研究者进一步通过定量分析数据，分别获取了稳态和光激发态下，WSe₂中波导的光波导的相速度q1,r和q1,p。

图1：纳米空间分辨超快光谱和成像系统对WSe₂材料中光波导的纳米成像结果。

a:实验示意图（蓝色为Probe光，红色为Pump光）；b：近场纳米光学成像 c: 在稳态下，WSe₂边缘的近场光学振幅图像；d: 光激发态下，延迟时间 Δt=1ps的WSe₂边缘的近场光学振幅图像；e: 分别对c、d进行截面分析，获取定量数据。Probe探测能量，E=1.45 eV

②    研究者通过变化Probe探测能量范围（1.46–1.70 eV）及其理论计算成功获取了WSe₂晶体稳态下的色散关系和理论数据显示A-exciton所对应的能量。

图2：WSe₂晶体稳态动力学的时空纳米成像研究。

a: 不同Probe能量的近场光学振幅；b: 傅里叶变换（FT）分析; c:  Lorentz拟合的WSe₂块体材料介电常数面内组成；d: 基于Lorentz模型理论计算的能量动量分布（吸收光谱）。Probe探测能量，E 1.46–1.70 eV。

③    为了进一步研究光激发下WSe₂中波导的色散和动力学，研究者进一步在90 nm的WSe₂材料上，通过探测能量E = 1.61 eV，泵浦能量E = 1.56 eV，泵浦功率1.5 mW的实验条件进行了一列的纳米空间分辨超快光谱和理论研究。研究结果表明（图3a,b），研究者成功获取到了不同延迟时间Δt与δq2和δq1的关系。结果表明：光激发后的DY个ps内，虚部q2（图3a）突然下降（δq2<0）并迅速恢复。另一方面，理论计算结果（图3，c）显示了在A-exciton附近（黑色虚线箭头），初始能量Ex处，稳态（黑色虚线）和激发态A-exciton能量Ex’（蓝色箭头）分别的色散关系。

    为了弄清各种瞬态机制，微分色散关系被研究者引入。首先，研究者定义了微分关系：δqj=qj,p – qj,r，（j=1,2 分别代表波矢的实部和虚部，p, pump激发态，r 稳态）。研究者的理论及实验微分色散关系结果（图3 d、e）成功显示了光诱导转变中A-exciton的动力学行为。结果表明：A-exciton附近微分色散的特征是由两个伴随效应引起的：（i）仅在Δt=0时观察到的A-exciton的7 meV蓝移； （ii）A-exciton的漂白（定义为光谱频谱展宽和/或振荡强度降低（见图3d）。 趋势（i）在1 ps内恢复，与YZ耗散的动力学一致（图3a）。因此，研究者得出结论，A-exciton共振的瞬态蓝移是由于相干的光诱导过程所引起。 趋势（ii）持续时间更长，因此归因于非相干激子动力学。

图3：WSe₂中波导模的微分色散和动力学研究。

a: δq2与Δt曲线；b: δq1与Δt曲线;  c: 平衡和非平衡条件下洛伦兹模型计算的色散关系；d: 理论微分色散关系；e: 实验微分色散关系

    综上所述，波导的瞬态纳米超快成像使我们能够以亚皮秒（ps）时间分辨率来量化光诱导变化的WSe2光学特性。研究者在WSe2上成功观察到了光诱导相速度的大幅变化，这表明所观察到的效应可能在范德瓦尔斯半导体中普遍存在。此外，研究者的研究结果表明，我们可以按需调谐范德瓦尔斯半导体的光学双折射行为。另一方面，研究者的工作开创性地发展了利用tr-SNOM探测超快激子动力学的工作，并为利用波导作为定量光谱学工具研究纳米级光诱导动力学铺平了道路。研究者认为这种超快泵浦探测方法的高空间和时间分辨率，可能同样适用于新奇拓扑材料中的边缘模式和边缘效应的研究。

    neaspec公司利用十数年在近场及纳米红外领域的技术积累，开发出的全新纳米空间分辨超快光谱和成像系统，其Pump激发光可兼容可见到近红外的多组激光器，Probe探测光可选红外（650-2200 cm^-1）或太赫兹（0.5-2 T）波段，实现了在超高空间分辨（20 nm）和超高时间分辨（50 fs）上对被测物质的同时表征，可广泛用于二维拓扑材料、范德瓦尔斯（vdW）材料、量子材料的超快动力学研究。

参考文献：

[1]. Aaron J. Sternbach et.al. Femtosecond exciton dynamics in WSe2 optical waveguides, Nature Communications , 11, 3567 (2020)；https://www.nature.com/articles/s41467-020-17335-w

    包装薄膜材料常使用传统红外光谱进行表征，但传统FTIR通常只能测单一红外光谱，不具备样品红外光谱成像功能或成像空间分辨率受红外波长限制，通常仅为5-10 μm。在实际应用中，层状材料越来越薄，这对常规FTIR技术的空间分辨率提出了极大的挑战。

全新光学光热红外光谱技术

    光学光热红外光谱技术（O-PTIR）可在非接触反射模式下对多层薄膜进行亚微米级的红外表征，同时探针激光器会产生拉曼散射，从而以相同的亚微米分辨率在样品的同一点同时捕获红外和拉曼图像。基于光学光热红外光谱技术的非接触亚微米分辨红外拉曼同步测量系统的工作原理是：光学光热红外光谱技术通过将中红外脉冲可调激光器与可见探测光束结合在一起，克服了红外衍射极限。将红外激光调谐到激发样品中分子振动的波长时，就会发生吸收并产生光热效应。如图1所示，可见光探针激光聚焦到0.5 μm的光斑尺寸，通过散射光测量光热响应。红外激光可以在一秒钟或更短的时间内扫过整个指纹区域，以获得红外光谱。

图 1． 非接触亚微米分辨红外拉曼同步测量系统 红外和拉曼光谱的光束路径示意图。

 红外&拉曼同步测量

    传统的透射红外光谱通常不能用于测量厚样品，因为光在完成透射样品之前会被完全吸收或散射，导致几乎没有光子能量到达检测器。由于光学光热红外光谱技术是一种非接触式技术，因此非接触亚微米分辨红外拉曼同步测量系统可以对较厚的样品进行红外测量，极大地简化了样品制备过程，提升了易用性。在图2中，作者使用非接触亚微米分辨红外拉曼同步测量系统针对嵌入环氧树脂中的薄膜样品横截面进行了分析。

    图2线阵列中各点之间的数据间隔为500 nm。 由于非接触亚微米分辨红外拉曼同步测量系统与传统FTIR光谱具有极好的相关性，因此可以使用现有的光谱数据库搜索每个光谱。对红外光谱的分析对照可以清楚地识别出不同的聚合物层，聚乙烯和聚丙烯，以及嵌入的环氧树脂。

图 2．上：薄膜横截面的40倍光学照片；中：红外光谱从标记区域收集；下：同时从标记区域收集拉曼光谱。

化学组分分布的可视化成像

    当生产层状薄膜时，产品内部的化学分布是产品完整性的重要组成部分。非接触亚微米分辨红外拉曼同步测量系统独特地实现了高分辨率单波长成像，以突出显示样品中特定成分的化学分布。非接触亚微米分辨红外拉曼同步测量系统可以在每层的独特吸收带处采集图像，以此实现显示层的边界和界面的观察。图3展示了多层膜截面的光学图像。从线阵列数据可以看出，中间位置存在一个宽度大约为2 μm的区域，该区域与周围区域的光谱差异很大。红色光谱显示1462 cm^‑1处C-H伸缩振动显著增加。

图3. 上：薄膜截面的40倍光学照片；下：标记表示间距为250 nm的11 µm线阵列。

    红外单波长成像使我们能够清晰地可视化层状材料的厚度和材质分布，如图4所示。从图像中可以看出，非接触亚微米分辨红外拉曼同步测量系统红外显微镜可以在非接触状态下进行反射模式运行，以高的空间分辨率提供单波长图像。

图4. 红外单波长成像层状材料的成分分布。

总结

    通过同时收集红外和拉曼光谱，科学家发现非接触亚微米分辨红外拉曼同步测量系统可被广泛用于分析各种多层膜。收集的光谱与传统的FTIR光谱显示出> 99%相关性，并且可以在现有数据库中进行搜索。此外，使用非接触亚微米分辨红外拉曼同步测量系统进行单波长成像可实现亚微米分辨率样品中组分的可视化。通过该技术，我们可以更好地了解薄膜材料的整体构成。总体而言，非接触亚微米分辨红外拉曼同步测量系统首次提供了可靠且可视化的亚微米红外光谱，目前它已在高分子、生命科学、临床医学、化工药品、微电子器件、农业与食品、环境、物证分析等领域得到广泛应用并取得了良好的效果，显示出了广阔的应用前景。

[报告简介]

近年来，日益增长的对尺寸细小的亚微米物质高空间分辨率化学图像和光谱分析的需求，推动了现代振动光谱仪器向超分辨率和高灵敏度方向上进行革新。

为了获得可分析解释的数据和光谱信息，传统的红外仪器，即使使用了新型红外激光器（如QCL激光器），仍然依赖于探测长波长的中红外光，从而限制了传统红外技术的实际空间分辨率在5 - 20微米之间；与红外吸收光谱相反，拉曼光谱的空间分辨率取决于可见光的波长(400-700纳米左右)，因此能在同一化合物上以非接触操作模式，实现亚微米衍射限制空间分辨率的振动模式检测。但由于拉曼在分子水平上探测光子的非弹性散射，因此需要更强的激发源，同时也带来了样品损伤的风险。

这几年发布的O-PTIR（光学光热共振红外）技术创新性的兼具亚微米空间分辨率以及红外直接检测物质红外吸收的特性，使红外光谱的空间分辨率提高了20倍。因为O-PTIR技术仅直接检测源于样品吸收红外辐射引发的变化，而不计算入射红外光和透过红外光的差异，使得O-PTIR光谱具有很高的清晰度和灵敏度，可以达到飞克(10-13克)级别。O-PTIR技术测量无需复杂样品准备，过程也无需机械和AFM探针等复杂操作，以一种全程和样品无接触，无分散散射相差的红外光谱获取方式来实现高精度、快速红外光谱及成像测量。

基于O-PTIR技术的商业化mIRage设备还能以相同的分辨率、同一时间和位置上同步进行红外和拉曼光谱数据测量，为增加测量数据的互补和验证结果的可信度提高了一种新的可能。

在本介绍中，Mike Lo博士将以400纳米高分子薄膜的分析检测为例，深入探讨传统FTIR和基于O-PTIR技术的mIRage显微光谱的区别和特点，并通过一系列非常有挑战性的样品测试结果和分析来展示基于O-PTIR技术的mIRage红外+拉曼同步显微光谱的独特功能与优势, 希望对各位听众的研究工作有所帮助。我们诚挚欢迎各位前来Quantum Design北京实验室进行mIRage红外+拉曼同步测量系统样机的参观和使用。

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[主讲人介绍]

Michael K. Lo  博士

美国加州大学洛杉矶分校获得化学和生物分子工程博士学位，并获得项目管理专业认证 (PMP)。目前是美国PSC公司亚太地区应用和业务发展经理，拥有15年以上的仪器相关经验，涉及从IR/Raman, AFM和电子显微镜到材料合成和聚合物组成调配等研究领域。他在超越传统光学衍射极限的红外仪器的开发和应用方面有着丰富的经验。

[报告时间]

开始  2020年06月30日  14:00

结束  2020年06月30日  15:00

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引言

高分子多层材料在很多领域都有着广泛的应用，而这些材料的结构和成分也是多种多样。高分子多层材料中每一层的厚度变化范围很应用文章大，可以从不足4微米到几十微米甚至更厚。作为研究这类材料的方法，显微红外光谱以及显微拉曼光谱等方法得到了较多的应用¹。

相比于其他显微傅里叶变换红外光谱分析方法，ATR光谱成像是一种具有更多优势的比较新颖的技术，在多层材料研究中将会非常有意义。以前为了成功实现透射显微红外光谱测量，需要将样品切成薄片（厚度在10微米左右）以避免产生过强的红外吸收。从实际操作的角度上看，这种样品处理方法的难度较大，也很难保持样品的完整性。另外，不管使用哪种显微镜，在高度聚焦的红外光束中放入有限厚度的样品，都可能会影响实际所能达到的空间分辨率²。

ATR光谱成像技术可以克服上面所述的一些限制，获得使用常规红外显微镜无法或者很难观察到的详细信息。 首先，作为一种反射光谱技术，ATR光谱成像所测量的样 品不需要切成很薄的样品片，因此更容易保持样品的完 整性。通常情况下，样品被包埋在树脂中或者夹在模块之间，样品表面被打磨平整。其次，使用ATR光谱成像测量时红外光束所穿透的样品厚度较低，使用锗晶体时一般只测量1~2微米深度的样品部分。由于不存在像空气中样品透射测量那样的光束发散问题，所得到的光谱图像更 加清晰，光谱中的干扰成分更少²。样品制成薄膜进行透射测试时还可能存在另一个问题。样品内部的多重反射会产生干涉条纹信号，叠加在实际测量光谱上。这一问题在ATR光谱成像测量中并不明显。另外，能够提供高于透射光谱成像的空间分辨率，是ATR光谱成像的另一个主要优势³。关于该方法的空间分辨率的分析和测试可以在另一篇技术报告中看到⁴。ATR光谱成像的空间分辨率可以优于1.56微米，而物理衍射限制使得中红外区的透射光谱成 像的空间分辨率是这一数值的3~4倍——而且是在假设前面提到的各种样品问题都被克服的理想情况下。

图1. 多层材料样品的固定和包埋。

图2. 薄层边界处的红外光谱。

专为PerkinElmer^® Spotlight傅里叶变换红外光谱成像系统设计的ATR光谱成像附件即可提供上述各种优势应用³。该附件使用锥形锗晶体，可以直接压在多层材料样品的横截面上。该附件的另一个显著特点是其相对较大的晶体面积。标准晶体的采样区域直径约为500微米，这意味着晶体与样品的单次接触即可扫描大部分样品的完整多层结构。此外，还可以选配直径约为1200微米的大面积晶体。如果使用其他一些有效采样面积很小的装置，对多层材料样品横截面进行完整测量需要让晶体与样品反复多次接触。 

本报告叙述了高分子多层材料的ATR光谱成像测量方法， 为多层材料样品的实际测量提供了一些操作建议。

实验

样品处理：为了获得优质的ATR光谱图像，测量区域内的 样品需要与ATR晶体紧密、均匀接触。对于波长较短的红外光波段（例如3微米左右的C-H伸缩振动基频区域），这 种要求就更加重要——因为晶体与样品界面的渐逝波强度在高频区域的衰减速度更快³。为了实现与ATR晶体的紧密接触，测量区域内的多层材料样品的表面必需平整，还需要采取适当的支撑方法以免被晶体挤压时样品发生变形。 

有许多样品处理技术可以使用，其中两种方法Z为常见：一种方法是将待测样品包埋在树脂中然后对表面进行抛光，另一种方法是将待测样品直接夹持固定然后对表面进行抛光.我们发现大多数情况下包埋法获得的样品一致性更好，而且实际操作也更加容易。用弹簧夹将样品垂直夹住（如图1A所示），放入模具中（如图1B所示），注入环氧树脂或者其他树脂，使树脂深度高于弹簧夹1~2毫米但是低于样品顶端边缘。树脂固化之后，对样品顶端进行切割并抛光成平面。抛光过程一般需要使用砂纸和蒸馏水，砂纸粒度从大约30微米到大约1微米，以获得光滑、 高度抛光的表面（如图1C所示）。抛光后的样品块厚度约 为5~8毫米，直接置于ATR光谱成像附件的砧板上，然后升高砧板使样品与晶体紧密接触。包埋处理方法可能会 在样品光谱图像中引入包埋树脂的光谱干扰，但实际上这不会对后续的数据分析造成影响（包埋树脂与样品的 化学成分不同）。多层材料样品一般都具有非常清晰的边界，数据分析软件Hyperview可以将包埋材料对应的光谱信息从样品光谱图像中屏蔽。

使用Spotlight系统测量多层材料样品时，一般每个像素点累加扫描1~16次，光谱分辨率4~16 cm-1。由于使用了阵列检测器，数据采集软件可以定义任意长宽比的矩形光谱成像区域。对于多层材料来说，长而窄的光谱成像区域对于测量所有薄层来说是更加GX的。光谱图像采集时间从几分钟到几十分钟不等，与测量参数有关。

结果

实例1：较高的图像对比度 

通过查看跨越多层材料样品两个薄层之间狭窄边界的光谱中不同成分的光谱特征混合情况，可以初步了解ATR光谱成像所能达到的对比度。在Spotlight仪器的出厂检验中，对于空间分辨率的检测通常使用一块横截面具有屋顶 式结构的特殊高分子材料。跨越边界时红外光谱信号变化的陡峭程度可以被用来估计仪器的空间分辨率⁴。多层材料样品的不同成分之间一般都会具有非常窄的边界。图 2显示了这种边界上一个聚酰胺层的光谱，光谱成像像素尺寸为1.56微米。可以明显看到，在3.12微米的距离上，聚酰胺层与相邻薄层的光谱混合程度已经很低，足以清晰区分不同成分构成的薄层。如果不同成分之间的光谱差异比较明显，在红外光谱指纹区域可以清晰区分距离约3微米的不同成分。

实例2：包装材料样品 

图3A显示了用环氧树脂包埋的一个包装材料样品横截面的可见图像。在这一实例中，从图像中样品表面的划痕可以看出该样品的抛光处理效果较差。尽管如此，仍然可以获得质量较好的ATR光谱图像。这是因为样品柔韧性比较好，可以使ATR晶体紧紧压住其表面，而且采用的数据分析 软件可以降低成像区域内样品与晶体接触程度变化的影响。图3B显示了该样品的红外光谱重建图像，基本不会看到划痕的影响。 

为了在没有任何关于样品成分信息的情况下获得红外光谱重建图像，本研究对成像光谱进行求导和基线校正，然后 进行主成分分析（PCA）。该方法可以有效地将成像光谱分为独立的子光谱（“主成分”，或者称为“因子”）的集合，从而对成像光谱进行重构。理想情况下，假设一个包含1000 张光谱的成像区域中存在5层结构，那么只需要5种子光谱就可以描述所有1000张成像光谱。在实际应用中，杂质的 存在或者基线变动、空气吸收等对于光谱的影响使得通常需要5种以上的子光谱。由于图像中包含大量的像素光谱，主成分分析可以非常有效地消除光谱中的大部分随机噪声，而且不会导致光谱特征峰的增宽。因此，需要在Z短的时间内获得样品的概览光谱图像时，主成分分析是一种非常有用的探查研究工具。该方法会计算每个像素的原始图像光谱中主成分的贡献（或者称为“得分”），而Z后生成的得分图像对于提高红外光谱图像的对比度非常有用。图 4显示了本研究所用样品的前7个主成分的得分图像。主成分分析结果显示了该样品所有的主要层级结构，还提供了一些微小的细节信息。diyi主成分的得分图像对应于包埋介质。

图3. 包埋多层材料的可见图像和红外光谱重建图像。

图4. 主成分得分图像。

       如图5所示，第二和第三主成分的得分图像显示了该多层材 料样品的主要分层，即聚乙烯层和聚酰胺层。第四主成分的得分图像表明在聚乙烯层和聚酰胺层之间存在厚度约为6微米的过渡层。通过分析不同类型像素的原始成像光谱，可以比较容易地识别各个分层的成分。另外，图6和图7所示的第五和第六主成分的得分图像显示了一些微小的光谱差异。第五主成分的得分图像表明靠近样品外表面处存在一个3~4微米厚的薄层。使用Spotlight的图层管理功能，可以 查看对应的像素光谱，以1.56微米的步距跟踪光谱的变化。 该薄层的像素光谱中存在独特的羰基特征峰，而其两侧的像素光谱中都没有该特征峰，说明该薄层的化学成分与其 他薄层明显不同。相比之下，图7显示了另外一种情况。第六主成分的得分图像也表明存在一个“薄层”，但是对应的像素光谱没有独特的化学成分特征，仅仅表现为两种材料的过渡导致的光谱强度逐渐变化。这种干扰的出现是由于样品中存在脊线等物理边界，而不是因为化学成分的差异。

图5. 第二、第三和第四主成分的得分图像。

图6. 第五主成分的得分图像。

图7. 第六主成分的得分图像。

实例3：显示精细的结构 

本实例所用的多层膜样品由常见材料构成，但是具有厚度不到5微米的过渡层。与上一个样品的处理方法一样，该样品也用树脂包埋并进行抛光。ATR光谱成像的测试面积为 150微米x150微米，光谱分辨率为8 cm^-1。图8显示了该样 品的可见图像，其中红色边界内为ATR光谱成像区域。使用 Spotlight中的Show Structure功能和相对峰高度方法对成像光谱进行解析。叠加的主成分得分图像（如图9所示）清楚显示了包埋材料与样品膜的不同，后者的主要薄层（聚乙烯）以绿色显示。本样品中引人注意的是较厚的聚乙烯层下面的薄层结构。主成分得分图像显示该样品中存在超过3种化学成分。如果成分种类不超过3种，使用简单的红绿蓝（RGB）图像就可以获得易于观察的组合结果。但是，以这种方式显示3种以上成分或者颜色可能会遇到一些问题，特别是不同成分间存在重叠时。含有多种成分的重叠像素可以表示为多种颜色的叠加：白色，黑色，或者其他颜色。这必然给图像解析增加了难度。Spotlight的图层管理功能可以改变重叠像素的显示规则，例如，只显示强度Z高的颜色以改变光谱图像的对比度。与原始像素光谱分析相结合，这一功能可以有效增强光谱图像的对比度。图 10显示了该样品的复合得分图像，首先以平均颜色显示叠 加像素，然后以Z强成分颜色显示叠加像素。后者对于光 谱图像质量的改善是非常显著的，而对应的原始像素光谱 （如图11所示）证明不同颜色区域确实存在不同的化学成分。在所有薄层都得到满意地表征之后，可以调整单个得分图像的亮度和对比度，然后对多个得分图像进行叠加，以获得Z佳的显示结果。图12显示了将各个主成分的得分图像导入ImageJ软件5处理后得到的复合图像。

图10. 使用色彩叠加功能增强细节信息。

图11. 各个薄层对应的红外光谱。

讨论

上述实例表明了ATR光谱成像附件对高分子多层材料的测试和表征能力。通过这些实例可以看出，样品包埋处理方法非常有效，不会或者极少导致样品发生降解。在不知道样品的化学成分信息时，主成分分析是一种非常有效的方法（相比于相对峰高度法），可以提供样品的概览光谱图像，还能够揭示精细结构的存在。然而，对主成分分析所产生的得分图像与原始光谱进行对比观察，以确认得分图像的化学成分还是非常必要的。因为主成分分析也会显示样品的物理和形貌结构，可能会与化学成分差异相混淆。为了更好地显示计算出的光谱图像，用不同方式显示重叠像素是值得考虑的，但是所得结果仍然要通过原始像素光谱进行确认。Spotlight系统所获得的数据质量一般足以直接用于在商业数据库中进行搜索，为谱图解析提供帮助。很多样品的测试结果都说明了这种做法的可行性，具体数据没有在本报告中显示。使用的数据库中包含透射方法获得的光谱时，在进行搜索之前对样品光谱进行ATR校正以减少与波长相关的吸光度变化，有可能提高搜索结果的质量。

结论

在高分子多层材料样品的分析中，使用Spotlight傅里叶变换红外光谱成像系统，ATR光谱成像技术的很多优势超越 了已经过验证的透射红外光谱成像技术。除了在一定程度上简化样品处理方法、降低干涉条纹等光谱干扰的风险以外，ATR光谱成像技术可以提供更高的空间分辨率。厚度为 4微米或者更薄的薄层都可以得到有效识别。多层材料中含有粘结剂或者其他成分构成厚度低于5微米的薄层时， 这种空间分辨能力尤为重要。因此，ATR光谱成像技术在高分子多层材料分析中的应用必定会在未来几年内会迅速增长。

参考文献

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2. ‘Mid-Infrared Transmission Microspectroscopy,’ A.J. Sommer, in Handbook of Vibrational Spectroscopy, Vol. 2, 1369, Wiley (2002).

3. A. Canas, R. Carter, R. Hoult, J. Sellors, and S. Williams, Spatial Resolution in Mid-IR ATR Imaging: Measurement and Meaning, FACCS Conference (2006).

4. ‘Spatial Resolution in FT-IR ATR Imaging,’PerkinElmer Technical Note No. 007641_03 (2006).

5. W.S. Rasband and J. Image, U.S. National Institutes of Health, Bethesda, Maryland, USA, http://rsb.info.nih.gov/ij/(1997-2006).

在高内相乳液(HIPE)中，初始离散单元在聚合过程中或之后转变成由窗口高度互联聚合体的时间和方式，一直是一个有争议的问题。其中，以苯乙烯/二乙烯苯作为油相的油包水高内相乳液，是该领域研究的一个热点体系。在诱导聚合过程中，以支化的聚乙烯亚胺(PEI)为亲水端和聚苯乙烯(PS)链作为疏水端。这类大孔表面活性剂可以在大剂量范围内稳定HIPE并导致不同的开孔多聚形态。然而由于受到表征技术的限制，原位探测上述过程详细的机理仍然较为困难。

Photothermal Spectroscopy Corp研发的光学光热红外(optical photothermal infrared)表面成像新技术可适用于液体环境测试，为探索polyHIPE的窗口形成机理提供了机会。光学光热红外技术通过探测红外光被吸收后所诱导的热响应信号来测试待测样品的红外振动峰，该技术有四大优势：使用可见光为检测光，可以将分辨率提高到 ~ 500 nm；非接触式的光学显微镜；分辨率不依赖于红外光波长；不会产生弥散的伪影。有鉴于此，同济大学万德成教授课题组与Photothermal Spectroscopy Corp合作，利用基于光学光热红外技术（O-PTIR）技术的非接触亚微米分辨红外拉曼同步测量系统mIRage（图1）对polyHIPE的聚合体进行了红外光谱和成像分析，探究其演变过程及形成机理。

图1. A) 3%表面活性剂用量诱导的polyHIPE选取区域的光学照片，B)相应的mIRage图（条件: 红色代表强烈的反应，绿色代表几乎没有反应，而黄色代表对1492 cm-1处的激光束的中等反应），C)插图为典型的选定区域附近的局部表面形貌(通过SEM)，D) 插图为立方状样品的光学照片(≈5×5×5 cm3)

如图1B所示，PS对在1492 cm-1处激光束有红外响应，对新鲜的多聚体表面进行该波长激光扫描，发现了三个有代表性的区域。区域1几乎没有PS信号，说明表面完全覆盖 PEI 大孔表面活性剂, 对其他组成不太敏感 , 区域3显示 一 个 强烈红外信号,对应 PS 块体人工样品处理后的横截面。区域2呈现出岛状的PS微区，点缀在大孔表面活性剂覆盖的表面。由此推断，PS微区可能起源于相分离诱导的大孔表面活性剂的析出。

图2. 在1600 (绿色)和1492 cm-1(红色)激光束照射下的多聚体表面的mIRage 2D O-PTIR图像。B)一系列的FTIR光谱提取采样点(箭头尾)。每个采样点的高度比为1600/1492 cm-1，如(C)所示，相邻的采样点为250 nm

进一步对区域2进行1600和1492 cm-1位置逐点热成像扫描得到二维图像(图2A)，可以观察到一个不均匀的表面，表明发生了相分离。1600和1492 cm-1的波长分别用绿色和红色表示，PS对1600和1492 cm-1的激光束均有红外响应, PEI也对1600 cm-1的激光束有红外响。因此，如果表面仅仅是由PS决定的，那么1600和1492 cm-1的强度比应该不发生变化。1600/1492 cm-1红外强度比分布图(图2C)以及线性点提取红外光谱(图2B)都可以显示目标位置的表面化学成分，证实了相分离的发生。

综上所示，非接触亚微米分辨红外拉曼同步测量系统mIRage为polyHIPE表面相分离的存在提供了强有力的证据，有助于未来窗口的发展。

参考文献：

[1]. C. H. Li, M. Jin, D.C. Wan, Evolution of a Radical-Triggered Polymerizing High Internal Phase Emulsion into an Open-Cellular Monolith, Macromol. Chem. Phys. 2019, 220, 1900216.