看见分子的排列：偏振拉曼如何揭示纤维的“高强度秘密”？

你是否曾好奇，为什么防弹衣如此坚韧？为什么某些合成纤维既能轻如鸿毛，又强如钢铁？答案往往隐藏在其分子排列的有序程度中。今天，我们要介绍一项能够“看见”分子排列方向的神奇技术——偏振拉曼光谱。聚对苯二甲酰胺（PPTA）纤维（如Kevlar）具有优异的力学性能和热稳定性，广泛应用于防弹材料、复合材料和电子通信等领域。其性能高度依赖于分子链的取向程度，因此准确量化分子取向对优化纤维性能至关重要。传统的广角X射线衍射（WAXD）方法主要用于表征晶区取向，且通常需要纤维束或同步辐射光源，限制了其在单根纤维或常规分析中的应用。

普通拉曼告诉我们“有什么”，而偏振拉曼更进一步，告诉我们“分子朝哪个方向”。

通过控制入射光和散射光的偏振方向，偏振拉曼可以定量分析分子链、晶区甚至非晶区的取向程度。这对于理解高分子纤维、薄膜、液晶等材料的力学性能、热稳定性至关重要。

研究展示了偏振拉曼在聚对苯二甲酰胺（PPTA）纤维中的应用（Sun et al., Polymer 325, 2025）。研究人员通过采集四个偏振方向的拉曼光谱，利用MPD（最概然分布）方法，成功量化了单根PPTA纤维的分子取向程度。

（1）实验设置： 使用共聚焦拉曼光谱仪（785 nm激光），在背散射几何配置下，采集每根纤维的四组偏振光谱（ZZ, XX, ZX, XZ）。

（2）特征峰： 选取位于1610 cm?1的芳香环C-C伸缩振动峰进行分析，因为该峰稳定、不受取向和结晶度影响，能代表整个体系的取向。且它的强度能直接反映分子排列的整齐度（峰的强弱变化和分子取向度相关）。

（3）数据分析： 运用MPD方法，通过四个偏振光谱的强度比，计算出两个关键的取向参数〈P?〉和〈P?〉（其中〈P?〉为赫尔曼斯取向函数，值介于-0.5到1之间，越大表示取向度越高）。该方法无需各向同性样品标定，简化了流程。

（4）角度校正： 考虑了苯环振动张量主轴与分子链主轴之间存在约10°的夹角，并对结果进行了校正，使测量更精确。

  与广角X射线衍射（WAXD）结果高度一致；验证了此新方法的准确性。两者的细微差异是因为拉曼能同时测量晶区和非晶区的总体取向，而X射线仅测晶区取向。如图1所示。

  尤其适用于高取向和低取向的样品；

  还能实时监测后处理过程中取向的变化，如热拉伸过程中的链松弛与再取向。

图1. (A)利用偏振拉曼光谱定量分析聚对苯二甲酰胺（PPTA）纤维中分子取向的实验装置示意图；（B）中（a）纤维-1、（b）纤维-2、（c）纤维-3 和（d）纤维- 4 在1000?1800cm^?1光谱范围内的偏振拉曼光谱； （C）中（a）纤维-1、（b）纤维-2、（c）纤维-3 和（d）纤维-4 的广角 X 射线衍射（WAXD）图案；（D）偏振拉曼光谱法与广角 X 射线衍射法（WAXD）测定的聚对苯二甲酰胺（PPTA）纤维取向度对比

图2.采用拉曼光谱测定的（a）纤维 5、（b）纤维 6、（c）纤维 7 和（d）纤维 8 在后处理前（空心符号）和后（实心符号），其分子取向度与结晶度随施加应力变化的关系图。

研究证明了 “热拉伸后处理” 的关键---光加热没用，必须配合外应力，才能让纤维分子重新对齐、结晶增多，最终提升力学性能（比如更结实、更耐高温），也体现了拉曼方法的优势：能同时测单根纤维的取向度和结晶度，不用破坏样品，还能实时跟踪处理过程中的变化，比传统方法（如 WAXD）更方便用于生产工艺优化。如图2所示。

无损检测：不破坏样品，适合原位、实时监测；

高空间分辨率：可分析微米级区域，适用于单根纤维、薄膜局部；

全面信息：同时获取化学结构、结晶度、取向度等多维信息。

除了纤维材料，偏振拉曼还可用于：

聚合物薄膜取向分析

生物材料（如胶原蛋白、纤维素）的结构研究

液晶显示器的分子排列评估

复合材料界面取向表征

偏振拉曼光谱不仅是一种强大的分析工具，更是连接微观结构与宏观性能的桥梁。无论是科研还是工业质量控制，它都正在成为不可或缺的“眼睛”，帮助我们看清材料的内在秩序。

参考文献：
Sun, H., Jia, T., Qian, Y., Chen, Q., Men, Y., & Su, Z. (2025). Quantifying molecular orientation in Poly(p-phenylene terephthalamide) fibers by polarized Raman spectroscopy. Polymer, 325, 128310. 

OpenRam KY328 多扩展型显微共聚焦拉曼光谱仪

自主研发的OpenRam KY328多扩展型显微共焦拉曼光谱仪，可跟多种光谱仪联用，提供最佳的灵敏度和空间分辨率。除了在现有的显微镜上升级共聚焦系统外，通过灵活地配置光谱仪和探测器，可以打造出针对客户应用的专属系统配置。广泛用于各类工业应用，如质检，安检，刑侦，生物医疗，制药等需要高拉曼灵敏度的应用领域。

本文有删减，详细信息请参考原文:

 Sun, H., Jia, T., Qian, Y., Chen, Q., Men, Y., & Su, Z. (2025). Quantifying molecular orientation in Poly(p-phenylene terephthalamide) fibers by polarized Raman spectroscopy. Polymer, 325, 128310.