包裝薄膜材料常使用傳統(tǒng)紅外光譜進(jìn)行表征，但傳統(tǒng)FTIR通常只能測(cè)單紅外光譜，不具備樣品紅外光譜成像功能或成像空間分辨率受紅外波長(zhǎng)限制，般分辨率為5-10 μm。在實(shí)際應(yīng)用中，層狀材料越來(lái)越薄，這對(duì)常規(guī)FTIR技術(shù)的空間分辨率提出了很大的挑戰(zhàn)。

全新光學(xué)光熱紅外光譜技術(shù)

    光學(xué)光熱紅外光譜技術(shù)（O-PTIR）可在非接觸反射模式下對(duì)多層薄膜進(jìn)行亞微米的紅外表征，同時(shí)探針激光器會(huì)產(chǎn)生拉曼散射，從而以相同的亞微米分辨率在樣品的同點(diǎn)同時(shí)捕獲紅外和拉曼圖像。基于光學(xué)光熱紅外光譜技術(shù)的非接觸亞微米分辨紅外拉曼同步測(cè)量系統(tǒng)的工作原理是：光學(xué)光熱紅外光譜技術(shù)通過(guò)將中紅外脈沖可調(diào)激光器與可見(jiàn)探測(cè)光束結(jié)合在起，克服了紅外衍射限。將紅外激光調(diào)諧到激發(fā)樣品中分子振動(dòng)的波長(zhǎng)時(shí)，就會(huì)發(fā)生吸收并產(chǎn)生光熱效應(yīng)。如圖1所示，可見(jiàn)光探針激光聚焦到0.5 μm的光斑尺寸，通過(guò)散射光測(cè)量光熱響應(yīng)。紅外激光可以在秒鐘或更短的時(shí)間內(nèi)掃過(guò)整個(gè)指紋區(qū)域，以獲得紅外光譜。

圖 1． 非接觸亞微米分辨紅外拉曼同步測(cè)量系統(tǒng) 紅外和拉曼光譜的光束路徑示意圖。 

紅外&拉曼同步測(cè)量

    傳統(tǒng)的透射紅外光譜通常不能用于測(cè)量厚樣品，因?yàn)楣庠谕瓿赏干錁悠分皶?huì)被*吸收或散射，導(dǎo)致幾乎沒(méi)有光子能量到達(dá)檢測(cè)器。由于光學(xué)光熱紅外光譜技術(shù)是種非接觸式技術(shù)，因此非接觸亞微米分辨紅外拉曼同步測(cè)量系統(tǒng)可以對(duì)較厚的樣品進(jìn)行紅外測(cè)量，很大地簡(jiǎn)化了樣品制備過(guò)程，提升了易用性。在圖2中，作者使用非接觸亞微米分辨紅外拉曼同步測(cè)量系統(tǒng)針對(duì)嵌入環(huán)氧樹(shù)脂中的薄膜樣品橫截面進(jìn)行了分析。

    圖2線陣列中各點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)間隔為500 nm。 由于非接觸亞微米分辨紅外拉曼同步測(cè)量系統(tǒng)與傳統(tǒng)FTIR光譜具有好的相關(guān)性，因此可以使用現(xiàn)有的光譜數(shù)據(jù)庫(kù)搜索每個(gè)光譜。對(duì)紅外光譜的分析對(duì)照可以清楚地識(shí)別出不同的聚合物層，聚乙烯和聚丙烯，以及嵌入的環(huán)氧樹(shù)脂。

圖 2．上：薄膜橫截面的40倍光學(xué)照片；中：紅外光譜從標(biāo)記區(qū)域收集；下：同時(shí)從標(biāo)記區(qū)域收集拉曼光譜。

化學(xué)組分分布的可視化成像

    當(dāng)生產(chǎn)層狀薄膜時(shí)，產(chǎn)品內(nèi)部的化學(xué)分布是產(chǎn)品完整性的重要組成部分。非接觸亞微米分辨紅外拉曼同步測(cè)量系統(tǒng)*地實(shí)現(xiàn)了高分辨率單波長(zhǎng)成像，以突出顯示樣品中定成分的化學(xué)分布。非接觸亞微米分辨紅外拉曼同步測(cè)量系統(tǒng)可以在每層的*吸收帶處采集圖像，以此實(shí)現(xiàn)顯示層的邊界和界面的觀察。圖3展示了多層膜截面的光學(xué)圖像。從線陣列數(shù)據(jù)可以看出，中間位置存在個(gè)寬度大約為2 μm的區(qū)域，該區(qū)域與周圍區(qū)域的光譜差異很大。紅色光譜顯示1462 cm^?1處C-H伸縮振動(dòng)顯著增加。

圖3. 上：薄膜截面的40倍光學(xué)照片；下：標(biāo)記表示間距為250 nm的11 µm線陣列。

    紅外單波長(zhǎng)成像使我們能夠清晰地可視化層狀材料的厚度和材質(zhì)分布，如圖4所示。從圖像中可以看出，非接觸亞微米分辨紅外拉曼同步測(cè)量系統(tǒng)紅外顯微鏡可以在非接觸狀態(tài)下進(jìn)行反射模式運(yùn)行，以高的空間分辨率提供單波長(zhǎng)圖像。

圖4. 紅外單波長(zhǎng)成像層狀材料的成分分布。

總結(jié)

    通過(guò)同時(shí)收集紅外和拉曼光譜，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)非接觸亞微米分辨紅外拉曼同步測(cè)量系統(tǒng)可被廣泛用于分析各種多層膜。收集的光譜與傳統(tǒng)的FTIR光譜顯示出> 99%相關(guān)性，并且可以在現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行搜索。此外，使用非接觸亞微米分辨紅外拉曼同步測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行單波長(zhǎng)成像可實(shí)現(xiàn)亞微米分辨率樣品中組分的可視化。通過(guò)該技術(shù)，我們可以更好地了解薄膜材料的整體構(gòu)成?？傮w而言，非接觸亞微米分辨紅外拉曼同步測(cè)量系統(tǒng)*提供了可靠且可視化的亞微米紅外光譜，目前它已在高分子、生命科學(xué)、臨床醫(yī)學(xué)、化工藥品、微電子器件、農(nóng)業(yè)與食品、環(huán)境、物證分析等域得到廣泛應(yīng)用并取得了良好的效果，顯示出了廣闊的應(yīng)用前景。