引言

　　高分子化合物具有復雜的聚集態結構和獨特的物理化學性能，其鏈結構、結晶度、空間取向、形貌及形成復合材料的均勻性、相容性等都會影響最終產品的性能及其實際應用。紅外光譜是表征高分子材料化學結構的最重要的方法，它可從化學和物理兩方面為聚合物提供定性及定量的表征信息。化學方面包括組成和結構的信息，物理方面則包括構象、序列態以及取向等信息。隨著人們對微觀世界越來越深入的了解，僅可對樣品進行宏觀總體分析的傳統紅外光譜法已無法滿足科研人員對未知世界探索的需求。

　　紅外成像(FT - IR imaging)技術集紅外光譜和顯微分析于一體，是一種無需染色即可直接對樣品進行高光譜成像且不破壞樣品結構的新技術，它能夠同時給出樣品中的化學組成及其在空間中的分布信息，是一種無損化學成像技術。第一篇真正意義上的紅外成像研究發表于 1995 年，該工作采用了 128 像素 ×128 像素的 InSb 焦平面陣列檢測器代替之前的逐點掃描式紅外顯微成像。近二三十年來，紅外成像技術已經將紅外光譜從 “點分析” 擴展到 “面分析” 甚至 “體分析”，是多組分體系化學成分微觀分析的強有力工具，被廣泛應用于聚合物、生命科學、農業科學、食品科學及法醫學等領域。

　　本文闡述了紅外成像技術的基本原理、儀器構造及工作模式，介紹了紅外成像的實驗方法、數據處理方法和圖像分析技術，最后總結了近年來紅外成像技術在高分子材料表征中的一些典型應用及進展。

　　1 基本原理及成像系統

　　1.1 基本原理

　　進行紅外成像時，首先要根據檢測目的在顯微鏡下選擇感興趣區域(ROI)，一般在幾平方微米～幾平方毫米。樣品 ROI 被 “分割” 為很多更小的微區，這些被 “分割” 的微區稱作像素，它是紅外成像的最小采集單元。對 ROI 的各個像素進行光譜掃描，得到其干涉圖，經傅立葉變換后即可得到其光譜，再將所有像素點的光譜按采集順序繪制二維或三維圖譜，即得到所需要的紅外圖像。ROI 內的各組分分布情況根據特定波數下的透過率或吸光度用灰度圖或 RGB 格式的彩色圖顯示，通過灰度大小或顏色變化反映微區內組分的空間分布及濃度變化情況。紅外圖像的采集可通過自動光闌調節、自動聚焦、自動校正、標記、照明等實現完全自動化。

　　得到的紅外圖像是一個三維數據立方體，該立方體包含了 ROI 被測樣品組分的全部化學信息及其空間分布信息。紅外圖像數據集可以用矩陣D(x,y,λ)表示，其中 x、y 是空間位置坐標(μm)，表示樣品的空間維度信息;λ 是樣品的光譜維度坐標，波數或波長代表樣品化學組成及結構的信息。原始紅外圖像數據矩陣 D 用一個雙線性模型表示。

　　通過提取矩陣 C 的行向量就可獲取相關像素的化學組成信息(即光譜);而特定組分在 ROI 各像素間的濃度變化可通過對列向量提取得到。將矩陣 C 的列向量再卷積即可恢復其原始濃度分布的二維或三維圖像。

　　1.2 紅外成像系統

　　基于寬光譜的紅外成像儀是最常用的紅外成像系統，其構成主要包括 3 部分：干涉儀、紅外顯微鏡以及成像檢測系統。進行成像檢測時，紅外干涉光通過紅外顯微光學系統的物鏡和聚光鏡在待分析樣品上聚焦，經樣品吸收后進入到成像檢測器，并通過計算機實現微區域內光譜信號的同步操作、數據轉換及可視化。大多數紅外顯微光學系統都與傅立葉變換紅外光譜儀主機相連，由光譜儀提供調制的干涉光，從而實現 “一機兩用” 的目的。近年來一些儀器公司也推出了專用的顯微紅外成像光譜儀，其特點是體積更小、操作更方便、應用場景更專一，儀器價格也相對較低。

　　1.2.1 干涉儀系統

　　干涉儀系統分為干涉儀和光源兩部分。當紅外顯微鏡與紅外光譜儀主機相連時，調制干涉光由紅外光譜儀主機完成，而將紅外干涉儀與標準光學顯微鏡集成為一體可實現傳統光學顯示與紅外成像顯示的結合，此時光調制在紅外顯微鏡內完成。

　　寬光譜紅外成像系統常用的紅外光源大多是白熾光源，如碳硅棒、金屬陶瓷棒、EVER - GLO 光源、硅化鉬或硅化鉬鎢等，其工作溫度高，有些甚至可達以上。同步輻射光源具有光譜寬、亮度高、發散小等特點，是紅外光譜技術的新興光源。它采用同步電場和磁場對其中的電子加速，電子沿回旋通道加速時會產生光子。該光源具有超高的亮度，光束有效直徑僅為 100μm 左右。采用這種光源的紅外成像系統具有更高的空間分辨率、更大的信噪比和更高的圖像采集速度。近年來也出現了一些準單色激光紅外光源，最典型的就是自由電子激光，它是由相對論狀態的電子束在波蕩器中做扭擺運動產生的 “受激輻射”，其特點是波長從微波到 X - 射線范圍連續可調、結構精細穩定、光束質量好、激光效率高。不過，基于光參量振蕩或放大的激光紅外光源波長范圍較窄，需要有經驗的人員進行調諧和維護，目前僅在氣體分析方面有報道，很少用于有機結構分析的紅外光譜設備上。

　　采用 SR 和 FEL 作為紅外成像光源，能夠克服光學衍射限制導致的紅外成像空間分辨力不足問題。不過這兩種光源在普通實驗室均無法實現，因為都需要超大的回旋加速裝置。目前上海同步輻射光源中心和中國科技大學同步輻射實驗室(合肥)分別可預約進行 SR 和 FEL 的紅外相關實驗。量子級聯激光器是一種以連續波或脈沖波模式工作的激光器，具有小型、可集成、大功率和可調諧的優點，藺百楊等采用 QCL 作為中紅外光源構建了一套氣體檢測系統，并用于微量 CO 氣體的分析檢測。該光源價格較便宜、可配套大尺寸非冷卻陣列檢測器，并能提供更高的信噪比，目前也在一些紅外成像儀器中使用。基于 QCL 光源的激光紅外成像系統無需寬光譜 FT - IR 成像的干涉儀和分束器等部件，樣品吸收信號直接進入檢測器，光路簡單，能量損失小，QCL 的波數范圍取決于光源集成的模塊數及模塊材料層厚，每個模塊調諧范圍在～。目前大多數光源波數范圍在～，仍然存在光譜信息不全等問題。

　　1.2.2 紅外顯微鏡系統

　　紅外顯微鏡是紅外成像系統的核心組件，通常由目鏡、物鏡、載物臺、照明燈、可見光闌控制及聚光器組成，能夠同時滿足對樣品微區狀態的觀察及紅外測量的需求。在紅外顯微光學系統中，一般都采用 Cassegrain 反射光學模式將紅外光聚焦到樣品面上。為了獲得可見光區的顯微照片，在光路系統中還采用了一個獨立的可見光光路以及 CCD 相機。可見光視場比紅外光通路大，因而可以對樣品精確定位。可見光圖像或紅外圖像可采用一系列分光鏡或旋轉鏡進行同時觀察或交替觀察。

　　1.2.3 檢測器

　　中紅外光譜的檢測器主要有熱釋電型氘代硫酸三甘肽(DTGS)檢測器和光電導型碲鎘汞(MCT)檢測器。DTGS 檢測器是將光信號轉化為熱信號，通常在室溫下工作，靈敏度低，用于顯微紅外測試時信號太弱。MCT 檢測器由半導體碲化鎘和半金屬化合物碲化汞混合制成，在紅外光輻射下，MCT 會產生載流子，使其電導率上升。在一定范圍內，光生載流子的量與入射光強成正比，通過測量光照時電導率的上升來測量光子流強度，從而實現對紅外光的檢測。該檢測器的靈敏度、精度和響應速度都優于 DTGS 檢測器，但須在液氮冷卻下工作。根據 Hg、Cd 的比例組成不同，MCT 檢測器又分為窄帶、中帶和寬帶三種類型，其中窄帶靈敏度最高，為絕大多數紅外顯微鏡采用。根據采集模式的不同，紅外成像的 MCT 檢測器又分為單點檢測器和陣列檢測器，其中陣列檢測器又分為線陣列和焦平面陣列檢測器。

　　(1)單點檢測器

　　單點檢測器適用于繪地圖模式的紅外成像采集。檢測器上只有 1 個檢測單元，尺寸一般為 250μm×250μm。單點檢測器的光路采用雙狹縫設計，通過控制狹縫尺寸限制紅外光束的照射面積。這種設計可以消除由于單狹縫衍射引起的光偏移，但同時也減小了光通量。為提高圖像和光譜的質量，就必須增加掃描次數，這又導致對大面積樣品的紅外成像耗時較長，因此 mapping 模式僅適合分析面積較小的局部區域。采用超高亮度的 SR 或 FEL 光源可大大減少掃描次數，縮短采集時間，上海同步輻射光源中心就是采用這樣的模式進行紅外成像。采用 mapping 模式成像時，樣品載物臺通過程序的精確控制自動變換采樣位置(編碼)并逐點掃描，最后通過軟件拼成一幅完整的圖像(即解碼)。

　　(2)陣列檢測器

　　線陣列檢測器是最簡單的陣列檢測器，一般是將一組或兩組 16 個窄帶 MCT 檢測器排列在一起，形成 16×1 或 16×2 的線陣列檢測器(也有 8×1 或 8×2 檢測器)，一個檢測單元對應一個像素。成像時一次可同時采集線陣列上 16(或 32)個像素的響應信號并進行相應的數據處理。陣列檢測器中每個像素單元的尺寸只有幾到幾十微米，遠小于單點檢測器，因而其信噪比較高。采用線陣列檢測器同樣需要精確控制載物臺移動以獲取完整的圖像。但線陣列檢測器在光學系統上有兩個重要變化：(1)不需要狹縫，因此光通量高，其空間分辨率由光學系統決定;(2)斑點大小與檢測器陣列的尺寸匹配。

　　焦平面陣列(FPA)檢測器適用于拍照模式的紅外成像采集。FPA 檢測器通常由數千到數萬個獨立的檢測單元構成，總的檢測器芯片大小為幾個平方毫米。當樣品采集面積與顯微鏡光學系統的放大倍數和檢測器總大小相匹配時，即可一次成像，而不需顯微鏡載物臺移動。常見的 FPA 檢測器有 256×256、128×128、64×64 及 32×32 像素，可以同時采集數千到數萬個像素點光譜。和單點及線陣列檢測器相比，FPA 檢測器的采集效率很高。線陣列檢測器也采用照相方式，但其一次成像的面積小，因此通常需將分析區域 “分割” 成若干塊，再分別對各塊照相，然后將其組合成一幅完整的圖像(類似于手機拍照設置中的 “全景” 模式)。線陣列檢測器是單點和 FPA 檢測器的結合。

　　不過由于 MCT 材料是通過銦焊接技術與基板結合，并且檢測器需在液氮冷卻下工作，反復的熱冷循環可能導致焊接脫落以及檢測器邊緣分層，使檢測器中出現壞像素點，并且隨著使用時間的增加，這種現象會更加嚴重，這是目前 FPA 檢測器的最大限制，也使得大像素數檢測器的開發和應用受到很嚴峻的挑戰。

　　2 實驗方法和圖像分析

　　2.1 采集方式

　　和紅外光譜一樣，紅外成像的采集方式也包括透射成像、反射成像和衰減全內反射成像 3 種模式。紅外成像一般采用 Cassegrain 光學模式，這種模式的特點是光路系統均采用反射模式將紅外光聚焦到樣品上。

　　2.1.1 透射成像

　　透射成像適合測量厚度小于 30μm 的薄膜、固體切片和微量液態樣品。對于高分子薄膜樣品，由于其易卷曲變形，需用膠帶等將其固定，或將其夾在 KBr、ZnSe 等紅外透明片之間再進行測量。與普通光學顯微鏡測量不同，透射成像需要聚焦兩次，即首先通過上物鏡將光束聚焦在樣品上，上物鏡在這里起物鏡作用;然后穿透樣品的紅外光再通過下物鏡導入到成像檢測器進行紅外圖像采集，這里下物鏡起聚光鏡作用。透射成像信噪比高，圖像質量好，但對較厚的固體樣品需先進行顯微切片才可分析。由于是微區分析，切片時一定要保證切刀和冷臺溫度足夠低，否則會出現撕拉現象，使得到的微區圖像不能真實反映樣品原貌。另外采用透射成像進行多組分樣品分析時，樣品厚度應小于或與采樣區域大小相近，否則會出現偽影。

　　2.1.2 反射成像

　　反射成像本質上是一種透反射成像，適用于樣品沉積或附著在具有鏡面反射效應或者紅外反射效應的基底上的測量。測量時，紅外光首先經上物鏡聚焦到樣品上，并穿透樣品到達下方反射鏡面，反射光再次穿過樣品后被上物鏡沿原光路聚焦并導入到成像檢測器中。從反射成像光路圖可看出，反射成像中只有二分之一物鏡用于照射樣品，另一半物鏡用于收集反射光，即起到透射成像的聚光鏡作用。鏡面反射基底包括鍍有 Au、Pt、Cd、Al 等的玻璃鏡面，以及一些表面光亮的金屬箔片，如鋁箔、銅箔等。當樣品厚度過大、平整度不好時，得到的圖像質量較差。

　　2.1.3 衰減全內反射成像

　　衰減全內反射成像適用于透射和反射條件下均難以制樣的樣品以及需要進行表面微區分析的樣品。這種方式幾乎不需要對樣品進行任何預處理，是非常方便的一種成像方式，且由于 ATR 晶體具有較高的折射率，紅外成像的空間分辨率也大大提高。不過，與傳統 ATR 方式盡可能采用多次反射來增加光程不同，ATR 成像模式采用單次反射，以保留樣品的空間特征。實驗時將 ATR 晶體(單晶硅、鍺或金剛石)安裝到反射成像的物鏡下方，升高載物臺使 ATR 晶體與樣品緊密接觸，然后用 mapping 方式逐點采集光譜。Kazarian 等發明了一種可采用 FPA 檢測器的大區域成像模式，其特點是采用的 ATR 晶體較大，在儀器中呈倒金字塔形放置。與顯微成像模式最顯著的不同是紅外光經過 ATR 晶體內反射后不再需要通過物鏡聚光，而是直接進入到 FPA 檢測器，因此隨檢測器大小的不同成像面積的范圍為 500μm×500μm~5000μm×5000μm。

　　2.2 樣品制備

　　用于紅外成像分析的樣品無需任何染色或標記，但樣品通常須事先進行干燥(尤其是生物樣品)，也可以使用溶液鑄膜法制備適合紅外光譜測試的薄膜。此外，由于載物臺和物鏡之間距離較小，對于較厚的樣品須先進行切片，特別是透射成像模式下，樣品厚度一般不能超過 30μm。

　　2.3 紅外圖像采集和顯示

　　首先在亮場顯微鏡的視場下移動載物臺使樣品清晰可見，然后選擇 ROI;再將鏡頭換為紅外顯微鏡物鏡，通過調節載物臺高度使樣品在紅外區域清晰可見，如果是透射模式成像，還需再調節載物臺下方的聚光鏡;一切就緒后即可進行紅外成像采集。對于 ATR 成像，此時即可裝上 ATR 鏡頭，然后進行圖像采集。無論哪種模式，都可得到紅外圖像。將光標置于紅外圖像中不同像素點處，可實時顯示該位置的光譜;反過來，為了得到某一特定組分在空間中的分布，只需將光標放在光譜圖中該組分的特征吸收位置，其在空間中的分布情況就能直觀地顯現出來，其中不同的 RGB 顏色代表了該組分在不同區域的紅外吸收強度分布，亦即其濃度分布情況。

　　2.4 紅外圖像預處理

　　由于紅外圖像大多是在開放環境中采集，原始圖像的質量直接受不同像素處的光譜背景、儀器噪音、總信號強度、儀器波動、出現異常像素光譜以及樣品折射率變化引起的色散偽影等因素影響。為了消除或減小上述影響，提高定性和定量數據分析的穩健性和準確性，對圖像進行預處理十分必要。

　　紅外圖像預處理包括圖像信號預處理和圖像壓縮兩種。圖像信號預處理包括濾噪、光譜平滑、基線矯正、CO2抑制或扣除等，當采用成像模式時還需要對圖像進行 ATR 校正。這些預處理方法與普通紅外光譜法類似，所不同的是這里需要用一個批處理命令對圖像中的所有像素光譜進行統一處理。異常像素光譜是指由于不同的儀器假象存在，某些像素在圖像測量時會顯示出不期望的光譜讀數(如光譜顯著增強或降低)或出現完全異常的光譜(由 FPA 檢測器使用過程中產生的壞像素點導致)。異常讀數和壞像素譜可用內插替換值或內插替換光譜代替，內插替換值或內插替換光譜為相鄰的正常光譜讀數的平均值或相鄰的正常像素光譜的平均譜。

　　此外，紅外圖像占用的計算機空間很大，從幾 MB 到幾十 GB 不等，對如此巨大的數據進行完全分析既不可能，也沒必要。因此可在保證信號質量的前提下對圖像進行壓縮以減少數據量。需要注意的是，圖像經壓縮后其空間或光譜分辨率會受損失。當前比較好的圖像壓縮方法是主成分分析法，這種方法將數百乃至上千個原始光譜通道壓縮為少數幾個有意義的變量，這幾個變量僅僅是原始變量的線性組合，它們能非常有效地表達圖像。

　　2.5 紅外圖像分析

　　紅外圖像分析的目的是對樣品 ROI 內重要的化學或物理性質進行分類或量化。對經過預處理后的紅外圖像進行分析，大致包括以下幾個步驟：

　　對圖像中包含的各組分紅外光譜圖進行定性分析，確定不同組分的特征官能團;

　　依據圖像中不同像素處特征官能團吸收譜帶的強度分布(以不同顏色作為標尺)來確定不同組分在 ROI 的空間分布;

　　根據紅外譜圖提供的信息，對圖像微區進行單變量分析或與化學計量學方法結合進行更深入的研究。

　　可以看出，對圖像包含的紅外光譜圖進行深入分析是紅外圖像分析的首要步驟，也直接決定研究者對紅外圖像分析的深度。紅外圖像分析方法主要包括單變量分析和多元圖像分析。

　　2.5.1 單變量分析

　　單變量分析是最簡單直觀的紅外圖像數據處理方法。首先根據圖像包含的紅外光譜選擇不同組分的特征譜帶(選定的譜帶之間盡量不要重疊，或重疊較小)，并選擇適當的基線和積分區間，通過批處理指令計算所有像素的峰面積或峰高，從而獲得特征官能團所代表組分在空間中的真實化學分布。由于樣品厚度很難保持完全一致，較宜采用峰面積比或峰高比法。吸光度比值法要求選擇的參比譜帶所代表組分在樣品中大量存在(即作為基體)，且不與待分析譜帶相重疊。單變量分析法只考慮圖像中少數幾個光譜特征，大量的光譜維度信息被忽略。當樣品中組分不完全已知或即使完全已知但各組分的吸收譜帶相互重疊時，這種方法會引起較大的計算誤差。

　　2.5.2 多元圖像分析

　　多元圖像分析是采用化學計量學技術對圖像進行深度分析的一種較好的方法，它巧妙地利用了紅外圖像包含的大數據量，通過多元計算獲得各種純組分的光譜和空間信息，計算時同時考慮紅外圖像的空間特性和光譜特性。紅外圖像分析中常用的多元圖像分析方法有以下幾種。

　　主成分分析

　　主成分分析是最常用的多元圖像分析方法，它將原始光譜數據分解為少數幾個潛變量的雙線性模型，這些潛變量稱作主成分。

　　原始圖像的光譜維中存在大量重復信息，PCA 分析的目的就是將這些原始變量重新進行線性組合，使得到的少數幾個新變量(即 PC)在多維抽象空間中兩兩正交，沒有重復，從而能最大限度地包含圖像中盡可能多的數據。PC 分布一般按照它們對總方差的貢獻排序，貢獻最大者為 PC1，次大者為 PC2……，通常只有前幾個 PC 能描述與化學組成有關的光譜變化。

　　注意到，主成分分析模型和雙線性模型非常形似，但各變量的意義不同。一般地，模型中載荷陣的行和得分陣的列可分別解釋為圖像經 PCA 處理后獲取的一系列抽象純光譜及其在空間中的濃度分布。多數情況下真實光譜的主要特征在載荷譜中均能體現，而各個 PC 的得分圖也與真實組分的化學圖像相似。由于 PCA 僅是對原始變量進行數學運算獲得的，得到的載荷譜和得分圖中可能會出現一些負峰或負值(由計算方法不同或過擬合引起)，因此 PC 不能直接與真實化合物相關，但通過取絕對值等處理后仍可以有效地對圖像進行解釋。

　　圖像經 PCA 處理后，組成相似的像素應具有相似的載荷譜，這可被用于圖像聚類分析，即在聚類算法中用載荷譜代替像素譜作為輸入信息。

　　圖像聚類分析

　　具有相似光譜的像素一般也具有相似的組成及相似的化學、生物學性質，采用聚類分析可將這些像素從其他組中區分出來。將這些像素指定為某一官能團就可基于官能團而不用基于吸光度來顯示圖像。圖像聚類分析包括以下兩大類。

　　①無監督和有監督聚類分析法

　　這兩類方法的區別為無監督法采用所有未知圖像來尋找像素簇或像素種類，而有監督法采用提前定義的像素種類，即種類模型先用已識別的像素生成，然后再用于未知像素的種類指認。

　　當像素譜足夠相似時，無監督法即將這些像素指認為同一簇，相似度可用不同方法評估。PCA 的二維得分散點圖是較好的無監督聚類分析法。在散點圖中，兩個 PC(經常用 PC1 和 PC2 表示)作為兩個坐標軸，每個像素按照其相應的得分坐標用一個點表示。相似的像素在顯示的 PCA 空間中聚成一簇，不同簇通過對散點圖的觀察來定義。PCA 用于聚類分析的優點是不僅能獲得不同簇，而且從其對應的載荷譜中還能夠檢測到不同官能團的光譜特征。其他無監督圖像聚類分析法還包括空間距離法(如歐氏距離、馬氏距離、曼哈頓距離等)和分層聚類法等。

　　有監督聚類分析法中每個不同種類都用一個模型描述，這些模型將未知像素指認為預定義種類。自交互建模分類類比法(SIMCA)或偏最小二乘 - 判別分析(PLS-DA)是有監督聚類法中的常用算法。

　　②硬聚類和模糊聚類分析法

　　硬聚類分析中，一個像素僅屬于一類，各個簇之間完全分開。這種聚類法更適合進行清晰分割。不過需假定已定義類之間沒有重疊，即每一類的像素譜都有完全明確且一致的光譜形狀。而在模糊聚類分析中，一個像素可能有不同的幾率來歸屬于不同種類，即它對所有的簇而言都有一個分數值，亦即允許簇間產生交疊。很多真實圖像中像素譜反映的是圖像空間上幾種化合物重疊的信號貢獻，因此在非均相圖像中模糊聚類法更適合描述真實的圖像性質。

　　圖像聚類分析一般只通過像素間的光譜相似度來獲得，這種方法有助于發現樣品光譜中的特征官能團。但圖像中各像素之間相互并不獨立，相鄰像素比相互間隔較遠的像素更相似，因此空間位置也可作為圖像聚類分析的一些潛在信息使用。

　　圖像分辨

　　圖像分辨的目的是獲取每個特定成分的空間信息(分布圖)和化學信息(純光譜)。簡單交互自模式混合物分析(SIMPLISMA)是主要的圖像分辨方法。該方法首先需預設一個初始濃度分布矩陣或一個純組分的光譜矩陣，然后對真實情況進行迭代搜索。由于要獲取的信息都包含在原始測量數據矩陣中，該法主要致力于在原始圖像中尋找 “最純的” 光譜維或像素。多元曲線分辨 - 交替最小二乘法(MCR-ALS)能滿足圖像分辨的要求，是最常用的 SIMPLISMA 方法之一。它首先通過 PCA 確定有效組分數，然后通過給模型中的濃度矩陣或純光譜矩陣賦一初值，再進行交替最小二乘的迭代運算，最終獲得幾個最純的 “光譜” 或 “濃度分布” 圖。本課題組采用紅外成像結合 MCR-ALS 法分別對氯化丁基橡膠 / 聚酰胺 - 12 共混物(CIIR/PA12)和兩種未知的商業聚合物盲樣進行了研究，較方便地鑒定出其中的共混中間體化學結構以及多個添加劑的種類。

　　3 典型應用

　　和物理成像技術相比，紅外成像技術能無損地反映出微區域內的化學組成及其分布情況;相較于其他化學成像(如核磁共振成像和質譜成像)，該技術又具有較高的空間分辨率和靈敏度，且無需復雜的標記和嚴苛的測試條件。因此紅外成像自發展之初就被應用于高分子材料、生命科學、環境、法醫學、考古學等多個領域，本文僅對其在高分子材料領域的一些典型應用進行介紹。

　　3.1 聚合物結晶和取向研究

　　聚合物結晶對高分子材料的生產至關重要，因為晶體結構、結晶度和形貌會影響最終產品的性能。聚合物在結晶時其紅外光譜中會出現一些結晶特征譜帶、某些譜帶會發生偏移或譜帶變銳等現象，因此紅外光譜是表征聚合物結晶行為的重要手段。紅外成像技術將光譜信息與空間信息結合，能夠揭示成像區域內聚合物不同結構的分布情況。當用于聚合物結晶動力學或構象變化的研究時，可根據不同晶型特征峰的出現或強度增減來對其進行表征。

　　Lu 等采用原位 ATR FT - IR 成像考察了共混組分Tm對聚羥基丁酸聚乳酸(PHB/PLLA)共混物的等溫結晶過程的影響，總結了發生相分離和結晶的條件。PHB 和 PLLA 在非晶態時其羰基(C=O)譜帶分別在1731cm−1和1748cm−1處出現一個單峰，而在等溫結晶過程中，結晶 PHB 位于1720cm−1處的C=O吸光度逐漸增大，1731cm−1處的吸光度逐漸減小;同時，結晶 PLLA 的ν(C=O)在1756cm−1的吸光度逐漸增大而位于1748cm−1的非晶態峰逐漸減小。

　　分別對共混物中的1720cm−1和1756cm−1峰的吸光度進行成像即可直觀看出其結晶過程和相分離的情況。從紅外圖像可以看出，PHB 只在結晶型 PLLA 含量少的區域結晶，同樣，PLLA 也僅在結晶型 PHB 含量少的區域結晶，說明有相分離發生;此外還可看出，降低結晶溫度可減小相分離程度。另外，他們的研究也表明，隨 PHB 量(低Tm組分)的增加相分離程度增強，結晶被延遲。這是因為開始結晶的時間越晚，其混合物相分離的時間就越長，因為結晶 “凍結” 了聚合物分子鏈且低的Tm會削弱結晶的驅動力進一步限制晶體的形成。

　　進行紅外成像即可得到其序列態和取向的空間分布。可以看出當 PHB/PLA 質量比為 50/50 時，PHB 在 PLA 基質中呈 “海島” 狀分布，且 PHB 組分在共混物中為負取向，而組分在共混物同一位置為正取向，同時還可看出在基底中 PHB 和 PLA 的取向均輕微為正。這些結果表明：對 PHB/PLA 共混物薄膜拉伸時，兩種組分的取向相反，富含 PHB 的相延展程度更大，而富含 PLA 的相延展較小。有意思的是，作者通過紅外成像還證明，僅在 PHB/PLA 質量比為 50/50 時才會出現這種海島型分布，其他比例的共混物膜均未發現這種現象。

　　Hikima 等采用偏振顯微 ATR FT - IR 成像對 PHB 球晶的分子取向進行了系統研究，結果表明偏振紅外成像能增強聚合物分子取向表征的靈敏度。他們還用這種技術對單軸拉伸聚乙烯薄膜、結晶 PHB 和 PLLA 的環帶狀球晶的面內分子鏈取向進行了系統研究，并發展了一種圖像處理算法。此外，Ishige 等也采用偏振顯微 ATR FT - IR 成像對雙向拉伸薄膜中芳香聚酰亞胺(PI)及其前驅體聚酰胺酯(PAE)分子取向進行了研究，獲得了微米尺度上 PI 主鏈和芳香亞胺平面的分子取向空間分布圖。紅外成像表明薄膜在 PI 主鏈空間分布圖上具有良好的均勻性，而在芳香亞胺平面的空間分布圖上表現出非均勻性，即 “正面” 和 “側面” 取向域共存。紅外成像結果說明在熱亞胺化過程中，剛性 PI 鏈的取向方向固定在 PAE 基體的平均取向方向上，而芳香亞胺環可以繞主鏈旋轉。

　　3.2 聚合物共混物相容性與相分離研究

　　組分之間的相容性是聚合物共混改性的關鍵，直接決定聚合物復合材料的使用性能。理想的復合材料各組分之間應具有良好的相容性。紅外成像是研究共混物相容性與相分離的理想方法，本課題組在該領域做了較系統的研究工作。我們采用透射紅外成像研究了兩種牌號 EVA 樹脂與 C5 石油樹脂之間的相容性，考查了 C5 含量(質量分數)對相容性的影響，方便快捷地確定了組分間的最佳比例。此外，我們還采用 ATR FT - IR 成像考察了增容劑聚丙烯接枝馬來酸酐(PP - g - MAH)對 PP/PA6 相容性的影響。如圖 8 所示，每個圖像左上側數字代表加入的 PP - g - MAH 的份數，未加增容劑時，PP/PA6 共混物呈現出明顯的宏相分離;加入增容劑后，PP/PA6 的相容性得到顯著改善;通過紅外成像還直觀地得到了最佳的相容劑加入量為 6 份。

　　進一步地，本課題組又采用 ATR FT - IR 成像系統考察了 PP - g - MAH 對 CIIR/PA12 相容性的影響，結果顯示加入 15 份增容劑即可獲得最佳的相容性。而且我們采用 MCR - ALS 技術成功提取了聚合物共混過程中產生的中間相光譜，結果表明當不加增容劑時 CIIR 和 PA12 相互作用形成酰胺類化合物(CIIR - g - PA12);而加入 10 份以上的相容劑后，形成一種酰亞胺類中間相，從而促進了 CIIR 和 PA12 的相容。基于中間相的確認，我們進一步提出了 PP - g - MAH 對 CIIR/PA12 共混物的增容機理。在以上工作基礎上，我們又嘗試將紅外成像結合 MCR 技術用于對兩種未知商用聚合物材料盲樣的組成進行全分析，分別鑒別出 8 種和 6 種成分，其中大部分都是含量極低的組分，取得很好的結果。這種方法不用冗長的分離步驟，簡便快速。

　　總結了其他研究者采用紅外成像技術在聚合物共混物相容性研究方面做的一些工作。可以看出，該方法直觀、可視、易于理解，與物理成像方法相比，這種化學成像方法能反映復合材料中最真實的共混情況，從而為聚合物共混加工提供最可靠的指導。

　　3.3 聚合反應及聚合物溶解的可視化動力學研究

　　將紅外成像用于對聚合反應動力學進行可視化研究時，通常以某一參與反應的官能團特征譜帶成像，通過該譜帶強度的實時變化觀察不同時間下同 一區域紅外圖像的變化，從而獲得相應的聚合反應動力學。這種方法直觀可視，易于理解。Biswal 和 Hilt 用紅外成像法對一種微格化芯片上基于甲基丙烯酸(MAA)和四乙二醇甲基丙烯酸酯(TEGDMA)形成的智能水凝膠的自由基聚合過程進行可視化原位監測，通過C=C雙鍵(1636cm−1)的逐漸消失直觀地展示反應的動態化進程。

　　可清晰地看到 44h 后反應完成。他們還用該法分析了微格化芯片水凝膠在紫外光聚合過程中的氧抑制效應。這些工作有助于微格化芯片工程化過程的優化。同樣地，Sorber 等采用 ATR FT - IR 成像對聚丙烯酸 / 聚乙烯醇(PAA/PVA)水凝膠基 pH 壓阻傳感器的溶脹行為進行了研究，并采用 PCA 對不同溶脹條件下的光譜變化進行了分析，對幾個主成分進行了識別。González - Benito 也采用紅外成像研究了硅烷涂層玻纖 / 環氧樹脂的固化過程，獲取了界面區氨基和NH2基的化學圖像，圖像顯示從纖維表面到聚合物內部環氧基體的結構存在梯度變化。結果表明溶解過程并不是均勻發生的，而是首先聚合物界面發生碎裂及變粗糙，然后逐步溶解。此外在纏結聚合物中還發現溶劑分離現象，而在非纏結聚合物中卻沒有。另外他們也對在中的溶解行為進行了研究。

　　3.4 聚合物降解的可視化動力學研究

　　降解性是聚合物性能的重要指標之一，聚合物的化學組成、分子量、微觀結構、結晶度等決定了其降解性，研究聚合物的降解行為有助于人們對其使用周期進行正確評估。本課題組采用透射紅外成像對聚丙烯紫外光氧化進行了系統研究，用吸光度比(AC−O/A2720)進行紅外成像可直觀地獲得不同時間段 PP 光氧化的演變過程。可以看出 PP 光氧化過程是不均勻的，這種不均勻可能與 PP 生產中引入的雜質有關。光照 8h 后 PP 即發生輕微氧化，20h 后氧化已較明顯;隨光照時間延長，氧化深度更深，氧化強度更大;當光照 60h 時，在 100μm 深度內幾乎全部出現了光氧化特征。我們還采用 PCA 對每一階段的圖像進行深入分析，獲得了不同階段的光氧化產物。我們首次發現在光照 16h 后產生酸酐，在 32h 后出現羧酸酯。根據這些不同階段的光氧化產物，我們提出了不同于以往的 PP 光氧化機理。

　　此外，Persson 等通過監測 1550cm⁻¹ 處三聚氰胺特征譜帶的減小程度，采用 ATR FT-IR 成像對聚酯三聚氰胺涂層在加速老化和自然老化后三聚氰胺官能度的損失進行了徑向深度分辨，他們發現，在 UV 和濕氣的影響下，涂層最外層降解最明顯;在 QUVA 老化箱加速老化 2163h 及暴露在海洋環境自然老化 4 年后，三聚氰胺官能度損失可在涂層徑向深度 8~10μm 處檢測到，進一步加速老化 4000h 后，整個外層涂層都會降解。此外，Nagle 等也采用 ATR FT-IR 成像對乙烯 - 降冰片烯共聚物(Topas)的光降解行為進行了初步研究。不過，后兩個工作均僅對紅外圖像進行單變量分析，得到的化學動態演變信息有限。

　　3.5 聚合物基組織工程材料的礦化研究

　　在組織工程應用中，生物降解材料可用于植入式醫療裝置，或作為支架材料用于組織修復，因為生物材料礦化與組織愈合速率的協調性直接決定組織修復的成功程度，因此充分了解生物材料的礦化動力學和礦化機制至關重要。聚乳酸 / 羥基磷灰石(PLLA/HA)納米復合材料是重要的骨組織工程材料，本課題組采用 ATR FT-IR 成像對其體外礦化進行了較系統的研究。我們制備的一種 PLLA/HA 多孔納米復合材料在體外降解一百余天時不同降解階段的紅外圖像，顏色由藍到紅代表材料表面的 HA 在增多，即 PLLA 被逐漸降解。通過對紅外圖像進行 PCA 分析，并對占總方差 90% 以上的 PC1 成分進行定量分析發現，該材料在模擬體液(SBF)中礦化遵循零級動力學模型，而在磷酸鹽緩沖液(PBS)中降解遵循二級動力學模型，并且多孔材料的礦化速率比無孔材料高一個數量級。在此基礎上我們對兩種介質中不同的礦化模型機理進行了理論推導。

　　為進一步了解 PLLA 在體外的降解行為，我們還對 PLLA 在降解過程中的結構多樣性演變進行了考察，首次從分子水平上提出了其礦化機制。首先發現兩組峰對(1384cm⁻¹/1361cm⁻¹ 和 1211cm⁻¹/1186cm⁻¹)的吸收強度比可用來區分無定型 PLLA(amor-PLLA)、α 晶型 PLLA(α-PLLA)和 β 晶型 PLLA(β-PLLA)3 種形態。通過對其紅外圖像進行 PCA 分析發現：復合材料中 PLLA 基質的無定型和結晶、α 和 β 轉變是一個交替變化的過程，且隨著礦化進行，無定型態越來越多，但 α 和 β 的轉變逐漸趨于穩定。紅外成像的結果為這種組織工程材料礦化的深入研究提供了理論支持。此外我們課題組和 Kazarian 等還分別對 PLLA / 生物活性玻璃的礦化過程進行了研究，Leroy 等也對 PLLA 的體外及體內降解進行了探索。

　　3.6 藥物釋放研究

　　口腔緩釋貼片是一種由聚合物基質包覆藥物的特定尺寸薄片，對吞咽膠囊或藥片困難的患者是一種非常好的治療手段。口腔緩釋貼片的藥物釋放性能受聚合物基質的物理化學性質影響，因此了解藥物和聚合物在制造過程和溶解過程中的行為有助于藥物配方開發和質量控制。Hifumi 等通過改變水環境的 pH 和基膜的疏水性，采用 ATR FT-IR 成像技術研究了速釋型羥丙基甲基纖維素(HPMC)基布洛芬和緩釋型聚乙烯吡咯烷酮(PVP)基布洛芬兩種薄片的溶解行為。圖 13 表明，藥物隨著水的浸入同步開始釋放，HPMC 薄膜比 PVP 薄膜溶解快，此外在 HPMC 膜中能夠檢測到少量的結晶型布洛芬沉淀。包覆布洛芬的 HPMC 膜在溶解伊始，首先形成結晶型布洛芬并在膜上擴散，在膜吸水 1min 后，結晶型布洛芬很快溶解;PVP 膜上則始終無結晶型布洛芬沉淀。

　　此外，ATR FT-IR 成像還表明，較低的進水速率可防止低溶解度藥物的沉淀，并可通過改變外包膜的疏水性來控制藥物的釋放速率。Tetteh 等將紅外成像與多元目標因子分析結合對 PEG-600/H₂O 中的藥物 4 - 氰基酚在皮膚中的擴散行為進行研究，分析了不同位置 4 - 氰基酚平均擴散圖像的相似性。熱熔擠出法可以將水溶性差的藥物活性成分包裹在聚合物載體中制成固體分散劑，增加其溶解度和生物活性。振動光譜(紅外和拉曼)及成像特別適合研究熱熔擠出制劑的分散均勻性和藥物在空間中的分布。Pudlas 等將原位流動池與紅外顯微成像技術結合分析了熱熔擠出制劑中不同輔料對藥物緩釋的影響作用，結果表明藥物與聚合物的相互作用以及聚合物的種類都會造成藥物釋放速率的差異，相互作用越強，釋放速率越低。加入碳酸鈉可以提高釋放速率，因為它可以減弱藥物和聚合物之間的相互作用，允許形成更多的水溶性布洛芬鹽。

　　3.7 微塑料分析

　　2004 年 Thompson 等在 “Science” 上刊文，首次將微塑料(microplastics)明確定義為粒徑小于 5mm 且不溶于水的聚合物碎片或顆粒。根據尺寸大小微塑料還可進一步區分為 “大” 微塑料(500μm~5mm)、“小” 微塑料(1μm~500μm)和納米塑料(nanoplastics，<1μm)。微塑料對環境(包括土壤和水體)、生物以及通過食物鏈對人類的各種已知和未知的危害已引起科學界的廣泛關注。不過，由于自然界中的微塑料尺寸小、含量低，對其進行分析面臨很大挑戰。由于紅外成像微觀可視，且能方便可靠地識別各種聚合物成分，并給出這些聚合物成分的豐度、形狀和大小信息，因此最近十多年其已成為微塑料分析的最重要手段。

　　微塑料分析的第一步是采集各種代表性樣品并對其進行前處理。由于微塑料濃度都非常低，水樣處理時一般都需要采集大量的水(10~100L 甚至更多);土壤或沉積物的采樣需根據樣品特點和采集位置不同而分別采樣(表面、不同深度以及采樣位置是否有特定污染物等);生物體消解液的取樣更主要取決于其消解的器官部位或生物體本身(如魚、蝦等海產品)。采集完成后再進一步對樣品進行分離、濃縮等處理，以使微塑料能被較方便地甄別。

　　Tagg 等通過加標法開發了一種用于有機廢水中的微塑料分析方法。首先用 30% 的 H₂O₂對廢水進行前處理，然后用濾膜過濾，再直接對濾膜進行紅外成像采集。從圖 14 可以看出，幾種不同的微塑料得到了很好的識別。他們的工作表明采用紅外成像對微塑料進行分析和鑒定從方法學角度是完全可行的。Primpke 等建立了一個既能用于單顆粒分析，也特別適用于紅外成像結果分析的微塑料數據庫。該數據庫基于對 3600~1250cm⁻¹ 范圍的參比光譜進行分層聚類分析的結果，并可與自動分析軟件相連。通過對環境樣品進行實測，證明微塑料的正確識別率顯著優于之前報道的數據庫。Tekman 等采用紅外成像對北極圈的水和沉積物樣品中的小粒徑微塑料(11~500μm)進行分析，發現 18 個樣品中有 16 個樣品都含有微塑料，共鑒定出 15 種尺寸在 11~150μm 范圍內的合成聚合物，其中≤25μm 的顆粒占一半以上。水樣中微塑料的濃度在 9~1287N/m³ 之間，其中含量最豐富的是聚酰胺(39%)和乙丙橡膠(23%);而沉積物中微塑料濃度在 239~13331N/kg，含量最豐富的聚合物是氯化聚乙烯(31%)。

　　這些結果表明水體中的微塑料濃度低于沉積物。他們還分別在北極、北歐及瑞士阿爾卑斯山附近采集了 21 個雪樣本，采用紅外成像對樣品中的微塑料組成、濃度及大小進行分析，共發現 19 種不同類型的聚合物，每種樣品的組成從 2 種到 12 種不等，在歐洲每個樣品的聚合物數量明顯高于北極，其中清漆、橡膠、聚乙烯和聚酰胺出現的頻率最高;80% 的微塑料尺寸小于 25μm，98% 的微塑料小于 100μm。根據這些結果可以推斷北歐圈微塑料的遷移行為，為微塑料防治提供了理論依據。Jung 等采用 ATR FT-IR 成像結合 PCA 分析對海龜體內的微塑料種類進行鑒別，發現海龜體內存在的微塑料主要為 HDPE、LDPE、PVC、PP 及 PA。表 2 總結了近年來紅外成像用于微塑料分析的一些典型工作，可供感興趣者參考。

　　盡管紅外成像技術在微塑料分析中已占據主導地位，但仍存在一些局限：(1)因其分辨率受衍射限制，無法對粒徑 < 10μm 的小顆粒進行分析;(2)紅外圖像質量易受顆粒的形狀、大小及厚度影響;(3)紅外成像無法用于黑色微塑料分析;(4)采用紅外成像技術研究微塑料，需要對樣品中的每一個粒子進行定性及定量分析，如何解決海量數據分析過程中耗時又費力的問題，以及如何進行自動化分析是一個新的挑戰。

　　3.8 生命科學與臨床診斷研究

　　除聚合物外，紅外成像在生命科學、環境、法醫學、考古學等領域都有重要應用，在此我們僅對其在生命科學領域的應用簡單介紹。在生命科學領域，紅外成像早期主要用于區分腫瘤組織與正常組織，但現在很多報道都致力于通過分子特征信息進行臨床診斷和代謝過程研究。與其他技術(如磁共振成像、熒光成像等)相比，紅外成像不需對樣品進行染色就可獲得樣本的化學信息，且紅外成像的空間分辨率低至 10μm，比磁共振成像(~1mm)高 2 個數量級，因此有望在未來成為這些重大疾病早期診斷的有力工具。Shi 等通過特別設計對 2000~2300cm⁻¹ 區域進行紅外成像實現了具有高信息通量的代謝物成像，并將其成功用于單細胞代謝成像分析，為重大疾病的早期精準診斷提供了新思路。

　　Ducic 等采用同步加速器 - 紅外成像對使用利魯唑藥物后腦膠質母細胞瘤細胞系的生物大分子變化進行了監測，發現給藥主要影響糖代謝產物及 DNA 結構，另外脂質結構和蛋白二級構象也會受到影響。該工作揭示，未來的治療方法可以根據每種腫瘤類型的特定生物大分子特征實現對其活細胞代謝產物的監測，從而開發出更特異性的治療方法。Tiwari 等提出一種基于高清紅外成像的腫瘤組織測量框架，該框架利用組織的內在化學對比來標記腫瘤及其微環境中的獨特成分，并采用自動計算方法確定了對預測十分重要的組織特征。該工作顯示用該框架評估的腫瘤空間組織可以預測結腸癌的總體存活情況，這為測量和研究腫瘤空間組織與疾病進展之間的關系開辟了一條全數字化途徑。此外，Sacharz 等對如何獲取腦組織高質量紅外成像的各種采集參數進行了系統討論，為該方法的實用化奠定了基礎。

　　4 總結與展望

　　本文系統介紹了紅外成像的基本原理、成像系統和儀器構造、圖像采集、預處理及分析方法，并對紅外成像在高分子材料表征中的一些典型應用，包括結晶和取向、共混物相容性與相分離、聚合反應及聚合物溶解、降解的可視化動力學、聚合物基組織工程材料的礦化、藥物釋放及微塑料分析等方面的研究作了系統介紹，此外也對紅外成像的另一重要應用領域 — 生命科學與臨床診斷方面的研究進展作了簡介。本文為高分子材料研發工作者提供了新的研究思路，可啟發其從分子水平上對相關產品或樣品進行結構設計、配方改進或工藝過程優化，為提高高分子材料最終性能提供支持及指導。

　　除了不斷拓寬在聚合物及其他領域的應用外，紅外成像技術也從以下幾個主要方面在不斷發展。

　　(1)納米分辨紅外成像技術。由于紅外光波長較大，傳統紅外顯微成像很難突破其衍射限制，因此空間分辨率一般到不了亞微米級。盡管 ATR 成像能將分辨率提高 n 倍(n 為晶體折射率)，但仍在幾微米左右。近年來，人們將原子力顯微鏡與紅外成像聯合(AFM-IR imaging)，可使空間分辨率達到幾十納米級別。其原理是通過檢測原子力顯微鏡探針與樣品表面接觸時的偏轉及樣品在紅外光下的快速瞬態熱膨脹(這種熱膨脹與不同紅外波長下樣品的折射率有關)，采用傅里葉變換將 AFM 探針震蕩的振幅信號轉變為與紅外吸光度密切相關的 AFM-IR 信號。這種技術已被用于石墨烯 - 電解質相互作用及聚偏二氟乙烯 - 六氟丙烯共聚物等的研究。為了提高 AFM-IR 成像的分析靈敏度，需要采用高功率激光器提高樣品的熱膨脹幅度，因此超高亮度光源是實現納米分辨紅外成像需解決的主要問題。QCL 光源正在成為這些方法的首選激光器。

　　(2)采用超高亮度光源。同步加速器和自由電子激光光源能量高，線寬窄，既可顯著增加成像表征的靈敏度，獲取高質量圖像，也能大大提高檢測速度(減少了光譜采集次數)。不過，這些大光源需要專門的空間和裝置，目前在普通實驗室里無法實現。QCL 可調諧激光光源提供了在實驗室完成高亮度紅外成像的可能性，未來有可能成為突破衍射限制紅外成像的主要光源，但需要研發具有更大功率輸出、更好時間穩定性以及波數覆蓋范圍可與寬光譜光源相媲美的激光器。

　　(3)實現 3D 紅外成像。3D 紅外成像可以看到樣品內部任何位點的化學組成，在高分子材料和生命科學領域有極其重要的用途。目前通過旋轉樣品并連續采集不同角度的 2D 紅外圖像，然后對其進行計算機層析術(CT)計算，可實現 3D 紅外成像。不過為探測到樣品深處的化學信息，同樣需采用超高亮度光源，這在目前也受到很大限制。此外，3D 成像數據量特別大(一般至少～10GB)，數據處理復雜，運算速度慢。因此開發高效、快速的 3D 紅外成像數據處理軟件，提高其空間定位精度以及實現圖像的精準還原是該領域當前面臨的另一挑戰。

　　(4)此外，紅外成像技術與其他裝置聯用，有望解決更復雜的科學問題。如除了與 AFM 成功聯用外，與流變學裝置聯用可探測復合材料中聚合物基體在分子尺度上的變形行為。

　　總之，從紅外成像走過的近 30 年歷程看，這種技術在不斷地發展、進步和完善，并不斷拓寬其在多個領域中的應用。隨著小型高亮紅外光源的發展，以及圖像分析軟件的商用化和普適化，這種技術必將在科學研究中發揮更加重要的作用。

竇彤彤;張普敦,中國石油石油化工研究院;北京化工大學化學學院分析測試中心,202403