北京化工大学学报·自然科学版杂志投稿格式参考范文：红外成像技术在高分子材料表征中的应用

　　引言

　　高分子化合物具有复杂的聚集态结构和独特的物理化学性能，其链结构、结晶度、空间取向、形貌及形成复合材料的均匀性、相容性等都会影响最终产品的性能及其实际应用。红外光谱是表征高分子材料化学结构的最重要的方法，它可从化学和物理两方面为聚合物提供定性及定量的表征信息。化学方面包括组成和结构的信息，物理方面则包括构象、序列态以及取向等信息。随着人们对微观世界越来越深入的了解，仅可对样品进行宏观总体分析的传统红外光谱法已无法满足科研人员对未知世界探索的需求。

　　红外成像(FT - IR imaging)技术集红外光谱和显微分析于一体，是一种无需染色即可直接对样品进行高光谱成像且不破坏样品结构的新技术，它能够同时给出样品中的化学组成及其在空间中的分布信息，是一种无损化学成像技术。第一篇真正意义上的红外成像研究发表于 1995 年，该工作采用了 128 像素 ×128 像素的 InSb 焦平面阵列检测器代替之前的逐点扫描式红外显微成像。近二三十年来，红外成像技术已经将红外光谱从 “点分析” 扩展到 “面分析” 甚至 “体分析”，是多组分体系化学成分微观分析的强有力工具，被广泛应用于聚合物、生命科学、农业科学、食品科学及法医学等领域。

　　本文阐述了红外成像技术的基本原理、仪器构造及工作模式，介绍了红外成像的实验方法、数据处理方法和图像分析技术，最后总结了近年来红外成像技术在高分子材料表征中的一些典型应用及进展。

　　1 基本原理及成像系统

　　1.1 基本原理

　　进行红外成像时，首先要根据检测目的在显微镜下选择感兴趣区域(ROI)，一般在几平方微米～几平方毫米。样品 ROI 被 “分割” 为很多更小的微区，这些被 “分割” 的微区称作像素，它是红外成像的最小采集单元。对 ROI 的各个像素进行光谱扫描，得到其干涉图，经傅立叶变换后即可得到其光谱，再将所有像素点的光谱按采集顺序绘制二维或三维图谱，即得到所需要的红外图像。ROI 内的各组分分布情况根据特定波数下的透过率或吸光度用灰度图或 RGB 格式的彩色图显示，通过灰度大小或颜色变化反映微区内组分的空间分布及浓度变化情况。红外图像的采集可通过自动光阑调节、自动聚焦、自动校正、标记、照明等实现完全自动化。

　　得到的红外图像是一个三维数据立方体，该立方体包含了 ROI 被测样品组分的全部化学信息及其空间分布信息。红外图像数据集可以用矩阵D(x,y,λ)表示，其中 x、y 是空间位置坐标(μm)，表示样品的空间维度信息;λ 是样品的光谱维度坐标，波数或波长代表样品化学组成及结构的信息。原始红外图像数据矩阵 D 用一个双线性模型表示。

　　通过提取矩阵 C 的行向量就可获取相关像素的化学组成信息(即光谱);而特定组分在 ROI 各像素间的浓度变化可通过对列向量提取得到。将矩阵 C 的列向量再卷积即可恢复其原始浓度分布的二维或三维图像。

　　1.2 红外成像系统

　　基于宽光谱的红外成像仪是最常用的红外成像系统，其构成主要包括 3 部分：干涉仪、红外显微镜以及成像检测系统。进行成像检测时，红外干涉光通过红外显微光学系统的物镜和聚光镜在待分析样品上聚焦，经样品吸收后进入到成像检测器，并通过计算机实现微区域内光谱信号的同步操作、数据转换及可视化。大多数红外显微光学系统都与傅立叶变换红外光谱仪主机相连，由光谱仪提供调制的干涉光，从而实现 “一机两用” 的目的。近年来一些仪器公司也推出了专用的显微红外成像光谱仪，其特点是体积更小、操作更方便、应用场景更专一，仪器价格也相对较低。

　　1.2.1 干涉仪系统

　　干涉仪系统分为干涉仪和光源两部分。当红外显微镜与红外光谱仪主机相连时，调制干涉光由红外光谱仪主机完成，而将红外干涉仪与标准光学显微镜集成为一体可实现传统光学显示与红外成像显示的结合，此时光调制在红外显微镜内完成。

　　宽光谱红外成像系统常用的红外光源大多是白炽光源，如碳硅棒、金属陶瓷棒、EVER - GLO 光源、硅化钼或硅化钼钨等，其工作温度高，有些甚至可达以上。同步辐射光源具有光谱宽、亮度高、发散小等特点，是红外光谱技术的新兴光源。它采用同步电场和磁场对其中的电子加速，电子沿回旋通道加速时会产生光子。该光源具有超高的亮度，光束有效直径仅为 100μm 左右。采用这种光源的红外成像系统具有更高的空间分辨率、更大的信噪比和更高的图像采集速度。近年来也出现了一些准单色激光红外光源，最典型的就是自由电子激光，它是由相对论状态的电子束在波荡器中做扭摆运动产生的 “受激辐射”，其特点是波长从微波到 X - 射线范围连续可调、结构精细稳定、光束质量好、激光效率高。不过，基于光参量振荡或放大的激光红外光源波长范围较窄，需要有经验的人员进行调谐和维护，目前仅在气体分析方面有报道，很少用于有机结构分析的红外光谱设备上。

　　采用 SR 和 FEL 作为红外成像光源，能够克服光学衍射限制导致的红外成像空间分辨力不足问题。不过这两种光源在普通实验室均无法实现，因为都需要超大的回旋加速装置。目前上海同步辐射光源中心和中国科技大学同步辐射实验室(合肥)分别可预约进行 SR 和 FEL 的红外相关实验。量子级联激光器是一种以连续波或脉冲波模式工作的激光器，具有小型、可集成、大功率和可调谐的优点，蔺百杨等采用 QCL 作为中红外光源构建了一套气体检测系统，并用于微量 CO 气体的分析检测。该光源价格较便宜、可配套大尺寸非冷却阵列检测器，并能提供更高的信噪比，目前也在一些红外成像仪器中使用。基于 QCL 光源的激光红外成像系统无需宽光谱 FT - IR 成像的干涉仪和分束器等部件，样品吸收信号直接进入检测器，光路简单，能量损失小，QCL 的波数范围取决于光源集成的模块数及模块材料层厚，每个模块调谐范围在～。目前大多数光源波数范围在～，仍然存在光谱信息不全等问题。

　　1.2.2 红外显微镜系统

　　红外显微镜是红外成像系统的核心组件，通常由目镜、物镜、载物台、照明灯、可见光阑控制及聚光器组成，能够同时满足对样品微区状态的观察及红外测量的需求。在红外显微光学系统中，一般都采用 Cassegrain 反射光学模式将红外光聚焦到样品面上。为了获得可见光区的显微照片，在光路系统中还采用了一个独立的可见光光路以及 CCD 相机。可见光视场比红外光通路大，因而可以对样品精确定位。可见光图像或红外图像可采用一系列分光镜或旋转镜进行同时观察或交替观察。

　　1.2.3 检测器

　　中红外光谱的检测器主要有热释电型氘代硫酸三甘肽(DTGS)检测器和光电导型碲镉汞(MCT)检测器。DTGS 检测器是将光信号转化为热信号，通常在室温下工作，灵敏度低，用于显微红外测试时信号太弱。MCT 检测器由半导体碲化镉和半金属化合物碲化汞混合制成，在红外光辐射下，MCT 会产生载流子，使其电导率上升。在一定范围内，光生载流子的量与入射光强成正比，通过测量光照时电导率的上升来测量光子流强度，从而实现对红外光的检测。该检测器的灵敏度、精度和响应速度都优于 DTGS 检测器，但须在液氮冷却下工作。根据 Hg、Cd 的比例组成不同，MCT 检测器又分为窄带、中带和宽带三种类型，其中窄带灵敏度最高，为绝大多数红外显微镜采用。根据采集模式的不同，红外成像的 MCT 检测器又分为单点检测器和阵列检测器，其中阵列检测器又分为线阵列和焦平面阵列检测器。

　　(1)单点检测器

　　单点检测器适用于绘地图模式的红外成像采集。检测器上只有 1 个检测单元，尺寸一般为 250μm×250μm。单点检测器的光路采用双狭缝设计，通过控制狭缝尺寸限制红外光束的照射面积。这种设计可以消除由于单狭缝衍射引起的光偏移，但同时也减小了光通量。为提高图像和光谱的质量，就必须增加扫描次数，这又导致对大面积样品的红外成像耗时较长，因此 mapping 模式仅适合分析面积较小的局部区域。采用超高亮度的 SR 或 FEL 光源可大大减少扫描次数，缩短采集时间，上海同步辐射光源中心就是采用这样的模式进行红外成像。采用 mapping 模式成像时，样品载物台通过程序的精确控制自动变换采样位置(编码)并逐点扫描，最后通过软件拼成一幅完整的图像(即解码)。

　　(2)阵列检测器

　　线阵列检测器是最简单的阵列检测器，一般是将一组或两组 16 个窄带 MCT 检测器排列在一起，形成 16×1 或 16×2 的线阵列检测器(也有 8×1 或 8×2 检测器)，一个检测单元对应一个像素。成像时一次可同时采集线阵列上 16(或 32)个像素的响应信号并进行相应的数据处理。阵列检测器中每个像素单元的尺寸只有几到几十微米，远小于单点检测器，因而其信噪比较高。采用线阵列检测器同样需要精确控制载物台移动以获取完整的图像。但线阵列检测器在光学系统上有两个重要变化：(1)不需要狭缝，因此光通量高，其空间分辨率由光学系统决定;(2)斑点大小与检测器阵列的尺寸匹配。

　　焦平面阵列(FPA)检测器适用于拍照模式的红外成像采集。FPA 检测器通常由数千到数万个独立的检测单元构成，总的检测器芯片大小为几个平方毫米。当样品采集面积与显微镜光学系统的放大倍数和检测器总大小相匹配时，即可一次成像，而不需显微镜载物台移动。常见的 FPA 检测器有 256×256、128×128、64×64 及 32×32 像素，可以同时采集数千到数万个像素点光谱。和单点及线阵列检测器相比，FPA 检测器的采集效率很高。线阵列检测器也采用照相方式，但其一次成像的面积小，因此通常需将分析区域 “分割” 成若干块，再分别对各块照相，然后将其组合成一幅完整的图像(类似于手机拍照设置中的 “全景” 模式)。线阵列检测器是单点和 FPA 检测器的结合。

　　不过由于 MCT 材料是通过铟焊接技术与基板结合，并且检测器需在液氮冷却下工作，反复的热冷循环可能导致焊接脱落以及检测器边缘分层，使检测器中出现坏像素点，并且随着使用时间的增加，这种现象会更加严重，这是目前 FPA 检测器的最大限制，也使得大像素数检测器的开发和应用受到很严峻的挑战。

　　2 实验方法和图像分析

　　2.1 采集方式

　　和红外光谱一样，红外成像的采集方式也包括透射成像、反射成像和衰减全内反射成像 3 种模式。红外成像一般采用 Cassegrain 光学模式，这种模式的特点是光路系统均采用反射模式将红外光聚焦到样品上。

　　2.1.1 透射成像

　　透射成像适合测量厚度小于 30μm 的薄膜、固体切片和微量液态样品。对于高分子薄膜样品，由于其易卷曲变形，需用胶带等将其固定，或将其夹在 KBr、ZnSe 等红外透明片之间再进行测量。与普通光学显微镜测量不同，透射成像需要聚焦两次，即首先通过上物镜将光束聚焦在样品上，上物镜在这里起物镜作用;然后穿透样品的红外光再通过下物镜导入到成像检测器进行红外图像采集，这里下物镜起聚光镜作用。透射成像信噪比高，图像质量好，但对较厚的固体样品需先进行显微切片才可分析。由于是微区分析，切片时一定要保证切刀和冷台温度足够低，否则会出现撕拉现象，使得到的微区图像不能真实反映样品原貌。另外采用透射成像进行多组分样品分析时，样品厚度应小于或与采样区域大小相近，否则会出现伪影。

　　2.1.2 反射成像

　　反射成像本质上是一种透反射成像，适用于样品沉积或附着在具有镜面反射效应或者红外反射效应的基底上的测量。测量时，红外光首先经上物镜聚焦到样品上，并穿透样品到达下方反射镜面，反射光再次穿过样品后被上物镜沿原光路聚焦并导入到成像检测器中。从反射成像光路图可看出，反射成像中只有二分之一物镜用于照射样品，另一半物镜用于收集反射光，即起到透射成像的聚光镜作用。镜面反射基底包括镀有 Au、Pt、Cd、Al 等的玻璃镜面，以及一些表面光亮的金属箔片，如铝箔、铜箔等。当样品厚度过大、平整度不好时，得到的图像质量较差。

　　2.1.3 衰减全内反射成像

　　衰减全内反射成像适用于透射和反射条件下均难以制样的样品以及需要进行表面微区分析的样品。这种方式几乎不需要对样品进行任何预处理，是非常方便的一种成像方式，且由于 ATR 晶体具有较高的折射率，红外成像的空间分辨率也大大提高。不过，与传统 ATR 方式尽可能采用多次反射来增加光程不同，ATR 成像模式采用单次反射，以保留样品的空间特征。实验时将 ATR 晶体(单晶硅、锗或金刚石)安装到反射成像的物镜下方，升高载物台使 ATR 晶体与样品紧密接触，然后用 mapping 方式逐点采集光谱。Kazarian 等发明了一种可采用 FPA 检测器的大区域成像模式，其特点是采用的 ATR 晶体较大，在仪器中呈倒金字塔形放置。与显微成像模式最显著的不同是红外光经过 ATR 晶体内反射后不再需要通过物镜聚光，而是直接进入到 FPA 检测器，因此随检测器大小的不同成像面积的范围为 500μm×500μm~5000μm×5000μm。

　　2.2 样品制备

　　用于红外成像分析的样品无需任何染色或标记，但样品通常须事先进行干燥(尤其是生物样品)，也可以使用溶液铸膜法制备适合红外光谱测试的薄膜。此外，由于载物台和物镜之间距离较小，对于较厚的样品须先进行切片，特别是透射成像模式下，样品厚度一般不能超过 30μm。

　　2.3 红外图像采集和显示

　　首先在亮场显微镜的视场下移动载物台使样品清晰可见，然后选择 ROI;再将镜头换为红外显微镜物镜，通过调节载物台高度使样品在红外区域清晰可见，如果是透射模式成像，还需再调节载物台下方的聚光镜;一切就绪后即可进行红外成像采集。对于 ATR 成像，此时即可装上 ATR 镜头，然后进行图像采集。无论哪种模式，都可得到红外图像。将光标置于红外图像中不同像素点处，可实时显示该位置的光谱;反过来，为了得到某一特定组分在空间中的分布，只需将光标放在光谱图中该组分的特征吸收位置，其在空间中的分布情况就能直观地显现出来，其中不同的 RGB 颜色代表了该组分在不同区域的红外吸收强度分布，亦即其浓度分布情况。

　　2.4 红外图像预处理

　　由于红外图像大多是在开放环境中采集，原始图像的质量直接受不同像素处的光谱背景、仪器噪音、总信号强度、仪器波动、出现异常像素光谱以及样品折射率变化引起的色散伪影等因素影响。为了消除或减小上述影响，提高定性和定量数据分析的稳健性和准确性，对图像进行预处理十分必要。

　　红外图像预处理包括图像信号预处理和图像压缩两种。图像信号预处理包括滤噪、光谱平滑、基线矫正、CO2抑制或扣除等，当采用成像模式时还需要对图像进行 ATR 校正。这些预处理方法与普通红外光谱法类似，所不同的是这里需要用一个批处理命令对图像中的所有像素光谱进行统一处理。异常像素光谱是指由于不同的仪器假象存在，某些像素在图像测量时会显示出不期望的光谱读数(如光谱显著增强或降低)或出现完全异常的光谱(由 FPA 检测器使用过程中产生的坏像素点导致)。异常读数和坏像素谱可用内插替换值或内插替换光谱代替，内插替换值或内插替换光谱为相邻的正常光谱读数的平均值或相邻的正常像素光谱的平均谱。

　　此外，红外图像占用的计算机空间很大，从几 MB 到几十 GB 不等，对如此巨大的数据进行完全分析既不可能，也没必要。因此可在保证信号质量的前提下对图像进行压缩以减少数据量。需要注意的是，图像经压缩后其空间或光谱分辨率会受损失。当前比较好的图像压缩方法是主成分分析法，这种方法将数百乃至上千个原始光谱通道压缩为少数几个有意义的变量，这几个变量仅仅是原始变量的线性组合，它们能非常有效地表达图像。

　　2.5 红外图像分析

　　红外图像分析的目的是对样品 ROI 内重要的化学或物理性质进行分类或量化。对经过预处理后的红外图像进行分析，大致包括以下几个步骤：

　　对图像中包含的各组分红外光谱图进行定性分析，确定不同组分的特征官能团;

　　依据图像中不同像素处特征官能团吸收谱带的强度分布(以不同颜色作为标尺)来确定不同组分在 ROI 的空间分布;

　　根据红外谱图提供的信息，对图像微区进行单变量分析或与化学计量学方法结合进行更深入的研究。

　　可以看出，对图像包含的红外光谱图进行深入分析是红外图像分析的首要步骤，也直接决定研究者对红外图像分析的深度。红外图像分析方法主要包括单变量分析和多元图像分析。

　　2.5.1 单变量分析

　　单变量分析是最简单直观的红外图像数据处理方法。首先根据图像包含的红外光谱选择不同组分的特征谱带(选定的谱带之间尽量不要重叠，或重叠较小)，并选择适当的基线和积分区间，通过批处理指令计算所有像素的峰面积或峰高，从而获得特征官能团所代表组分在空间中的真实化学分布。由于样品厚度很难保持完全一致，较宜采用峰面积比或峰高比法。吸光度比值法要求选择的参比谱带所代表组分在样品中大量存在(即作为基体)，且不与待分析谱带相重叠。单变量分析法只考虑图像中少数几个光谱特征，大量的光谱维度信息被忽略。当样品中组分不完全已知或即使完全已知但各组分的吸收谱带相互重叠时，这种方法会引起较大的计算误差。

　　2.5.2 多元图像分析

　　多元图像分析是采用化学计量学技术对图像进行深度分析的一种较好的方法，它巧妙地利用了红外图像包含的大数据量，通过多元计算获得各种纯组分的光谱和空间信息，计算时同时考虑红外图像的空间特性和光谱特性。红外图像分析中常用的多元图像分析方法有以下几种。

　　主成分分析

　　主成分分析是最常用的多元图像分析方法，它将原始光谱数据分解为少数几个潜变量的双线性模型，这些潜变量称作主成分。

　　原始图像的光谱维中存在大量重复信息，PCA 分析的目的就是将这些原始变量重新进行线性组合，使得到的少数几个新变量(即 PC)在多维抽象空间中两两正交，没有重复，从而能最大限度地包含图像中尽可能多的数据。PC 分布一般按照它们对总方差的贡献排序，贡献最大者为 PC1，次大者为 PC2……，通常只有前几个 PC 能描述与化学组成有关的光谱变化。

　　注意到，主成分分析模型和双线性模型非常形似，但各变量的意义不同。一般地，模型中载荷阵的行和得分阵的列可分别解释为图像经 PCA 处理后获取的一系列抽象纯光谱及其在空间中的浓度分布。多数情况下真实光谱的主要特征在载荷谱中均能体现，而各个 PC 的得分图也与真实组分的化学图像相似。由于 PCA 仅是对原始变量进行数学运算获得的，得到的载荷谱和得分图中可能会出现一些负峰或负值(由计算方法不同或过拟合引起)，因此 PC 不能直接与真实化合物相关，但通过取绝对值等处理后仍可以有效地对图像进行解释。

　　图像经 PCA 处理后，组成相似的像素应具有相似的载荷谱，这可被用于图像聚类分析，即在聚类算法中用载荷谱代替像素谱作为输入信息。

　　图像聚类分析

　　具有相似光谱的像素一般也具有相似的组成及相似的化学、生物学性质，采用聚类分析可将这些像素从其他组中区分出来。将这些像素指定为某一官能团就可基于官能团而不用基于吸光度来显示图像。图像聚类分析包括以下两大类。

　　①无监督和有监督聚类分析法

　　这两类方法的区别为无监督法采用所有未知图像来寻找像素簇或像素种类，而有监督法采用提前定义的像素种类，即种类模型先用已识别的像素生成，然后再用于未知像素的种类指认。

　　当像素谱足够相似时，无监督法即将这些像素指认为同一簇，相似度可用不同方法评估。PCA 的二维得分散点图是较好的无监督聚类分析法。在散点图中，两个 PC(经常用 PC1 和 PC2 表示)作为两个坐标轴，每个像素按照其相应的得分坐标用一个点表示。相似的像素在显示的 PCA 空间中聚成一簇，不同簇通过对散点图的观察来定义。PCA 用于聚类分析的优点是不仅能获得不同簇，而且从其对应的载荷谱中还能够检测到不同官能团的光谱特征。其他无监督图像聚类分析法还包括空间距离法(如欧氏距离、马氏距离、曼哈顿距离等)和分层聚类法等。

　　有监督聚类分析法中每个不同种类都用一个模型描述，这些模型将未知像素指认为预定义种类。自交互建模分类类比法(SIMCA)或偏最小二乘 - 判别分析(PLS-DA)是有监督聚类法中的常用算法。

　　②硬聚类和模糊聚类分析法

　　硬聚类分析中，一个像素仅属于一类，各个簇之间完全分开。这种聚类法更适合进行清晰分割。不过需假定已定义类之间没有重叠，即每一类的像素谱都有完全明确且一致的光谱形状。而在模糊聚类分析中，一个像素可能有不同的几率来归属于不同种类，即它对所有的簇而言都有一个分数值，亦即允许簇间产生交叠。很多真实图像中像素谱反映的是图像空间上几种化合物重叠的信号贡献，因此在非均相图像中模糊聚类法更适合描述真实的图像性质。

　　图像聚类分析一般只通过像素间的光谱相似度来获得，这种方法有助于发现样品光谱中的特征官能团。但图像中各像素之间相互并不独立，相邻像素比相互间隔较远的像素更相似，因此空间位置也可作为图像聚类分析的一些潜在信息使用。

　　图像分辨

　　图像分辨的目的是获取每个特定成分的空间信息(分布图)和化学信息(纯光谱)。简单交互自模式混合物分析(SIMPLISMA)是主要的图像分辨方法。该方法首先需预设一个初始浓度分布矩阵或一个纯组分的光谱矩阵，然后对真实情况进行迭代搜索。由于要获取的信息都包含在原始测量数据矩阵中，该法主要致力于在原始图像中寻找 “最纯的” 光谱维或像素。多元曲线分辨 - 交替最小二乘法(MCR-ALS)能满足图像分辨的要求，是最常用的 SIMPLISMA 方法之一。它首先通过 PCA 确定有效组分数，然后通过给模型中的浓度矩阵或纯光谱矩阵赋一初值，再进行交替最小二乘的迭代运算，最终获得几个最纯的 “光谱” 或 “浓度分布” 图。本课题组采用红外成像结合 MCR-ALS 法分别对氯化丁基橡胶 / 聚酰胺 - 12 共混物(CIIR/PA12)和两种未知的商业聚合物盲样进行了研究，较方便地鉴定出其中的共混中间体化学结构以及多个添加剂的种类。

　　3 典型应用

　　和物理成像技术相比，红外成像技术能无损地反映出微区域内的化学组成及其分布情况;相较于其他化学成像(如核磁共振成像和质谱成像)，该技术又具有较高的空间分辨率和灵敏度，且无需复杂的标记和严苛的测试条件。因此红外成像自发展之初就被应用于高分子材料、生命科学、环境、法医学、考古学等多个领域，本文仅对其在高分子材料领域的一些典型应用进行介绍。

　　3.1 聚合物结晶和取向研究

　　聚合物结晶对高分子材料的生产至关重要，因为晶体结构、结晶度和形貌会影响最终产品的性能。聚合物在结晶时其红外光谱中会出现一些结晶特征谱带、某些谱带会发生偏移或谱带变锐等现象，因此红外光谱是表征聚合物结晶行为的重要手段。红外成像技术将光谱信息与空间信息结合，能够揭示成像区域内聚合物不同结构的分布情况。当用于聚合物结晶动力学或构象变化的研究时，可根据不同晶型特征峰的出现或强度增减来对其进行表征。

　　Lu 等采用原位 ATR FT - IR 成像考察了共混组分Tm对聚羟基丁酸聚乳酸(PHB/PLLA)共混物的等温结晶过程的影响，总结了发生相分离和结晶的条件。PHB 和 PLLA 在非晶态时其羰基(C=O)谱带分别在1731cm−1和1748cm−1处出现一个单峰，而在等温结晶过程中，结晶 PHB 位于1720cm−1处的C=O吸光度逐渐增大，1731cm−1处的吸光度逐渐减小;同时，结晶 PLLA 的ν(C=O)在1756cm−1的吸光度逐渐增大而位于1748cm−1的非晶态峰逐渐减小。

　　分别对共混物中的1720cm−1和1756cm−1峰的吸光度进行成像即可直观看出其结晶过程和相分离的情况。从红外图像可以看出，PHB 只在结晶型 PLLA 含量少的区域结晶，同样，PLLA 也仅在结晶型 PHB 含量少的区域结晶，说明有相分离发生;此外还可看出，降低结晶温度可减小相分离程度。另外，他们的研究也表明，随 PHB 量(低Tm组分)的增加相分离程度增强，结晶被延迟。这是因为开始结晶的时间越晚，其混合物相分离的时间就越长，因为结晶 “冻结” 了聚合物分子链且低的Tm会削弱结晶的驱动力进一步限制晶体的形成。

　　进行红外成像即可得到其序列态和取向的空间分布。可以看出当 PHB/PLA 质量比为 50/50 时，PHB 在 PLA 基质中呈 “海岛” 状分布，且 PHB 组分在共混物中为负取向，而组分在共混物同一位置为正取向，同时还可看出在基底中 PHB 和 PLA 的取向均轻微为正。这些结果表明：对 PHB/PLA 共混物薄膜拉伸时，两种组分的取向相反，富含 PHB 的相延展程度更大，而富含 PLA 的相延展较小。有意思的是，作者通过红外成像还证明，仅在 PHB/PLA 质量比为 50/50 时才会出现这种海岛型分布，其他比例的共混物膜均未发现这种现象。

　　Hikima 等采用偏振显微 ATR FT - IR 成像对 PHB 球晶的分子取向进行了系统研究，结果表明偏振红外成像能增强聚合物分子取向表征的灵敏度。他们还用这种技术对单轴拉伸聚乙烯薄膜、结晶 PHB 和 PLLA 的环带状球晶的面内分子链取向进行了系统研究，并发展了一种图像处理算法。此外，Ishige 等也采用偏振显微 ATR FT - IR 成像对双向拉伸薄膜中芳香聚酰亚胺(PI)及其前驱体聚酰胺酯(PAE)分子取向进行了研究，获得了微米尺度上 PI 主链和芳香亚胺平面的分子取向空间分布图。红外成像表明薄膜在 PI 主链空间分布图上具有良好的均匀性，而在芳香亚胺平面的空间分布图上表现出非均匀性，即 “正面” 和 “侧面” 取向域共存。红外成像结果说明在热亚胺化过程中，刚性 PI 链的取向方向固定在 PAE 基体的平均取向方向上，而芳香亚胺环可以绕主链旋转。

　　3.2 聚合物共混物相容性与相分离研究

　　组分之间的相容性是聚合物共混改性的关键，直接决定聚合物复合材料的使用性能。理想的复合材料各组分之间应具有良好的相容性。红外成像是研究共混物相容性与相分离的理想方法，本课题组在该领域做了较系统的研究工作。我们采用透射红外成像研究了两种牌号 EVA 树脂与 C5 石油树脂之间的相容性，考查了 C5 含量(质量分数)对相容性的影响，方便快捷地确定了组分间的最佳比例。此外，我们还采用 ATR FT - IR 成像考察了增容剂聚丙烯接枝马来酸酐(PP - g - MAH)对 PP/PA6 相容性的影响。如图 8 所示，每个图像左上侧数字代表加入的 PP - g - MAH 的份数，未加增容剂时，PP/PA6 共混物呈现出明显的宏相分离;加入增容剂后，PP/PA6 的相容性得到显著改善;通过红外成像还直观地得到了最佳的相容剂加入量为 6 份。

　　进一步地，本课题组又采用 ATR FT - IR 成像系统考察了 PP - g - MAH 对 CIIR/PA12 相容性的影响，结果显示加入 15 份增容剂即可获得最佳的相容性。而且我们采用 MCR - ALS 技术成功提取了聚合物共混过程中产生的中间相光谱，结果表明当不加增容剂时 CIIR 和 PA12 相互作用形成酰胺类化合物(CIIR - g - PA12);而加入 10 份以上的相容剂后，形成一种酰亚胺类中间相，从而促进了 CIIR 和 PA12 的相容。基于中间相的确认，我们进一步提出了 PP - g - MAH 对 CIIR/PA12 共混物的增容机理。在以上工作基础上，我们又尝试将红外成像结合 MCR 技术用于对两种未知商用聚合物材料盲样的组成进行全分析，分别鉴别出 8 种和 6 种成分，其中大部分都是含量极低的组分，取得很好的结果。这种方法不用冗长的分离步骤，简便快速。

　　总结了其他研究者采用红外成像技术在聚合物共混物相容性研究方面做的一些工作。可以看出，该方法直观、可视、易于理解，与物理成像方法相比，这种化学成像方法能反映复合材料中最真实的共混情况，从而为聚合物共混加工提供最可靠的指导。

　　3.3 聚合反应及聚合物溶解的可视化动力学研究

　　将红外成像用于对聚合反应动力学进行可视化研究时，通常以某一参与反应的官能团特征谱带成像，通过该谱带强度的实时变化观察不同时间下同 一区域红外图像的变化，从而获得相应的聚合反应动力学。这种方法直观可视，易于理解。Biswal 和 Hilt 用红外成像法对一种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)形成的智能水凝胶的自由基聚合过程进行可视化原位监测，通过C=C双键(1636cm−1)的逐渐消失直观地展示反应的动态化进程。

　　可清晰地看到 44h 后反应完成。他们还用该法分析了微格化芯片水凝胶在紫外光聚合过程中的氧抑制效应。这些工作有助于微格化芯片工程化过程的优化。同样地，Sorber 等采用 ATR FT - IR 成像对聚丙烯酸 / 聚乙烯醇(PAA/PVA)水凝胶基 pH 压阻传感器的溶胀行为进行了研究，并采用 PCA 对不同溶胀条件下的光谱变化进行了分析，对几个主成分进行了识别。González - Benito 也采用红外成像研究了硅烷涂层玻纤 / 环氧树脂的固化过程，获取了界面区氨基和NH2基的化学图像，图像显示从纤维表面到聚合物内部环氧基体的结构存在梯度变化。结果表明溶解过程并不是均匀发生的，而是首先聚合物界面发生碎裂及变粗糙，然后逐步溶解。此外在缠结聚合物中还发现溶剂分离现象，而在非缠结聚合物中却没有。另外他们也对在中的溶解行为进行了研究。

　　3.4 聚合物降解的可视化动力学研究

　　降解性是聚合物性能的重要指标之一，聚合物的化学组成、分子量、微观结构、结晶度等决定了其降解性，研究聚合物的降解行为有助于人们对其使用周期进行正确评估。本课题组采用透射红外成像对聚丙烯紫外光氧化进行了系统研究，用吸光度比(AC−O/A2720)进行红外成像可直观地获得不同时间段 PP 光氧化的演变过程。可以看出 PP 光氧化过程是不均匀的，这种不均匀可能与 PP 生产中引入的杂质有关。光照 8h 后 PP 即发生轻微氧化，20h 后氧化已较明显;随光照时间延长，氧化深度更深，氧化强度更大;当光照 60h 时，在 100μm 深度内几乎全部出现了光氧化特征。我们还采用 PCA 对每一阶段的图像进行深入分析，获得了不同阶段的光氧化产物。我们首次发现在光照 16h 后产生酸酐，在 32h 后出现羧酸酯。根据这些不同阶段的光氧化产物，我们提出了不同于以往的 PP 光氧化机理。

　　此外，Persson 等通过监测 1550cm⁻¹ 处三聚氰胺特征谱带的减小程度，采用 ATR FT-IR 成像对聚酯三聚氰胺涂层在加速老化和自然老化后三聚氰胺官能度的损失进行了径向深度分辨，他们发现，在 UV 和湿气的影响下，涂层最外层降解最明显;在 QUVA 老化箱加速老化 2163h 及暴露在海洋环境自然老化 4 年后，三聚氰胺官能度损失可在涂层径向深度 8~10μm 处检测到，进一步加速老化 4000h 后，整个外层涂层都会降解。此外，Nagle 等也采用 ATR FT-IR 成像对乙烯 - 降冰片烯共聚物(Topas)的光降解行为进行了初步研究。不过，后两个工作均仅对红外图像进行单变量分析，得到的化学动态演变信息有限。

　　3.5 聚合物基组织工程材料的矿化研究

　　在组织工程应用中，生物降解材料可用于植入式医疗装置，或作为支架材料用于组织修复，因为生物材料矿化与组织愈合速率的协调性直接决定组织修复的成功程度，因此充分了解生物材料的矿化动力学和矿化机制至关重要。聚乳酸 / 羟基磷灰石(PLLA/HA)纳米复合材料是重要的骨组织工程材料，本课题组采用 ATR FT-IR 成像对其体外矿化进行了较系统的研究。我们制备的一种 PLLA/HA 多孔纳米复合材料在体外降解一百余天时不同降解阶段的红外图像，颜色由蓝到红代表材料表面的 HA 在增多，即 PLLA 被逐渐降解。通过对红外图像进行 PCA 分析，并对占总方差 90% 以上的 PC1 成分进行定量分析发现，该材料在模拟体液(SBF)中矿化遵循零级动力学模型，而在磷酸盐缓冲液(PBS)中降解遵循二级动力学模型，并且多孔材料的矿化速率比无孔材料高一个数量级。在此基础上我们对两种介质中不同的矿化模型机理进行了理论推导。

　　为进一步了解 PLLA 在体外的降解行为，我们还对 PLLA 在降解过程中的结构多样性演变进行了考察，首次从分子水平上提出了其矿化机制。首先发现两组峰对(1384cm⁻¹/1361cm⁻¹ 和 1211cm⁻¹/1186cm⁻¹)的吸收强度比可用来区分无定型 PLLA(amor-PLLA)、α 晶型 PLLA(α-PLLA)和 β 晶型 PLLA(β-PLLA)3 种形态。通过对其红外图像进行 PCA 分析发现：复合材料中 PLLA 基质的无定型和结晶、α 和 β 转变是一个交替变化的过程，且随着矿化进行，无定型态越来越多，但 α 和 β 的转变逐渐趋于稳定。红外成像的结果为这种组织工程材料矿化的深入研究提供了理论支持。此外我们课题组和 Kazarian 等还分别对 PLLA / 生物活性玻璃的矿化过程进行了研究，Leroy 等也对 PLLA 的体外及体内降解进行了探索。

　　3.6 药物释放研究

　　口腔缓释贴片是一种由聚合物基质包覆药物的特定尺寸薄片，对吞咽胶囊或药片困难的患者是一种非常好的治疗手段。口腔缓释贴片的药物释放性能受聚合物基质的物理化学性质影响，因此了解药物和聚合物在制造过程和溶解过程中的行为有助于药物配方开发和质量控制。Hifumi 等通过改变水环境的 pH 和基膜的疏水性，采用 ATR FT-IR 成像技术研究了速释型羟丙基甲基纤维素(HPMC)基布洛芬和缓释型聚乙烯吡咯烷酮(PVP)基布洛芬两种薄片的溶解行为。图 13 表明，药物随着水的浸入同步开始释放，HPMC 薄膜比 PVP 薄膜溶解快，此外在 HPMC 膜中能够检测到少量的结晶型布洛芬沉淀。包覆布洛芬的 HPMC 膜在溶解伊始，首先形成结晶型布洛芬并在膜上扩散，在膜吸水 1min 后，结晶型布洛芬很快溶解;PVP 膜上则始终无结晶型布洛芬沉淀。

　　此外，ATR FT-IR 成像还表明，较低的进水速率可防止低溶解度药物的沉淀，并可通过改变外包膜的疏水性来控制药物的释放速率。Tetteh 等将红外成像与多元目标因子分析结合对 PEG-600/H₂O 中的药物 4 - 氰基酚在皮肤中的扩散行为进行研究，分析了不同位置 4 - 氰基酚平均扩散图像的相似性。热熔挤出法可以将水溶性差的药物活性成分包裹在聚合物载体中制成固体分散剂，增加其溶解度和生物活性。振动光谱(红外和拉曼)及成像特别适合研究热熔挤出制剂的分散均匀性和药物在空间中的分布。Pudlas 等将原位流动池与红外显微成像技术结合分析了热熔挤出制剂中不同辅料对药物缓释的影响作用，结果表明药物与聚合物的相互作用以及聚合物的种类都会造成药物释放速率的差异，相互作用越强，释放速率越低。加入碳酸钠可以提高释放速率，因为它可以减弱药物和聚合物之间的相互作用，允许形成更多的水溶性布洛芬盐。

　　3.7 微塑料分析

　　2004 年 Thompson 等在 “Science” 上刊文，首次将微塑料(microplastics)明确定义为粒径小于 5mm 且不溶于水的聚合物碎片或颗粒。根据尺寸大小微塑料还可进一步区分为 “大” 微塑料(500μm~5mm)、“小” 微塑料(1μm~500μm)和纳米塑料(nanoplastics，<1μm)。微塑料对环境(包括土壤和水体)、生物以及通过食物链对人类的各种已知和未知的危害已引起科学界的广泛关注。不过，由于自然界中的微塑料尺寸小、含量低，对其进行分析面临很大挑战。由于红外成像微观可视，且能方便可靠地识别各种聚合物成分，并给出这些聚合物成分的丰度、形状和大小信息，因此最近十多年其已成为微塑料分析的最重要手段。

　　微塑料分析的第一步是采集各种代表性样品并对其进行前处理。由于微塑料浓度都非常低，水样处理时一般都需要采集大量的水(10~100L 甚至更多);土壤或沉积物的采样需根据样品特点和采集位置不同而分别采样(表面、不同深度以及采样位置是否有特定污染物等);生物体消解液的取样更主要取决于其消解的器官部位或生物体本身(如鱼、虾等海产品)。采集完成后再进一步对样品进行分离、浓缩等处理，以使微塑料能被较方便地甄别。

　　Tagg 等通过加标法开发了一种用于有机废水中的微塑料分析方法。首先用 30% 的 H₂O₂对废水进行前处理，然后用滤膜过滤，再直接对滤膜进行红外成像采集。从图 14 可以看出，几种不同的微塑料得到了很好的识别。他们的工作表明采用红外成像对微塑料进行分析和鉴定从方法学角度是完全可行的。Primpke 等建立了一个既能用于单颗粒分析，也特别适用于红外成像结果分析的微塑料数据库。该数据库基于对 3600~1250cm⁻¹ 范围的参比光谱进行分层聚类分析的结果，并可与自动分析软件相连。通过对环境样品进行实测，证明微塑料的正确识别率显著优于之前报道的数据库。Tekman 等采用红外成像对北极圈的水和沉积物样品中的小粒径微塑料(11~500μm)进行分析，发现 18 个样品中有 16 个样品都含有微塑料，共鉴定出 15 种尺寸在 11~150μm 范围内的合成聚合物，其中≤25μm 的颗粒占一半以上。水样中微塑料的浓度在 9~1287N/m³ 之间，其中含量最丰富的是聚酰胺(39%)和乙丙橡胶(23%);而沉积物中微塑料浓度在 239~13331N/kg，含量最丰富的聚合物是氯化聚乙烯(31%)。

　　这些结果表明水体中的微塑料浓度低于沉积物。他们还分别在北极、北欧及瑞士阿尔卑斯山附近采集了 21 个雪样本，采用红外成像对样品中的微塑料组成、浓度及大小进行分析，共发现 19 种不同类型的聚合物，每种样品的组成从 2 种到 12 种不等，在欧洲每个样品的聚合物数量明显高于北极，其中清漆、橡胶、聚乙烯和聚酰胺出现的频率最高;80% 的微塑料尺寸小于 25μm，98% 的微塑料小于 100μm。根据这些结果可以推断北欧圈微塑料的迁移行为，为微塑料防治提供了理论依据。Jung 等采用 ATR FT-IR 成像结合 PCA 分析对海龟体内的微塑料种类进行鉴别，发现海龟体内存在的微塑料主要为 HDPE、LDPE、PVC、PP 及 PA。表 2 总结了近年来红外成像用于微塑料分析的一些典型工作，可供感兴趣者参考。

　　尽管红外成像技术在微塑料分析中已占据主导地位，但仍存在一些局限：(1)因其分辨率受衍射限制，无法对粒径 < 10μm 的小颗粒进行分析;(2)红外图像质量易受颗粒的形状、大小及厚度影响;(3)红外成像无法用于黑色微塑料分析;(4)采用红外成像技术研究微塑料，需要对样品中的每一个粒子进行定性及定量分析，如何解决海量数据分析过程中耗时又费力的问题，以及如何进行自动化分析是一个新的挑战。

　　3.8 生命科学与临床诊断研究

　　除聚合物外，红外成像在生命科学、环境、法医学、考古学等领域都有重要应用，在此我们仅对其在生命科学领域的应用简单介绍。在生命科学领域，红外成像早期主要用于区分肿瘤组织与正常组织，但现在很多报道都致力于通过分子特征信息进行临床诊断和代谢过程研究。与其他技术(如磁共振成像、荧光成像等)相比，红外成像不需对样品进行染色就可获得样本的化学信息，且红外成像的空间分辨率低至 10μm，比磁共振成像(~1mm)高 2 个数量级，因此有望在未来成为这些重大疾病早期诊断的有力工具。Shi 等通过特别设计对 2000~2300cm⁻¹ 区域进行红外成像实现了具有高信息通量的代谢物成像，并将其成功用于单细胞代谢成像分析，为重大疾病的早期精准诊断提供了新思路。

　　Ducic 等采用同步加速器 - 红外成像对使用利鲁唑药物后脑胶质母细胞瘤细胞系的生物大分子变化进行了监测，发现给药主要影响糖代谢产物及 DNA 结构，另外脂质结构和蛋白二级构象也会受到影响。该工作揭示，未来的治疗方法可以根据每种肿瘤类型的特定生物大分子特征实现对其活细胞代谢产物的监测，从而开发出更特异性的治疗方法。Tiwari 等提出一种基于高清红外成像的肿瘤组织测量框架，该框架利用组织的内在化学对比来标记肿瘤及其微环境中的独特成分，并采用自动计算方法确定了对预测十分重要的组织特征。该工作显示用该框架评估的肿瘤空间组织可以预测结肠癌的总体存活情况，这为测量和研究肿瘤空间组织与疾病进展之间的关系开辟了一条全数字化途径。此外，Sacharz 等对如何获取脑组织高质量红外成像的各种采集参数进行了系统讨论，为该方法的实用化奠定了基础。

　　4 总结与展望

　　本文系统介绍了红外成像的基本原理、成像系统和仪器构造、图像采集、预处理及分析方法，并对红外成像在高分子材料表征中的一些典型应用，包括结晶和取向、共混物相容性与相分离、聚合反应及聚合物溶解、降解的可视化动力学、聚合物基组织工程材料的矿化、药物释放及微塑料分析等方面的研究作了系统介绍，此外也对红外成像的另一重要应用领域 — 生命科学与临床诊断方面的研究进展作了简介。本文为高分子材料研发工作者提供了新的研究思路，可启发其从分子水平上对相关产品或样品进行结构设计、配方改进或工艺过程优化，为提高高分子材料最终性能提供支持及指导。

　　除了不断拓宽在聚合物及其他领域的应用外，红外成像技术也从以下几个主要方面在不断发展。

　　(1)纳米分辨红外成像技术。由于红外光波长较大，传统红外显微成像很难突破其衍射限制，因此空间分辨率一般到不了亚微米级。尽管 ATR 成像能将分辨率提高 n 倍(n 为晶体折射率)，但仍在几微米左右。近年来，人们将原子力显微镜与红外成像联合(AFM-IR imaging)，可使空间分辨率达到几十纳米级别。其原理是通过检测原子力显微镜探针与样品表面接触时的偏转及样品在红外光下的快速瞬态热膨胀(这种热膨胀与不同红外波长下样品的折射率有关)，采用傅里叶变换将 AFM 探针震荡的振幅信号转变为与红外吸光度密切相关的 AFM-IR 信号。这种技术已被用于石墨烯 - 电解质相互作用及聚偏二氟乙烯 - 六氟丙烯共聚物等的研究。为了提高 AFM-IR 成像的分析灵敏度，需要采用高功率激光器提高样品的热膨胀幅度，因此超高亮度光源是实现纳米分辨红外成像需解决的主要问题。QCL 光源正在成为这些方法的首选激光器。

　　(2)采用超高亮度光源。同步加速器和自由电子激光光源能量高，线宽窄，既可显著增加成像表征的灵敏度，获取高质量图像，也能大大提高检测速度(减少了光谱采集次数)。不过，这些大光源需要专门的空间和装置，目前在普通实验室里无法实现。QCL 可调谐激光光源提供了在实验室完成高亮度红外成像的可能性，未来有可能成为突破衍射限制红外成像的主要光源，但需要研发具有更大功率输出、更好时间稳定性以及波数覆盖范围可与宽光谱光源相媲美的激光器。

　　(3)实现 3D 红外成像。3D 红外成像可以看到样品内部任何位点的化学组成，在高分子材料和生命科学领域有极其重要的用途。目前通过旋转样品并连续采集不同角度的 2D 红外图像，然后对其进行计算机层析术(CT)计算，可实现 3D 红外成像。不过为探测到样品深处的化学信息，同样需采用超高亮度光源，这在目前也受到很大限制。此外，3D 成像数据量特别大(一般至少～10GB)，数据处理复杂，运算速度慢。因此开发高效、快速的 3D 红外成像数据处理软件，提高其空间定位精度以及实现图像的精准还原是该领域当前面临的另一挑战。

　　(4)此外，红外成像技术与其他装置联用，有望解决更复杂的科学问题。如除了与 AFM 成功联用外，与流变学装置联用可探测复合材料中聚合物基体在分子尺度上的变形行为。

　　总之，从红外成像走过的近 30 年历程看，这种技术在不断地发展、进步和完善，并不断拓宽其在多个领域中的应用。随着小型高亮红外光源的发展，以及图像分析软件的商用化和普适化，这种技术必将在科学研究中发挥更加重要的作用。

窦彤彤;张普敦,中国石油石油化工研究院;北京化工大学化学学院分析测试中心,202403