攻克无损化学检测科研难题，实现高分子材料纳米级无损研究

背景介绍

傅里叶红外光谱（FTIR）是学术界以及工业界表征鉴别材料的常用手段。衰弱全反射红外光谱（ATR-IR）是用于材料的宏观化学信息分析的技术。该技术将样品压在衰弱全反射（ATR）晶体表面，通过红外光在晶体/样品界面的反射得到高分子样品的吸收光谱。然而，ATR-IR的空间分辨率受到光的衍射极限的限制，并不能得到样品纳米级别的化学信息，因此无法用于材料微观化学信息的研究。

近年来，新兴起的纳米傅里叶红外光谱仪Nano-FTIR因可在纳米尺度下实现对几乎所有材料的化学分辨而受到广泛关注。该技术是基于全新的散射式近场光学技术（s-SNOM）研发的，能够在10 nm的空间分辨率下实现对材料的红外光谱表征，且得到的光谱与传统FTIR，ATR-IR的红外光谱有极高的对应性。同时，该技术具有无损伤、无需染色标记、快速且适用性广等优点，是纳米级别的化学分析利器。

图1. neaspec散射式近场光学显微镜（s-SNOM）及纳米傅里叶红外光谱仪Nano-FTIR

必看案例

案例1：高分子纳米材料的鉴别及与传统红外光谱数据库的对照

德国阿尔弗雷德·纬格纳研究所的Gerdts教授利用散射式近场光学显微镜（s-SNOM）和纳米傅里叶红外光谱仪Nano-FTIR （德国Neaspec公司）对高分子材料进行了微观鉴别的研究。该课题组测量了高分子样品的近场红外成像以及红外吸收光谱，得到了高分子材料的纳米分辨率的相分布信息。同时，该团队测量了常见高分子的近场吸收光谱，并与通过ATR-IR得到的吸收光谱进行比较，发现用neaspec Nano-FTIR得到的近场吸收光谱与ATR-IR得到的光谱有极高的对应度，可直接对照传统IR光谱数据库。因此，散射式近场光学显微镜（s-SNOM）和纳米傅里叶红外光谱仪Nano-FTIR （德国Neaspec公司）可应用于纳米高分子及环境中高分子样品的鉴别。相关研究成果发表于Analytical Methods, 2019, 11: 5195-5202。

图2. LDPE聚合物颗粒PS介质混合物样品的光学超分辨成像。(a) 拓扑结构成像以及对应的(b) 机械信号的相位图和 (c) 近场红外的振幅图。(d) 通过 (c) 中所示路径的直线扫描得到的在1300 - 1700 cm-1区域内的近场红外的相位图。(e) LDPE和PS区域对应的近场红外的相位图。(f) 和 (g) 分别对应 (c) 中A, B区域的高分辨率近场红外相位图。可以看到LDPE/PS界面的近场红外的相位图中峰的移动。

图3. (a) 用Nano-FTIR得到的PLA样品对应的近场红外的振幅(Sn)，实部(Re)，相位(φn)，虚部(Im)图。所得结果为三个样品点结果的均值，测量用时为7分钟。(b) Nano-FTIR得到的近场红外的虚部(Im)图与ATR-IR得到的PLA样品的光谱的对照。Nano-FTIR与ATR-IR得到的光谱高度吻合。

案例2：纳米傅里叶红外光谱仪（Nano-FTIR）对单层二维高分子聚合物的研究

二维高分子聚合物作为一种新型有机二维材料，近年来在薄膜和电子设备的应用上受到广泛关注。相较于石墨烯由石墨自上而下的剥离合成路径，二维聚合物的合成路径可以采取自下而上的单体聚合反应，也因此具备更大的灵活性。如何优化合成路径以得到高品质的二维高分子聚合物是目前该领域的重大挑战之一。德国慕尼黑技术大学的Lackinger教授开发了一种有机单体分子自组装的光聚合合成路线，并利用纳米傅里叶红外光谱仪Nano-FTIR（德国Neaspec公司）对fantrip单体分子和其聚合物进行了吸收光谱的研究，验证了聚合反应的机理。该合成方法与传统的热聚合方法相比，大大减少了二维聚合物的缺陷密度，提升了材料均一性。相关研究成果发表于Nature Chemistry, 2021, 13: 730-736。研究人员利用纳米傅里叶红外光谱仪Nano-FTIR（德国Neaspec公司）的近场光学技术的高灵敏度，测量了fantrip有机单体分子及其二维聚合物的纳米傅里叶红外吸收光谱。所得光谱与DFT计算结果一致，证明了单体分子参与光聚合反应形成二维高分子。该技术得到的近场吸收光谱与传统FTIR光谱对应，而传统FTIR或ATR-IR的灵敏度无法测量该单层分子材料的吸收光谱。同时，纳米傅里叶红外光谱仪Nano-FTIR （德国Neaspec公司）的近场光学技术采用纯光学信号测量，而非基于材料热膨胀系数的机械信号。该技术灵敏度极高，可测量热膨胀系数低的材料，如二维材料，无机材料等。且对薄膜样品的破坏性极小，因此可用于单层分子自组装材料的研究。

图4. Fantrip单体分子（上）及其二维聚合物（下）的纳米傅里叶红外吸收光谱。柱形图为DFT计算得到的fantrip单体分子（红色）及其二维聚合物（蓝色）所对应的红外吸收光谱。

案例3：石墨烯电解液界面的纳米红外研究

ATR-IR是应用于电极电解液的原位界面表征的常用方法。然而该技术的探测深度在微米级别，而电极电解液的界面，如双电层，一般在纳米级别。因此ATR-IR得到的界面光谱信号受到电解液主体信号的严重干扰。加州大学伯克利分校的Salmeron教授利用nano-FTIR对石墨烯电解液界面进行原位研究，通过nano-FTIR可达10 nm的超高空间分辨率(探测深度)，对非热膨胀样品（石墨烯）的高敏感度，及无损伤的特点，实现了对单层石墨烯电解液界面的原位表征，真正获得了双电层的化学信息。研究人员发现，相较于传统的ATR-IR，nano-FTIR的红外光谱中可观测到界面独有的离子配位体，这得益于nano-FTIR的高灵敏度与高空间分辨率。同时，nano-FTIR支持样品台的接电设计，研究人员通过改变石墨烯电极的电压，观测到红外光谱的变化，说明了界面化学成分的变化，即双电层的变化。相关研究成果发表于Nano Letters, 2019, 19: 5388-5393.

图5. 单层石墨烯电解液nano-FTIR原位研究实验设计示意图。

图6.（a）ATR-FTIR和nano-FTIR的(NH4)₂SO₄水溶液红外光谱。（b）nano-FTIR在+0.5V和0V vs. Pt的红外光谱。0V数据取2个位置共64组光谱的平均值，+0.5V数据取5个位置共112组光谱的平均值。

案例4：对多组分高分子材料的纳米成分分析

西班牙巴斯克大学的Hillenbrand教授利用nano-FTIR实现了多组分高分子材料的纳米成分分析。研究人员通过检测聚苯乙烯（PS），聚丙烯酸（AC）以及聚偏氟乙烯（FP）混合样品的纳米区域的红外光谱，并与标准样品的纳米红外光谱做对比，得到样品组分的纳米分布图，分辨率达到了30 nm。通过分析样品C-F（1195cm-1），C=O（1740cm-1）及C-O（1155cm-1）峰的强度及波数的空间分布图，可得到对应的高分子组分及组成结构的空间分布。相关研究成果发表于Nature Communications, 2017, 8，14402. Nano-FTIR可以得到材料纳米分辨率的化学信息，分辨率高可达10 nm，是传统FTIR和ATR-IR无法企及的。

图7. nano-FTIR对高分子复合材料的表征。包括（a）拓扑结构成像，（b）相应位置的纳米红外光谱，以及（c），（d）基于纳米红外光谱的组分分布图。

纳米傅里叶红外光谱仪nano-FTIR的技术优势：

☛ 极大地突破了传统红外光谱的空间分辨率极限，可达10 nm；

☛ 得到的谱图与传统红外谱图有极高的一致性；

☛ 探测光学信号而非机械信号，灵敏度极高，适用于热膨胀系数低的系统；

☛ 可同时得到光谱及成像结果；

☛ 测样时间短；

☛ 操作和样品准备简单——仅需要常规的AFM样品准备过程。

参考文献：

1. Meyns M, Primpke S, Gerdts G. Library based identification and characterisation of polymers with nano-FTIR and IR-sSNOM imaging [J]. Analytical Methods, 2019, 11: 5195-5202.

2. Grossmann L, King B T, Reichlmaier S, et al. On-Surface Photopolymerization of Two-Dimensional Polymers Ordered on the Mesoscale [J]. Nature Chemistry, 2021, 13: 730-736.

3. Lu Y, Larson J M, Baskin A, et al. Infared Nanospectroscopy at the Graphene-Electrolyte Interface [J]. Nano Letters, 2019, 19: 5388-5393.

4. Amenabar I, Poly S, Goikoetxea M, et al. Hyperspectral Infared Nanoimaging of Organic Samples based on Fourier Transform Infared Nanospectroscopy [J]. Nature Communications, 2017, 8: 14402.