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红外显微镜在纤维材料研究中的应用于伟东东华大学纺织学院（原中国纺织大学）摘要：采用红外显微镜测量单纤维红外显微光谱图时，尽管微区分辨率强，但亦存在几种影响谱图质量的基本问题，这里着重分析了测量参数和纤维形态变化对所测光谱质量的影响并对纤维偏振光谱和ATR光谱的测量以及红外显微光谱图的重现性也做了一定的实验表征。关键词：单纤维，红外显微镜，偏振红外，ATR，Kevlar纤维。中图法分类号：O657用普通傅立叶变换红外光谱技术测量纤维的红外光谱，一般采用压片法，即将纤维切碎后与KBr粉末混合制成盐片后测量。用傅立叶变换红外显微镜技术，可以对单纤维直接测量，具有简洁、直观、精度高、针对性强等优点。不仅可以测量透射和反射光谱，而且还可以方便地测量纤维的偏振光谱和ATR（Attenuated Total Reflection）光谱。由于其不破坏纤维，故能准确地反映纤维的结构信息和受形态影响的组分信息。近年来，其红外成像技术（Mapping）在纤维材料的研究中也得到了越来越多的应用。为了能得到高质量的红外显微光谱图，本文讨论了在测量中应注意的一些问题【19】。图1. Continum红外显微镜光路示意图成像系统光圈目镜样品物镜（ATR晶体）红外光分束器检测器载物台1Nicolet Continum红外显微镜简介本文实验采用美国热电Nicolet公司的Continum红外显微镜，其红外光源为Nexus-670傅立叶变换红外光谱仪。该显微镜的主要技术参数为：10目镜；15物镜和聚焦镜；自动控制载物台；液氮冷却的MCT-A中红外检测器（6504000cm1）；单一的反射光圈；最小扫描步进距离1m；配有偏振片、ATR附件和分析控制软件(Ominc-Atls)。可以进行透射、反射、偏振、ATR等基础实验；利用其软件的线性扫描和光学成像技术，进行空间分辨红外谱图和红外显微图象的分析。Continum红外显微镜的光路系统见图1。2实验参数的设置一般在测量单纤维红外显微光谱的实验中，主要设置的实验参数有：光圈尺寸，扫描次数，分辨率，速度以及背景的选择等。2.1光圈尺寸的选择Continum红外显微镜使用单一的可调矩形光圈，即透射和反射测量用同一光圈。光圈最大尺寸100m100m，最小为5m5m。光圈尺寸的确定主要根据具体的情况而定。光圈尺寸大，光通量大，光信号强，但同时分析的区域大，分析点不确切，还易造成基线的漂移和谱带的失真，尤其分析的样品很小时易产生误差。光圈尺寸小，光信号弱，信噪比SNR（Signal-to-Noise Ratio）降低，谱图的分辨率低。因此，实验中选择光圈尺寸时，应考虑试样和光信号的情况而定。测量单根纤维时，应根据纤维的粗细，选取相应的尺寸，本文的实验将对其进行分析。2.2扫描次数、分辨率、速度因为谱带叠加采用规律性谱加和、随机噪声谱衰减的合成方法，因此扫描次数高，可以降低噪音，提高信噪比，但测量花费的时间长。在实测中应根据样品情况、信号强弱和精度要求来选用不同的扫描次数。一般选择200次，若要较高的分辨率，也可适当增加扫描次数。本文将对此验证。分辨率的大小决定了光谱图中可以辨别的两吸收峰之间的最小间距（波数间距）。光谱分辨率越高，收集光谱的时间越长，谱图所占的磁盘空间越大。因此，虽然红外显微镜的光谱分辨率可达0.1cm-1，在实测时，分辨率的选取应适当，能满足要求即可。一般纤维样品的分辨率选择8或4 cm-1。速度，指动镜的移动速度。速度高，噪音大，所用时间少。较高的速度常用于测量易变化的试样；要获得高分辨率的谱图，应用较低的速度。速度的选择也主要考虑噪音和时间两个因素，一般与扫描次数、分辨率综合考虑。实测常选用的速度为：1.8988cm/s。2.3背景的选择主要根据实验模式和样品状态选择相应的背景，如表1。表1. 不同样品的背景点选择实验类型透射，样品悬在空中透射，样品在盐片上镜面反射ATR背景空气盐片上无样品的区域镜面或抛光金属空气2.4实测纤维时各参数的设置根据以上表述，本文单纤维样品的透射光谱测量参数设置如表2。测量前，先用酒精和乙醚清洗纤维，以去除附着物的影响。表2. 各参数的实际设置项目光圈尺寸/m分辨率/ cm1扫描次数速度/ cms1背景设置25258 2001.8988 空气3影响透射光谱质量因素的讨论3.1实验参数设置的影响纤维透射红外显微光谱的测量中，调节较多的项目主要是光圈尺寸和扫描次数，以下实测分析单纤维透射实验中，光圈尺寸和扫描次数的选择对红外显微光谱图的影响。3.1.1光圈尺寸图2 三种不同光圈尺寸的应用25m25m50m50m光圈纤维15m100m单根纤维测量时，光圈尺寸设定主要考虑两个因素：纤维直径和光信号强度。一般纤维的直径在1020m左右，因此，作为实验对比，本文采用3种光圈尺寸：25m25m；50m50m的大光圈；针对性的15m100m的矩形光圈。如图2所示。显然，直接获得纤维红外透射信号比例的大小为：15m100m25m25m50m50m，实测红外显微谱图也清楚地证实了这三者的情况。如图3中Kevlar纤维的谱图所示，在3325 cm1（N-H伸缩振动）处吸收峰强度存在明显的差异（注：为了分清几个光谱曲线的重叠部分，对本文中部分光谱图的光谱曲线的基线进行了上下位移的处理）。其根本原因是，尽管50m50m光圈的光信号总量较强，由于纤维直径小于15m，实际照射到纤维的光通量只是光圈所覆盖的纤维那一部分有效，而增大了的非纤维部分信号只能是背景和噪声。因此，基线漂移和谱带失真小，谱图质量好的是用25m25m 和15m100m光圈测得的红外显微光谱，后者更优。除了区域选择外，若测量指定大小的区域时，即测量纤维上某特定区域内的红外光谱时，则光圈尺寸的大小应与所测量区域大小相匹配。一般可选择略大于该区域尺寸的光圈，以保证测量时有尽量大的光信号强度和提高谱图质量，同时又不引入其他非该区域内的信息。波数/cm1图3 不同光圈尺寸Kevlar纤维红外显微光谱图比较50502525151003.1.2扫描次数对于单根纤维的透射实验，扫描次数一般选择为200。本实验通过对同一种纤维的3组不同扫描次数测量的结果比较，考证此参数的选择。图4为使用不同扫描次数实测Kevlar纤维所得光谱图的比较。 波数/cm1图4 不同扫描次数Kevlar纤维红外显微光谱图比较100200800由图4可见，扫描100次的光谱图噪音较大，谱线有明显的锯齿形扰动。扫描200次与扫描800次所得的光谱图噪音小，谱图质量好，两者差异不大。理论上考虑，增加扫描次数，可以降低噪音，但收集时间会增加，而且由于用红外显微镜测量纤维时，检测器灵敏度高，纤维处于开放的环境中，易受各种不稳定因素的影响。实测时，应根据具体情况综合考虑。如测量尼龙-66透射光谱可用256次【6】；测量Kevlar纤维透射光谱可选250次【8】；测量蛋白质的ATR红外光谱时可选用2561024的扫描次数【10】等。因此，一般情况在透射实验中选择200300的扫描次数基本可以满足要求。32纤维形态对红外显微光谱图的影响测量单纤维红外显微光谱图时，纤维形态的不同与所测得的光谱图的质量关系密切。根据BeerLambert定律【11】可得吸光度（A）与样品厚度（b）的关系： （1）式中，I0为入射光强度，I为透射光强度， k为摩尔吸光度，C为摩尔浓度。如果被测试样的厚度不一致，且无法测量时，吸光度将受其影响。如图5 ，假设两种厚度的试样：一是均匀厚度，为20m；另一为二台阶式厚度，其中一半为5m，另一半为图 5 厚度均匀性对吸光度的影响AI020m IA5m35mI0I0I1I235m。这两种试样的平均厚度相同。假设吸光系数不发生变化（kCa），由公式（1）可得，对于厚度均匀试样，；对于厚度不均匀试样， ，所以得；因为a0，所以可得，。且厚度差异越大，则吸光度差异越大。I0图6 纤维碾压前后，截面形状变化与红外光通过情况比较透射光II入射光I0反射光散射光纤维截面绕射光由于纤维为非均匀厚度试样，其截面为近圆形，表面较粗糙。一方面存在厚度不均匀的影响，如上讨论；另一方面有形态尺寸的影响，主要是椭圆形截面的聚光作用和部分光线绕射（衍射）的影响。纤维的直径一般在1020m左右，而中红外光的波长在2.525m，因而当红外光照射到近圆形截面的纤维上时，会产生绕射现象。当纤维经过碾压后，截面形状改变，聚光作用消除；且其宽度增大，一般都大于25m，因而红外光线的绕射现象降低。如图6所示。椭圆形截面纤维由于存在聚光作用和光线的绕射现象，造成实际的透射光强增大，吸光度降低，且衍射光会造成信噪比（SNR）的降低，使谱带的分辨率降低。碾压处理后的纤维，光线的聚光和绕射现象基本消除，实际的有效吸光性增加，吸光度增大，信噪比提高，使得谱带的质量提高。 波数/cm1图7 大豆纤维红外显微光谱图比较未碾压碾压实测纤维碾压前后的红外显微光谱如图7所示，上述理论假设得到证实。碾压后纤维的谱图锐利和清晰程度都明显提高，其中在低于1200 cm1的波段上，碾压后吸光度的增加是对绕射现象降低的证明。但对于在25001900 cm1间谱图存在差异的原因有待进一步证实。 4偏振红外显微光谱图的测量利用偏振红外显微镜测量比用普通红外光谱仪更加方便、直接，并可对单纤维测量。起偏器的角度可以任意调节，测量时可将其放在物镜前或聚焦镜后，若放在聚焦镜后，还可以通过目镜观察纤维。根据纤维的排列方向，调节偏振片的偏振方向，可以测量不同偏振方向的红外光谱。图8为Kevlar纤维的透射红外偏振显微光谱，测量时偏振片放在物镜前，光线经偏振后照射到纤维上。3325波数/cm1图8 Kevlar纤维红外偏振显微光谱图无偏振平行垂直通常分别测量光矢量方向平行和垂直于纤维轴向时的红外显微光谱图，可用于分析纤维的取向结构。测量时，应使偏振片的偏振方向与纤维轴向尽量保持平行和垂直，以提高偏振光谱图的质量。选取某一谱带平行和垂直时的吸光度（A和A），可计算该谱带的二向色性比（DR）【2】。 DR（AA）/（ AA） （2）DR取值范围在11之间，当其值为1时，表明该谱带对应的官能团偶极矩的振动方向与纤维轴向完全平行；为1时表明它们是完全垂直的。一般将DR取负值的官能团的取向归为垂直于纤维轴向，取正值的归为平行于纤维轴向。由图8可知，Kevlar 纤维红外显微光谱中，3325 cm1谱带（N-H伸缩振动）具有明显的二向色性，经过基线校正后可得A0.161，A0.416，则 DR0.442，可见N-H的伸缩振动方向为垂直于纤维轴向。另外低于1100 cm1的平行和垂直振动谱带也存在明显的二向色性特征。5. ATR红外显微光谱的测量衰减全反射（ATR）可用于样品的表面分析，比单次反射模式的信号量大，而且获得的表层信息更全。但试样放置必须保证ATR晶体紧压在样品表面，以使红外光线在晶体和样品界面间能多次有效反射。尤其要注意防止纤维试样的偏离弹出和晶片压力过大，前者会测量不到试样信号，后者会压坏试样甚至破坏晶体。因全反射要求，ATR晶体应具有较高的折射系数（n1.5），常用晶体有Ge、钻石等，光线入射角一般为450，这些均在仪器选定时就已确定。Continum显微镜配的晶体是Ge（n4.0），由于其在可见光区不透明，因此，在样品定位时，不能通过ATR晶体观察，只能从旁边用眼直接观察定位。测量纤维ATR光谱时，一定要保证晶体与纤维之间接触良好（压力适当），否则可能损伤晶体且得到的光谱图质量很差。为保证晶体与纤维有良好的接触，防止晶体未压在纤维上，可将多根纤维排在一起，然后将晶体压在纤维上，可获得高质量的光谱图。如图9所示。主要测量参数：光圈尺寸100m100m，扫描次数200，分辨率8cm1。波数/cm1图9 接触情况不同Kevlar纤维ATR光谱图比较接触良好接触不良3325波数/cm1图10 Kevlar纤维红外显微光谱对比透射ATR测量ATR光谱时，由于红外光是在晶体和纤维表层内反射，受外界环境的影响较小；而且，由于要保证ATR晶体与纤维间有良好的接触，ATR晶体是带一定的压力压在纤维上，会产生将纤维压扁的效果，因而ATR光谱图具有很好的分辨率。如图10所示的Kevlar纤维ATR和透射光谱比较。在透射谱图中36003400 cm-1处有一肩带，为羟基（OH）吸收峰，是纤维和环境中微量水分的影响，而在ATR光谱中无此肩带，可见ATR光谱受环境影响小。6. 红外显微光谱图的重现性单纤维红外显微镜测量时，会因纤维的抖动、周围气氛的变化、热辐射作用、纤维本身的光热稳定性，以及仪器噪声的影响等，会导致红外显微光谱质量的下降并影响谱图的重现性。这里对易于发生热降解的大豆蛋白纤维采用不同时间照射得到谱图，如图11所示，（a）为直接200次扫描测量，（b）为红外光源照射8min后测量；（c）为照射16min后测量。此时间已能覆盖正常的观察时间。而且每次测量试样都必须移入移出，以测背景，所以试样所处的环境有变化，且试样的位置也可能稍有改变。针对此3种纤维试样的红外显微光谱图分析可见：谱图无明显差异，它们的主要特征吸收谱带的位置和吸光度的大小基本相同，只是有些小的吸收谱带的位置和强度还存在一些微小的差异。因此，利用红外显微光谱研究纤维结构、鉴别纤维等具有很高的准确度。(a)(b)(c)波数/cm1图11 大豆纤维透射红外显微光谱图重现性7红外显微光谱技术的应用应用傅立叶变换红外显微光谱技术可以分析高性能纤维的聚集态结构、表面结构及其变化，还可以利用空间分辨红外谱图及红外显微图象（Mapping）对高性能纤维及其复合材料的微区结构及变化进行研究，尤其后者是红外显微镜特有的分析技术。71微区结构和组分表征姚洪伟等12用红外显微镜技术对单根高强高模PET纤维的超分子结构进行了研究，用谱带分离技术测定了非晶区反式构象异构体含量，通过测定和分析1100750 cm1范围的红外光谱，阐明了不同工艺制备的高强高模PET纤维的超分子结构形成的机理。N.Vasanthan13等人用FTIR-ATR（450）显微技术研究PEN结构，通过对薄膜的光谱分析，比较了无定型、晶态、晶态3种结构谱带的特点；分析了特征峰吸光度与样品密度的关系，通过两者的关系曲线可以判定特征谱带的归属；并研究了拉伸情况下谱带的变化情况，得出反式结构链段都存在于晶态中，晶态中含有少量旁式结构链段的结论。Ken Kempfert14 等用FTIR显微C=O伸缩振动C-H伸缩振动图4. Kevlar纤维空间分辨红外显微光谱图153020251000200030000.80.401.2波数/cm1吸光度红外光谱研究了经过碾压的Kevlar纤维，通过以1mm为步进对纤维进行横向扫描，得到了纤维的空间分辨红外显微光谱图（图4），31003000 cm1的谱带为所用润滑剂的C-H伸缩振动谱带，可分析润滑剂在纤维表面的分布情况；17001600 cm1为Kevlar纤维酰胺谱带（CO）伸缩振动谱带，可分析纤维横向结构的情况；对16811602cm1间的profile谱带求一阶导数，可求得碾压后纤维的宽度，与测量得到的结果基本一致。72界面和表面结构的表征A.M.Mavrich15等用FTIR显微光谱和红外图像（Mapping）研究了表面改性Kevlar纤维增强环氧树脂的结构。分析了Kevlar纤维与经环氧树脂处理后Kevlar纤维红外显微光谱图的差异，如发现在30002800cm1区间新出现了环氧树脂的3个特征峰（ CH）；用红外官能团图像研究了纤维与树脂间的相互作用情况，如选用3326 cm1峰（ NH）的图像分析环氧基团取代氨基的情况，选用氧环916 cm1峰（ CH）的图像分析了处理后的纤维与基体间的相互作用。Koenig16等用FTIR显微光谱技术研究了玻璃纤维环氧树脂增强材料的界面性质，用不同的玻璃纤维分析了材料界面微区的结构及成分变化情况；另外他们17还用红外图像研究了玻璃纤维环氧树脂增强材料在湿态状况下的性能，观察到用未经处理的玻璃纤维的复合材料界面有更高的吸水率，而用经硅烷处理的玻璃纤维的材料界面的吸水率最低；并用环氧化物特征谱带分析了界面间水分对复合材料界面粘和性的影响。73纤维的鉴别M.W.Tungol18等介绍了用NicoletSpectra-Tech红外显微镜获得单纤维光谱图的方法，分析了不同制样方法的同种纤维光谱图存在的差异，建立了包括Kevlar、Nomex纤维在内的43种纤维的红外光谱图库，指出根据图谱库，利用计算机检索可以快速准确地鉴别纤维的种类。孙玉珍等27应用红外计算机差谱技术分析了橡胶制品中增强纤维，用差谱技术对纤维表面的增粘成分进行了差减，得到了未知纤维（Nomex）的光谱图。8. 结论基于对Kevlar和大豆蛋白纤维的红外显微光谱测量分析，表明光圈尺寸和扫描次数的选取十分重要，应该与分析区域和精度要求匹配；纤维形态应尽量平整，以回避形状的影响；对纤维的偏振光谱测量和ATR光谱测量应注意试样的状态。但对于外界环境因素，如空气中二氧化碳、微量水分等的影响，纤维表面粘附的杂质，如油渍等的影响，以及纤维表面粗糙度对谱图的影响等问题尚需要做进一步的对比实验，以确认红外显微光谱分析中的主要问题，提高谱图精度和重现性。研究还表明，利用红外显微镜测量纤维的红外光谱图时，除调节好光路，选择合适参数外，对纤维进行碾压处理，可以得到分辨率更好的红外显微光谱图。还可采用红外偏振和ATR光谱法，甚至采用试样在变温变受力条件的红外显微光谱分析，以得到更为实用的信息。现有普通红外分析是对纤维集合体或切碎破坏纤维试样的分析，其或多或少地含带束纤维表面结构和性质的影响，而傅立叶变换红外显微技术不仅可以回避上述普通红外技术的问题，表征高性能纤维的整体结构、组成与性能，而且可实施纤维微区（微米级）的结构与组分分析，如结合空间分辨红外光谱图和微区逐点扫描红外显微图像的应用，可以获得纤维材料结构和组分分布特征的分析；如使纤维的温度、受力、环境气氛发生变化，则可获得纤维结构动态变化的信息。因而该技术在高性能纤维理论和应用研究中具有独特的功能和应用前景。致谢感谢研究生熊磊的实验工作和国家经贸委技术创新项目的支持。参考文献1. 吴瑾光. 近代傅里叶变换红外光谱技术及应用. 北京：科学文献出版社，2000：5852. 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