高分子表征技术专题——拉曼光谱技术在高分子表征研究中的应用
2021年,《高分子学报》邀请了国内擅长各种现代表征方法的一流高分子学者领衔撰写从基本原理出发的高分子现代表征方法综述并上线了虚拟专辑。仪器信息网在获《高分子学报》副主编胡文兵老师授权后,也将上线同名专题并转载专题文章,帮助广大研究生和年轻学者了解、学习并提升高分子表征技术。在此,向胡文兵老师和组织及参与撰写的各位专家学者表示感谢。更多专题内容详见:高分子表征技术专题高分子表征技术专题前言孔子曰:“工欲善其事,必先利其器”。 我们要做好高分子的科学研究工作,掌握基本的表征方法必不可少。每一位学者在自己的学术成长历程中,都或多或少地有幸获得过学术界前辈在实验表征方法方面的宝贵指导!随着科学技术的高速发展,传统的高分子实验表征方法及其应用也取得了长足的进步。目前,中国的高分子学术论文数已经位居世界领先地位,但国内关于高分子现代表征方法方面的系统知识介绍较为缺乏。为此,《高分子学报》主编张希教授委托副主编王笃金研究员和胡文兵教授,组织系列从基本原理出发的高分子现代表征方法综述,邀请国内擅长各种现代表征方法的一流高分子学者领衔撰写。每篇综述涵盖基本原理、实验技巧和典型应用三个方面,旨在给广大研究生和年轻学者提供做好高分子表征工作所必须掌握的基础知识训练。我们的邀请获得了本领域专家学者的热情反馈和大力支持,借此机会特表感谢!从2021年第3期开始,以上文章将陆续在《高分子学报》发表,并在网站上发布虚拟专辑,以方便大家浏览阅读. 期待这一系列的现代表征方法综述能成为高分子科学知识大厦的奠基石,支撑年轻高分子学者的茁壮成长!也期待未来有更多的学术界同行一起加入到这一工作中来.高分子表征技术的发展推动了我国高分子学科的持续进步,为提升我国高分子研究的国际地位作出了贡献. 借此虚拟专辑出版之际,让我们表达对高分子物理和表征学界的老一辈科学家的崇高敬意!拉曼光谱技术在高分子表征研究中的应用Application of Raman Spectroscopy in the Characterization of Polymers作者:袁媛,王梦梵,曲云菲,张泽军,张建明作者机构:青岛科技大学高分子科学与工程学院 橡塑材料与工程教育部重点实验室,青岛,266042 北京化工大学 碳纤维及复合材料教育部重点实验室,北京,100029 北京航空航天大学化学学院,北京,100191作者简介:张建明,男,1973年生. 山东省泰山学者特聘教授,博士生导师. 2003年毕业于中科院化学所并取得博士学位,师从著名的光谱学家沈德言先生. 自2009年1月起在青岛科技大学工作. 研究方向为高分子凝聚态结构及其相变行为、生物质纳米材料制备及功能复合材料构筑,已发表SCI学术论文130余篇,所发论文被引6000余次,H-指数为38,获批中国发明专利20余件. 先后获日本JSPS博后奖、德国洪堡资深学者、山东省泰山学者、山东省杰出青年、山东省自然科学二等奖及中国石化联合会青年科技突出贡献奖等荣誉或奖励.摘要拉曼光谱作为一种强大的工具,被广泛应用于聚合物结构的表征. 随着共振拉曼光谱、扫描角度拉曼光谱、高分辨率拉曼成像、极化拉曼光谱、表面增强拉曼散射等拉曼技术的迅速发展,拉曼光谱的应用范围不断扩大. 本文首先介绍了拉曼光谱设备的基本原理和组成,总结了拉曼技术的实验技巧和数据处理中需要注意的问题,讨论了红外光谱和拉曼光谱的区别,在此基础上,综述了近十年来拉曼技术在聚合物结构表征领域的最新应用和研究进展. 其应用包括以下六个方面:高分子链的构象、聚合物的聚集状态、聚合物结晶度的计算、高分子链的取向、外场作用下的结构转化、高分子共混物化学或物理成分的识别. 最后,对拉曼光谱在聚合物研究中的发展进行了展望. 希望本文能够对试图从拉曼光谱中获取聚合物结构信息的学者有所帮助.AbstractAs a powerful tool, Raman spectroscopy is widely used in the characterization of polymer structures. Along with the rapid development of Raman technology such as resonance Raman spectroscopy, scanning angle Raman spectroscopy, high-resolution Raman imaging, polarized Raman spectroscopy, and surface-enhanced Raman scattering, the application range of Raman spectroscopy has been continuously extended. In this paper, we first introduced the basic principle and the composition of the Raman equipment, and then we summarized the experimental skills of Raman technology and the issues that need attention in data processing. The difference between the infrared spcectroscopy and the Raman spectroscopy was discussed. Afterwards, we reviewed the latest applications and research progress in the fields of polymer structure characterization by using Raman technology in recent decade. The applications include the following six aspects: the macromolecular chain conformation, the aggregation state of polymers, the calculation of the polymer crystallinity, the macromolecular chain orientation, the structural transformation under the external fields, and the identification of the chemical or physical composition in polymer blends. Last, the development of Raman spectroscopy in polymer research was prospected. It is hoped that this review could be helpful for the one who tried to obtain the information about the polymer structure from Raman spectroscopy.关键词拉曼光谱 结构表征 原理 应用KeywordsRaman spectroscopy Structure characterization Principle Application 拉曼散射现象是由印度科学家Raman于1928首先发现并报道的,但拉曼散射信号只相当于瑞利散射百万分之一,在拉曼散射现象被发现之初由于没有足够功率的光源而并未被广泛的应用. 近半世纪以来随着激光光源以及显微技术在拉曼光谱仪中的应用,拉曼光谱迸发出了旺盛的生命力.拉曼光谱与红外光谱同属分子振动光谱,但其原理与红外光谱截然不同. 如今拉曼光谱在高分子领域中已经有广泛的应用,包括分子链构象、取向、结晶度等方面的研究等. 本文在结合拉曼基本原理及实验技巧的基础上,总结了近年来拉曼光谱在高分子表征中的最新研究进展.1基础原理1.1光的散射当光线遇到分子时,绝大部分的光子(多于99.999%)都会发生弹性散射(即瑞利散射),瑞利散射具有与入射光相同的波长. 然而,少部分的光子(少于0.001%)会发生能量(频率)偏离的非弹性散射(即拉曼散射). 光散射过程可以用量子力学进行描述,如图1所示,当一束光照射到某体系时,体系中粒子吸收光的能量而被激发,从而发生能级跃迁过程,同时辐射出散射波. 不同的跃迁方式决定了不同的散射类型,例如(拉曼)斯托克斯散射、瑞利散射、(拉曼)反斯托克斯散射(高分子样品测试中常用的拉曼散射范围)[1~7]. 在拉曼测试过程中,经常也会出现荧光信号,与拉曼散射不同,荧光过程中粒子被激发至能量更高的电子能级而非拉曼散射中的虚态. 因此短波长比长波长激光更易产生荧光效应.Fig. 1Quantum mechanics description of Rayleigh, Raman scattering and florescence.1.2拉曼散射与拉曼光谱1.2.1拉曼散射的基本原理假设一束频率为v0的光照射在一个分子上,分子中电子会被入射光的电场激发做受迫局域运动而出现极化现象,产生电偶极矩,假设入射光电场可以表示为:式中E0为光电场的振幅,则由于分子运动所产生的偶极矩可以表示为:式中α为极化率,极化率的变化是分子的核外电子云受外部电场诱导而产生的(通过平衡位置两边的)形变而导致的.如果分子的极化电场所释放出的光与入射光频率相同,则把这种散射过程称为瑞利散射. 而如果α被分子的振动所调制(modulated),则α可以展开为关于振动简正坐标q的级数:q由以下公式得出:则有:以上公式表明在当前情况下频率为(v0±vk)的(拉曼)散射会与频率为v0的瑞利散射同时出现. 某一分子振动为拉曼散射活性的前提条件为(∂α∂q)0的值不为0,也就是说分子的极化率随分子振动而改变[8,9].如图2所示,假设频率为v0电场(入射光)可以诱导分子的偶极矩P产生同频率(v0)的振动. 如果此时分子极化率具有随时间变化的极低频的振动vm,那么经过以上2种不同频率的振动调制后的散射光将包含3种不同频率的光,分别为v0(瑞利散射)、v0+vm(反斯托克斯散射)、v0-vm(斯托克斯散射). 反之如果分子的振动不能使极化率产生低频振动,则不会有调制的出现,进而不会出现拉曼散射效应[8,10].Fig. 2Schematic representing of Rayleigh and Raman scattering: (a) the incident radiation makes the induced dipole moment of the molecule oscillate at the photon frequency (v0) (b) the molecular vibration can induce the polarizability,α,to have a frequency ofvm the result as shown in (c) is an amplitude modulated dipole moment oscillation,and three components with steady amplitudes which can emit electromagnetic radiation can be achieved as:v0 (Rayleigh component), v0+vm (Raman anti-Stokes component), and v0+vm (Raman Stokes component), as shown in (d).由于诱导分子偶极矩P与电场E均为矢量,且一般情况下两者方向不同,因而连接这2个物理量的极化率α可以用一个二阶张量来表达,则P=αE可以表示为其中,x,y,z为分子在笛卡尔坐标系中的坐标. 极化率为对称的二阶张量矩阵,包含了6个独立的元素,αxx、αyy、αzz、αxy、αyz、αxz. 上式的意义为,例如沿x方向电场Ex诱导了沿y方向的偶极矩Py,则可表示为Py=αxyEx. 此式在通过偏振拉曼研究分子对称性时具有重要意义[9].1.2.2拉曼活性的判据如上所述,非弹性散射源于在平衡位置附近分子的极化率关于简正坐标q的导数不为0,这一关系为小分子的拉曼散射提供了“选择定律”的基础. 以对称双原子分子的对称伸缩振动(symmetric stretching vibration)为例,如图3(a)所示,当两原子的位置无限接近时,体系电子密度分布类似于单一原子的电子密度;而当两原子的位置无限远离时,体系电子密度分布近似于2个独立的单原子的电子密度. 因此对于双原子分子的对称振动,其极化率沿简正坐标方向成单调增长模式,因此其在平衡位置导数不为0,为拉曼活性振动. 而对于分子偶极矩,对称伸缩振动过程中其正负电荷中心并没有产生位移,所以偶极矩没有发生变化,因此为红外非活性振动. 例如氧气与氮气分子的对称伸缩振动只能使用拉曼光谱进行研究,因为在红外谱图中不会出现吸收峰.Fig. 3The derivatives of polarizability (red) and dipole moment (blue) are schematically depicted for the normal modes of a two (a) and a three (b) atomic molecule. Based on these intuitive considerations,conclusions on the IR and Raman activityof the modes can be drawn.线性三原子分子比双原子分子稍显复杂,例如二氧化碳分子. 对于其对称伸缩振动,如图3(a)所示,极化率的变化类似于双原子分子的对称伸缩振动,为拉曼光谱活性,红外光谱非活性. 对于非对称伸缩振动(antisymmetric stretching vibra-tion)以及变角振动(bending vibration) (图3(b)),极化率在平衡位置两边的变化虽不为0,但是其变化是关于平衡位置对称的. 因此极化率在平衡位置周围变化可以认为是简谐的,也就是说(∂α∂q)q0=0,因此非对称伸缩振动与变角振动均为拉曼非活性;而偶极矩在平衡位置两侧的方向是反转的,因此(∂μ∂q)q0≠0,表现为红外活性[11].2实验技巧为了得到更丰富的样品信息,我们希望拉曼光谱在准确的基础上具有尽可能高的信噪比(signal-noise ratio,SNR). 关于拉曼散射的强度IR一般有如下关系式:其中,v和I0为入射激光的频率及强度;N为参与散射过程的分子数量;(∂α∂q)2是与分子结构有关的参数.上式表明,使用短波长激光并增加激光能量密度的同时增加样品量可以增强拉曼散射信号(注:拉曼光谱位移不随入射波长的变化而改变). 但在实际的测试过程中,不同类型的样品需要根据其自身的特点选择与其匹配的波长的激光以及激光能量,不能为了增强拉曼信号就去用短波长激光去测试所有样品,很多高分子样品在短波长激光下可能没有拉曼信号或者拉曼散射被很强的荧光信号所淹没.2.1样品制备2.1.1固态样品相对于无机样品,有机高分子样品的拉曼信号相对较弱(一部分原因是由于高分子样品中存在大量的无序结构). 对于高分子粉末或膜样品,一般需要保证沿光的入射方向有一定的厚度并同时使其表面尽量平整,以便于显微镜的聚焦. 对于透明样品,可将其放置于铝箔上进行测试(因为金属一般都有增强拉曼信号的作用,用铁片作为基底同样有着很好的效果). 或者,由于拉曼接收的是散射光,太薄的透明样品极易被激光穿透从而打到基底上,因此为了得到更好的拉曼信号,制样时要尽可能增大薄膜厚度. 另外由于激光一般都是偏振的,因此对于取向样品,例如纤维,需首先确定入射光的偏振方向,之后再确定样品的(某一)取向轴与入射光偏振方向平行(或垂直),再开始测试,这样才能得到正确的结构信息.2.1.2液态样品由于拉曼可以聚焦到几十微米下检测一定深度的样品信号,无需担心盖玻片和毛细管对拉曼信号的影响,因此高分子液态样品的拉曼测试相对于红外测试比较便捷,可以直接进行测试. 一般可以使用凹面载玻片或者金属制液体样品槽承载液体样品. 测试时可先将激光聚焦于液体表面,然后将样品平台沿激光方向上抬,使激光聚焦于液体样品内部,这样可以得到较好的光谱. 如果液体易挥发,可以使用盖玻片将样品封闭于容器内或将液体封入毛细管内.2.2设备调试2.2.1拉曼装置的构成随着拉曼仪器的发展,如今在一般情况下,背散射模式,也就是入射激光与散射激光平行,已经足够应对大部分高分子样品的测试需求. 对于一些特殊情况,例如取向或单晶样品的偏振拉曼测试,需要使用到90°入射的模式,也就是入射光路方向与散射光路方向为90°,原因可以参考上节极化率的二阶张量公式.以雷尼绍(Renishaw,UK) inVia型拉曼光谱仪为例,如图4所示,拉曼装置一般包括入射激光光源、入射光路系统(包括扩束器)、显微镜及样品台系统、滤波器、衍射光栅及CCD检测器. 在实际测试过程中,我们需要选择合适的入射光波长及显微镜物镜.Fig. 4Schematic diagram of the Raman instrument.当今市场上主要的拉曼仪器根据应用的场景可分为手持型、便携型以及桌面型拉曼光谱仪. 手持型拉曼光谱仪集成性很高,小巧轻便,操作非常简单,几乎可以在各种需要的地点、时间对从原材料到成品进行鉴定分析. 便携型拉曼光谱仪集成性相对较高,并具有一定的扩展性,可作为小型移动实验室使用. 桌面型拉曼光谱仪体积较大且不可移动,如图4中示意图即为桌面型拉曼光谱仪,但这类光谱仪具有极强的扩展性,几乎可以变更从入射激光光源、入射光路、样品平台至光栅等所有组成部分,从而可以为不同样品以及不同条件的测试创造可能.2.2.2激光波长的选择激光波长与能量密度成反比,使用短波长激光可以得到较强的拉曼散射信号,例如532 nm要比785 nm激光的拉曼散射强度强. 但对于高分子样品来说使用532 nm激光产生荧光干扰的可能性也会增加. 所以在一些情况下可以选择785 nm的光源. 如前所述,样品产生的拉曼位移不会随激发光源的波长改变而改变,因此只要可以避开荧光效应可以自由选择激光波长. 需要注意,虽然拉曼位移不随激光波长而改变,但使用同一物镜下,不同波长可以到达的空间分辨率不同. 例如,物镜的数值孔径(NA)为0.9,532 nm激光的空间分辨率可达0.72 μm,而在同样条件下使用785 nm激光时,空间分辨率仅为1.1 μm.另一种情况,如果样品内的分子振动与入射激光可以产生共振效应,那么可以以此来选择入射激光波长,则可以得到较强的拉曼散射信号.2.2.3显微镜的选择通常显微镜的物镜上会标注2个参数,分别为放大倍数(5×、10×、20× 等)与数值孔径(numerical aperture,NA,是与镜头光通量有关的参数,一般为0.05~0.95). 一般放大倍数与数值孔径成正相关关系,而数值孔径决定空间分辨率,有如下公式 [12]:其中,R为最大空间分辨率. 在实际测试时需要注意激光能量会随光斑尺寸(空间分辨率)变化,更高的空间分辨率意味着激光密度会更大,此时需要注意样品可能会被激光热解. 对于高分子样品来说,一般要先从低激光功率测试开始尝试,如果此时拉曼散射信号很弱,则少量增加激光功率,但同时要注意观察样品是否被热解,如此反复尝试直到找到最适宜测试的激光强度.2.2.4Ne灯校准一般除用单晶硅对拉曼位移进行校准,另外使用内置的Ne灯也可以达到校准的效果. 一般在测试样品时与Ne灯同时使用,则所得到的拉曼谱图中同时包括样品与Ne灯的峰,由于Ne灯的拉曼峰位置已确定,因此可用于校正样品的峰位置.2.2.5测试参数设置在确定适宜样品的激光波长及显微镜倍数的前提下,为了提高信噪比,可以首先在不损伤样品的前提下尽量提高入射激光的强度,其次适当延长曝光时间(有效的提高散射信号强度),同时也可以增加循环(cycling)测试的次数(有效降低噪音的影响). 但需要注意曝光时间不宜过长,因为过长会导致检测器的饱和,例如当同时需要较强与较弱的拉曼散射峰时,较弱的散射峰由于信噪比较低而难以使用时,可以固定曝光时间并增加循环测试次数来降低最终谱图中噪音的Koenig J L.Spectroscopy of Polymers.Netherlands:Elsevier,1999.207-252.doi:10.1016/b978-044410031-3/50005-03Chalmers J,Griffiths P.Handbook of Vibrational Spectroscopy, 5 volumes set.New Jersey:John Wiley & Sons,2002.1-174Sasic S,Ozaki Y. Raman,Infrared, andNear-Infrared Chemical Imaging.New Jersey: John Wiley & Sons,2011.1-215Schrader B.Infrared and Raman Spectroscopy: Methods and Applications.New Jersey:John Wiley & Sons,2008.7-616