红外和拉曼显微分析 (Infrared and Raman Microanalysis)

 红外和拉曼显微分析 (Infrared and Raman Microanalysis)

红外和拉曼显微分析是将拉曼和/或红外 (IR) 光谱技术应用于微小样品或样品区域的分析。这些技术在分析复杂、异质材料的化学成分空间变化方面是非常强大的方法，操作长度尺度与常规光学显微镜相似，同时还提供了宏观尺度上这些振动光谱技术的高度化学选择性。此类样品分析对于建立宏观性能（如机械和化学稳定性、生物相容性）与材料微观结构之间的相关性特别有用，因此在高性能材料的合理设计中是一种有用的工具。

技术原理

典型的拉曼显微镜由激光激发源、在反射模式下工作的光学显微镜和光谱仪组成。光子以与材料的基本振动模式能量相差的频率从样品中非弹性散射，产生拉曼散射的化学特异性。高质量的显微镜物镜用于聚焦激发束到样品的感兴趣区域并收集背散射光子。一般来说，入射光子的瑞利（弹性）散射比拉曼散射高出几个数量级，因此瑞利光子的选择性衰减是检测方案中的一个关键元素；近年来介电滤波技术的进步大大简化了这个问题。理论上，所能达到的空间分辨率仅受衍射的限制，在有利的情况下允许亚微米的横向分辨率。通过使用共聚焦孔，还可以实现精细的垂直分辨率，从而可以通过使用拉曼深度剖析构建三维化学图像。通常通过栅格扫描样品与同步光谱采集来获取拉曼图像。已经探索了宽场照明和成像配置，但由于灵敏度问题，这些配置通常仅在有限的情况下有用。通过绘制特定材料成分的光带强度，可以很容易地从拉曼图像中提取化学成分图。微小光谱变化（如光带位移）也可以利用来生成其他材料属性（如晶体结构和应变）的空间图。

典型的IR显微镜系统包括一个研究级傅里叶变换 (FT) IR 光谱仪和一个在反射和透射模式下工作的显微镜。反射显微镜物镜因其在红外光谱区域的高反射率和无色差而被广泛使用。测量到的透过样品或从样品反射的IR光谱相对于合适的背景光谱进行归一化。归一化光谱显示出由于样品成分的振动模式的共振吸收而导致的IR光到达探测器的衰减。发生吸收的频率特征地反映了特定功能基团（如C=O）的存在，从而导致所测光谱的强大化学特异性（如结果图中显示）。首先出现的是基于样品栅格扫描方法的显微镜，但现在已有基于宽场照明、阵列检测成像的方法。该技术所能达到的空间分辨率通常在20 μm到40 μm范围内，由于光源亮度限制，未达到衍射极限。若干替代采样技术在IR光谱宏观样品分析中被广泛使用，这些技术已经成功地应用于显微尺度，包括衰减全反射 (ATR) 和掠入射反射。

拉曼和IR显微分析是互补技术，与其宏观类比相似，广泛适用于延伸固体、颗粒、薄膜甚至液体环境下的这些材料。选择这些分析技术通常由最有效区分样品成分的拉曼和/或IR跃迁的相对强度决定。值得注意的是，决定这些跃迁强度的分子性质（拉曼为分子极化率，IR为跃迁偶极矩）通常不相关。实际上，对于中心对称分子，由对称性禁戒的IR跃迁通过定义是拉曼活性的，反之亦然。样品考虑因素也在选择中起作用，因为材料性质可能排除一种（或两种）技术的使用。拉曼显微镜可用于研究广泛的材料，因为拉曼光子在广泛、通常各向同性的固体角度分布上散射，并且因此可以通过同一显微镜物镜轻松检测。然而，透射IR显微镜要求感兴趣的样品安装在IR透明的基底上，并且样品本身必须足够薄以避免饱和效应。类似地，反射模式IR显微镜在分析物安装在高度反射的基底上时效果最佳；这些情况下，样品厚度的限制也适用。然而，拉曼显微镜还有一个显著的限制，因为背景荧光使得许多材料无法测量高信噪比的拉曼光谱，特别是对于高能量激发波长（如488 nm，532 nm）。通常，背景荧光的拍噪比拉曼信号本身大得多，以至于无论信号平均化到何种程度都无法获得高质量的光谱。值得注意的是，荧光的典型截面比拉曼散射大得多，因此拉曼激发波长不需要与样品电子跃迁完全共振就能产生压倒性的荧光背景。这个问题可以通过使用较低能量的激发波长（如785 nm，1064 nm）来减轻，尽管拉曼散射效率随λ⁴下降。拉曼散射截面通常比IR吸收小得多，因此一些拉曼散射截面低的材料由于信号不足而不适合拉曼显微分析，特别是在显微分析背景下。尽管拉曼信号随入射强度变化，样品损伤的考虑通常限制了这一数量。IR显微分析通常面临相反的问题，其中即使是微小样品也能吸收足够的辐射，从而在光谱中导致饱和效应。

定性分析

IR和拉曼显微光谱都是微小样品定性分析的强大工具。测量的振动光谱中某些光带的出现表明特定功能基团的存在，通过分析整个光谱通常可以得到分析物的化学结构。此外，现已提供了大量各种材料的IR和拉曼光谱库，大大促进了使用光谱匹配算法根据IR和/或拉曼光谱识别材料。振动光谱的化学特异性无疑是其最强大的特性之一，特别适用于识别显微尺度上成分异质的复杂材料的各个成分。难以量化这些技术的灵敏度，因为这些类型跃迁的截面通常在几个数量级上变化，因此对不同分析物的灵敏度也以类似方式变化。然而，在这些显微技术中，能够占据最小焦点体积的分析物（拉曼：1 μm × 1 μm × 3 μm，IR：25 μm × 25 μm × 50 μm）通常在IR和拉曼中都可检测到（特别是对强散射体）。

可溯源定量分析

虽然IR光谱对宏观样品的可溯源定量分析已被很好地建立（特别是对气体），但扩展到固体的显微分析却具有相当挑战性。通过使用充分表征的标准材料，IR显微镜可以用于定量分析，尽管这种方法的准确性通常受到由典型样品复杂形态

引起的光学效应（如散射）的限制。在有利的情况下，可以基于检测效率影响因素的表征来估计拉曼散射截面。然而，由于缺乏参考材料和拉曼截面的从头计算困难，定量分析的扩展实际上是不切实际的，除非是最简单的材料。

样品特性

拉曼显微镜的样品制备要求相当宽松；大多数固体材料的表面都可以轻松检查，根据材料的透明度还可以进行一些深度剖析。某些材料的拉曼光谱受荧光背景的主导；这是限制拉曼显微镜应用的最重要样品特性。对于IR显微镜，样品制备的两个关键因素是基底的选择和样品厚度。对于透射显微镜，基底限于在IR光谱区域广泛透明的材料（如CaF₂或KBr）。在反射显微镜中，基底通常是均匀反射的金属膜（如金或银）。样品厚度问题与光谱中的饱和效应有关。许多IR吸收跃迁的截面足够大，以至于样品可以吸收几乎所有的共振入射辐射，从而导致干扰定性和定量分析的光谱伪影。例如，薄至30 μm的聚合物可以在C-H伸缩带中显示饱和伪影。显微切片和微ATR等样品制备方法可以解决某些样品类别中的这个问题。

（a）注射成型热塑性聚烯烃薄膜切片的红外显微光谱图。3700cm—1处的尖锐光谱特征是由滑石填料的OH伸缩振动引起的。（b）热塑性聚烯烃横截面的325μm×325μmIR图像，其中滑石带的振幅以蓝色（低振幅）到红色（高振幅）的颜色标尺表示。