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红外显微成像结合主成分分析对 聚烯烃紫外光氧化的研究 摘要 红外显微成像技术结合了显微镜和红外光谱的优势，具有直观、 可视的特点，在研究不同组分组成的材料方面具有很大的优势。一 张红外显微图像由几百到几千张红外光谱图组成，传统的对红外显 微图像的分析无法完整获取包含在红外光谱中的大量有用信息。因 而大大限制了红外显微成像技术的应用。主成分分析是一种常用的 最优化方法，将主成分分析方法用于红外显微图像的分析中，可得 到在红外显微图像中选定波长的范围内红外光谱变化的信息。 聚丙烯和聚乙烯是广泛应用的聚合物，在长期使用过程中易受 到光、热、氧的老化。本文利用红外显微成像技术结合主成分分析 方法研究了聚丙烯和聚乙烯的紫外光氧化过程。 通过采用主成分分析方法对聚丙烯光氧化后的红外显微图像进 行分析，发现在聚丙烯光氧化的不同阶段，其光氧化产物不同。光 氧化o 8 小时主要的光氧化产物为羧酸，其次为酮，并且随着光氧 化时间的增加，羧酸的量逐渐减少，酮的量逐渐增加，光氧化1 2 小 时后酮成为主要的光氧化产物。本文首次证实了一种新的光氧化产 物一羧酸酐在光氧化1 6 小时后生成；在氧化3 2 小时后，出现了羧 酸酯产物。本文也对聚丙烯可能的光氧化产物生成机理进行了探讨。 而在聚乙烯的光氧化过程中，酮是主要的产物，在氧化2 3 小时后也 摘要 有少量的酯生成。 聚丙烯和聚乙烯的光氧化首先发生在表面，随着氧化时间的增 加逐渐向内部扩展，其光氧化的强度由表面向内部逐渐减弱，研究 显示，光氧化的强度在同一深度也是不均匀的。与聚丙烯相比，聚 乙烯的光氧化过程进行的比较缓慢。 关键词：红外显微成像，主成分分析，红外光谱，聚丙烯，聚乙烯， 光氧化 i i 摘要 f t i ri m a g i n gco u p l e dw i t hp r i n c i p a l c o m p o n e n ta n a i y s i sf o rs t u d y0 f p h o t o o x i d a t i o no fp o l y o l e f i n a b s t r a c t f t i rs p e c t r o s c o p i ci m a g i n gi sav i s i b l et o o lf o rc h a r a c t e r i z i n gt h e d i s t r i b u t i o no fd i f f e r e n tc h e m i c a l si nh e t e r o g e n e o u sm a t e r i a l s i ti sb a s e d o nt h ec o m b i n a t i o no ff t i rs p e c t r o s c o p ya n db r i g h tf i e l dm i c r o s c o p y s i n c eo n ef t i ri m a g ei sc o m p o s e do fh u n d r e d so rt h o u s a n d so fs p e c t r a ， i ti s i m p o r t a n tt o e x t r a c ti n f o r m a t i o nf r o mt h eo r i g i n a ld a t as e t c o n v e n t i o n a l a p p r o a c h e s t o e x p l o r ei m a g e s s a c r i f i c em u c ho f i n f o r m a t i o no ft h eo r i g i n a lm a s s i v ed a t a s e t p r i n c i p a lc o m p o n e n t a n a l y s i s ( p c a ) i saw i d e l yu s e dc h e m o m e t r i ct o o la n di sa p p l i e dt o a n a l y z et h ef t i ri m a g e s b ya n a l y z i n gt h ep r i n c i p a lc o m p o n e n t s ( p c s ) o ft h ee n t i r ei m a g e s ，t h es p e c t r a lv a r i a n c eo ft h ei m a g i n ga r e ai s d e s c r i b e da n ds o m el a t e n ti n f o r m a t i o ni sd i s p l a y e d p o l y p r o p y l e n e ( p p ) a n dp o l y e t h y l e n e ( p e ) a r ew i d e l yu s e dd u et o t h e i rv e r s a t i l ep r o p e r t i e sa n d l o wc o s t t h e ya r es u b j e c t e dt oo x i d a t i v e d e g r a d a t i o ni n i t i a t e db yu l t r a v i o l e t ( u v ) r a d i a t i o nw h e nb e i n gu s e d o u t d o o r i nt h i sw o r k , t h ep h o t o o x i d a t i o no fp pa n dp ea r ei n v e s t i g a t e d b yf t i ri m a g i n gc o u p l e dw i t hp c a i i i 摘要 t h eo x i d i z e dp r o d u c tv a r i e sf r o md if f e r e n tp h o t o o x i d i z e dp e r i o do f p p c a r b o x y l i ca c i di st h em a j o ro x i d i z e dp r o d u c ti nt h ei n i t i a lp e r i o d f r o m0ht o8hw h i l ek e t o n eb e c o m e st h em a j o ro n ew h e nt h ei r r a d i m i o n t i m ei si n c r e a s e dt o12h c a r b o x y l i ca n h y d r i d ei si d e n t i f i e df o rt h ef i r s t t i m ei no x i d i z e dp pa f t e r16 hi 1 1 r a d i m i o n c a r b o x y l a t ee s t e ri sa l s o o b s e r v e di nt h eo x i d i z e dp pa f t e r3 2hi r r a d i a t i o n p o s s i b l em e c h a n i s m s f o r m i n gt h e s ep r o d u c t sh a v eb e e n d i s c u s s e d f o rp e ，k e t o n ei st h em a j o r o x i d i z e dp r o d u c ta n dal i t t l ee s t e ri so b s e r v e da f t e ri r r a d i a t i n g2 3h o u m p h o t o o x i d a t i o ni sp r e f e r r e dt oo c c u ro nt h es u r f a c ea n dd e c r e a s e s f r o mt h es u r f a c et ot h ei n t e r i o r t h es t e r i c i n h o m o g e n e i t yo f p h o t o o x i d a t i o np r o c e s so fp o l y o l e f i ni sv i s u a l i z e du s i n gt h i si m a g i n g t e c h n i q u e c o m p a r i n gw i t hp p , p e i sn o te a s yt ob ep h o t o - o x i d i z e d k e yw o r d s ：f t i ri m a g i n g ，p r i n c i p a lc o m p o n e n ta n a l y s i s ，f t i r p o l y p r o p y l e n e ，p o l y e t h y l e n e ，p h o t o o x i d m i o n i v 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：】虱逸蛆 日期：望翌：s 引 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位 论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权 单位属北京化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送 交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以 公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其 它复制手段保存、汇编学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在上年解密后适用 本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本 授权书。 作者签名：西蛔 导师签名羝基垫 第一章文献综述 1 1 前言 第一章文献综述 红外光谱( i n f r a r e ds p e c t r o s c o p y ，简称i r ) 是一种由分子吸收一定能量后， 引起分子的振动一转动能级发生跃迁而产生的分子光谱。红外光谱是研究物质 的化学组成、结构及分子间相互作用的有力手段，自从七十年代引进傅立叶变 换( f o u r i e rt r a n s f o r m ，简称f t ) 技术以来，红外光谱的灵敏度、波数精度、分辨 能力和应用范围都有了显著提高，目前已经被广泛用于高分子科学、煤炭、石 油、地质矿产、气象及环境科学、农业及生命医药科学、无机及材料科学、染 织、日用化工、原子能以及法庭科学等众多领域【i j 。这些应用主要通过分析红 外光谱峰的位置( 波数) 、强度和峰形以获得物质的结构和组成方面的信息，此 外红外光谱还可通过朗伯比尔定律进行定量测定。 红外、近红外和拉曼显微成像都属于化学成像，是振动光谱方法的扩展， 通过测定一定区域内各点的光谱，绘制出该区域的二维或三维图像。振动光谱 中含有物质组成的丰富信息，显微成像技术可以给出样品微观区域直观的图像， 振动光谱成像技术将二者有机的结合起来，可以直观的反映样品中一定区域内 官能团的种类和含量分布。 红外、近红外和拉曼显微成像的主要区别在于基于不同的光谱技术。近红 外显微成像利用键振动的组频和合频，灵敏度低，主要应用于对天然产物的分 析中。因拉曼光谱使用的光波长较短，因此拉曼显微成像具有比红外显微成像 更高的空间分辨率。中红外区提供的关于物质结构和组成的信息最为丰富，因 此红外( 中红外) 显微成像研究的最多。 1 2 红外显微成像( f t - i ri m a g i n g ) 1 2 1 红外显微成像系统的组成 典型的红外显微成像系统由红外显微镜、检测器和红外主机( 光源) 组成。 第一章文献综述 1 2 1 1 红外显微镜 红外显微镜是红外显微成像系统的基础。2 0 世纪4 0 年代末，在美国出现 了简单的红外显微镜装置，将其与色散型红外分光光度计相连接，就组成了最 早的显微红外光谱仪；1 9 5 0 年第一台商品红外显微镜问世，但由于色散型红外 光谱仪本身的缺点，使早期的显微红外技术没有取得应用。2 0 世纪7 0 年代， 随着傅立叶变换红外光谱的发展，红外显微镜制作技术也日渐提高。1 9 8 3 年， 美国s p e c t r a t e c hi n c 设计并制造了世界上第一台商品傅立叶变换红外显微 镜。随着计算机技术的发展和成本的降低，使得红外显微镜广泛的用于材料科 学、医学、生物学和法庭科学等诸多领域。 傅立叶变换红外显微镜根据其光路系统的不同，可以分为同轴光路 ( o n a x i so p t i c s ) 显微镜和非同轴光路系统( o f f - a x i ss y s t e m ) 显微镜两种。早 期的红外显微镜采用非同轴光路，目前商品红外显微镜多采用同轴光路。 红外显微镜所使用的聚光系统分为两种，s c h w a r z s c h i l d 式和c a s s e g r a i n i a n 式。实际上，s c h w a r z s c h i l d 式是c a s s e g r a i n i a n 式的特例，二者的主要区别在于 s c h w a r z s c h i l d 式聚光系统的两个聚光镜是同心的，这一设计归功于德国物理和 天文学家k a r ls c h w a r z s c h i l d1 2 j 。 此外，红外显微镜通常带有一个可控的载物台以便在样品中选择感兴趣的 点进行红外光谱的采集。 1 2 1 2 检测器 检测器是红外显微成像系统的核心，红外显微成像技术出现的标志就是 l e w i s 3 】等在1 9 9 5 年将原本用于军事目的的焦平面阵列检测器( f o e a lp l a n e a r r a y ，f p a ) 应用于红外显微镜上。焦平面阵列检测器拥有多个碲镉汞( m e r c u r y c a d m i u mt d l u r i d e ，m c t ) 或锑化铟( i n d i u ma n t i m o n i d e ，i n s b ) 检测单元，常 见的为3 2 x 3 2 、6 4 x 6 4 以及1 2 8 x 1 2 8 ，可同时采集1 0 2 4 、4 0 9 6 或1 6 3 8 4 个像素 点的红外光谱：而包含更多检测单元如1 0 2 4 x 1 0 2 4 的检测器仍通常用于军事目 的。焦平面阵列检测器的引入大大提高了红外光谱的采集效率，使得红外显微 图像的采集时间大大缩短，实用性大大提高。m c t - a 检测器的适用波长为 5 0 0 0 7 2 0c m 1 ，而i i l s b 检测器的适用波长为1 0 0 0 0 - 1 8 5 0t i l l 。 红外显微成像系统所配备的焦平面阵列检测器依据其技术水平可分为三 代。第一代出现在1 9 9 5 年，即l e w i s 所采用的技术，这一代的f p a 检测器信 号处理速度慢，帧频( f r a m er a t e ) 仅为2 0 h z ，因此红外主机必须采用步进扫描 2 第一章文献综述 ( s t e ps c a n ) 模式。第二代出现在2 0 0 2 年前后，这一代检测器的处理速度较第 一代有较大提高，帧频达到5 0 0 h z ，因此红外主机可以采用连续扫描( c o n t i n u o u s s c a n ) 。这一代检测器的主要问题是检测单元的寿命较低，检测单元的使用周期 仅为冷却1 0 0 次，或最多3 年。在2 0 0 5 年左右，出现了第三代检测器，这一代 f p a 检测器的检测单元的稳定性和灵敏度与普通m c t 检测器类似，帧频达到 了3 0 0 0 h z t 4 1 。焦平面阵列检测器技术的发展使得红外显微成像更加实用也更加 准确。 红外显微图像也可以由单点m c t 检测器或者线阵列检测器( 1 6 x l 或2 5 6 x 1 个检测单元) 通过软件自动控制显微镜载物台移动而逐点( 线) 采集选定区域 得到。使用单点检测器的工作模式通常被称为“m a p p i n g 而使用阵列检测器的 工作模式称为“i m a 垂n g 。 也有少量红外显微镜配备了室温的氘代硫酸三甘肽( d t g s ) 检测器，这种 检测器无需液氮冷却，但检测灵敏度较低，仅用于对仪器性能要求不高的应用 中。此外，红外显微镜还可以配备近红外检测器以采集近红外光谱和图像( 需 更换光源和分束器) 。 1 2 1 3 红外光源和干涉仪 红外显微镜通常不带有独立的光源和干涉仪，而是需要与一台傅立叶变换 红外主机相连，经过干涉仪调制的红外光直接进入红外显微镜光路系统，经聚 焦后穿过样品，经过再次聚焦后进入检测器。也有少量红外显微镜如 t h e r m o f i s h e r 公司的n i c o l e ti n l o 显微红外光谱仪是内置光源和干涉仪的，这 类仪器主要用于对仪器性能要求较低的日常检测等领域。 红外显微成像系统所使用的光源通常都是与普通傅立叶变换红外光谱仪相 同的硅碳棒( g l o b a r ) 光源，这种光源具有技术成熟，使用寿命长等优点。 随着同步加速辐射技术的成熟，使用同步辐射作为光源的红外显微成像系 统已经出现【5 , 6 1 。与传统的硅碳棒光源相比同步辐射光源的优势在于可以提供极 高的亮度，这使得采用同步辐射光源的红外显微成像系统有着比使用传统光源 的系统更高的分辨率和信噪比【_ 7 1 。但目前使用同步辐射光源的红外显微成像系 统还只能使用单点m c t 检测器，这使采样的时间比配备f p a 检测器的传统显 微成像系统长【s 】，此外同步加速技术在使用上的种种不便也限制了这项技术的 应用。 第一章文献综述 1 2 2 红外成像显微镜的空间分辨率 红外显微成像的空间分辨率主要受红外光的波长的限制。根据瑞利规则， 显微镜下两个相邻的点可被分辨所需的最小距离为： ，：1 2 2 2 ( 1 1 ) r = 一 ii - ij 2 m 其中，九为入射光的波长，n a 为物镜的数值孔径。n a 定义为： n a = n s i n 0 ( 1 2 ) n 为物镜与样品间介质的折射指数，0 为孔径张角( a n g u l a ra p e r t u r e ) 的 半。 为使这两个点完全被分辨开，所需的距离为2 r ，这也就是红外显微成像的 空间分辨率【9 】。红外显微成像的空间分辨率是由红外光的波长和物镜的数值孔 径共同决定的，使用m c t 面阵列检测器时在中红外区所能采集的波长范围为 2 5 l - t m 1 2 5 t x m ( 4 0 0 0c m - 1 8 0 0c m - 1 ) ，红外显微镜头的n a 值一般不超过0 7 ， 因此理论空间分辨率在4 4 1 x m 2 1 8 岬。由于受到光学像差和衍射的影响，实际 能够达到的空间分辨率要比理论值更差。根据公式( 1 1 ) ，选择高波数的特征 吸收峰( 即短波长的红外光) 可以提高红外显微成像的空间分辨率，但这种方 法的效果十分有限，并且有时并不能在高波数区找到合适的特征吸收峰。红外 显微镜中物镜的数值孔径是影响红外显微镜性能的重要参数，加大数值孔径不 仅可以提高空间分辨率，看清样品的精细结构，还能提高信噪比。 1 2 3 红外显微成像的工作模式 红外显微成像的模式可以分为透射( t r a n s m i s s i o n ) 、反射( r e f l e c t i o n ) 和 衰减全内反射( a t t e n u a t e dt 0 t a li n t e r n a lr e f l e c t i o n ，御限) 三种。 1 2 = 3 1 透射模式( t r a n s m i s s i o nm o d e ) 透射式红外显微镜用于测量可透过红外光的样品，如厚度小于2 0 微米的薄 膜、固体切片和微量液态物质样品。当采用透射模式时，红外光透过样品后经 聚焦进入检测器。透射模式的信噪比较高，因此应用最为广泛。图1 1 是透射 模式红外显微成像的光路图。 4 第一章文献综述 h 八 图1 1 透射模式下的红外显微成像熊的光路示意图1 上物镜2 样品3 下物镜 f i g u r e1 1f r tm i c r o s c o p i ci nt r a n s m i s s i o nm o d e 1 o b j e c t i v e2 s a m p l e3 c o n d e n s e r 1 2 3 2 反射模式( r e f l e c t i o nm o d e ) 反射式红外显微镜主要用于测量样品的表面或污染物。当采用反射模式( 图 1 2 ) 时，红外光透过样品后被样品下方的金镜反射后再次透过样品，经聚焦后 进入检测器。 图1 2 反射模式下的红外成像光路示意图l 物镜2 样品 f i g u r e1 - 2f t i rm i c r o s c o p i ci nr e f l e c t i o nm o d e 1 o b j e c t i v e ，2 s a m p l e 1 2 3 3 衰减全内反射模式( a t rm o d e ) 对于遇到表面分析或是透射、反射不好制样的样品，也可以采用衰减全内 反射( a t t e n u a t e dt o t a lr e f l e c t a n c e ，简称a t r ) 模式下的显微镜研究。a t r 成像和 反射式成像的光路相似，只不过在a t r 成像时需要一个附件，并且在做a t r 成像时晶体必须与样品紧密接触。a t r 模式作为透射模式和反射模式的补充， 其最主要的优点是样品只需经过最小限度的预处理甚至可以不经处理即可进行 红外显微图像的采集。 5 第一 空献综述 衰减全反射使用高折射率的a t r 晶体，使得式( 1 - 2 ) 中折射率n 数倍于 传统的透射模式( “g 一0 l ，“s = 34 0 ，n z n s , = 2 4 3 ；n 十f 1 ) 。所以采用a t r 模 式时n a 值高于普通透射模式，这使得a t r 模式成像下的空f i j 分辨率也高于传 统的透射模式成像。 a t r 附件有多种形式一种被称为“s l i d e o l l a t ra c c 髓s o r y ”( 图1 - 3 ) 。在 使用时，将a t r 附件插在红外显微的上物镜上即可。另一种则是一个独立的物 镜( 图1 _ 4 ) 。 一 圈1 - 3 赛默飞世尔公司的红外显馓镜j i a t r 附件 f i g , u 几1 - 3 a t r a c c 器s o r y o f t h e r m o f i s h e r 图1 4 布鲁克公司的衰藏全反射钫镜 f i g u 他i - 4 a t k o b j e c t i v e o f b n f l c e r o p t i c s 上述的a t r 尽管结构有所不同，但都只能采集单点的红外光谱。k a z a r i a n 等1 ”】设计了采用硒化锌( z n s e ) 晶体的“面a t r ( m a c r oa t r ) ”( 图1 5 ) ， 与f p a 检测器配合使用可同时采集一定区域内多个点的红外光谱。 第一章文献综述 图1 5k a z a r i a n 设计的a t r 的光路示意图 f i g u r ei 5o p t i c a ls c h e m a t i co f t h ea t rd e s i g n e db yk a z a r i a n 1 2 4 红外显微成像的制样方法 在选择透射模式和反射模式采集红外显微图像时，通常需要对样品进行处 理，通过超薄切片将样品制成2 0 i ，t m 左右的薄膜，以使红外光能穿过样品。为 避免切片时样品( 特别是不同物质共混的体系) 发生相分离，常常使用冷冻切 片机并将切片温度设置为样品的玻璃化温度以下。 选择a t r 模式成像则对样品要求较低，膜状样品通常可以直接测试；厚度 过大的块状样品需要进行切片，但对切片的厚度要求不高。这是因为采用a t r 时红外光的穿透深度( p e n e t r a t i o nd e p t h ，如) 仅由a t r 晶体和样品的折射率之 比及红外光的入射角度决定，而与样品本身的厚度无关。 1 2 5 红外显微成像技术的应用 红外显微成像技术尽管发展时间不长，但由于其具有直观、可视化的特点， 已经应用于聚合物、生物、医药、考古和文物鉴定以及法医学等领域。 1 2 5 1 聚合物领域 聚合物是红外显微成像应用最为广泛的领域之一，与其他成像方法相比红 外显微成像最明显的优势在于图像的颜色对比来源于材料中某种物质的特征官 能团含量，因此不需要进行额外的染色等前处理。 7 第一章文献综述 聚合物的溶解行为是聚合物科学中重要的研究领域l l2 。，k o e n i g 等通过使用 红外显微成像这一直观的工具，分别对聚甲基苯乙烯【1 3 - 1 5 和聚甲基丙烯酸甲酯 【1 6 】在不同溶剂中的溶解行为进行了研究，发现聚合物并不是在聚合物一溶剂界 面均匀溶解，而是首先发生边缘的粗糙化和断裂。 聚合物的溶剂诱导结晶是聚合物科学中的另一个重要的现象，k a z a r i a n 7 , i s 等研究了无规聚苯乙烯在甲苯中的结晶行为，通过对不同浸泡时间和不同位置 的聚苯乙烯的红外显微图像的分析，发现了6 晶型的无规聚苯乙烯，并对其结 晶的机理进行了探讨。 将具有不同性质的聚合物共混是获得复合材料的重要方法，聚合物复合时 的相容性的好坏很大程度上影响着复合材料的性能优劣。k a z a r i a n d 9 j 研究了一 种由尼龙6 6 、聚四氟乙烯和硅油共混物的滑动轴承用材料的相容性。在研究中 使用了扫描电子显微镜、红外显微成像、拉曼显微成像等多种手段，研究发现 1 0 3 0 啪的聚四氟乙烯簇随机分布在尼龙6 6 中，而硅油存在于二者的间隙中。 我们课题组也对e v a c 5 石油树脂、p p g - m a h 增容的p p p a 6 的相容性进行了 系统研究 2 0 , 2 1 。 红外显微成像技术还被用于研究聚异戊二烯橡胶的热氧化【2 2 2 3 1 。通过对4 8 小时内聚异戊二烯在1 4 0 热空气中氧化的红外显微图像分析，发现聚异戊二 烯的热氧化可以分为四个阶段：诱导期、快速氧化期、慢速氧化期、扩散禁止 期。还对添加了抗氧化剂6 - p p d ( n p h e n y l - n - d i m e t h y l - b u t y l - p - p h e n y l e n e d i a m i n e ) 后聚异戊二烯的热氧化行为进行了研究。 s o r b e r 等【2 4 】利用红外显微成像技术结合主成分分析方法研究了一种可作为 压阻p h 传感器的水凝胶的吸水性，通过采用a t r 模式成像，可以实时观测水 凝胶在吸水溶胀过程中的红外显微图像。通过对红外显微图像进行主成分分析 发现水凝胶的分子组成的变化与其输出的电信号一致，这表明红外显微成像技 术在研究化学传感器材料方面有很大的优势。h i l t 掣2 5 矧还利用红外显微成像 技术研究了水凝胶的光聚合过程。 k o e n i g 等( 2 7 】利用配备6 4 x 6 4 的f p a 阵列检测器的红外显微成像系统研究 了聚丁二烯邻苯二甲酸烯丙酯共混物的硫化行为。分别以c h 伸缩振动( 2 9 5 0 c l 1 ) 、c = o 伸缩振动( 1 7 3 0c l i i 。1 ) 及c o 变形振动( 1 2 8 0c m 。) 成像，通过 对硫化前和硫化2 4 小时后样品红外显微图像的比较，发现硫化后样品中出现了 很多大的颗粒，并对粒径大小分布进行了统计。 此外红外显微成像技术还被用于研究金属支撑的聚甲基丙烯酸甲酯的微结 构和液晶材料的形态研究【2 9 】。 第一章文献综述 1 2 5 2 生物医学领域 生物医学样品是红外显微成像技术的另一个重要的应用领域。k o e n i g 等 3 0 3 1 l 利用红外显微成像技术研究了尼古丁在乙醇水混合液中的扩散过程。他们 将混合物放入乙烯醋酸乙烯脂共聚物( e v a ) 制成的隔膜中，采用透射模式成 像以检测e v a 隔膜中各组分的空间和时问分布。红外图像中得到的浓度分布曲 线显示在扩散过程中发生了分离，该浓度分布曲线还用于计算溶液和尼古丁的 平均扩散系数。k a z a r i a n 掣3 2 】利用衰减全反射红外显微成像技术研究了聚合物 药物制剂在水中的溶解行为。通过采用a t r 模式，可以直接测定水溶液的红外 显微图像而不需上述透射模式时所需的e v a 隔膜。利用红外显微成像还可进行 药物的高通量筛选【3 3 - 3 6 1 和研究药物的释放3 7 , 3 8 1 。 m e n d e l s o h n 掣 】利用红外显微成像技术，分析了骨骼上羟基磷灰石形成的 量及其晶体成长尺寸，并由此研究了断骨愈合的机理。k a z a r i a n 等】研究了聚 乳酸生物玻璃复合材料在模拟人体液环境的p b s 缓冲溶液中的生物活性和降 解性质，这种复合材料可用于骨支架材料并且会在人体内降解为对人体无害的 乳酸而无需在骨组织愈合后取出。j i a n g 等【4 l 】利用二维相关谱( 2 d c o s ) 红外 显微成像技术表征了人膝盖软骨中胶原蛋白的浓度梯度曲线。通过利用红外显 微成像技术评估患关节炎的软骨中的胶原蛋白含量，可检测到关节炎病变早期 胶原蛋白和蛋白多糖的流失。 k r a f t 等【4 2 】利用红外显微成像技术结合聚类分析算法对人间质干细胞 ( m e s e n c h y m a ls t e mc e l l s ) 进行了研究。通过采用聚类分析算法，可以从红外 光谱中区分四种类型的细胞。g a z i 等【4 3 】利用红外显微成像技术研究了前列腺癌 细胞中的脂肪酸的新陈代谢过程。k a z a r i a n 等j 还用红外显微成像技术研究了 蛋白质的结晶，通过使用其自制的面a t r 晶体( m a c r oa t r ) ，可以实现对蛋白 质结晶过程的实施检测。 k a z a r i a n 等【4 5 】还将a t r 模式的红外显微成像技术用于抗疟疾药物的真伪识 别，通过对药品表面红外显微图像的分析得到药品中的赋形剂和活性成分区域 分布以达到鉴别药品的目的。 红外显微成像技术还被用于天然产物的鉴别。w e t z e l 等m 】用锑化铟( i n s b ) 焦平面阵列检测器采集小麦的横断面的红外显微图像，并使用偏最小二乘和主 成分分析方法对样品进行了分类识别。此外在大麦的优选【4 、农作物中蛋白质 的二级结构【4 8 】的分析、草料种子的低温耐寒性【4 9 】红外成像研究等方面也都有很 好的研究。d a v i s s o 则将红外成像具体用于了向日葵和玉米根部剖析的研究。因 天然产物难于超薄切片，而普通光源难以穿透较厚的样品，在这些研究中很多 都使用了穿透能力较强的同步辐射光源。 9 第一章文献综述 1 2 5 3 考古研究与艺术品鉴定 此外红外显微成像技术还可用于考古研究与艺术品鉴定。m a z z e o 等垆i j 利用 衰减全反射红外显微成像技术研究了尼泊尔一处建于1 5 世纪的寺庙中的柱子 上油漆的横断面，获取了油漆中含有的有机物以及这些有机物在油漆中的分布。 该工作还对其他艺术品进行了类似的研究，通过对这些细节的研究可以对艺术 品的真伪进行科学的鉴定。 红外成像可以用于对古代油画的成分分析1 5 2 , 5 3 】，将油画艺术品的横断面进 行红外成像，依据不同区域的特征官能团的分布，定性判断每层的油画颜料成 分。这一方法可以用于对于艺术品真迹和赝品的鉴别。 1 2 5 4 法医学 痕量物质的检测在食品、药品工业和法庭鉴定中有着广泛的应用。k a z a r i a l l 等彤j 探讨了配备f p a 阵列检测器的红外显微成像系统检测痕量物质的可行性。 利用分散在羟丙基甲基纤维素中的微量布洛芬作为测试样品，分别测试了使用 传统m c t 检测器和f p a 阵列检测器的红外显微成像系统的检测限。两种检测 器的检测限分别是布洛芬的质量百分比为0 3 5 和0 0 7 5 。此外，这项工作中 还示范了如何运用f p a 阵列检测器对手指上附着的微量布洛芬药品进行检测。 k a z a r i a n 等f 5 5 】还用b v d a 明胶提取犯罪现场指纹，通过红外成像深度剖析 了指纹信息，这对于刑侦的证据的快速采集与准确判断具有很大的帮助。 1 2 6 红外显微成像技术的局限性 尽管红外显微成像快速方便，但样品制备通常需要专门的制样设备，如冷 冻切片机等，切片通常费时费力，而且对切膜厚度有一定要求；另外实验过程 总需要进行聚焦等操作，这些使得红外显微成像技术对操作人员有较高的要求。 此外红外显微成像的空间分辨率也限制了其在纳米材料等方面的应用。 尽管有这些局限，但由于是基于化学官能团分布，红外显微成像能够最真 实的反映样品中组分的分布情况，因而在微区化学组成研究中具有很大潜力。 l o 第章义献综述 1 3 红外显微图像的数据处理方法 红外光谱含有物质组成的丰富信息，显微成像技术可以给出样品微观区域 直观的图像，红外显微成像技术将二者有机的结合起来，可以直观的反映样品 中一定区域内官能团的种类和含量分布，这是一种全新的分析测试方法。红外 显微成像技术的优势在于一张红外显微图像中包含了数百到数千张甚至更多的 红外光谱图，根据这些红外光谱图可以方便的对样品中各点的化学组成进行研 究，并进而研究各组分在微区的分布。但目前绝大多数红外显微图像的研究文 献还停留在对图像的直观分析或者进行一些简单的统计处理上，这使得其迄今 应用还不广泛。由于红外图像提供的信息量大，每幅图像包含宏量的谱图，如 何从这些谱图中得到需要的信息至关重要。 1 3 1 传统方法 红外显微图像中的红外光谱与普通红外光谱一样都可以进行基线校正、平 滑、差谱等操作。 对红外显微图像分析的传统方法主要是通过选择一种物质的某个特征吸收 峰，以其峰高或峰面积生成剖面图( p r o f i l e ) ，通过对剖面图的分析来获得体系 的组成和分布信息。k o e n i g 等【5 6 】以聚环氧乙烷( p o l y ( e t h y l e n eo x i d e ) ，p e o ) 的 溶解为例，介绍了红外显微图像的分析方法。 使用这种方法分析红外显微图像仅仅使用了图像中包含的红外光谱的一小 部分波数范围，大量的信息没用被利用，为了得到更多的信息，必须对所得数 据进行迸一步的处理，特别是采用化学计量学方法进行处理。 1 3 2 主成分分析方法 主成分分析( p r i n c i p a lc o m p o n e n ta n a l y s i s ，p c a ) 是一种较常用的化学计 量学方法，但将其应用于对红外显微图像的分析中还是近几年才出现的。 s o r b e r 等【刎在利用衰减全反射红外显微成像技术研究聚丙烯酸聚乙烯醇 ( m v a ) 水凝胶的溶胀性能的工作中使用了主成分分析方法。在这一工作 中，对主成分分析得到的成像区域内谱图变化影响最大的4 个主成分各自代表 第一章文献综述 的物理意义进行了分析。 l i n d b l a d 等【5 7 】利用红外显微成像技术研究了乙酸丁酸纤维素( c e l l u l o s e a c e t a t e b u t y r a t e c a b ) 在甲基乙基酮( m e k ) 、甲基异丁基酮( m i b k ) 和甲基 丙基酮( m p k ) 中的扩散行为。在这项研究中，主成分分析主要用于对纤维素 和溶剂的界面进行识别。在对获得的红外显微图像进行主成分分析后，选择一 系列点并计算其在主成分l 和主成分2 上的得分( s c o r e ) ，然后以主成分1 的得 分作为横坐标，主成分2 的得分作为纵坐标。在得到的图上，膨胀的纤维素、 未膨胀的纤维素以及位于二者界面的点依各自性质不同而分为三类，从而达到 识别两相界面的目的。b i r d 掣5 8 】利用类似的方法进行了对正常膀胱细胞与癌细 胞的自动识别的尝试。 1 3 3 其他方法 1 3 3 1 二维相关红外光谱 n o d a 首先提出二维红外相关光谱( t w o d i m e n s i o n a li n f r a r e dc o r r e l a t i o n s p e c t r o s c o p y ，简称：2 di r ) 的概念【5 9 1 ，即体系受到外部微扰( 最初为正弦波 形的低频扰动) 的激发，产生红外吸收光谱的动态变化，对随时间变化的红外 信号进行数学上的相关分析，产生二维红外相关光谱。随后，他又提出广义二 维红外相关光谱( g e n e r a l i z e dt w o - d i m e n s i o n a lc o r r e l a t i o ns p e c t r o s c o p y ) 的概 念【删，将微扰形式由最初的正弦波形低频扰动拓展到能导致光谱信号变化的任 何形式，如温度、浓度、压力、反应时间、磁场等。二维相关光谱可以用于分 峰，通过分析交叉峰可以判断哪种组分在样品中更接近表层【6 1 1 。 j i a n g 4 l 】将二维相关红外光谱应用于红外显微成像对人膝盖软骨中胶原蛋 白的分析中，由于胶原蛋白和蛋白多糖的吸收峰有很多重叠，常规的方法分析 困难，通过采用二维相关谱，可以提高光谱的分辨率并观察到传统方法观察不 到的物质的吸收。 1 3 3 2 导数红外光谱 红外光谱属于吸收光谱，符合朗伯比尔定律。对红外光谱求导即得到导数 红外光谱，导数红外光谱主要用于分峰。在红外光谱中重叠或位于强峰肩部的 弱峰在求导数后可以更清楚的观察到。g o u g h 等蚴在其研究阿尔茨海默病( 即 老年痴呆症) 的工作中，使用了导数红外光谱技术。 1 2 第一章文献综述 1 4 聚烯烃的紫外光氧化 以聚乙烯和聚丙烯为代表的聚烯烃具有无毒、柔韧、耐用等优点，是通用 塑料中用量最大的品种，大量地应用于航空、汽车、建筑、医疗、体育、生活 等众多领域，其中相当一部分用于室外，受同光照射( 主要是紫外光) 后很容 易发生光氧化，物理和化学性质都会有所改变，研究其光氧化机理、程度、速 率等对于提高材料利用率、保证安全、环境保护等都有非常重要的意义。对于 不希望被降解的材料如管道、建材，通过光氧化程度和速率的分析可以预测它 的使用时间，及时更换或修补从而减小事故的发生。研究光氧化机理能够找到 减缓其降解的方法，从根本上延长材料寿命；而食品包装、购物袋、农用地膜 等我们则希望通过研究加速它们的光氧化降解速率，减少对环境的污染。 自聚乙烯聚丙烯商业化以来，对其光氧化的机理已研究了几十年，但由于 光氧化体系的高度复杂性，聚合物光氧化过程中的一些反应机理仍不清楚，而 新的光氧化产物也不断被发现【6 引。 1 4 1 红外光谱法在聚烯烃光氧化研究中的应用 在众多研究聚烯烃光氧化的工作中，红外光谱是使用最多的研究方法。红 外光谱法对聚烯烃光氧化的研究主要是通过分析羰基在1 7 0 0 1 8 0 0e r a j( c = o 伸缩振动) 的吸收，因为这一吸收峰具有很高的吸光系数，从而具备较高的灵 敏度。 采用传统的透射方法所得到的光谱是聚合物中各个深度氧化的总和，无法 得到氧化深度和不同氧化深度下的氧化强度的信息，主要用于聚烯烃光氧化产 物的研究【6 4 舶1 。 衰减全反射红外光谱( a 1 r f t 瓜) 可对聚合物表面的光氧化情况进行研究， 通过改变红外光的入射角度和衰减全反射晶体，可研究表面不同深度的光氧化 情况一丌。但受到穿透深度的影响，衰减全反射红外光谱仅能对聚合物表面1 2 微米进行研究若要对更深层进行研究则需通过将聚合物按不同深度超薄切片、 溶解后涂在a t r 晶体上采集红外光谱【6 8 】。 2 # 1 - 光声光谱也被用于聚烯烃的光氧化研究6 9 m 】，但受到光进样深度的影 1 3 第一章文献综述 响，对聚烯烃光氧化的研究被限制在据表面几十微米，更深层的光氧化信息无 法得到。此外红外光声光谱较为复杂的理论和计算过程以及对实验环境的较高 要求也限制了其在聚烯烃光氧化研究中的应用。 通过使用红外显微镜7 3 。7 7 】，将红外光聚焦到微区，可以采集样品内部不同 位置的红外光谱，从而对聚合物内部不同深度的光氧化情况进行研究。 在利用红外光谱研究聚烯烃光氧化的过程中，经常使用羰基指数( c a r b o n y l i n d e x ，c i ) 表示氧化的程度 ( 7 = “t c = o ( 1 - 3 ) k a c 司为羰基峰( 1 7 1 5e r a d 左右) 的峰面积，而氏为在光氧化过程中不 发生明显变化的一个峰的峰面积。在研究不同的聚合物时，所选择的作为常数 的峰是不同的，例如研究聚丙烯是通常选择2 7 2 0e r a 1 处的小峰，这个峰是甲 基( 1 3 8 0t i l l 以) 的倍频峰；而在研究聚乙烯时，通常只能选择1 4 6 0e