包裝薄膜材料常使用傳統(tǒng)紅外光譜進行表征，但傳統(tǒng)FTIR通常只能測單紅外光譜，不具備樣品紅外光譜成像功能或成像空間分辨率受紅外波長限制，般分辨率為5-10 μm。在實際應用中，層狀材料越來越薄，這對常規(guī)FTIR技術的空間分辨率提出了很大的挑戰(zhàn)。

全新光學光熱紅外光譜技術

    光學光熱紅外光譜技術（O-PTIR）可在非接觸反射模式下對多層薄膜進行亞微米的紅外表征，同時探針激光器會產(chǎn)生拉曼散射，從而以相同的亞微米分辨率在樣品的同點同時捕獲紅外和拉曼圖像?；诠鈱W光熱紅外光譜技術的非接觸亞微米分辨紅外拉曼同步測量系統(tǒng)的工作原理是：光學光熱紅外光譜技術通過將中紅外脈沖可調激光器與可見探測光束結合在起，克服了紅外衍射限。將紅外激光調諧到激發(fā)樣品中分子振動的波長時，就會發(fā)生吸收并產(chǎn)生光熱效應。如圖1所示，可見光探針激光聚焦到0.5 μm的光斑尺寸，通過散射光測量光熱響應。紅外激光可以在秒鐘或更短的時間內掃過整個指紋區(qū)域，以獲得紅外光譜。

圖 1． 非接觸亞微米分辨紅外拉曼同步測量系統(tǒng) 紅外和拉曼光譜的光束路徑示意圖。 

紅外&拉曼同步測量

    傳統(tǒng)的透射紅外光譜通常不能用于測量厚樣品，因為光在完成透射樣品之前會被*吸收或散射，導致幾乎沒有光子能量到達檢測器。由于光學光熱紅外光譜技術是種非接觸式技術，因此非接觸亞微米分辨紅外拉曼同步測量系統(tǒng)可以對較厚的樣品進行紅外測量，很大地簡化了樣品制備過程，提升了易用性。在圖2中，作者使用非接觸亞微米分辨紅外拉曼同步測量系統(tǒng)針對嵌入環(huán)氧樹脂中的薄膜樣品橫截面進行了分析。

    圖2線陣列中各點之間的數(shù)據(jù)間隔為500 nm。 由于非接觸亞微米分辨紅外拉曼同步測量系統(tǒng)與傳統(tǒng)FTIR光譜具有好的相關性，因此可以使用現(xiàn)有的光譜數(shù)據(jù)庫搜索每個光譜。對紅外光譜的分析對照可以清楚地識別出不同的聚合物層，聚乙烯和聚丙烯，以及嵌入的環(huán)氧樹脂。

圖 2．上：薄膜橫截面的40倍光學照片；中：紅外光譜從標記區(qū)域收集；下：同時從標記區(qū)域收集拉曼光譜。

化學組分分布的可視化成像

    當生產(chǎn)層狀薄膜時，產(chǎn)品內部的化學分布是產(chǎn)品完整性的重要組成部分。非接觸亞微米分辨紅外拉曼同步測量系統(tǒng)*地實現(xiàn)了高分辨率單波長成像，以突出顯示樣品中定成分的化學分布。非接觸亞微米分辨紅外拉曼同步測量系統(tǒng)可以在每層的*吸收帶處采集圖像，以此實現(xiàn)顯示層的邊界和界面的觀察。圖3展示了多層膜截面的光學圖像。從線陣列數(shù)據(jù)可以看出，中間位置存在個寬度大約為2 μm的區(qū)域，該區(qū)域與周圍區(qū)域的光譜差異很大。紅色光譜顯示1462 cm^?1處C-H伸縮振動顯著增加。

圖3. 上：薄膜截面的40倍光學照片；下：標記表示間距為250 nm的11 µm線陣列。

    紅外單波長成像使我們能夠清晰地可視化層狀材料的厚度和材質分布，如圖4所示。從圖像中可以看出，非接觸亞微米分辨紅外拉曼同步測量系統(tǒng)紅外顯微鏡可以在非接觸狀態(tài)下進行反射模式運行，以高的空間分辨率提供單波長圖像。

圖4. 紅外單波長成像層狀材料的成分分布。

總結

    通過同時收集紅外和拉曼光譜，科學家發(fā)現(xiàn)非接觸亞微米分辨紅外拉曼同步測量系統(tǒng)可被廣泛用于分析各種多層膜。收集的光譜與傳統(tǒng)的FTIR光譜顯示出> 99%相關性，并且可以在現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫中進行搜索。此外，使用非接觸亞微米分辨紅外拉曼同步測量系統(tǒng)進行單波長成像可實現(xiàn)亞微米分辨率樣品中組分的可視化。通過該技術，我們可以更好地了解薄膜材料的整體構成。總體而言，非接觸亞微米分辨紅外拉曼同步測量系統(tǒng)*提供了可靠且可視化的亞微米紅外光譜，目前它已在高分子、生命科學、臨床醫(yī)學、化工藥品、微電子器件、農(nóng)業(yè)與食品、環(huán)境、物證分析等域得到廣泛應用并取得了良好的效果，顯示出了廣闊的應用前景。