拉曼表征

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 activity of 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干扰.2.3数据处理2.3.1高分子样品拉曼谱的初判在取得拉曼光谱后，首先需要对谱图的构成进行判断，因为其中可能同时包含样品以及非样品的拉曼信号. 如果可以排除样品不纯净的可能，那么非样品的拉曼信号可能来自于宇宙射线、自然光或照明光等所产生的干扰，另外如果样品透光性好，激光可能透过样品打到基底上，也可能产生部分非样品信号.宇宙射线所产生的特征峰强度高且十分尖锐，并且可能在任意波数出现. 而如果在测试时对照明光抑或显示器背光的屏蔽不彻底，则也会出现一些尖锐的谱峰，这些谱峰的位置与光的类型有关. 但同宇宙射线不同的是，这些峰不是随机出现，而是会在相同的位置重复出现.对于结晶性高分子样品来说，由于内部存在大量的晶格缺陷及非晶组分，通常即使是结晶特征峰也不会是非常尖锐的峰，这种情况类似于红外测试的结果. 一般来说，对于同一振动模式，相较于非晶峰，结晶峰的峰强较强，峰宽较窄. 对于未知的结晶性高分子样品，可以通过分别测试结晶与熔融状态下的样品来确定结晶与非晶的特征峰. 确定特征峰是进一步测试分析的基础.由于我们常规使用的拉曼散射的波束范围恰好与中红外测试波段相似(400~4000 cm-1)，并且两者均为分子的基团振动光谱，所以兼具红外与拉曼活性的同一分子基团振动在两谱图中的频率相似，两者可以互为参考. 而在低波数范围(400 cm-1)，也就是远红外区间(一般反应分子链主链的振动)，由于空气中的水气对测试有极大的干扰，所以远红外测试需要对样品仓抽真空，这也极大地限制了远红外光谱的应用，因此在实际测试中远红外与中红外区不能同时测试. 而拉曼的测试范围可以直接覆盖远红外及中红外波束段，并且测试过程中无需进行硬件切换，这也为高分子的研究提供了极大的便利.2.3.2谱线的平滑与拟合在一些情况下，由于样品或仪器的原因，即使已经选择了最优的测试条件，所得的光谱仍可能存在信号起伏大，信噪低的情况. 此时为了便于数据分析，可以对光谱进行平滑或拟合处理. 但是由于平滑后光谱会发生微小的变化，例如肩峰可能会因此消失，所以在对样品光谱没有十足把握的情况下，进行平滑处理时要十分谨慎. 一般如果噪声水平在中整条光谱中都比较均一，可以对光谱进行平滑处理，在平滑时，尽量选用最少的数据点个数为平滑单位，不能以牺牲数据准确来换取谱线的平滑美观. 在其他情况下，例如存在非拉曼信号，则不能使用平滑处理来消除，而应改变测试条件来避免非拉曼信号的产生.当谱图中有2个或多个峰重叠时，为了便于分析数据，需要进行分峰拟合(通常使用高斯加洛伦兹函数拟合)，要注意虽然拟合的目标是尽量还原原始光谱，但不能为了达到这个目标而任意增加分峰的个数而忽略了每个峰的物理意义，这样便失去了分峰的价值.总之，不论何时原始数据都是最重要的，任何数据处理方法都需要在遵从原始数据的基础上进行.3拉曼光谱应用举例2010年至今，拉曼光谱在高分子多层级结构解析中的应用主要涉及6个方面，分别是：分子链构象研究、分子聚集态研究、结晶度计算、分子链取向研究、外场作用下的结构转变研究、化学/物理组成研究. 应用到的拉曼光谱种类主要为：共振拉曼光谱(resonance Raman spectro-scopy)、扫描角度拉曼光谱(scanning angle Raman spectroscopy)、高分辨拉曼成像(high-resolution Raman imaging)、偏振拉曼光谱(polarized Raman spectroscopy)及表面增强拉曼光谱(surface-enhanced Raman scattering, SERS).3.1分子链构象研究Gao等[13]利用共振拉曼光谱识别了聚(2,5-双(3-十四烷基噻吩-2-基)噻吩[3,2-b]噻吩)(PBTTT)与电子受体[6,6]-苯基C61丁酸甲酯(PCBM)共混的体异质结太阳能电池中PBTTT的有序和无序构象. 作者提出PBTTT噻吩环C＝C对称伸缩振动(νs(C＝C))包括主链有序构象和无序构象2个组分的贡献：如图5所示，有序构象的特征峰位置在1489 cm-1，半峰宽约为15 cm-1；无序构象的特征峰位置在1500 cm-1，半峰宽约为25 cm-1. PBTTT不同构象的相对含量随PCBM含量、退火温度与拉曼激发能的改变而变化. 共振拉曼图像进一步证实有序的PBTTT链集中在富含PCBM的双分子晶体中. Martin 等[14]同样借助共振拉曼光谱结合光电流成像技术，考察了高分子-富勒烯共混物中依赖于构象变化的电荷沿主链的传输特性. 实验及理论计算的结果均证实当共轭高分子的主链呈现平面构象时，电荷传输率最高. 体系形貌表征的结果表明当高分子与富勒烯达到良好共混状态时，高分子主链构象更易于平面化.Fig. 5Simulated Raman spectra (a) of the BTTT-C2 monomer and structures (b) (Reprinted with permission from Ref.‍[13] Copyright (2014) American Chemical Society).原位共振拉曼表征被成功地应用于研究ps尺度上聚(3-己基噻吩)(P3HT)分子链在氯苯中的构象松弛过程[15]. 如图6(a)所示，基于激发态拉曼特征的时间依赖性及与其他高分子的拉曼光谱进行对比，作者归属了构象松弛过程中不同结构的拉曼特征峰. 通过绘制拉曼特征峰的强度变化对时间的关系曲线(见图6(b))，揭示了松弛过程中主链共轭长度的变化，据此提出了P3HT分子链在氯苯中的构象松弛动力学机理.Fig. 6(a) Valence-bond structures of the quinoidal excited state of P3HT and the time-resolved resonant-Raman spectra of P3HT in chlorobenzene photoexcited at 510 nm. (b,c) Time dependence of Raman band intensities in figure (a). Integrated intensities (b),black lines correspond to biexponential fits with constrained lifetimes of (9±1) and (220±20) ps. Relative change in feature intensities attributed to torsion-induced exciton conformational relaxation (c). (Reprinted with permission from Ref.[15] Copyright (2012) American Chemical Society).3.2分子聚集态研究Gao等[16]在对P3HT/PCBM共混薄膜分子聚集态的研究中区分了不同聚集态对P3HT主链C＝C伸缩振动νs(C＝C)的贡献. 对样品光谱的拟合结果(如图7(a)所示)表明，共混膜的(νs(C＝C))峰来自于聚集分子链与非聚集分子链的双重贡献，前者的特征拉曼频率约为1450 cm-1，后者约为1470 cm-1. 聚集态与非聚集态峰强度的相对比值R(R = IC=Cagg/IC=Cun)在样品退火后增加(如图7(b)所示)，R值与不同聚集态的相对密度相关. 如图7(c)所示，作者进一步应用共振拉曼成像来考察R值变化对共混形貌的依赖关系，通过R值对比，对退火的共混薄膜中4种聚集程度不同的P3HT分子链进行了识别与成像分析. 在此工作基础上，作者通过分析拉曼特征峰的强度变化，考察了P3HT聚集态对共混物体系中局部光电流产生效率[17]、激发态结构变化及初期振动动力学[18]的影响. 共振拉曼结合成像技术分析也被成功地应用于其他共轭聚合物结构与性能的对应关系研究中[19].Fig. 7(a, b) Raman spectra of as-cast (a, red) and annealed (b, blue) blend films excited with 488 nm light show theνs(C=C) band of P3HT represented by the shaded regions of the complete spectra shown as insets. The band is fitted with two Lorentzian functions (dashed traces), showing the relative contributions of both aggregated (IC=Cagg) and unaggregated (IC=Cun) components. (c1 and c2)IC=CaggandIC=Cuncenter frequency dispersion images for P3HT/PCBM as-cast films,and (c3) histograms of frequency components. (c4 and c5)IC=Cagg and IC=Cuncenter frequency images for P3HT/PCBM annealed films,and (c6) histograms of frequency components (Reprinted with permission from Ref.[16] Copyright (2012) American Chemical Society).拉曼光谱结合高空间分辨成像技术可用于高分子多晶型结构，例如针对聚己二酸丁烯酯(PBA)的环带球晶研究[20]. 在此工作中作者首先识别了2种晶型(α晶与β晶)及非晶结构的拉曼特征峰，选择能够反映不同聚集态相对含量的特征峰(C-peak)，在此基础上通过拉曼成像考察了球晶内部多晶型晶体的分布及分子链取向. 通过对比球晶的偏光照片(图8(a))与拉曼成像照片(图8(b))可知，2种晶型的晶体在球晶中心、环带区域及外层非环带区域呈现非均匀分布，二者能够在相同的温度区间(31~33 ℃)成核和生长，然而环带区域α晶的相对含量会随结晶温度而提高. 2种晶型的拉曼成像数据结合Hermans取向函数分析(见图8(c))结果证实，环带区域的分子链沿球晶半径方向和基底平面取向，且沿环带球晶径向方向的取向呈周期性变化.Fig. 8(a) Optical micrographs of PBA31-33. (b) Raman imaging of C-peak position for the same area in (a). (c) Hermans orientation function image calculated by using the C-peak area of PBA32 measured with polarization parallel (0°) and perpendicular (90°‍) to the horizontal direction (Reprinted with permission from Ref.‍[20] Copyright (2017) American Chemical Society).拉曼成像技术作为一种强有力的表征手段，可以精确表征(分辨率最高可达0.1 μm)单片层石墨烯或氧化石墨烯在片层不同区域的氧化结构. Zhang等[21]通过拉曼成像技术对具有不同氧化结构的单片层氧化石墨烯进行了表征，通过D/G峰的比值差异分析了单片层在不同区域的氧化程度. 如图9所示，JGO纳米片与GO差异显著，后者呈现出统一的颜色(图9(a)和9(b)). 此外，从图9(c)和9(d)可以看出，在蓝色区域(低氧化区域)，JGO的ID/IG比值较低(~0.72)，而在红色区域(高氧化区域)，ID/IG比值较高(~1.07)，与GO的ID/IG比值存在显著差异(整个区域的ID/IG比值为~1.02). Badi等[22]同样借助拉曼成像技术，通过D峰与G峰的光谱解析，考察了石墨烯纳米片在聚苯胺(PANI)中的分散情况.Fig. 9(a-d) Raman mapping of a GO sheet (a) and JGO (c) using theID/IG ratio from the corresponding Raman spectra (b, d) (Reproduced with permission from Ref.[ 21] Copyright (2020) Elsevier).3.3结晶度计算包括拉曼光谱在内的波谱技术经常被用于计算高分子晶体的结晶度. Mannanov等[23]利用原位拉曼光谱直接表征了应用于太阳能电池的P3HT:‍富勒烯基受体活性层中、P3HT在50~150 ℃温区的结晶动力学，并考察了溶剂、富勒烯基受体种类与结晶温度对P3HT结晶度的影响[14]. 结晶度的计算在选择合适的结晶特征峰与非晶特征峰基础上，结合光谱分峰/拟合处理及选择合适的结晶模型实现. 例如：Agarwal等[24]利用2种光谱分析方法计算了纤维素I晶体的结晶度，一种方法称为“单变量方法(univariate method)”，借助结晶峰/非晶峰强度的比值计算；另一种方法称为“多变量方法(multivariate method)”，应用偏最小二乘回归模型(partial least squares regression model)计算. 通过与已知结晶度的参比样品对比证实，2种方法在评价结晶度处于0%~80.5%范围内的纤维素样品时结果可靠，且由单变量方法得到的结晶度数值比由WAXS表征得到的更理想. Wang等[25]应用针尖增强拉曼光谱技术结合随机生长结晶模型，估算了合成的二维聚合物单层的结晶度，据此揭示了二维聚合物单层生长的交联本质[26].3.4分子链取向由于激光本身具有偏振性，如果使用偏光片对入射激光以及散射光的偏振方向进行调制，则可以获得高分子链中分子基团的取向信息，进而解析高分子链的取向结构，这种方法称为偏振拉曼[26~28]. 例如Richard-Lacroix等[26]使用偏振拉曼手段对使用不同收丝方法所得的静电纺聚氧化乙烯(PEO)单根纤维中PEO分子链的取向情况进行了研究. 测试过程中对于每一根纤维均需测试4组不同偏振角度的入射光与散射光的组合拉曼光谱，例如假设平行纤维轴方向为Z轴，垂直于纤维轴方向为X轴(Y轴暂不考虑)，那么4组拉曼光谱分别为(X(入射光偏振方向)X(散射光偏振方向))、(XZ)、(ZX)与(ZZ). 不同的偏振组合所得的拉曼光谱中峰的强度有较大差别，说明分子链有取向存在，利用这些数据再通过进一步的计算便可以得出分子链的取向分布方程(orientation distribution function). Richard-Lacroix等的研究结果表明，单根纤维中的分子链总具有较高的取向并且与收丝方法无关.近年来，新的偏振拉曼数据分析手段也在不断地涌现，例如Richard-Lacroix等[28]提出了最可几分布(most probable distribution, MPD)方法，用以更加精确地定量分析分子链取向. Papkov等[29]利用一种改进的偏振拉曼分析方法，对直径分布在140~1000 nm范围的单根聚丙烯腈电纺纳米纤维的分子链取向进行了定量研究. Svenningsson等[30]基于包绕洛伦兹函数(wrapped Lorentzian function)，开发了一种新的偏振拉曼光谱分析方法，并应用于确定再生纤维素纤维的分子取向研究. 这种方法的优势在于消除了偏振拉曼测试时对偏振角度的限制，所得结果能够与广角X-射线衍射与固体核磁的数据直接比较. 测量散射光偏振度随偏光片旋转角度的变化可以提供取向分布函数形状的半定性信息，Park等[31]据此分析了聚乳酸(PLLA)薄膜内部特征振动散射强度的角度依赖性，对结构单元的取向性进行了量化.3.5外场作用下的结构转变研究借助原位拉曼表征技术，能够对诸如温度变化[32~34]、时间改变[35]、拉伸过程[36,37]等的高分子结构演变进行追踪. Jin等[32]利用变温拉曼考察了高密度聚乙烯(HDPE)多重熔融行为中的构象变化. 作者对与熔融相关的变温拉曼光谱进行了如图10(a, b)所示的二维相干光谱分析(least squares moving-window method, LSMW)，通过整个熔融过程中构象变化的相似性结合与“熔融-再结晶”、“中间相预熔融”及“多层片晶熔融”模型的比对，提出了如图10(c)所示的HDPE熔融时晶相直接转变为非晶相的机理. Kasiouli等[33]研究了β-环糊精包封的聚(4,4' -二苯基乙烯基) (PDV.Li)构象随温度的变化. 特征拉曼振动的强度变化证实，包封前后PDV.Li的主链平面性没有变化. 更高温度下主链构象的改变归因于由热诱导聚集引发的相邻苯环之间的扭转角度降低.Fig. 10(a,b) Least squares moving-window (LSMW) analysis of the HDPE Raman spectra with the window size of 11 spectra (ΔT = 1 °C). (a) A contour map of the first order derivative (d I/dT) as a function of Tave of a moving window. (b) The dI/dT of six Raman peaks are plotted after numerically integrated over frequency ranges to cover the Raman peaks: 1415-1425, 1115-1136, and 1299-1325 cm -1. (c) The schematic of the multithickness lamellae model. (Reprinted with permission from Ref.[32] Copyright (2017) American Chemical Society).基于拉曼光谱的多技术联用能够实现拉伸过程中高分子结构变化的表征与分析. Lόpez-Barrόn等[36]利用原位偏振拉曼技术，考察了线性低密度聚乙烯(LLDPE)拉伸过程中的单链构象及分子链取向变化. 结果表明，反式构象随拉伸程度的增加呈线性增加，分子链的伸展分为3个阶段，即弹性伸展阶段、塑性伸展阶段与应变硬化阶段. 取向因子受分子量影响，低分子量部分取向因子小. Kida等[37]利用原位偏振拉曼光谱与原位拉伸测试联用，考察了分子量分布对单轴拉伸过程中高密度聚乙烯形貌及变形行为的影响. 结果表明，连接片晶的带分子(tie molecules)数量随分子量分布的增大而增加，而晶体结构不受分子量分布影响. 晶区分子链沿拉伸方向的取向程度及连续的反式构象链的形成均在高分子量分布的样品中得到提高.3.6化学/物理组成研究表面增强拉曼光谱是一种能够在高分子共混结构的组分研究中提供潜在选择性与垂直分辨的强大技术. Razzell-Hollis等[38]借助此光谱探索了P3HT:聚((9,9-二辛基芴)-2,7-二基-alt-[4,7-双(3-己基噻吩-5-基)-2,1,3-苯并噻唑]-2' ,2"-二基)(F8TBT)共混薄膜的界面组成与分子有序性. 作者首先分别表征了P3HT与F8TBT的光谱，识别了由于样品退火引起的、与本体/界面形貌相关的光谱变化. 随后为了确定共混薄膜的化学组成，表征了不同共混样品的光谱并对光谱进行了分峰处理，获得了代表P3HT含量的强度值α与代表F8TBT含量的强度值β，结果见图11. 光谱分析的结果表明热退火改变了共混体系的界面组成：预退火增加了低表面能P3HT的含量，而后退火增加了高表面能F8TBT的含量. 此外，表面增强拉曼光谱还成功地应用于对纳米厚度尺度上高分子薄膜表面与底面的化学组分识别[39].Fig. 11Raman (a) and SERS (b) spectra for an as-cast sample of quartz (quartz) Q/Ag/P3HT:F8TBT, fitted using RR-P3HT (as ordered fraction), RRa-P3HT (as disordered fraction) and F8TBT spectra to obtain relative contributions of P3HT (α) and F8TBT (β). Normalized Raman (c) and SERS (d) spectra for P3HT:F8TBT blends in five different sample configurations, with variation in the relative intensity of the F8TBT peak at 1356 cm-1 shown in each inset (Reprinted with permission from Ref.‍[38] Copyright (2016) American Chemical Society).共聚焦显微拉曼技术近几年被广泛地应用于高分子多组分体系的化学/物理组成研究. 化学组分识别的相关研究涉及药物输送体系中聚乳酸-羟基乙酸共聚物[40]、聚己内酯和聚环氧乙烷的复合电纺纤维[41]、聚二甲基丙烯酰胺-甲基丙烯酸二苯甲酮共聚物[42]等. 物理组分识别方面，Hu等[43]研究了左旋聚乳酸/右旋聚乳酸(PLLA/PDLA)共混物球晶的等温结晶行为. 在如图12(a)和12(b)所示的800~600 cm-1波数范围内分别选择736与754 cm-1峰作为均晶与立构复合晶的特征峰，通过对球晶内部与外部两峰强度的成像分析(见图12(c)和12(d)，证实大球晶内部包含均晶与立构复合晶2种晶体，立构复合晶均匀地分散在非晶区与球晶区域.Fig. 12Peak fitting results in the 800-600 cm-1 region at the single point at the position of 1# and 2# (a) and the peak fitting spectra of PLA with different crystal forms (b) Imaging result with imaging parameter: band intensity at 754 cm -1 (c) band intensity at 736 cm -1 (d) (Reproduced with permission from Ref.[ 43] Copyright (2019) Elsevier).其他成像方式如共振拉曼光电流成像(resonance Raman-photocurrent imaging, RRPI)[44,45]、飞秒激发拉曼成像(femtosecond stimulated Raman microscopy, FSRM)[46]、针尖增强拉曼成像(tip-enhanced Raman mapping, TERM)[47]、宽带相干反斯托克斯拉曼散射(broadband coherent anti-stokes Raman scattering, CARS)显微镜[48]、反转显微拉曼光谱(inverse micro-Raman spectroscopy, IMRS)[49]、等离子体波导共振拉曼光谱(plasmon waveguide resonance Raman spectroscopy, PWRRS)[50]等也应用于高分子化学组成分析.扫描角度拉曼光谱适用于分子有序程度的研究，能够同时获取增强的拉曼信号、薄膜厚度及分子有序程度的信息，此外结合均方电场计算(MSEF)可以确定聚合物薄膜中是否产生拉曼散射[51,52]. Meyer等[51]利用此光谱(示意图见图13(a))研究了P3HT:PCBM共混物在蓝宝石、金和铟锡氧化物界面处的形貌，考察了P3HT结构有序程度对基底的依赖性. 选择性激光入射角度下薄膜在蓝宝石基底上的拉曼光谱如图13(a)所示. 扫描角度从35°增加到60°，P3HT膜的拉曼强度呈现下降趋势，而当扫描角度进一步增加时拉曼强度提高. 与之不同，共混薄膜的拉曼强度随扫描角度的增加而持续下降. MSEF计算(见图13(b))揭示了拉曼信号在z方向上的距离依赖性，用于拉曼光谱的辅助解析，预期的拉曼信号与整个聚合物厚度上的积分MSEF成正比，这与实验的拉曼光谱一致. 此外，研究表明噻吩环C＝C伸缩振动峰的宽度对P3HT的分子有序程度敏感，据此作者考察了分子有序程度对基底的依赖性.Fig. 13(a) Schematic of the SA Raman interface used to collect the data shown in B and C (A). SA Raman spectra at the indicated incident angles for (B) P3HT and (C) 1:1 P3HT:PCBM deposited on a sapphire substrate. (b) Calculated MSEF as a function of distance and incident angle for the interface: 0-1000 nm sapphire/1000-1230 nm P3HT:PCBM/1230-6000 nm air (A), 0-1000 nm sapphire/1000 to 1300 nm P3HT/1300 to 6000 nm air (B). The MSEF in the sapphire layer (0-1000 nm) and the majority of the air layer (greater than 1500 nm) are omitted for clarity. The calculated plots show the expected distance dependence of the experimental Raman signal in theZ direction. (Reprinted with permission from Ref.[ 51] Copyright (2013) American Chemical Society).4拉曼光谱应用展望激光拉曼光谱虽与红外光谱同属于分子振动光谱，但其拥有诸多红外光谱不可比拟的优势，例如高的空间分辨率、高解析度、测试范围横跨远红外与近红外光谱波段并且可以直接对水体系进行测试等. 如今伴随着新型高分子材料的不断涌现与应用，诸如高分子水凝胶，高分子纳米或多层复合材料等，以及表面增强拉曼，针尖增强拉曼以及共聚焦拉曼成像等新技术的接连出现，必将会使拉曼光谱在高分子材料的研究领域中迸发出强大的活力.然而与此同时，仍有一些问题限制了拉曼光谱的应用，例如在拉曼成像中，样品表面的高空间分辨率可以实现，但是垂直于入射激光深度方向上的空间分辨率则不佳，虽有研究使用金属粒子包埋在高分子样品中，再借助表面增强拉曼技术以实现高深度方向分辨率，但是这种方法的普适性稍显不足. 另外，如今拉曼成像技术一般仍为逐点扫描(mapping)模式，而红外成像则已多采用阵列扫描(imaging)模式，这就意味着拉曼成像需要较长的时间，从而很难使用拉曼成像进行过程研究，这也严重影响了拉曼成像的应用. 现今高分子的研究中多设备同步协同测试是一个趋势，例如X射线散射、拉曼及红外光谱同步在线测试，这也对拉曼设备的小型化以及快速响应提出了更高的要求. 相信通过拉曼设备以及技术的不断升级，这些问题都会迎刃而解，彼时拉曼光谱技术将会在高分研究领域占有更加举足轻重的地位.参考文献1Zhang Shulin(张树霖).Raman Spectroscopy with Low Dimensional Nanometer Semiconductors(拉曼光谱学与低维纳米半导体).Beijing(北京):Science Press(科学出版社),2008.3-352Koenig 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,2008.7-616McCreery R L.Raman Spectroscopy for Chemical Analysis.New Jersey:John Wiley & Sons,2000.15-30.doi:10.1002/04717216467Colthup N B,Daly L H,Wiberley S E.J Am Chem Soc,1965,87(5):1155-11568Wilson E B,Decius J C,Cross P C,Sundheim B R.J Electrochem Soc,1955,102(9):235C.doi:10.1149/1.24301349Tadokoro H.Structure of Crystalline Polymers.New Jersey:John Wiley & Sons,1979.179-322.doi:10.1002/macp.1979.02002197911010Larkin P.Infrared and Raman Spectroscopy.Netherlands:Elsevier,2011.7-25.doi:10.1016/b978-0-12-386984-5.10002-311Dieing T,Hollricher O,Toporski J.Confocal Raman Microscopy.Berlin:Springer,201112Gautam R,Samuel A,Sil S,Chaturvedi D,Dutta A,Ariese F,Umapathy S.Curr Sci,2015:341-356.doi:10.1140/epjti/s40485-015-0018-613Gao J,Thomas A K,Johnson R,Guo H,Grey J K.Chem Mater,2014,26(15):4395-4404.doi:10.1021/cm501252y14Martin E,Bérubé N,Provencher F,Côté M,Silva C,Doorn S,Grey J.J Mater Chem C,2015,3(23):6058-6066.doi:10.1039/c5tc00847f15Yu W,Zhou J,Bragg A E.J Phys Chem Lett,2012,3(10):1321-1328.doi:10.1021/jz300329816Gao Y,Grey J K.J Am Chem Soc,2009,131(28):9654-9662.doi:10.1021/ja900636z17Gao Y,Martin T P,Thomas A K,Grey J K.J Phys Chem Lett,2010,1(1):178-182.doi:10.1021/jz900038c18Gao J,Grey J K.J Chem Phys,2013,139(4):490319Gao J,Thomas A,Yang J,Aldaz C,Yang G,Qin Y,Grey J.J Phys Chem C,2015,119(16):8980-8990.doi:10.1021/acs.jpcc.5b0216620Wang M,Vantasin S,Wang J,Sato H,Zhang J,Ozaki Y.Macromolecules,2017,50(8):3377-3387.doi:10.1021/acs.macromol.7b0013921Zhang Z , Qin J , Diao H , Huang S,Yin J,Zhang H,Duan Y,Zhang J.Carbon,2020,161:316-322.doi:10.1016/j.carbon.2020.01.07822Badi N,Khasim S,Roy A S.J Mater Sci Mater Electron,2016,27(6):6249-6257.doi:10.1007/s10854-016-4556-823Mannanov A A,Bruevich V V,Feldman E V,Trukhanov V A,Pshenichnikov M S,Paraschuk D Y.J Phys Chem C,2018,122(34):19289-19297.doi:10.1021/acs.jpcc.8b0313624Agarwal U P,Reiner R S,Ralph S A.Cellulose,2010,17(4):721-733.doi:10.1007/s10570-010-9420-z25Wang W,Shao F,Kroger M,Zenobi R,Schluter A D.J Am Chem Soc,2019,141(25):9867-9871.doi:10.1021/jacs.9b0176526Richard-Lacroix M,Pellerin C.Vib Spectrosc,2017,91:92-98.doi:10.1016/j.vibspec.2016.09.00227Richard-Lacroix M,Pellerin C.Macromolecules,2012,45(4):1946-1953.doi:10.1021/ma202749d28Richard-Lacroix M,Pellerin C.Macromolecules,2013,46(14):5561-5569.doi:10.1021/ma400955u29Papkov D,Pellerin C,Dzenis Y A.Macromolecules,2018,51(21):8746-8751.doi:10.1021/acs.macromol.8b0186930Svenningsson L,Lin Y C,Karlsson M,Martinelli A,Nordstierna L.Macromolecules,2019,52(10):3918-3924.doi:10.1021/acs.macromol.9b0052031Park M,Wong Y S,Park J,Venkatraman S,Srinivasarao M.Macromolecules,2011,44(7):2120-2131.doi:10.1021/ma101553v32Jin Y,Kotula A P,Snyder C R,Hight Walker A R,Migler K B,Lee Y J.Macromolecules,2017,50(16):6174-6183.doi:10.1021/acs.macromol.7b0105533Kasiouli S,Di Stasio F,McDonnell S O,Constantinides C P,Anderson H L,Cacialli F,Hayes S C.J Phys Chem B,2013,117(18):5737-5747.doi:10.1021/jp400732h34Winfield J M,Donley C L,Friend R H,Kim J S.J Appl Phys,2010,107(2):1073.doi:10.1063/1.327625735Magnanelli T J,Bragg A E.J Phys Chem Lett,2015,6(3):438-445.doi:10.1021/jz502605j36López-Barrón C R,Zeng Y,Schaefer J J,Eberle A P R,Lodge T P,Bates F S.Macromolecules,2017,50(9):3627-3636.doi:10.1021/acs.macromol.7b0050437Kida T,Hiejima Y,Nitta K.Macromolecules,2019,52(12):4590-4600.doi:10.1021/acs.macromol.8b0274038Razzell-Hollis J,Thiburce Q,Tsoi W C,Kim J S.ACS Appl Mater Interfaces,2016,8(45):31469-31481.doi:10.1021/acsami.6b1212439Linde S,Carella A,Shikler R.Macromolecules,2012,45(3):1476-1482.doi:10.1021/ma201867e40McManamon C,Delaney P,Kavanagh C,Wang J J,Rasappa S,Morris M A.Langmuir,2013,29(19):5905-5910.doi:10.1021/la400402a41Kotzianova A,Rebicek J,Mojzes P,Pokorny M,Palacky J,Hrbac J.PolymerVelebny V,2014,55(20):5036-5042.doi:10.1016/j.polymer.2014.08.03242Janko M,Jocher M,Boehm A,Babel L,Bump S,Biesalski M,Meckel T,Stark R W.Biomacromolecules,2015,16(7):2179-2187.doi:10.1021/acs.biomac.5b0056543Hu J,Wang J,Wang M,Ozaki Y,Sato H,Zhang J.Polymer,2019,172:1-6.doi:10.1016/j.polymer.2019.03.04944Gao Y,Martin T P,Thomas A K,Grey J K.J Phys Chem Lett,2010,1(1):178-182.doi:10.1021/jz900038c45Grey J K.Acc Chem Res,2019,52(8):2221-2231.doi:10.1021/acs.accounts.9b0008846Nixdorf J,Di Florio G,Bröckers L,Borbeck C,Hermes H E,Egelhaaf S U,Gilch P.Macromolecules,2019,52(13):4997-5005.doi:10.1021/acs.macromol.9b0020547Xue L,Li W,Hoffmann G G,Goossens J G P,Loos J,de With G.Macromolecules,2011,44(8):2852-2858.doi:10.1021/ma101651r48Lee Y J,Snyder C R,Forster A M,Cicerone M T,Wu W L.ACS Macro Lett,2012,1(11):1347-1351.doi:10.1021/mz300546e49Raupp S M,Siebel D K,Kitz P G,Scharfer P,Schabel W.Macromolecules,2017,50(17):6819-6828.doi:10.1021/acs.macromol.7b0103750Meyer M,McKee K,Nguyen V H T,Smith E.J Phys Chem C,2012,116(47):24987-24992.doi:10.1021/jp308882w51Meyer M W,Larson K L,Mahadevapuram R C,Lesoine M D,Carr J A,Chaudhary S,Smith E A.ACS Appl Mater Interfaces,2013,5(17):8686-8693.doi:10.1021/am402322552James D T,Kjellander B K C,Smaal W T T,Gelinck G H,Combe C,McCulloch I,Wilson R,Burroughes J H,Bradley D D C,Kim J.ACS Nano,2011,5(12):9824-9835.doi:10.1021/nn203397m原文链接：http://www.gfzxb.org/thesisDetails#10.11777/j.issn1000-3304.2020.20251&lang=zh《高分子学报》高分子表征技术专题链接：http://www.gfzxb.org/article/doi/10.11777/j.issn1000-3304DOI：10.11777/j.issn1000-3304.2020.20251

石墨烯旗舰标准化委员会率先创建了两项关于石墨烯表征的新国际电工委员会（IEC）标准，这是加速技术转让的基础。新规范将促进石墨烯和层状材料在欧洲主要工业领域的采用。石墨烯旗舰的最终目标是将石墨烯产品商业化，引领欧洲的材料创新。现在，国际电工委员会(IEC)批准了两项技术规范，将促进技术转让，通过最先进的测量技术对石墨烯样品进行更好的质量控制。这些新建议由石墨烯旗舰标准化委员会和法国、德国和英国的石墨烯旗舰专家率先提出。石墨烯表征的标准化方法将形成工业中强大的价值网络。IEC是一个全球性的标准化组织，在电气和电子行业备受推崇。他们的决定和建议反映了国际共识——石墨烯的新技术规范展示了人们对这种材料日益增长的兴趣。通过不同认可的实验室技术，IEC正在推广更好的解决方案来表征石墨烯和层状材料，以确保在质量、功能和性能方面具有出色的可靠性。新的IEC规范之一侧重于拉曼光谱，这是表征石墨烯和其他碳基材料最广泛使用的技术之一。石墨烯在拉曼光谱中产生非常特征的峰——就像材料的独特指纹。这些实验提供了有关石墨烯样品的有价值信息，包括层数、材料的缺陷和“掺杂”剂的浓度，这些信息通常用于定制这种二维物质的特性。确定这些参数以评估材料的质量及其对不同应用的适用性非常重要。该提案由英国剑桥石墨烯中心的石墨烯旗舰专家起草，描述了单层石墨烯中缺陷密度的评估，它直接影响导电性等特性。现在在法国圣路易学院工作的Anna Ott领导了该项目并将其付诸出版。IEC批准的第二个技术规范侧重于使用涡流法表征石墨烯和相关材料。该技术使用电磁场来非接触式和高吞吐量地评估材料的电阻。石墨烯层中的小电流有助于测量感应效应并计算电阻。这种方法的优点之一是它适用于大面积的石墨烯，即使沉积在非导电基板上，从而能够在工业环境中进行质量控制。当前的IEC标准适用于最大5平方厘米的表面；很快将采用其他策略来促进更大的基于石墨烯的设备（如晶圆）的表征。该标准由德国Graphene Flagship Associated Member SUGARUS GmbH的主任Marcus Klein率先制定。石墨烯和层状材料的标准将降低创新、工业化以及最终商业化的障碍。石墨烯旗舰计划标准化委员会致力于在石墨烯及相关材料领域建立基于共识的国际标准，例如这两个IEC规范。石墨烯旗舰标准化委员会主席Thurid Gspann说：“这两个IEC规范有助于实现我们委员会和石墨烯旗舰项目的长期目标。拼图中的新部分肯定会刺激创新，为欧洲和世界各地的工业提供有保障的标准化程序，使用拉曼光谱和涡流法等可靠且可重复的技术来评估石墨烯片的质量。”为了突出这些贡献的价值，石墨烯旗舰标准化委员会授予Anna Ott和Markus Klein标准化证书。“我们要承认这些对该领域的宝贵贡献，因为标准化对于加速石墨烯产品的市场渗透非常重要。”石墨烯旗舰创新负责人Kari Hjelt补充说：“我很高兴看到我们的石墨烯旗舰标准化委员会取得成功，他们通过建立关键标准、规范和建议来真正推动商业化，以保证工业应用。此外，IEC的认可展示了我们项目的国际重要性；石墨烯旗舰已经成为石墨烯和层状材料领域的先驱和领导者，成功地将欧洲置于创新的前沿。”

HORIBA Scientific 暨 山东大学晶体材料研究所拉曼光谱在先进材料领域的应用技术交流会主办：HORIBA Scientific (Jobin Yvon光谱技术）协办：山东大学晶体材料研究所时间：2011年3月22日（周二）上午9：00地点：山东大学晶体材料研究所107会议室（济南市山大南路27号）日程安排9:00-9:10开幕词9:10-9:40HORIBA Jobin Yvon在拉曼光谱领域的发展介绍（ 高飞，拉曼光谱销售工程师）9:50-10:40拉曼光谱在先进材料领域的应用（刘仕锋，拉曼光谱应用工程师）10:50-11:40拉曼光谱仪原理及其硬件（刘仕锋，拉曼光谱应用工程师） 12:00-13:00自助午餐13:30-15:00仪器演示和技术交流（刘仕锋，拉曼光谱应用工程师）因本次会议场地有限，为方便我们对会议的组织与安排，请您与3月18日前确认参加（请点击如下按钮完成网络提交）如果您对会议有任何疑问，欢迎您随时与我们联系： 联系人：Ms Xu 邮件地址：feng.xu@horiba.com电话：010-85679966-222HORIBA Scientific (HORIBA集团科学仪器事业部) HORIBA Scientific隶属HORIBA 集团。一直致力于为用户提供先进的检测和分析仪器：包括激光拉曼光谱、椭圆偏振光谱、元素分析、荧光、ICP、粒度表征、油中硫分析、水质和XRF等分析仪器。结合旗下知名品牌的技术优势，包括拥有近200年发展历史的世界光谱制造技术的Jobin Yvon。今天，HORIBA Scientific 的各种高端检测分析仪器已经遍布全球各地，并在中国实现了销售和服务的本土化，位于上海、北京、广州三地的产品专家、售后服务团队以及全国各地的代理商机构可充分保障国内用户的技术咨询以及售后服务需求。www.horiba.com/cn山东大学晶体材料研究所始于1958年，1978年正式成立山东大学晶体材料研究所。1987年以晶体所为依托单位建成了山东大学晶体材料国家重点实验室。 晶体所是我国研究与发展晶体材料的重要基地，它致力于功能晶体材料的生长和性能研究。晶体所的主要研究方向为：功能晶体材料及其制备技术的探索和研究、晶体物理性能及相关器件的研究、低维材料的制备及相关器件的研究、晶体生长过程和晶体材料基础研究。http://www.icm.sdu.edu.cn/

为促进我国生物医药产业持续快速发展，仪器信息网将于2023年3月29日-2023年3月31日举办第四届“生物制药研发及质量控制” 网络大会，内容覆盖抗体/蛋白药物、细胞与基因治疗、多肽药物、核酸药物/mRNA疫苗，涉及生物药开发、质量控制、制剂的分析表征以及自动化等创新技术在生物制药领域的应用。多肽药物是现代医药研究的前沿方向，具有重要的社会价值和经济价值。然而，由于多肽属于蛋白质结构的组成部分，作为药物，其质量控制则更需要注意。本次生物制药大会特别设置多肽药物会场，4位嘉宾将从多肽药物发现、多肽二硫键的结构确证、多肽偶联物研究进展及拉曼光谱技术相关应用等角度进行讲解。点击图片免费报名报告嘉宾详情如下：多肽药物会场王珠银 董事长 深圳肽盛生物科技有限公司报告：突破多肽创新药发现的瓶颈：多肽创新药发现平台报名占位王珠银教授博士学士和硕士毕业于兰州大学化学系，博士毕业于美国Rutgers大学，博士后在纽约哥伦比亚大学做研究，现为兰州大学功能有机分子国家重点实验室教授。王教授主要研究方向为合成生物学，多肽和蛋白质生物医药，高通量药物筛选等。过去多年发表论文50余篇，申请美国和中国专利50多项，其中已获得11项美国发明专利授权，7项中国专利授权,1项欧盟专利授权，1项澳大利亚专利授权。王教授成功研发了多肽信息压缩技术，并基于此技术构建了大型多肽全库，加速多肽新药研发。梁远军 总经理 北京普诺旺康医药科技有限公司报告：化学合成多肽二硫键的结构确证报名占位梁远军，博士，毕业于军事医学科学院，在军事医学科学院从事活性多肽研究工作近20年，负责多项国家新药创制重大专项、新药创制多肽关键技术、863等课题，申请40多项新化合物专利。2017年任北京药物化学专业委员会委员，2018年聘为中国生化制药工业协会专家委员、多肽分会专家理事，2022年评为大兴“新国门”领军人才。2016年创立北京普诺旺康医药科技有限公司，专业从事多肽药物研发，公司逐步成长为国家高新技术企业，获得北京市“专精特新”企业、中关村“金种子”企业、瞪羚企业等称号。王颖 副研究员 中国药科大学报告：多肽偶联物的研究现状及展望报名占位中国药科大学副研究员，海洋药学硕士生导师。中国药科大学微生物与生化药学专业，获博士学位。长期从事多肽新药的一线研发工作，获得新药临床批件2件。致力于探讨非编码RNA及其来源的新型微肽在疾病发生发展中的功能机制，发现人体内源性微肽并对其进行优化提高成药性，开发成FIC多肽药物，为这些疾病的诊断和治疗提供了新思路。曾在Signal Transduct Target Ther（IF：38.104）、J Am Chem Soc（IF：15.419）、Acta Pharm Sin B（14.903）、Cell Death Dis（IF：6.304）、Oncogene（IF：7.519）和Mol Ther Nucleic Acids（IF：7.032）等杂志发表多篇论文，第一作者累计影响因子为105分，参与文章影响因子120分以上；申请发明专利两项；获中国产学研合作创新成果奖二等奖、第六届江苏医药科技进步奖二等奖；获得两件药物临床试验批件（批件号2013L01914，2018L02321）。王睿 产品经理 瑞士万通中国有限公司报告：拉曼光谱技术在药物质量控制中的应用报名占位瑞士万通中国有限公司拉曼产品线产品经理，硕士研究生学历。从事分子光谱技术的产品开发，仪器销售和应用推广工作十余年。在农业，食品，化工，高分子等行业有丰富的产品应用开发和实测经验。从2014年入职瑞士万通中国有限公司，负责近红外光谱和拉曼光谱产品的推广工作至今。生物制药分析表征会场生物药物结构上的细微差别可以显著影响其安全性和有效性,对此类药物的准确表征就需要精密的分析表征手段。本次生物制药大会特别设置生物制剂表征会场，邀请到杭州奕安济世、上海晟国医药、北京市科学技术研究院分析测试研究所的多位专家从不同角度对生物制剂的表征内容进行阐述。高原 高级工程师 北京市科学技术研究院分析测试研究所（北京市理化分析测试中心）报告：生物制剂检测中的关键表征技术 报名占位现任中国颗粒学会测试专业委员会副秘书长，北京粉体技术协会副秘书长。主要研究粉体材料的物理性能表征方法及应用。主持及参与了与纳微米粉体表征技术相关的省部级项目4项。目前是国际标准化组织（ISO）的粒度分析工作组和孔径分析工作组成员人。同时作为全国颗粒表征与分检及筛网标准化技术委员会及微泡技术委员会委员，主持、参与制修订并颁布实施粉体物理性能相关国家标准9项，团体标准1项，合作研制国际实物标准1项、主持研制国家二级标准物质3项。获得中国分析测试协会（CAIA）奖一等奖，中国颗粒学会科技进步奖二等奖等奖项。杨泗兴 总监 上海晟国医药发展有限公司报告：双抗制剂表征 报名占位杨泗兴 博士，上海晟国医药CDMO业务制剂开发和生产负责人。杨博士毕业于上海交通大学，在生物制药领域从事制剂技术研究及CMC工艺、质量等相关工作超过15年，成功申报过20个以上生物药IND及BLA，覆盖重组蛋白、单抗/双抗/ADC、融合蛋白、酶、疫苗等。在生物药缓控释微球/微针等制剂技术、抗体高浓度注射液、双抗制剂、冻干制剂等领域具有丰富的经验。胡裕迪 制剂工艺开发/高级主管研究员 杭州奕安济世生物药业有限公司报告：商业化生产和BLA申报中的生物药制剂工艺表征和验证的研究 报名占位 硕士毕业于中国医药工业研究总院的药剂专业；本科毕业于中国药科大学药物化学专业。拥有超过5年的生物制剂开发经验，以制剂或CMC负责人参与“高浓度抗体、双抗、ADC冻干、siRNA、后期工艺表征”等研发项目超过15个，获得“制备一种抗Claudine18.2抗体制剂的方法”等5篇专利。目前专注于抗体药物的理化表征，成药性，制剂处方和工艺开发，制剂工艺表征，工艺转移等多个领域研究。宁辉 产品总监 丹东百特仪器有限公司报告：光散射技术在生物制剂中的应用报名占位 宁辉博士，全国专业标准化技术委员会委员，《分析仪器》第十一届编委会委员，现任丹东百特仪器有限公司产品总监兼任研发中心副主任。 2004年至2007年从事胶体物理领域研究，并于2007年取得荷兰屯特大学物理学博士学位。2007年至2008年在德国于利希研究中心从事博士后研究，关注胶体的热扩散行为及其表征手段。 宁辉工作和研究经历过程中，在Langmuir， J. Chem. Phys.等等期刊发表超过10篇学术论文。 宁辉于2008年入职于国外某知名粒度仪生产商，担任产品经理，并于2019年离开工作11年的外企，于2020年加入中国著名的粒度表征设备制造商，辽宁省A级高新技术企业，丹东百特仪器公司。在丹东百特仪器有限公司的工作过程中，宁辉先后参与了多项与光散射相关的设备的研发和产品推广工作。点击报名：https://www.instrument.com.cn/webinar/meetings/biopharma2023/扫码进入会议交流群

p　　伴随着如火如荼的巴西里约奥运会，2016年8月15日，第25届国际拉曼光谱大会(The XXV International Conference on Raman Spectroscopy，ICORS 2016)在巴西的福塔雷萨召开，此次中国有多位专家老师前往参会（a title="" style="color: rgb(0, 112, 192) text-decoration: underline " href="http://www.instrument.com.cn/news/20160816/199306.shtml" target="_self"span style="color: rgb(0, 112, 192) "strong第25届国际拉曼光谱会议(ICORS 2016)在巴西召开/strong/span/a）。br//pp style="text-align: center "img title="合影1.jpg" src="http://img1.17img.cn/17img/images/201608/insimg/2d8d7366-4cf0-4f09-82ba-265d9318f28d.jpg"//pp style="text-align: center "strong征战巴西“拉曼奥运”的中国军团/strong/pp　　大会第一天，来自德国维尔茨堡大学的专家wolfgang Kiefer带来了开场报告，介绍了ICORS国际拉曼光谱大会创立历程及历届大会主办情况，带领与会的新老拉曼研究者一起回忆了拉曼光谱百年发展史。/pp　　每一届ICORS，都是不同研究领域专家们的大聚会，他们从不同的角度诠释、探讨拉曼光谱的技术和应用进展，并积极推进不同国家和地区之间的学术交流和合作。据介绍，从第一届开始，ICORS的影响力逐年扩大，吸引了来自物理、化学、生物、医学、材料等领域越来越多的专家参会。/pp style="text-align: center "img title="011.jpg" src="http://img1.17img.cn/17img/images/201608/insimg/b75a8a37-e5bf-405c-9aac-d10d35e395ab.jpg"//pp style="text-align: center "img title="021.jpg" src="http://img1.17img.cn/17img/images/201608/insimg/b61984c7-be83-4415-a0e6-1fc9da997baf.jpg"//pp style="text-align: center "img title="031.jpg" src="http://img1.17img.cn/17img/images/201608/insimg/07929855-8812-4ea7-8cc1-8c1c7bf8ad29.jpg"//pp style="text-align: center "strongICORS拉曼国际会议诞生的两位推动人/strong/ppstrongbr//strong/pp style="text-align: center "img title="041.jpg" src="http://img1.17img.cn/17img/images/201608/insimg/df53175e-a40c-4cf9-80ab-d694e82d1406.jpg"//pp style="text-align: center "img title="051.jpg" src="http://img1.17img.cn/17img/images/201608/insimg/5af0b026-a1eb-485a-8721-db8a7d1c090a.jpg"/br//pp 　　wolfgang Kiefer在报告中还特别提到了2000年在中国北京大学主办的国际拉曼光谱会议，大会主席是张树霖教授，当时还特别邀请到了华人诺贝尔奖获得者朱棣文，也是后来2009年-2013年的美国能源部长进行大会特邀报告。/pp style="text-align: center "img title="061.jpg" src="http://img1.17img.cn/17img/images/201608/insimg/b5337160-7597-49c4-97e5-c1a6241d3388.jpg"//pp style="text-align: center "img title="071.jpg" src="http://img1.17img.cn/17img/images/201608/insimg/de62272f-c2bf-42dd-947d-b4e72f29431b.jpg"//pp　　此外，本次大会上还有一个重要的活动：给中国半导体物理学奠基人、世界级大师黄昆院士庆祝八十大寿。/pp style="text-align: center "img title="081.jpg" src="http://img1.17img.cn/17img/images/201608/insimg/b0d82226-2f46-4135-aba8-5e3ef8994d37.jpg"//pp style="text-align: center "strong北京大学张树霖教授受邀做大会报告/strong/pp　　作为大会第一天重要的特邀报告人，北京大学张树霖教授讲述了最近几年在低波数拉曼光谱测量方面的一些技术难题及解决办法，同时也展示了最新的研究工作：关于瑞利线的峰型及对低波数拉曼光谱检测的影响。这个工作报告，让与会专家都感觉耳目一新，北京服装学院龚龑副教授及研究生王岩从2014年开始一直协助张树霖教授致力于这个基础研究，开展具体实验测试及理论拟合工作。（a title="" href="http://www.instrument.com.cn/news/20160818/199564.shtml" target="_self"北京大学张树霖教授简介/a）/pp　　之后，中国科技大学董振超教授、中科院半导体所谭平恒教授、厦门大学任斌教授、吉林大学刘冰冰教授等将代表中国“拉曼军团”分别做邀请报告并担任分论坛的主席。/pp style="text-align: center "img title="5925039956134358121.jpg" src="http://img1.17img.cn/17img/images/201608/insimg/96ce6c3f-94b0-4c69-8765-a83e31aa5889.jpg"//pp style="text-align: center "strong中国拉曼专家在会议现场合影/strong/pp style="text-align: right "　　strong以上信息由北京服装学院龚龑副教授从会议现场发回，更多内容请见仪器信息网后续报道。/strongbr//p

HORIBA已经成功将AFM和Raman这两种技术耦合起来，两者的功能模式在升级后的AFM-Raman系统中均能使用。我们为您提供了高影响因子AFM/TERS/TEPL相关论文，您可点击左下角“阅读原文”查看论文列表，包括：针尖增强拉曼光谱的纳米化学成像单碱基分辨率的TRES成像......您还可点击下方二维码，查看《Nature》论文原文——纳米尺度下捕获羧基氧化石墨烯的原位化学和电位成像。升级AFM-Raman系统后，您将能够全面应用拉曼、光致发光、原子力显微镜、针尖增强拉曼光谱(TERS)、针尖增强光致发光（TEPL）以及许多其他与光谱测量相关的原子力显微镜模式。这也为分子表征、一维和二维材料表征以及半导体纳米结构和生物材料的表征提供了一种全新的技术。无论您现在使用的是XploRA、LabRAM HR Evolution拉曼光谱仪，还是iHR光谱仪，都可以通过我们的AFM及其光学平台Omegascope，将您的仪器升级到纳米拉曼NanoRaman™ 。升级后的HORIBA NanoRaman™ 系统，能够在同一系统中全面应用拉曼、AFM、TERS、TEPL和许多其他相关技术，对于科学研究来说无疑是一大助力。您可以在HORIBA的NanoRaman™ 系统产品手册中更深入地了解到关于AFM升级后的产品及其应用。（扫描下方二维码下载产品手册）如果您购买过HORIBA拉曼光谱仪，您可扫描下方二维码提交升级需求，我们会安排专业的工程师联系您，为您解答系统升级的相关疑惑。HORIBA科学仪器事业部HORIBA Scientific 致力于为科研及工业用户提供先进的检测和分析工具及解决方案，如：光学光谱、分子光谱、元素分析、材料表征及表面分析等先进检测技术，旗下Jobin Yvon光谱技术品牌创立于1819年，距今已有200年历史。如今，HORIBA 的高品质科学仪器已经成为全球科研、各行业研发及质量控制的首选，之后我们也将持续专注科研领域，致力于为全球用户提供更好的服务。

材料工业是国民经济的基础产业，新材料是材料工业发展的先导，是重要的战略性新兴产业。材料的表面性能对新材料的研究和应用至关重要，近年来新材料的快速发展刺激了科学家对材料表面性能的深入研究。2022年8月17日至8月19日，赛默飞联合多家高校和科研机构共同举办的 “2022全国表面分析技术及新材料表征研讨会” 成功召开，国内外专家齐聚贵阳，共同交流电子能谱（XPS、UPS、AES）、电子显微术、激光拉曼光谱等表面分析技术的最新研究成果及应用。会议伊始，赛默飞材料与结构分析业务高级商务总监陈厅行，为本次大会发表了开幕致辞。 陈厅行表示:非常感谢大家对赛默飞一直以来的支持，我们很多的客户朋友多年来一直和我们一起前行，给了我们莫大的信任和支持。今年也是赛默飞进入中国的40周年，我们扎根中国，服务中国，将一直践行我们的使命，携手客户，让世界更健康，更清洁，更安全。本次会议报告内容集锦如下: 大会第一日中科院大连化物所的盛世善老师首先为我们详细介绍了商业化XPS设备的准原位技术以及近常压的原位技术。同时，也比较介绍了两种原位技术的优缺点。随着商业化XPS设备的普及和成熟，设备的拓展性能也越来越多元。其中，原位技术便是XPS设备比较重要的一个拓展功能。XPS作为一种表面分析技术，在催化材料研究中有广泛的应用。清华大学姚文清教授在报告中详细介绍了通过不同的表面改性方式，来对光催化型催化剂进行改性，以提升其光催化性能。同时，也对相关的机理进行研究。中山大学的陈建教授介绍了通过N、S元素掺杂，将二维Ti3C2Tx材料转化三维材料，进一步提升其电化学性能。Ti3C2Tx作为一种新型的二维纳米材料，具有良好的导电性、亲水性、大比表面积及丰富的表面修饰基团等优点；在催化、电化学等领域有广泛的应用前景。北京化工大学的程斌教授在报告中详细介绍了通过XPS设备研究聚乙烯吡咯烷酮（PVP）在高电场下的行为。在电池浆料材料制备过程中，不可避免的会用到分散剂材料。不同分散剂材料可以影响电池材料的分散，从而影响电池性能。近年来，中国在航空航天领域取得了快速发展。特别是嫦娥工程，取得了举世瞩目的成就。对于嫦娥五号取回来的月壤样品，中国科学院地球化学研究所的李阳研究员为我们介绍了通过TEM+EELS技术联用对月壤样品进行综合表征分析。赛默飞Nexsa系列最新型号Nexsa G2可选配拉曼光谱，实现XPS与拉曼技术原位联用。赛默飞国外资深XPS应用专家Robin Simpson为我们介绍了通过XPS与拉曼多技术联用在法医鉴定各环节中的应用。氧化镓材料作为一种宽禁带半导体材料，在光电子器件方面有广阔的应用前景。厦门大学张洪良教授在报告中详细介绍了通过不同元素掺杂，来实现对氮化镓材料的不同性能调控。通过X射线光电子能谱来表征分析其电子结构，来辅助研究相关调控机理。中国科学技术大学麻茂生教授主要就化学位移基础理论及XPS谱峰拟合实际问题两个方面进行详细介绍。元素化学态分析是XPS的最主要的应用之一，常被用来作氧化态的测定和价态分析以及研究成键形式和分子结构。原位测试分析手段可以实时跟踪结构变化，在目前的科研工作中扮演着越来越重要的角色。上海科技大学杨永教授在报告中详细介绍了XPS加热台的设计，及原位加热分析在XPS研究中的相关应用。黄铁矿的氧化过程涉及氧气的消耗、铁矿物的演化、硫酸盐的还原等，影响着光合作用和微生物新陈代谢。中科院广州地化所鲜海洋教授就详细介绍了黄铁矿氧化还原反应的各向异性和原电池效应等特点，及黄铁矿表面氧化还原反应的成矿效应。对于层结构已知的纳米多层器件可用相对确定的测试参数进行分析，而准确获得未知样品层结构等信息成为研究者们的挑战之一。季华实验室范燕工程师此次报告简要介绍了未知层结构样品深度剖析测试的测试优化方向，并结合实际案例进行分享。生物质是唯一一种含碳可再生资源，其有效利用能够部分替代化石能源。安徽理工大学李唱老师简要介绍了木质素解聚应用实例和相关成果，并就XPS在生物质转化领域中的应用进行了展望。山西煤炭化学研究所严文君工程师介绍了XPS和原位XPS及其在碳基材料及催化中的相关应用，将XPS与AES技术相互结合，为研究催化反应机理及催化剂设计改进等提供了理论依据。赛默飞业务拓展经理王慧敏介绍了针对空气敏感样品研发的完整惰性气体/真空互联解决方案，实现样品从手套箱到XPS、SEM/FIB/PFIB、TEM完全隔绝空气的转移，确保用户可以观察到样品的本征形貌与化学信息。 大会第二日在日常XPS测试中，经常会遇到各种类型材料的分析测试。对于一些类型样品，测试过程中由于射线束的照射，会使样品表面发生变化。比如，X射线照射、刻蚀等，引起样品中元素的还原、破坏。北京师范大学吴正龙教授在报告中详细介绍了XPS测试中常见的一些射线束效应以及在测试中如何避免或减小这些效应。中科院化学所赵志娟工程师介绍了通过XPS设备分析不同类型的纳米材料。对于纳米材料，由于尺度的影响，表面结构及其化学组成具有决定其功能特性的重要作用，XPS逐渐成为纳米材料研究中不可或缺的一种表征手段。材料中氧空位的存在，对材料性能有重要影响。国家纳米中心徐鹏工程师在报告中详细介绍了通过不同表征方式来分析表征氧空位；着重讲解了通过XPS设备表征分析不同材料中的氧空位及氧空位材料的应用。能源电池材料因其清洁、能源转化效率高等特点，得到快速发展。对于空气敏感性的锂电池材料，XPS常规样品台满足不了其测试需求。国联汽车动力电池研究院袁敏娟工程师在报告中主要就真空转移仓的使用、XPS表面分析技术在锂电池材料中的应用进行了详细介绍。随着社会的发展，目前材料学的发展很多集中在将体材料平面化或者开发新型的二维材料，因此维持住表面的性状稳定是个需要处理的问题。费勉仪器马成华工程师就原位与准原位XPS分析技术、常见准原位真空互联设备等进行了详细介绍。赛默飞应用专家Paul Mack主要介绍和分享XPS与UPS、REELS等分析技术联用，在SiO2/Si薄膜、MAPbI3等材料的表征中提供全方位的多功能性应用。自上世纪80年代，赛默飞XPS产品就已经进入中国市场，目前已经深深的扎根中国市场。其中，ESCALAB系列是其中一款经典的XPS设备。赛默飞资深技术专家寿林在报告中从产品历史、硬件原理、维护等方面在详细介绍了ESCALAB系列型号结构特点。赛默飞拉曼应用专家王冬梅为我们介绍了针对材料多维表征、原位电化学和原位催化等各领域的应用方案，以及拉曼光谱技术结合XPS、SEM和流变的完整结构分析方案。赛默飞红外应用专家辛明简述了傅里叶变换红外光谱技术在原位监测中的应用，特别类举了如XPS的超高真空环境的联机检测案例。介绍了赛默飞FTIR产品结合原位监测应用需求的针对性设计。同时此次大会还进行了同步直播，线上的近1000名观众在云端参与会议，同我们一起见证了活动的成功召开！‍最后感谢所有国内外专家的参与，与我们共同交流XPS、电镜、拉曼、红外等分析手段在表面分析领域的最新研究进展及应用。希望能够为中国科研及工业发展做出贡献！‍

全球粉体流动及特性表征领域领先企业富瑞曼科技最近发布了一系列工业应用粉体表征知识指南。这些指南为对粉体知识缺乏了解的群体提供了宝贵的基础知识，同时，也为所有寻求深入了解与产品开发及加工特性相关因素的人提供了有用资源。 理解粉体特性是实现高效加工的重要前提，第一部分“认识粉体”重点关注粉体的三个组成部分，即：粉体颗粒、周围的空气以及水分之间的交互作用将对粉体特性产生何种影响，并据此回答整个行业中最常见的粉体加工问题。指南还继续探索了粉体流动性在一系列工业加工中的重要性，解释了操作条件在粉体加工中的重大意义。 充分理解粉体特性的基础，对于评估现有各类不同粉体测试技术的优劣十分有益。“选择恰当的粉体测试仪器”部分则解答了希望投资粉体测试仪器的粉体加工者所面临的重要问题。这些问题包括：粉体测试技术包括哪些？粉末加工企业在挑选测试方法时应注意些什么？哪些特性使粉体更适合于各种工业应用？ 对特定粉体测试仪器可提供的潜在经济效益的评估也同样重要。“粉体测试的价值”部分探索了与投资有关的各种关键性问题。这些问题包括：粉体测试数据的价值何在？粉体测试能提供什么样的经济回报？如何确定哪种粉末测试技术能为某种特定工艺或某个特定研发实验室提供价值？该指南还提供了案例研究，通过演示帮助了解如何评估潜在收益。 上述指南依据15年粉体表征经验撰写而成，行文简捷易懂。登录www.freemantech.com.cn/_ebook/，可获取所有指南。 Fu Rui Man（富瑞曼）是富瑞曼科技公司注册商标。 Powder Rheometer（粉体流变仪）是富瑞曼科技公司商标。 关于富瑞曼科技 英国富瑞曼?科技是系统测量粉体属性的专家，有十多年粉体流动性和表征的经验。公司大量投资在研发和应用方面，其专家团队通过多功能粉体测试仪——FT4粉体流变仪TM——提供详细的技术咨询。 根据粉体的流动性和可加工性，FT4粉体流变仪使用专利保护的动态模式，全自动剪切盒和松装属性测试，来量化粉体的属性。该系统已在全球各种不同的行业中使用。它们所产生的数据能使客户最大程度地理解他们的工艺和产品，加速了研发和配方向商业化的成功转化，并为粉体工艺提供长期的优化方案。 英国富瑞曼科技的总部位于英国的格洛斯特郡，在美国和中国拥有全资子公司，在巴西、加拿大、法国、印度、爱尔兰、日本、马来西亚、新加坡、台湾和泰国有分销。2007年公司获得英国“女王奖”以表彰企业的创新能力，2012年再次获得“女王奖”以表彰企业在国际贸易方面的杰出贡献。

2014年3月4日消息 贝克曼库尔特公司生命科学部门宣布，其与世界上著名在线激光光散射仪生产商&mdash &mdash 美国Wyatt(怀雅特)技术公司已达成一项产品、应用和技术开发合作协议。　　该协议中规定，两家公司将合力开发用于纳米表征的产品，并以贝克曼库尔特公司生命科学的品牌进行市场推广。这一伙伴关系将使Wyatt的蛋白定性、光散射和生物物理学专业技术与贝克曼库尔特的颗粒计数、颗粒表征和细胞活力的专业技术汇聚起来。　　贝克曼库尔特公司生命科学部高级营销经理Matt Rhyner博士表示：&ldquo 我们很高兴能与Wyatt达成合作，因为他们在生物制药等行业有强大的品牌知名度，他们的产品在我们的Vi-CELL细胞活力分析仪和超速离心机用户中拥有一定的知名度。与Wyatt这样一家素以技术和产品著称的公司合作，将帮助我们在颗粒市场的产品业务。&rdquo 　　Wyatt技术公司CEO Philip Wyatt博士解释到：&ldquo 自从1970年代后期结识Wallace Coulter(贝克曼库尔特公司的创始人之一)以来，我们一直很有兴趣与贝克曼库尔特合作。基于客户的信赖，与拥有长远的企业历史与强大的产品组合的贝克曼库尔特公司达成合作协议后，我们保持了实力和特色，发现一个很好的扩大市场准入的机会。&rdquo 　　连同最近的MET ONE及HIAC品牌的整合加入，与Wyatt的合作将使贝克曼库尔特公司能够提供更大范围的颗粒表征解决方案，并进一步加强其世界一流的客户支持和服务。　　贝克曼库尔特公司在Pittcon 2014上展出了Multisizer 4e库尔特颗粒计数器，这是贝克曼库尔特公司最新推出的粒子计数和表征创新产品，测量颗粒最小可以达到0.2&mu m。　　近年来，越来越多的颗粒测试仪器厂商选择&ldquo 捆绑式&rdquo 合作。除贝克曼库尔特与Wyatt达成的上述合作关系外，去年5月，占据市场份额最大的激光粒度仪生产商马尔文，与耐驰研磨与分散事业部达成市场合作协议。借此协议，马尔文的Mastersizer 3000激光粒度仪将作为耐驰研磨机输出颗粒的常规粒径检测仪器，在耐驰全球主要的市场(包括中国在内)的测试实验室推广使用。（编译：刘玉兰）

p style="line-height: 1.5em " 2020年10月24-25日，中国颗粒学会第十一届学术年会在福建省厦门市召开。贝克曼库尔特商贸（中国）有限公司携颗粒特性与计数全线产品及丰富的解决方案精彩亮相。仪器信息网现场采访了贝克曼库尔特粒度表征与颗粒计数高级产品专家张强，请他介绍贝克曼今年的业绩表现与参会情况。/pp style="line-height: 1.5em margin-top: 10px " 张强表示，贝克曼生命科学有4大产品线，包括自动化工作站、流式细胞仪、离心机、颗粒特性与计数产品，覆盖了生命科学及非生命科学领域。其中，生命科学领域业绩表现强劲，非生命科学领域的颗粒特性与计数产品前半年受疫情影响较大，但从第三季度开始逐步回暖。目前公司整体业绩表现亮眼。/pp style="line-height: 1.5em margin-top: 10px " 本届颗粒学年会，贝克曼可谓“倾其所有”，为参会代表带来了颗粒计数类产品、细胞计数类产品以及粒度特性表征产品，包括新一代激光衍射粒度分析仪LS 13320 XR， Multisizer库尔特计数器等，同时，还为锂离子电池、涂料、土壤/沉积物、超声造影剂、吸入制剂等领域提供了全面应用解决方案。/pp style="line-height: 1.5em margin-top: 10px " 张强认为，高分辨的粒度表征技术是科学与产品不断发展的必然需求，因为研发人员需要依靠粒度数据做出决策，质控人员需要及时发现批次间细微的差异。但是，很多激光粒度仪因分辨率不够高，在检测过程中会遗漏一些关键细节，导致测试结果具有很大的风险甚至是错误的。贝克曼的激光衍射粒度分析仪采用PIDS（偏振光强度差散射）和XD多检测器技术，可实现高分辨率的检测，尤其最新产品LS 13320 XR可帮助客户发现未曾发现的关键细节，从而获得更加真实的粒度测量结果。/pp style="line-height: 1.5em margin-top: 10px " 此外，贝克曼还可提供更高分辨率的解决方案——Multisizer库尔特计数及粒度分析仪，基于库尔特原理，对颗粒逐个进行检测，分辨率远高于激光粒度仪，可用于异常大颗粒和更高分辨率的粒径分布的检测。同时，该仪器可用于颗粒/细胞计数与体积的精细变化监测，如近几年比较热的CAR-T。张强认为，高分辨是贝克曼粒度表征方案的优势之一，也是未来粒度表征技术的发展方向之一。/pp style="line-height: 1.5em margin-top: 10px " 更多精彩内容，请点击视频查看：/pscript src="https://p.bokecc.com/player?vid=9540041C007F10A39C33DC5901307461&siteid=D9180EE599D5BD46&autoStart=false&width=600&height=350&playerid=621F7722C6B7BD4E&playertype=1" type="text/javascript"/script

材料表征与检测技术，是关于材料的成分、结构、微观形貌与缺陷等的分析、测试技术及其有关理论基础的科学。是材料科学与工程的重要组成部分，是材料科学研究、相关产品质量控制的重要基础。2020年12月15-16日，仪器信息网（instrument.com.cn）将线上举办“2020年材料表征与检测技术”主题网络研讨会，两天的会议将汇集9位材料表征技术领域知名专家和9位知名仪器企业资深应用专家，为大家详细讲解材料表征检测常用的近20类检测技术及应用。旨在为材料研究工作者提供广泛材料表征检测技术的“一站式”云端学习平台。两天的会议将分设成分分析、表面与界面分析、结构形貌分析、热性能分析等四个专场，，以线上报告分享、在线网友答疑互动形式，针对材料科学常用表征及分析检测技术进行探讨。会议时间：12月15-16日会议形式：线上直播，免费参会参会对象：材料学科研、材料领域研究开发、检测技术工作者等报名方式：报名链接https://www.instrument.com.cn/webinar/meetings/CLBZFX2020/扫码报名内容摘要专场设置讲解技术成分分析色谱、质谱、电子探针、X射线荧光光谱（XRF）、热脱附表面与界面分析拉曼光谱、光电子能谱(XPS)、扫描探针显微技术(SPM)结构形貌分析聚焦离子束-电子束双束电镜、电子背散射衍射(EBSD)、X射线衍射(XRD)热性能分析热重分析(TGA)、差热分析、差示扫描量热(DSC)、热分析联用技术报告嘉宾成分分析专场（12月15日上午）国家钢铁材料测试中心高级工程师孙晓飞分享题目：X射线荧光光谱在高温合金成分检测中的应用日本电子产品经理胡晋生分享题目：电子探针的分析特点和国内市场情况介绍赛默飞世尔科技（中国）有限公司应用工程师佘晓萌分享题目：X射线荧光光谱仪在镀层样品分析中的应用沃特世科技（上海）有限公司高级应用工程师李欣蔚分享题目：不同色谱、质谱手段应对成分解析挑战的思路分享---善用小工具、实现大效用玛珂思仪器技术支持经理张兵分享题目：热脱附在材料散发及异味物质监测中的应用与相关法规介绍表面与界面分析专场（12月15日下午）中山大学研究员陈建分享题目：电催化还原反应中的表面吸附调控及其原位拉曼研究中国科学院化学研究所副研究员刘芬分享题目：XPS技术及在材料表界面分析中的应用北京师范大学教授级高工吴正龙分享题目：光电子能谱(XPS)中复杂谱峰的解析岛津企业管理（中国）有限公司产品应用专家陈强分享题目：SPM——表面分析与界面观测布鲁克资深应用科学家孙万新分享题目：基于扫描探针技术在表面及界面进行纳米尺度物理性质定量表征结构形貌分析专场（12月16日上午）中国科学院上海硅酸盐研究所研究员曾毅分享题目：电子背散射衍射标定方法研究中国科学院上海硅酸盐研究所研究员程国峰分享题目：Rietveld结构精修原理与应用赛默飞世尔科技（中国）有限公司应用工程师居威材分享题目：赛默飞K-Alpha光学实时XRD技术及应用介绍日本电子应用工程师席得圣分享题目：聚焦离子束-电子束双束设备JIB-4700F介绍热性能分析专场（12月16日下午）中国科学技术大学高级工程师丁延伟分享题目：热分析技术在材料研究领域应用中的常见问题分析中国科学院上海硅酸盐研究所助理研究员陶冶分享题目：薄膜材料的热物性测量南京大学胡文兵教授课题组成员陈咏萱分享题目：示差扫描量热法DSC技术进展及其在高分子材料表征中的应用梅特勒-托利多技术专家陈成鑫分享题目：于细微处见学问-热分析坩埚的选择和应用

贝克曼库尔特公司 2009年北京“颗粒特性表征技术新进展”讲座 美国贝克曼库尔特公司的颗粒特性表征产品进入中国已经二十多年，技术的不断发展造就了不凡的影响力，公司的发展有赖于广大用户的支持和信赖。 为了提供一个了解颗粒特性表征技术最新动态和一个交流使用心得的平台。美国贝克曼库尔特公司颗粒特性分析部门假座北京丽亭华苑酒店，特别举办“颗粒特性表征技术新进展”讲座，介绍最新的表征颗粒特性的技术以及国际潮流的动态。诚邀各领域有兴趣的人仕参加。 有兴趣参加讲座的人士请向贝克曼库尔特公司市场部索取报名表格，并及时回传回执。 地点：北京丽亭华苑酒店二层四季厅 地址：北京市海淀区知春路25号 讲座：2009年1月8日 9:30 至12:00 13:30 至 16:00 午宴：12:00-13:00 主 讲：美国贝克曼库尔特公司 资深应用专家 许人良 博士 内容： ☆ 提高粒径分析分辨率的解决方案 ☆ 新型干粉分散技术 ☆ 微量粒子分析技术 ☆ 高浓度Zeta电位测量的解决方案 ☆ 固液介面稳定性表征方法的新突破 美国贝克曼库尔特公司 2008年12月8 日市场部联系人：陈 先生 联系电话：13318833894 , 020-85187188 传真：020-85187072，85187188 电子邮箱： wchen@beckman.com ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 回 执 我单位有兴趣参加“颗粒特性表征技术新进展”讲座。 单位名称： ，联系人： ， 联系电话： ，e-mail： 。 参加人数 人。 (敬请于2008年12月20日前回传本回执,贝克曼库尔特公司, Fax:020-85187072 ) ------------------------------------------------------------------------------------- --------------------------------------------------------------------------

美国贝克曼库尔特公司的颗粒特性表征产品进入中国已经二十多年，技术的不断发展造就了不凡的影响力，公司的发展有赖于广大用户的支持和信赖。 为了提供一个了解颗粒特性表征技术最新动态和一个交流使用心得的平台。美国贝克曼库尔特公司颗粒特性分析部门于上海培训中心举办“颗粒特性表征技术新突破”讲座。诚邀各领域有兴趣的人仕参加。 有兴趣参加讲座的人士请向贝克曼库尔特公司市场部索取报名表格，并及时回传回执。 地点：贝克曼库尔特公司上海培训中心 地址：浦东新区峨山路91弄120号， 陆家嘴软件园8号楼一楼 讲座：2009年1月12日 9:30 至12:00 13:30 至 16:00 午宴：12:00-13:00 主 讲：美国贝克曼库尔特公司 资深应用专家 许人良博士 内容： ☆ 提高粒径分析分辨率的解决方案 ☆ 新型干粉分散技术 ☆ 微量粒子分析技术 ☆ 高浓度Zeta电位测量的解决方案 ☆ 固液介面稳定性表征方法的新突破美国贝克曼库尔特公司 2008年12月8 日 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 回 执 我单位有兴趣参加“颗粒特性表征技术新进展”讲座。 单位名称： ，联系人： ， 联系电话： ，e-mail： 。 参加人数 人。 (敬请于2008年12月20日前回传本回执,贝克曼库尔特公司, Fax:020-85187072 ) ------------------------------------------------------------------------------------- --------------------------------------------------------------------------

仪器信息网讯 2010年8月13日，为了给用户提供一个了解颗粒特性表征技术最新动态和一个交流使用心得的平台，美国贝克曼库尔特公司在北京远望楼宾馆成功举办了“颗粒特性与表征分析技术讲座会”，来自科研院所、质检机构、石油化工、水泥、制药等企业单位的50余位颗粒特性表征工作者参加了此次会议，仪器信息网作为特邀媒体应邀参加。会议现场美国贝克曼库尔特公司颗粒部全球技术总监许人良博士　　许人良博士首先介绍了美国贝克曼库尔特公司的发展历程与近期动态。许人良博士表示：“美国贝克曼库尔特公司是由世界科学仪器界传奇式人物阿诺贝克曼先生与沃勒斯库尔特先生创建，目前公司拥有一万多名员工，年销售额可达33亿美元，是世界上最大的颗粒分析仪器制造公司之一，名列《福布斯》500强与《财富》1000强。同时，美国贝克曼库尔特公司在中国已开展业务30多年，并建有独资公司——贝克曼库尔特商贸(中国)有限公司。”美国贝克曼库尔特公司各类颗粒表征仪器　　“目前，公司主要包括颗粒表征、核酸研究检测、蛋白质组学、细胞学、离心机、自动化的化学分析等几大领域的分析仪器。其中，颗粒表征仪器主要分为颗粒计数、比表面分析、粒度分析和颗粒与平面Zeta电位分析四大类。”　　另外，许人良博士还分别介绍了颗粒表征仪器的原理、技术、标准、应用领域以及美国贝克曼库尔特公司的最新产品。　　(1)纳米颗粒度与平面Zeta电位测量　　许人良博士说到：“纳米颗粒表征的两大指标为粒度与表面电势。目前，纳米颗粒度与平面Zeta电位测量技术的新进展主要有：PCS(光子相关光谱)背散射技术主要用于亚微米与纳米粒度的测量 FST(穿过透明电极的前向散射)专利技术为测量颗粒在浓溶液中Zeta电位的新技术 EOP(电渗探针法)技术主要用于测量颗粒表面的Zeta电位。”DelsaNano系列纳米粒度/Zeta电位仪　　美国贝克曼库尔特公司最新上市的DelsaNano系列是目前惟一应用电泳光散射及动态光散射原理，同时提供颗粒Zeta电位分布、固体及薄膜液-固平面Zeta电位分布和纳米粒度分布的分析仪。　　在粒度测量方面，DelsaNano系列具备多角散射(15度与165度)功能，可测量粒度范围为0.6-7000nm，浓度范围宽达四个数量级的浓度(0.001-40%)，灵敏度非常高 在Zeta电位测量方面，DelsaNano系列具备多角度测量(15度与30度)功能，浓度范围测量极宽，能够测颗粒在浓溶液中的Zeta电位分布，是目前唯一能测固体与薄膜表面电位的仪器。　　(2)激光衍射法中的小颗粒测量与干法分析　　许人良博士谈到：“激光衍射仪已取代筛分与沉降法成为从纳米至毫米大小颗粒度测量的最常用手段。不过，激光衍射仪也面临着如何用激光粒度法测量亚微米甚至纳米粒度，如何能达到测量的高精度、高分辨率、高重现性，如何能真正使干粉的测量也如湿法那样能均匀进样，分散颗粒而不打碎等挑战。”LS 13320系列激光衍射仪　　LS 13320系列利用独特的PIDS(偏振光强差异)技术，能够用全米氏理论求得颗粒在17nm-2000μm范围内的粒度分布 同时，LS 13320系列还利用专利的光源滤光器，134个探测器与自动准直系统达到高精度与高度重现性。另外，LS 13320系列采用专利的“旋风式”干法分散系统分析需要干法分析的粉末状样品。　　(3)最高分辨率的粒度测量与计数技术　　许人良博士介绍到：“通过库尔特原理(电阻法)可以直接测量出颗粒的大小与浓度，而不是如激光粒度仪那样算出来的。如果所测量的液体量由计量装置精确控制，那么从所得到的计数可知浓度，并可精确测量每个颗粒的固体体积，由此可得到各种粒度的表征参数。”Multisizer系列(MS)库尔特计数器　　MS系列采用了唯一能通过三维测量而直接提供颗粒体积数据和绝对计数的分析方法，所有功能都由使用方便的软件控制，符合美国食品药品检验局(FDA) 联邦法规第21章11 款。另外，MS系列采用数码脉冲处理技术，同时，还选用“编辑”技术校正非轴向流动的影响，采用重合效应校正技术使测量可在低于10%重合效应的浓度下测量，因此，MS系列具有极高的准确性与重现性。现场互动　　另外，讲座会还特设了颗粒表征技术问答环节，参会者积极发问，增强了仪器用户与厂商专家的互动，取得了良好的效果。　　附录1：贝克曼库尔特商贸(中国)有限公司　　 http://www.coultercounter.com/　　 http://www.coultercounter.com/　　 http://beckman.instrument.com.cn

美国贝克曼库尔特公司的颗粒特性表征产品进入中国已经二十多年，我公司的不断的发展有赖于贵校/贵公司及广大用户的支持。　　为了提供一个了解颗粒特性表征技术最新动态和一个交流使用心得的平台。我公司定于2009年9月8日13:30至17:30于天津工业大学碧缘宾馆3楼会议室举行“颗粒特性表征技术新进展” 讲座。 　　诚邀各界有兴趣人士参加。望收到本邀请后，于2009年9月7日前与我公司联系，将回执传真至020-85187072，或e-mail至wchen@beckman.com,xiaoliang_ma@beckman.com以便安排。 联系人：陈 卫 麻晓良 联系电话：13602766146 , 13801218151 传真：020-85187072 电子邮箱： wchen@beckman.com, xiaoliang_ma@beckman.com 贝克曼库尔特公司 2009-8-28 (敬请于2009年9月7日前回传本回执,贝克曼库尔特公司, Fax:020-85187072 ) （本讲座为免费参加，来往讲座地点交通费用以及外地来穗住宿费敬请自行解决。若需我方代定酒店、车票等，请提早通知。） 回 执 我单位有兴趣参加“颗粒特性表征技术新进展”讲座。 单位名称： ， 部门： ， 联系人： ， 联系电话： ， e-mail： , 联系地址：________________________________________________, 参加人数 人。 我公司定于2009年9月9日13:30至17:30 于清华大学环境学院环境系533室举行“颗粒特性表征技术新进展” 讲座。 诚邀各界有兴趣的人士参加。有意参加者请于2009年9月7日前与我公司联系，将回执传真至020-85187072，或e-mail至wchen@beckman.com,xiaoliang_ma@beckman.com以便安排。

美国贝克曼库尔特公司的颗粒特性表征产品进入中国已经二十多年，为了提供一个了解颗粒特性表征技术最新动态和一个交流使用心得的平台。我公司定于2009年9月9日13:30至17:30 于清华大学环境学院环境系533室举行&ldquo 颗粒特性表征技术新进展&rdquo 讲座。 诚邀各界有兴趣的人士参加。有意参加者请于2009年9月7日前与我公司联系，将回执传真至020-85187072，或e-mail至wchen@beckman.com,xiaoliang_ma@beckman.com以便安排。 联系人：陈 卫 麻晓良 联系电话：13602766146 13801218151 传真：020-85187072 电子邮箱： wchen@beckman.com 贝克曼库尔特公司 2009-9-2 （敬请于2009年9月7日前回传本回执,贝克曼库尔特公司, Fax:020-85187072 ） （本讲座为免费参加，来往讲座地点交通费用以及外地来穗住宿费敬请自行解决。若需我方代定酒店、车票等，请提早通知。） ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 回 执 我单位有兴趣参加9月9日&ldquo 颗粒特性表征技术新进展&rdquo 讲座。 单位名称：------------------------------------------- ， 部门：-------------------------------------- ， 联系人：----------------------------------------------- ， 联系电话：--------------------------------- ， e-mail：------------------------------------------------- , 联系地址：________________________________________________, 参加人数---------------------------------------------------- 人。

2016年6月21日至23日，全球粉末表征领域专家富瑞曼科技将参加于中国上海新国际博览中心举办的2016年世界制药原料中国展（CPhI China 2016）。来自富瑞曼的工程师将现场演示FT4粉体流变仪操作全过程，并与到访者就粉体表征与加工性能方面的挑战进行对话，共同探索行业领先的FT4粉末流变仪?在各种粉体加工应用领域的优势和可能性。欢迎莅临富瑞曼科技展台：N1馆T28。FT4粉体流变仪是富瑞曼科技制造的一款通用型粉体测试仪器。该仪器使用获得专利的动态方法，配备了全自动化的剪切盒（依照ASTM D7891标准），并能进行多种松装特性测试，包括密度、压缩性和渗透性，从而对粉体的流动特性和加工性能进行量化。FT4已经广泛应用于制药等一系列行业。它所获取的相关数据，有助于实现对工艺和产品最大程度的理解，加快研发和配方设计以获得成功量产，并支持粉体加工的长期优化。6月22日上午10:30，观众可以在E1M12会议室聆听富瑞曼专家的现场演讲《先进的粉体表征技术在DPI制剂和压片中的应用优化》。届时，我们将探讨如何开发有利于吸入和压片加工的粉体，以及制剂科学家所面临的挑战。此外，到访者还可以获得富瑞曼科技最新发布的知识指南，这些以“认识粉体”、“选择恰当的粉体测试仪器”以及“粉体测试的价值”为主题的小册子，旨在为先前对粉体知识缺乏了解的群体提供了宝贵的基础知识，同时，也为所有寻求深入了解影响产品开发及加工特性相关因素的人士提供了有用资源。 更多信息，请访问：www.freemantech.com.cn。Fu Rui Man（富瑞曼）是富瑞曼科技公司注册商标。Powder Rheometer（粉体流变仪）是富瑞曼科技公司商标。富瑞曼科技公司制造的FT4粉体流变仪 关于英国富瑞曼?科技英国富瑞曼?科技是系统测量粉体属性的专家，有十多年粉体流动性和表征的经验。公司大量投资在研发和应用方面，其专家团队通过多功能粉体测试仪——FT4粉体流变仪TM——提供详细的技术咨询。根据粉体的流动性和可加工性，FT4粉体流变仪使用专利保护的动态模式，全自动剪切盒和松装属性测试，来量化粉体的属性。该系统已在全球各种不同的行业中使用。它们所产生的数据能使客户最大程度地理解他们的工艺和产品，加速了研发和配方向商业化的成功转化，并为粉体工艺提供长期的优化方案。英国富瑞曼科技的总部位于英国的格洛斯特郡，在美国和中国拥有全资子公司，在巴西、加拿大、法国、印度、爱尔兰、日本、马来西亚、新加坡、台湾和泰国有分销。2007年公司获得英国“女王奖”以表彰企业的创新能力，2012年再次获得“女王奖”以表彰企业在国际贸易方面的杰出贡献。www.freemantech.com.cn

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！扫描电镜技术在高分子表征研究中的应用ApplicationsofScanningElectronMicroscopyinPolymerCharacterization作者：郑鑫，由吉春，朱雨田，李勇进作者机构：杭州师范大学材料与化学化工学院,杭州,311121作者简介：李勇进，男，1973年生.1996年和1999年在同济大学分别获学士和硕士学位，2002年获上海交通大学博士学位.2002~2011年，历任日本产业技术综合研究所JSPS博士后和研究员.2011年加入杭州师范大学，主要从事高分子材料成型加工研究.先后获得高分子成型加工新锐创新奖(2017年)、冯新德高分子奖提名奖(2018年和2020年)、国际高分子加工学会(PPS)的MorandLambla奖(2019年)、浙江省自然科学奖(2020年)等.摘要扫描电子显微镜(scanningelectronmicroscope，SEM)是表征高分子材料微观结构及其组成信息重要的手段之一，具有操作简便、信号电子种类多样且对样品损伤较小等特点.本文系统阐述了SEM的工作原理，通过与透射电子显微镜(transmissionelectronmicroscope，TEM)进行比较，突出了其优势与特色.详细讨论了该技术的测试方法，包括样品制备、仪器参数设定、操作技巧与图像处理，并揭示了获得高质量SEM图像的关键技术.介绍了SEM不同的信号电子成像、SEM与其他仪器联用及SEM原位分析技术在高分子材料表征中的应用与进展.最后，对SEM的发展趋势进行了展望.AbstractScanningelectronmicroscopy(SEM)isoneofthemostimportanttoolsforthecharacterizationofpolymermaterials' microstructureandcomposition.First,itiseasytooperate thentherearevariouselectronicsignalsavailablewhichcontaindifferentsampleinformationforSEMimaging besides,therearelittlesampledamageduringSEMobservation.Inthiswork,theworkingprincipleofSEMwaselucidatedsystematically.Also,acomparisonwasmadebetweenSEMandTEMwithrespecttoworkingprinciple,resolutionandmagnification,viewanddepthoffield,samplepreparation,sampledamageandpollution.Therefore,theadvantagesandfeaturesofSEMwerehighlighted.Inaddition,theexperimentmethodsofSEMwereillustratedindetail,includingsamplepreparation,instrumentparametersettings,operationskillsandimagetreatment.ThekeyfactorswhichdeterminesthequalityofSEMimagewererevealed.ThemainapplicationsofSEMinpolymercharacterizationwereintroduced.Specifically,thesecondaryelectronsimagingwasusedtoinvestigatethemicrostructureofpolymercomposition,compatibilityofpolymerblends,crystalstructureofpolymer,morphologyofpolymerporousmembrane,biocompatibilityofpolymermaterial,self-assemblebehaviorofpolymerandsoon.Besides,thebackscatteredelectrons,characteristicX-ray,transmittanceelectronswerealsousedtorevealthemorphologyandcompositioninformationofpolymersystems.ThecombinationofSEMwithRamanspectrometerandFocusedionbeamandtheinsituSEMtechniqueswereillustrated.Finally,therecenttrendsofSEMdevelopmentwereprospected.关键词扫描电子显微镜  高分子材料  微观结构  组成信息  应用KeywordsScanningelectronmicroscopy  Polymermaterial  Microstructure  Composition  Application 材料的宏观特性是由其组分及微观结构决定的，因此，深入了解材料的微观结构，明确微观结构与宏观特性之间的内在联系对于开发新材料、提升已有材料性能是至关重要的.电子显微镜技术是探测微观世界的重要研究手段之一，在材料的研究和发展历程中发挥了巨大的作用.电子显微镜是在光电子理论的基础上发展起来的，包括扫描电子显微镜(scanningelectronmicroscope,SEM)和透射电子显微镜(transmissionelectronmicroscopy,TEM)两大类.二者在结构、工作原理、对样品的要求等方面有着本质的区别.下文将对其进行详细阐述.由于二者的成像原理不同，所反映出来的样品信息也不尽相同，因此在实际应用中，往往需要二者相互配合，才能揭示材料最真实的微观结构.与TEM相比，SEM具有更大的视野和景深，样品制备相对简单且对样品厚度要求不严格，并且不容易造成样品的损伤和污染，是快速表征材料微观形貌结构的首选技术.自1965年第一台商用扫描电镜问世以来，经过不断的创新、改进和提高，扫描电镜的种类和应用领域也在不断拓展[1].现有的扫描电镜主要包括钨丝/六硼化镧扫描电镜(SEM)、场发射扫描电镜(FESEM)、扫描透射电镜(STEM)、冷冻扫描电镜(Cryo-SEM)、环境扫描电镜(ESEM)等[2].此外，通过配置功能附件，如X射线能谱仪、X射线波谱仪、阴极荧光谱仪、二次离子质谱仪、电子能量损失谱仪、电子背散射衍射仪等，许多扫描电镜除了研究材料微观结构之外，还兼具微区物相分析的功能[3].鉴于扫描电镜在材料微观结构表征中的重要作用，本文将从扫描电镜的结构与工作原理出发，通过与透射电镜进行对比，突出其性能和特点；详细讨论扫描电镜的实验方法与操作技巧，揭示获得高质量扫描电镜图像的关键技术；总结扫描电镜在高分子材料表征中的应用与最新进展；最后，对扫描电镜的发展趋势进行展望.1扫描电镜的结构与特点1.1扫描电镜的结构扫描电镜的内部结构较为复杂，可分为电子光学系统、样品仓、信号电子探测系统、图像显示与记录系统、真空系统这5个主要部分[3].下文将针对这5个主要部分详细展开.扫描电镜实物图及其主要部件如图1所示.Fig.1TheHitachiS-4800cold-fieldemissionSEManditsmaincomponents.1.1.1电子光学系统电子光学系统主要包括电子枪、聚焦透镜、扫描偏转线圈等.其作用是产生用于激发样品产生各种信号的电子束.为了获得较高的信号强度和图像分辨率，通常要求电子束具有较高的亮度、稳定的束流及尽可能小的束斑直径.因此，电子光学系统是扫描电镜中尤为重要的组成部分.电子枪阴极用来提供高能电子束，常见的有钨丝电子枪、六硼化镧电子枪和冷/热场发射电子枪.表1汇总了几种电子枪的性能及相关参数[4].Table1Severalelectrongunsandthemainperformanceparameter.由电子枪阴极发射的电子束初束尺寸通常较大，需通过聚焦透镜将其大幅度缩小方可照射样品并获得较高分辨率的扫描图像.聚焦透镜分为强激磁、短焦距的聚光镜和弱激磁、长焦距的物镜，二者均通过磁场作用改变电子射线的前进方向而使电子束产生汇聚.扫描系统是扫描电镜一个独特的结构，包含扫描发生器、扫描偏转线圈和放大倍率变换器，其作用是使电子束在样品表面和显示屏中作光栅状同步扫描，以获得样品表面形貌信息.这即是扫描电镜的工作原理，可简单总结为“光栅扫描，逐点成像”.下文将对其进行进一步说明.此外，通过改变电子束在样品表面的扫描振幅还可获得不同放大倍数的扫描图像.1.1.2样品仓样品仓位于物镜的下方，用于放置样品和信号探测器.内设样品台，并提供样品在X-横向、Y-纵向、Z-高度3个坐标方向的移动，以及样品绕自身轴旋转R和倾斜T的动作.通过对这5个自由度的选择性控制，可以实现对样品全方位的观察.其中“Z”方向的距离称为工作距离，通常在2~50mm范围内，工作距离越大，观察的视野越大.1.1.3信号电子探测系统信号探测系统包括信号探测器、信号放大和处理装置及显示装置，其作用是探测样品被电子束激发出的各种信号电子，并经放大转换为用以调制图像的信号，最终在荧光屏上显示出反映样品特征的图像.图2给出了电子束激发样品所产生的主要信号电子，包括二次电子(SE)、背散射电子(BSE)、特征X射线、透射电子(TE)、俄歇电子(AS)、阴极荧光(CL)等，及其所反映的样品性能特征的示意图.而不同的信号电子要用不同的探测系统，目前扫描电镜的探测器有电子探测器、阴极荧光探测器和X射线探测器三大类.Fig.2Theoverviewofmainsignalelectronsgeneratedduringtheinteractionbetweenelectronbeamandsample.1.1.4图像显示与记录系统图像显示与记录系统由显像管和照相机组成.显像管的作用是将信号探测系统输出的调制信号转换成图像显示在阴极射线荧光屏上，并由照相机将显像管显示的图像、放大倍率、标尺长度、加速电压等信息拍摄到底片上.1.1.5真空系统为了确保电子光学系统能正常、稳定地工作，防止样品污染，电子枪和镜筒内部都需要严格的真空度.以场发射扫描电镜为例，通常要靠一台机械泵、一台分子泵和一台离子泵联合完成.真空度越高，入射电子的散射越少，电子枪阴极的寿命越长，同时高压电极间放电、打火等风险隐患也会降低.1.2扫描电镜的性能和特点扫描电镜和透视电镜是分析材料微观形貌的2种常用表征手段.为了明确扫描电镜性能和特点，本文将扫描电镜与同为电子显微镜的透射电镜进行全方面比较说明.1.2.1成像原理结合扫描电镜的结构，其成像原理如下：在高压作用下，由电子枪阴极发射出的电子束初束，经聚光镜汇聚成极细的电子束入射到样品表面的某个分析点，与样品原子发生相互作用而激发出各种携带样品特征的信号电子，通过相应的探测器接收这些信号电子，经放大器放大后进行成像，即可分析样品在电子束入射点处的特征.同时，通过扫描线圈驱动入射电子束在样品表面选定区域作从左到右、从上到下的光栅式扫描，实现对选定区域每个分析点的采样，从而产生一幅由点构成的图像.其工作原理如图3(a)所示.扫描电镜是信号电子成像，主要用来观察样品表面形貌的立体(三维)图像.Fig.3SchemeofthestructureandimagingprincipleforSEM(a)andTEM(b).作为电子显微镜的另一大类，透射电镜的总体工作原理与扫描电镜有着显著差别[2].在透射电镜中，由电子枪发射出的电子束初束同样通过聚光镜汇聚成极细的电子束照射在极薄的样品(50~70nm)上.与扫描电镜不同的是，透射电镜通过穿过样品的电子，即透射电子，来反映样品的内部结构信息.携带了样品信息的透射电子经过物镜的汇聚调焦和初级放大后，形成第一幅样品形貌放大像；随后再经过中间镜和投影镜的2次放大，最终形成三级放大像，以图像或衍射谱的形式直接投射到荧光屏上，通过配有电荷耦合器件(chargecoupleddevice,CCD)的相机拍照或直接保存在计算机硬盘中.其工作原理如图3(b)所示.透射电镜是透射成像，用来观察样品在二维平面内的形态和内部结构.1.2.2分辨率和放大倍数分辨率表示对物点的分辨能力，指的是能够清晰地分辨2个物点的最小距离.显微镜的理论分辨率(γ0)可用贝克公式(公式(1))表述.显然，仪器所用光源波长越短，分辨率越高.根据德布罗意公式(公式(2))和能量公式(公式(3))，电子显微镜的电子束波长随加速电压增加而缩短，进而明显提高电子显微镜的分辨率.而仪器的有效放大倍率(M有效)与仪器的理论分辨率是直接相关的.由公式(4)可知，仪器分辨率越高，有效放大倍率越大.当仪器分辨率确定后，其有效放大倍率也随之确定.因此，分辨率才是评价显微镜的核心指标.而我们通常意义上说的放大倍率实际是图像放大倍率，也即屏幕输出比(M)(公式(5)).在超高真空条件下，扫描电镜的水平和垂直分辨率分别可达0.14和0.01nm.放大倍数从10倍到1.5×106倍连续可调；透射电镜的最高分辨率可达0.1nm，放大倍数从几百倍到1.5×106倍连续可调.式中λ为光源波长，n为显微镜内介质的折光率(真空环境时n=1)，α为透镜孔径半角.式中h为普朗克常数，m为电子质量，v为电子运动速度.式中e为电子电荷量，U为加速电压.式中γe为人眼分辨率(0.2mm).式中Lm为荧光屏成像区域边长(通常为10cm)，Ls为电子束在试样上的扫描区域边长.1.2.3视野和景深视野指的是能看到的被检样品的范围，与分辨率和放大倍率有关；景深指可获得清晰图像的深度范围.扫描电镜的视野(10mm~10μm)比透射电镜(1mm~0.1μm)大得多，景深也比透射电镜大.如图4所示，扫描电镜图像更有立体感，更适合观察样品凹凸不平的细微结构[5].Fig.4TheSEM(a)andTEM(b)imagesforthesamesample(ReprintedwithpermissionfromRef.[5] Copyright(2019)ElsevierLtd.).1.2.4样品制备扫描电镜的样品制备比较简单，对样品的厚度要求不严格，不导电的样品要经过镀膜导电处理(后文将以高分子材料为例，详细介绍扫描电镜样品的制备方法)，强磁性样品需消磁后方可观察；而对于透射电镜来说，电子必须穿过样品才能成像，因此样品要很薄，通常要经过特殊的超薄切片进行制备，过程相对复杂.1.2.5样品的损伤和污染在用扫描电镜观察样品时，照射在样品上的束流(10-10~10-12A)、电子束直径(5nm)和加速电压(2kV)都较小，故电子束能量较低.此外，电子束在样品上做光栅状扫描，因此观察过程中对样品的损伤和污染程度较低；而使用透射电镜时，为了使图像有足够的亮度，要用较强的束流(~10-4A)和加速电压(100kV)，因此电子束能量较高，且固定照射在样品的某处，因此引起样品的损伤程度较大，易造成样品和镜筒的污染.综上所述，扫描电镜的性能和特点显著，如成像立体感强，放大倍数范围大、分辨率高，不仅对样品具有普适性，且制样简单，观察时对样品的损伤和污染小，此外还可以通过调节和控制各种影响成像的因素和参数来改善图像质量(详见下文)，因此是观察材料显微结构的重要工具.2实验方法与技巧要获得一幅优质的扫描电镜图像，需掌握样品制备技术、熟知操作要点并对图像进行必要的处理.下文将以高分子材料为例，对扫描电镜的实验方法与操作技巧进行阐述.2.1样品制备高分子材料扫描电镜样品的制备方法根据要观察的部位、样品形态及高分子本身的性质有所不同.观察块状或薄膜样品表面时，只需将大小合适的样品表面朝上用导电胶黏贴在样品台上；观察块状或薄膜样品内部结构时，通常要将样品置于液氮中，通过淬断获得维持形貌的断口，然后再将断口朝上用导电胶固定在样品台上进行观察.对于较薄且自支撑性较差的薄膜样品，可带支撑层一起淬断.如将载有纳米纤维膜的锡箔纸，或将纤维膜浸水之后进行淬断，更便于得到其断面.此外，黏贴样品时应尽量保持样品平稳、牢固，减少样品与导电胶之间的缝隙，以增加其导电和导热性.有时，为了分辨高分子复合体系的组分分布情况，还需要对样品进行适当的刻蚀，利用选择性溶剂去除复合体系中的某一相，以暴露更多微观细节[6~8]，之后再进行清洗、干燥、黏贴、镀膜等步骤.观察粉末样品时，要保证粉末与样品台粘接牢固，在样品仓抽真空时不会飞溅导致电镜污染.根据粉末样品的尺寸，可选择用干法或湿法来制备扫描样品.其中，干法适用于制备尺寸大于2μm的粉末样品.通常在导电胶上负载薄薄一层粉末样品后，要用洗耳球等从不同方向吹掉粘接不牢固的粉末；湿法适用于制备尺寸在2μm以下的粉末样品.首先选择合适的分散液(如水、乙醇等)，将粉末样品通过超声处理均匀地分散在其中，随后用滴管将样品溶液滴加到硅片上，待溶剂挥发后固定在样品台上进行下一步处理.对于导电性好的高分子样品，只要用导电胶将要观察的部位朝上粘接在样品台上即可观察[9,10]；而大部分高分子材料都是绝缘的，经过高能电子束的持续扫描，样品表面会产生电荷积累，不仅会排斥入射电子，还会干扰信号电子，影响探测器对信号电子的接收，造成图像晃动、亮度异常、出现明暗相间的条纹等现象.这就是所谓的“荷电效应”[11~13].为了解决这个问题，除了要用导电胶将其粘接在样品台上，还可以选择对其进行镀膜处理以提高样品的导电性[11].通常，5nm的镀膜厚度足以改善样品的导电性.对于具有特殊结构的样品，如表面不致密或者起伏较大的样品，可以适当增加镀膜厚度.常用的镀膜材料有碳膜、金膜、银膜、铂膜等.其中，金膜二次电子产率高、覆盖性好，在中低倍(1.5×104倍)以下观察时较常使用.在进行更高放大倍数、更高分辨率分析时，通常会选择颗粒较小的铂膜或金-铂合金膜.而镀膜可以通过真空镀膜和离子溅射镀膜技术来实现.镀膜层的厚度以能消除荷电效应为准.但是，镀膜会掩盖一些样品的微观形貌细节，使得观察结果产生偏差；此外，对于还要进行能谱分析的样品，镀膜也会对结果产生不利影响.此时，可以选择在低压模式下对样品进行观察(详见3.4节)，即使不镀膜也可以观察到细微的结构.当使用常规扫描电镜观察时，磁性样品要预先消磁，所有样品还需要经过彻底的干燥处理后方可观察.2.2实验技巧2.2.1仪器参数样品制备完成后，需要对扫描电镜进行操作，调整相应的参数，获取扫描电镜图像.通常，一幅优质的扫描电镜图像要能够清晰、真实地反映样品的形貌，需具备较高的分辨率、适中的衬度、较高的信噪比、较大的景深等.其中，信噪比指一个电子设备或者电子系统中信号与噪声的比例.当扫描过程中采集的信号电子数量太少时，仪器或测试环境的噪声太大，信噪比太低，会导致显示屏上出现雪花状噪点，从而掩盖了样品图像的细节.而较高的分辨率是高质量扫描电镜图像的首要特征.此外，图像的分辨率、衬度、信噪比、景深等特征之间是相互关联的，通过调整电镜的参数可以改变上述特征发生不同效果的变化.(1)加速电压加速电压升高，束斑尺寸减小，束流增大，有利于提高图像的分辨率和信噪比.此外，升高加速电压还能提高二次电子的发射率，但与此同时，电子束对样品的穿透厚度增加，电子散射增强，这些反而会导致图像模糊、分辨率降低.因此，应根据样品的实际情况进行适合的选择.对于高分子材料来说，由于其耐热性和导电性均不佳，为了避免观察、拍摄过程中样品发生热损伤及荷电效应导致图像不清晰，应适当采取较低的加速电压.(2)束流束流是表征入射电子束电子数量的参数，束流与束斑直径之间的关系可用公式(6)表示：其中，i束流，d是束斑直径，β是电子源的亮度，α是电子探针的照射半角.由此公式可知，当其他参数不变时，束流增大，束斑尺寸也会相应变大，此时分辨率会下降，而由于束流增大有利于激发出更多的信号电子，故信噪比提高.所以，束流对分辨率和信噪比的影响是相反.通常，随着观察的放大倍数增加，图像清晰度所要求的分辨率也要增加，因此可适当减小束流，而信噪比可以通过其他途径，如延长扫描时间等手段来弥补.(3)工作距离工作距离是指物镜最下端到样品的距离，对入射至样品表面的电子束的束斑尺寸有直接影响.缩短工作距离可以减小束斑尺寸，进而提高图像分辨率.然而，缩短工作距离会导致电子束入射半角α增大，因此景深变小，图像立体感变差.因此，要得到高分辨率的图像时，需选择较小的工作距离(5~10mm)；而要观察立体形貌时，可选用较长的工作距离(25~35mm)，获得较大的景深.(4)物镜光阑物镜是扫描电镜中最靠近样品的聚光镜，多数扫描电镜在物镜上都设有可动光阑，用于遮挡非旁轴的杂散电子并限定聚焦电子束的发散角，同时还兼具调节束斑尺寸的功能.所用的光阑尺寸越小，被遮挡的杂散电子越多，在一定的工作距离下，孔径半角越小，因此景深变大，图像立体感变强，同时束斑尺寸减小，图像分辨率提高.另一方面，光阑孔径小会导致入射电子束束流减小，激发出的信号电子数量减少，导致信噪比变差.因此，对于放大倍率不高的扫描样品，或者需要使用能谱仪对样品微区进行化学组成成分分析时，应选用较大孔径的光阑，获得较大的束流和较高的信噪比.通过上述分析可知，影响扫描电镜图像质量的各个因素之间是有内在联系的，在实际操作过程中，需根据样品的自身性质及拍摄的具体需求选择合适的条件参数.2.2.2操作要点为了获得高质量的扫描电镜图像，除了选择合适的仪器参数，还应掌握正确的操作方法.(1)电子光学系统合轴在扫描电镜中，由电子枪阴极发射的电子束通过聚光镜、物镜及各级光阑，最终汇聚成电子探针照射到样品表面并激发出电子信号.其中，到达样品表面的电子束直接决定了扫描电镜的图像质量.因此，在观察样品前必须使上述各部件的中轴线与镜筒的中轴线重合，使得电子束沿中轴线穿行，将光学系统的像差减到最小，这就是“合轴”‍.合轴主要通过镜筒粗调和电子束微调来实现.镜筒粗调又称机械合轴，一般仪器安装后会由专业的维修工程师进行操作.此外，仪器使用过程中发现光斑偏离过大也需要进行机械合轴.以日立SU8000扫描电镜为例，通过调节对应位置的螺丝和旋钮，依次进行电子枪、聚光镜光阑、物镜光阑、各级聚光镜、像散合轴等，此时屏幕中心应会出现一个既圆又亮的光斑，说明机械合轴完成.随后，还要利用扫描电镜的对中电磁线圈所产生的磁场拖动电子束进行精确合轴，又称电子对中.相较于机械对中，电子对中幅度小、合轴精确度高，一般在完成机械对中的基础上进行.实际使用扫描电镜时，如在调焦或消像散时发现图像位置移动，说明电子束对中出现问题，需对其进行校正.电子对中可通过倾斜(tilt)和平移(shiftX/Y)实现.Tilt用于调整电子束的发射倾斜角度，ShiftX/Y用于电子束平面X、Y方向的移动.在调整过程中注意观察图像的亮度，亮度最大时调整结束.(2)放大倍数和视野选择根据观察要求，选择合理的放大倍数及视野，确保观察部位具有科学意义，通过观察到的样品形貌能够回答要解决的研究问题.此外，所观察的画面和角度要符合传统的美学观点，同时具有良好的构图效果.(3)电子束聚焦和相散消除电子束聚焦和相散消除是电镜操作中最核心的步骤.聚焦是指通过旋转Focus旋钮调节物镜的励磁电流，使其在欠焦、正焦、过焦这3种状态下反复切换，并通过对比图像的清晰度来确认正焦的位置，此时束斑直径最小.调焦过程中电子束在样品表面的变化如图5所示.在过焦和欠焦状态下，图像在相互垂直的方向上出现拉长的现象，且在正焦状态下也不清晰，此时就表明出现了像散.在消除像散时，首先要把图像聚焦到正焦状态，随后通过调节消像散器的X、Y旋钮，辅以调焦操作，并观察图像是否被拉长，再根据实际情况，重复上述过程，直到图像清晰为止.图5也展示了不同聚焦状态下有无像散的电子束斑形状及尺寸.显然，消除像散后正焦时电子束斑尺寸更小，因此此时的图像具有更高的清晰度.Fig.5Theshapeandsizechangeofelectronbeamduringfocusingprocessbeforeandaftertheastigmatismbeingeliminated.(4)衬度和亮度调整图像中最大亮度和最小亮度的比值就是图像的衬度，也称对比度或反差，可通过改变扫描电镜中光电倍增管的电压进行调整.亮度则是通过改变电信号的直流成分进行调节.实际上，反差增强时直流成分也会增加，因此相应地亮度也会提高.在进行扫描电镜观察与拍摄时，应交替调节衬度和亮度，保证图像具有清晰的细节和适当的明暗对比.(5)扫描速度调整扫描速度要结合样品自身的性质与观察要求进行调整.通常情况下，低倍观察时用快速扫描，高倍观察时用慢速扫描.当图像要求高分辨率时常用慢速扫描.对于导热性和导电性较差的高分子材料，为避免热损伤和荷电效应，通常要采用快速扫描.(6)样品台角度调整表面较为光滑的样品通常其形貌衬度较弱，通过调整样品台的角度，可以使更多二次电子离开倾斜的样品表面，提高信号电子的强度(如图6所示)，进而改善图像衬度和分辨率[14].Fig.6TheSEescapedfromthehorizontal(a)andtilted(b)sample.(7)图像拍摄在实际观察与拍摄时，通常要先在较低的倍率下对整个样品进行观察，之后选择具有代表性的区域再进行放大.遵循“高倍聚焦、低倍拍照”的原则，在高于所需拍摄放大倍数的状态下(1.2~2倍放大倍数)进行聚焦，后回调至所需放大倍数进行拍照，可获得清晰度更高的图像.此外，为了使SEM图像更具有代表性和准确性，一方面，要对具有代表性的观察区域进行一系列放大倍数的拍摄，此时可按从高倍率到低倍率的顺序进行拍摄，过程中无需反复执行电子束聚焦的步骤，仍可获得高清晰度的图像；另一方面，也要进行多点观察，即对样品不同区域进行观察.2.3图像处理图像处理是指在探测器的后续阶段，通过各种图像处理技术，对图像的衬度、亮度或噪声等进行改善，获得一幅细节更清晰、特征更明显的图像.在此过程中，不应改变样品的原始信息.表2总结了仪器参数和操作要点对图像质量的影响[3,4].Table2TheinfluencefactorsoftheSEMimagesandthecorrespondingadjustment.3扫描电镜在高分子材料表征方面的主要应用总体而言，扫描电镜是一个功能十分强大的测试平台，除了最基本的成像功能之外，通过搭配不同的信号电子探测器，或与其他仪器(如拉曼光谱、单束聚焦离子束系统等)联用，或引入原位分析手段等方法，可以对材料的微观结构、元素、相态等进行分析.3.1不同信号电子在高分子材料表征方面的应用常用于高分子材料表征的信号电子为二次电子(SE)、背散射电子(BSE)、特征X射线、透射电子(TE).其中，SE、BSE和特征X射线对样品厚度没有要求，当高能电子束入射至样品后，这3类信号电子的逃逸深度及大致对应的扫描电镜图像分辨率如图7所示[15].而TE要求样品的厚度在100nm以下，因此需要超薄切片处理，且为了获得足够的衬度，通常要对共混物的其中一个组分进行染色处理.通过在SEM平台搭配不同的信号电子探测器，可以得到不同的SEM成像方式.Fig.7TheescapedepthofSE,BSEandcharacteristicX-rayandtheirapproximateimageresolution.3.1.1二次电子成像高能入射电子与样品原子核外电子相互作用使其发生电离形成自由电子，并克服材料的逸出功，离开样品的信号电子即为二次电子SE，其产额为每个入射电子所激发出的二次电子平均个数.二次电子是扫描电镜中应用最多的信号电子.由于其能量较低且容易损失，只有样品表面或亚表面区域所产生的二次电子才能离开样品到达探测器[16].此外，表面形貌的变化对二次电子产额影响较大，图8展示了不同表面形貌，如尖端、平面、斜面、空洞、颗粒等，对二次电子产额的影响.显然，凸出的尖端、较为倾斜的面以及颗粒在经电子束照射后逃逸的SE较多[17].在成像时，SE产额较多的表面形貌通常更亮.这种由于形貌差异导致的图像亮度不同而获得的图像衬度即为形貌衬度.二次电子提供的形貌衬度是扫描电镜最常用的图像衬度.通过搭配二次电子探测器，可以做如下研究：Fig.8SchemeoftheSEyieldondifferentsurfacemicrostructure.(1)高分子复合材料微观结构以高分子为基体，通过引入增强材料(如各种纤维[18~20]、晶须[21~23]、蒙脱土[24,25]、粒子[26~28]等)作为分散相，可以获得具有优异特性的复合材料.通常，其性能强烈依赖于增强材料的尺寸、分散性等.SEM在开发高性能高分子复合材料中发挥了重要作用.于中振等制备了一种具有良好电磁屏蔽性能的聚苯乙烯(PS)/热还原氧化石墨烯(TGO)/改性Fe3O4纳米粒子的复合材料[29].由扫描电镜图像可以清晰地分辨不同形貌的填料，如改性的零维Fe3O4颗粒结构(图9(a))与二维还原氧化石墨烯(RGO)的片层结构(图9(b)).此外，扫描电镜图像也能反映填料的分散情况.如图9(a)，RGO在PS基体中表现出明显的聚集，而从图9(c)可见，TGO和改性的Fe3O4纳米颗粒(Fe3O4-60)在PS基体中可以很好地分散.图9(c)所显示的具有许多小空间的微观结构有利于电磁波的衰减.Fig.9SEMimagesof(a)PS/RGO,(b)PS/Fe3O4-60and(c)PS/TGO/Fe3O4-60composites(ReprintedwithpermissionfromRef.[29] Copyright(2015)ElsevierLtd.).刘欢欢等通过扫描电镜对MWCNTs在PP基体中的分散进行了观察，扫描电镜图像中PP基体和MWCNTs表现出明显的衬度差异(图10(a))，是由于二者不同的形貌造成的[30].在较暗的PP基体中出现了大块较亮的MWCNT团聚体，说明其分散性较差.通过引入马来酸酐接枝PP(MAPP)作为增容剂，同时引入Li-TFSI离子液体帮助MWCNTs分散后，图10(b)的扫描电镜图像呈现均一的衬度和亮度，说明此时MWCNTs在PP基体中的分散性有大幅改善.Fig.10SEMimagessofimpactfracturesurfaceofPP/MWCNTs(a)andPP/MWCNTs/Li-TFSI/MAPP(b)(ReprintedwithpermissionfromRef.[30] Copyright(2019)ElsevierLtd.).(2)高分子共混体系相容性对现有高分子材料进行共混是获得高性能新材料的有效途径.共混体系组分之间的相容性是共混改性的基础，其对共混体系的性能起到了决定性的作用[31].因此，对共混体系相容性的研究十分重要，通常要用多种方法，如DSC、FTIR、NMR、SEM等，从不同角度进行研究分析[32].其中，SEM可以直接反应共混物的相形貌，能粗略、直观表征共混体系的相容程度，因此相较于其他方法应用更为广泛.近年来，李勇进和王亨缇等针对不相容共混体系做了一系列工作，通过设计合成并添加反应性增容剂，制备了众多高性能功能化的高分子共混物[5,33~39].在其工作中，大量运用扫描电镜对增容共混体系的相结构、微区尺寸、两相界面等进行研究，并结合透射电镜与红外等其他表征手段，系统研究了不同反应性增容剂的增容机理.图11(a)的扫描电镜图像中，较大的分散相尺寸以及较差的界面黏附性说明了增容前的共混体系是完全热力学不相容的；加入反应性接枝共聚物作为增容剂后，分散相尺寸明显细化，并形成了双连续的相形貌，同时界面也有显著增强(如图11(b)所示).图11(c)的透射电镜图像同样印证了增容后共混体系相容性得到改善的结论[36].Fig.11(a)SEMimageofpolyvinylidenefluoride(PVDF)/poly(lacticacid)(PLLA)=50/50blendwithoutcompatibilizer SEM(b)andTEM(c)imagesofPVDF/PLLA=50/50blendwithcompatibilizer(ReprintedwithpermissionfromRef.[36] Copyright(2015)AmericanChemicalSociety).(3)高分子的晶态结构晶态和非晶态结构是高分子最重要的2种聚集态，其对材料的性能有着重要的作用.扫描电镜为研究高分子的结晶形态提供了更直观的视角[40~42].为了更清晰地观察晶体及其细微结构，如片晶等，通常要对样品进行选择性的刻蚀，以去除晶体中的无定形区[43~46].Aboulfaraj等用扫描电镜对等规聚丙烯(iPP)的球晶结构进行了详细的研究[46].扫描样品经抛光处理，得到平整、光滑的观察面，随后浸泡在含1.3wt%高锰酸钾、32.9wt%浓H3PO4和65.8wt%浓H2SO4的混合溶液中去除PP球晶中的无定型部分，经清洗、干燥、喷金后用扫描电镜进行观察.从图12(a)~12(d)的SEM图像中可以分辨出衬度明显不同的2种PP的球晶结构，其中暗的是α-球晶而亮的是β-球晶.之所以出现这种对比效果，与电子束照射在不同表面形貌的样品上时二次电子的产额不同有关.首先，α-球晶的片晶沿径向和切向交互贯穿呈互锁结构，因此刻蚀后表面平整，在进行扫描电镜观察时，入射电子的径向扩散很弱；作为对比，β-球晶以弯曲的片晶和束状晶体结构为特征，因此刻蚀后表面较为粗糙，可以产生更多的二次电子供探测器接收.通过调整样品台的旋转角度，可以根据衬度的变化清楚地分辨出PP的2种球晶.不同旋转角度对应不同二次电子的产额，如图12(e)和12(f)所示.Fig.12SEMimagesofPPplateobservedatdifferenttiltangles:(a)0°,(b)20°,(c)40°and(d)60° Schemeofthereflectionoflightraysbytheetchedsectionsofα‍-andβ‍-spherulitesunderconditionsofdirect(e)andlow-angle(f)illumination.(ReprintedwithpermissionfromRef.[46] Copyright(1993)ElsevierLtd.).傅强等用扫描电镜研究了高密度聚乙烯(HDPE)/多壁碳纳米管(MWCNTs)复合材料注塑样品从皮层到芯层的微观结构和晶体结构[44].扫描样品同样经过了刻蚀处理.扫描电镜图像明显揭示了复合材料中的纳米杂化shish-kebab晶体，其中CNTs作为shish，而HDPE的片晶作为kebab(图13).此外，由于注塑成型过程中的剪切梯度和温度梯度的影响，纳米杂化shish-kebab晶体结构沿着复合材料注塑样条厚度方向发生变化.Fig.13SEMmicrophotographofthenanohybridshish-kebabatthelayerof400μmalongthethicknessdirectionintheHDPE/MWCNTscomposite.ThesamplewasetchedbeforeSEMobservation.(ReprintedwithpermissionfromRef.[44] Copyright(2010)ElsevierLtd.).此外，扫描电镜在研究结晶-结晶[45,47~49]、结晶-非晶[50,51]聚合物共混体系中的晶体形态方面也有重要的应用.李勇进等系统研究了聚乳酸(PLLA)/聚甲醛(POM)结晶/结晶聚合物共混体系的结晶形态及结晶动力学，通过用氯仿刻蚀掉共混物中的PLLA组分，利用扫描电镜对POM的结晶形态、PLLA的分布等进行了研究[45].由图14可见明显的聚甲醛环带球晶结构，说明即使在PLLA存在的情况下，POM仍会发生结晶形成连续的晶体框架.此外，在POM的环带球晶中观察到许多周期分布的狭缝孔，说明此处原本是PLLA的聚集区.Fig.14SEMimagesobtainedfromquenched(a),141℃(b)and151℃(c)isothermallycrystallizedPOM/PLLA=50/50blendinwhichthePLLAwasetched.(ReprintedwithpermissionfromRef.[45] Copyright(2015)AmericanChemicalSociety).(4)高分子多孔膜的形貌表征膜分离技术是解决水资源、能源、环境等领域重大问题的有效手段，其核心是分离膜[52,53].高分子多孔膜是一类成本相对较低、应用较为广泛的分离膜，但由于其普遍疏水的特性，在实际应用中容易造成污染，导致膜孔堵塞，通量下降，分离效率降低等问题[54].广大专家学者发展了多种改性方法来提高高分子多孔膜的亲水性及防污性[55~59].扫描电镜在开发高性能多孔膜的过程中发挥了重要的作用.徐志康等利用扫描电镜对比了改性前后PP微孔膜的表面孔形貌变化[60]；魏佳等研究了不同Gemini表面活性剂体系对多孔膜污染类型及堵塞指数的影响，并用扫描电镜对膜表面形貌和污损情况进行了观察[61]；靳健等用扫描电镜表征了聚酰胺(PA)纳滤膜(NF)表面褶皱结构的形成过程[62].从图15的扫描电镜图像中可以清晰地分辨纤维结构、纳米颗粒结构、孔结构及随着反应时间延长所产生的形貌变化.Fig.15Thepreparationofpolyamide(PA)nanofiltration(NF)membranewithcrumpledstructures:Top-viewSEMimagesofpristinesingle-walledcarbonnanotube(SWCNTs)/polyethersulfone(PES)compositemembrane(a),polydopaminemodifiedMOFZIF-8nanoparticles(PD)/ZIF-8loadedSWCNTs/PEScompositemembrane(b)andmorphologychangeofthemembraneimmersedintowaterindifferenttimeafterinterfacialpolymerizationreactiononPD/ZIF-8nanoparticlesloadedSWCNTs/PEScompositemembrane(c-f)(Thescalebarofimagesis1μm).(ReprintedwithpermissionfromRef.[62] Copyright(2018)SpringerNatureLimited).(5)高分子材料的生物相容性聚醚砜(PES)是一类十分重要且应用十分广泛的生物医用膜材料，表现出优异的化学稳定性、机械性能及成膜性[63].然而，其疏水性极大地限制了其在临床领域的应用.为了提高PES作为血液透析膜的使用性能，赵长生等展开了一系列改性研究，旨在改善PES膜的血液相容性[64~66].通过扫描电镜观察血小板在生物材料表面的黏附情况是评估材料血液相容性的重要手段.由图16所示的扫描电镜图像可见，未改性的PES膜有较多的血小板黏附，说明血液相容性较差；而改性过后的PES膜血小板黏附情况有明显改善，对应了较好的血液相容性[65].Fig.16SEMmicrographsoftheadheredplateletsonsurfacesofPES(a)andmodifiedPESHMPU-2(b)andHMPU-8(c).(ReprintedwithpermissionfromRef.[65] Copyright(2014)ElsevierLtd.).(6)高分子自组装行为高分子自组装可以获得具有特定结构和功能的聚合物超分子体系.利用扫描电镜对其组装结构进行观察是揭示其构效关系的重要手段.ByeongduLee等合成了一系列不同接枝密度的嵌段共聚物，并利用SEM对的自组装形貌进行了研究[67].如图17所示，所合成的聚乳酸-聚苯乙烯嵌段共聚物(PLA-b-PS)自组装成了长程有序的片层状结构，且从扫描电镜图像中可以明显看出，随着接枝密度的降低，其片层尺寸也有明显的减小.SEM观察到的这种标度行为为嵌段共聚物及其材料的设计提供了新的思路.Fig.17SEMimagesofpoly(D,Llactide)‍-b-polystyrene(PLA-b-PS)with(a)z=1.00,(PLA)100-b-(PS)100 (b)z=0.75,(PLA0.75-r-DME0.25)110-b-‍(PS0.75-r-DBE0.25)110 (c)z=0.50,(PLA0.5-r-DME0.5)104-b-‍(PS0.5-r-DBE0.5)104 and(d)z=0.25,(PLA0.25-r-DME0.75)112-b-‍(PS0.25-r-DBE0.75),inwhichthegraftingdensities(z)changedbysubstitutingPLAwithendo,exonorbornenyldimethylester(DME)andPSwithendo,exonorbornenyldi-n-butylester(DBE).(ReprintedwithpermissionfromRef.[67] Copyright(2017)AmericanChemicalSociety).2004年，颜德岳和周永丰等创新性地制备了一类两亲性超支化多臂共聚物，其可以在丙酮溶剂中自组装成宏观多壁螺旋管，首次实现了具有不规整分子结构的超支化聚合物的溶液自组装及分子的宏观自组装[68].在之后的工作中，高超和颜德岳等利用这类两亲性超支化聚合物制备了具有高度有序蜂窝状孔结构的多孔膜，并用SEM对其结构进行了详细研究[69].从图18(a)的扫描电镜中可以明显观察到，几乎所有孔都是规整均匀的六边形孔，孔径宽度为5~6mm.此外，由图18(b)和18(c)可见，每个六边形单元都像一个有六面双层墙壁的巢室.这里应用了2个扫描电镜的观察技巧：图18(b)是将样品台倾斜了45°所观察到的形貌，而观察图18(c)时所使用的加速电压高于20kV，此时被顶层覆盖的下层骨架也可以显示出来.Fig.18RepresentativeSEMimagesofthehoneycombpatternedfilmspreparedfromanamphiphilichyperbranchedpoly(amidoamine)modifiedwithpalmitoylchloride(HPAMAM10KC16)onasiliconwafer(a-c).Thesamplewastilted45°intheimagesof(a)and(b).Theacceleratingvoltagewas20kVfor(c).Thescalebarsare20mm(a),2mm(b),5mm(c).(ReprintedwithpermissionfromRef.[69] Copyright(2007)Wiley-VCHVerlagGmbH&Co.KGaA,Weinheim).3.1.2背散射电子成像高能入射电子受到样品原子核的散射而大角度反射回来的电子称为背散射电子BSE，其产额为样品所激发的背散射电子数与入射电子数的比值.当加速电压大于5kV时,背散射电子产额可用公式(7)表示[3]：其中，φ为样品倾斜角，Z为原子序数.显然，背散射电子的产额随样品倾斜角和原子序数的增加而增加，尤其原子序数越高时，其对应的背散射电子图像越亮[70].这种由于原子序数差异导致的图像衬度称为成分衬度.通过在高分辨扫描电镜平台上搭配背散射电子探测器，不仅可以对高分子材料的总体相形态进行分析[71~73]，还可以显示出更细节的片晶结构[74,75].其优势在于，BSE成像既不需要像TEM那样的超薄样品，也不需要像二次电子检测或原子力显微镜成像的高压，仍可以显示出较高的衬度、分辨率和信息量.张立群等用原位动态硫化的方法制备了一种可再生的热塑性硫化橡胶(TPV)作为3D打印材料，该TPV包含一种生物基弹性体PLBSI和聚乳酸PLA[72].SEM-BSE图像清晰了反映了动态硫化过程中共混体系的相态变化，其中PLA是亮相而PLBSI是暗相(如图19所示).此外，Bar等利用SEM-BSE观察了聚丙烯共聚物、乙丙共聚物等样品的片晶结构[75].不同于SE成像时通过形貌衬度观察结晶性高分子的晶体及其片晶结构，BSE成像则是通过成分衬度突出片晶形貌.Fig.19SEM-BSEmicrographsofpoly(lactate/butanediol/sebacate/itaconate)bioelastomers/poly(lacticacid)(PLBSI/PLA)(70/30)thermoplasticvulcanizate(TPV)samplescollectedatA(a),B(b),C(c),D(d),E(e)andF(f)pointintorquecurvewhichvariedwithblendingtime(g)andthechemicalreactionofinsitudynamicalvulcanization(h).(ReprintedwithpermissionfromRef.[72] Copyright(2017)ElsevierLtd.).3.1.3X射线能谱分析高能入射电子作用于样品后，部分入射电子打到核外电子上，使原子的内层(如K层)电子激发并脱离原子，而邻近外层(如L层)电子会填充电离出的电子穴位，同时产生特征X射线，如图20所示.该X射线的能量为邻近壳层的能量差(ΔE=EK－EL=hc/λkα)[3].由于不同原子壳层间的能量差值不同，因此利用能量色散X射线光谱仪(EDX)对特征X射线的能量进行分析，可以研究样品的元素和组成[76~80].需要注意的是，EDX通常用于分析原子序数比硼(B)大，含量在0.1%以上的样品，且加速电压必须大于被测元素线系的临界激发能，加速电压对分析的深度、面积、体积等起到重要影响.此外，EDX又包括3种分析方法：点分析、线扫描分析及面分布分析.其中，点分析是指高能入射电子固定在某个分析点上进行定性或定量的分析，当需要对样品中含量较低的元素进行定量分析时，通常只能选用点分析方法；线扫描可以分析样品中特定元素的浓度随特征显微结构的变化关系，是电子束沿线逐点扫描的结果；面分布分析则是指高能入射电子在某一区域做光栅式扫描得到元素的分布图像，又称Mapping图.背散射电子像可以通过图像衬度粗略反映出所含元素的原子序数差异，而特征X射线的Mapping图则可以精确反映出元素构成及其富集状态.在Mapping图中，不同元素可以用不同颜色进行区分，元素富集程度不同则元素的颜色深度不同，因此可以获得彩色的衬度图像.该衬度为元素衬度.在上述的3种分析方法中，点分析灵敏度最高，面分布分析灵敏度最低，但可以直接观察到相分布、元素分布的情况及均匀性.具体实验中，应根据样品自身特点及分析目的等选择合理的分析方法.图21(a)、21(b)和21(c)~21(e)分别为典型的EDX点、线、面分析结果[78,79].Fig.20ThegenerationmechanismofcharacteristicX-ray.Fig.21PointEDXscanonoutersurfaceoftheglassfiber(a)(ReprintedwithpermissionfromRef.[78] Copyright(2011)AmericanSocietyofCivilEngineers) lineEDXscanforCainglassfiber-reinforcedpolymer(GFRP)(b)(ReprintedwithpermissionfromRef.[78] Copyright(2011)AmericanSocietyofCivilEngineers) SEMimage(c)andthecorrespondingEDXmappingscanspectraofC(d)andF(e)elementofpoly(acrylicacid)graftedPVDF(G-PVDF)hollowfibermembrane.(ReprintedwithpermissionfromRef.[79] Copyright(2013)ElsevierLtd.).3.1.4透射电子成像当样品厚度低于100nm时，部分高能入射电子可以穿透样品，从样品下表面逃逸，这部分信号电子称为透射电子TE，其携带了样品内部的结构信息.扫描透射电子显微镜(STEM)是一种通过位于样品正下方的TE探测器接收TE信号的新型SEM，它同时具备了TEM信息量丰富和SEM分辨率较高的优势.在高分子材料表征中，可以利用STEM得到样品的内部形貌、化学成分及晶体结构等信息[36,81~85].如图22(a)和22(b)所示，STEM及其EDX元素分析为研究反应性增容体系的内部形貌及增容剂纳米胶束的分布提供了直观的图像[36]；图22(c)的STEM图像揭示了嵌段共聚物的微相分离结构[84]；此外，STEM还可用于观察聚合物的片晶结构，由于晶区密度高于无定形区密度，这种密度差提供了衍射衬度，故在STEM图像中晶区更明亮而无定形区较暗(图22(d))[83].Fig.22STEMimagesoftheselectivedispersionofnanomicellesinP((S-co-GMA)‍-g-MMA)compatibilizedPVDF/PLLA=50/50blend(a)anditscorrespondingFelementmapping(b),thesamplewasstainedbyRuO4.(ReprintedwithpermissionfromRef.‍[36] Copyright(2015)AmericanChemicalSociety) STEMimage(darkfieldTEMmode)ofpolystyrene-polyisopreneblockcopolymer(PSt-PI-1)(c),inwhichthebrightanddarkpartsareattributedtothePImoietiesWstainedwithOsO4andPStmoieties,respectively(ReprintedwithpermissionfromRef.‍[84] Copyright(2008)TheRoyalSocietyofChemistry) STEMimageofHDPEspecimenshowingdiffractioncontrastoflamellae(d)(ReprintedwithpermissionfromRef.‍[83] Copyright(2009)AmericanChemicalSociety).综上所述，本文对SE、BSE以及特征X射线成像的特点进行了总结，详见表3.Table3Featuresofimagesobtainedfromdifferentsignalelectrons.3.2SEM与其他仪器联用在高分子材料表征方面的应用3.2.1拉曼光谱(Raman)-SEM联用Raman光谱在高分子科学中应用十分广泛，它提供了各种关于化学结构、分子构象、结晶、取向等的定量信息[86].SEM与共聚焦Raman光谱的联用(RISE)是显微镜学一个重要的里程碑.如图23所示，利用RISE既可以获得高分辨率的电镜图像，还能获得关于化学和结构组成的信息[87].此外，在SEM图像中衬度较弱的样品还能通过其光特性的差别突出显示[88].如图24所示，在SEM图像中不明显的PS微球，通过拉曼成像，可以清晰地分辨其位置.此外，由于拉曼信号强度强烈依赖于颗粒数量，因此拉曼成像中颗粒的亮度也反映了颗粒数量.Fig.23(a)SEMimagesofthematrix(M)ofrecycledpolyvinylchloride(PVC)powders(RPP)andtheselectednanoparticles(P1,P2,andP3)onRPPsurface (b)RamanspectraofnanoparticlesonthesurfaceofRPPrecordedwiththeconfocalRaman-in-SEMsystem(532nmlaser)(ReprintedwithpermissionfromRef.[87] Copyright(2020)AmericanChemicalSociety).Fig.24(a,d)SEMimagesof500nmPSbeads,inwhichtheredsquareindicatedselectedregionforRamanimaging (b,e)Ramanimagesoftheindicatedregionsshowingtheintensityofthe1001cm-1bandafterspectralintegrationovertherangefrom970cm-1to1015cm-1,indicatedbytheblackcrossesin(c).(f)ThespatiallyintegratedRamanintensity,shownin(b)and(e),foreverysingleorclusterofpolystyreneparticles.(ReprintedwithpermissionfromRef.[88] Copyright(2016)JohnWiley&Sons,Ltd.).3.2.2聚焦离子束(focusedionbeam,FIB)-SEM联用FIB是一种将离子源产生的离子束经离子枪加速并聚焦后对样品表面进行扫描的技术.与SEM联用成为FIB-SEM双束系统后，通过结合各种附件，如纳米操纵仪、各种探测器和样品台等，FIB-SEM可用于快速制备TEM样品[89,90]和进行微纳加工[90]，此外基于其层析重构技术还能实现材料微观结构的三维重建及分析[91~94].图25(a)~25(a' ' )为利用FIB-SEM制备TEM样品的示意图及原位观察得到的样品SEM图像[89,90].FIB-SEM联用为精确定位制样区域，高效制备TEM样品提供了新的方向.图25(b)和25(b' )展示了FIB在聚合物薄膜样品上铣削微米尺寸孔洞的SEM和TEM图像[90].FIB-SEM在材料的精细加工领域表现出明显的优势.图25(c)的SEM图像中，暗相对应较深的孔，亮相对应较浅的孔，而中等亮度区域对应乙基纤维素(EC)固体.在其对应的三维重构图中(图25(c' ))，较硬的多孔EC骨架结构是黑色的，而白色的区域表示孔洞结构[91].三维重构是理解晶粒、孔隙及分相等微结构与性能之间关系的重要手段，通常要经过SEM传统的二维成像手段结合FIB连续切片获取不同位置截面信息，再经过图像处理获得二值化数据之后方可进行三维重构.该方法具有较高的空间分辨率，但同时也存在重构范围有限，重构效率低等不足，这也是后续扫描电镜等技术发展的重要方向.Fig.25(a)SchematicoftheShadow-FIBtechniqueforTEMsamplepreparation(ReprintedwithpermissionfromRef.[89] Copyright(2009)MicroscopySocietyofAmerica) SEMimagesofpoly(styrene-b-isoprene)(PS-b-PI)filmonthesiliconwafers(a' )beforeand(a' ' )aftershadowFIBpreparation(ReprintedwithpermissionfromRef.[90] Copyright(2011)ElsevierLtd.) (b)SEMimageof100pAFIB-milledholesinthepoly(styrene-b-methylmethacrylate)(PS-b-PMMA)diblockcopolymersheetand(b' )thecorrespondingBFTEMimageofPS-b-PMMAsheetmilledfor9s(ReprintedwithpermissionfromRef.[90] Copyright(2011)ElsevierLtd.) (c)SEMimageoftheporousnetworkofleachedethylcellulose(EC)/hydroxypropylcellulose(HPC)filmwhichcontained30%HPC(HPC30)and(c' )itscorresponding3DreconstructionsoftheporousstructureofHPC30.(ReprintedwithpermissionfromRef.[91] Copyright(2020)ElsevierLtd.).3.3原位表征技术在高分子材料表征方面的应用通过配置专门的样品台，如制冷台、加热台、拉伸台，可以在电镜样品室内对样品进行诸如加热、制冷、拉伸、压缩或弯曲等操作，并可以用SEM实时观察样品的形貌、成分等的变化.冷冻扫描电镜(Cryo-SEM)是一种集冷冻制样、冷冻传输与电镜观察技术于一体的新型扫描电镜，需配置制冷台.常规的扫描电镜要求高真空环境，因此样品需干燥无挥发组分.而一些特殊样品，如囊泡、凝胶、生物样品等，在干燥过程中会发生结构变化，通过常规扫描电镜无法观察样品的真实结构.Cryo-SEM则弥补了这一不足，适用于含水样品的观察.图26展示了Cryo-SEM在表征高分子囊泡[95]、凝胶[96]与乳胶[97]方面的应用.显然，Cryo-SEM最大限度地保留了样品的原始结构.Fig.26(a)Cryo-SEMimagesofpolymervesiclesarmoredwithpolystyrenelatexspheres(ReprintedwithpermissionfromRef.[95] Copyright(2011)AmericanChemicalSociety) (b)High-pressurefrozen-hydratedpoly(acrylicacid)(PEG-AA)microgels(ReprintedwithpermissionfromRef.[96] Copyright(2021)AmericanChemicalSociety) (c)Plasticallydrawnparticlesfromfrozensuspensionsofpolystyrenelatexwithadiameterof500nm.(ReprintedwithpermissionfromRef.[97] Copyright(2006)AmericanChemicalSociety).加热台常用于分析金属或合金样品的腐蚀、还原或氧化反应[98,99]，在高分子材料表征中少有应用.此外，拉伸台在高分子材料表征中较为常用.图27(a)为碳纤维/环氧树脂共混物薄片沿加载方向的破坏情况[100]；图27(b)展示了循环荷载的炭黑填充天然橡胶体系的裂纹尖端演变[101].显然，原位分析可以清晰地反映材料性能变化的第一现场.Fig.27(a)InsituSEMimageof:initialfailureinacarbonfiberreinforcedpolymer(HTA/L135i(902/07/902))laminate(ReprintedwithpermissionfromRef.[100] Copyright(2006)ElsevierLtd.) (b)Evolutionofacracktipduringcyclicloadingafter1,10and21insitucycles,respectively.(ReprintedwithpermissionfromRef.‍[101] Copyright(2010)WileyPeriodicals,Inc.).3.4其他扫描电镜技术在高分子材料表征方面的应用高分子材料通常具有较高的电阻值和较差的导热性，当高能入射电子束在样品表面持续扫描时，样品极易发生荷电效应并受到热损伤，这些对扫描电镜的观察均会造成不利影响.因此，在使用常规扫描电镜时，为了消除荷电效应，提高样品的导热性，一般要在样品表面镀上一层导电薄膜.但是，镀膜有时会掩盖样品表面的形貌信息.低压扫描电镜(LV-SEM)通过低能电子束照射样品，能够实现对高分子材料的极表面进行无损伤的测试观察，因此可以反映材料最真实的微观结构[102~104].LV-SEM对样品表面形貌的灵敏度由图28可见.图28(a)和28(b)均是聚氨酯/二氧化硅复合物的扫描电镜图像，其中，图28(a)样品经过了镀碳处理，且是在20kV加速电压下捕捉的；图28(b)未经镀膜处理，观察所用加速电压为1kV[15].显然，在较低的加速电压下，样品表面细节更清晰，而在较高电压下，由于电子束穿透深度更大，因此表面以下的二氧化硅颗粒也显现出来.Fig.28SEMimagesofpolyurethanesamplefilledwithsilicamicroparticlesobservedatdifferentacceleratingvoltages:(a)20kV(carboncoated),(b)1kV(uncoated).(ReprintedwithpermissionfromRef.‍[15] Copyright(2014)DeGruyter).4扫描电镜的发展趋势随着高分子材料科学的发展，扫描电镜及其应用技术也在不断改进.首先，低压成像技术的发展为观察绝缘、耐热差的高分子材料表面的微观结构提供了可能.同时，即使不喷镀导电膜也能清晰成像，因此可以获得更真实、更细节的微观结构.此外，用传统的扫描电镜无法观察的特殊样品也可以利用低压技术成像，如含水高分子材料或生物样品，几乎不需要对样品进行处理.现有水平下，1kV加速电压成像的分辨率也可以达到1~1.8nm[3].如何在超低压下获得更高分辨率的扫描电镜图像是后续扫描电镜发展要解决的问题.其次，如文中介绍，电子束与样品相互作用所产生的信号电子种类较多，每种信号电子都携带了样品大量的特征信息，通过配置不同的功能附件，可以获得高分子样品形貌、结构、化学组成等信息.一方面，对高分子材料来说，很多信号电子所携带的信息未能被充分解析.如背散射电子(BSE)，除了直接成像，其对应的衍射(EBSD)技术还可以揭示材料的晶体微区取向和晶体结构等信息.然而由于高分子材料通常结晶度不能达到100%，因此很难通过EBSD进行检测.另一方面，开发功能更强大的扫描电镜附件也是重要的发展方向.此外，扫描电镜的原位分析技术也为高分子材料科学的发展提供了有力支撑，二者的有效结合实现了对材料宏观-微观多层次结构的分析.最后，基于扫描电镜的二维图像进行拼接、重构三维图像几近年来也获得了极大的发展.这种跨多维度的扫描电镜分析技术在高分子材料的表征中目前还存在很大限制.综上，扫描电镜的发展将会为高分子材料提供更为便捷、信息量更丰富、更准确的表征手段.致谢感谢南京大学胡文兵教授在论文修改过程中给予的帮助和指导.参考文献1PeaseRFW.AdvImagElectPhys,2008,150:53-86.doi:10.1016/s1076-5670(07)00002-x2GuoSuzhi(郭素枝).ElectronMicroscopeTechnologyandItsApplication(电子显微镜技术及应用).Xiamen(厦门):XiamenUniversityPress(厦门大学出版社),20083RenXiaoming(任小明).ScanningElectronMicroscope/PrincipleofEnergySpectrumandSpecialAnalysisTechnique(扫描电镜/能谱原理及特殊分析技术).Beijing(北京):ChemicalIndustryPress(化学工业出版社).20204ZhangDatong(张大同).ScanningElectronMicroscopeandX-RayEnergyDispersiveSpectrometerAnalysisTechnics(扫描电镜与能谱仪分析技术).Guangzhou(广州):SouthChinaUniversityofTechnologyPress(华南理工大学出版社).20085WeiB,LinQ,ZhengX,GuX,ZhaoL,LiJ,LiY.Polymer,2019,185:121952.doi:10.1016/j.polymer.2019.1219526ParkJ,EomK,KwonO,WooS.MicroscMicroanal,2001,7(3):276-286.doi:10.1007/s1000500100747ZhengX,LinQ,JiangP,LiY,LiJ.Polymers,2018,10(5):562.doi:10.3390/polym100505628SumitaA,SakataK,HayakawaY,AsaiS,MiyasakaK,TanemuraM.ColloidPolymSci,1992,270(2):134-139.doi:10.1007/bf006521799SainiP,ChoudharyV,DhawanSK.PolymAdvTechnol,2012,23(3):343-349.doi:10.1002/pat.187310LiW,BuschhornST,SchulteK,BauhoferW.Carbon,2011,49(6):1955-1964.doi:10.1016/j.carbon.2010.12.06911EgertonRF,LiP,MalacM.Micron,2004,35(6):399-409.doi:10.1016/j.micron.2004.02.00312HeinLRO,CamposKA,CaltabianoPCRO,KostovKG.Scanning,2013,35(3):196-204.doi:10.1002/sca.2104813RaviM,KumarKK,MohanVM,RaoVN.PolymTest,2014,33:152-160.doi:10.1016/j.polymertesting.2013.12.00214JoyDC.JMicrosc,1987,147(1):51-64.doi:10.1111/j.1365-2818.1987.tb02817.x15ŠloufM,VackováT,LednickýF,WandrolP.Polymersurfacemorphology:characterizationbyelectronmicroscopies.In:PolymerSurfaceCharacterization.Berlin:WalterdeGruyterGmbH&CoKG,2014.169-206.doi:10.1515/9783110288117.16916SeilerH.JApplPhys,1983,54(11):R1-R18.doi:10.1063/1.33284017JoyDC.JMicrosc,1984,136(2):241-258.doi:10.1111/j.1365-2818.1984.tb00532.x18SathishkumarTP,SatheeshkumarS,NaveenJ.JReinfPlastCompos,2014,33(13):1258-1275.doi:10.1177/073168441453079019KarataşMA,GökkayaH.DefTechnol,2018,14(4):318-32620ForintosN,CziganyT.ComposBEng,2019,162:331-343.doi:10.1016/j.compositesb.2018.10.09821WangWenjun(王文俊),WangWeiwei(王维玮),HongXuhong(洪旭辉).ActaPolymericaSinica(高分子学报),2015,(9):1036-1043.doi:10.11777/j.issn1000-3304.2015.1500722FavierV,ChanzyH,CavailléJY.Macromolecules,1995,28(18):6365-6367.doi:10.1021/ma00122a05323ConverseGL,YueW,RoederRK.Biomaterials,2007,28(6):927-935.doi:10.1016/j.biomaterials.2006.10.03124RameshP,PrasadBD,NarayanaKL.Silicon,2020,12(7):1751-1760.doi:10.1007/s12633-019-00275-625YangJintao(杨晋涛),FanHong(范宏),BuZhiyang(卜志扬),LiBogeng(李伯耿).ActaPolymericaSinica(高分子学报),2007,(1):70-74.doi:10.3321/j.issn:1000-3304.2007.01.01326LiShaofan(‍李‍少‍范),WenXiangning(‍温‍向‍宁),JuWeilong(‍鞠‍维‍龙),SuYunlan(‍苏‍允‍兰),WangDujin(‍王‍笃‍金).ActaPolymericaSinica(高分子学报),2021,52(2):146-157.doi:10.11777/j.issn1000-3304.2020.2018927HuangDengjia(黄‍登‍甲),SongYihu(宋‍义‍虎),ZhengQiang(郑‍强).ActaPolymericaSinica(高分子学报),2015,(5):542-549.doi:10.11777/j.issn1000-3304.2015.1436528FuZhiang(傅志昂),WangHengti(王亨缇),DongWenyong(董文勇),LiYongjin(李勇进).ActaPolymericaSinica(高分子学报),2017,(2):334-341.doi:10.11777/j.issn1000-3304.2017.1628829ChenY,WangY,ZhangH,B,LiX,GuiC,X,YuZ,Z.Carbon,2015,82:67-76.doi:10.1016/j.carbon.2014.10.03130LiuH,GuS,CaoH,LiX,JiangX,LiY.ComposBEng,2019,176:107268.doi:10.1016/j.compositesb.2019.10726831SeyniFI,GradyBP.ColloidPolymSci,2021,299(4):585-593.doi:10.1007/s00396-021-04820-x32KrauseS.Polymer-polymercompatibility.In:PolymerBlends.NewYork:AcademicPress,1978.15-113.doi:10.1016/b978-0-12-546801-5.50008-633WangH,YangX,FuZ,ZhaoX,LiY.LiJ.Macromolecules,2017,50(23):9494-9506.doi:10.1021/acs.macromol.7b0214334FuZ,WangH,ZhaoX,LiX,GuX,LiY.JMaterChemA,2019,7(9):4903-4912.doi:10.1039/c8ta12233d35WangH,FuZ,ZhaoX,LiY,LiJ.ACSApplMaterInterfaces,2017,9(16):14358-14370.doi:10.1021/acsami.7b0172836WangH,DongW,LiY.ACSMacroLett,2015,4(12):1398-1403.doi:10.1021/acsmacrolett.5b0076337FuZ,WangH,ZhaoX,HoriuchiS,LiY.Polymer,2017,132:353-361.doi:10.1016/j.polymer.2017.11.00438DongW,HeM,WangH,RenF,ZhangJ,ZhaoX,LiY.ACSSustainChemEng,2015,3(10):2542-2550.doi:10.1021/acssuschemeng.5b0074039WeiB,ChenD,WangH,YouJ,WangL,LiY,ZhangM.Polymer,2019,160:162-169.doi:10.1016/j.polymer.2018.11.04240GanZ,KuwabaraK,AbeH,IwataT,DoiY.PolymDegradStabil,2005,87(1):191-199.doi:10.1016/j.polymdegradstab.2004.08.00741ChenX,DongB,WangB,ShahR,LiCY.Macromolecules,2010,43(23):9918-9927.doi:10.1021/ma101900n42ShahD,MaitiP,GunnE,SchmidtDF,JiangDD,BattCA,GiannelisEP.AdvMater,2004,16(14):1173-1177.doi:10.1002/adma.20030635543AboulfarajM,G' sellC,UlrichB,DahounA.Polymer,1995,36(4):731-742.doi:10.1016/0032-3861(95)93102-r44YangJ,WangK,DengH,ChenF,FuQ.Polymer,2010,51(3):774-782.doi:10.1016/j.polymer.2009.11.05945YeL,ShiX,YeC,ChenZ,ZengM,YouJ,LiY.ACSApplMaterInterfaces,2015,7(12):6946-6954.doi:10.1021/acsami.5b0084846AboulfarajM,UlrichB,DahounA,G' sellC.Polymer,1993,34(23):4817-4825.doi:10.1016/0032-3861(93)90003-s47YeL,QiuJ,WuT,ShiX,LiY.RSCAdv,2014,4(82):43351-43356.doi:10.1039/c4ra06943a48YeC,CaoX,WangH,WangJ,WangT,WangZ,LiY,YouJ.JPolymSci,2020,58(12):1699-1706.doi:10.1002/pol.2019023249YeC,ZhaoJ,YeL,JiangZ,YouJ,LiY.Polymer,2018,142:48-51.doi:10.1016/j.polymer.2018.02.00450WangJ,DingM,ChengX,YeC,LiF,LiY,YouJ.JMembrSci,2020,604:118040.doi:10.1016/j.memsci.2020.11804051WangJ,ChenB,ChengX,LiY,DingM,YouJ.JMembrSci,2021:120065.doi:10.1016/j.memsci.2021.12006552JhaveriJH,MurthyZVP.Desalination,2016,379:137-154.doi:10.1016/j.desal.2015.11.00953YanX,AnguilleS,BendahanM,MoulinP.SepPurifTechnol,2019,222:230-253.doi:10.1016/j.seppur.2019.03.10354RynkowskaE,FatyeyevaK,KujawskiW.RevChemEng,2018,34(3):341-363.doi:10.1515/revce-2016-005455LiJH,ShaoXS,ZhouQ,LiMZ,ZhangQQ.ApplSurfSci,2013,265:663-670.doi:10.1016/j.apsusc.2012.11.07256ZhangX,LiangY,NiC,LiY.MaterSciEngC,2021,118:111411.doi:10.1016/j.msec.2020.11141157XingC,GuanJ,LiY,LiJ.ACSApplMaterInterfaces,2014,6(6):4447-4457.doi:10.1021/am500061v58ZhengX,ChenF,ZhangX,ZhangH,LiY,LiJ.ApplSurfSci,2019,481:1435-1441.doi:10.1016/j.apsusc.2019.03.11159HuMX,YangQ,XuZK.JMembrSci,2006,285(1-2):196-205.doi:10.1016/j.memsci.2006.08.02360YangYF,LiY,LiQL,WanLS,XuZK.JMembrSci,2010,362(1-2):255-264.doi:10.1016/j.memsci.2010.06.04861ZhangW,LiangW,HuangG,WeiJ,DingL,JaffrinMY.RSCAdv,2015,5(60):48484-48491.doi:10.1039/c5ra06063j62WangZ,WangZ,LinS,JinH,GaoS,ZhuY,JinJ.NatCommun,2018,9(1):1-9.doi:10.1038/s41467-018-04467-363HariharanP,SundarrajanS,ArthanareeswaranG,SeshanS,DasDB,IsmailAF.EnvironRes,2021:112045.doi:10.1016/j.envres.2021.11204564NieS,XueJ,LuY,LiuY,WangD,SunS,RanFZhaoC.ColloidSurfaceB,2012,100:116-125.doi:10.1016/j.colsurfb.2012.05.00465MaL,SuB,ChengC,YinZ,QinH,ZhaoJ,SunSZhaoC.JMembrSci,2014,470:90-101.doi:10.1016/j.memsci.2014.07.03066FangB,LingQ,ZhaoW,MaY,BaiP,WeiQ,ZhaoC.JMembrSci,2009,329(1-2):46-55.doi:10.1016/j.memsci.2008.12.00867LinTP,ChangAB,LuoSX,ChenHY,LeeB,GrubbsRH.ACSNano,2017,11(11):11632-11641.doi:10.1021/acsnano.7b0666468YanD,ZhouY,HouJ.Science,2004,303(5654):65-67.doi:10.1126/science.109076369LiuC,GaoC,YanD.AngewChem,2007,119(22):4206-4209.doi:10.1002/ange.20060442970RobinsonVNE.Scanning,1980,3(1):15-26.doi:10.1002/sca.495003010371MurariuM,FerreiraADS,DegéeP,AlexandreM,DuboisP.Polymer,2007,48(9):2613-2618.doi:10.1016/j.polymer.2007.02.06772HuX,KangH,LiY,GengY,WangR,ZhangL.Polymer,2017,108:11-20.doi:10.1016/j.polymer.2016.11.04573GoizuetaG,ChibaT,InoueT.Polymer,1993,34(2):253-256.doi:10.1016/0032-3861(93)90074-k74BlacksonJ,Garcia-MeitinE,DarusM.MicroscMicroanal,2007,13(S02):1062-1063.doi:10.1017/s143192760707604075BarG,TochaE,Garcia-MeitinE,ToddC,BlacksonJ.MacromolSym,2009,282(1):128-135.doi:10.1002/masy.20095081376BoraJ,DekaP,BhuyanP,SarmaKP,HoqueRR.SNApplSci,2021,3(1):1-15.doi:10.1007/s42452-020-04117-877KorolkovIV,GorinYG,YeszhanovAB,KozlovskiyAL,ZdorovetsMV.MaterChemPhys,2018,205:55-63.doi:10.1016/j.matchemphys.2017.11.00678KamalASM,BoulfizaM.JComposConstr,2011,15(4):473-481.doi:10.1061/(asce)cc.1943-5614.000016879ZhangF,ZhangW,YuY,DengB,LiJ,JinJ.JMembrSci,2013,432:25-32.doi:10.1016/j.memsci.2012.12.04180AbdMutalibM,RahmanMA,OthmanMHD,IsmailAF,JaafarJ.Scanningelectronmicroscopy(SEM)andenergy-dispersiveX-ray(EDX)spectroscopy.In:Membranecharacterization.Amsterdam:ElsevierLtd,2017.161-179.doi:10.1016/b978-0-444-63776-5.00009-781GuiseO,StromC,PreschillaN.Polymer,2011,52(5):1278-1285.doi:10.1016/j.polymer.2011.01.03082FortelnýI,ŠloufM,SikoraA,HlavatáD,HašováV,MikešováJ,JacobC.JApplPolymSci,2006,100(4):2803-2816.doi:10.1002/app.2373183LoosJ,SourtyE,LuK,deWithG,BavelS.Macromolecules,2009,42(7):2581-2586.doi:10.1021/ma802658984HiguchiT,TajimaA,YabuH,ShimomuraM.SoftMatter,2008,4(6):1302-1305.doi:10.1039/b800904j85InamotoS,YoshidaA,OtsukaY.MicroscMicroanal,2019,25(S2):1826-1827.doi:10.1017/s143192761900986386ButlerHJ,AshtonL,BirdB,CinqueG,CurtisK,DorneyJ,MartinFL.NatProtoc,2016,11(4):664-687.doi:10.1038/nprot.2016.03687ZhangW,DongZ,ZhuL,HouY,QiuY.ACSNano,2020,14(7):7920-7926.doi:10.1021/acsnano.0c0287888TimmermansFJ,LiszkaB,LenferinkAT,vanWolferenHA,OttoC.JRamanSpectrosc,2016,47(8):956-962.doi:10.1002/jrs.493189KimS,LiuG,MinorAM.MicroscToday,2009,17(6):20-23.doi:10.1017/s155192950999100390TimmermansFJ,LiszkaB,LenferinkAT,vanWolferenHA,OttoC.Ultramicroscopy,2011,111(3):191-199.doi:10.1016/j.ultramic.2010.11.02791FagerC,BarmanS,RödingM,OlssonA,LorénN,vonCorswantC,BolinDRootzénH,OlssonE.IntJPharmaceut,2020,587:119622.doi:10.1016/j.ijpharm.2020.11962292ČalkovskýM,MüllerE,MeffertM,FirmanN,MayerF,WegenerM,GerthsenD.MaterCharact,2021,171:110806.doi:10.1016/j.matchar.2020.11080693NeusserG,EpplerS,BowenJ,AllenderCJ,WaltherP,MizaikoffB,KranzC.Nanoscale,2017,9(38):14327-14334.doi:10.1039/c7nr05725c94GhoshS,OhashiH,TabataH,HashimasaY,YamaguchiT.IntJHydrogEnergy,2015,40(45):15663-15671.doi:10.1016/j.ijhydene.2015.09.08095ChenR,PearceDJ,FortunaS,CheungDL,BonSA.JAmChemSoc,2011,133(7):2151-2153.doi:10.1021/ja110359f96LiangJ,XiaoX,ChouTM,LiberaM.AccChemRes,2021,54(10):2386-2396.doi:10.1021/acs.accounts.1c0010997GeH,ZhaoCL,PorzioS,ZhuoL,DavisHT,ScrivenLE.Macromolecules,2006,39(16):5531-5539.doi:10.1021/ma060058j98MotomuraS,SoejimaY,MiyoshiT,HaraT,OmoriT,KainumaR,NishidaM.JElectronMicrosc,2015,65(2):159-168.doi:10.1093/jmicro/dfv36399HeardR,HuberJE,SiviourC,EdwardsG,Williamson-BrownE,DragnevskiK.RevSciInstrum,2020,91(6):063702.doi:10.1063/1.5144981100HobbiebrunkenT,HojoM,AdachiT,DeJongC,FiedlerB.ComposPartA,ApplSciManuf,2006,37(12):2248-2256.doi:10.1016/j.compositesa.2005.12.021101BeurrotS,HuneauB,VerronE.JApplPolymSci,2010,117(3):1260-1269.doi:10.1002/app.31707102JoyDC,JoyCS.Micron,1996,27(3-4):247-263.doi:10.1016/0968-4328(96)00023-6103MohaiyiddinMS,OngHL,OthmanMBH,JulkapliNM,VillagraciaARC,Md.AkilH.PolymCompos,2018,39:E561-E572.doi:10.1002/pc.24712104PrimoGA,ManzanoMFG,RomeroMR,IgarzabalCIA.MaterChemPhys,2015,153:365-375.doi:10.1016/j.matchemphys.2015.01.027原文链接：http://www.gfzxb.org/thesisDetails#10.11777/j.issn1000-3304.2021.21377&lang=zhDOI：10.11777/j.issn1000-3304.2021.21377《高分子学报》高分子表征技术专题链接：http://www.gfzxb.org/article/doi/10.11777/j.issn1000-3304

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！热重分析技术及其在高分子表征中的应用ThermogravimetricAnalysisTechnologyandItsApplicationinPolymerCharacterization作者：谢启源，陈丹丹，丁延伟*作者机构：中国科学技术大学，火灾科学国家重点实验室,合肥,230026 中国科学技术大学，合肥微尺度物质科学国家研究中心,合肥,230026　　作者简介：　　丁延伟，男，1975年生.博士、中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心教授级高级工程师.自2002年开始从事热分析与吸附技术的分析测试、实验方法研究等工作，现任中国化学会化学热力学与热分析专业委员会委员、全国教育装备标准化委员会化学分委会委员、中国分析测试协会青年学术委员会委员.曾获中国分析测试协会科学技术奖(CAIA奖)二等奖，主持修订教育行业标准《热分析方法通则》(JY/T0589.1~4-2020)，以主要作者发表SCI论文30余篇，获授权专利7项.编著《热分析基础》《热分析实验方案设计与曲线解析概论》.　　　　摘要　　热重分析技术(TGA)是在程序控制温度和设定气氛下表征材料受热过程中的质量随温度或时间变化的高精度研究工具，具有重复性好、灵敏度高和热过程控制精准等优点.近年来，TGA技术在高分子材料领域得到了广泛应用，促进了高分子材料热稳定性、组成分析以及热分解机理等材料细观热响应特性的深入研究.本文分别从热重分析基本原理、仪器校准、实验方案设计、实验操作、热重曲线综合解析以及各环节中易出现的不当操作、异常数据与解决方案等方面进行阐述，并给出了在高分子科学研究领域中的典型应用案例、未来发展趋势及机遇与挑战.在实际的应用中，基于TGA与傅里叶红外光谱(FTIR)、示差扫描量热法(DSC)、气相色谱-质谱联用(GC/MS)等技术的联用分析，将有利于进一步揭示高分子材料在不同气氛和热激励等条件下的详细热响应信息，为性能优异的新型高层分子材料研发与设计、热解机理及燃烧蔓延动力学等领域提供支撑和指导.　　AbstractThermogravimetricanalysistechnology(TGA)isanefficientresearchtoolthatcharacterizestheweightofmaterialswithtemperatureortimeunderaprogramcontrolledtemperatureandacertainatmosphere.OneofitsadvantagesisthattheTGAresultscanbewellrepeatedwithhighsensitivity.Inaddition,itsheatingprocessisaccuratelyandflexiblycontrolledaccordingtorealthermalenvironmentofsamples.Inrecentyears,TGAispopularlyusedinthefieldofpolymermaterials,whichpromotesthedetailedanalysesontheirthermalstability,compositionanalysisandthermaldecompositionmechanismetal.ThisreviewwillcovermanyaspectsofTGA,includingbasicprinciples,calibration,schemedesign,curveanalysis,aswellasthosecommonerrorsduringsamplepreparationandexperiments,abnormaldatafiguringandthesolutionforthem.Additionally,thetypicalapplicationcasesofTGAinpolymerscience,aswellastheiropportunityandchallengesinfuture,arealsopresented.IntheapplicationsofTGAtechnology,moreinformationaboutthethermal-responsebehaviorofpolymersunderdifferentatmosphereandheatingconditionscouldberevealedbyTGAcoupledwithFTIR,DSC,GC/MStechnology.Inthiscase,notonlytheweightinformationofsampleduringaspecificheatingcondition,butalsotheendothermicandexothermicbehaviors,releasedgascomponentsatthesametimecanbeanalyzedtogether.Theyarehelpfulfornewpolymerdesign,thermaldecompositionmechanismandflamespreadmodelsdevelopment.　　　关键词　　热重分析技术  曲线解析  热稳定性  热解机理  案例分析　　Keywords　　Thermogravimetricanalysistechnology  Curveanalysis  Thermalstability  Thermaldecompositionmechanism  Caseanalysis 　　1热重分析技术简介　　1.1热分析技术　　作为现代仪器分析方法的一个重要分支，热分析技术在许多领域中得到了广泛应用[1~3].经历一百余年发展，热分析法与色谱法、光谱法、质谱法、波谱法等一起，构成了物质理化性能分析的最常用手段[4].　　热分析技术是研究物质随温度变化而发生物理过程与化学反应的一种实验技术[4].该技术的主要理论基础包括：物质的平衡状态热力学、非平衡状态热力学、不可逆过程热力学和动力学等，针对微量样品，通过精确测定其宏观参数，如质量、热量、体积等随温度的变化关系，研究物质随温度变化而发生的物理和化学变化[4].　　我国于2008年5月发布国家标准《GB/T6425-2008热分析术语》[5]，其中，对热分析技术的定义为：“在程序控制温度(和一定气氛)下，测量物质的某种物理性质与温度或时间关系的一类技术.”　　国际热分析与量热协会(InternationalConfederationforThermalAnalysisandCalorimetry，ICTAC)根据所测定的物理性质不同，将现有的热分析技术划分为9类17种[6].　　1.2热重分析技术的定义　　热重分析技术(thermogravimetry，TG)是指在程序控制温度和一定气氛下连续测量待测样品的质量与温度或时间变化关系的一种热分析技术，主要用于研究物质的分解、化合、脱水、吸附、脱附、升华、蒸发等伴有质量增减的热变化过程[4,5].基于TG法，可对物质进行定性分析、组分分析、热参数测定和动力学参数测定等，常用于新材料研发和质量控制领域.在实际的材料分析中，TG法也常与其他分析方法联用，进行综合热分析，从而全面、准确地分析材料的各项热性质.　　1.3热重分析的数学表达式　　根据定义，样品在热重分析过程的质量随温度或时间的变化，可用下式表示：(1)　　或(2)　　其中，式(1)多用于等温(或包含等温)条件下测得TG实验曲线，而式(2)则多用于非等温条件下的TG实验曲线.　　在实际表示中，为突出“测量”过程，常用重量(weight)来代替质量(mass).　　1.4微商热重法简介　　微商热重曲线(derivativethermogravimetriccurve，DTG曲线)是TG曲线进行一次微商的结果.因此，DTG曲线表征样品质量随温度或时间的变化速率，其峰值即为样品质量减小的最大速率.对于线性升温加热条件下的DTG曲线，其纵坐标单位一般是%/℃，表示温度升高1℃时，样品的相对质量变化.而对于等温实验，DTG曲线纵坐标单位一般是%/s.　　微商热重法的数学表达式为：(3)　　线性程序控制温度时，也可用下式表式(4)　　式中，β为实验中所采用的加热或降温速率，单位℃/min.　　如前所述，DTG曲线表征样品质量的变化速率，因此，为进一步分析样品质量变化的加速或减速特性，类似地，可对DTG曲线进行再次微商处理，得到二阶微商热重曲线，即DDTG曲线.目前大多数商品化仪器，DTG曲线可通过仪器自带的微商处理功能直接转换得到.与TG曲线相比，DTG曲线给出的样品质量随温度的变化速度信息，常常更直接反映了样品失重特性.图1给出了XLPE在10℃/min的加热速率下得到的TG曲线和DTG曲线，由图可见，随着温度的升高，XLPE在410~470℃温度区间急剧失重，交联聚乙烯在此温度区间迅速裂解，样品质量减少约95%，DTG曲线失重峰，对应于TG曲线的失重台阶，而由TG曲线，也可见样品受热失重后最终的残余质量.Fig.1TGandDTGcurvesofXLPEwiththeheatingrateof10℃/mininairatmosphere.　　　　1.5热重分析的优缺点　　1.5.1优点　　热重法针对微量样品进行实验，具有操作简便、可重复性强、精度高、响应灵敏快速等优点.热重法可准确测量物质在不同受热和气氛条件下的质量变化特征.例如：对于升华、汽化、吸附、解吸、吸收和气固反应等质量可能发生变化的物理和化学过程，都可使用热重法进行检测与分析.此外，对于熔融、结晶和玻璃化转变等往往不形成质量变化的热过程，也可通过热重分析与其他热分析方法联用，给出所关注热行为所在温度区间的样品质量不变信息，从而支撑所针对热过程的热流分析.　　由于热重法所测结果可重复性强且精度高，基于热失重数据的动力学参数计算与分析，也更具可靠性.此外，热重法仅需微量样品.因此，针对不同的样品牌号、老化样品的不同区域，都可取样进行细致分析，可深入研究各产品间的细微差异，例如：产品在使用一段时间后的材料分相行为等.　　1.5.2缺点　　在实际应用中，热重法也存在着一定的局限性，主要包括两个方面：样品质量变化信息表征其复杂热行为的单一局限性、微量样品检测结果与工程尺度样品实际热响应性能的一致性.　　首先，对于复杂的材料受热响应性能，热重法主要针对样品在整个受热过程中所形成气相产物溢出而导致的质量减少特征，在不同温度区间或不同受热时刻的细致质量减少信息，是热重分析输出的关键数据.由于大多物理和化学过程往往都伴随着质量的变化，因此，样品的质量变化信息能够很大程度上表征各温度/时间区间的反应强度，然而，若需进一步确定其中详细的反应机理等信息，单凭热重数据往往并不完备.因此，可通过将热重技术与其他分析技术联用，综合分析材料的详细热响应行为.　　其次，如前所述，针对微量样品，热重分析可实现其测量结果及其后续计算分析的精确性与可靠性等优点.然而，也正因为所检测样品的微量特性，使其测量结果不一定与工程尺度样品实际热响应性能完全一致，甚至由于实际工程中的复杂传热传质耦合过程，使热重分析不宜简单、直接地进行应用.因此，一方面，进行热重分析时，应首先清晰掌握材料的实际工程应用背景，科学系统地制定热重实验方案，并进行多工况数据的综合分析，从而确保热重分析数据与实际工程应用场景的吻合与一致 另一方面，在条件具备时，基于热重分析结果，应进行一定的放大尺度条件下的实验研究，综合不同尺度条件下的测量结果，给出材料真实热响应性能.　　2热重分析仪及其工作原理　　2.1工作原理　　热重分析仪(thermogravimetricanalyzer)是在程序控制温度和一定气氛下，测量试样的质量随温度或时间连续变化关系的仪器.测量时，通常将装有试样的坩埚置于与质量测量装置相连的试样支持器中，在预先设定的程序控制温度和一定气氛下，进行实验测量与数据实时采集.　　热重分析仪的质量测量方式主要有2种：变位法和零位法[4].变位法是根据天平横梁倾斜的程度与质量变化成比例的关系，用差动变压器等检测该倾斜度，并自动记录所得到的质量变化信息.零位法是采用差动变压器法、光学法等技术测定天平梁的倾斜度，通过调整安装在天平系统和磁场中线圈的电流，使线圈转动抑制天平横梁的倾斜.由于线圈转动所施加的力与质量变化成比例，该力与线圈中的电流成比例，通过测量电流的变化，即可得到质量变化曲线.　　2.2仪器组成与结构形式　　热重分析仪主要由仪器主机(程序温度控制系统、炉体、支持器组件、气氛控制系统、样品温度测量系统、质量测量系统等)、仪器辅助设备(自动进样器、压力控制装置、光照、冷却装置等)、仪器控制和数据采集及处理模块组成.图2给出了热重分析仪的结构组成示意图.Fig.2SchematicoftypicalTGequipmentwiththesampleinaheatingfurnace,whosetemperatureiscontrolledwithaprogram.　　　　根据试样与天平刀线之间相对位置的不同，可将热重分析仪分为3类：下皿式、上皿式和水平式，其结构框图分别如图3~图5所示.Fig.3SchematicofTGequipmentwiththecrucibleatlowerpositionoftheverticalheatingfurnace.　　Fig.4SchematicofTGequipmentwiththecrucibleathigherpositionoftheverticalheatingfurnace.　　Fig.5SchematicofTGequipmentwiththehorizontal.　　　　由图3~图5可见，仪器质量检测单元的天平与常规分析天平不同.该类天平横梁的一端或两端置于气氛控制的加热炉中，可以连续记录试样质量随温度或时间的变化.温度变化通过加热炉进行程序控制，试样周围温度通常用热电偶实时测量.热天平和热电偶所测数据，由仪器内置软件进行记录与处理线.　　2.3基于热重分析的联用技术简介　　如前所述，热重分析仪自身存在一定局限性，通常可将其与其他分析技术联用，从而对样品热响应行为进行全面分析.常用联用技术如下所述[4].　　(1)同时联用技术.是指在程序控温和一定气氛下，对一个试样同时采用2种或多种热分析技术.主要包括：热重-示差扫描量热联用(TG-DSC)和热重-差热联用(TG-DTA)，它们通常统称为同步热分析技术，简称STA.　　(2)串接联用技术.是指在程序控温和一定气氛下，对一个试样采用2种或多种热分析技术，后一种分析仪器与前一种分析仪器进行串接.常用可串接联用技术包括：红外光谱技术(IR)、质谱技术(MS)、气相色谱技术(GC)等.此外，对于串接联用技术，可采用2种联用模式，连续串接和间歇串接模式.前者模式下，各联用技术均连续采样分析 而后种模式下，最后一级串接仪器进行间歇式采样与分析.　　2.4仪器校准与状态评价　　2.4.1仪器的校准　　为了确保仪器工作正常和数据准确，在热重分析仪正式投入使用之前和使用期间，需分别对仪器的温度和质量测量器件进行校正.由于不同热重分析仪结构类型的差异，其校准方法存在着一定差别.　　2.4.2温度校正　　温度校正(temperaturecorrection)是用已知转变温度的标准物质确定仪器的测量值(Tm)和真实值(Ttr)之间关系的操作过程.通过温度校正，可得到以下关系式：(5)　　其中，ΔTcorr为温度校正值.　　通过温度校正，可以消除仪器的温度测量值与真实值之间的差别.例如：当使用熔融温度为156.6℃的金属In进行温度校正时，若所测熔融温度为154.1℃，则(6)　　因此，在温度校正时，测量值应增加2.5℃.　　进行仪器温度校正后，通常，还应在相同的实验条件下，使用标准物质进行重复实验，验证测量值与真实值之间的偏离程度.　　在实际应用中，当温度范围较宽时，通常需要使用具有不同特征温度的系列标准物质，进行多点温度校正.在实际校正时，可在仪器的校正软件中分别输入相应测量值，由仪器软件生成相应的校正曲线.　　对于大多商品化热重分析仪，常用的温度校正方法主要包括以下几种：　　(1)居里点法.居里点法是在磁场的作用下，将铁磁性标准物质加热到某一温度时，其磁性很快完全消失而引起质量变化的原理来对温度进行校正的方法[7,8].磁性消失时所对应的温度通常称之为铁磁性材料的居里温度(Tc).居里温度只与材料的组分有关.　　通常使用具有确定居里温度值的纯金属或合金作为标准物质，该温度校正过程实质上为磁性温度的测量[9].图6为使用几种磁性标准物质进行校准时得到的TG和DTG曲线.此外，通过该方法可以在单次实验中测量多个磁性样品的转变过程.Fig.6TGandDTGcurvesofseveralmagneticmaterialsfortemperaturecalibrationofTGequipmentwiththeheatingrateof10℃/mininN2atmosphere.　　　　(2)吊丝熔断法.吊丝熔断法通过将熔点已知的纯金属细丝固定悬挂在样品支撑系统附近位置，当温度升高至其熔点时，该金属丝发生熔化并从其支撑件滴落[10,11].通过确定在已知温度熔融而引起的表观质量变化对应的温度，从而校准仪器温度.　　(3)特征分解温度法.特征分解温度法是通过结构已知物质的初始分解温度来进行仪器温度校正[12].此处所指的初始分解温度为失重速率达到某一预定值之前的试样温度.标准物质应具有以下特性：在温度达到其特征分解值前具有足够的稳定性 特征分解温度具有重现性 不同来源得到的同种标准物质，其初始分解温度差异较小.　　当采用热重分析仪与差热分析或示差扫描量热技术进行联用时，也可利用试样在实验过程中随温度变化而引起的熔融、晶型转变等过程产生的特征热效应，对仪器进行温度校正[13~15].例如：通过一些具有可逆“固↔固”转变或“固↔液”转变过程的物质来进行温度校正.　　2.4.3质量校正　　常用的质量校正方法主要包括2种：静态质量校正和动态质量校正.　　(1)静态质量校正法.在某一个设定的温度和气氛下，通过对已知质量为m0的砝码进行称重测量，确定测量值mi与m0之间的差值∆mc，即：(7)　　在仪器的软件中分别输入mi与m0的数值，在之后的测量中，软件将自动扣除质量差∆mc.　　(2)动态质量校正法.在实验过程中，质量基线可能随温度发生一定的漂移.质量基线是在不加任何样品的条件下得到的，理论上，该质量在不同的温度下应始终保持为0.为了使得到的质量更接近真实值，通常采用扣除空白基线法和用已知质量的砝码进行动态质量校正方法对不同温度下的质量进行整体校正.　　在完成以上质量校正后，可用已知分解过程的标准物质，例如：高纯碳酸钙或一水合草酸钙样品，对校正结果进行验证，评价校正结果是否合理.　　2.4.4仪器状态评价　　仪器在长时间工作过程中，可能出现一些不易被察觉的状态变化，在这种“亚健康”状态下，所测得异常数据一般不易察觉，此时，实验数据的准确性和重复性往往明显较差.由于不同操作人员对仪器状态是否异常的判断标准不同，从而导致采取的措施之间也存在差异，进而对实验结果带来不同程度的影响.　　在分别对热重分析仪的温度和质量进行校正之后，还需要按照相应的检定规程或者校准规范等的要求，对校正结果进行评价，以确认仪器的工作状态是否可以满足实验的要求.　　1997年，原国家教委于发布了《JJG(教委)014-1996热分析仪检定规程》[16]，其中对于新安装、使用中和修理后的热重分析仪(TG)等仪器的检定做了规范.此外，原国家质量监督检验检疫总局分别于2017年和2002年发布了热重分析仪检定规程《JJG1135-2017热重分析仪检定规程》[17]和《JJG936-2002示差扫描热量计检定规程》[18].　　3热重分析实验方案设计　　3.1实验方案设计的重要性　　热重实验方案设计决定着实验成败.如前所述，热重仪具有多种结构形式，在实际应用中应首先根据实验需求，选择结构形式合适的热重仪[19].例如：当需要研究易氧化试样在惰性气氛下的热行为时，应选择具有较好密封性的热重仪.此外，对于一些重量变化不明显的过程，在选择仪器时，应考虑仪器的天平质量测量灵敏度和量程.　　在选定合适的热重分析仪后，还需要选择合适的实验条件，主要包括以下几个方面：试样状态(粉末、薄膜、颗粒、块体等)、试样用量、试样容器的材质和形状、实验温度范围及控制方式、实验气氛的种类和流速，以及其他条件，包括湿度控制、光照等.　　此外，在实验过程中所用试样的来源、前处理方式、试样容器以及实验所用仪器自身的差异等，也可能对最终的实验结果带来影响.如果忽视这些影响因素，往往很难得到较好的热分析实验结果，甚至可能得到错误的实验结论.　　3.2实验方案设计的主要内容　　3.2.1热重分析仪的选择　　选择合适的热重分析仪是确定热分析实验方案的第一步.在进行实验之前，应根据实验目的和样品信息，选择合适的热重分析仪.这里所指的热重分析仪，不仅仅局限于独立式热重分析仪，还包括与热重分析仪联用的热重-差热分析仪、热重-示差扫描量热仪、热重/红外光谱联用仪、热重/质谱联用仪、热重/气相色谱/质谱联用仪等形式的热分析联用仪.　　在实际应用中，对于下皿式、上皿式和水平式等不同结构形式的热重仪，其性能参数(如灵敏度、控温精度等)、气氛气体的流动方式、实验温度范围、温度变化速率范围等存在一定的差异.此外，有时需要根据特殊的实验目的，在真空、高压、还原气氛、强氧化气氛、腐蚀性气氛、蒸汽等特殊条件下进行实验，此时，更应关注所选热重仪是否满足实验要求.　　如前所述，在一些应用中，除了需要得到样品在加热过程中的质量信息之外，还需测量其中的热效应、生成气体种类和含量等，此时，则应采用与热重分析仪联用的相关仪器.　　关于商品化热重分析仪的选用，经过近几十年的发展，当前，国外主流仪器厂商如德国Netzsch、美国TA、美国PerkinElmer、瑞士MettlerToledo等均生产有适用不同温度范围的热重分析仪和TG-DSC同步热分析仪，各型号仪器的灵敏度与可重复等性能都可满足聚合材料的常规性能测试要求，且大多均可配置自动进样器等辅助配件，提高仪器工作效率.此外，上述仪器厂商所产热重分析仪可与红外光谱仪、气相色谱仪、质谱仪中的一种或者多种进行联用，对逸出气体组分等进行综合测量.各仪器厂商的联用技术与方式存在一定差异，以满足不同的领域需求.不同型号仪器的联用技术也各有优势，应根据实际需求，合理选用.其中，德国Netzsch公司的多级热分析联用仪可实现热重分析仪与红外光谱仪、质谱、气质联用仪的联用，可以分别实现红外光谱仪与质谱、气质联用仪串接式联用和并联式联用的连接形式 瑞士MettlerToledo公司的热重分析/红外光谱/气质联用仪可实现多段气体的采集与分析功能 美国PerkinElmer公司的热重分析/红外光谱/气质联用仪可以通过八通阀的灵活切换，实现在线分析和分离分析等多模式实验测量.　　3.2.2实验操作条件的选择　　由热重实验得到的曲线受操作条件的影响十分显著，在应用中，应针对影响热重曲线的因素，选择合适的操作条件.主要包括：试样状态、实验气氛、温度控制程序、实验容器或支架、环境特殊实验条件、采集软件参数等.　　(1)试样量/试样形状的选择.由于热重分析仪器的种类、结构形式以及实验条件等因素的差异，不同的热分析仪器对试样量或试样形状的要求差别较大.　　通常情况下，热重实验的样品用量为坩埚体积的1/3~1/2.对于密度较大的无机样品，试样质量一般为10~20mg 对于在实验过程中不发生熔融的样品，在确保仪器安全的前提下，可适当加大试样量.热分析串接联用的仪器对试样的要求，与该类热分析仪对试样的要求相同.　　在实际应用中，大多数热重实验对样品状态没有严格的要求，液态、块状、粉状、晶态、非晶态等形式均可以进行热重实验.实验前，可以不进行专门的处理，直接进行测试.对于较潮湿的样品，一般在实验前需进行干燥处理，以避免因溶剂或吸潮而引起曲线失真.　　此外，实验时，所用试样的粒度及形状也可能影响所得热分析曲线的形状.试样粒径的不同，往往引起气体产物扩散变化，导致气体的逸出速率变化，从而引起曲线形状的变化.一般情况下，试样的粒径越小，反应速率越快，对应曲线的起始分解温度和终止分解温度也降低，同时，反应区间变窄，分解反应也越彻底.　　(2)实验气氛的选择.在热重实验中可选择的气氛通常为静态(真空、高压、自然气氛)或动态气氛(氧化性气氛、还原性气氛、惰性气氛、反应性气氛)，实验时，应根据需要，选择合适的实验气氛和流速.实验气氛的流速一般不宜过大，过大的流速往往导致较轻试样来不及发生完全分解而被气流带离测量体系，从而影响热分析曲线的形状.另一方面，过低的流速也不利于分解产物及时排出，往往使分解温度升高，严重时可能影响反应机理.　　在选择实验气氛时，应明确实验气氛在实验过程中的作用，这里给出几种常用选择原则：如果仅是通过气氛使炉内温度保持均匀、及时将实验过程中产生的气体产物带离实验体系，通常选用惰性气氛 如果需要研究试样在特定气氛下的行为时，应选择特定的实验气氛，此时的气氛的作用可以是惰性气氛，也可以是反应性气氛 当需要研究试样在自然气氛下的热行为时，样品室无需通入气氛气体，将流速设为0或者关闭气体开关，此时，若试样发生分解，可能污染检测器 对于相邻的2个过程，可通过改变实验气氛，实现相邻过程的有效分离 对于含有复合材料或含有有机物的混合物，可根据各组分在不同温度范围发生的热分解过程，确定热稳定性不同的组分的含量 当使用反应性气氛时，应充分评估气氛对仪器关键部件的安全性，某些反应性气氛如H2、纯氧等在高温下可能与仪器的关键部件发生反应，对仪器造成不可逆的损害.　　(3)温度控制程序的选择.在热重实验中，所采用的温度控制程序主要包括加热、降温、等温以及这些方式的组合等形式，其中，主要包括温度扫描速度和温度范围的确定.　　对于温度扫描速率，若采用线性加热或降温过程，采用较快的加热速率，可有效提高仪器的灵敏度，然而可能导致分辨率下降，从而使相邻的过程较难分离.一般情况下，在实际应用中，应综合考虑转变的性质和仪器的灵敏度，综合选择一个合适的温度扫描速率.对于热重实验，最常用的温度扫描速率为10℃/min.　　对于温度范围，应根据样品的性质和实验目的，进行合适选择.大多热重实验从室温开始进行，最高温度基于实验中可观察到所关注变化过程进行设定.对于热稳定性较低的物质，最高实验温度以覆盖物质的分解过程即可，不设为仪器可达最高温度.　　在进行等温实验时，从开始温度达到设定温度所需的时间越短越好，即热惯性越小越好，以避免所关注的变化在达到设定温度的过程中已经发生.　　(4)实验容器或支持器的选择.对于热重分析仪，其测试对象主要呈粉末状，通常用坩埚盛装样品.无论是坩埚还是支架，在实验过程中均不能与试样发生任何反应.　　一般来说，用于热重实验的坩埚主要有敞开式和密封式2类.常用坩埚的材质有铝、石墨、金、白金、银、陶瓷和不锈钢等，实验时，应根据样品的状态、性质和测量目的合理地选择坩埚的形状和材质.　　对于剧烈分解的样品，在热重实验中，应尽量减少试样用量，且应多使用浅皿坩埚.同时，应增大气氛气体的流速，从而及时带离分解产物.当使用敞口坩埚时，若出现迸溅现象而使试样未完全分解却被带出坩埚的情形，可通过坩埚加盖扎孔的方法解决.即，在盖子中心位置扎一个圆形小孔，以便实验过程中产生的气体及时逸出.与不加盖时的结果相比，由加盖坩埚所得热分析曲线形状往往明显变化，相应特征温度也升高.　　在选择坩埚材质时，还应考虑坩埚需承受的最高温度及其惰性特征，例如：铝坩埚的最高使用温度不超过600℃.如需进行更高温度实验，可选用金坩埚或铂坩埚.而分解反应的热重实验一般不用铝坩埚，常用氧化铝、陶瓷、铂、铜、不锈钢等材质.由于铂对棉纤维、聚丙烯腈等物质反应具有催化作用，因此，若样品中含磷、硫和卤素，则不可用铂坩埚.此外，陶瓷类坩埚通常不适用于碱性物质、含氟聚合物及硅化合物的热重实验.　　(5)环境特殊实验条件的选择.进行热重实验时，有时还需根据实验目的和样品种类，选择是否需要控制环境湿度、磁场、电场、光照等条件.　　在实际应用中，应结合具体的实验目的，判断所使用的热分析仪能否满足实验要求的特殊条件，仪器通常以附件的形式来实现上述的特殊实验条件.　　(6)数据采集频率的设置.通常情况下，1数据点/s的采集频率足以准确记录试样质量变化信息.对于一些非常快的变化过程，仪器默认的数据采集频率无法实时记录下该过程中的变化信息，此时，应增大采集频率.而对于耗时较长的等温实验或较低加热速率的实验，则不宜使用1数据点/s的采集频率，应降低数据采集频率.　　4热重实验过程　　4.1样品准备　　理论上，一切非气态的试样都可以直接通过热重实验，测量其质量在一定气氛和程序控制温度下随温度或时间的连续变化过程.待测样品，应根据实验目的，进行合理制样或取样，并标明相应信息.由于热重实验所需样品量极少，应避免样品局部取样和混合不均等问题.此外，由于由不同状态的试样所得热重曲线的差别往往较大，因此，选择合适的试样状态对能否得到合理的实验结果十分关键.一般来说，不同状态的试样需做一些相应的处理才可用于热重实验.　　4.2实验测试　　在完成样品准备和实验条件选择之后，即可开始进行热重实验测量.整个测量过程主要包括：仪器准备、样品制备、设定实验条件和样品信息、开始实验等过程[4].　　4.2.1仪器准备　　若实验室供电正常，热重实验仪一般24h开机，当重新开机时，应开起仪器使其至少预热平衡30min.若仪器虽在正常使用中，调整了气氛气体，也应使仪器在调整后气氛条件下，平衡至少30min，以使炉内气体浓度保持一致.　　在仪器处于平衡稳定的状态下，正式开始实验前，还应对实验中使用的坩埚进行质量扣除，即，“清零”操作，具体做法如下：　　(a)将一个洁净的空坩埚置于样品支架或吊篮上，若热重仪为水平式或上皿式，应在参比支架上放置一个质量相近的同类型坩埚.关上加热炉，使天平所测质量几乎不变，几分钟后，按下面板上或仪器控制软件中的“清零”按钮.完成这一操作后，若显示的质量变化很小，则表明实验中所用的坩埚的空白质量已经扣除，装入试样后，软件显示的质量即为试样绝对质量.　　在热重实验过程中，若坩埚需使用扎孔上盖或坩埚内需加稀释剂，则坩埚盖或所加稀释剂质量也应扣除.　　(b)打开加热炉，将坩埚取下，用于盛装待测实验样品.对于配置自动进样器的热重仪，可集中对多个空白坩埚依次进行清零操作，软件将对自动进样器中各编号坩埚清零过程中的质量差异进行分别记录，使用时，应避免混淆坩埚顺序.　　4.2.2制样　　将待实验的试样放入已扣除空白质量坩埚中，试样量一般不应超过坩埚体积的1/3~1/2.对于含能材料等在高温下易剧烈分解或可熔融样品，试样用量能覆盖坩埚底部即可.对于易剧烈分解样品，也可使用较大尺寸坩埚或加入稀释剂的方法，减少试样热分解过程对支架或吊篮的损害.　　对于组成不同、结构相近的系列试样，为消除试样量对实验曲线的影响，同一系列实验中，各次试样用量应相近.　　将适量试样加入至坩埚后，可用镊子夹住坩埚在桌面上轻敲几次，使试样均匀分布于坩埚底部.对于易挥发、不稳定的液体黏稠试样或易吸潮的粉末试样，应尽快加载和摇匀坩埚内试样，减少试样在空气中的变化.　　之后，打开加热炉，用镊子将坩埚置于热重仪的吊篮或支架上，并及时关上加热炉腔体，待试样信息设置完毕和样品质量读数稳定后，即可开始实验.　　对于一些较易挥发的液体试样，在天平清零操作后，应提前在控制软件中设定相应信息，从而缩短实验开始前的等待时间.　　4.2.3设定试样信息和实验条件等信息　　目前的商品化热重仪都配有相应的控制软件和数据分析软件，不同厂家的仪器的软件界面各不相同，但在软件中需输入的试样信息和实验条件等大多相似.在软件中所输入的信息，可在后期的数据分析过程中查看.　　在正式实验开始前，控制软件中应输入的信息主要有：　　(1)样品信息.包括样品名称、编号、送样人、实验人、批次、文件名等.目前大多数热重仪软件不支持中文输入，建议多用英文字母和数字，尽量避免使用“%、?、/”以及汉字等字符.　　当使用自动进样器时，除以上信息外，还应输入坩埚所对应的位置序号.　　(2)实验条件信息.主要包括试样质量、温度程序信息、坩埚参数、气氛种类及流速以及数据采集频率等其他信息.　　4.2.4运行实验测量　　信息输入后，待试样质量稳定，即可按下控制软件中的“开始”按钮开始实验，加热炉即按设定温度控制程序对试样进行加热、降温、等温等操作，数据将自动保存.实验结束后，包括试样参数、实验程序、实验数据等信息将各自单独生成文件，供后续数据分析与处理所用.　　由于热重仪天平的灵敏度较高，实验过程中，工作台附近不可出现较大的振动，加热炉出口区域也不应有较大气流波动.　　5热重实验曲线解析　　5.1曲线解析概述　　热重曲线解析是热重实验过程的重要环节，是获得所测式样热响应特性的关键步骤，曲线解析主要包括以下几个步骤[19]：实验数据导入与基本分析、运用作图软件进一步分析、热重曲线描述、热重曲线初步解析、热重曲线综合解析以及实验报告或科研论文撰写.　　5.2在仪器分析软件中的基本数据处理　　5.2.1仪器分析软件中实验数据的导入　　各组热重实验完成后，在仪器附带的数据分析软件中，可导入数据文件并进行数据处理与分析，不同厂商的数据文件的格式可能存在一定的差异，但都可转化输出为Excel等通用软件可读格式文件，以便于后续数据处理与分析.　　5.2.2仪器分析软件中的基本作图　　为了便于分析，首先可在软件中对测得的热重曲线的纵坐标进行归一化处理，将纵坐标由绝对质量换算为相对质量.对于仅含一个线性加热程序的热重实验，热重曲线常以温度为横坐标.对于温度程序中含有一个或多个等温段的实验，则其横坐标常用时间，此时，在图中也可作出“温度-时间”曲线，以显示各时刻温度.　　5.2.3仪器分析软件中的曲线数学处理　　在仪器附带的数据分析软件中打开数据文件并进行基本作图之后，也可直接对数据进行换算、求导、积分、平滑等进一步的数学处理.　　5.2.4仪器分析软件中确定曲线的特征物理量　　热重曲线中质量变化反映了试样性质随温度的变化特性，对于一个变化过程，一般用温度和质量同时描述.常用的特征温度主要包括初始温度(initialtemperature，一般用Ti表示)、外推起始温度(extrapolatedonsettemperature，Tonset)、终止温度(finaltemperature，Tf)、外推终止分解温度(extrapolatedendtemperature，Tendset)、n%分解温度(n%temperature，Tn%)和最快质量变化温度(DTG峰值温度，peaktemperature，Tp)，直接使用分析软件，即可在图种标出上述特征温度.　　图7给出了热重曲线中各特征温度的位置示意图，具体确定方法如下所述：Fig.7CharacteristictemperaturesinTGcurves(PointA:Initialtemperatureaccordingtoacertainmassloss PointB:Initialtemperatureaccordingtoacertainmasslossrate PointC:Extrapolatedonsettemperature PointD:Extrapolatedendtemperature PointE:Initialtemperatureaccordingtotheintersectionpointofaspecificlineandthebasetemperatures PointF:Endtemperatureaccordingtotheintersectionpointofaspecificlineandthebasetemperatures PointG:Temperatureforthemaximummasslossrate).　　　　(1)以失重数值达到最终失重量的某一百分数时的温度值作为反应起始温度(Ti，图7中A点) 此外，n%反应温度为质量减少n%时的温度，可直接由热重曲线标出(Tn%)，常用的n%分解温度主要有0%、1%、5%、10%、15%、20%、25%、50%时的Tn%，其中，0%分解温度特指试样保持质量不变的最高温度.　　(2)以质量变化速率达到某一特定数值时的温度作为反应起始温度(Ti，图7中B点).　　(3)以反应到达到某一特征点(如：热重曲线斜率最大)时热重曲线的切线与平台延伸线交点所对应的温度作为“外推反应起始温度”(Ti，图7中C点)和“外推反应终止温度”(Tf，图7中D点) 与Ti和Tf相比，Tonset和Tendset受人为主观判断的主影响较小，常用来表示试样的特征分解温度，而Ti和Tf则常用来表示质量变化范围的起止温度.　　(4)以反应达到热重曲线上某2个预定点的连线与平台延伸线交点所对应的温度作为反应的起始温度(Ti，图7中E点)和反应终止温度(Tf，图7中F点).　　(5)由微商热重曲线中得到的最快质量变化温度也称最大速率温度或微商热重峰值温度(Tp)，是指质量变化速率最大的温度(图7中G点)，可直接由微商热重曲线的峰值获得，Tp对应是最大质量变化速率，常用(dm/dt)p表示.　　在实际应用中，何种方法所确定的初始温度等特征值，往往都存在一定的特殊性和局限性.如图7所示，常用C点外推起始温度或A点预定质量变化百分比(通常为5%)温度来表征物质的热稳定性.　　5.2.5专业绘图软件的绘图与处理　　当前，大多商品化仪器所附带的数据分析软件都可进行多条曲线的对比分析，也可在软件中直接进行曲线上下移动和线型颜色等编辑.然而，为进行更专业和细致的数据分析与对比，往往将数据转化输出为Text、Excel等通用格式文件，从而采用Origin、Matlab、Tecplot等专业作图软件进行分析，尤其是对多工况、多样品复杂系列实验测量结果的综合分析，即可给出静态的2D和3D图，也可根据实验研究目标，重构特征参数的时空演化动态视频，以满足实验报告、科研论文以及现场交流视频等需要.　　5.3热重曲线的解析　　5.3.1热重曲线的初步解析　　热重曲线的初步解析主要包括如下几点.　　(1)结合样品信息解释曲线中发生的变化.曲线中各典型温度区间或时刻所发生变化与样品结构、成分、处理工艺等信息密切相关.　　(2)结合实验条件信息解释曲线中发生的变化.实验时采用的实验条件对热重曲线的影响较大，应结合实验所采用温度控制程序、气氛等信息，初步解释热重曲线主要特征形成的主要原因.　　5.3.2热重曲线的综合解析　　进行材料热响应特性研究时，采用多种实验测试方法进行综合分析，有利于更加客观、全面地揭示其中的本质特性及其影响机制.综合解析主要包括如下几个方面.　　(1)通过多种分析技术与热重曲线进行互补与验证分析.例如：通过热重曲线可以得到一定范围内的质量变化信息，对于结构较复杂的物质而言，仅通过热重曲线较难准确获得在实验过程中的结构变化信息.通常利用与热重仪联用的红外光谱、质谱和气相色谱/质联用技术，综合分析在质量减少过程中产生的气体产物信息，从而获得实验过程中样品结构变化特征.　　(2)通过外推法对热重曲线进行分析.由于热重曲线大多是在动态温度条件下测得，对应特征量为非热平衡状态的测量值.因此，可进行不同温度扫描速率条件下的系列热重曲线分析，将所得系列特征转变温度对温度变化速率进行数据拟合，并进行0温度变化速率条件下的外推，获得准平衡状态下的特征值.　　6在高分子科学中的应用进展　　由于可准确地测量物质受热过程中的质量变化及其变化速率，热重法在高分子科学中得到了广泛应用，对于升华、汽化、吸附、解吸、吸收和气固反应等物理和化学过程，都可进行定量检测.近年来，主要应用包括以下几个方面.　　6.1聚合物中添加剂的影响　　高分子聚合物中添加各类改性物质，是高分子材料设计与性能提升的重要研究方向.聚合物中各添加剂含量的测定，是其性能分析与配方设计的关键环节，根据各物质热稳定性差异，可由TG曲线确定添加剂的含量[20~24].　　Dorez等[25]基于TG方法，研究了聚磷酸铵(APP)、磷酸二氢铵(DAP)和磷酸(PA)3种阻燃添加剂分别对聚丁二酸丁二醇酯(PBS)/亚麻纤维(Tfl)复合高分子材料热解性能的影响.图8给出了不同阻燃添加剂条件下的复合高分子聚合物TG曲线和DTG曲线，可见，其热解过程主要分2个阶段.对于不含阻燃添加剂的PBS+Tfl，样品被加热到约370℃时，其TG曲线有一个与亚麻纤维热解对应的肩形失重，而由图8(b)所示的DTG曲线可见，PBS热解主峰在400℃位置.在该复合高分子材料中添加3%质量的APP、DAP和PA后，其热解行为主要呈现2个显著变化.首先，材料的初始热解温度更低，由图8(b)所示的各DTG曲线可见，添加APP、DAP和PA的PBS+Tfl复合高分子材料分别在277、309和259℃出现第一个热解峰，这些热解峰比亚麻热解峰更早.因此，亚麻纤维热稳定性的降低，主要归因于所添加阻燃剂分解产生的磷酸对纤维素的磷酸化作用，该反应改变了纤维素的热解路径，从而有利于亚麻脱水，并形成含碳残留物.此外，PBS+Tfl原复合高分子材料的Res600为7.0%，而添加了APP和PA的材料的Res600为11.7%，可见，阻燃添加剂的加入，使得样品热解后的残留物显著增多.其次，PBS+Tfl原复合高分子材料的DTG峰值温度为400℃，而添加阻燃剂后的DTG峰值温度范围为375~380℃，即，主要热解温度区间降低，主要归因于PBS的热水解反应.Fig.8TG(a)andDTG(b)curvesofPBS+TflandFPBS+Tflwith3wt%variedphosphorousadditives(APP:AmmoniumPolyphosphate DAP:Dihydrogenammoniumphosphate PA:Phosphoricacid)(ReprintedwithpermissionfromRef.‍[25] Copyright(2014)Elsevierpress).　　　　6.2混合物中各组分含量分析　　为增强高分子材料的强度、硬度及阻燃等性能，实际使用的高分子聚合物材料中常常包含各类无机和有机组分，TG法也常用于分析确定复合材料和天然高聚物中各组分含量分析[26~28].　　Rego等[28]针对9种树木样品，采用热重分析法，基于纤维素、半纤维素、木质素和水分4组分模型，通过高斯方程优化拟合，给出了各树木样品的组成，如表1所示.Table1Lignocellulosicscontents(%mass,drybasis)inthesamplesofpoplargenotypes(ReprintedwithpermissionfromRef.‍[28] Copyright(2019)Elsevierpress).　　图9给出了其中一种木材样品(grimmingegenotype)的曲线拟合结果，如图所示，通过4组分热重曲线的叠加包络曲线，与实验测量的样品热重曲线吻合度高.　　Fig.9ExperimentalanddeconvolutedDTGprofileforGrimmingegenotype.Curvesoffourcomponents(water,hemicellulose,celluloseandlignin)andthecombinedoneareshownforcomparisonwiththeexperimentalresults.(ReprintedwithpermissionfromRef.‍[28] Copyright(2019)Elsevierpress).　　　　图10为氧化石墨烯(GO)和聚丙烯/氧化石墨烯/四氧化三铁(PAA/GO/Fe3O4)纳米复合材料的TG曲线[29].由图可见，对于GO样品而言，由于样品中含氧官能团的分解，TG曲线在250~350℃范围内出现明显了的重量损失.另外，在425~625℃温度范围的质量损失是GO在空气中碳的燃烧引起的.因此，在水溶性的PAA/GO/Fe3O4纳米复合材料的热重曲线中：(1)在50~150℃范围的重量损失是在样品表面物理吸附的残余水引起的 (2)在150~250℃温度范围的重量损失是在合成时加入的有机溶剂和表面活性剂引起的 (3)在350~500℃之间的重量损失是PAA的氧化分解引起的 (4)500~630℃之间的重量损失是GO在空气中碳的燃烧引起的 (5)630℃以上，在实验的温度范围内，质量没有发生明显的变化.Fig.10TGcurvesoftheGO(a)andPAA/GO/Fe3O4(b)nanocomposites(GO:Grapheneoxide PAA:Polyacrylicacid).ForGO,aweightlossfrom250-350℃isascribedtothedecompositionofoxygen-containinggroupsofGO.Theothermasslossfrom425℃to625℃isattributedtotheburningofcarboninGO.ForPAA/GO/Fe3O4,thelossstepover50-150℃mightbeduetothelossofresidualwateradsorbedphysicallyinthesample.Theweightlossaround350-500℃wasduetotheburningofPAA.Theweightlossoverthetemperaturerangeof150-250℃isattributedtotheresidualorganiccompoundsinthesample.(ReprintedwithpermissionfromRef.‍[29] Copyright(2013)TheRoyalsocietyofChemistry).　　　　综合以上分析，由TG曲线可以确定，在PAA/GO/Fe3O4纳米复合材料中PAA:GO:Fe3O4的重量比是1:1:3.基于PAA/GO/Fe3O4纳米复合物的重量和PAA的平均分子量分析，可以估算得到每2个PAA分子连接一个纳米颗粒.　　6.3TG-FTIR联用分析案例　　Plassauer等[30]针对聚氨酯丙烯酸酯(PUA)和添加了磷酸酯聚氨酯丙烯酸酯(PUA-FR)，采用TG-FTIR联用技术，研究了其热解特性.图11中给出了2种样品的TG-DTG曲线，同时，可见，PUA的热解过程主要分为4个阶段，各阶段质量损失分别为4.3%、24.4%、15.9%和52.8%.此外，图12中给出了PUA和PUA-FR在典型温度下的热解产物FTIR吸收光谱.　　Fig.11TG(solidlines)andDTGcurves(brokenlines)ofPUAandPUA-FRunderpyrolyticconditionswiththeheatingrateof10℃/mininN2atmosphere.PUA:polyurethaneacrylate PUA-FR:flame-retardantPUAtreatedwithtris(1-chloro-2-propyl)phosphate(ReprintedwithpermissionfromRef.‍[30] Copyright(2021)Elsevier).　　　　Fig.12(A)FTIRspectraofvolatilecomponentsandgaseousdecompositionproductsofPUAobtainedatdifferentpyrolysistemperatures:(a)200℃,(b)290℃,(c)350℃,(d)470℃ (B)FTIRspectraofvolatilecomponentsandgaseousdecompositionproductsofPUA-FRobtainedatdifferentpyrolysistemperatures:(a)290℃ (b)350℃ (c)450℃ (d)510℃(ReprintedwithpermissionfromRef.‍[30] Copyright(2021)Elsevier).　　　　综合其热解失重曲线和热解产物吸收光谱图，可见，第一阶段(135~200℃)，主要是PUA中PMMA-PHEMA段的初始热解，然而，样品中残留溶剂的蒸发量更大，成为该阶段主要生成物.　　在第二阶段(266~310℃)，聚丙烯酸酯主链的随机断链更为显著，形成的丙烯酸酯单体是该阶段PMMA-PHEMA段分解的主要产物.　　第三阶段(348~385℃)，生成了较多的二氧化碳，表明MMA/HEMA单体的分解可能与丙烯酸酯的自由基脱羧有关.对于PUA-FR样品，由于TCPP对聚丙烯酸酯具有中断其释放自由基的作用，因此抑制了该阶段的热解反应，同时由于生成了具有更高热稳定性的含碳产物和聚磷酸盐，并通过酯侧链的脱羧释放出二氧化碳，从而达到阻燃效果.　　第四阶段(456~506℃)，发生了HDI异氰尿酸盐和少量含羟基部分的快速释放，可见该阶段主要发生氨基甲酸酯键的解离，而从PUA的气体分解产物红外数据，可进一步看出由于氨基甲酸酯键的脱羧和相关尿素的分解，形成了氨基己基异氰尿酸盐.此外，对气体和固体分解产物的红外光谱分析表明，当温度超过400℃时，异氰尿酸盐分解为三聚氰酸和异氰酸.　　6.4TG-DSC/MS联用分析案例　　Mas等[31]针对二氨基顺丁烯二腈(DAMN)，通过TG/DSC-MS联用，研究了DAMN的热解特性，图13给出了氩惰性气氛和20℃/min的升温速率条件下的TG、DSC和MS实验曲线.Fig.13(a)TG,(b)DTGandDSCcurvesand(c)temperature-dependentioniccurrentvariationoftheDAMNattheheatingrateof20℃/mininargonatmosphere.DAMN:Diaminomaleonitrile(ReprintedwithpermissionfromRef.[31] Copyright(2021)Elsevier).　　　　由图13(a)可见，样品受热升温至300℃时，质量损失18%，在温度升高至其熔融转变温度(约180℃)时，DAMN已经开始热解.由图13(b)中的DTG曲线可见，该曲线反映了若干个互有重叠的分解反应，针对DTG曲线的进一步分析表明，其中包含多个DTG峰值的叠加.通过反卷积法，对叠加包络曲线进行分离处理，结果表明，该DTG曲线至少包含2个同步反应.　　进一步的耦合峰值反卷积法分析表明，曲线包含3个高斯峰值，其中，如图13(b)可见，前2个峰值较低，而在较高的温度215℃处，有显著更大的另一个峰值.此外，由图13(b)中的DSC曲线可见，在由于材料熔融相变引起的第1个吸热峰位置，存在明显的少量质量损失.　　图13(c)给出了DAMN热解反应中的主要气体产物的质谱曲线，其中，由图中所示的m/z=27(HCN+)碎片吸收峰值所在温度可见，脱氢氰酸化反应主要发生于上述热失重曲线的后期，而16(NH2+)、17(NH3+)和18(NH4+)碎片的变化过程，反映的是热过程中的脱氨和脱质子反应.　　上述4个碎片的离子电流随温度的变化分布曲线表明，它们在195~225℃温度区间形状相似，并与图13(b)中所示的质量损失速率曲线一致.此外，m/z=28(N2+)和26(CN+)的2个相对低强度质谱曲线，也表明在熔融聚合过程中发生了脱氨和脱氰过程.　　6.5热解反应动力学分析　　对于大多反应体系，其动力学模型可用式(8)描述.(8)　　式中α为体系反应进度或转化率，无量纲 T为温度，K β为升温速率，K/min k(T)为温度对反应速率的影响函数，1/min f(α)为反应进程对反应速率的影响机理函数，无量纲.　　转化率α可用式(9)进行计算.(9)　　其中m0为样品初始质量，mg m为样品当前质量，mg m∞为结束时样品残余质量，mg.　　对于式(8)中的k(T)，主要可用2种模型，一是较为通用的阿伦尼乌斯公式[32]，如式(10)所示 二是如式(11)所示的H-E模型[33]，较不常用.(10)(11)　　式中，A为指前因子，1/min E为活化能，J/mol.R为气体常数,J/(molK) C为常数 m为幂指数.　　反应进程机理函数f(α)描述了样品反应速率与物质自身含量的关系，不同的反应机理存对应各自的反应进程机理函数形式.其中，最为通用的是n级反应模型，如式(12)所示.(12)　　式中，n即为反应级数.　　综合整理式(9)、(10)和(12)，可得完整的反应动力学模型，如式(13)所示.(13)　　可见，上式中主要包含3个动力学参数(A,E,n)，它们综合表征了样品热解反应的详细进程，因此，样品热解动力学分析的核心，即为动力学三参数(A,E,n)的求解.在众多求解方法中，常用方法有3类：微分法、积分法和GE算法，其中，前2类为线性分析法，而GE算法为非线性求解法，以下分别介绍.　　6.5.1微分法　　微分法通常直接针对式(13)进行求解，对于样品仅在单一扫描速率条件下的热重过程进行动力学分析，可称为单扫描速率法.基于n级反应假设，常用的单扫描速率法包含如下3种.　　(a)Freeman-Carroll公式[34]，通过作图可以由斜率得到活化能，如式(14)所示.(14)　　(b)当n=1时，可用Newkirk公式[35]，如式(15)所示.(15)　　取2个实验点T1和T2，则有：(16)　　(c)Achar-Brindley-Sharp公式[36]，如式(17)所示(17)　　采用不同f(α)函数，由以上线性方程的斜率获得E，由截距求得A.　　针对不同扫描速率下测得的多条热重曲线，进行动力学分析的方法称为多重扫描速率法.实际应用中，基于微分形式的多重扫描速率法有以下几种.　　(a)Kissinger-Akahira-Sunose公式[37]，针对不同升温速率(β)下所测热重曲线峰值对应的温度Tp，可得到式(18)，由该线性方程的斜率，可确定E，由截距可确定A.(18)　　(b)Friedman公式[38]，对于多条不同升温速率β下的热重曲线，选择等转化率α处，有式(19).(19)　　由斜率可以求得E，截距为ln[Af(α)].　　如果结合n级反应模型假设则可得：(20)　　结合不同的α，由式(19)可得确定不同的截距，再基于式(20)，由斜率可求得n，由截距可求得A.　　此外，还有Vachuska和Vobril法[39]等，在此不再赘述.　　6.5.2积分法　　积分法则是通过对温度或者时间积分得到g(α)如式(21)所示.(21)　　常用的积分法有如下几种.　　(a)Horowitz-Metzger公式[40]，如式(22)所示.　　译(22)(23)　　式中，Tr为满足1-α=1/e的参考温度，单位K.θ为当前温度和参考温度的差值，单位K.作lng(α)~θ图，即可由斜率确定活化能.该模型后来进一步修改为Dharwadkar-Karkhanavala公式[41]，如式(24)所示.(24)　　其中Ti,Tf分别为反应开始和结束的温度，单位K.　　(b)Coats-Redfern公式[42]，首先，采用Taylor展开取近似，得式(25)(25)　　由于RT/E~0，所以，1−2RT/E≈1.式(25)可近似为式(26)(26)　　即可基于斜率和截距值，算出E和A.　　(c)Flynn-Wall-Ozawa公式[43~45]，如式(27)所示.(27)　　针对不同的升温速率β下的曲线，在等转化率α处的温度T，作lgβ~1/T图，由斜率可到E.　　此外，还有Zsako公式[46]和Satava-Sestak公式[47]等，在此不赘述.　　6.5.3非线性动力学求解　　随着计算机科学技术的发展，可将动力学三参数的求解转化成一个迭代优化过程，即，将各参数代入反应动力学公式，根据所计算热重曲线和实际热重曲线的误差，调整参数，最终基于误差最小原则，给出最优动力学三参数值.　　Tang等[48]针对PVC热解，基于3个平行反应模型，构建动力学计算公式，如式(28)所示.(28)　　总的反应转化率则是3个平行反应的叠加，如式(29)所示.(29)　　对式(28)中的3个平行反应进行独立求解，其显示差分格式如式(30)所示.(30)　　具体计算过程中，可采用当前流行的优化求解方法：遗传算法(GeneticAlgorithm)，基于该算法的不断“自然选择-繁殖”迭代，直至达到目标拟合精度.式(31)给出了评价优化参数好坏的误差函数Φ表达.(31)　　其中，Φ为模型预测结果和实验值之间的误差 γ为实验和模型预测的反应进度速率(DTG)之间的误差占总误差的权重 α˙exp,i为实验测量的反应速率，1/K α˙cal,i为当前动力学三参数下计算出的反应速率，1/K α˙exp¯¯¯¯¯¯为实验测量的反应速率的均值，1/K αexp,i为实验测量的无量纲反应进度 αcal,i为该动力学3参数下计算出的无量纲反应进度.αexp¯¯¯¯¯¯为实验测量的反应进度均值.M为在特定升温速率下实验数据点的数目.　　Tang等[48]基于遗传算法，进行XLPE热重曲线的拟合结果如图14所示，可见，各升温速率下，可算出与热重实验曲线吻合度很高的动力学三参数.Fig.14DTGcurvesforXLPE(Crosslinkedpolyethylene)pyrolysisinatmosphereatdifferentheatingratesandtheoptimaltheoreticalfittingbasedonsingle-scanmethod.TheoptimizationofpyrolysismodelingisbasedontheGA(Geneticalgorithm)method(ReprintedwithpermissionfromRef.[48] Copyright(2018)Elsevier).　　　　7总结与展望　　本文综述了热重分析技术在高分子表征领域的主要进展，旨在帮助大家全面掌握TGA技术的实验原理，提高实验操作与数据分析过程的有效性和准确性，进一步推动TGA技术在高分子表征领域的广泛应用.　　TGA分析仪将样品精细加热调控技术与高精度质量测量技术联合，从质量变化角度，对高分子材料等受热过程中的物理与化学变化行为进行直接表征.当前，国内外相关仪器厂商的多款TGA分析仪具有的响应灵敏度、测量精度及操作方便性等各项性能已能满足大多高分子性能表征的需要.关于TGA分析仪的未来发展，主要包括如下几点：(1)进一步提高仪器准确度、灵敏度，以及稳定性 (2)不影响灵敏度的前提下，拓宽TGA分析仪的温度范围 (3)超快加热/降温速率的实现 (4)快速等温实验过程中的热惯性的进一步减小 (5)特殊实验过程所需的仪器附件研发，包括高压真空热解腔、温湿度综合控制器等 (6)与TGA分析仪联用仪器的校准方法及标准物质等方面的进一步发展 (7)仪器软件的功能拓展.　　此外，关于基于TGA分析的高分子材料应用研究方面，未来机遇与挑战主要包括：(1)基于高分子材料微量样品的高精度热重数据及其计算参数，发展其对于实际工程的应用性模型，即，通过微量样品热分析参数与尺度放大(Scale-up)模型相结合，推动微量样品热分析结果在工程实际的更好应用 (2)在基于TGA分析的材料动力学模型与参数计算，进一步解决其中的动力学补偿效应(kineticcompensationeffect,KCE) (3)TGA分析技术与DSC、FTIR、GC/MS等仪器的无缝联用优化方案设计和联用数据精确、可靠分析.　　最后，近年来，在国家对自主优质测试分析仪的大力资助下，具有自主知识产权的国产热重分析仪的研制呈现一些可喜的进展.未来，随着我国科研水平的不断提高，相信在热重分析仪研发方面也能取得更大突破.同时，我国相关仪器厂商也应一步一个脚印、不断提升自主创新能力，才能在日益激烈的热分析市场竞争中处于不败之地.　　参考文献　　1　　SeifiaH,GholamibT,SeificS,GhoreishiaSM,Salavati-NiasaribM.JAnalApplPyrolysis,2020,149:104840.doi:10.1016/j.jaap.2020.104840　　2　　PeñalverR,Arroyo-ManzanaresN,Lopez-GarcíaI,Hernández-CórdobaM.Chemosphere，2020,242:125170.doi:10.1016/j.chemosphere.2019.125170　　3　　ChenYongxuan(陈咏萱),ZhouDongshan(周东山),HuWenbing(胡文兵).ActaPolymericaSinica(高分子学报),2021,52(4):423-444　　4　　DingYanwei(丁延伟).FundamentalsofThermalAnalysis(热分析基础).Hefei(合肥):UniversityofScienceandTechnologyofChinaPress(中国科学技术大学出版社),2020.doi:10.3866/pku.dxhx202012012　　5　　GB/T6425-2008NomenclatureforThermalAnalysis(热分析术语).NationalStandardsofPeople’sRepublicofChina(中华人民共和国国家标准),2008.doi:10.1016/S1734-1140(13)71006-5　　6　　IHainesPJ,ThermalMethodsofAnalysis:Principles,ApplicationsandProblems.SpringerScience+BusinessMedia:Dordrecht，1995.Chap1.doi:10.1007/bf02548698　　7　　NoremSD,O’NeillMJ,GrayAP.ThermochimActa,1970,1:29-38.doi:10.1016/0040-6031(70)85026-2　　8　　GallagherPK,SchreyF.ThermochimActa,1970,1:465-476.doi:10.1016/0040-6031(70)85017-1　　9　　OzkanUS,KumthekarMK,KarakasG.JCatal,1997,171:67-76.doi:10.1006/jcat.1997.1793　　10　　McGhieAR.AnalChem,1983,55:987-988.doi:10.1021/ac00257a047　　11　　McGhieAR,ChiuJ,FairPG,BlaineRL.ThermochimActa,1983,67:241-250.doi:10.1016/0040-6031(83)80104-x　　12　　BrownME,BhenguTT,SanyalDK.ThermochimActa,1994,242:141-152.doi:10.1016/0040-6031(94)85016-x　　13　　GallagherPK,ZhongZ,CharsleyEL,MikhailSA,TodokiM,TanaguchiK,BlaineRL.JThermAnal,1993,40:1423-1430.doi:10.1007/bf02546906　　14　　WeddleBJ,RobbinsSA,GallagherPK.PureApplChem,1995,67:1843-1847.doi:10.1351/pac199567111843　　15　　GundlachEM,GallagherPK.JThermAnal,1997,49:1013-1016.doi:10.1007/bf01996788　　16　　JJG014-1996VerificationRegulationforThermalAnalyzer(热分析仪检定规程).NationalEducationCommissionofPeople’sRepublicofChina(中华人民共和国国家教育委员会),1996.doi:10.1007/978-1-349-24516-1_6　　17　　JJG1135-2017VerificationRegulationforThermogravimetricAnalyzer(热重分析仪检定规程).GeneralAdministrationofQualitySupervision,InspectionandQuarantineofthePeople’sRepublicofChina,2017.doi:10.2753/clg0009-4609390303　　18　　JJG936-2002VerificationRegulationforDifferentialScanningCalorimeter(示差扫描热量计检定规程).GeneralAdministrationofQualitySupervision,InspectionandQuarantineofthePeople’sRepublicofChina,2002.doi:10.1007/BF02856701　　19　　DingYanwei(丁延伟),ZhengKang(郑康),QianYixiang(钱义祥).IntroductiontoThermalAnalysisExperimentDesignandCurveAnalysis(热分析实验方案设计与曲线解析概论).Beijing(北京):ChemicalIndustryPress(化学工业出版社),2020　　20　　GibertJP,LopezCuestaJM,BergeretA,CrespyA.PolymDegradStab,2000,67:437-447.doi:10.1016/s0141-3910(99)00142-1　　21　　SchindlerA,DoedtM,GezginS,MenzelJ,SchmolzerS.JThermAnalCalorim,2017,129:833-842.doi:10.1007/s10973-017-6208-5　　22　　VogelC,KrugerO,AdamC.JThermAnalCalorim,2016,123:1045-1051.doi:10.1007/s10973-015-5016-z　　23　　YuanY,MaC,ShiYQ,SongL,HuY,HuWZ,MaterChemPhys,2018,211:42-53.doi:10.1016/j.matchemphys.2018.02.007　　24　　WangFang(王芳),HaoJianwei(郝建薇),LiZhuoshi(李茁实),ZouHongfei(邹红飞),ActaPolymericaSinica(高分子学报),2016,7:860-870.doi:10.11777/j.issn1000-3304.2016.5329　　25　　DorezG,TaguetA,FerryL,LopezCuestaJM.PolymDegradStab,2014,102:152-159.doi:10.1016/j.polymdegradstab.2014.01.018　　26　　HatakeyamaH,JThermAnalCalorim,2014,118:23-30.doi:10.1007/s10973-014-3959-0　　27　　GerassimidouS,VelisCA,WilliamsPT,KomilisD,WasteManageRes,2020,38(9):942-965.doi:10.1177/0734242x20941085　　28　　RegoF,DiasAPS,GasguilhoM,RosaFC,RodriguesA.BiomassBioenerg,2019,122:375-380.doi:10.1016/j.biombioe.2019.01.037　　29　　ZhangWJ,ShiXH,ZhangYX,GuW,LiBY,XianYZ.JMaterChemA,2013,1:1745-1753.doi:10.1039/c2ta00294a　　30　　PassauerL.ProgOrgCoat,2021,157:106331.doi:10.1016/j.porgcoat.2021.106331　　31　　MasI,Hortelano,Ruiz-BermejoM,FuenteJL.EurPolymJ,2021,143:110185.doi:10.1016/j.eurpolymj.2020.110185　　32　　LaidlerKJ.JChemEduc,1984,61(6):494-498.doi:10.1021/ed061p494　　33　　HarcourtAV.PhilTransR.SocLondA,1913,212:187-204　　34　　FreemanES.CarrollB.JPhysChem,1958,62(4):394-397.doi:10.1021/j150562a003　　35　　NewkirkAE.AnalChem,1960,32(12):1558-1563.doi:10.1021/ac60168a006　　36　　SharpJH,WentworthSA.1969,41(14):2060-2062.doi:10.1021/ac50159a046　　37　　KissingerHE.AnalChem,1957,29(11):1702-1706.doi:10.1021/ac60131a045　　38　　FriedmanHL.JPolymSci:PolymSymp,1964,6:183-195.doi:10.1002/polc.5070060121　　39　　VachuskaJ,VoborilM.ThermochimActa,1971,2(5):379-392.doi:10.1016/0040-6031(71)85014-1　　40　　HorowitzHH,MetzgerG.AnalyChem,1963,35(10):1464-1468.doi:10.1021/ac60203a013　　41　　DharwadkarS,KarkhanavalaM.ThermAnal,1980,18(1):185-191.doi:10.1007/bf01909466　　42　　CoatsAW,RedfernJ.Nature,1964,201(4914):68-69.doi:10.1038/201068a0　　43　　OzawaT.BullChemSocJpn,1965,38(11):1881-1886.doi:10.1246/bcsj.38.1881　　44　　FlynnJH,WallLA.JResNatBurStand,1966,70(6):487-523.doi:10.6028/jres.070a.043　　45　　FlynnJH,WallLA.JPolymSci,PartC:PolymLett,1966,4(5):323-328.doi:10.1002/pol.1966.110040504　　46　　ZsakoJ.JPhysChem,1968,72(7):2406-2411.doi:10.1021/j100853a022　　47　　SatavaV.ThermochimActa,1971,2(5):423-428.doi:10.1016/0040-6031(71)85018-9　　48　　TangXY,XieQY,QiuR,YangY.PolymDegradStab,2018,154:10-26.doi:10.1016/j.polymdegradstab.2018.05.016原文链接：http://www.gfzxb.org/thesisDetails#10.11777/j.issn1000-3304.2021.21210&lang=zh《高分子学报》高分子表征技术专题链接：http://www.gfzxb.org/article/doi/10.11777/j.issn1000-3304DOI：10.11777/j.issn1000-3304.2021.21210

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！二维相关红外光谱分析技术在高分子表征中的应用Applications of Two-dimensional Correlation Infrared Spectroscopy in the Characterization of Polymers本文作者：侯磊，武培怡 作者机构：东华大学化学化工与生物工程学院,上海,201620作者简介：武培怡，男，1968年生. 1985年，南京大学化学系获学士学位，1998年，德国ESSEN大学获博士学位. 1998~2000年在日本触媒研究中心从事研究工作，2000~2017年任复旦大学高分子科学系教授，2017年起任东华大学化学化工与生物工程学院教授. 2001年入选上海市科委启明星计划、上海市教委曙光计划，2003年入选上海市科委白玉兰科技人才计划，2004年入选上海市科委启明星跟踪计划，获得国家杰出青年基金资助、上海市引进海外高层次留学人员专项资金资助，2005年度入选教育部首届新世纪人才计划，2007年入选上海市优秀学科带头人计划，2016年入选英国皇家化学会会士，2017年获陶氏化学“Dow Innovation Challenge Award”. 主要研究方向包括二维相关光谱在聚合物体系中的应用、智能仿生材料、聚合物功能膜等.摘要二维相关光谱作为一种先进的光谱分析方法，具有提高谱图分辨率、解析动态过程等优势，近来在高分子表征中引起了越来越多的关注. 高分子体系涉及了丰富的相互作用和复杂的结构，分子光谱是常用的表征手段，而借助二维相关光谱分析技术，能够有效识别精细结构、判别动态变化机制，从而显著丰富和完善分析结果. 本文重点围绕二维相关红外光谱，简述了发展历史和基本原理，随后结合实际过程，介绍了相关实验和分析技巧，最后列举了其在高分子表征中的典型应用，展示了二维相关红外光谱分析的特点，具体涉及温度响应高分子的响应机制、可拉伸离子导体中复杂相互作用、小分子在聚合物基质中的扩散、天然高分子的结构表征等研究. 希望通过本文的介绍，能够帮助读者更好地理解二维相关光谱，进一步拓展其在高分子领域中的应用.AbstractTwo-dimensional correlation spectroscopy (2Dcos) is an advanced analysis method, which holds great advantages in improving spectral resolutions and interpreting dynamic processes, and has attracted great attention in the field of polymers. Molecular spectroscopy is frequently applied in the characterization of polymers, which involves abundant molecular interactions and complex structures. Under the help of 2Dcos analysis, fine structures as well as dynamic mechanisms within the polymer systems can be effectively identified, thus significantly enriching and improving the analysis results. In this paper, we will mainly focus on the two-dimensional correlation infrared spectroscopy (2DIR). Firstly, the history and basic principles of 2Dcos are briefly introduced. Then, some relevant experimental and analytical techniques are presented based on the actual process. Finally, typical applications of 2DIR in the polymer characterization are demonstrated and the features thereinto are also shown. Particularly, the response mechanisms of temperature-responsive polymers, complex molecular interactions in stretchable ionic conductors, diffusion processes of small molecules in polymer matrix and structures of natural polymers are investigated. It is hoped that this paper will help readers better understand 2Dcos and further expand its applications in the field of polymers.关键词分子光谱   二维相关光谱   高分子   分子相互作用 KeywordsMolecular spectroscopy   Two-dimensional correlation spectroscopy   Polymer   Molecular interactions  高分子材料体系涉及丰富的相互作用和多级结构，这是决定材料最终性能的关键. 分子光谱(红外、拉曼光谱)作为表征高分子材料的常用手段，一方面可以检测不同化学结构/组分所对应的官能团，依据特征吸收峰强度和位置，实现对高分子化学结构的鉴别，另一方面，可以基于不同官能团特征吸收峰的强度和位置变化，判别基团所处的物理或化学环境，实现对体系中复杂相互作用的解析. 随着高分子材料的发展，体系趋向多样化、多功能化，而传统的一维分子光谱存在谱峰重叠严重、分辨能力有限等问题，一定程度限制了分子光谱在复杂高分子体系的应用拓展.二维相关光谱(Two-dimensional correlation spectroscopy，2Dcos)作为一种先进的光谱分析手段，尤其适合于从分子水平探讨各类外扰作用下复杂高分子体系涉及的结构和相互作用变化. 相较于传统的一维光谱，二维相关光谱的优势在于：(1)对于包含许多重叠峰的复杂谱图，起到图谱简化的作用；(2)通过将原始谱图在第二维度上延伸，能够明显提高原始一维谱图的分辨率；(3)谱峰的相关性可帮助判断体系中的相互作用以及峰归属；(4)可用于确定外界刺激下不同过程的发生次序. 本文首先将结合二维相关光谱的发展历史，介绍其基本原理. 其次，围绕动态谱图获取和二维相关分析，介绍二维相关光谱的一些实验和分析技巧. 最后，结合具体体系，重点阐述二维相关光谱在高分子表征中的应用.1 基本原理1.1 发展历史二维相关光谱分析方法的基本概念最早起源于核磁共振(NMR)领域. 二维核磁共振(2DNMR)谱通过多脉冲技术激发核自旋，采集原子核自旋弛豫过程的衰减信号，最后经双重傅里叶变换得到[1]. 通过将核磁信号扩展到第二维度，可以显著提高谱图的分辨率，并且有效简化包含许多重叠峰的复杂光谱. 与此同时，通过选择相关的光谱信号，可以鉴别和研究分子内/间的相互作用. 尽管二维光谱技术在核磁领域取得了快速发展，却在很长一段时间内未能深入到其他光谱分支，如红外、拉曼、紫外-可见吸收、荧光光谱等. 阻碍二维光谱技术发展的一个根本原因在于多重射频脉冲的二维核磁技术可以成功地在精密而昂贵的核磁仪器上实施，却不能在普通的红外、拉曼和紫外-可见吸收等光谱仪器上实现. 因为这类光谱的时间标尺(time scale)远小于核磁共振[2]. 一般来说，核磁时间标尺数量级在毫秒到微秒之间，而红外吸收光谱观察分子振动的时间标尺在皮秒数量级，因此产生二维红外光谱必须采用特殊的新途径.二维相关光谱概念上的突破是由特拉华大学(University of Delaware)的化学家Noda[3,4]提出的. 他把核磁实验中的多重射频励磁看作是一种对体系的外扰(外部扰动). 施加于体系的外扰可以多种多样，如热、磁、机械、电场、化学甚至声波等. 每种外扰对体系的影响是独特而有选择性的，并由特定的宏观刺激和分子相互作用的机理所决定. 因此，包含在动态光谱中的信息类型是由外扰的方式和电磁波的种类所决定的. 外扰的波形没有任何限制，从简单的正弦波、脉冲、到随机的噪音或静态的物理量(如时间、温度、压力等)的变化均可应用于外扰. 由此，Noda设计出一种完全不同的二维光谱实验技术，他用外扰来激发被检测体系的分子，由于被激发分子的弛豫过程慢于振动光谱的时间标尺，因而可使用时间或温度等外扰分辨振动光谱(红外、拉曼)技术来跟踪研究被检测体系受外界扰动而产生的动态变化，结合数学中的相关分析技术，将原有的光谱信号扩展到第二维度，从而得到二维相关光谱(如图1所示). 二维相关光谱实际研究的就是动态光谱的变化[5,6]. 此后，随着二维相关光谱技术的发展，逐渐在荧光光谱、X射线衍射谱、凝胶渗透色谱等也得到了应用. 总体而言，二维相关光谱分析在红外光谱中的应用最为成功，这主要是由于红外光谱的信噪比相对较高，具有高灵敏度、高选择性和非破坏性等特点，能够在分子结构和链段运动等方面提供丰富信息. 另一方面，红外光谱的谱峰重叠严重，解析起来存在一定困难，二维相关光谱的引入可以很好地解决这一问题. Fig. 1 Acquisition procedure of generalized 2D correlation spectra. In the 2D synchronous and asynchronous spectra, red colors represent positive intensities while green colors represent negative ones.1.2 计算原理二维相关光谱考虑外扰变量下(如时间、温度、压力、浓度、电场、磁场等)光谱强度y(v, p)的变化情况，其中v为光谱变量，可以为任何光谱量化的参数，如红外波数、拉曼位移、紫外波长、X射线散射角等，p为外扰变量，可以是任意合理的物理或化学变量，如时间、温度、压力、电场强度、浓度、pH、离子强度等. 对于体系在一定外扰区间(1~N)下引起的动态光谱y˜(v, p)定义为[2,5]：y¯(v)为体系的参考光谱，通常选为平均谱. 参考光谱的定义为实际过程中，可以选择某一个参考点p = Pref处的光谱作为参考光谱. 参考点可以是实验的初始状态或结束状态，也可以直接简单地设为0，这种情况下，动态光谱即为我们观察到的光谱强度.二维相关强度X(v1, v2)表示在外扰变量区间内，对光谱变量v1和v2光谱强度变化y˜(v, p)的函数进行比较. 由于相关函数是计算2个互不依赖的光谱变量v1和v2处强度的变化，因此可以将X(v1, v2)转变为复数形式[2]：这里，组成复数的相互垂直的实部和虚部分别称作同步和异步二维相关强度. 同步二维相关强度Ф(v1, v2)表示随着p值的变化，v1和v2处光谱强度的相似性变化，而异步二维相关强度Ѱ(v1, v2)则表示光谱强度的相异性变化.二维相关光谱的快速计算方式在于对动态光谱进行Hilbert-Noda变换，将其从外扰域转换到频率域上，最终得到二维相关光谱[2,5].二维相关同步谱：二维相关异步谱：其中Mjk代表Hilbert-Noda转变矩阵的第j行第k列的元素，表示为：1.3 解谱规则二维相关光谱图包含同步谱和异步谱2类，图1展示了典型的同步和异步谱图.1.3.1 二维相关光谱同步谱图二维相关光谱同步谱图表现了给定2波数v1和v2处光谱强度的同步或者一致变化. 同步谱图沿对角线(对应于光谱坐标v1 = v2)方向对称，其中相关峰可以出现在对角线上，也可以出现在对角线外. 落在对角线上的相关峰称作自动峰，自动峰强度对应于外扰过程中光谱变化的自相关函数. 在同步谱中，自动峰的强度始终为正，代表了对应波数下光谱强度动态波动的整体程度. 所以，在动态谱图中表现出更大程度强度变化的区域对应的自动峰越强，而那些基本保持不变的峰自动峰强度小甚至没有自动峰. 交叉峰处于同步谱图的非对角线区域，表现了不同波数光谱信号的同步变化. 这样一种同步的变化，反过来，预示着2波数间可能存在一定的相关性. 尽管自动峰的强度始终为正，但交叉峰的强度可正可负. 如果2波数的交叉峰为正，说明这2个波数对应的光谱强度在外扰下同时增加或者同时降低；如果两波数的交叉峰为负，说明这2个波数对应的光谱强度一个增加另一个降低.1.3.2 二维相关光谱异步谱图异步谱图呈现了2个给定波数v1和v2处光谱强度的异步或者相继变化，它关于对角线反对称. 异步谱图中只有交叉峰，而无自动峰. 异步交叉峰只有在2个给定波数的光谱强度发生异相(如延迟或加快)变化时才出现. 这一特点尤其可以帮助区分光谱中的来源不同的重叠峰. 于是，外扰过程中，混合物中的不同组分、材料中的不同相或者化学基团经历不同的变化对光谱强度的贡献能够得以辨别. 即使是2个谱带靠的很近，只要它们的瞬间特征或者时间依赖光谱强度变化模式存在本质不同，它们之间便会出现异步交叉峰. 所以异步交叉峰的出现意味着这些谱带有着不同的来源或者是不同分子环境下的官能团. 异步谱图的交叉峰可正可负，而异步谱图中交叉峰的符号可以用来辅助判断谱带在外扰过程中的变化次序.1.3.3 二维相关光谱读谱规则利用同步和异步谱图的交叉峰，可以获得外扰条件下光谱强度发生变化的先后次序关系. 为方便表述，将同步谱图中(v1, v2)处的峰强度记为Φ(v1, v2)，将异步谱图中(v1, v2)处的峰强度记为Ψ(v1, v2). 根据Noda规则[5]：(1)当Φ(v1, v2) 0时，如果Ψ(v1, v2) 0，则v1谱带处的强度变化发生先于v2谱带处的强度变化(表示为v1→v2)，而如果Ψ(v1, v2) 0，则v2→v1；(2)当Φ(v1, v2) 0时，如果Ψ(v1, v2) 0，则v2→v1，而如果Ψ(v1, v2) 0，则v1→v2. 简单说来，如果(v1, v2)在同步和异步谱图的交叉峰符号一致(都为正或者都为负)，则v1→v2；如果(v1, v2)在同步和异步谱图的交叉峰符号不一致(一个为正而另一个为负)，则v2→v1.2 实验技巧二维相关光谱作为一种有效的光谱分析手段，是针对一系列动态光谱的数学分析，具体可分为2个过程：动态谱图获取和二维相关分析. 本节将结合实际操作过程，介绍二维相关红外光谱的一些实验和分析技巧.2.1 动态谱图获取2.1.1 样品制备对于固体聚合物样品，溴化钾压片法制备的样品可直接用于透射红外光谱测试；另外，还可使用溶液铸膜(solution casting)法在红外窗片上直接制备得到适合透射红外光谱测试的薄膜. 对于溶液样品，主要应考虑样品的密封问题，避免测试过程中溶剂的挥发. 此外，水溶液或者水凝胶样品，为避免H2O分子的红外吸收对高分子链上C―H和C＝O基团吸收峰的影响，可以用D2O作溶剂.2.1.2 测试条件测试模式方面，为得到高信噪比的红外光谱图，一般使用透射模式进行数据采集. 特殊的样品也可选用其他附件，例如对样品表面进行研究时可选用ATR附件. 测试条件方面，为兼顾扫描时间和信噪比，可设置红外谱图分辨率为4 cm-1，扫描次数为32次.2.1.3 测试环境二维相关光谱的特点在于只对光谱的变化敏感，能够显著放大一系列动态光谱的变化情况. 不论样品浓度、厚度如何，如果其处于静态，不发生变化，则对应的二维相关光谱无任何信号. 因此，为了使二维相关光谱的信号只来源于样品本身的结构变化，需要保证测试过程中环境的相对稳定，排除测试环境变化引起的水或二氧化碳吸收峰变化的干扰. 通常，可以借助干燥空气或者氮气吹扫，待测试环境稳定后进行背景采集，随后开展一系列动态光谱的采集.2.2 二维相关光谱分析将采集的一系列动态光谱在特定的软件上进行数学处理，即可得到二维相关光谱同步和异步谱图. 目前，能够快速获得二维相关光谱的软件种类很多[7]，大都是免费获取或者是商业化的软件，包括2D Shige、TDCOS、Mat2DCorr、2DCS、Midas 2010、R corr2D、Python Scikit Spectra、Python NumPy等. 关于二维相关光谱的谱图分析，重点在两部分：精细结构的分辨和动态过程的解析. 二维相关光谱异步谱可以区分光谱中来源不同的重叠峰，将异步谱中谱峰对应的波数进行基团归属，即可分辨体系的精细结构. 此外，通过结合同步谱和异步谱交叉峰的符号，可以获得外扰条件下光谱强度发生变化的先后次序关系. 为了方便解析复杂体系谱峰响应的先后次序，根据Noda规则，本课题组提出了一种简便的判断方式[8]. 如表1、2所示，分别读出了图1异步谱中所有谱峰对应的波数及其在同步和异步谱中交叉峰的符号(强度正负)，之后将其对应一一相乘，结果如表3所示. 该表中每一个正值都代表它所对应的横轴的波数先于或快于纵轴的波数响应，而每一个负值代表它所对应的横轴的波数后于或慢于纵轴的波数响应. 基于此，可以直观地得出对应动态过程的谱峰响应次序(“→”表示先于或快于)：1647→1628→1622→1615 cm-1.Table 1 Signs of cross-peaks in synchronous spectrum (corresponding to Fig. 1).Table 2 Signs of cross-peaks in synchronous spectrum (corresponding to Fig. 1).Table 3 The final results of multiplication on the signs of each cross-peak in synchronous and asynchronous spectra.3 典型应用基于二维相关光谱在判断精细结构和解析动态过程的优势，本节将结合本课题组的研究工作，介绍二维相关光谱在高分子表征中的应用，主要涉及温度响应高分子的响应机制、可拉伸离子导体中复杂相互作用、小分子在聚合物基质中的扩散机理等.3.1 温度响应高分子的响应机制温度响应高分子能够在外界温度发生变化时改变自身的物理或化学性质，形成对环境的感应并产生反馈，在智能传感、药物缓释、可控驱动、过滤分离、智能窗户等领域得到了广泛关注和应用[9~11]. 温度响应高分子的响应过程往往源于分子结构或链构象的变化，分子光谱(红外、拉曼光谱)对分子基团及相应的相互作用十分敏感，非常适合于研究其中的响应机理. 传统的一维分子光谱存在谱峰重叠严重、分辨能力低以及难以捕捉动态过程等不足，借助二维相关光谱分析，可以对温度响应高分子的精细结构和动态响应机制进行深入解析，探讨其中的构效关系.聚(N-异丙基丙烯酰胺)(PNIPAM)在水溶液中呈现LCST (lower critical solution temperature)型转变，即升温过程发生相分离，相转变温度约为32 ℃[12]. PNIPAM分子链同时存在亲水的酰胺基团和疏水的碳链骨架、异丙基侧基，利用变温红外光谱对PNIPAM水溶液升温过程进行跟踪，观察到vas(CH3)和vs(CH2)吸收峰波数的降低以及Amide I区域1625和1649 cm-1处吸收峰的相互转化，表明聚合物链C―H基团的脱水和分子间/内氢键C＝O… H―N的形成. 基于二维相关光谱分析，获取了PNIPAM水溶液相分离的微观动力学机理：温度升高首先发生侧基CH3的两步脱水，随后是主链的塌缩和聚集，最后为酰胺氢键的形成，并最终导致了相分离[13].PNIPAM的LCST型转变对溶剂组成也十分敏感. 尽管水和甲醇都是PNIPAM的良溶剂，但在两者以一定比例混合的状态下对PNIPAM则为不良溶剂. 例如：当甲醇和水的体积比为0.35:0.65时，PNIPAM在该混合溶剂中的LCST约为-7.5 ℃，这种现象称为“共不溶”现象. 利用红外光谱和二维相关光谱分析研究PNIPAM在水/甲醇混合溶剂中温度响应行为[14]，传统一维红外光谱分析表明，相比于纯水溶液，PNIPAM链在水/甲醇混合溶剂中处于塌缩的状态，并且PNIPAM和甲醇的相互作用明显被削弱了，这主要归因于混合溶剂中水-甲醇团簇的形成导致了PNIPAM链水合位点的减少. 进一步的二维相关红外光谱分析证实了水-甲醇团簇对PNIPAM链水合过程的抑制作用.除此之外，本课题组还探讨了其他LCST型聚合物的转变机理[15~19]、共聚(无规共聚、嵌段共聚)结构对温敏聚合物相变行为的影响[20~22]、温度响应水/微凝胶的体积转变过程[23~25]等，相关工作已进行过系统总结[26,27]，这里不再赘述.水凝胶结构与生物组织十分相近，在仿生皮肤等领域获得了广泛关注. 将两性离子单体与丙烯酸(acrylate acid, AA)共聚，通过调节盐浓度，制备得到具有优异可塑性、可拉伸性、自愈合性的超分子聚电解质水凝胶[28]. 同时，聚电解质的离子传输性质赋予了水凝胶对温度、应变、应力的多重感知功能. 基于对干态和湿态凝胶的红外光谱解析，获取了该水凝胶涉及的丰富的分子间/内相互作用，包括聚丙烯酸(PAA)链段羧基之间的氢键相互作用、两性离子链段中磺酸根与季铵盐的静电相互作用、PAA链段羧酸根和两性离子链段季铵盐的静电相互作用等，而这些丰富的分子间/内相互作用是该超分子水凝胶力学性能的决定性因素. 在此基础上，用甲基丙烯酸(methyacrylate acid, MAA)取代丙烯酸，即在PAA链段引入疏水的α-甲基，通过调节MAA和两性离子单体的比例，实现了超分子水凝胶在LCST和UCST (upper critical solution temperature)行为之间的转变[29]，如图2所示. 具体地，当两性离子单体与MAA质量比大于1时，聚合物在水溶液中表现出UCST行为；当两性离子单体与MAA质量比等于1时，聚合物在宽的温度范围(10~80 ℃)内均不溶于水；两性离子单体与MAA质量比小于1时，聚合物在水溶液中表现出LCST行为. 同时，LCST和UCST可以通过两性离子和MAA单体的共聚比例方便地进行调节. 二维相关红外光谱从分子水平有效揭示了这一体系独特相行为的产生原因. 结果表明，羰基氢键结构的转化是LCST型水凝胶相行为的驱动力，而磺酸根涉及相互作用(水合作用、静电作用等)的变化是UCST型水凝胶相行为的驱动力.Fig. 2 (a) The chemical structure of the polyzwitterion Turbidity curves and typical photos for the (b) UCST- and (c) LCST-type hydrogels Temperature-dependent FTIR spectra (d, e) and 2D correlation spectra (f, g) of typical UCST- and LCST-type hydrogels (Reprinted with permission from Ref.[29] Copyright (2018) American Chemical Society).在天然的阳离子多糖(季铵化壳聚糖)中原位聚合亲水的阴离子单体(AA)，构筑了具有温度、pH、机械力、电学等刺激响应行为的双网络聚电解质水凝胶. 该水凝胶同时集成了生物相容、离子传输、黏附、可拉伸、自愈合等多种功能，可作为仿生离子皮肤用于监测压力、温度、pH、电信号等刺激引起的生理信号变化[30]. 值得注意的是，该离子皮肤具有温度可调的黏附性，即升温黏附强度提升，降温黏附强度下降，例如水凝胶在猪皮上37 ℃下的黏附强度是20 ℃下的5.5倍，且具有良好的循环稳定性，这主要源于聚电解质水凝胶的UCST型转变. 季铵化壳聚糖由疏水主链和亲水的季铵盐基团组成，具有两亲性结构，通过改变聚合过程中AA组分的比例，可以实现对双网络聚电解质水凝胶相变行为的调控. 利用温度分辨红外光谱及二维相关分析对水凝胶的温度响应机理进行研究，结果表明体系的UCST型转变源于焓变驱动的季铵化壳聚糖与PAA链段间离子相互作用的解离和氢键作用的增强. 关于水凝胶的黏附性，涉及了丰富的分子相互作用，如PAA与基体间的氢键、季铵化壳聚糖与基体间的疏水相互作用、离子相互作用等. 二维相关红外光谱分析表明，升温相变过程中离子对解离，释放了大量解离的羧基，促使了PAA链段中羧基二聚体之间强氢键以及与季铵化壳聚糖链段羟基之间氢键的形成，提高了水凝胶的强度. 同时，水凝胶中羧基二聚体的形成有利于氨基的质子化，从而改善了组织黏附性.聚甲基丙烯酸(PMAA)在合适的水环境中也可表现出LCST型相转变[31]. 通过在PMAA水溶液中引入AlCl3等无机盐，调节盐浓度，实现了体系相转变温度的广泛可调，并构筑了具有多级结构、可实现紫外-可见-红外宽谱带光管理的新型水玻璃. 该水玻璃不仅可以可逆地切换可见光区域的透射率，阻挡紫外和红外光，还具有缺口不敏感性、自我修复断裂和划痕的功能. 借助二维相关红外光谱可对该水玻璃的动态响应机制进行解析，经分析，PMAA链段上不同化学基团在升温过程的响应次序为：α-甲基→亚甲基→羧基，表明疏水的α-甲基的脱水合是该体系相转变过程的驱动力，导致了聚合物主链的塌缩以及羧基之间氢键结构的解离. 此外，温度分辨小角X射线散射(SAXS)、微小角中子散射(VSANS)光谱证实了聚合物链塌缩引起的散射强度增加，从而产生可见光透过率的变化.一些聚电解质复合物在水溶液中也表现出热致相转变行为[32]. 通过调节典型聚电解质复合物——聚苯乙烯磺酸盐/聚二烯丙基二甲基铵在溴化钾水溶液中的浓度，同时观察到了LCST和UCST型相转变现象：低浓度下，聚电解质复合物呈现UCST型固液相转变；高浓度下，聚电解质复合物则表现为LCST型液液相分离. 基于温度分辨拉曼光谱和二维相关光谱分析，深入研究了体系中的水合效应和阴-阳离子相互作用. 研究发现，在水溶液中，聚电解质复合物的阴-阳离子相互作用呈现2种状态：直接接触型离子对(contact ion pairs, CIPs)和溶剂分离型离子对(solvent-separated ion pairs, SIPs). 聚合物浓度较低时，疏水的聚电解质链段使得阴-阳离子直接结合，CIPs占主导，而温度的升高导致了CIPs的解离，从而引起体系的UCST型转变；聚合物浓度较高时，CIPs比例低，升温导致了阴-阳离子的结合，从而引起体系的LCST型转变. 二维相关拉曼光谱分析则给出了相转变过程中的基团衍化次序，进一步揭示了聚电解质复合物两种截然不同的相转变机理：UCST型体系升温呈现出阴-阳离子相互作用逐渐减弱的解离过程，即“CIPs→SIPs→自由离子”，而LCST型体系升温呈现出阴-阳离子相互作用逐渐增强的缔合过程，即“自由离子→SIPs→CIPs”(图3). Fig. 3 2D correlation synchronous and asynchronous Raman spectra of polyelectrolyte complexes with (a) UCST- and (b) LCST-type transitions (c) Schematic illustration of the phase transition mechanisms (Reprinted with permission from Ref.[32] Copyright (2020) American Chemical Society).将温度响应聚合物引入分离膜，能够赋予膜材料温度响应功能，实现可控的物质分离[33]. 利用温敏性聚N-乙烯基己内酰胺(PVCL)和非温敏性聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)协同稳定金属有机框架(MOF)纳米片，并进一步抽滤得到层层堆叠的温度响应纳米片复合膜. 其中PVCL提供温敏性，PVP提供支撑作用，PVCL和PVP的协同作用使得在升降温循环过程中，层间纳米孔道体积既可以同步增大和缩小，而层间距维持稳定. 所得MOF纳米片复合膜水通量及对染料截留能力具有温度敏感性. 温度升高，PVCL链塌缩使得层间纳米孔道体积增大，因而水通量增大，且升降温循环过程稳定性良好. 将尺寸相近的3种染料分子(亮绿、中性红、结晶紫)混合液进行过滤测试发现，随温度升高，尺寸较小的亮绿和中性红分子截留率下降明显高于结晶紫. 值得注意的是，对不同温度下滤液的紫外-可见光谱进行二维相关光谱分析，可以得到不同染料随温度升高的流出顺序：亮绿→中性红→结晶紫，证实了复合膜中纳米孔道尺寸随温度升高而逐渐增大. 利用二维相关红外光谱进一步对纳米片复合膜的温度响应机制进行了解析，结果显示，PVCL链段在升温过程的脱水和塌缩作为复合膜温敏行为的驱动力，降低了MOF纳米片的界面润湿性，最终导致纳米孔道的变化，而PVP链段在这一过程中并未发生明显变化，主要起到层间支撑作用(图4).Fig. 4 (a) Temperature-dependent FTIR spectra of the composite membrane (30-60 ℃). The arrows indicate the spectral variation trends at different wavenumbers (b) 2D correlation synchronous (left) and asynchronous (right) spectra of the composite membrane (c) Schematic illustration of the "smart" membrane separation performance (Reprinted with permission from Ref.[33] Copyright (2020) Springer Nature).3.2 可拉伸离子导体中复杂相互作用的揭示生命系统的生理活动与离子传导密切相关，譬如皮肤和神经纤维须通过离子传导电信号实现环境感知和运动反馈. 可拉伸离子导体是模拟弹性生物组织离子传输的重要材料，在仿生皮肤、人工肌肉、可拉伸储能、软机器人等领域取得了广泛应用.在进行可拉伸离子导体的构筑时，往往需要兼顾力学和离子传导等性能，其中涉及了丰富的分子相互作用. 本课题组围绕可拉伸离子导体，在对体系分子内/分子间相互作用机理的研究基础上，提出了一系列调控力学、电学和光学性质的分子设计. 例如：利用纳米级无定形矿物粒子和天然多糖的离子作用，调节物理交联PAA的黏弹性，所构筑的仿生皮肤可以快速自修复，且具有更高的应力响应灵敏度[34]；基于AA和两性离子共聚物，选择结构匹配的离子液体，通过带电荷基团之间的离子协同效应构筑了导电纳米通道，氢键作用实现了导电通道和动态交联网络之间的协同效应，所制备的本征可拉伸导体材料透明性好、可拉伸性能突出(10000%)[35]；基于聚阴离子和聚阳离子间的弱氢键相互作用构筑了一种聚离子弹性体，所得聚离子弹性体高度透明，具有接近生物组织的力学性能和感知功能，并且可以实现同步的致动和反馈效果[36]；利用含氟聚离子液体与离子液体之间的离子-偶极和离子-离子相互作用，设计了一种可水下通信的光学伪装离子凝胶，该离子凝胶透明、力学性能可调、可3D打印，且具有水下自愈合、水下黏附、导离子等功能[37]. 二维相关红外光谱的优势在于从动态过程中识别体系的精细结构和复杂相互作用，因而是研究离子凝胶/弹性体中分子相互作用机制的有效手段.通过合理调控分子间/内相互作用，设计制备了一种基于天然小分子α-硫辛酸(α-thioctic acid, TA)的可涂覆离子凝胶油墨(图5)[38]. 在离子液体1-乙基-3-甲基咪唑硫酸乙酯([EMI][ES])存在的条件下，TA室温即可进行浓度诱导的自发开环聚合，得到稳定、透明、高拉伸且自愈合的离子凝胶弹性体. 该弹性体易溶于乙醇，因而能够方便地涂覆到任意表面，赋予涂覆体稳定的离子导电能力和应变感知功能. 利用红外光谱等手段探讨了离子凝胶中离子液体对聚硫辛酸(polyTA)的稳定机制：相比于纯的polyTA体系，离子凝胶的COOH伸缩振动区域在1734 cm-1出现了明显的肩峰，而离子液体的S＝O伸缩振动峰在离子凝胶中呈现了明显的红移，表明polyTA的羧基与硫酸乙酯阴离子形成了COOH… [ES]氢键. 分子动力学模拟结果表明了COOH… [ES]氢键的热力学稳定性，同时该氢键能够有效降低polyTA的势能. 因此，离子液体主要通过阴离子ES与polyTA基间形成强氢键而稳定polyTA. 二维相关红外光谱则揭示了离子凝胶升温过程不同化学基团的响应次序：COOH… [ES]氢键→羧酸二聚体→自由羧基，说明COOH… [ES]氢键对温度变化最敏感，进一步证实了COOH… [ES]氢键对于稳定polyTA离子凝胶的重要作用. Fig. 5 (a) Schematic illustration of the COOH[ES] H-bonding in the ionogel (b) ATR-FTIR spectral comparison among ionogel, [EMI][ES] and neat polyTA (c) Temperature-variable FTIR spectra of the ionogel in the C＝O stretching region from 25 °C to 151 °C Perturbation-correlation moving window (d) and 2D correlation synchronous and asynchronous spectra (e) generated from (c). (Reprinted with permission from Ref.[38] Copyright (2021) Wiley).受指纹结构启发，构筑了一种具有共形和可重复编辑褶皱结构的本征可拉伸离子导电芯鞘纤维[39]，其中，纤维芯层为离子凝胶弹性体，鞘层为氟橡胶，芯鞘界面借助共价交联网络和离子-偶极相互作用实现协同拓扑互锁和物理黏附. 经过表面褶皱结构的优化，该离子纤维拉伸应变感知灵敏度(gauge factor)可提升至10以上，超过了绝大多数可拉伸离子导体应变传感器. 利用红外光谱对离子凝胶芯层的分子相互作用进行研究，发现其中涉及了离子液体阳离子咪唑环上C―H与聚合物侧基乙氧基间的氢键、聚合物链段C＝O间的偶极-偶极相互作用、离子液体阴-阳离子间的弱静电相互作用等，而这些都对离子凝胶的高拉伸行为做出了重要贡献. 基于对芯层和鞘层力学性能的研究，发现表面褶皱形成的主要原因在于，高模量的氟橡胶鞘层弹性回复率显著低于离子凝胶芯层，在应变回复过程中造成了芯层和鞘层的界面失稳. 随着预应变的增加，弹性回复率差异变大，从而导致更加密集的褶皱结构. 此外，形成的表面褶皱可通过加热至60 ℃完全消除，从而赋予纤维可重复编辑褶皱的能力. 二维相关红外光谱揭示了离子凝胶芯层高温下残余应变的消除主要源于聚合物链段C＝O间偶极-偶极相互作用的减弱和构象重排，而氟橡胶鞘层由C―F间偶极-偶极相互作用锚定的链构象也可以通过加热消除.通过在强氢键交联的PAA网络中引入熵驱动的弱交联两性离子超分子网络，产生竞争机制，设计制备了一系列透明、抗冻、保湿、黏附、高拉伸、高回弹、自愈合、应变硬化、导质子、可重复加工等综合性能优异的离子皮肤(图6)[40]. 不同于传统水凝胶和离子凝胶，该离子弹性体不含大量溶剂，仅含有少量达到吸湿平衡的水分子，这使得分子间的羧酸二聚体氢键足以交联PAA分子链而形成强交联网络，而弱交联的两性离子超分子网络则提供柔性. 通过红外光谱、核磁共振谱和力学松弛等实验探讨了这一二元网络体系中的分子相互作用. 其中，具有较低pKa值的两性离子的存在使得PAA轻度去质子化，游离的质子是主要载流子. 去质子化的PAA与两性离子的阳离子端也可以发生离子缔合. 利用变温红外光谱并结合二维相关光谱分析，验证了体系中的3种主要分子相互作用，并根据它们对于温度的响应顺序判别了其结合强度，即PAA链段羧酸二聚体氢键 PAA-甜菜碱离子相互作用 甜菜碱-甜菜碱离子相互作用，这一光谱表征结果为该离子皮肤强弱协同竞争网络的分子设计提供了重要依据. Fig. 6 (a) Temperature-variable FTIR spectra of PAA/betaine ionic elastomer upon heating (b) 2D correlation synchronous and asynchronous spectra generated from (a) FTIR (c) and 1H-NMR (d) spectra of PAA, betaine, and PAA/betaine (e) Schematic illustration of PAA/betaine elastomer and the order of interaction strength among the three main interacting pairs (Reprinted with permission from Ref.[40] Copyright (2021) Springer Nature).3.3 小分子在聚合物基质中的扩散聚合物生产和加工的许多工序都涉及小分子物质在聚合物基体的扩散，研究这类扩散行为具有重要的理论和实践意义. ATR-FTIR光谱可对小分子在聚合物基质中的扩散过程进行实时、原位、快速、多组分检测，能够同时获取扩散系数和分子层面相互作用等信息. 扩散装置示意图如图7所示，聚合物基体处于ATR晶体和扩散物质之间，当扩散物质从聚合物基体的上表面扩散至下表面时即可被检测到. 随着时间的增加，与扩散物质相关的特征吸收峰强逐渐增大直至扩散平衡(扩散谱图，图7(b)). 以扩散时间为横坐标、扩散物质特征吸收峰强度/面积为纵坐标作图，即可得到扩散曲线(图7(c)). 结合二维相关光谱分析，可以提供动态扩散过程结构与相互作用的变化信息，有助于解析扩散机制[41~45].Fig. 7 (a) Schematic illustration of the diffusion experiments by ATR-FTIR spectroscopy (b) typical diffusion spectra (c) a typical diffusion curve.基于朗伯比尔定律和菲克扩散模型，Fieldson等[46]建立了基于ATR-FTIR光谱测试计算扩散系数的公式：其中这里，At为扩散时间t时，特征红外吸收峰的强度或面积；A∞为扩散达到平衡时，特征红外吸收峰的强度或面积；L为聚合物薄膜基体的厚度；D为扩散剂的扩散系数；γ为光波在聚合物基体中渗透深度的倒数，可表示为：其中，θ (θ = 45o)为红外光的入射角；n1和n2分别为聚合物和ATR晶体的折光指数；λ为红外光的波长. 基于以上扩散方程对ATR-FTIR光谱测试得到的扩散曲线进行拟合，即可得到相关扩散系数. 此外，根据曲线拟合情况可以判断该扩散过程的扩散模型.利用时间分辨ATR-FTIR光谱并结合二维相关光谱分析技术对水分子在乙基纤维素(EC)基薄膜中的扩散行为进行系统研究[47]. 分析表明，水分子在EC中的扩散行为符合菲克扩散模型，通过对扩散曲线的拟合计算得到了相关的扩散系数. 此外，探讨了EC中增塑剂(柠檬酸三乙酯)含量对水分子扩散行为的影响，结果表明，增塑剂的添加不影响水分子的扩散模型，主要起到加速水分子扩散的作用，这主要源于增塑剂的加入改善了EC链的活动性而提高了EC基体的自由体积(free volume). 利用二维相关光谱对水分子羟基伸缩振动区域扩散谱图进行解析，观察到在整个扩散过程中，主要存在着4种类型的水分子，即本体水(强氢键作用)、团簇水(中等强度氢键作用)、相对自由的水分子(弱氢键作用)以及自由的水分子(极弱氢键作用). 依据Noda规则，判别出不同状态水分子扩散的先后顺序：团簇水→本体水→相对自由的水分子或自由的水分子，表明扩散首先来自体积较小、相对弱氢键结合的团簇水，其次才是大量的本体水，而随着扩散过程的进行，部分水分子与聚合物基体相互作用而脱离团簇水或本体水，产生了(相对)自由的水分子.EC被广泛用作药物包衣材料以实现药物缓释的功能，利用ATR-FTIR光谱对药物分子在EC基薄膜中的扩散行为进行实时监测可以有效模拟这一药物缓释过程(图8)，从而为EC基药物包衣材料的配方优化提供理论指导[48]. 扩散谱图直观呈现了体系中各组分的变化情况，包括水分子(1637 cm-1)和药物分子(1569 cm-1)特征吸收峰强度的上升，增塑剂(1737 cm-1)特征吸收峰强度的下降等，表明水分子和药物分子在EC基薄膜中的扩散以及薄膜中增塑剂的部分溶解. 定量分析结果表明，扩散主要包含3个阶段：(A)水分子扩散；(B) EC膜吸水饱和，水扩散停止并溶解EC基体中的致孔剂；(C) 随着致孔剂的溶解，EC薄膜中形成孔道，使得药物分子和水分子共同扩散，同时增塑剂溶解. 二维相关红外光谱分析结果进一步证实了C阶段的各组分变化顺序：水分子扩散→药物分子扩散→增塑剂溶解，并且显示药物分子始终处于水合状态. 此外，通过改变药物分子的水溶性、致孔剂的种类以探讨膜配方对扩散行为的影响，结果表明随着致孔剂水溶性的增加和/或药物分子水溶性的降低，B阶段将缩短甚至消除. Fig. 8 (a) Time-resolved ATR-FTIR spectra collected during the water and drug diffusion (b) 2D correlation synchronous and asynchronous spectra during the diffusion of Stage C (c) Schematic illustration of water and drug diffusion across the EC-based film (Reprinted with permission from Ref.[48] Copyright (2015) Elsevier).氢氧化物/尿素是溶解纤维素的重要组合，其中尿素可稳定纤维素的疏水部分，有利于形成包合物从而促进纤维素的溶解. 在分子层面上，尿素溶液对纤维素的作用机理尚不明确. 采用ATR-FTIR光谱并结合二维相关光谱衍生的外扰相关移动窗口(perturbation-correlation moving window，PCMW)技术研究了不同浓度尿素水溶液(0，20 wt%、40 wt%和50 wt%)在黏胶纤维膜中的扩散行为，在分子水平揭示了尿素溶液的动态扩散行为以及与黏胶纤维的相互作用机制[49]. 从扩散谱图的变化规律以及对应的扩散曲线看，尿素溶液的扩散过程可大致分为2个步骤，水分子首先通过黏胶纤维膜，随后带动尿素分子一起通过. PCMW谱图显示，尿素浓度越高，尿素分子扩散滞后现象越明显. 根据菲克扩散模型，尿素分子在黏胶纤维膜的扩散系数随尿素浓度的增加而减小. 在红外光谱中，特征谱峰出现位移表明相应官能团相互作用的变化. 基于扩散过程Amide Ⅲ(尿素)和CH2-O(6)H伸缩振动(纤维素)的峰位移变化趋势，尿素水溶液在黏胶纤维中的扩散过程可以概括为：首先水分子破坏黏胶纤维膜无定形区的氢键网络，与羟基形成新的纤维素-水氢键，随后尿素分子在水分子的“桥连”作用下形成纤维素-水-尿素氢键，从而间接作用于纤维素. 低浓度下，水分子相对含量较大，可以快速打开扩散通道带动尿素分子通过黏胶纤维膜. 而高浓度下，尿素分子发生聚集且固定了大量水分子，从而在宏观上延缓了尿素溶液的扩散.热转移印花是纺织品印花方法之一，本质上是分散染料向聚酯纤维动态扩散的过程. 借助ATR-FTIR光谱对分散红9 (DR 9)在聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)薄膜中的扩散过程进行了原位跟踪，模拟了热转移印花过程，并结合二维相关光谱探讨了分散染料-分散染料、分散染料-PET相互作用机制，在分子水平上阐释了其扩散机理(图9)[50]. DR 9在PET薄膜中的扩散过程符合菲克扩散模型. 温度越高，扩散速度越快，这主要归因于：(1) 温度升高导致了PET基体自由体积的增加和分子链热运动的增强；(2) DR 9在高温下分子运动的增强. 此外，将不同温度下的扩散系数按照Arrhenius公式进行线性拟合，可以计算得到DR 9在PET中扩散活化能为15.33 kJ/mol. 通过对扩散过程中不同阶段的红外谱图进行对比，观察到了体系中存在丰富的分子间/内相互作用，包括PET和DR 9的C＝O基团间偶极-偶极相互作用、芳香基团间π-π相互作用以及DR 9分子内氢键等. 二维相关红外光谱分析进一步细化了扩散体系中不同化学基团的分子间/内相互作用及其在扩散过程中的变化情况. 高温下，随着DR 9分子热运动增强，DR 9分子之间的相互作用减弱. 借助DR 9和PET中C＝O基团之间的偶极-偶极相互作用，DR 9扩散进入PET基体. 在扩散过程中，DR 9中形成了较强的分子内氢键，从而提高了DR 9的平面性，促进了扩散过程. 随着越来越多的DR 9分子扩散到PET基体中，DR 9和PET的芳香基团之间的π-π相互作用成为主导，DR 9的分子内氢键减弱. Fig. 9 (a) Time-resolved ATR-FTIR spectra and (b) 2D correlation synchronous and asynchronous spectra of DR 9 diffusion in PET at 140 ℃ (c) Schematic diagram of DR 9 diffusion into PET (Reprinted with permission from Ref.[50] Copyright (2020) American Chemical Society).采用时间分辨ATR-FTIR光谱对不同温度下碳酸丙烯酯(PC)-双三氟甲磺酰亚胺锂(LiTFSI)在聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物(P(VDF-HFP))中的扩散行为进行了原位监测，同时获得了凝胶聚合物电解质中各扩散组分的扩散系数和分子层面相互作用信息[51]. 基于PC中C＝O伸缩振动区域的二阶导数分析，推断出PC在凝胶电解质主要存在四种状态，即与P(VDF-HFP)发生偶极-偶极相互作、PC分子间发生偶极-偶极相互作用、与锂离子发生强离子-偶极相互作用、与锂离子发生弱离子-偶极相互作用. 同时，LiTFSI参与的分子相互作用也得以识别，包括锂离子与PC中C＝O之间的离子-偶极相互作用，锂离子与P(VDF-HFP)中C―F之间的离子-偶极相互作用、TFSI-的溶剂化作用等. 扩散过程中，首先是PC分子以溶剂团簇的形式扩散进入P(VDF-HFP)，PC分子中的C＝O与P(VDF-HFP)中的C―F发生偶极-偶极相互作用，一定程度减弱了P(VDF-HFP)聚合物链间的偶极-偶极相互作用，从而有利于锂盐的扩散. 随后，借助锂离子与C＝O的离子-偶极相互作用，锂离子随着PC分子扩散进入P(VDF-HFP)，TFSI-在扩散过程中也一直处于溶剂化状态. 这里，PC分子既充当了增塑剂的角色，同时也是离子(包括阴离子和阳离子)扩散的载体. 本工作在分子水平上揭示了PC-LiTFSI在P(VDF-HFP)的传导机制，对高性能凝胶聚合物电解质的结构设计和性能优化具有一定的指导意义.3.4 天然高分子的结构表征海藻酸钠(SA)作为一类天然多糖，生产成本低、无毒且具有良好的生物相容性、可降解性，在食品工业、制药、纺织印染等领域得到了广泛应用. 随着实验室和工业对SA的日趋重视，理解SA内部的氢键结构也变得越发重要. 利用红外光谱对SA升温过程特征基团的变化进行原位监测，结合二维相关光谱等分析手段从分子水平研究了SA体系的相互作用机制，探讨了温度扰动下SA分子间/内、SA与水分子间氢键结构的演变历程[52]. 研究发现，加热过程可分为30~60 ℃和60~170 ℃ 2个阶段：第一阶段为弱氢键结合的水分子脱除，第二阶段为强氢键结合的水分子脱除. 二维相关红外光谱结果表明：30~60 ℃区间内，随脱水过程发生，SA与水分子的氢键逐步断裂，SA中C―OH和COO-基团逐渐参与形成分子间/内氢键(O3H3⋯O5和O2H2⋯O＝C―O-)，因此水分子的存在一定程度破坏了SA中原有的氢键结构；60~170 ℃区间内，强结合水脱除，SA与水分子的氢键进一步断裂，同时SA分子间/内氢键相互作用逐步减弱，出现了部分相对自由的C―OH和COO-基团(图10). 由于相对自由的COO-比C―OH更早出现，可以推测C―OH形成的分子间/内氢键相互作用比COO-更强.Fig. 10 2D synchronous and asynchronous spectra of the SA film during heating between (a) 30-60 °C and (b) 60-170 °C (c) Schematic illustration of the heat-induced hydrogen bonding transformation in the SA film[52] (Reprinted with permission from Ref.[52] Copyright (2019) Elsevier).多元羧酸与纤维素的羟基反应，能使纤维素大分子间形成立体的交联网络结构，从而赋予棉纤维织物抗皱性能. 1,2,3,4-丁烷四羧酸(BTCA)作为一类典型的用于棉纤维织物抗皱整理的多元羧酸，其与纤维素的酯化过程受到了广泛关注，但其中关于分子水平相互作用机制及动态反应机理仍不清晰. 利用FTIR光谱对加热过程中纤维素与BTCA在催化剂次亚磷酸钠(SHP)作用下的酯化反应过程进行原位跟踪，并借助二维相关光谱分析技术探讨了该反应的分子机理，重点关注了分子层面相互作用机制以及反应全过程中的化学基团转变历程[53]. 分析表明，室温下，体系中的O―H和C＝O等极性基团有强氢键相互作用. SHP存在时，碱金属离子(Na+)与羧基反应并将其转化为相应的羧酸盐，从而一定程度削弱了BTCA间的氢键相互作用. 在30~100 ℃的加热过程中，体系中的氢键部分断裂，导致一些O―H和C＝O处于相对自由的状态. 这里，SHP的存在和加热过程都会导致体系中氢键相互作用的减弱，从而使相应的化学基团更自由，有利于酸酐生成和酯化反应. 当加热至100 ℃以上后，羧酸盐和自由羧酸开始脱水形成环酐. 一旦形成环酐，就会与纤维素大分子链上的O―H反应生成酯. 通过逐步成酐和酯化反应过程，BTCA实现了对纤维素的交联. 该结果对多元羧酸的抗皱整理工艺优化及寻找更有效的多元羧酸类抗皱整理剂和催化剂具有一定的指导作用.4 总结与展望本文主要介绍了二维相关光谱的基本原理、实验和分析技巧等，并结合具体的体系(如温度响应高分子、可拉伸离子导体、小分子在聚合物中的扩散过程、天然高分子等)，简述了二维相关光谱在高分子表征中的应用. 这里，二维相关光谱不仅能够有效鉴别高分子体系涉及的丰富相互作用，还能提供外扰作用下动态过程发生的分子机制. 相关研究结果一方面有助于启发新型功能高分子材料的结构设计，另一方面也可以为实际工艺过程的配方优化和参数调整提供指导.二维相关光谱作为一种先进的光谱分析手段，在高分子材料体系的表征中得到了越来越多的关注. 随着高分子材料涉及的体系越来越复杂、功能越来越强大，这为二维相关光谱的应用提供了更多的机遇，但同时也带来了更多的挑战. 在后续的研究工作中，二维相关光谱分析可以重点关注以下几方面：(1) 光谱手段的多样性. 目前关于二维相关光谱在高分子体系中的应用主要是基于中红外光谱，关注的是分子层面相互作用信息. 一方面，中红外光谱也有一定的局限性，例如低浓度溶液体系信号弱、水的吸收峰干扰严重等. 对于中红外光谱难以表征的体系，可以尝试其他分子光谱手段，如拉曼光谱、近红外光谱等，开展二维相关光谱分析. 另一方面，其他光谱手段，包括荧光光谱、圆二色谱、紫外-可见吸收光谱、X射线衍射谱等，都可以进行二维相关光谱分析，以获取多层面丰富的结构信息. 目前，这些光谱在处理二维相关分析时，大部分因信噪比低而导致噪音被显著放大，使得结构解析变得困难，如何有效解决这一问题是丰富二维相关分析光谱手段的关键.(2) 外扰变量的丰富性. 时间、温度便于控制，是目前获取动态光谱最常用的外扰变量. 然而，影响高分子结构和性能的因素是多种多样的，例如湿度变化能够引起高分子力学性质的改变、紫外光照射可以引起高分子的老化等，尤其是刺激响应高分子，可以对温度、压力、电场、磁场、pH、浓度等丰富的外扰产生响应，引起物理或化学性质的变化. 最近，Li等[54]利用二维相关红外光谱研究了乙醇诱导聚丙烯酰胺/Pluronic 127水凝胶相分离的机理，获取了氢键解离和无定形-结晶转变等信息. 因此，利用二维相关光谱探讨不同刺激下高分子结构的演变机制，将进一步拓宽二维相关光谱的应用范围. 需要注意的是，对于测试过程无法原位施加的外扰变量，应尽量避免其他因素改变而引起的光谱变化，否则将影响二维相关光谱分析结果的真实性和可靠性.(3) 多种分析手段的关联. 一方面，通过二维相关光谱交叉谱的计算和解析，可以将不同分析手段所得结果进行关联，这能够帮助理解高分子不同层面结构的内在联系. 另一方，二维相关光谱分析结果涉及丰富的相互作用和结构变化，经过与其他分析表征手段的结果进行比对和相互验证，可有效加深人们对二维相关光谱分析结果的理解. 参考文献1Ernst R R, Bodenhausen G, Wokaun A. Principles of Nuclear Magnetic Resonance in one and Two Dimensions. Oxford: Clarendon Press, 19872Noda I, Dowrey A, Marcott C, Story G, Ozaki Y. Appl Spectrosc, 2000, 54(7): 236A-248A. doi:10.1366/0003702001950454 3Noda I. J Am Chem Soc, 1989, 111(21): 8116-8118. doi:10.1021/ja00203a008 4Noda I. Appl Spectrosc, 1990, 44(4): 550-561. doi:10.1366/0003702904087398 5Noda I. Appl Spectrosc, 1993, 47(9): 1329-1336. doi:10.1366/0003702934067694 6Noda I. Anal Sci, 2007, 23(2): 139-146. doi:10.2116/analsci.23.139 7Park Y, Jin S, Noda I, Jung Y M. J Mol Struct, 2020, 1217: 128405. doi:10.1016/j.molstruc.2020.128405 8Sun S, Tang H, Wu P, Wan X. Phys Chem Chem Phys, 2009, 11(42): 9861-9870. doi:10.1039/b909914j 9Kim Y J, Matsunaga Y T. J Mater Chem B, 2017, 5(23): 4307-4321. doi:10.1039/c7tb00157f 10Chilkoti A, Dreher M R, Meyer D E, Raucher D. Adv Drug Deliv Rev, 2002, 54(5): 613-630. doi:10.1016/s0169-409x(02)00041-8 11Weber C, Hoogenboom R, Schubert U S. Prog Polym Sci, 2012, 37(5): 686-714. doi:10.1016/j.progpolymsci.2011.10.002 12Tang L, Wang L, Yang X, Feng Y, Li Y, Feng W. Prog Mater Sci, 2021, 115: 100702. doi:10.1016/j.pmatsci.2020.100702 13Sun B, Lin Y, Wu P, Siesler H W. Macromolecules, 2008, 41(4): 1512-1520. doi:10.1021/ma702062h 14Sun S, Wu P. Macromolecules, 2010, 43(22): 9501-9510. doi:10.1021/ma1016693 15Sun S, Wu P. J Phys Chem B, 2011, 115(40): 11609-11618. doi:10.1021/jp2071056 16Wang H, Sun S, Wu P. J Phys Chem B, 2011, 115(28): 8832-8844. doi:10.1021/jp2008682 17Sun B, Lai H, Wu P. J Phys Chem B, 2011, 115(6): 1335-1346. doi:10.1021/jp1066007 18Sun S, Wu P. Macromolecules, 2013, 46(1): 236-246. doi:10.1021/ma3022376 19Zhang B, Tang H, Wu P. Macromolecules, 2014, 47(14): 4728-4737. doi:10.1021/ma500774g 20Hou L, Wu P. Soft Matter, 2014, 10(20): 3578-3586. doi:10.1039/c4sm00282b 21Hou L, Wu P. Soft Matter, 2015, 11(14): 2771-2781. doi:10.1039/c5sm00026b 22Sun W, An Z, Wu P. Macromolecules, 2017, 50(5): 2175-2182. doi:10.1021/acs.macromol.7b00020 23Hou L, Ma K, An Z, Wu P. Macromolecules, 2014, 47(3): 1144-1154. doi:10.1021/ma4021906 24Li T, Tang H, Wu P. Soft Matter, 2015, 11(10): 1911-1918. doi:10.1039/c4sm02812k 25Sun S, Hu J, Tang H, Wu P. J Phys Chem B, 2010, 114(30): 9761-9770. doi:10.1021/jp103818c 26Sun S, Wu P. Chinese J Polym Sci, 2017, 35(6): 700-712. doi:10.1007/s10118-017-1938-1 27Sun Shengtong(孙胜童), Wu Peiyi(武培怡). Materials Science and Technology(材料科学与工艺), 2017, 25(1): 1-9. doi:10.11951/j.issn.1005-0299.20160386 28Lei Z, Wu P. Nat Commun, 2018, 9(1): 1134. doi:10.1038/s41467-018-03456-w 29Lei Z, Wu P. ACS Nano, 2018, 12(12): 12860-12868. doi:10.1021/acsnano.8b08062 30Shi X, Wu P. Small, 2021, 17(26): 2101220. doi:10.1002/smll.202101220 31Lei Z, Wu B, Wu P. Research, 2021, 2021: 4515164. doi:10.34133/2021/4515164 32Ye Z, Sun S, Wu P. ACS Macro Lett, 2020, 9(7): 974-979. doi:10.1021/acsmacrolett.0c00303 33Jia W, Wu B, Sun S, Wu P. Nano Res, 2020, 13(11): 2973-2978. doi:10.1007/s12274-020-2959-6 34Lei Z, Wang Q, Sun S, Zhu W, Wu P. Adv Mater, 2017, 29(22): 1700321. doi:10.1002/adma.201700321 35Lei Z, Wu P. Nat Commun, 2019, 10(1): 3429. doi:10.1038/s41467-019-11364-w 36Lei Z, Wu P. Mater Horiz, 2019, 6(3): 538-545. doi:10.1039/c8mh01157e 37Yu Z, Wu P. Adv Mater, 2021, 33(24): 2008479. doi:10.1002/adma.202008479 38Wang Y, Sun S, Wu P. Adv Funct Mater, 2021, 31(24): 2101494. doi:10.1002/adfm.202101494 39He C, Sun S, Wu P. Mater Horiz, 2021, 8(7): 2088-2096. doi:10.1039/d1mh00736j 40Zhang W, Wu B, Sun S, Wu P. Nat Commun, 2021, 12(1): 4082. doi:10.1038/s41467-021-24382-4 41Shen Yi(沈怡), Peng Yun(彭云), Wu Peiyi(武培怡), Yang Yuliang(杨玉良). Progress in Chemstry(化学进展), 2005, (3): 499-513. doi:10.3321/j.issn:1005-281X.2005.03.016 42Liu M, Wu P, Ding Y, Chen G, Li S. Macromolecules, 2002, 35(14): 5500-5507. doi:10.1021/ma011819f 43Tang B, Wu P, Siesler H W. J Phys Chem B, 2008, 112(10): 2880-2887. doi:10.1021/jp075729+ 44Wang M, Wu P, Sengupta S S, Chadhary B I, Cogen J M, Li B. Ind Eng Chem Res, 2011, 50(10): 6447-6454. doi:10.1021/ie102221a 45Lai H, Wang Z, Wu P, Chaudhary B I, Sengupta S S, Cogen J M, Li B. Ind Eng Chem Res, 2012, 51(27): 9365-9375. doi:10.1021/ie300007m 46Fieldson G T, Barbari T A. Polymer, 1993, 34(6): 1146-1153. doi:10.1016/0032-3861(93)90765-3 47Hou L, Feng K, Wu P, Gao H. Cellulose, 2014, 21(6): 4009-4017. doi:10.1007/s10570-014-0458-1 48Feng K, Hou L, Schoener C A, Wu P, Gao H. Eur J Pharm Biopharm, 2015, 93: 46-51. doi:10.1016/j.ejpb.2015.03.011 49Dong Y, Hou L, Wu P. Cellulose, 2020, 27(5): 2403-2415. doi:10.1007/s10570-020-02997-y 50Yan L, Hou L, Sun S, Wu P. Ind Eng Chem Res, 2020, 59(16): 7398-7404. doi:10.1021/acs.iecr.9b07110 51Li H, Hou L, Wu P. Chinese J Polym Sci, 2021, 39(8): 975-983. doi:10.1007/s10118-021-2571-6 52Hou L, Wu P. Carbohydr Polym, 2019, 205: 420-426. doi:10.1016/j.carbpol.2018.10.091 53Hou L, Wu P. Cellulose, 2019, 26(4): 2759-2769. doi:10.1007/s10570-019-02255-w 54Li Y, Wang D, Wen J, Liu J, Zhang D, Li J, Chu H. Adv Funct Mater, 2021, 31(22): 2011259. doi:10.1002/adfm.202011259 《高分子学报》高分子表征技术专题链接：http://www.gfzxb.org/article/doi/10.11777/j.issn1000-3304原文链接：http://www.gfzxb.org/thesisDetails#10.11777/j.issn1000-3304.2021.21362DOI：10.11777/j.issn1000-3304.2021.21362

贝克曼库尔特9月4日“颗粒特性表征新技术”讲座重要提示尊敬的客户： 感谢您对我公司活动的关注和热情的参与。9月4日下午在广州建国酒店举行的“颗粒特性表征新技术”讲座由于内容丰富，为了有更充裕的时间进行介绍与交流，现作出调整如下： 1） 原定时间： 下午2:00 报到，2:30讲座开始 调整为： 下午1:00 报到，1:30讲座开始。 2）讲座地点：广州市天河区林和中路（广州火车站东侧） 广州建国酒店三楼 M III厅 准确的信息应为：广州市天河区林和中路（广州火车东站东侧） 广州建国酒店三楼 M III厅 3) 我公司联系人电话号码变更： 联系人：陈卫 原来电话号码 13318833894 暂停使用，号码变更为：13602766146 广州建国酒店（原天伦万怡大酒店）地图 广州建国酒店（原天伦万怡大酒店）

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！光散射技术在高分子表征研究中的应用Laser Light Scattering and Its Applications in Polymer Characterization作者:郑萃，刘芷君，梁德海 作者机构：中国石化北京化工研究院,北京,100013 北京大学化学与分子工程学院,北京,100871作者简介：梁德海，男，1971年生. 1994年获南开大学环境科学系理学学士，同年进入南开大学化学系攻读硕士. 2001年在美国纽约州立大学石溪分校获得理学博士学位，并留任博士后. 2006年加入北京大学化学与分子工程学院高分子科学与工程系，任副教授；2012年任教授. 2011年得到教育部新世纪优秀人才计划的支持，2015获得Elsevier第九届冯新德高分子奖最佳文章奖. 研究方向为高分子溶液物理，主要项目包括：基于生物大分子的非平衡态原始细胞模型的构筑及动态行为研究；多肽诱导脂质体膜内吞及外吐机理研究；大分子拥挤及限制作用的定量化研究.摘要光散射技术是高分子领域中重要的表征手段之一. 静态光散射和动态光散射的结合能够获得丰富的关于高分子的信息，如重均分子量、回转半径、第二维里系数、流体力学半径、尺寸分布、分子链构象等. 除合成高分子外，光散射技术同样适用于研究生物大分子、微生物、胶体、纳米粒子、病毒、囊泡等在溶液或悬浮液中的行为. 本综述重点介绍稀溶液中静态光散射和动态光散射的历史、基本理论和实验技巧. 对于浓溶液适用的交叉相关技术和扩散波谱技术以及固体光散射也做简要介绍. 为了帮助初学者更好地理解并掌握光散射技术，综述的最后介绍了4个应用实例：动、静态光散射相结合跟踪研究线团到密实球的转变过程，光散射确定超支化分子的标度关系，时间可分辨的光散射来剖析聚合诱导胶束化的机理，以及去偏振动态光散射研究纳米粒子在生物介质中的聚集行为.AbstractLaser light scattering (LLS), which includes static light scattering (SLS) and dynamic light scattering (DLS), has been widely applied in characterization of polymer samples in dilute solutions. SLS measures the angular dependence of the excess scattered intensity, from which the weight average molecular weight, radius of gyration, and second viral coefficient are obtained. DLS measures the intensity-intensity time correlation functions, from which the hydrodynamic radius and size distribution are obtained. The combination of SLS and DLS enables information on chain conformation. Beside synthetic polymers, LLS is also suitable for the solutions and suspensions of biopolymers, microbial, colloids, nanoparticles, virus, and vesicles. The history, theory, and experimental techniques of SLS and DLS specific for dilute solutions are summarized. In recent years, the cross-correlation techniques, diffusing wave spectroscopy, and other related techniques have been developed to expand LLS to study samples in semi-dilute and even concentrated solutions. These techniques, as well as solid light scattering, are also briefly introduced in this review. In the last, we provide four typical examples of light scattering experiments: the coil-to-globule transition as studied by the combination of SLS and DLS, the scaling of hyperbranched polymers as determined by LLS, the polymerization-induced micellization process as monitored by time-resolved LLS, and the aggregation of nanoparticles in biological media as investigated by depolarized DLS.关键词光散射  高分子表征  分子量  回转半径  相关函数KeywordsLaser light scattering  Polymer characterization  Molecular weight  Radius of gyration  Correlation function 1光散射技术的发展简史人们对光散射的认识最早可以追溯到1869年著名的丁达尔(Tyndall)凝胶散射实验. 1871年，瑞利对空气中的光散射现象进行了理论研究[1]，推导出了球形粒子的散射公式，解释了晴空蓝和夕阳红的成因[2]. 之后，德拜(Debye)和甘(Gans)分别把瑞利的散射理论拓展到了非球形粒子[3] 和大尺寸的粒子[4]，完善了气体中粒子的光散射理论.在液体等凝聚相(condensed phase)中，散射强度的实测值通常比瑞利理论的预测值小一个数量级以上，这是由散射波的相消干涉造成的. 针对这种现象，斯莫鲁霍夫斯基(Smoluchowski)和爱因斯坦(Einstein)[5]从密度涨落的角度出发，提出了光散射的涨落理论(fluctuation theory of light scattering)，极大地拓展了光散射的应用范围. 1940年前后，德拜和齐姆(Zimm)将涨落理论与溶液中的高分子表征相结合，实现了光散射对高分子的分子量、分子尺寸、分子形状和分子间相互作用的测量[6].静态光散射(static light scattering, SLS)也称为弹性光散射，是指不考虑散射波长(或能量)变化的光散射. 1914年，布里渊(Brillouin)预测固体中热声波的散射光频率会出现双峰分布，后被实验所证实，从而开启了人们对准弹性光散射，即动态光散射(dynamic light scattering, DLS)的研究. 由于对光源单色性的苛求，动态光散射技术直到1960年前后激光光源趋于成熟之后，才得到了较好的发展. 1964年，佩科拉(Pecora)[7]利用高分子溶液中散射光的频率变化，计算出了高分子的扩散系数，并得到了高分子的流体力学半径、链柔顺性等信息.当溶液中粒子的浓度增加到一定程度时，就会发生多重散射，即散射光再次或多次与粒子发生作用. 这种浓度下溶液的光散射理论较为复杂. 近年来，科学家们针对这类体系设计了许多特殊的方法或仪器，如折射率匹配法(1991年)[8]，微样品池法(1998年)[9,10]、光纤准弹性散射法(fiber optical quasi elastic light scattering, FOQELS，1991年)[11,12]、时间交叉相关法(1981年)[13]、3D交叉相关法(1999年)[14]、互相关法(1997年)[15]等. 2006年，得益于电荷耦合器件(charge coupled device，CCD)以及计算机的发展，基于光斑(speckles)的互相关法得到了实质性发展[16]，得以对亚浓溶液或浓溶液进行较为深入的研究. 当溶液体系达到浑浊状态时，极其严重的多重散射使得光在体系中的行进可以按扩散过程来处理，扩散波谱(diffusing wave spectroscopy, DWS)理论应运而生[17]，基于该理论的技术可适用于多种不同的浑浊体系.固体介质中也存在光散射现象，但在原理和应用等方面与溶液中的光散射都有很大差别. 固体中很容易产生严重的多重散射，且固体表界面的强烈散射常会对内部的散射造成严重干扰，这些都使得固体的光散射结果难以解读. 早在1922年，布里渊[18]就用光散射对固体振动进行了研究，但这不是严格意义的弹性光散射. 1960年斯坦因(Stein)[19]优化了垂直偏振光散射方法，极大地简化了散射结果，使得固体光散射在测定聚合物的链取向和晶体结构的研究中得到广泛应用[20,21].2光散射原理2.1气体光散射光的本质是电磁波，含有周期变化的电场E. 原子或分子在电场作用下会发生极化，强度与极化率α相关. 原子在周期性变化的电场中会被周期性地极化，从而转变为一个次级光源，向周围发射同频率的电磁波，即散射光(图1).Fig. 1Scattered light generated by a scatterer as it is induced to be an oscillating dipole in the incident beam. θ is the scattering angle, and the inset shows the angular dependence of the scattered light from small particles, such as atoms or molecules. The polarization of incident beam is not considered.单原子产生的散射光强Is由原子的极化率α和入射光波长λ决定. 另外，在空间某点测定的散射光强还与观测点到散射点的距离r有关. 1871年，瑞利推导出如下的散射公式：其中I0为入射光强度. 单个原子、分子和粒子在空气中的散射光强都可以用公式(1)描述. 对于多粒子体系，可表示为体积V中存在N个散射粒子，如果粒子尺寸小(半径小于入射光波长的1/20)，且数目较少，粒子之间的散射光不发生干涉，散射光强可表示为：公式(2)表明，散射光强度与波长的4次方成反比，波长短的蓝色光的散射明显强于波长更长的红色光，因此天空在阳光的照耀下显示为蓝色.2.2溶液光散射光散射技术在溶液体系中具有非常广泛的应用. 在稀溶液中，利用静态光散射技术能够测定散射粒子的绝对分子量M、回转半径Rg、第二维里(Virial)系数A2等信息；利用动态光散射技术能够测定散射粒子的流体力学半径Rh及其分布等信息. 光散射技术在亚浓溶液或浓溶液中也发挥了重要作用，但该类体系中的多重散射使得散射理论变得十分复杂. 本文重点介绍稀溶液中的光散射理论，对非稀溶液体系的散射理论只做简要介绍.2.2.1稀溶液中的静态光散射在稀溶液中，根据Clausius-Mossoti公式，可将难以测量的极化率α转化容易测量的折光指数n：其中n0是纯溶剂的折光指数，M为粒子的绝对分子量，NA为阿伏伽德罗(Avogadro)常数，c (=MN/VNA)为质量浓度. 值得一提的是dn/dc， 即溶液折光指数n对溶液质量浓度c的导数，称为折光指数增量，可以用专有仪器测定，或是从相关手册[22]中查到. 当dn/dc = 0时，预示体系中测不到反映溶质结构信息的光散射信号.对于dn/dc ≠0的单组分体系，将公式(3)代入(2)中，可得到瑞利散射公式：其中H称为光学常数，R为瑞利比.忽略由溶剂自身密度涨落引起的散射. 根据涨落理论，散射光强I仅与光学常数H、质量浓度c和渗透压π相关，并遵循如下的关系式：根据van’t Hoff关系式：其中，M为溶液中粒子的绝对分子质量，A2为第二维里系数，用来定量描述溶剂-溶质之间的相互作用. 将公式(6)代入(5)中，可以得到：式(7)中只有2个未知数M和A2. 理论上只要测量2个不同浓度溶液的散射光强I，就可以计算得到粒子的绝对分子量M和第二维里系数A2. 但是，由于每一台光散射仪的探测器面积和探测器到样品的距离都可能不同，激光束的粗细和样品池的大小也可能存在差异，因此对于同一个样品，每台光散射仪得到的信号都可能是不同的. 仪器测得的光强，必须要转化为绝对散射光强，才可以进行下一步的计算. 在实际操作中，常用瑞利比R代替I，并考虑以下这些影响因素：第一步，偏振校正. 取决于样品的性质，散射光的偏振方向会发生变化，且会影响散射光强的大小. 偏振的校正较复杂[23]. 目前绝大多数光散射仪均使用了VV偏振散射设计，即入射光与观测的散射光都是垂直(vertical)偏振的，相应的散射光强标记为Rvv.第二步，散射体积校正. 常见的散射仪器一般用小孔和狭缝来限制检测器接收的散射光. 激光束中被小孔或狭缝截留的光路在空间中所占的体积称为散射体积(图2). 对于同一个体系，散射体积越大，测得的散射光越强. 在激光光束和小孔或狭缝固定的情况下，散射体积与散射角θ (入射光矢量与散射光矢量的夹角)存在sinθ的定量关系. 因此在静态光散射实验中，在θ角测定的散射光强需要进行sinθ的校正.Fig. 2Geometry of a typical laser light scattering setup (top view).第三步，净剩光强校正. 公式(7)中的光强是散射粒子自身的光强，在溶液中又称净剩光强，即溶液的散射光强Isolution减去溶剂的散射光强Isolvent.在实验中，以瑞利比Rvv已知的标准溶剂为参照，在同一台散射仪器上进行样品的测量是最常用的做法. 例如温度为T时，样品在θ角的瑞利比RTθ 通过以下公式得到：其中ITθ、RTθ、nT为样品在温度T下的净剩光强、瑞利比和折光指数，I25θ,standard、R25θ,standard和n25standard分别为标准溶剂在25 oC的散射光强、瑞利比和折光指数，也可以选用其他温度的配套数值. 当样品溶液和标准试剂的折光指数不同时，也需要进行校正. 狭缝和小孔所对应的指数分别为1和2. 甲苯是目前最常用的标准试剂，25 °C和632.8 nm波长下的瑞利比为8.70×10-6 cm-1. 甲苯与苯在不同波长和温度下的瑞利比可以从参考文献中查阅[24,25].将散射光强用瑞利比表示后，公式(7)可改写为：公式(9)适用于描述小粒子(尺寸小于波长的1/20)在溶液中的散射行为. 通常测量多个浓度下的Rvv值，将Hc/Rvv对c作图，从拟合直线的截距和斜率中分别求得M和A2值.当高分子的尺寸较大时，同一高分子内部不同重复单元的散射光会发生干涉现象，从而导致散射光强出现了散射角度的依赖性(图3). 从光强角度依赖性数据可以反推粒子的尺寸和形状. 具体做法是在公式(9)的基础上，引入与散射角度相关的形状因子(form factor)P，其中包含了粒子的尺寸和结构信息.Fig. 3Interference pattern of light scattered from two segments in a large particle or polymer chain. The inset shows the angular dependence of the scattered light.在光散射中，习惯上使用散射矢量q表示散射角. 散射矢量q定义为散射光波矢量与入射光波矢量的差. q与散射角度θ之间的数值关系为[24]：由式(10)可知，散射矢量q的单位为长度的倒数. 在波长和溶液体系固定的前提下，q是由散射角θ决定的变量，此时形状因子可相应地记为P(q). 经P(q)修正后的散射光强公式为[23]：对于小粒子而言，P(q) = 1，与散射角度无关.用回转半径Rg来描述高分子的尺寸，当qRg 1时：将公式(12)代入公式(11)中，并做近似处理，可得到：公式(13)是经典的静态光散射方程. 通过配置若干不同浓度的样品，测定每个样品的散射光强随角度的变化，利用公式(13)就可以得到样品的分子量M，回转半径Rg以及第二维里系数A2. 需要强调的是，对于具有一定多分散度的高分子样品，静态光散射测定的是绝对“重均”分子量和“z均”回转半径. 因此对于关联分子量和回转半径的研究，如确定二者的标度关系，必须采用分布尽可能窄的样品，测得的光散射数据才有分析处理的意义.对于浓度较高或分子量较大的样品，公式(13)有时并不能给出令人满意的结果. 在这种情况下，可以尝试利用改进的公式来进行数据处理：其中k为和第二维里系数相关的常数. 根据公式(14)绘制的图称为Berry Plot，同样可以得到重均分子量和回转半径.当qRg 1时，不同形状粒子的P(q)存在较大差别[23,26].回转半径为Rg的无规高分子线团：半径为R的均匀实心球：半径为R的空心薄球壳：半径为R的薄圆盘：其中J1为一阶贝塞尔函数.长度为L的细圆柱：其中Si(x)为sinus积分函数：通过测定待研究体系的形状因子P(q)，并与标准体系进行对比，就能够判断粒子的构象并确定其特征尺寸参数. 当体系浓度足够小，2A2c一项相对于1/MP(q)可以忽略时，公式(11)可转化为：即：在公式(22)中，M/Hc是与散射角θ或散射矢量q无关的量. 因此，测定各个散射角度下的Rvv，用零角度的数值归一化，再对q作图就得到了P(q)曲线. 为了提高用P(q)确定体系构象的准确性，尽量选用窄分布的样品，并在测定时覆盖尽可能宽的散射角度.利用静态光散射来测定共聚物比均聚物要复杂很多. 由公式(4)可知，决定体系散射性能及强度的内在因素是dn/dc. 共聚物等体系包含有2种或2种以上的组分. 当这些组分的(dn/dc)不同时，散射方程将急剧地复杂化. 以AB两嵌段共聚物为例，体系总的(dn/dc)AB = wA(dn/dc)A + wB(dn/dc)B，wA和wB分别为A和B嵌段的质量分数. 按照均聚物的测定方式，利用公式(13)能够得到共聚物的表观分子量Mapp[27]:其中：由公式(23)和(24)可以得到如下结论：(1) Mapp由两嵌段的(dn/dc)决定. 当所选溶剂的(dn/dc)AB接近0时，Mapp趋于无穷大.(2) 公式中有3个独立的未知数Mw,A，Mw,B和wA，因此需要在3种不同折光指数的溶剂中测定样品的Mapp，然后解方程得到两嵌段共聚物的真实分子量Mw [27]. 对大多数嵌段共聚物体系，找到3种可单分散溶解共聚物的溶剂并不容易. 吴奇等人在1994年报道了只用2种溶剂就可利用静态光散射测定共聚物分子量的方法[28]，但数据处理稍显繁琐.(3) 当在选用的溶剂中A嵌段的(dn/dc)A= 0时，直接测定的是B嵌段的分子量，反之亦然. 利用这种掩盖法，只需要2种溶剂就能精确测定A嵌段、B嵌段以及共聚物总的分子量.公式(23)还可以改写为：[28]其中P和Q是与嵌段共聚物组分非均匀分布相关的常数.由上式可知，当A和B两嵌段的dn/dc相等或接近时，所测定的表观分子量与真实值一致. 同理，也只有在这种情况下，才能够利用公式(13)来测定共聚物的回转半径Rg. 如果A和B两嵌段的dn/dc相差较大，特别是当(dn/dc)AB接近0时，Hc/Rvv在小角度会出现负斜率，导致外推得到的Rg为负值.利用静态光散射还可以测定粒子的分形维数. 一般来讲，若物体的维数是d，则其质量M和尺寸R应满足如下的标度关系：例如：三维的实心物体，质量M 与 R3成正比，而二维的实心物体，M与R2成正比. 维数d在一定程度上反应了粒子的结构和形状. 而高分子线团、空心粒子或具有不规则形状的物体，其维数通常不是整数. 静态光散射是测定粒子分形维数的有效工具. 对于尺寸为R的粒子，当满足qR 1 (一般大于3)时，绝对散射光强Rvv和散射矢量q之间的标度将满足[23]：Rvv和q的双对数图是一条直线，直线斜率的相反数就是该粒子的分形维数d. 该方法的准确度与q有效的数据范围有关，一般需要跨越数量级. 因此，不是所有体系都适用这种方法. 表1列出了常见拓扑结构的分形维数.2.2.2稀溶液中的动态光散射散射体积一般是固定的，其中往往包含有多个散射粒子. 由于布朗运动，散射体积内粒子的数目和位置都在发生变化，这导致在固定检测位置测定的散射光强会随时间发生涨落. 图4所示是2个高分子相对位置发生改变引起的光强涨落. 看似无规的涨落信号中埋藏了粒子扩散的信息. 挖掘扩散信息的途径是从随时间变化的I ~ t曲线得到光强-光强的时间相关函数.Fig. 4Time dependence of the interference pattern. The inset shows the change of scattered intensity with time at fixed scattering angle.首先介绍相关函数的概念. 在I-t 曲线中，t和t + τ时刻分别对应着光强It和It+τ，τ称为延迟时间. 当τ→0时，总有It = It+τ，而当τ→∞时，It和It+τ则是围绕平均光强It的2个随机值，无任何相关性. 用符号表示对其中的物理量作统计平均. It⋅It+τ是以τ为变量的光强-光强时间相关函数，即It和It+τ乘积的统计平均随延迟时间τ的变化. 当τ=0时，It⋅It+τ有最大值I2t；当τ趋近于∞时，It⋅It+τ有最小值It2：令：g2(τ)称为归一化的光强-光强时间相关函数[29].将动态光散射中的g2(τ)对τ作图，得到如图5中所示的曲线. 如果体系中只包含一种散射体A，则g2(τ)随τ呈现单一的快速衰减，衰减最快处对应的时间τA反映了体系的特征性质.Fig. 5Intensity-intensity correlation function.在现代的光散射仪中，光强的测定和g2(τ)的计算都是由硬件直接完成. 测定光强常用的仪器是雪崩光电二极管探测器(avalanche photodiode detector, APD)；从光强到g2(τ)是由相关器来完成的[24].从g2(τ)到粒子扩散的信息，还需要经过以下步骤：第一步，求解电场-电场时间相关函数g1(τ). g2(τ)是光强的相关函数，需要将其转换为电场的相关函数g1(τ)，才能和扩散过程直接相关联. 在光的波动理论中，光强是电场的平方. 而g2(τ)和g1(τ)的关系比简单的平方关系要复杂，称为西格特关系式(Siegert relation)[30]：其中β是和测量光路相关的系数. 当检测器前的狭缝或小孔合适，只测到单光斑(speckle)时，β=1.第二步，求解粒子自扩散系数Ds. 这个求解的过程是动态光散射理论的核心. 这里只简单介绍基于van Hove自相关函数Gs(r, τ) 的推导过程. 假定某个粒子在时间t的位置为0, Gs(r, τ)就是在时间t+τ时在位置r处发现该粒子的概率. 由于g1(τ)是随散射矢量q而变化的，可写成g1(q, τ). g1(q, τ)和Gs(r, τ)符合傅里叶变换(Fourier trans-formation)的关系：对于单分散、各向同性粒子的扩散运动(布朗运动或无规行走)，Gs(r, τ)仅依赖于距离r = | r |，且符合高斯方程：从Gs(r, τ)的半峰宽可以解出散射粒子的均方位移ΔR(τ)2. 在布朗运动中，ΔR(τ)2与粒子的自扩散系数D0的关系为：求解方程(31)可得：其中Γ=q2D0，称为线宽. 据公式(34)，将ln(g1(τ))对τ作图，从直线的斜率直接得到D0.第三步，求解流体力学半径Rh. 利用Stokes-Einstein方程：其中k为玻尔兹曼(Boltzmann)常数(1.38×10-23 J/K)，T为绝对温度，η为溶剂黏度，可从扩散系数直接得到流体力学半径. 对于有一定分散度的样品而言，DLS测定的流体力学半径和扩散系数都是z均值.由于粒子各向异性等因素的影响，在不同散射角度测定的扩散系数存在差异，因此在固定角度测定的是表观扩散系数Ds,app. 另外，光散射直接测定的是粒子的互扩散系数(mutual diffusion coefficient)，只有在零浓度时才与自扩散系数一致[23,31,32]. 因此，利用动态光散射求算扩散系数的公式包含了散射角度和浓度的依赖性：其中k1和k2是2个常数. k1和样品的分散度以及拓扑形状有关，k2和样品与溶剂的相互作用有关. 公式(36)与静态光散射公式(13)在形式上是类似的. 在实验中，同样需要对不同浓度的样品在不同的散射角进行测量，然后按照公式(36)，通过角度和浓度的外推，得到粒子扩散系数D0.以上介绍的是单分散粒子的动态光散射理论. 当样品呈多分散时，扩散系数D0或线宽Γ会出现相应的分布，一般用G(Γ)表示. 由公式(34)可得：g1(τ)是由G(Γ)经拉普拉斯变换得到的，而实际过程中是通过测定g1(τ)来反推样品的分布G(Γ)，因此是反拉普拉斯变换. 针对动态光散射实验开发的反拉普拉斯变换的方法有许多，如累积矩(cumulant)法、双指数(double-exponential, DE)法、直方图(histogram)法，离散变换(discrete inversion)法、熵最大化(maximum entropy method, MEM)法、非负值最小二乘法(nonnegatively least squares, NNLS)法、指数抽样(exponential sampling, ES)法和CONTIN法等. 关于各算法的优劣，可参考具体文献[33~36]. 在这些方法中，CONTIN是使用较为广泛且适用大多数多分散体系的算法.2.2.3稀溶液中静态光散射和动态光散射的结合应用不难看出，静态光散射和动态光散射是对同一个样品的浓度系列进行了2种不同方式的测量. 2种测量方式的有机结合，能够得到关于样品更多或更深入的信息.首先，对于单分散样品，比值Rg/Rh反应了粒子的拓扑结构. 表2列出了一些常见粒子的Rg/Rh的理论值.其次，对于双分布或多分布样品，静态光散射只能得到样品Rg和Mw的平均值. 而如果动态光散射能够在不同的散射角对多分布，特别是双分布，进行明确区分，就可以把在该角度的散射总光强按照峰的比例进行分配，从而得到各个组分的光强角度依赖性，再利用静态光散射理论，得到不同组分的Rg和Mw[37~39].最后，结合静态散射理论，能够把动态光散射测到的线宽分布G(Γ)转换为分子量的分布G(M)，前提是需要知道样品分子量和扩散系数的标度关系[40~42].2.2.4非稀溶液中的动态光散射非稀溶液体系中的动态光散射研究近年来取得了较多进展，已有不少成功应用的例子，并可以预期它在未来的科研中将发挥更重要的作用. 非稀溶液动态光散射主要面临2个共性问题：多重散射和非遍历(non-ergodicity). 扩散波谱也是一种特别且重要的非稀溶液动态光散射技术. 下面将分别进行介绍.非稀溶液中的多重散射可以通过设计特殊的仪器设备来进行削弱或抑制. 例如：扁平池光散射仪[43]就是采用光程非常小的扁平样品池(厚度可小至10 μm)，并辅以相应的散射体积校正，从而大幅减少多重散射，使得测量体系浓度可以比通用光散射仪大1000倍左右.光纤准弹性光散射仪(FOQELS)[11,12]是利用背散射来消除多重散射的影响. 入射光通过光纤导入到待测溶液中，该光纤同时也是信号接收器，接收(180±3)°范围内的散射光，背散射光和主光束用单模光纤定向耦合器进行区分. 浓度高达40 wt%的浑浊乳胶样品中也能利用该仪器进行DLS研究，且无需除尘.利用2束激光进行交叉相关是抑制多重散射的有效方式[14,44]. 双色交叉相关仪采用2束不同波长的激光同时照射样品；3D交叉相关仪则采用2束同波长但分别略高和略低于散射平面的激光同时照射样品. 这2种仪器大致上是利用非相干光的相关性为0，来消除有限次多重散射对相关函数的影响，从而得以对高浓体系进行光散射的测量. 这类仪器的测量角度也是大幅度可变的，在这一点上比FOQELS具有明显的优势. 双色交叉相关仪对光路准直的要求非常高，甚至0.01 oC的温度涨落所导致的光路波动都有可能破坏仪器的准直性. 相对而言，3D交叉相关仪对此的要求低得多.在非稀溶液中，由于粒子运动过慢或粒子过大等因素，导致实际的测量结果不是对样品所有可能状态的综合，这就是非遍历问题. 非遍历测量的直接后果就是数据不具有统计性，导致测得的g2(τ)数据无法解出样品真实的g1(τ).解决非遍历问题的首要思路是如何尽可能多地得到g2(τ)的信息. 可采用的方法包括对同一个体系用不同的方法测得g2(τ)，如用CCD面探测器测得多个光斑的变化然后进行互相关，对不同位置的测量结果取平均，或是用串联的双样品池进行目标样品和参考溶液的相关等.如何从g2(τ)中解出接近真实的g1(τ)也是解决非遍历问题的必经步骤. 目前常用的方法是对西格特关系式(公式(30))进行变换，如其中f(g1(τ))是与实验装置相关的函数，具体的装置设计和对应的算法可参考文献[45]. 根据公式(37)可在非遍历条件下求得较准确的g1(τ).扩散波谱是针对极浓溶液的一种特殊的动态光散射方法，基本思路和常规的动态光散射法相同：仪器测定g2(τ)，算出g1(τ)，通过变换得到扩散系数Ds，从而算出Rh. 所不同的是，从g1(τ)到Ds涉及了特殊的理论，具体的推导过程可参考文献[17,45,46]. 对于单分散样品，g1(τ)和Ds的关系式可表示为：将ln(g1(τ))对τ−−√作图，数据将呈现一条直线，从斜率即可求出Ds. 可以看出，对于极浓溶液，g1(τ)和q或散射角无关，这也是合理的.更重要的是，扩散波谱能够测定介质的储能模量G' 和损耗模量G' ' 的频率依赖性，也就是介质的黏弹性[47~49]，这类似于流变仪扫频实验得到的数据. 由Stokes-Einstein方程(公式(35))可知，扩散系数D与ηR的乘积呈反比关系，这3个参数可以知二求一. 对于常规的动态光散射而言，溶剂黏度η已知，可求出Rh. 在极浓溶液中放入给定尺寸Rh的小球，根据小球的D(τ)能够得到η*(ω)，即溶液复合黏度随频率的变化曲线. 由该曲线可计算求得G' (ω)和G' ' (ω).2.3固体光散射固体光散射在高分子球晶的研究中发挥了重要作用，可得到球晶分布、取向和尺寸信息. 虽然球晶也可用偏光显微镜(POM)和原子力显微镜(AFM)进行观测，但偏光显微镜有光学分辨极限，对尺寸小于5 μm的球晶几乎无法观测，而原子力显微镜对样品制备有着较为严格的要求，也无法观测固体内部的球晶形态. 因此，在球晶研究方面，固体光散射有着不可替代的优势. 球晶固体光散射的理论比较复杂[19~21], 本节仅简单介绍球晶呈现的四叶草瓣形状的散射图样和球晶尺寸的求算.2.3.1球晶的VH散射四叶草瓣图样光穿过具有取向的结构后，沿非取向方向偏振的光将被抑制或滤去(图6(a))，这也是许多偏振片的工作原理. 常用的VH固体光散射的光路设计是在样品的前后分别放置偏振片，偏振方向相互垂直(图6(b)). 这样的实验设计滤去了偏振不变的散射光，只有改变了偏振方向的那部分散射光才能被检测到. 对于许多结晶高分子而言，球晶的散射信号是唯一偏振有变化的散射信号.Fig. 6Spherulite studied by solid light scattering.球晶内部的取向结构是中心对称的(图6(c)). 经过第一个V偏振片的入射光，在球晶的V方向和H方向上遇到的球晶内部的取向结构均是垂直或平行于V方向的，光将直接通过或是被完全滤去，方向不发生偏转. 因此，在这2个方向上的散射光在第二块H偏振片后面，完全不会被检测到. 而除了V方向和H方向，散射光均和球晶内部的取向结构有一定夹角，光将偏转方向，得以被最终检测到. 因此，散射图样常出现黑十字消光现象(图6(d))，呈现四叶草瓣形状. 消光十字的方向分别平行于2个偏振片的取向方向. 图6(d)还表明散射图样不是连续的，而是由多个分散的斑点所构成，其中每一个亮斑都是之前动态光散射理论中所说的斑点(speckle). 这不是因为检测器的精度不够造成的.2.3.2球晶的尺寸计算球晶属于大粒子，其固体散射也存在形状因子P(θ). 在VH光路下[19]，其中：R' 为球晶半径.对于无取向的球晶时，理论和实验均表明，在花瓣散射光强最亮点处，近似有U=4.0[19]. 因此：其中θm即最亮点处的散射角. 公式(42)即广泛使用的无取向球晶的尺寸计算公式. 对于有取向的球晶，最亮点处的U值有时会发生变化. [21]3实验技巧在上面介绍的光散射技术中，稀溶液体系的光散射应用目前最为广泛，所得到的信息也最丰富，但相应的样品制备和实验过程也比较复杂. 本节将简要介绍稀溶液光散射的实验技巧和数据处理方式.3.1样品溶解首先是要选择合适的溶剂来溶解样品. 重点考虑光散射衬度，即(dn/dc)的大小. 若(dn/dc) = 0，将得不到任何散射信号. 在保证溶解性能的前提下，通常选择折射率和溶质差别较大的溶剂. 对于共聚物体系而言，需要根据体系的性质和实验的需求来选择溶剂. 例如：在测定有机共聚物的精确分子量时，则应当选择多种良溶剂或共溶剂进行实验.其次是要选择合适的样品浓度来进行测量. 一方面浓度要足够稀，使得分子间的相互作用可以忽略. 高分子的临界交叠浓度(overlap concen-tration) c*是浓度上限的参考点. 另一方面，浓度越稀，散射信号也越弱，测量将变得困难. 对于未知且不易估算c*的高分子体系，0.1 mg/mL可以作为初始的浓度进行尝试.最后需要溶解样品，形成均一体系. 高分子的溶解过程耗时较长，通常需要2~24 h. 搅拌仅能有限地加速溶解过程. 升温会使得高分子体系氧化，应尽量避免. 超声也是不推荐的.3.2除尘由于散射光强与粒子尺寸的4~6次方成正比，直径在微米级的灰尘粒子会对高分子样品的散射实验造成毁灭性的破坏，因此要尽量避免样品溶液中掺杂有灰尘粒子. 灰尘是极性的. 水溶液体系的除尘往往比有机溶液体系要困难. 除尘操作包括样品瓶除尘和溶液样品除尘.光散射样品瓶的除尘通常采用类似于索式提取的装置，利用蒸发后再冷凝的丙酮间歇性地对倒置样品瓶的内部进行多次冲刷. 除尽灰尘的样品瓶要封口并倒置保存.样品的除尘通常有过滤法和离心法. 过滤法更易操作，需要在空气尽量净化的环境中，使用孔径在样品尺寸之上，且在灰尘粒径之下的滤膜，用注射器将待测样品过滤后注入到除尘后的样品瓶中. 可供选择的商业化滤膜有很多，可选用的孔径在200~600 nm之间. 过滤时滤膜上的压力不宜过大，因此过滤需缓慢进行. 如果所测体系较为复杂，没有合适的滤膜可选，则可考虑离心法.3.3仪器准直仪器的准直性是光散射实验的前提. 溶剂分子(一般选甲苯)的散射光强在校正散射体积后是没有角度依赖性的(图1)，可用来验证仪器的准直程度. 对除尘后的甲苯样品进行角度扫描，角度范围一般在20°~150°. 如果每个角度的散射光强都围绕某一平均值波动，且波动不超过2%，则可认为仪器的准直是良好的. 若该条件不满足，则需要对仪器的准直进行校准.3.4实验过程静态光散射实验中散射角度的选择很重要. 原则上，只有在qRg 1的情况下才能用公式(13)准确测定粒子的回转半径. 对于尺寸较大的样品，需要在小的散射角度或q范围内测量多个数据点(减小角度间隔)，以保障角度外推的可靠性. 另外，在小角度时，灰尘的影响会变得更加明显，这对样品特别是水溶液中的样品的除尘提出了更高的要求. 大尺寸样品的光强角度依赖性很强，小角度的光强比大角度会高出有4~5个数量级，因此要注意检测器的线性响应范围，必要时可用非偏振类滤光片调节入射光的强度.动态光散射数据的根源是g2(τ). 在样品除尘合格的前提下，选择合适的延迟时间τ范围，并累积足够长的时间是获得可靠g2(τ)的前提.检测器前端的小孔(pinhole)或狭缝是可调的. 对于静态光散射，通常需要选择较大尺寸(如1 μm)以测得具有统计性的散射光强. 对于动态光散射，通常需要选择较小的尺寸(如200 nm)，以保证只测到单一光斑，从而使得西格特关系式中的β值趋近于1.对于碳纳米管、石墨烯、金纳米颗粒、荧光分子等具有光吸收能力的样品，静态光散射和动态光散射的校准方式也是不同的. 静态光散射需要通过测定光吸收系数，通过朗伯比尔定律来校正不同角度的净剩散射光强；而动态光散射则需要测定在不同入射光强下的样品扩散系数，通过外推到零入射光强的方式来消除光吸收对扩散的影响. 如果样品的吸光性太强，引入的误差增加，不提倡用光散射进行测量.3.5数据处理绘制Zimm图是静态光散射最常用的数据处理方法. 这是一个初学者经常会出错的处理过程，其中最关键的是各物理量单位的转化. 简单的处理方式是采用非国际单位：q以nm作为长度单位，其他所有物理量的长度单位均转化为cm. 光学常数H和质量浓度的单位则分别为cm2⋅g-2⋅mol和g⋅cm-3. 在绘制Zimm图时，如果数据点偏离了线性，可以从样品是否多分散、是否聚集以及是否满足qRg 1等方面进行分析.尺寸小于激光波长1/20的粒子通常不会出现散射角度的光强依赖性，不需要做角度扫描. 为了尽量降低灰尘对散射实验的影响，一般选择90°进行各浓度溶液的测量，然后直接运用公式(9)计算M和A2.如果实验中只关注回转半径，且要求的准确度不高，可选择一个较低的样品浓度进行角度扫描，不需要dn/dc的测量. 具体处理如下：取x列为散射角度θ，y列为光强值I原始数据，将x列转换为q2，单位为nm-2，将y值转换为(I - Isolvent)⋅sinθ(即只做净剩光强校正与散射体积校正)，单位任意；(2)将x和1/y作图，线性拟合，取3倍截取/斜率，并开平方，即得到回转半径Rg，单位为nm.对于多组分体系的动态光散射，尺寸相差2倍以上的粒子才有可能被分辨为2个组分. 如果体系中组分的数量大于3，或得到的Rh分布图的峰数量大于3，则需要对结果的准确性持较谨慎的态度，需要从原理上判断结果是否合理，或通过其他手段适当进行辅证.3.6(dn/dc)测量(dn/dc)通常需要专用的仪器进行测量. 折光指数和原子极化率相关，极大地受原子序数的影响. 相对于C和H元素而言，Na和K等元素的原子序数要大得多，因此溶剂中的微量溶盐将极大地影响(dn/dc)的测量准确性. 为了确保对未知体系的准确测量，最好使用同一批溶剂，分别进行(dn/dc)的测量以及所有的光散射实验.4典型应用光散射技术在高分子表征中的应用非常广泛. 感兴趣的人士可以查阅相关书籍、专著和文献. 从掌握光散射基本理论和实验技巧、了解光散射技术发展趋势的角度出发，结合实验体系的代表性， 我们选取了4个经典的应用案例，来具体说明动、静态光散射的使用技巧，二者相结合的必要性，时间可分辨光散射技术的优势，以及如何开发光散射技术在复杂溶液体系中的应用.4.1动、静态光散射相结合表征溶液中高分子行为动、静态光散射技术相结合能够对溶液中的高分子进行深入、系统的表征. 跟踪高分子链从线团到球的转变(coil-to-globule transition)过程是该技术最典型的应用之一. 在不良溶剂中，高分子链会发生塌陷，同时会伴随着高分子链之间的聚集. 如果观测单个高分子链在不良溶剂中的构象转变，要考虑多方面的因素[50,51]，一般采用尽可能高的分子量、尽量窄的分布、并在尽可能稀的溶液中来进行. 一方面可以避免分子链之间的聚集，另外也可以保持较高的净剩散射光强. 吴奇课题组结合分级和过滤得到了分子量极高、多分散度窄的水溶性聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAM)样品(Mw=1.3×107 g/mol，Mw/Mn 1.05)，并配制了10-7 g/mL级别的极稀水溶液，用光散射首次观测到了高分子单链塌缩的构象转变.PNIPAM的低临界溶液温度(lower critical solution temperature，LCST)约为32 °C. 图7对比了6.7×10-7 g/mL PNIPAM在相变前后的动、静态光散射结果. 在35.9 °C时，水是PNIPAM的不良溶剂，Rg从30.1 oC的127 nm减小到17.9 nm，Rh也发生了类似变化. Rg/Rh在2个温度的数值分别为1.5和0.72，表明PNIPAM在30.1 oC时为线团构象，而升温到35.9 °C时则转变为密实球的构象.Fig. 7Typical angular dependence of Hc/Rvv of PNIPAM in water at two different temperatures, where the polymer concentration is 6.7×10-7 g/mL. The inset shows the corresponding hydrodynamic radius distributions f(Rh) of the PNIPAM chains respectively in the coil and the globule states. (Reprinted with permission from Ref.[50] Copyright (1998) American Chemistry Society).在连续的升温和随后的降温过程中，Rg/Rh随温度并不是单调变化的. 如图8(a)所示，在升温过程至30.6 °C之前，Rg/Rh基本保持在1.5左右，表明PNIPAM为无规线团构象；在30.6~31.6 °C 温度区间，Rg/Rh 从1.5快速降低到1.0，此时的链构象可归结为褶皱的线团(crumpled coil)；继续升温到32.4 °C时，Rg/Rh骤降到0.56，所对应的是熔融球构象(molten globule)，即表面密度低、内部密度高的球体；在随后的升温过程中，Rg/Rh逐渐增加到0.775, 所对应的是常规的球体. 图8(b)对比了不同温度时PNIPAM的链构象示意图及相应的链密度分布. 在随后的降温过程中，Rg/Rh的变化过程出现了明显的滞后，这可能是在球体状态下形成了某种链内结构所造成的.Fig. 8(a) Temperature dependence of Rg/Rh of PNIPAM chains during coil-to-globule (heating) and globule-to-coil (cooling) transitions. (b) Schematically showing the four thermodynamically stable states and their corresponding chain density distributions (W(r)) along the radius during coil-to-globule transitions. (Reprinted with permission from Ref.[50] Copyright (1998) American Chemistry Society).4.2光散射测定超支化分子的标度关系除线性高分子外，光散射在测定具有复杂构型的高分子样品中也具有独到的优势. 以支化高分子为例，李连伟课题组制备得到了支化点间长度等同的“完美”支化高分子，并利用光散射技术确定了支化高分子尺寸和聚合度之前的标度关系[52].对于满足支化随机、支化点间长度等同的单分散高分子样品，其回转半径Rg与支化分子总的单体数Nt以及临界支化点间的单体数Ns之间存在如下的标度关系：其中b是库恩长度. 对于在θ溶剂中ν值的大小，不同理论有着不同的认识. 平均场理论认为 ν=0.25，而Flory理论则预测ν=0.44. 由于理想的支化高分子难以得到，在此之前尚无实验数据进行验证.李连伟课题组合成了不同分子量的支化聚苯乙烯(h-PS)，并用静态光散射测定了重均分子量. 对于高分子量样品，qRg 1，采用Berry plot(参见公式(14))进行数据处理. 低温下，环戊烷是h-PS的不良溶剂，而高温下是良溶剂. 通过测量多个温度下体系的第二维里系数A2，找到其由正值转变为负值的临界点，即可得到θ温度，其值为304~307 K.通过对静态光散射数据进行处理得到了形状因子Rvv(q)/Rvv(0) (图9(a)). 线性拟合qRg 3的数据，利用公式(27)得到支化分子的分形维数为2.4，并进一步求得ν约为0.42. 另外，ν值还可以从支化样品的Rg~Mw 的双对数关系中直接得到. 如图9(b)所示，h-PS在环戊烷溶剂中302.1 K的ν约为0.47. 2种方法得到的结果是吻合的，均支持Flory理论的预测.Fig. 9(a) qRg dependence of the normalized excess Rayleigh ratio [RVV(q)/RVV (q=0)] for h-PS and (b) weight-average molar mass (Mw) dependence of chain size (R) for different h-PS in cyclopentane at 302.1 K (Reprinted with permission from Ref.‍[52] Copyright (2020) American Chemistry Society).4.3用时间分辨光散射表征体系的动态变化前文中介绍的光散射理论都是针对平衡态体系的. 如果体系发生变化所需的时间远超过光散射的采样时间，就能够在保证准确度的情况下，利用光散射技术原位、在线跟踪聚合、组装、解离、降解等过程，获得分子量、尺寸等随时间变化的信息，并以此来剖析机理，也就是常说的时间分辨的光散射技术. 这里以聚合诱导的胶束化过程为例来说明该技术的特点和优势[53]. 类似的经典案例还有利用GPC-LLS联用技术监测高分子的降解过程[54]，监测支化高分子的聚集与解散[55]，以及监测噬菌体喷射DNA的过程[56]等.氯仿是聚氧乙烯(PEO)的良溶剂, 苯乙烯(S)和马来酸酐(MAn)交替共聚物的不良溶剂. 运用可逆加成断裂转移(RAFT)活性聚合技术，让含有PEO(聚合度114)的大分子链转移剂在氯仿中进行苯乙烯和马来酸酐的交替共聚，生成PEO-b-P(S-alt-MAn). 当P(S-alt-MAn)的聚合度达到某临界值时，就会发生胶束化. 取决于浓度、温度、链长等因素，该过程的时间跨度可达10 h，因此适合用时间可分辨的光散射技术进行表征.聚合反应的各种试剂和溶剂经滤除尘后，收集于无尘的光散射样品瓶中，并用高纯氮吹扫5 min以除去体系中的氧气. 把样品瓶放入恒温(55±0.01) °C散射仪中，计时开始，交替进行SLS和DLS测量. 取决于散射光强，DLS的采样时间从10 s到2 min不等. 图10 是PEO引发剂为1.38 mg/mL时，Rh分布随时间的变化情况. 在229 min时，体系中除了聚合物单分子外(Rh为2~3 nm)，还出现Rh约100 nm聚集体(图10(A))，但散射光强弱，证明此类聚集体比较松散. 随时间推移，单分子含量减少，聚集体含量增加，尺寸分布也变窄(图10(B)). 在373 min时，体系中出现了Rh约20 nm的另外一种聚集体(图10(C))，并伴随着大分子单体和100 nm聚集体含量的减少(图10(D))，此时散射光强开始急剧增加，说明新聚集体的链密度较高. 最终体系中仅存在尺寸为20 nm的聚集体，即大分子胶束.Fig. 10Distribution of hydrodynamic radius during polymerization at different time at 30°. The concentration of PEO macro-CTA is 1.38 mg/mL. (Reprinted with permission from Ref.[53] Copyright (2008) American Chemistry Society).由于在373 min之前体系中存在多分布，用静态光散射测定分子量和Rg没有实际意义. 当体系中只存在20 nm的聚集体时，就可以用静态光散射测定Rg，并结合动态光散射的结果，对粒子构象进行分析. 由于光强随时间在发生变化，而Rg的测定需要同一时间的光强角度依赖性数据. 可行的做法是依次测量30°、45°、60°、75°、90°这5个角度下光强数据，并记录时间，直至反应结束. 这样就得到了5条不同角度的散射光强随时间的变化曲线. 使用MATLAB中的cubic spline平滑拟合并插值，可得到任意时间下的光强角度依赖性数据，从而分析得到Rg和分子量. 尽管胶束化过程与浓度相关，无法进行浓度外推，但从严格意义上来讲，这种单一浓度测定的胶束尺寸仍然是表观数据. 如图11所示，随着聚合反应的进行，Rh,app从380 min的23 nm单调增加至840 min的40 nm；而Rg,app在500 min之前快速减小，从53 nm减至20 nm，后基本保持不变. Rg,app/Rh,app则从~1.8降低至~0.5，说明了该聚集体的构象从松散的聚集体向密实球转变. 由于最终聚集体的核是P(S-alt-Man)形成的密实球，而外围的PEO链仍然处在良溶剂中，为线团构象，因此Rg,app/Rh,app可低至0.5左右，类似熔融球构象. 这些结果表明，当P(S-alt-MAn)的聚合度到达临界聚集值时，嵌段共聚物并不是一步组装成胶束结构，而是首先形成具有松散结构的聚集体，继而发育成胶束结构.Fig. 11Time dependence of Rg,app and Rh,app in the polymerization-induced self-assembly process. The inset shows the changes in Rg,app/Rh,app. The concentration of PEO macro-CTA is 1.38 mg/mL. (Reprinted with permission from Ref.‍[53] Copyright (2008) American Chemistry Society).4.4去偏振光散射表征生理介质中的纳米粒子随着现代生物医学技术的发展，纳米粒子在药物缓释、基因传递、生物传感和成像等领域得到了长足发展. 纳米粒子与生物介质的相互作用决定了纳米粒子的细胞中的归宿，包括吸附、分布、代谢和清除，因此原位、无扰跟踪纳米粒子在生物介质中的动态过程就显得尤为重要. 荧光标记是目前最常用的方法，但荧光基团毫无疑问会改变纳米粒子的表面性质.原位、无扰对体系进行检测是光散射技术的优势. 由于生物介质中高含量的蛋白质等物质会严重干扰纳米粒子的散射光，这使得常规的偏振光散射(VV)并不适于复杂生物体系的研究(图12(a)). 但由于多晶结构的存在，无机纳米粒子不会是完美的球形，总会存在非均质的内部结构，从而能够改变偏振光的方向. 因此采用去偏振动态光散射(depolarized DLS，DDLS)，即入射光为V方向偏振，但收集H方向偏振的散射光，就能够有效滤除生物介质产生的背景散射光(图12(b))[57].Fig. 12Depiction of nanoparticles and the bio-matrix background as seen in standard polarized (a) and depolarized (b) dynamic light scattering experiments, respectively. (Reprinted with permission from Ref.[57] Copyright (2015) The Royal Society of Chemistry).Balog团队利用DDLS技术对比研究了柠檬酸稳定的金纳米颗粒以及不同端基聚乙二醇链包覆的金纳米颗粒在四种不同的生物介质(磷酸盐缓冲液PBS、牛血清白蛋白的PBS溶液、培养基DMEM以及添加了牛血清蛋白的DMEM)中的动态行为. 所使用的仪器是商业化的3D光散射仪. 激光光源为21 mW，632.8 nm的氦氖激光器，散射光信号由装有集成准直光学元件的单模光纤收集，并传递至2个高灵敏度的APD探测器进行分析. 结果表明，DDLS有效地屏蔽了背景散射光，从而能够跟踪金纳米颗粒在不同介质中的聚集过程. 如图13所示，金纳米颗粒形成的聚集体尺寸及其分布既与颗粒表面的涂层有关，更受介质组分的影响. 所得结果得与扫描电镜的结果一致，证明了DDLS原位、无扰跟踪研究复杂体系动力学过程的可靠性.Fig. 13Time-resolved DDLS study started promptly after incubating the Au NPs in the biological media. The dashed lines correspond to the Au NPs in PBS buffer. (Reprinted with permission from Ref.[57] Copyright (2015) The Royal Society of Chemistry).5结语与展望本文介绍了分别对应高分子稀溶液、浓溶液和固体的光散射技术. 其中针对高分子稀溶液的动、静态光散射技术和针对高分子球晶的固体散射技术都是比较成熟的手段，在高分子体系的研究中发挥着不可替代的作用. 光散射技术最显著的优势是能够对体系实现原位、无扰的表征. 伴随着生物医学、活性软物质等领域的发展，针对复杂体系的光散射技术将具有更广阔的应用前景.致谢感谢赛普瑞生的牛爱珍博士和布鲁克海文的王继军工程师提供商业化仪器的相关资料.参考文献1Rayleigh L. Phil Mag, 1871, 41: 107-1202Rayleigh L. Phil Mag, 1899, 47:566-572. doi:10.1080/147864499086212983Debye P. Ann Phys, 1915, 351: 809-823. doi:10.1002/andp.191535106064Gans R. Ann Phys, 1925, 381: 29-38. doi:10.1002/andp.192538101035Einstein A. Ann Phys, 1910, 338: 1275-1298. doi:10.1002/andp.191033816126Berne B J, Pecora R. Dynamic Light Scattering. With Applications to Chemistrys, Biology, and Physics. New York: Dover Publications, Inc., 2000. 57Pecora R. J Chem Phys, 1964, 40: 1604-1614. doi:10.1063/1.17253688MegenVan, Pusey P N. Phys Rev A, 1991, 43: 5429-5441. doi:10.1103/physreva.43.54299Urban C, Schurtenberger P. J Colloid Interface Sci, 1998, 207: 150-158. doi:10.1006/jcis.1998.576910Lehner D, Kellner G, Schnablegger H, Glatter O. J Colloid Interface Sci, 1998, 201: 34-47. doi:10.1006/jcis.1997.532711Lilge D, Horn D. Colloid Polym Sci, 1991, 269: 704-712. doi:10.1007/bf0065740812Wiese H, Horn D. J Chem Phys, 1991, 84: 6429-6443. doi:10.1063/1.46027213Phillies G D J. J Chem Phys, 1981, 74: 260-262. doi:10.1063/1.44088414Pusey P N. Curr Opin Colloid Interface Sci, 1999, 4: 177-185. doi:10.1016/s1359-0294(99)00036-915Meyer W, Cannell D, Smart A, Taylor T, Tin P. Appl Opt, 1997, 36: 7551-7558. doi:10.1364/ao.36.00755116Zakharov P, Bhat S, Schurtenberger P, Scheffold F. Appl Opt, 2006, 45: 1756-1764. doi:10.1364/ao.45.00175617Maret G, Wolf P E Z. Phys B, 1987, 65: 409-413. doi:10.1007/bf0130376218Brillouin L. Ann Phys, 1922, 17: 88-122. doi:10.1051/anphys/19220917008819Stein R S, Rhodes M B. J Appl Phys, 1960, 31: 1873-1884. doi:10.1063/1.173546820Stein R S, Chu W. J Polym Sci, Part A: Polym Chem, 1970, 8: 1137-1157. doi:10.1002/pol.1970.16008070921Van Aartsen J J, Stein R S. J Polym Sci, Part B: Polym Phys, 1971, 9: 295-311. doi:10.1002/pol.1971.16009020622Huglin M B. Light Scattering from Polymer Solutions. London: Academic Press, 1972. 204-28923Wolfgang S. Light Scattering from Polymer Solutions and Nanoparticle Dispersions Series. Translated by Zheng Cui, Liang Dehai. Beijing: China Machine Press, 2012. 1-2524Chu B. Laser Light Scattering: Basic Principles and Practice. 2nd ed. New York: Academic Press Inc, 1991. 19. doi:10.1016/b978-0-12-174551-6.50005-725Hua W. Chem Phys, 2010, 367: 44-47. doi:10.1016/j.chemphys.2009.10.01926Zhao Zeqing(赵择卿), Lu Danian(陆大年), Yang Dingchao(杨定超). Light Scattering Technology(光散射技术). Beijing(北京): China Textile&Appare lPress(纺织工业出版社), 1989. 28-3027Bushuk W, Benoit H. Can J Chem, 1958, 36: 1616-1626. doi:10.1139/v58-23528Wu C, Fai K, Luo W, Zhu X, Ma D. Macromolecules, 1994, 27: 6055-6060. doi:10.1021/ma00099a01829Teraoka I. Polymer Solutions: An Indroduction to Physical Properties. New York: John Wiley&Sons, Inc. 2002. 168-171. doi:10.1002/047144026430Chu B. Laser Light Scattering: Basic Principles and Practice. 2nd ed. New York: Academic Press Inc, 1991. 84. doi:10.1016/b978-0-12-174551-6.50005-731Kanematsu T, Sato T, Imai Y, Ute K, Kitayama T. Polym J, 2005, 37: 65-73. doi:10.1295/polymj.37.6532Delaye M, Gromi Ec A. Biopolymers, 1983, 22: 1203-1221. doi:10.1002/bip.36022041333Vanhoudt J, Clauwaert J. Langmuir, 1999, 15: 44-57. doi:10.1021/la980747r34Gulari Esin, Gulari Erdogan, Tsunashima Y, Chu B. J Chem Phys, 1979, 70: 3965-3965. doi:10.1063/1.43795035Kim S H, Ramsay D J, Patterson G D, Selser J C. J Polym Sci, Part B: Polym Phys, 1990, 28: 2023-2056. doi:10.1002/polb.1990.09028111136Benmouna M, Vilgis T A, Hakem F. Macromolecules, 1992, 25: 1144-1152. doi:10.1021/ma00029a02237Buhler E, Rinaudo M. Macromolecules, 2000, 33: 2098-2106. doi:10.1021/ma991309+38Litmanovich E A, Ivleva E. M Polym Sci, 2010, 52: 671-678. doi:10.1134/s0965545x1006014339Corrotto J, Ortega F, Vázquez M, Freire J J. Macromolecules, 1996, 29: 5948-5954. doi:10.1021/ma950739740Murphy R M, Yarmush M L, Colton C K. Biopolymers, 2010, 31: 1289-129541Casassa Edward F. Polym J, 1972, 3: 517-525. doi:10.1295/polymj.3.51742Chi W. Polym Adv Technol, 2015, 8: 177-18343Lehner D, Kellner G, Schnablegger H, Glatter O J. Colloid Interface Sci, 1998, 201: 34-47. doi:10.1006/jcis.1997.532744Stieber F, Richtering W. Langmuir, 1995, 11: 4724-4727. doi:10.1021/la00012a02445Zakharov P, Scheffold F. Light Scattering Reviews 4. Bremen: Berlin Heidelberg: Springer-Verlag, 2009. 433-467. doi:10.1007/978-3-540-74276-0_846Pine D J, Weitz D A, Chaikin P M, Herbolzheimer E. Phys Rev Lett, 1988, 60: 1134-1137. doi:10.1103/physrevlett.60.113447Mason T G, Gang H, Weitz D A. J Opt Soc Am A, 1997, 14: 139-149. doi:10.1364/josaa.14.00013948Oelschlaeger C, Schopferer M, Scheffold F, Willenbacher N. Am Inst Phys, 2008,1027: 1150-1152. doi:10.1021/la802323x49Morse D C. Macromolecules, 1998, 31: 7044-7067. doi:10.1021/ma980304u50Wang X, Qiu A X, Wu C. Macromolecules, 1998, 31: 2972-2976. doi:10.1021/ma971873p51Wu C, Zhou S. Macromolecules, 1995, 28: 8381-8387. doi:10.1021/ma00128a05652Zhu M, Yang J, Li L, Duan X, Li L. Macromolecules, 2020, 53: 7980-7987. doi:10.1021/acs.macromol.0c0140753Ji W, Yan J, Chen E, Li Z, Liang D. Macromolecules, 2008, 41: 4914-4919. doi:10.1021/ma800531254Yang J, Li Y, Hao N, Umair A, Liu A, Li L, Ye X. Macromolecules, 2019, 52: 1173-1187. doi:10.1021/acs.macromol.8b0178455Hao N, Duan X, Yang H, Umair A, Zhu M, Zaheer M, Yang J, Li L. Macromolecules, 2019, 52: 1065-1082. doi:10.1021/acs.macromol.8b0236456Löf D, Schillén K, Jönsson B, Evilevitch A. Phys Rev E, 2007, 76: 011914. doi:10.1103/physreve.76.01191457Balog S, Rodriguez-Lorenzo L, Monnier C A, Obiols-Rabasa M, Rothen-Rutishauser B, Schurtenberger P, Petri-Fink A. Nanoscale, 2015, 7: 5991-5997. doi:10.1039/c4nr06538g原文链接：http://www.gfzxb.org/thesisDetails#10.11777/j.issn1000-3304.2021.21184&lang=zhDOI：10.11777/j.issn1000-3304.2021.21184《高分子学报》高分子表征技术专题链接：http://www.gfzxb.org/article/doi/10.11777/j.issn1000-3304

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。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！原文链接：http://www.gfzxb.org/article/doi/10.11777/j.issn1000-3304.2020.20234《高分子学报》高分子表征技术专题链接：http://www.gfzxb.org/article/doi/10.11777/j.issn1000-3304示差扫描量热法进展及其在高分子表征中的应用陈咏萱,周东山,胡文兵南京大学化学化工学院配位化学国家重点实验室机构　南京210023作者简介:胡文兵，男，1966年生.南京大学化学化工学院高分子系教授、博士生导师.1989年本科毕业于复旦大学材料科学系，1995年博士毕业于复旦大学高分子科学系.分别于1998~1999年赴德国弗莱堡大学物理系、2000~2001年美国田纳西大学化学系、2001~2003年荷兰物质科学研究院(FOM)原子与分子物理研究所从事博士后研究.2004年至今，在南京大学任教.2008年获杰出青年科学基金资助，2020年入选美国物理学会会士(APSFellow).主要研究方向为采用蒙特卡洛分子模拟和FlashDSC研究高分子结晶机理及材料热导率表征 通讯作者:胡文兵,E-mail:wbhu@nju.edu.cn摘要:示差扫描量热法(DSC)是表征材料热性能和热反应的一种高效研究工具，具有操作简便、应用广泛、测量值物理意义明确等优点.近年来DSC技术的发展大大拓展了高分子材料表征的测试范围，促进了对高分子物理转变的热力学和动力学的深入研究.温度调制示差扫描量热法(TMDSC)是DSC在20世纪90年代的标志性进展，它在传统DSC的线性升温速率的基础之上引入了调制速率，从而可将总热流信号分解为可逆信号和不可逆信号两部分，并能测量准等温过程的可逆热容.闪速示差扫描量热法(FSC)是DSC技术近年来的创新性发展，它采用体积微小的氮化硅薄膜芯片传感器替代传统DSC的坩埚作为试样容器和控温系统，实现了超快速的升降温扫描速率以及微米尺度上的样品测试，使得对于高分子在扫描过程中的结构重组机制的分析以及对实际的生产加工条件的直接模拟成为可能.本文从热分析基础出发，依次对传统DSC、TMDSC和FSC进行了介绍，内容覆盖其发展历史、方法原理、操作技巧及其在高分子表征中的应用举例，最后对DSC未来的发展和应用进行了展望.本文希望通过综述DSC原理、实验技巧和应用进展，帮助读者加深对DSC这一常用表征技术的理解，进一步拓展DSC表征高分子材料的应用.关键词:高分子表征/示差扫描量热法/温度调制示差扫描量热法/闪速示差扫描量热法目录1.热分析基础1.1温度和热1.2热分析(thermalanalysis)2.示差扫描量热法2.1基本原理2.2实验技巧2.2.1仪器校准2.2.2样品制备2.2.3温度程序2.2.4保护气氛2.3应用举例2.3.1比热容2.3.2热转变温度2.3.3转变焓2.3.4DSC与其他技术连用3.温度调制示差扫描量热法3.1基本原理3.2实验技巧3.2.1样品质量3.2.2温度程序3.3应用举例3.3.1可逆热容和不可逆热容3.3.2等温可逆热容3.3.3玻璃化转变4.闪速示差扫描量热法4.1基本原理4.2实验技巧4.2.1样品制备4.2.2样品质量4.2.3临界条件4.3应用举例4.3.1等温总结晶动力学4.3.2不可逆熔融转变4.3.3与其他表征技术连用4.3.4玻璃化转变4.3.5热导率5.总结与展望参考文献1.热分析基础1.1温度和热温度是表征物体冷热程度的物理量，它仅由系统内部的热运动状态决定，是系统中物质分子热运动强度的量度.热力学第零定律表明，所有互为热平衡的系统都存在一个共同的数值相同的态函数，这个态函数被称为温度，是一个强度量.热力学第零定律阐明了温度计的工作原理：在测量温度时，首先选择一个作为标准的测温物体，也就是温度计，然后让它分别与各个物体接触并达到热平衡，得到的标准物体的温度就是各待测物体的温度.值得注意的是，温度计的热容必须比待测物体的热容要低得多，以保证接触过程中不会改变物体的温度.然而，温度测量获得的是一个相对量，为了定量测定温度，人们还需要建立一个温标.最初的温标是经验温标，它依据测温质的某一种物理属性随温度的变化关系来表征温度的大小.例如，酒精和水银温度计是根据液体加热时的体积膨胀设计的，铂和RuO2温度传感器是依据金属导体的电阻随温度的变化关系设计的.通常，这种变化关系是显著而单调的，假定其为简单的线性关系，那么测温属性x和温度θ的关系为：其中，常数a和b是由标准点和分度法确定的，根据不同的标准点和分度法可以确定不同的温标.1714年，Fahrenheit将水的冰点设为32°F，沸点为212°F，建立了华氏温度.1742年，Celsius将水的冰点设为0°C，沸点为100°C，建立了摄氏温度.到1779年为止，全世界并存有19种经验温标.然而，这些温标缺乏统一的标准，除了标准点外，采用不同的测温质测得的温度并不完全一致.此外，测温属性往往无法在整个温度范围内保持完全线性的变化关系.例如，水银在−39°C发生固化，在357°C发生气化，因此水银温度计的测温范围在其凝固点和沸点之间.1848年，Kelvin依据卡诺定律提出了开氏温度作为物理学温标，它不依赖于任何测温物质的具体测温属性，故又称为绝对温标.相应的温度也被称为热力学温度，以T表示，单位为开尔文，记为K.1967年，第13届国际标度会议确立热力学温度为基本温标，并将水的三相点的热力学温度设为273.15K.摄氏温度与热力学温度之间的关系为即，摄氏温度的0°C对应热力学温度的273.15K.热量是物质状态发生转变的一种反映，它与人类的日常生活息息相关，很早以前人们就开始了对热的探索.早在公元前5世纪，Empedocles[1]就提出这个世界是由气、水、土和火(热)四大元素所组成的.一直到18世纪中叶以前，热质说(theoryofcaloric)盛行.18世纪后期，人们开始通过实验证明热是粒子内部的运动.19世纪后半期，Joule和Boltzmann等建立了统计热力学的基本原理，从而彻底推翻了传统的热质说.由热力学第一定律可知，热是能量的一种形式，记为Q，它可以和其他形式的能量互相转化，且总能量保持不变，即：物体吸收或放出热量的能力由热容C(JK−1)来表征，表示物体温度升高1K所吸收的热量(单位J)，而单位质量(克，g)物体升高1K所吸收的热量为比热容cm(JK−1g−1)，将能量表示为体积和温度的函数，则根据体积不变的条件可以得到同样可以将能量表示为压强、温度的函数，在压强不变的条件下，可得到其中，H为定义的一个态函数，称为焓(enthalpy).它与内能的关系为由此得到等容热容和等压热容的关系为1.2热分析(thermalanalysis)广义上来说，所有控制温度的测量过程都可以称为热分析.1999年，国际热分析和量热协会(InternationalConfederationforThermalAnalysisandCalorimetry,ICTAC)和美国材料与试验协会(AmericanSocietyforTestingandMaterials,ASTM)[2~4]对热分析的定义为：在程序温度下，测量物质的物理性质与温度或时间关系的一类技术.(Agroupoftechniquesinwhichaphysicalpropertyofasubstanceismeasuredasafunctionoftemperatureortimewhilethesubstanceissubjectedtoacontrolled-temperatureprogram.)常见的热分析所测量的物理性质包括质量、温差、热量、应力和应变等.按照测量性质的不同，最基本的热分析包括以下几种：差热分析法(differentialthermalanalysis,DTA)、示差扫描量热法(differentialscanningcalorimetry,DSC)、热机械法(thermomechanicalanalysis,TMA)、热重分析法(thermogravimetricanalysis,TGA)等等.示差扫描量热法(DSC)的定义是：在程序控温和稳态保护气氛下，测量进出样品和参比物之间的热流差随温度或时间变化的一种技术.它是目前应用最为广泛的一种热分析技术.随着科学技术的进步，DSC也得到了不断的发展，特别是近年来取得了显著的进展.其中一个主要的进展是在20世纪90年代出现的温度调制DSC(temperature-modulatedDSC,TMDSC).TMDSC在传统DSC线性扫描速率的基础上加入了调制升降温速率，可测得非线性调制热流信号，对该热流信号进行解调制，可以将总热流信号区分为可逆信号和不可逆信号两部分.TMDSC还可以通过对等温过程施加微量调制升降温速率进行准等温实验，追踪实验过程中的不可逆过程随时间的演化，并最终获得平衡状态下的可逆热容.DSC技术的另一个重要进展是近年来发展起来的闪速示差扫描量热法(fast-scanchip-calorimetry,FSC).FSC其商业化版本为FlashDSC，是基于芯片量热技术和微制造技术而发明的超快速示差扫描量热技术，它可达到106Ks−1的扫描速率，具有较高的灵敏度，进一步将DSC的表征时间和温度窗口拓展到了发生较快速热转变的区间，增强了其表征和研究各种热转变动力学的能力.2.示差扫描量热法2.1基本原理示差扫描量热法起源于19世纪中期.1887年，LeChatelier[5,6]采用热电偶首次记录了陶土的温度随时间变化的升温曲线.1899年Roberts-Austen[7]使用参比热电偶，首次测量了样品与参比物之间的温差，发展了差热分析法(DTA).然而这种方法只能用于定性测量样品和参比物之间的温差ΔT.1955年，Boersma[8]改进了DTA设备并建立了一个定量DTA测量单元，该仪器的热阻与试样无关.对仪器的热容进行校正，可使得扫描过程中样品的热流与温差呈稳定的线性关系，从而可以定量测量热流.这一发现最终导致了热流型DSC的诞生.热流型DSC保留了差热分析法引入的参比物，并监测试样和参比物之间的热流差变化，得到了比只测定试样的绝对热流变化更为精确的测试结果，这也是示差扫描量热法中“示差”的含义及来源.1964年，Watson等[9,10]提出了功率补偿型DSC的概念，这一概念有利于提高DSC的升降温速率.此后，DSC技术不断发展并成为热分析领域的常规分析手段.目前，市场化的DSC设备根据加热方法和测量原理主要分为热流型示差扫描量热仪(heatfluxDSC)和功率补偿型示差扫描量热仪(powercompensationDSC)两类[11].热流型DSC的测试装置如图1所示.图1Figure1.Illustrationofheat-fluxDSC(Mettler-Toledoheat-fluxDSC)withtheheatingratecontrolledthroughthefurnacetemperature.TherearetwosetsofthermocouplesmeasuringtheheatflowbetweenthefurnaceandthepanforsampleandreferenceandtwocentralterminalsbringingtheaverageTsignalfromallthethermocouplesouttothecomputer.热流型DSC从外部加热整个炉体，并给样品和参比物提供同样的加热功率.由热欧姆定律可知，由炉体流到试样坩埚的热流[MathProcessingError]ϕs以及由炉体流入参比坩埚的热流[MathProcessingError]ϕr分别为[12]其中，[MathProcessingError]Ts、[MathProcessingError]Tr和[MathProcessingError]Tc分别为试样温度、参比温度和炉体温度，[MathProcessingError]Rth为热阻.DSC检测信号[MathProcessingError]ϕ为2个热流之差，由于参比坩埚和试样坩埚相同，仪器两边具有对称性，可将上式简化为即，热流型DSC的检测信号[MathProcessingError]ϕ与试样和参比物之间的温差[MathProcessingError]ΔT=Ts−Tr成正比.热流型DSC对整个炉体进行加热，测试氛围均匀且稳定，因此能保持较为稳定的基线.另一方面，炉体的热容较大，不利于快速升降温，因此热流型DSC的升降温速率较慢.功率补偿型DSC的测试装置如图2所示.图2Figure2.Illustrationofpower-compensationDSCasinventedbyPerkinElmerwiththereferenceandthesampleseparatelyheatedbytwoplatinumresistancethermometersintwocalorimetersmountedinaconstanttemperatureblock.功率补偿型DSC采用2个独立的加热器分别对样品盘和参比盘进行控温和功率补偿，当样品发生吸热或者放热效应而导致样品与参比物之间的温差不为零时，电热丝将及时对参比盘或样品盘输入电功率以进行热量补偿，使两者的温度始终处于动态零位平衡状态，同时记录样品和参比物的2只补偿电热丝的功率之差随时间的变化关系，功率补偿型DSC的热源更贴近样品，温度响应灵敏，因此升降温速率更快.为了准确测量样品的热效应，功率补偿型DSC的2个炉体必须具有很高的对称性，然而仪器内部的环境往往会随着时间而发生改变，因此功率补偿型DSC的基线容易发生漂移，不如热流型DSC稳定.2.2实验技巧2.2.1仪器校准首先采用标准物质在待测温度范围内对仪器进行校准，以保证测量值与参考值相吻合.校准的内容主要包括DSC曲线上的温度值以及热流速率值.因此标准物质应具有较好的稳定性，其测量性能必须具有可靠的文献参考值.常用于校准的标准物质有铟、锡、尿素、苯甲酸等等，这些标准物质可用于不同温度范围内的校准.图3是采用铟进行熔点以及熔融焓校准得到的测量结果，将标准物质的熔点以及熔融焓的测量值与文献参考值进行比较，若测量值不在误差限之内，则需要对仪器的参数进行调整，使测量值与参考值相符合[13].图3Figure3.Illustrationofthecalibrationoftemperatureandheat-flowratewiththestandardmaterialIndiumforDSCmeasurement.Thecurveischaracterizedbyitsbaselineandtheendothermicprocesswithsomecharacteristictemperaturesincludingthebeginningofmelting,Tb,theextrapolatedonsetofmelting,Tm,thepeaktemperature,Tp,andtheendofmeltingwherethebaselineisfinallyrecovered,Te.Generally,Tmisthemostreproduciblepointasanaccuratemeasureoftheequilibriumtemperaturewhichareusedforthetemperaturecalibration.Thepeakareabelowthebaselinecanbecomparedwiththeexpectedfusionheatofstandardmaterialsforthecalibrationoftheheatflowrate.2.2.2样品制备DSC实验采用坩埚作为试样容器，包括铝坩锅、高压坩埚以及具有特殊用途但使用较少的铂金、黄金、铜、蓝宝石或者玻璃坩埚等等.其中最常用的是铝坩埚，包括40μL标准铝坩埚和20μL轻质铝坩埚.带盖的40μL标准铝坩埚应用范围较广，能进行固体和液体样品的测试.20μL的轻质铝坩埚的热容较小，有利于提高测试信号的分辨率和灵敏度，可用于质量较小的薄膜或者粉末样品的测试，一般不用于液体样品的测试.称量样品之前首先需要选取2个质量十分相近的坩埚，以保证DSC仪器具有较好的对称性.此外，取放坩埚时采用镊子夹取坩埚，并将坩埚放置在称量纸上，以免污染坩埚及坩埚内的样品.然后选择样品质量.一般来说，样品质量越少越好，较少的样品量可以减小样品内部的温度梯度，提高信号的分辨率，此外还能保证与坩埚底部的良好接触，有利于提高基线的稳定性和温度测量的准确度.然而样品质量过少会导致信号的灵敏度较低.因此，在称量样品时需要综合考虑两者的影响.通常，样品的体积不超过坩埚体积的2/3，有机样品的质量为5~10mg，无机样品的质量为10~50mg[12].称量时采用差减法，先用分析天平称量空坩埚的质量，然后放入样品，称量样品和坩埚的质量之和，两者相减则得到样品的质量.称量时每个质量都需要测量3遍，保证质量称量的准确度在±0.2%.装样过程需要注意3个方面.一是保证样品与坩埚之间具有良好的热接触，以提高信号的分辨率和测试结果的可重复性.这要求样品具有较平的底部，最好是细粉末状或者是平整的薄片.若样品底部不规则，可以用20μL的轻质铝坩埚的坩埚盖将样品压在坩埚底部，或者将样品研磨成粉末.二是注意不要污染坩埚.残留在坩埚表面的样品很有可能会污染传感器，导致一些信号假象，并且会使热传导变差.三是选样应具有代表性并保证样品的均匀性.装样完成之后盖上坩埚盖，并在盖子上钻一个大孔(1mm)，或者多钻几个小孔.这样做的目的，一是形成一个自由扩散的气氛，二是防止样品在加热过程中因体积膨胀而掀翻盖子溅出坩埚，污染传感器[12].2.2.3温度程序在设计温度程序时需要选择合适的温度范围和升降温速率.在终点温度不超过样品的分解温度的前提下，扫描的温度范围应该足够宽，以保证能检测出所有目标热效应的热流信号，同时保证在热效应之前和之后的热流曲线具有较平稳的基线.升降温速率的快慢会影响测试曲线的峰形和转变温度等.较快的升温速率有利于提高测试灵敏度和效率，但会导致峰形变宽.而较慢的升温速率可提高测试的分辨率.传统DSC的升降温速率范围通常在0.1~250Kmin−1之内，使用不同的制冷机可得到不同的扫描速率范围，常用的升降温速率在10~20Kmin−1左右.设计温度程序时还需要在升降温片段的两端加上时间较短(2s)的等温片段，以保证样品在升降温扫描之前已经达到了稳态.通常需要将设计的温度程序重复试验几次，确保测试结果的可重复性[13].2.2.4保护气氛DSC测量需要往炉体内通入某一恒定流速的气体以形成特定的稳态气氛.气氛可以为惰性的、反应性的或者腐蚀性的，在不同的气氛条件下测量可获得不同的测试信息.通入惰性气体可以防止测试过程中发生水气凝结，污染物沉积，高温氧化等现象.常用的高纯度惰性气体有氮气、氦气和氩气等.氮气是最常用的保护气氛，它在约600°C以下都是惰性的，并且具有较好的热传导能力，能得到分辨率和灵敏度较好的实验结果.氩气常用于金属的高温测试.氦气的热传导性能最好，在DSC测试中常被用于提高信号时间常数以及低温区的测量.测试过程中调节减压阀，保证气体流速平稳，使实验结果具有较好的重现性.通常气体的流速为20~100mLmin−1，最常用的为50mLmin−1[14].当需要通入反应性或者腐蚀性气体时，应注意操作的规范性，减小气体对仪器的腐蚀和伤害，保证所有的安全措施都到位.在使用仪器的过程中需要开启制冷机，保证有稳定的冷源作为参考温度源，以提高信号曲线的可重复性.制冷机使用结束之后，需要进行除水操作，以免水分残留在仪器内，造成测试结果不稳定.2.3应用举例2.3.1比热容DSC一般采用三段法测量样品的比热容[15].以相同的扫描速率进行如下3次实验：(1)样品盘和参比盘上分别摆放一个空坩埚，进行空白实验，得到空白信号[MathProcessingError]φempty(T).(2)将标准物质蓝宝石放入试样盘的空坩埚中，参比盘保持原先空坩埚，测量得到参比信号[MathProcessingError]φsapphire(T).(3)将样品放入试样盘的空坩埚中，参比盘保持原先空坩埚，测量得到样品信号[MathProcessingError]φsample(T).图4是采用三段法测量比热容的热流曲线示意图.图4Figure4.HeatflowcurvesofstandardsapphireandunknownspecimenswhereDs(mW)istheverticaldisplacementbetweenthebaselineandthespecimenDSCthermalcurvesatagiventemperaturewhileDst(mW)isverticaldisplacementbetweenthebaselineandthesapphireDSCthermalcurvesatagiventemperature.由蓝宝石的比热容[MathProcessingError]cm,sapphire、样品和蓝宝石的质量[MathProcessingError]m可求出样品的比热容：更多的有关高分子标准热容数据可从ATHAS(AdvancedTHermalAnalysiS)[16]等数据库中查找.2.3.2热转变温度高分子材料的物理热转变温度主要包括玻璃化温度和熔点.玻璃化温度[MathProcessingError]Tg是非晶态聚合物在玻璃态和高弹态之间转变的温度.研究玻璃化转变温度可以得到有关样品的热历史、稳定性、化学反应程度等重要信息，对于实验研究、质量检测等具有重要意义.玻璃化转变温度通常取DSC曲线发生玻璃化转变台阶上下范围的中点.图5是ASTM方法[17]测量聚合物玻璃化转变温度的热流曲线图，在台阶的拐点[MathProcessingError]Ti处做一条切线，由这条切线与基线的交点可得到外推起始温度[MathProcessingError]Tb1和外推终止温度[MathProcessingError]Te1，这两点的中点即为玻璃化转变温度[MathProcessingError]Tg.图5Figure5.Theheat-flowrate(theuppercurveintheleftaxis)anditsderivative(thelowercurveintherightaxis)curvesintheglasstransitionregionwithsomecharacteristictemperaturesincludingthebeginningofglasstransitionTb,theextrapolatedonsettemperatureTb1,themidpointtemperatureTg,theinflectiontemperatureTi,theextrapolatedendtemperatureTe1andthetemperatureofreturn-to-baselineTeaslisted.TheglasstransitionisdeterminedbyTg(°C)—thepointonthethermalcurvecorrespondingtothehalfoftheheatflowdifferencebetweentheextrapolatedonsetandextrapolatedend.玻璃化转变温度与升降温速率、杂质、样品尺寸等有关.因此，测试结果应该标注测量时的升降温速率.小分子一般取熔融峰前端的延长线与基线的交点，即熔融起点作为熔点.然而高分子化合物具有较宽的片晶厚度分布，因而具有较宽的熔程，导致其熔点的测量方法与小分子化合物不同.一般取高分子熔融峰的峰顶点温度作为熔点.2.3.3转变焓DSC的一个重要用途就是测量聚合物的转变焓，包括熔融焓、结晶焓、反应焓等等.转变焓一般是通过对DSC热流曲线峰面积进行积分得到的.当转变峰曲线左右两边的基线水平时，可通过直接连接转变前后的基线进行面积积分.当聚合物的熔程较宽或者基线发生较大偏移时，简单的基线法无法较为准确地计算转变焓.此时，可根据相转变过程中吸收的熔融热的多少来确定基线的位置，也可简单地根据峰顶的位置将熔融峰分成左右两部分，两边使用各自的基线来加和计算[11].更多的定量计算可通过计算机程序[18]或者去卷积[19]计算得到.2.3.4DSC与其他技术连用随着红外光谱仪(infraredspectrometer,IR)、X射线衍射(X-raydiffraction,XRD)、色谱等常规技术的不断发展，DSC技术与常规技术的连用成为了目前高分子研究的方向之一.通过结合多种表征技术的优势，可以获得高分子样品在相转变以及反应过程中的形貌结构、组成成分、热性能、机械性能等多种信息，帮助研究者从多个角度、更深层次地理解高分子在热转变过程中的内在机理.DSC与X射线衍射、原子力显微镜(atomicforcemicroscopy,AFM)、拉曼光谱等技术的连用被广泛应用于研究高分子的相转变机理，包括晶体结构的相转变[20]、嵌段共聚物中的微相分离与结晶的相互作用[21]，以及共混物中的分级结晶行为[22]等.高分子在实际加工过程中不仅要进行退火等热处理，通常还会在拉伸场和剪切场下进行取向.因此，将DSC与动态热机械分析(dynamicmechanicalanalysis,DMA)等技术连用有助于推进对高分子的聚集态结构在拉伸和取向状态下随温度变化的相关研究[23].3.温度调制示差扫描量热法3.1基本原理DSC样品的热流信号[MathProcessingError]ϕ可分为显热流[MathProcessingError]ϕsens和潜热流[MathProcessingError]ϕlat2个部分[24].其中，[MathProcessingError]mcpβ为显热流，对应于样品的比热容，它依赖于样品的升降温速率.[MathProcessingError]mΔhrdαdt为潜热流，对应于样品中的物理化学过程，如化学反应、结晶过程或蒸发过程等等，它依赖于远离平衡态的内部变量的变化，不具有很强的升降温速率依赖性.然而，潜热流所带来的样品组分变化会影响显热流所对应的比热容，传统DSC只能测定总热流随温度或时间的变化，无法有效地区分潜热流和显热流.另外，传统DSC也无法测量等温过程的比热容.为了解决上述问题，人们注意到显热流给出的是一个可逆信号，而潜热流大多反映不可逆热过程，于是在线性温度程序上叠加一个很小的调制温度，来区分可逆和不可逆热流信号，由此发明了温度调制示差扫描量热法(TMDSC).早在20世纪初，温度调制技术就被应用到了量热研究中.1910年，Corbino[25,26]发展了调制量热仪的理论，并首次采用3ω法(third-harmonicmethod)[27]测量了导电铁丝的热容.20世纪60年代，由于实验技术的进步，调制量热法取得了相当大的进展，Kraftmakher[28]、Sullivan和Seidel[29]开始提出AC量热法.1971年，Gobrecht[30]等采用DSC直接测量出无机聚合物在玻璃化转变处的频率依赖的复合热容，这可以被认为是首次TMDSC实验.直到1992年，Reading在第九届北美热分析会上正式提出温度调制示差扫描量热法[31~34]，随后美国TA公司推出首个调制DSC的专利技术，称为MDSC.此后，随着计算机技术的进步，各家热分析供应商相继推出类似的温度调制程序专利技术，TMDSC成为热分析领域的标准工具并被广泛应用于聚合物分析表征研究.通过引入一个调制温度，TMDSC在较慢的线性升温速率的基础之上获得了一个瞬间的剧烈温度变化，从而得到兼具较高的灵敏度和分辨率的热流信号，能实现重叠热效应的有效分离以及准等温过程可逆热容的测量.目前最常用的TMDSC是正弦波模式温度调制，其温度程序为，其中，[MathProcessingError]T0为开始温度，[MathProcessingError]β0为基础升温速率，AT为温度振幅，[MathProcessingError]ω=2πtp为调制频率，[MathProcessingError]tp为调制温度周期.图6和图7分别展示了正弦波形TMDSC的温度程序以及实验测得的热流信号，该调制热流信号是对温度程序的正弦同步响应，其相对温度程序有相位差[MathProcessingError]φ的滞后.图6Figure6.TypicaltemperatureprofileofsinusoidalTMDSC(blueandsolidcurve)anditsunderlyingheatingratecurvewith[MathProcessingError]β0of1Kmin−1(redanddashedline).TheamplitudeofmodulationATis0.5K,theperiodofmodulation[MathProcessingError]tpis60s.(ReprintedwithpermissionfromRef.[24] Copyright(2009)PolymerBulletin)图7Figure7.Theheat-flowcurvemeasuredbythesinusoidaltemperature-modulatedDSC(ReprintedwithpermissionfromRef.[24] Copyright(2009)PolymerBulletin)对图7中热响应信号进行平均化计算得到总热流[MathProcessingError]⟨ϕ(t)⟩曲线如图8所示.总热流曲线相当于常规DSC曲线，由总热流可求出总热容.图8Figure8.Thetotalheat-flowcurveofasinusoidalTMDSCcurve.(ReprintedwithpermissionfromRef.[24] Copyright(2009)PolymerBulletin)进一步采用离散傅里叶变换对图7曲线去卷积分析，其中，[MathProcessingError]ϕc(t)是对加热速率无滞后的周期性热流分量，由[MathProcessingError]ϕc(t,ω)可计算可逆热流：由总热流减去可逆热流即可得到不可逆热流：另一种常见的TMDSC为锯齿形TMDSC，其温度程序为：图9展示了锯齿形DSC的温度程序图，其中，[MathProcessingError]T0=0∘C，[MathProcessingError]β0=1Kmin−1，[MathProcessingError]βmod=3Kmin−1，[MathProcessingError]tp=60s.图9Figure9.TypicaltemperatureprofileforsawtoothTMDSC(solidline)anditsdeconvolutedunderlyingheatingrate[MathProcessingError]β0of1Kmin−1andthereversingrateoftemperaturechangeof±3Kmin−1(dashedlines).T1andT2indicatethebeginningsandendsofthecycles,respectively.(ReprintedwithpermissionfromRef.[35] Copyright(2014)SpringerNature)图10展示了由锯齿形TMDSC得到的线性即时响应的热流信号图.一般来说锯齿形TMDSC的升降温程序比较长，可提供足够的反应时间以保证样品在由升温转换为降温(或者由降温转换为升温)之前达到稳态.一般每个升温或降温片段都需要至少30s的仪器调整时间来达到热响应信号的稳定值，如图11所示.因此，在数值计算时，只需要取热流信号接近于上限或者下限的那部分数据，并将热流信号延长至升温或者降温片段的起始处，即可得到如图10所示的热流信号.可在锯齿形TMDSC程序中间隔插入等温程序，以检测体系是否达到稳态以及基线的平稳性.图10Figure10.Illustrationofthelinearthermalresponse(solidlines)forthetemperatureprofileofFig11.Thelightlydottedboxesandtheheavilydottedboxesseparatelyindicatetheunderlyingandthereversingresponses.Theheavylinerepresentstheheatflowrate[MathProcessingError]ϕ(t).Thepseudo-isothermallevel(Ps),thezerolevel(0)andthevalueofupperandlowerlimitsoftheheatflowrate[MathProcessingError]ϕhand[MathProcessingError]ϕcaremarked,respectively.(ReprintedwithpermissionfromRef.[35] Copyright(2014)SpringerNature)图11Figure11.IllustrationofthenonlinearthermalresponseineachcyclemeasuredbysawtoothTMDSCwhereHFhandHFcseparatelyrepresenttheheatflowratemeasuredintheheatingandcoolinghalfcycles.首先对锯齿形TMDSC的响应信号进行平均化计算得到基本信号[MathProcessingError]⟨HF(t)⟩，由基本信号[MathProcessingError]⟨HF(t)⟩可以求出总的热容信号：锯齿形TMDSC的热流信号无需傅里叶转变，可直接由升降温的热流信号求出可逆热容，该结果能达到与标准DSC相同的准确度.由总热容减去可逆热容求出不可逆热容但是此处往往过高地估计了可逆热容，会导致不可逆信号成为负信号，采用常规正弦波调制时在高分子熔融峰温度范围内常常将其解读为熔融重结晶的信号，因此需要计算不平衡热容[MathProcessingError]Cp,imbalance来反映不可逆热容的真实趋势.[MathProcessingError]Cp,imbalance反映了不可逆热流在升降温中的差异，对于准确解读晶体熔融等复杂过程的不可逆热容部分有重要意义[35].3.2实验技巧3.2.1样品质量TMDSC的实验操作与常规DSC相同.TMDSC要求样品与坩埚的热传递良好，因此，样品质量和厚度越小越好.样品质量太大会导致热滞后效应加剧，响应周期延长，测量的有效频率和振幅范围减小.3.2.2温度程序正弦波模式温度调制得到的计算结果精度较高，但要求热响应信号呈线性且平稳变化，而通常实验得到的热信号会与仪器的热滞后信号耦合，影响测量的准确度.此外，正弦波模式的傅里叶变换仅仅计算了一次谐波项，导致在有些热效应中过高地估计了可逆热流.锯齿模式温度调制的数据处理过程更为简单可靠，测量结果可以达到普通DSC的精确度.锯齿模式温度调制无需进行傅里叶分析，因此可以直接在时间域中分析不可逆过程以及慢热过程，保证在测试过程中样品处于稳态，避免由于基线不稳定导致的分析误差[35].实际测试时需要根据测试要求选择不同的温度调制模式.TMDSC的参数有基础升温速率、调制频率以及调制振幅.TMDSC的基础升温速率较慢，通常在1~3Kmin−1，以保证热流信号具有较高的分辨率.而调制振幅和调制频率的设置更为复杂，需要保证在测试的热效应范围内出现4~5个振荡周期.通常温度振幅为0.5~2K，调制周期通常为30~120s.调制振幅和调制频率过高时，会超出仪器的响应周期.而当调制振幅和调制频率过低时，热流信号会受到基线漂移的影响，而且快速相转变过程中的有效调制周期数过少，信号分辨率下降.3.3应用举例3.3.1可逆热容和不可逆热容TMDSC的一个重要应用是区分可逆热容和不可逆热容信号.胡文兵等[35]采用锯齿形TMDSC研究PET在升温过程中发生的热效应，得到图12所示的比热容随温度变化的关系图.其中，黑点代表的是ATHAS数据库所提供的无定形PET在不同温度下的标准比热容数据.虚线为总比热信号，该曲线表明PET在升温过程中依次出现了玻璃化转变、冷结晶以及熔融.而实线代表了可逆比热信号，它包括了较低温度区域的玻璃化转变和较高温度区域的熔融峰.可逆比热曲线上的熔融峰与总比热曲线的熔融峰面积相近，说明计算得到的熔融可逆信号偏大.由总热流信号减去可逆热流信号，得到不可逆比热信号如图中短线-点-短线符号代表的曲线所示.除了冷结晶峰和熔融峰，不可逆比热曲线在500K左右出现了一个向下的放热峰，这似乎表明PET在高温区发生了熔融重结晶.进一步计算不平衡热容，得到图中细点组成的曲线.该曲线与不可逆热容曲线相比仅出现了向上的熔融峰，说明不可逆比热曲线上高温区的负信号并非熔融重结晶.上述结果表明，实际实验过程中的热流信号并非完全的线性和稳态，非线性热流信号与非稳态热流信号发生耦合，会导致可逆热容信号偏大，进一步将其从基线热容扣除会导致不可逆热容信号出现负值.而锯齿形TMDSC中的不平衡热容能够避免不可逆热容负值的出现，更为正确地反映不可逆热容的偏移方向.图12Figure12.Theheatcapacitycurvesofpoly(ethyleneterephthalate)(PET)measuredbysawtoothTMDSCwithtemperatureprofileofFig.11.TheheatflowdataisanalyzedwiththestandardDSCmethod:reversingheatcapacityfromEq.(26),totalheatcapacityfromEq.(25),non-reversingheatcapacityfromthedifferencebetweentotalandreversingheatcapacity,andimbalanceofheatcapacityfromEq.(28).AlsolistedaretheATHASdatabankdatafortheheatcapacityofamorphousPET.(ReprintedwithpermissionfromRef.[35] Copyright(2014)SpringerNature)3.3.2等温可逆热容TMDSC的另一个重要应用是测量等温可逆热容.传统DSC只能通过测量在一定温度梯度下的热流变化来测量热容，因此，传统DSC无法测量等温过程中的热容及其变化.而TMDSC可以在基础升温速率为零的条件下，给样品施加一个调制的微小扰动速率，对样品进行准等温TMDSC实验，测量样品在等温过程中的热容及其变化.图13是Wunderlich[36]对PET进行准等温TMDSC实验得到的比热容随温度变化的示意图.图中较粗的实线代表了准等温实验测量得到的可逆比热容，较细的实线表示采用普通DSC在10Kmin−1的速率下测量得到的表观比热容，虚线表示理论计算得到的完全可逆的分子热振动比热容.3条曲线在熔融峰区域以外的比热值基本一致.而在熔融峰区域内，可逆比热值远小于表观比热值，这是因为标准DSC测量结果还包括了熔融相变潜热的释放.另一方面，熔融峰区域的可逆比热仍高于基础热振动比热，这表明PET在熔程内出现了剩余热容，这部分剩余热容与半结晶高分子中大量存在的晶区与非晶区界面有关.进一步研究发现，当升温速率较快时，剩余可逆热容会被抑制，由此推测剩余热容与晶体界面区的可逆熔融有关[37,38].图13Figure13.TheapparentheatcapacitycurvesofPETduringtheheatingprocessaftercrystallizedbycoolingfromthemeltto44%crystallinity.ThestandardDSCcurveandTMDSCcurveareseparatelywithintermediateandheavythickness.Alsoplottedarethedata-bankinformation(thinline)andthecomputedheatcapacityforthesampleof44%crystallinePET(brokenline).(ReprintedwithpermissionfromRef.[36] Copyright(2014)Elsevier)胡文兵等[39]进一步采用准等温TMDSC研究了几种链滑移能力不同的高分子在熔融温度范围内可逆热容的变化.结果表明，链滑移能力较强的PE和PEO具有较大的可逆热容，而链滑移能力不强的PCL和PET测量得到的可逆热容较小，与熔体热容相近.这种差别说明，剩余可逆热容是由发生在高分子片晶折叠端表面的可逆熔融所导致的，这种可逆熔融过程与分子链的链滑移能力密切相关.作者由此提出了图14所示的折叠端表面的可逆熔化机制.图14Figure14.Illustrationofreversiblepremeltingonthefold-endsurfaceofpolymerlamellarcrystals.Thereexistsalocalforcebalancebetweentherecoverytendencyofthestretchedloopsandthethickeningtendencyofthelamellarcrystals(seearrows).(ReprintedwithpermissionfromRef.[39] Copyright(2014)AmericanChemicalSociety).在高温区，为了满足表面环圈和纤毛的构象熵增大的需求，片晶折叠端表面的一部分链茎杆将通过滑移的方式抽出片晶，导致片晶的减薄，部分晶体发生熔融.而在低温区，过冷度较高，结晶的热力学驱动力增强，在高温区部分熔融的片晶将通过链滑移进行晶区恢复，导致片晶增厚.因此，随着温度的周期性变化，片晶折叠端表面出现可逆的熔融潜热释放，TMDSC信号上表现出超出分子热振动热容显著的剩余可逆热容.江晓明等[40]采用TMDSC比较了α和β这2种不同晶型的iPP在高温下的可逆热容，并采用MonteCarlo分子模拟研究了上述调制过程.结果如图15所示，2种晶型的iPP的可逆热容均随着调制频率的升高而降低，其中，链滑移能力较高的β晶型iPP具有更高的可逆热容，从而证明了链滑移能力在片晶折叠端表面的可逆熔融过程中的重要作用.图15Figure15.(a)Theheat-flowratecurve(theblackcurveintherightaxis)ofthedopediPPasaresponsetothetemperature-modulationprogram(theredcurveintheleftaxis)withthefrequency12.5Hz,theamplitude±1Kandthebaselineannealingtemperature398K.(b)FrequencydependencesofspecificreversingheatcapacitiesofrawanddopediPPsamplesmeasuredbysawtoothTMDSC.ThedashedlinerepresentsthestandardspecificvibrationalheatcapacityforiPPmeltat398Kthatiscitedfromtheliterature[41].(ReprintedwithpermissionfromRef.[40] Copyright(2014)Elsevier)3.3.3玻璃化转变玻璃化转变常常与焓松弛、冷结晶等热效应重叠，TMDSC可以有效地区分玻璃化转变和其他热效应，从而准确测量玻璃化转变温度.图16是采用TMDSC测量PS在353.15K等温240min后的升温热流曲线，左边的图包括了原始调制热流信号以及相应的总热流信号、可逆热流信号和不可逆热流信号.将左图的纵坐标放大可得到右图，其中玻璃化转变为可逆热流信号，而焓松弛为不可逆热流信号，TMDSC可有效分离这2种热效应[42].图16Figure16.TMDSCmeasurementwiththeunderlyingheatingrate2Kmin−1,modulationperiod80.5s,andmodulationamplitude1.0KforPSafterannealingfor240minat353.15Kinordertoseparatethereversingandnon-reversingcontributionstotheapparentheatcapacityintheglasstransitiontemperatureregion.Leftfigure:Modulatedheatflow,theslidingaverages,andtheevaluatedreversingandnon-reversingheatcapacities Rightfigure:Expandedscaledrawingsofthethreeslidingaverages.(ReprintedwithpermissionfromRef.[42] Copyright(2014)Elsevier)玻璃化转变是一个动态变化过程，其热容变化具有频率依赖性.TMDSC能在2个时间尺度上测量玻璃化转变，包括较快的调制频率和较慢的平均升降温速率.其中，调制热流信号测得的玻璃化转变温度与其热历史(最大升降温速率、退火温度等)无关，而只与调制频率有关，因此，TMDSC可以准确测量玻璃化转变过程中的热容变化的频率依赖性.例如，图17是采用TMDSC测量PLA-H(含有16.4%D型旋光异构体的左旋聚乳酸PLLA)在不同调制频率下由373K降温至283K过程中的可逆比热容曲线.TMDSC的温度程序的参数为：基础降温速率为0.1Kmin−1，温度振幅AT为0.05~0.5K，调制周期p为10~100s.在测试过程中，保持最大降温速率ATω不变，ATω=π/100，改变调制频率，ω=0.01~0.1Hz，得到不同调制频率下的玻璃化转变温度，由此可计算出PLA-H在玻璃化转变区域的活化能[43].图17Figure17.SpecificreversingheatcapacitycurvesofPLA-Hcooledfrom373Kto283KinTMDSCatdifferentmodulationfrequencies.Theunderlyingcoolingrateis0.1Kmin−1,andthemaximumcoolingrateATωremainsatπ/100withthemodulationamplituderangingfrom0.05Kto0.5Kandthemodulationperiodrangingfrom10sto100sresultinginawiderangeofmodulationfrequencyfrom0.01Hzto100Hz.(ReprintedwithpermissionfromRef.[43] Copyright(2014)AmericanChemicalSociety)4.闪速示差扫描量热法4.1基本原理20世纪60年代以来，DSC就已经成为了高分子材料研究领域尤其是高分子结晶学研究领域常用的实验研究手段.然而，传统DSC的扫描速率比较小，一般在0.01~5Ks−1数量级范围内，阻碍了高分子结晶学领域研究的深入发展.一方面，常规DSC无法抑制结晶速率较快的半结晶高分子样品在降温过程中的结晶成核以及在升温过程中的结构重组，从而限制了在较低温度区域内对高分子结晶成核行为的研究.另一方面，由于实际生产加工过程中的降温速率极高，例如吹塑和注塑的降温速率可达到100~1000Ks−1，因此常规DSC无法模拟高分子在实际生产加工过程中的结晶环境[44,45].DSC的升降温速率以及温度控制的灵敏度亟待提高.然而，较快的升温速率会导致样品内部出现较大的温度梯度，热滞后影响了热流信号的可重复性和准确性，依照DSC的热流信号公式(29)，在提高扫描速率q的基础之上减小样品质量m，既可以保证热流信号的灵敏度，同时也减轻了较大质量的样品在快速扫描过程中的热滞后效应.因此，DSC开始朝着微型化、高速化发展，闪速示差扫描量热仪(FSC)由此诞生.FSC采用氮化硅芯片传感器替代传统DSC的坩埚，将样品质量由原来的毫克级别减小到了纳克级别，有效避免了样品内部的热滞后，并能通过芯片传感器进行温度的控制和热量的补偿，实现了快速的升降温扫描，大大拓展了高分子表征的时间和空间灵敏度.FSC技术得益于20世纪90年代氮化硅薄膜和微机电系统(microelectromechanicalsystems,MEMS)技术的发展.1994年，Hellman等[46]首次制备出无定形氮化硅薄膜传感器，并基于该传感器研制出附加热容约为4×10−6JK−1的交流式薄膜微量热仪.微小的附加热容能有效避免热滞后，有利于扫描速率的提升.2004年，Allen等[47,48]基于氮化硅薄膜传感器研发出升温速率可达到105Ks−1的薄膜示差扫描量热法(thinfilmdifferentialscanningcalorimetry,TDSC).然而，TDSC采用了真空环境制备准绝热条件，导致仪器散热困难，无法实现快速的降温扫描.同年，Schick等[49,50]采用商用热导器件TCG-3880(XensorIntergrations,NL)优化功率补偿型薄膜芯片量热仪，使用氮气、氦气等气氛，将非绝热环境下可控的降温速率提高到106Ks−1.2005年，唐祯安[51]研发出加热速率可达2×105Ks−1的微量热仪.近年来，周东山设计出冷热台型高速扫描量热仪，可将高速扫描量热技术与显微红外光谱、拉曼光谱、X射线衍射以及原子力显微镜等微结构光学表征技术连用[52]，能够捕捉结晶性高分子及液晶小分子的亚稳态结构，更准确地表征高分子多相结构转变、共混及共聚物中结晶相空间结构、以及纳微米受限态下高分子的成核结晶动力学[53~55].随着氮化硅薄膜技术的发展，商业化的快速扫描量热仪的研发也不断取得进展.从2003年起，Xensor、Anatech、SciTe三家公司开始合作研发商业化快速扫描量热仪，并在随后开发出XI-400型陶瓷基板芯片传感器(UFS1).2010年，瑞士Mettler-Toledo公司(国内称梅特勒公司)[56]基于UFS1芯片传感器技术成功开发出第一代商业化功率补偿型快速扫描量热仪FlashDSC1.图18是FlashDSC1设备的示意图.左上角展示了FlashDSC1的仪器主机及其配备的显微镜.该显微镜由德国莱卡公司生产，放大倍数为2000，主要用于辅助样品制备和观察芯片传感器的状况.右上角是该仪器配备的XI-400型陶瓷(UFS1)芯片传感器，传感器背部有16个接触位点，可与主机芯片装载台上的接线柱相连接，实现温度控制、热量补偿和数据控制，UFS1是FlashDSC1实现快速升降温速率以及精准控温的关键性设备[57].左下角的图片展示了安装好传感器并盖上盖板的装载台.右下角展示的是在光学显微镜下的样品池或参比池，其中黑色圆形是直径为500μm的有效加热区.该仪器配备了德国HuberTC100机械制冷机，可实现在−100~450°C温度范围内的快速升降温.FlashDSC1的升温速率范围在0.5~40000Ks−1，降温速率的范围在0.1~4000Ks−1.目前瑞士梅特勒公司已推出降温速率高一个数量级、升温范围高达1000°C的第二代设备FlashDSC2+.图18Figure18.ThephotographsofFlashDSC1apparatus.Topleft:FlashDSC1 Topright:theunloadedchipsensorUFS1 Bottomleft:thesampletransfer Bottomright:themembraneofthesampleorreferencecellonsensor.(ReprintedwithpermissionfromMETTLER-TOLEDOCompany)近年来，随着商业FlashDSC设备的不断完善和发展，FSC在PCL[58,59]、iPP[60~62]以及iPB[63]等多种高分子材料的结晶、成核以及熔融动力学等表征中得到了越来越广泛的应用.与传统DSC相比，FSC的时间常数由秒降到了毫秒级别，大大缩短了实验的观测窗口，可在纳米尺度上考察分子链的运动过程，大大促进了对高分子亚稳态结构相转变动力学行为的研究.同时，FSC将样品量由原来的毫克减小到了纳克级别，将DSC技术的研究范围拓展到了微纳米高分子材料体系[64].4.2实验技巧4.2.1样品制备FSC中的样品制备过程与传统DSC有较大的区别.通常FlashDSC的样品质量为5ng到几微克.较少的样品量有利于提高样品与传感器之间的热接触，减小热滞后效应，得到更尖锐的信号峰和更准确的测量结果.然而，样品过少会导致热流信号灵敏度过低，还可能带来尺寸效应.因此，可以根据温度程序的扫描速率选择合适的样品量.当扫描速率大于1000Ks−1时，样品质量小于100ng；当扫描速率低于20Ks−1时，为了保证热流信号的灵敏度，样品质量可取几百纳克[65].实验过程中样品直接放置在FSC的传感器上.可以将芯片传感器取下来在外部进行样品制备，例如旋涂、蒸发沉积等前处理，也可以借助仪器自身配备的显微镜直接切割样品.当初始样品是薄膜、挤出粒子、粉末颗粒这类体积较大的物质时，在显微镜下用手术刀将初始样品切割成厚度小于10μm的薄片，然后将样品转移到干净的载玻片上，进一步将样品切割成面积为50μm×50μm的薄片，然后用自然带有尖端的细毛提取样品将其转移至位于芯片样品池中央的圆形加热区[65].以1Ks−1的速率对样品进行预熔，使样品与芯片表面具有良好的热接触，同时降低样品对芯片传感器的机械应力.当样品与传感器的热接触效果不好时，在不影响测试结果的前提下，可在上样之前在传感器表面涂一薄层硅油作为热接触媒介.除了提高热接触，硅油还可用于降低样品的机械应力，测试初次升温扫描的结果，防止样品在升温过程中弹出加热区，提高芯片传感器的重复利用次数等.4.2.2样品质量FSC的样品量过小，无法采用天平直接测量样品的质量，通常需要根据样品的性质进行估算.较为粗糙的方法是根据样品的尺寸和密度进行估算[66].较为准确的方法是利用样品的热性质，包括热容[67]、熔融焓[68]以及玻璃化转变台阶的热容差[69]来计算样品质量，可根据样品的特点选择不同的热性质进行质量测量.例如，依照样品在熔融状态下的热容计算样品质量的公式为其中，[MathProcessingError]Cp,FSC是采用FlashDSC1测量得到的样品在某一温度范围内的平均表观热容.[MathProcessingError]cm是样品的比热容，可通过常规DSC准确测量一定质量的样品在该温度范围内的热容，由热容与质量的比值得到该样品的比热容，也可以通过数据库查找标准比热容值.同理可得到熔融焓法计算样品的公式其中，[MathProcessingError]ΔHFSC是FlashDSC1测量得到的样品的熔融焓.[MathProcessingError]Δh为单位质量样品的熔融焓，一般采用传统DSC对具有相同结晶条件的样品进行测量得到.利用样品的玻璃化转变台阶计算样品质量的公式为其中，[MathProcessingError]ΔCp,FSC是采用FlashDSC快速降温得到的完全无定形态非晶样品的玻璃化转变台阶处的热容变化值.采用浸入液氮等外部方法制备无定形态样品，然后放入常规DSC中测量，即可得到该样品在玻璃化转变处的比热容变化值[MathProcessingError]Δcm,DSC.4.2.3临界条件FSC技术的一大优势是通过调节降温速度获得不同相态结构的化合物，包括无定形态、介晶态以及结晶态.因此，在进行温度程序设计之前需要了解制备不同相态结构样品的临界升降温速率，包括消除热历史的临界温度以及临界扫描速率的测试.消除热历史实验指的是将样品升温至足够高的温度等温一段时间以消除熔体中残留的晶体或晶核，避免记忆效应.消除热历史的温度一般在熔点和分解温度之间，温度过高会导致样品发生热降解.C66是82%(摩尔分数)PA6与18%的PA66组成的无规共聚物.采用FlashDSC1测定C66样品消除热历史所需的临界温度时，先将样品加热至不同的温度等温0.2s消除热历史，然后以−10Ks−1的速率冷却至−100°C，最后以3000Ks−1的速率升温至250°C，得到如图19所示的加热曲线.当消除热历史温度高于170°C时，熔融峰相互重叠，表明高温等温已经完全消除了样品中的热历史，得到C66样品消除热历史的临界温度为170°C.由于均聚物PA6的平衡熔点为250°C，实验中可选择270°C等温0.2s作为消除热历史的温度程序.图19Figure19.ApparentheatcapacitycurvesofC66samplesobtainedonheatingat3000Ks−1aftercooledat−10Ks−1fromastayof0.2satdifferenterasingtemperaturesrangingfrom180℃to210℃(ReprintedwithpermissionfromRef.[70] Copyright(2014)Elsevier)临界扫描速率包括临界升温速率和临界降温速率，它是结晶动力学研究的一个重要临界条件.临界降温速率指的是恰好能够抑制样品在降温过程中发生结晶的临界速率.图20是iPP样品(V30G)在消除热历史之后以不同的速率降温得到的降温过程中的热容曲线.当降温速率超过500Ks−1时，结晶峰消失，说明样品的临界降温速率为500Ks−1.图20Figure20.ApparentheatcapacitycurvesofV30Gsampleobtainedoncoolingatvariousratesaslabeled(ReprintedwithpermissionfromRef.[60] Copyright(2014)SpringerNature).临界升温速率指的是恰好能够抑制样品在升温过程中出现冷结晶的临界速率.将上述V30G样品以超过临界降温速率冷却至玻璃化转变温度以下，然后以不同速率升温至熔点以上，得到如图21所示的升温过程中的表观热容曲线.随着升温速率逐渐增大，升温曲线上的冷结晶峰和熔融峰变得越来越微弱.当升温速率达到30000Ks−1时，冷结晶峰消失，表明V30G样品的临界升温速率为30000Ks−1.图21Figure21.ApparentheatcapacitycurvesofV30Gsampleobtainedonheatingatvariousratesaslabeled(ReprintedwithpermissionfromRef.[60] Copyright(2014)SpringerNature)得到上述临界条件之后就可以进一步对高分子相转变动力学行为进行研究，包括测量样品的总结晶动力学、结晶成核动力学、晶体熔化动力学、晶体退火动力学等.4.3应用举例4.3.1等温总结晶动力学高分子结晶动力学行为是影响高分子产品的生产效率和产品性能的重要因素.高分子总结晶动力学由晶体初级成核所控制.根据经典成核理论，在高温区，高分子成核速率主要由临界成核自由能位垒所控制，而在低温区则由分子短程扩散活化能位垒所主导.由于临界成核自由能位垒随着温度的升高而升高，而扩散活化能位垒随着温度的升高而降低，因此，高分子结晶速率对结晶温度的依赖性关系曲线呈抛物线形，其最快的结晶速率在玻璃化转变温度和熔点之间.对于结晶速率较快的高分子，传统DSC的降温速率无法抑制它在高温区的结晶，从而对较低温度范围内的结晶动力学研究产生影响.因此，传统DSC的结晶动力学研究只能局限在低过冷度的高温结晶区域.而FlashDSC能抑制除了PTFE和PE以外大多数高分子在整个温度范围内的结晶，大大推进了对于低温区高分子结晶动力学行为的研究[71,72].何裕成等[73]采用FlashDSC1对热力学条件相近的尼龙6(PA6)和聚酮(PK)在全温度范围内的结晶动力学行为进行了对比，得到如图22所示的结晶动力学曲线.在低温区，PA的分子层之间较强的氢键作用及其较高的玻璃化转变温度，削弱了PA的分子链运动能力，导致其结晶速率较慢.而在高温区，PA中层状分布的氢键作用大大降低了层间的表面自由能，使得成核自由能位垒降低，大大加快了PA的结晶速率.图22Figure22.Comparisonoftemperaturedependenceofcrystallizationhalf-timesofPAandPKduringisothermalcrystallizationprocessatvariouscrystallizationtemperatures(ReprintedwithpermissionfromRef.[73] Copyright(2014)JohnWileyandSons)上述结果表明，氢键结构对聚酰胺的结晶动力学行为具有重要影响.此外，聚酰胺的氢键结构与蛋白质的二级结构β折叠十分相似，对聚酰胺的氢键结构的研究有助于理解蛋白质β折叠的微观机制[74].因此，李小恒等[75]进一步采用FlashDSC1比较了6种聚酰胺(PA46,PA66,PA610,PA612,PA1012,PA12)在整个温度范围内的等温结晶动力学行为.图23展示了不同聚酰胺样品的结晶动力学曲线.其中，PA46的高氢键密度有利于提高高温区的热力学驱动力，加快结晶速率.而PA10和PA12的低氢键密度有利于加快低温区的短程扩散，导致其较快的结晶速率.此外，聚酰胺的半结晶时间-等温温度曲线呈现双峰型分布，表明了聚酰胺的成核方式由高温区的异相成核转变为低温区的均相成核，且该转变温度随氢键密度的改变而改变.图23Figure23.Summaryoftemperaturedependenceofcrystallizationhalf-timesofPA46,PA66,PA610,PA612,PA1012andPA12duringisothermalcrystallizationprocessesatvarioustemperatures(ReprintedwithpermissionfromRef.[75] Copyright(2014)Elsevier)4.3.2不可逆熔融转变高分子片晶在熔化的过程中伴随着熔融重结晶等结构重组优化过程的竞争，也就是所谓的非零熵熔融(non-zero-entropy-producingmelting,non-ZEPmelting).当升温速率足够快时，所有的退火行为都将被抑制，此时观察到的熔融行为就反映了原始晶体自身的熔融行为，被称为零熵熔融(zero-entropy-producingmelting,ZEPmelting).采用FlashDSC对高分子样品进行快速升温可以在某种程度上抑制亚稳态晶体在熔化过程中的结构优化，表征发生在高分子晶体侧表面的不可逆熔化动力学.Toda等[76,77]研究了PET、iPP和PCL的片晶熔化动力学，首次发现了过热度Tm−Tc与升温速率R之间存在指数标度关系.进一步研究发现这种特征的标度关系可能与晶体不可逆熔化的动力学机制有关.高欢欢等[78]结合FlashDSC1和MonteCarlo分子模拟研究了由α晶型和β晶型iPP这2种化学结构相同但链滑移能力不同的高分子晶体在较宽的动态扫描速率范围内的过热度与升温速率的标度关系.结果图24所示，该指数标度关系与iPP分子链在不同尺度上的分子链滑移以及分子内成核和片晶侧表面的粗糙化生长有关.图24Figure24.(a,b)FSCmeasurementofpowerlawrelationshipsbetweenapparentsuperheatingTm,onset−Tcandheatingrateshforα-crystalsandβ-crystalsofiPPpreparedatthreecrystallizationtemperaturesTcaslabeled.(c)MoteCarlosimulationsofpowerlawrelationshipbetweenapparentsuperheatingTm,onset−TcandheatingrateshforlamellariPPcrystalswithdifferentchainmobilitycharacterizedbyEf/EcanddifferentcrystallizationtemperaturesTcaslabeled(ReprintedwithpermissionfromRef.[78] Copyright(2014)Elsevier)此外，采用FSC对聚合物进行快速升温，可避免聚合物的熔化和降解，从而得以研究高分子亚稳态结构的动力学变化过程.Monnier等[79]采用FSC以10000Ks−1的速率加热吸附在固体表面的聚合物层，在较小的时间窗口内避免了样品的降解，直接观察到聚合物熔体在固体表面的解吸附现象.实验结果表明，解吸附焓变与退火温度无关，吸附/解吸附是类似于结晶/熔融的一级热力学转变.4.3.3与其他表征技术连用前面已经介绍到FSC技术可与其他表征技术连用来表征高分子材料[52~55].FSC技术还可与X射线衍射[80]，原子力显微镜[81~83]、偏光显微镜(polarizedlightopticalmicroscopy,POM)[84]等多种分析仪器实时连用，进一步获得晶体的形态及微观结构的变化信息.吕瑞华等[85]结合了FSC以及AFM研究了左旋聚乳酸(PLLA)的α' -α晶型转变机理.图25(a)是左旋聚乳酸在152°C等温退火不同时间的熔融曲线图.红色曲线代表了α' 晶，蓝色曲线为α晶.由图可知，随着退火时间的增加，左旋聚乳酸晶体中出现了连续的晶体完善与不连续的熔融重结晶过程的竞争.图25(b)和25(c)分别为初始结晶晶体和高温退火后的晶体的AFM图.相较于初始结晶晶体，退火后的球晶尺寸更大，且晶核数量减少.因此，PLLA在高温处的α' -α晶型转变机理是非连续的熔融重结晶过程.图25Figure25.(a)HeatflowcurvesofPLLAcrystalsafterannealingat152°Cforvariousperiodsfrom0sto600s (b)AFMheightimageofnascentPLLAcrystals (c)AFMheightimageofPLLAafterannealedat152°Cfor1000s(ReprintedwithpermissionfromRef.[85] Copyright(2014)Elsevier)4.3.4玻璃化转变FSC具有极宽的动态扫描速率范围，可用于制备各种不同的玻璃态结构.Schawe等[86]采用FlashDSC2+以不同降温速率将金属玻璃Au49Ag5.5Pd2.3Cu26.9Si16.3由熔体淬火至玻璃化温度以下，得到了2种不同的玻璃态结构：在中等降温速率下形成的自掺杂玻璃态结构(Self-dopedglass,SDG)以及在较高降温速率下形成的化学均质玻璃态结构(chemicallyhomogeneousglass,CHG).对这2种新型玻璃态结构的研究有助于检验现有玻璃化转变理论的普适性，优化金属玻璃的生产加工条件.FSC还可用于研究玻璃化转变在微纳米尺度上的受限效应.Monnier等[87]采用FSC以0.1~1000Ks−1的不同降温速率将聚(对叔丁基苯乙烯)(poly-(4-tert-butylstyrene),PtBS)冷却至玻璃化转变温度以下，研究样品尺寸和降温速率对玻璃态结构的影响.结果如图26所示，随着降温速率以及样品尺寸的降低，虚拟温度减小到远远低于本体的玻璃化温度，样品松弛到平衡态所需的时间也随之大大缩短.图26Figure26.Reciprocalsoftherelaxationtime(leftaxis,pentagons)andcoolingrate(rightaxis,stars)asfunctionsoftheinverseoftemperatureandfictivetemperatureforPtBssamplesatdifferentlengthscales.ThesolidlinesareVFTfitsfortherelationshipbetweenrelaxationtime(orcoolingrate)andfictivetemperature.Theconfinement-lengthdependenceoffictivetemperatureatdifferentcoolingratesispresentedintheinsetwherethedashedandsolidlinesarelinearfitsofthelength-scale-dependentfictivetemperaturemeasuredathighandlowcoolingrates,respectively.(ReprintedwithpermissionfromRef.[87] Copyright(2014)AmericanPhysicalSociety)4.3.5热导率随着5G时代的来临，电子器件对材料的散热能力要求也越来越高，准确测量材料的热导率对于工业产品质量控制有重要意义.胡文兵课题组利用FSC技术的优势发展了一种测试微米尺度厚度薄膜材料热导率的新方法[88].在薄膜样品上方和参比池上方分别放置一颗铟，然后采用FlashDSC以不同的速率加热样品，通过位于样品上方和参比池上方的铟的熔点之差反映样品上下表面的温差.根据傅里叶热传导定律可知，样品上下表面的温差与垂直于薄膜表面方向的加热速率成正比，由比例系数可求算样品的热导率.胡文兵课题组[89,90]采用该方法测量了聚乙烯薄膜样品以及系列尼龙样品的热导率，测得的热导率数值与其采用其他方法测得的文献报道值较为接近，证明了此方法的有效性.图27为采用该方法表征尼龙610样品热导率得到的熔融曲线.采用FlashDSC表征材料的热导率具有测试温度和扫描速率范围广、样品量少等优点，该方法还可以表征黏滞液体、取向材料等的导热性能，具有较广阔的应用前景.图27Figure27.(a)Top:Illustrationoftwoindiumparticlesseparatelyplacedonthetopofaregular-shapedsampleandonthesurfaceofthereferencecell.Bottom:thephotographsofthesamplecellandthereferencecell.(b)Temperatureprofileforisothermalcrystallizationandsubsequentmeltingofthesamples.(c)ApparentheatcapacitycurvesofNylon46atvariousheatingratesaslabeledandtheexothermalpeakandendothermalpeakindicateseparatelythemeltingoftheindiumonthereferencecellandonthetopofsampleNylon46.(d)MeltingpointdifferencesoftwoindiumparticlesatvariousheatingratesforthreeNylonsamples(ReprintedwithpermissionfromRef.[90] Copyright(2014)Elsevier)5.总结与展望本文综述了示差扫描量热法在高分子表征领域的主要进展，旨在帮助大家进一步理解DSC技术的实验原理和方法技巧，探索DSC技术在高分子表征领域的更多应用.自20世纪60年代以来DSC已经成为了表征材料结构和性能的一种常规研究手段，其在高分子表征领域已经获得了广泛的应用，主要包括在较宽温度范围内测量样品的转变温度和相应的转变焓以及表征玻璃化转变等热容或者潜热发生改变的物理过程，具有操作简便，成本低廉等优点.TMDSC在线性升温速率的基础上叠加了周期性变温速率，保证样品在较长的时间尺度上以一个缓慢的速率升温，同时还能获得一个极快的瞬间温度变化，使得热流信号兼具较高的灵敏度和分辨率，实现了对于微弱转变信号的检测，并能有效区分样品中可逆和不可逆过程的热流信号，甚至准等温过程热容的测量，准确阐明各种转变的本质，为传统DSC的测量结果补充了更多的有效信息.FSC采用氮化硅薄膜传感器取代传统坩埚，将试样量减小到了纳克级别，有效地降低了样品内部的热滞后效应，并实现了106Ks−1的超快扫描速率.FSC的高扫描速率能抑制高分子在升降温过程中的结构重组，大大推进了对高分子结晶、熔融等相转变过程中非平衡态结构的动力学研究.同时，FSC将时间窗口缩短到了毫秒级别，能与实际高分子加工过程中的结晶动力学窗口相匹配，有利于加深对高分子加工过程的理解.此外，FSC将样品体系缩小到微纳米尺度，具有采样损坏小的优点，促进了对纳米空间分辨率的高分子材料内部结构及其性能变化的研究.总之，DSC已经成为了高分子热分析领域的一项常规表征工具，由其发展出来的FSC技术将其温度扫描速率范围扩展到横跨7个数量级，实现了对从热力学领域的静态热量传递到动力学过程的热量流动速率的一系列表征，有力地推动了高分子基础理论以及加工应用研究的发展.目前，DSC正朝着更高的扫描速率和更小的样品尺度不断改进和发展，并与其他表征方法更为紧密地连用起来.如图28所示，分子模拟的时间尺度从纳秒级别自下向上推进，进行理论证明；FSC的时间尺度则自上而下进入到微秒级别进行实验验证，两者的时间窗口在微秒尺度上发生重叠，对应了高分子片晶生长和退火熔融过程的时间尺度.因此，FSC技术与分子模拟的结合拓宽了其在高分子微观结构表征方面的应用，使人们得以从微观和宏观2个角度研究高分子片晶生长动力学行为.同时，DSC与其他实验表征手段，如X射线衍射、流变仪、拉曼光谱、偏光显微镜等连用，可以获得在物质的性质发生变化的过程中样品的形貌结构以及机械性能等的变化信息，实现对高分子相转变过程中热力学和动力学现象的多角度深入研究.图28Figure28.Illustrationoftimescalesoffast-scanchip-calorimetrymeasurementandMonteCarlosimulationtowardstheidenticaltimewindowofpolymercrystallizationandmelting(ReprintedwithpermissionfromRef.[91] Copyright(2014)SpringerNature)参考文献[1]RuppR(丽贝卡鲁普).Water,Gas,FireandEarth-HistoryofElementDiscovery(水气火土—元素发现史话).Beijing(北京):TheCommercialPress(商务印书馆),2008.1−74[2]ICTACNomenclatureCommittee.Draft-03b.doc07.03.RecommendationsforNamesandDefinitionsinThermalAnalysisandCalorimetry.[3]ASTME473-07b,StandardTerminologyRelatingtoThermalAnalysisandRheology,ASTMInternational,WestConshohocken,PA,2007,http://www.astm.org[4]ASTME2161-01,StandardTerminologyRelatingtoPerformanceValidationinThermalAnalysis,ASTMInternational,WestConshohocken,PA,2001,http://www.astm.org[5]LeChatelierH.ZPhysChem,1887,1:296[6]LeChatelierH.BullSocFrancMineralCryst,1887,10:204−211[7]Roberts-AustenWC.ProcInstMechEng,1899,1:35−102[8]BoersmaSL.JAmerCeramSoc,1955,38:281−284doi:10.1111/j.1151-2916.1955.tb14945.x[9]O’NeillMJ.AnalChem,1964,36:1238−1245doi:10.1021/ac60213a020[10]WatsonES,O’NeillMJ,JustinJ,BrennerN.AnalChem,1964,36:1233−1237doi:10.1021/ac60213a019[11]WunderlichB.ThermalAnalysisofPolymericMaterials[M].Springer:Berlin,2005.329−355[12]LiuZhenhai(刘振海),LuLiming(陆立明),TanYuanwang(唐远望).ABriefTutorialonThermalAnalysis(热分析简明教程).Beijing(北京):SciencePress(科学出版社),2012.83−104[13]DingYanwei(丁延伟).FundamentalsofThermalAnalysis(热分析基础).Hefei(合肥):UniversityofScienceandtechnologyofChinaPress(中国科学技术大学出版社),2020.188−231[14]LuLiming(陆立明).BasicsofThermalAnalysisApplication(热分析应用基础).Shanghai(上海):DonghuaUniversityPress(东华大学出版社),2010.34−43[15]ASTME1269-11(2018),StandardTestMethodforDeterminingSpecificHeatCapacitybyDifferentialScanningCalorimetry,ASTMInternational,WestConshohocken,PA,2018,http://www.astm.org[16]GaurU,WunderlichB.Advancedthermalanalysisaystem(ATHAS)polymerheatcapacitydatabank.In:ComputerApplicationsinAppliedPolymerScience.NewYork:AmericanChemicalSociety,1982.355−366[17]ASTME1356-08(2014),StandardTestMethodforAssignmentoftheGlassTransitionTemperaturesbyDifferentialScanningCalorimetry,ASTMInternational,WestConshohocken,PA,2014,http://www.astm.org[18]HöneG,HemmingerWF,FlammersheimHJ.DifferentialScanningCalorimetry.Berlin:Springer,2003.126−140[19]LauSF,SuzukiH,WunderlichB.JPolymerSci:PolymerPhysEd,1984,22:379−405doi:10.1002/pol.1984.180220305[20]HuangMM,DongX,WangLL,ZhengLC,LiuGM,GaoX,LiCC,MüllerAJ,WangDJ.Macromolecules,2018,51(3):1100−1109doi:10.1021/acs.macromol.7b01779[21]WangZF,DongX,CavalloD,MüllerAJ,WangDJ.Macromolecules,2018,51(15):6037−6046doi:10.1021/acs.macromol.8b01313[22]WangZF,DongX,LiuGM,XingQ,CavalloD,JiangQH,MüllerAJ,WangDJ.Polymer,2018,138:396−406doi:10.1016/j.polymer.2018.01.078[23]DongSiyuan(董思远),ZhuPing(朱平),LiuJiguang(刘继广),WangDujing(王笃金),DongXia(董侠).ActaPolymericaSinica(高分子学报),2019,50(2):189−198doi:10.11777/j.issn1000-3304.2018.18198[24]LuLiming(陆立明).PolymerBulletin(高分子通报),2009,(3):62−74[25]CorbinoOM.PhysikZ,1910,11:413−417[26]CorbinoOM.PhysikZ,1911,12:292−295[27]BirgeNO,NagelSR.PhysRevLett,1985,54:2674−2677doi:10.1103/PhysRevLett.54.2674[28]KraftmakherYA.ZPrikladnojMechTechFiz,1962,5:176−180[29]SullivanP,SeidelG.AnnAcadSciFennicaeAVI,1966,210:58−62[30]GobrechtH,HamannK,WillersG.JPhysE:SciInstrum,1971,4:21−23doi:10.1088/0022-3735/4/1/004[31]GillPS,SauerbrunnSR,ReadingM.JThermAnal,1993,40:931−939doi:10.1007/bf02546852[32]ReadingM,ElliottD,HillVL.JThermalAnal,1993,40:949doi:10.1007/BF02546854[33]ReadingM,LugetA,WilsonR.ThermochimActa,1994,238:295−307doi:10.1016/S0040-6031(94)85215-4[34]ReadingM,HourstonDJ.ModulatedTemperatureDifferentialScanningCalorimetry:TheoreticalandPracticalApplicationsinPolymerCharacterization.Berlin:Springer,2006.1−80[35]HuWB,WunderlichB.JThermAnalCalorim,2001,66:677−697doi:10.1023/A:1013106118660[36]WunderlichB.ProgPolymSci,2003,28:383−450doi:10.1016/S0079-6700(02)00085-0[37]SchickC,WurmA,MohammedA.ThermochimActa,2003,396:119−132doi:10.1016/S0040-6031(02)00526-9[38]SchickC.AnalBioanalChem,2009,395:1589−1611doi:10.1007/s00216-009-3169-y[39]HuWB,AlbrechtT,StroblG.Macromolecules,1999,32:7548−7554doi:10.1021/ma9908649[40]JiangXM,LiZL,WangJ,GaoHH,ZhouDS,TangYW,HuWB.ThermochimActa,2015,603:79−84doi:10.1016/j.tca.2014.04.002[41]GaurU,WunderlichB.JPhysChemRefData,1981,10:1051−1064doi:10.1063/1.555650[42]BollerA,SchickC,WunderlichB.ThermochimActa,1995,266:97−111doi:10.1016/0040-6031(95)02552-9[43]PydaM,WunderlichB.Macromolecules,2005,38(25):10472−10479doi:10.1021/ma051611k[44]SchickC,MathotVBF.FastScanningCalorimetry[M].Springer:Switzerland,2016.V−VII[45]LiZhaolei(李照磊),ZhouDongshan(周东山),HuWenbing(胡文兵).ActaPolymericaSinica(高分子学报),2016,(9):1179−1195doi:10.11777/j.issn1000-3304.2016.16058[46]DenlingerDW,AbarraEN,AllenK,RooneyPW,MesserMT,WatsonSK,HellmanF.RevSciInstrum,1994,65(4):946−958doi:10.1063/1.1144925[47]AllenLH,RamanathG,LaiSL,MaZ,LeeS,AllmanDDJ,FuchsKP.ApplPhysLett,1994,64(4):417−419doi:10.1063/1.111116[48]EfremovMYu,OlsonEA,ZhangM,SchiettekatteF,ZhangZS,AllenLH.RevSciInstrum,2004,75(1):179−191doi:10.1063/1.1633000[49]AdamovskyS,MinakovAA,SchickC.ThermochimActa,2003,403(1):55−63doi:10.1016/S0040-6031(03)00182-5[50]AdamovskyS,SchickC.ThermochimActa,2004,415(1-2):1−7doi:10.1016/j.tca.2003.07.015[51]YuJ,TangZA,ZhangFT,WeiGF,WangLD.ChinPhysLett,2005,22(9):2429−2432doi:10.1088/0256-307X/22/9/080[52]JiangJ,WeiL,ZhouD.IntegrationofFastScanningCalorimetry(FSC)withmicrostructuralanalysistechniques.In:SchickC,MathotVBF,ed.FastScanningCalorimetry,Switzerland:Springer,2016.361−379[53]ChenMZ,DuMT,JiangJ,LiDW,JiangW,ZhuravlevE,ZhouDS,SchickC,XueG.ThermochimActa,2011,526(1-2):58−64doi:10.1016/j.tca.2011.08.020[54]JiangJ,ZhuravlevE,HuangZ,WeiL,XuQ,ShanM,XueG,ZhouD,SchickC,JiangW.SoftMatter,2013,9(5):1488−1491doi:10.1039/C2SM27012A[55]WeiL,JiangJ,ShanM,ChenW,DengY,XueG,ZhouD.RevSciInstrum,2014,85(7):074901−074907doi:10.1063/1.4889882[56]vanHerwaardenaS.ProcediaEng,2010,5:464−467doi:10.1016/j.proeng.2010.09.147[57]SchickC,MathotVBF.MaterialCharacterizationbyFastScanningCalorimetry:PracticeandApplications.InFastScanningCalorimetry.Switzerland:Springer,2016.3−299[58]WangJ,LiZL,PerezRA,MüllerAJ,ZhangBY,GraysonSM,HuWB.Polymer,2015,63:34−40doi:10.1016/j.polymer.2015.02.039[59]ZhuravlevE,SchmelzerJWP,WunderlichB,SchickC.Polymer,2011,52:1983−1997doi:10.1016/j.polymer.2011.03.013[60]KalapatD,TangQY,ZhangXH,HuWB.JThermAnalCalorim,2017,128:1859−1866doi:10.1007/s10973-017-6095-9[61]SantisFD,AdamovskyS,TitomanlioG,SchickC.Macromolecules,2006,39:2562−2567doi:10.1021/ma052525n[62]SantisFD,AdamovskyS,TitomanlioG,SchickC.Macromolecules,2007,40:9026−9031doi:10.1021/ma071491b[63]StolteI,AndroschR,DiLorenzoML,SchickC.JPhysChemB,2013,117(48):15196−15203doi:10.1021/jp4093404[64]ShickC,AndroschR.Newinsightsintopolymercrystallizaitonbyfastscanningchipcalorimetry.In:FastScanningCalorimetry.Switzerland:Springer,2016.463−537[65]HeYucheng(何裕成),XieKefeng(谢科锋),WangYouhao(王优浩),ZhouDongshan(周东山),HuWenbing(胡文兵).ActaPhysico-ChimicaSinica(物理化学学报),2020,36(6):1905081−1905092doi:10.3866/PKU.WHXB201905081[66]ZhuravlevE,SchickC.ThermochimActa,2010,505(1-2):1−13doi:10.1016/j.tca.2010.03.019[67]MollovaA,AndroschR,MilevaD,GahleitnerM,FunariSS.EurPolymJ,2013,49(5):1057−1065doi:10.1016/j.eurpolymj.2013.01.015[68]IervolinoE,vanHerwaardenAW,vanHerwaardenFG,vandeKerkhofE,vanGrinsvenPPW,LeenaersACHI,MathotVBF,SarroPM.ThermochimActa,2011,522(1-2):53−59doi:10.1016/j.tca.2011.01.023[69]CebeP,PartlowBP,KaplanDL,WurmA,ZhuravlevE,SchickC.ThermochimActa,2015,615:8−14doi:10.1016/j.tca.2015.07.009[70]WangT,LiXH,LuoRQ,HeYC,MaedaS,ShenQD,HuWB.ThermochimActa,2020,690:178667−178672doi:10.1016/j.tca.2020.178667[71]HuWenbing(胡文兵).PrinciplesofPolymerCrystallization(高分子结晶学原理).Beijing(北京):ChemicalIndustryPress(化学工业出版社),2013.114−163[72]HuWenbing(胡文兵).IntroductiontoPolymerPhysics(高分子物理导论).Beijing(北京):SciencePress(科学出版社),2011.146−173[73]HeYC,LuoRQ,LiZL,LvRH,ZhouDS,LimS,RenXN,GaoHX,HuWB.MacromolChemPhys,2018,219:1700385−1700390doi:10.1002/macp.201700385[74]HuWB.PhysRep,2018,747:1−50doi:10.1016/j.physrep.2018.04.004[75]LiXH,HeYC,DongX,RenXN,GaoHX,HuWB.Polymer,2020,189:122165−122173doi:10.1016/j.polymer.2020.122165[76]TodaA,MikosakaM,YamadaK.Polymer,2002,43:1667−1679doi:10.1016/S0032-3861(01)00733-9[77]TodaA,KojimaI,HikosakaM.Macromolecules,2008,41:120−127doi:10.1021/ma702162m[78]GaoHH,WangJ,SchickC,TodaA,ZhouDS,HuWB.Polymer,2014,55(16):4307−4312doi:10.1016/j.polymer.2014.06.048[79]MonnierX,NapolitanoS,CangialosiD.NatCommun,2020,11:4354−4360doi:10.1038/s41467-020-18216-y[80]HuangZJ,JiangJ,XueG,ZhouDS.ChineseJPolymSci,2019,37:94−100doi:10.1007/s10118-019-2177-4[81]LuoSC,WeiL,Jiang,J,ShaY,XueG,WangXL,ZhouDS.JPolymSci,PartB:PolymPhys,2017,55:1357−1364doi:10.1002/polb.24378[82]LuoSC,KuiX,XingER,WangXL,XueG,SchickC,HuWB,ZhuravlevE,ZhouDS.Macromolecules,2018,51(14):5209−5218doi:10.1021/acs.macromol.8b00692[83]LuoSC,WangTY,OchejeMU,ZhangS,XuJ,QianZY,GuXD,XueG,Rondeau-GagnéS,JiangJ,HuWB,ZhuravlevE,ZhouDS.Macromolecules,2020,53(11):4480−4489doi:10.1021/acs.macromol.9b02738[84]JiangJ,ZhuravlevE,HuWB,SchickC,ZhouDS.ChineseJPolymSci,2017,35(8):1009−1019doi:10.1007/s10118-017-1942-5[85]LvRH,HeYC,WangJP,WangJ,HuJ,ZhangJM,HuWB.Polymer,2019,174:123−129doi:10.1016/j.polymer.2019.04.061[86]SchaweJürgenEK,LöfflerJörgF.NatCommun,2019,10(1):1337−1346doi:10.1038/s41467-018-07930-3[87]MonnierX,CangialosiD.PhysRevLett,2018,121:137801−137806doi:10.1103/PhysRevLett.121.137801[88]ZhangJianjun(张建军).ActaPhysico-ChimicaSinica(物理化学学报),2020,36(6):1907048−1907049doi:10.3866/PKU.WHXB201907048[89]HeYC,LiXH,GeL,QianQY,HuWB.ThermochimActa,2019,677:21−25doi:10.1016/j.tca.2019.01.003[90]XieKF,HeYC,CaiJ,HuWB.ThermochimActa,2020,683:178445−178449doi:10.1016/j.tca.2019.178445[91]JiangXM,LiZL,GaoHH.Combiningfast-scanchipcalorimetrywithmolecularsimulationtoinvestigatepolymercrystalmelting.In:SchickC,MathotVBF,ed.FastScanningCalorimetry.Springer:Switzerland,2016.379−403

5月29日-6月1日， 由云南大学和赛默飞世尔科技（中国）有限公司共同主办的“2019年全国表面分析方法及新能源与新材料表征研讨会“在云南昆明圆满召开。来自国内外的120多名专家学者齐聚昆明，对XPS、Raman、电镜等在表面分析技术等交叉领域的最新研究进展及应用进行了交流和讨论。随着我国材料科学、化学化工、半导体及薄膜、能源、微电子、信息产业、生物医药及环境领域等高新技术的迅猛发展，表面分析技术在过去的几十年中有了长足进步，在科学研究领域的作用日益增长。“2019年全国表面分析方法及新能源与新材料表征研讨会”正是在这一背景下召开的一个多学科交叉的学术交流会议。大会伊始，来自云南大学的吕正红院士为研讨会做了开幕致辞。吕院士首先向参加本次研讨会的与会者表示欢迎和感谢，然后介绍了云南三所高校的历史发展，之后就XPS和UPS在OLED科研领域的应用作了详细的介绍。云南大学吕正红院士会议现场气氛热烈，互动频繁。台上，各位专家分享自己的工作内容及成果。台下，每一位与会者都听得津津有味，并做了认真记录。提问环节，台上台下就表面分析的研究进行了交流和探讨。据赛默飞表面分析及常量元素分析中国区商务经理范春明先生介绍，赛默飞从2014年起坚持每年举行全国表面分析技术研讨会，为仪器分析方法研究人员与科研人员搭建良好的交流平台。仪器分析方法研究人员在此开拓了眼界，为未来的科研工作埋下伏笔。科研人员借此可以了解更多关于表征方法的新进展，为未来在科研工作中获得更好的研究成果打下基础。本次会议聚焦的是新能源与新材料表征，明年将会聚焦其他热门领域。此次会议的举办也是赛默飞作为一家大型企业承担社会责任、促进相关技术交流的体现。会议合影

screen.width-300)this.width=screen.width-300" border=0 美国贝克曼库尔特公司颗粒特性表征新技术讲座将于1月9日至12日在合肥市各高校举行。 主要有： 中国科学技术大学 安徽巢湖学院 等。 欢迎广大感兴趣的人士参与。请留意校内海报通知。 screen.width-300)this.width=screen.width-300" border=0

HORIBA光谱学在先进材料表征中的应用交流会圆满结束

p　　strong仪器信息网讯/strong 微量热技术广泛应用于生物、食品、材料表征等多个领域。研究热力学过程能够有助于理解材料的固有属性，塞塔拉姆的报告讲述了微量热技术在高压电池、蛋白质去折叠研究等多个领域的应用价值。/pp　　SETARAM公司是热分析及量热仪的仪器制造商,公司位于热分析和量热仪技术的发源地——法国。在高温和超高温热分析领域以其独特的光电天平技术和模块化设计独占鳌头。 以C80，SENSYS为代表的卡尔维微量热仪和高压DSC产品在行业内声誉斐然，特别是高压DSC技术具有极高的稳定性和灵敏度。/pp　　塞塔拉姆的产品尤其在高温设备方面，如航空航天、核工业、陶瓷、冶金、食品等领域，还有生命科学和制药研究方面、过程安全方面（如预测逃生时间），能源开发利用方面（如燃气水合物和钻井泥浆）等均有应用。/pp　　具体视频如下：/ppscript src="https://p.bokecc.com/player?vid=67B881F02EAD50899C33DC5901307461&siteid=D9180EE599D5BD46&autoStart=false&width=600&height=490&playerid=5B1BAFA93D12E3DE&playertype=2" type="text/javascript"/scriptbr//p

仪器信息网讯 一年一度的中国国际粉体加工/散料输送展览会(IPB)，可以说是国内外知名颗粒测试与表征仪器制造商集中亮相的业内盛会之一，今年的展会吸引了马尔文、贝克曼库尔特、大昌华嘉、丹东百特、济南微纳、欧美克、堀场以及麦克仪器、精微高博等11家公司参展。　　经过一天的参观，仪器信息网编辑为广大网友盘点一下目前中国市场中比较主流的颗粒测试与表征产品：马尔文的两款主推产品：Mastersizer 3000 超高速智能粒度分析仪（左）、zetasizer nano系列纳米粒度和Zeta电位仪（右）。丹东百特最高端、最经典的Bettersize2000智能激光粒度仪，拥有百特独创的单光束双镜头专利技术。贝克曼库尔特主推的LS13320全自动型激光粒度分析仪，配套的干法分散装置采用了一种很炫的&ldquo 龙卷风&rdquo 专利技术。HORIBA的LA-960激光粒度仪特别为大颗粒设置了进样系统，因此LA-960配有两个单独的干法进样器。济南微纳最新升级产品Winner802纳米粒度仪，该公司年底还将推出一款模块化设计的激光粒度仪新品Winner 2309。大昌华嘉独家代理的美国麦奇克公司的S3500SI激光粒度粒形分析仪，创新融入了现代模块化设计理念。欧美克今年推出的LS-POP(9)激光粒度仪，在市场定位方面与该公司的TopSizer激光粒度分析仪实现互补。德国新帕泰克公司配置最为高端的 HELOS/RODOS 干法激光粒度仪麦克仪器主推的研究级多站扩展式全自动快速比表面及孔隙度分析仪ASAP 2420，该公司刚在上海成立中国分析服务中心，可向用户提供分析测试服务。精微高博现场展出的JW-BK132F型比表面及孔径分析仪，成功入选了&ldquo 国产好仪器(2013-2014)&rdquo 名单。美国博勒飞的Brookfield PFT粉体流动测试仪英国Freeman Technology公司主打产品FT4多功能粉末流动性测试仪该公司刚刚成立了上海代表处，计划全面拓展中国市场。

由中国化学会催化委员会与中科院大连化学物理研究所催化基础国家重点实验室主办的全国“催化表征技术高级讲习班”于10月28日－11月1日在大连举行。 随着催化科学的快速发展，催化剂材料表征的研究也越来越重要，甚至已成为催化科学和技术发展的一个瓶颈。近年来我国各催化研究单位的催化表征条件得到了很大改善，不少单位的实验装备达到了发达国家的水平，但是大家也认识到我国的表征研究水平与发达国家仍存在一定差距，亟需进一步提高。 鉴于催化领域同行的这种要求，中国化学会催化委员会主任李灿院士建议举办“催化表征技术高级讲习班”，邀请著名学者和专家就催化表征技术进行专题讲座和探讨交流。 本次催化表征技术高级讲习班主要针对国内催化研究有关的高校和科研院所的催化高级研究人员而开设，主要讨论电镜、XRD、拉曼、红外、固体核磁、电子能谱与物理和化学吸附等重要表征技术。 来自包括全国27个单位的70余名研究人员参加了此次讲习班.杨正红经理被聘为讲习班教授,并受到大家一致好评。screen.width-300)this.width=screen.width-300"

以石墨烯、BN、MoS2为代表的二维材料因其特殊的性能成为现在科研领域的新宠。现在，除了石墨烯和MoS2等热度较高的二维材料之外，很多其他类型的二维材料也相继被开发出来。然而真正的二维材料因为厚度极薄，在扫描电镜下衬度较低；而且因为X射线在深度方向的穿透，EDS对二维材料上的分析也无能为力。而目前的二维材料除了用到SEM之外，拉曼光谱也是极其重要的表征手段，而将两者完全一体化的电镜-拉曼系统在二维材料的表征上有着得天独厚的优势。生长的石墨烯片层很多科研工作者都会通过扫描电镜进行石墨烯的形貌观察，然而观察到的究竟是否是石墨烯？石墨烯质量、厚度如何？这些问题却不是仅用SEM能够知道的。而扫描电镜-拉曼联用技术给出了很好的解决方案，确实成为石墨烯研究最强大的“神器”。在电镜-拉曼一体化系统中，当用SEM观察的同时可以直接进行拉曼光谱的面扫描，可以通过D峰、G峰、2D峰之间的关系直接得到石墨烯的质量、厚度等信息。如下图，在SEM观察到的区域再进行拉曼光谱面扫描，发现扫描区域存在三种不同的光谱。厚度约薄的2D峰强度越高，厚度增加2D峰减弱但G峰升高。因此电镜-拉曼一体化系统的SEM和Raman混合图像上不仅有形貌信息，也有石墨烯的质量厚度信息。在SEM观察形貌的同时进行拉曼面扫描通过拉曼特征峰获得石墨烯质量、厚度信息 目前，有关石墨烯质量和厚度的测试方法还没有明确的国家标准，行业上比较认可的方法有光学对比度法、原子力显微镜法和拉曼光谱法。在拉曼光谱中通常也用G峰和2D峰的比值来衡量石墨烯的厚度，比值越小，膜厚也约小。如下图，在硅衬底上用CVD法生长的石墨烯。我们通过电镜-拉曼一体化系统得到G峰和2D峰的面分布图，不过仅有G峰和2D峰的分布情况并不能完全帮助我们进行明确的厚度分布分析。在硅衬底上用CVD法生长的石墨烯石墨烯样品的G峰和2D峰拉曼面分布图而电镜-拉曼一体化系统的面分布能力非常强大，除了利用正常峰的强度、半高宽、位移等物理性质进行Mapping外，还可生成2D峰/G峰强度的面分布图。 通过电镜-拉曼一体化系统得到石墨烯样品的2D峰/G峰强度的面分布图通过2D/G峰强度的分布图有助于我们更加准确的进行石墨烯厚度分布的分析，最终获得不同膜厚区域的特征光谱，以及其分布图。石墨烯样品不同膜厚区域的拉曼特征光谱 石墨烯样品不同膜厚区域分布图石墨烯的质量控制与鉴别石墨烯是一个非常热门的新兴领域，不过也正因为如此，石墨烯的研究和制备也存在着良莠不齐的现象。很多研究的时候，在电镜下观察到明显的明暗衬度的膜层就认为是石墨烯，甚至一些文献中也出现了这样的情况。科研工作者也会借助AFM、普通拉曼光谱等来配合电镜进行石墨烯的表征，但是拉曼光谱、AFM的数据和SEM的数据基本不在同一处，不能很好的进行严密的论证。所以从表征的角度来看，不在同一处的不同仪器的数据，有时并不能充分说明问题，至少表征还不够严密。比如在上述例子中，在花状的石墨烯外面，电镜图像上认为的空白处，经过电镜-拉曼一体化系统扫描后，该区域的拉曼光谱依然反应出石墨烯的存在。 再比如下图，在电镜中观察到类似石墨烯的膜层状结构，然而试样是否真是石墨烯？质量、厚度又是如何？这还需要借助其他手段进行综合判断。在电镜中观察到类似石墨烯的膜层状结构 在利用电镜-拉曼一体化系统对该区域进行拉曼光谱面分布分析后，发现该区域的D峰、G峰强度较高，而2D峰很弱，说明了该区域的膜厚比较高，已经算不上是石墨烯，而且缺陷也很多，石墨烯的质量并不是非常理想，此外该区域还存在较多的拥有荧光峰的杂质。进行拉曼光谱面分布分析该区域石墨烯厚度 该区域存在较多拥有荧光峰的杂质 此外，很多客户在电镜下观察到的石墨烯，经过电镜-拉曼一体化系统分析后，也发现均是质量不好的石墨烯，或者是石墨薄片，甚至是非晶碳，如下图。质量不好的石墨烯、石墨薄片、非晶碳等的SEM图像质量不好的石墨烯、石墨薄片、非晶碳等的拉曼特征峰表现 由此可见，电镜-拉曼联用技术对于石墨烯的观察和原位的质量鉴别及分析有着非常强大的优势。石墨烯复合材料现在热门的不仅仅是石墨烯本身，很多石墨烯转移材料，或者把石墨烯作为添加剂的新材料和器件也成为研究热门，希望利用石墨烯特殊的热力光电磁性能来改变材料的性能。那么石墨烯在新复合材料中的分布、状态及本身质量就成为新材料性能能否提升及提升多少的重要因素。因此在石墨烯复合材料中，能够准确的进行传统电镜形貌、元素的测试，及石墨烯的详细表征就成为了表征环节的重中之重，而这是电镜-拉曼联用技术的最大优势所在。 如下图，金属合金材料中复合石墨烯，用以增强新材料的力学性能。在电镜下确实观察到了衬度偏暗的区域，能谱分析出的确是富含碳。但该区域是否真是石墨烯？只能求助于电镜-拉曼联用技术。通过电镜-拉曼一体化系统分析，结果表明偏暗区域的确是石墨烯的存在，不过缺陷相对较多，膜层层数也较多，这些信息对复合材料性能的研究有着置换重要的作用。 金属合金材料的SEM图像，衬度偏暗的区域可能是复合石墨烯通过能谱分析，SEM图像中衬度偏暗的区域富含碳 通过电镜-拉曼分析技术，确认为石墨烯，且该区域缺陷和膜层层数相对较多 再比如下图，试样为表面包覆石墨烯的锌粉。要想通过截面制备或者侧面直接观察出石墨烯的厚度和层数，无论扫描电镜的分辨率有多好，都是不可能完成的任务。就算真的观察到类似层状的结构，也不是我们所理解的石墨烯每一层层数，只是很多层堆叠在一起后的分层而已。而在电镜-拉曼一体化系统中可以直接进行拉曼面扫的分析。观察到在整个扫描区域内，都有明显的G峰和2D峰分布。由此我们可以知道该锌粉外层的确有质量较好的石墨烯包覆，而且层数很少。 表面包覆石墨烯的锌粉 通过电镜-拉曼一体化系统，观察到整个区域内G峰和2D峰的分布MoS2的研究除了石墨烯外，过渡金属二硫化物也是二维材料的一个大类，如MoS2也是因为其特殊性能在电子器件领域广受关注。电镜和能谱对二维的MoS2的表征除了稍有形貌信息外，再无其他分析能力了。但是MoS2却有非常强的拉曼特征峰。如下图，通过拉曼峰我们可以分析出MoS2的孪晶。MoS2的SEM图像MoS2 的SEM-Raman叠加图像通过拉曼特征峰表征MoS2的孪晶通过对MoS2的拉曼面扫描，我们发现MoS2的特征峰在不同的区域呈现出不同的分裂。由此我们可以对其做出更详细的分析，另外通过特征峰分裂后的波数差值，也可以大致得到MoS2的层数。而这都是常规电镜无法得出的信息。MoS2的拉曼面扫描分析MoS2的特征峰在不同的区域呈现出不同的分裂其他二维材料满足结构有序、在二维平面生长、在第三维度超薄这三个条件都算是二维材料，现在除了石墨烯和MoS2等热度较高的二维材料之外，很多其他类型的二维材料也相继被开发出来。比如和C元素相邻的B、Si、P、Ge、Sn等元素的单原子层材料，即X烯，如硅烯、磷烯、硼烯；还有二维有机材料，如二维MOF或COF；还有超薄氮化物，如BN等。这些二维材料都有着很强的拉曼特征谱峰，所以利用电镜-拉曼一体化系统对二维材料的分析表征将会成为不可或缺的重要手段。关于TESCANTESCAN发源于全球最大的电镜制造基地-捷克Brno，是电子显微镜及聚焦离子束系统领域全球知名的跨国公司，有超过60年的电子显微镜研发和制造历史，是扫描电子显微镜与拉曼光谱仪联用技术、聚焦离子束与飞行时间质谱仪联用技术以及氙等离子聚焦离子束技术的开拓者，也是行业领域的技术领导者。关注TESCAN新微信“TESCAN公司”，更多精彩资讯