合成表征

大昌华嘉商业（中国）有限公司将于2011年11月2日上午在联合研究大厦材料化学系四楼会议室与南开大学天津大学联合举办 &ldquo &beta 亚基介孔分子筛的合成，表征及催化学术讲座&rdquo 。此次会议分为两个部分，第一部分：日本Pro. Yoshihiro SUGI讲解&beta 亚基介孔分子筛的合成，表征及催化，后一部分是郝昌德经理介绍美国麦奇克公司的动态激光在纳米技术上的最新应用，欢迎您届时光临。大昌华嘉商业（中国）有限公司科技事业部专业提供分析仪器及设备，独家代理众多欧美先进仪器，产品范围包括：颗粒，物理，化学，生化，通用实验室的各类分析仪器，在中国的石油，化工，制药，食品，饮料，农业科技等诸多领域拥有大量用户，具有良好的市场声誉。大昌华嘉在中国设有多个销售，服务网点，旨在为客户提供全方位的产品和服务。日本拜尔有限公司(Bel Japan，Inc.)是一家研究生产容量法和重量法气体吸附分析仪的专业制造厂商。第一台多功能催化剂表征分析仪，首创全自动蒸汽吸附系统，固体电解质膜水分吸附和质子传导分析仪，燃料电池综合评价装置等，极大地丰富了表面吸附表征方法，同时也为拜尔公司高品质的产品和服务赢得了口碑。美国麦奇克有限公司（Microtrac Inc.）是世界上最著名的激光应用技术研究和制造厂商，其先进的激光粒度分析仪已广泛应用于水泥，磨料，冶金，制药，石油，石化，陶瓷，军工等领域，并成为众多行业指定的质量检测和控制的分析仪器。Yoshihiro SUGI教授简介：Yoshihiro SUGI, Faculty of Engineering, Gifu UniversityAwards:1994 Prize for Distinguished Patent Applications, Agency of Science and Technology1995 JPI Prize for Distinguished Papers.1996 Prize for Distinguished Patent Applications, Agency of Science and Technology2003 The Best Article of the Month, BCSJ #5, 2003.2009 The Japan Petroleum Institute AwardMajor Interest: Catalysis (Homogenous and Heterogenous), Zeolite Synthesis,Ecomaterials.SEMINAR ARRANGEMENTS CHECK LIST本次会议初步议程如下：联合研究大厦材料化学系四楼会议室Conference 会场一 (8:30-12:20)Time / 时间Content / 内容CIP / 主持人8:30-8:45Registration / 会议注册 8:45-9:00DKSH Presentation / 大昌华嘉公司介绍樊润 经理9:00-10:10Mesoporous Zeolite with Beta Zeolite Subunit: Synthesis, Characterization and Catalysis，&beta 亚基介孔分子筛的合成，表征及催化Yoshihiro SUGI 教授Keita Tsuji博士10:10-10:30Discusssion，Coffee Break讨论，茶歇 10:30-11:30Mesoporous Zeolite with Beta Zeolite Subunit: Synthesis, Characterization and Catalysis，&beta 亚基介孔分子筛的合成，表征及催化Yoshihiro SUGI 教授Keita Tsuji博士11:30-12：30Laser Diffraction and Image Analysis光散射与图像分析原理及应用；Dynamic Light Scattering &ndash latest advances with probe technology动态激光散射在纳米上的应用郝昌德 经理12:30-Lunch午餐 本次会议内容丰富多彩，主办单位将向与会者赠送精美礼品。为便于会务安排，请将参会回执于10月25日前传真或发送电子邮件至大昌华嘉公司。联系方式：地 址：北京市光华路7号汉威大厦西区26层电 话：010- 6561 3988 联系人：樊润 13901255059张媛 13301217002 传 真：010- 6561 0278电子邮件：Rain.fan@dksh.comHelen.zhang@dksh.com 大昌华嘉商业（中国）有限公司 2011年9月23日 回 执姓名 单位 地址 电话 手机 E-mail 邮编 参加人数 我希望参加以下会议：会场

大昌华嘉商业（中国）有限公司将于2011年11月1日在清华大学化学馆301报告厅与清华大学化学系徐柏庆教授课题组联合举办 &ldquo &beta 亚基介孔分子筛的合成，表征及催化学术讲座&rdquo 。此次会议分为上下午两场，上午是大昌华嘉公司特邀请美国麦奇克公司副总裁Mr. Paul Cloake介绍动态激光在纳米技术上的最新应用，下午是日本Pro. Yoshihiro SUGI讲解&beta 亚基介孔分子筛的合成，表征及催化，欢迎您届时光临。大昌华嘉商业（中国）有限公司科技事业部专业提供分析仪器及设备，独家代理众多欧美先进仪器，产品范围包括：颗粒，物理，化学，生化，通用实验室的各类分析仪器，在中国的石油，化工，制药，食品，饮料，农业科技等诸多领域拥有大量用户，具有良好的市场声誉。大昌华嘉在中国设有多个销售，服务网点，旨在为客户提供全方位的产品和服务。日本拜尔有限公司(Bel Japan，Inc.)是一家研究生产容量法和重量法气体吸附分析仪的专业制造厂商。第一台多功能催化剂表征分析仪，首创全自动蒸汽吸附系统，固体电解质膜水分吸附和质子传导分析仪，燃料电池综合评价装置等，极大地丰富了表面吸附表征方法，同时也为拜尔公司高品质的产品和服务赢得了口碑。Yoshihiro SUGI教授简介：Yoshihiro SUGI, Faculty of Engineering, Gifu UniversityAwards:1994 Prize for Distinguished Patent Applications, Agency of Science and Technology1995 JPI Prize for Distinguished Papers.1996 Prize for Distinguished Patent Applications, Agency of Science and Technology2003 The Best Article of the Month, BCSJ #5, 2003.2009 The Japan Petroleum Institute AwardMajor Interest: Catalysis (Homogenous and Heterogenous), Zeolite Synthesis,Ecomaterials.SEMINAR ARRANGEMENTS CHECK LIST本次会议初步议程如下：清华大学化学馆301报告厅Conference 1 会场一 (8:30-12:20)Time / 时间Content / 内容CIP / 主持人8:45-9:00Registration / 会议注册 9:00-9:20DKSH Presentation / 大昌华嘉公司介绍Sinndy Yan严秀英 经理9:20-10:30Laser Diffraction and Image Analysis光散射与图像分析原理及应用 Paul Cloake 副总裁10:30-10:50Coffee Break茶歇 10:50-11:50Dynamic Light Scattering &ndash latest advances with probe technology动态激光散射在纳米上的应用Paul Cloake 副总裁11:50-12:20Question / 仪器展示及问题讨论Sinndy Yan严秀英 经理12:20-13:20Lunch午餐 Conference 2 会场二 (13:30-17:30)13:30-14:00DKSH Presentation / 大昌华嘉公司介绍Rain Fan樊润 经理14:00-15:10Mesoporous Zeolite with Beta Zeolite Subunit: Synthesis, Characterization and Catalysis，&beta 亚基介孔分子筛的合成，表征及催化Yoshihiro SUGI 教授Keita Tsuji博士15:10-15:30Coffee Break茶歇 15:30-16:30Mesoporous Zeolite with Beta Zeolite Subunit: Synthesis, Characterization and Catalysis&beta 亚基介孔分子筛的合成，表征及催化Pro.Yoshihiro SUGIDr.Keita Tsuji16:30-17:30Discussion /问题讨论Rain Fan樊润 经理17:30End / 结束 本次会议内容丰富多彩，主办单位将向与会者赠送精美礼品。为便于会务安排，请将参会回执于10月25日前传真或发送电子邮件至大昌华嘉公司。联系方式：地 址：北京市光华路7号汉威大厦西区26层电 话：010- 6561 3988 联系人：张媛 13301217002王卫华13810747749樊润 13901255059传 真：010- 6561 0278电子邮件：Helen.zhang@dksh.com 备注：化学馆的具体地点在清华大学西北部理学院的正北面（从清华西北门进入往东200-300米路北即到）。西北门禁止没有清华车证的私家车出入，开车的客户可以从西门或者南门进入。回 执姓名 单位 地址 电话 手机 E-mail 邮编 参加人数 我希望参加以下会议：会场1 会场2

p style="text-align: justify text-indent: 2em "首届“span style="color: rgb(0, 112, 192) "strong手性药物合成、纯化及表征技术进展/strong/span”主题网络研讨会圆满落幕。会议上共有4位专家老师为大家带来了精彩的报告。针对报告中的内容，大家展开了积极的讨论。本会汇总了网友的相关问题以及专家的权威解答。/pp label="标题居中" style="font-size: 32px font-weight: bold border-bottom: 2px solid rgb(204, 204, 204) padding: 0px 4px 0px 0px text-align: center margin: 0px 0px 20px "span style="font-size: 18px color: rgb(0, 155, 155) "Questions & Answers/spanbr//pp1，网友- m3190541 (14:51:39)/ppstrongspan style="color: rgb(255, 0, 0) "安东帕多波长旋光仪都可以设哪些波长？/span/strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="color: rgb(0, 112, 192) "strong胡伟 (15:04:32)：/strong/span365 nm，405 nm，436 nm，546 nm，578 nm，589 nm，633 nm等波长。/pp style="margin-top: 15px "2，网友- Insm_d8fd8220 (14:52:06)/ppstrongspan style="color: rgb(255, 0, 0) "请问老师，是否可以结合显微技术一起做？/span/strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="color: rgb(0, 112, 192) "strong胡伟 (15:06:50)：/strong/span这个需要有探头伸进腔体，所以显微不太合适。/pp style="margin-top: 15px "3，网友- m3010836 (14:59:57)/ppspan style="color: rgb(255, 0, 0) "strong微波合成仪无法回流吧？/strong/span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="color: rgb(0, 112, 192) "strong胡伟 (15:06:11)：/strong/span拉曼探头是可以隔着玻璃管进行检测的。/pp style="margin-top: 15px "4，网友- Insm_0dbf3a70 (15:00:27)/ppspan style="color: rgb(255, 0, 0) "strong旋光仪检测什么物质呢？/strong/span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="color: rgb(0, 112, 192) "strong杨金囤 (15:53:54)：/strong/span测量有旋光性质的溶液的旋光度，可以计算样品浓度、纯度等。br//pp style="margin-top: 15px "5，网友- 186****3862 (15:18:03)/ppspan style="color: rgb(255, 0, 0) "strong帕尔贴控温还有其他应用吗？/strong/span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="color: rgb(0, 112, 192) "strong杨金囤 (16:00:24)：/strong/span我知道的一个例子是，北方室外安装的仪表，在仪表箱里可以安装帕尔贴控温装置，夏天致冷，冬天加热，保证仪表在正常操作温度下工作。比安装空调要简单省事，费用也低。/pp style="margin-top: 15px "6，网友- 186****3862 (15:27:31)/ppspan style="color: rgb(255, 0, 0) "strong玻璃旋光管有什么优势？不锈钢的有什么好处？/strong/span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="color: rgb(0, 112, 192) "strong杨金囤 (16:09:15)：/strong/span两种旋光管都有不同的适用样品。另外，玻璃旋光管透明，可以看到内部样品，不锈钢旋光管导热性更好。/pp style="margin-top: 15px "7，网友- p3307088 (16:11:16)/pp style="text-align: justify "span style="color: rgb(255, 0, 0) "strong王老师，我们做分析，对于手性化合物的分离，尤其是色谱柱的筛选一直很头疼，对于色谱柱填料的筛选有没有什么常识性的建议？/strong/span/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="color: rgb(0, 112, 192) "strong王玉记(16:32:18/strong/spanspan style="color: rgb(0, 112, 192) "strong)：/strong/span如果是非对映异构体的分离，可以自己摸索+结合文献类似的结构；但如果是对映异构体，一定要看文献。还要补充的就是，可以试试手性柱子，我们有ADH的手性柱，但是分离成功率不高，经常因为溶解度和流动相不合适，没法分离。/pp style="margin-top: 15px "8，网友- v3240216 (16:11:09)/ppspan style="color: rgb(255, 0, 0) "strong请问老师，旋光测试与EE值测试，哪个更能准确反映手性纯度？/strong/spanstrongspan style="color: rgb(255, 0, 0) "ee值和旋光度能互相代替吗？/span/strong/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="color: rgb(0, 112, 192) "strong王玉记 (16:31:31)：/strong/spanee值的计算主要基于测量数据，特别是LC-UV-MS的数据；旋光值的准确性主要看仪器。一般来说ee值比较关键，旋光仪参差不齐，数据飘得厉害，我主要是参考一下。/pp style="line-height: 16px margin-top: 20px "img style="vertical-align: middle margin-right: 2px " src="/admincms/ueditor1/dialogs/attachment/fileTypeImages/icon_rar.gif"/a style="font-size:12px color:#0066cc " href="https://img1.17img.cn/17img/files/202008/attachment/03ccc889-2ebd-475f-9ac6-475fcdf5fb93.rar" title="20-0821手性药物会议-王玉记老师资料.rar"20-0821手性药物会议-王玉记老师资料.rar/a/pp style="margin-top: 15px "相关资料请关注strong会议主页/strong：/pp style="margin-top: 5px "a href="https://www.instrument.com.cn/webinar/meetings/chiraldrug2020/" target="_blank"https://www.instrument.com.cn/webinar/meetings/chiraldrug2020//a/pp style="text-align: center "a href="https://www.instrument.com.cn/webinar/meetings/chiraldrug2020/" target="_blank"img style="max-width: 100% max-height: 100% width: 553px height: 184px " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202008/uepic/f5d7db4a-de88-49b9-8a4d-c8b20eaf0598.jpg" title="1035_345fenzi.jpg" alt="1035_345fenzi.jpg" width="553" height="184"//a/p

仪器信息网讯 2011年11月1日，大昌华嘉商业(中国)有限公司(以下简称：大昌华嘉)与清华大学化学系徐柏庆教授课题组联合举办的新材料表征技术研究专题研讨会在清华大学化学馆301报告厅召开；30余位业内的专家学者出席了会议，仪器信息网作为特邀媒体亦参会。会议现场　　本次会议分为上下两场，主题分别为“最新颗粒表征技术研讨会”和“β亚基介孔分子筛的合成，表征及催化学术讲座”。 大昌华嘉公司科技事业部产品经理严秀英女士与樊润先生分别主持会议　　大昌华嘉是一家总部位于瑞士的全球性企业，2009年收益总额高达86亿瑞士法郎，在亚太、欧洲和美洲地区的35个国家有560个营业网点，自2002年至今，大昌华嘉在全球已拥有22000名专业员工。其中，大昌华嘉科学仪器部分为市场、销售、维修及应用4个部门，其仪器设备产品主要应用领域包括材料科学、物理性质、化学反应、化学分析和食品分析等。　　此外，大昌华嘉目前在中国已有49名员工，并设立了11个办事处，拥有超过20000名中国客户；同时大昌华嘉为众多的中国客户专门在上海建立了应用开发实验室，还积极参与或组织各种相关的会议展览、用户培训等活动。美国麦奇克有限公司副总裁 Mr. Paul Cloake　　Mr. Paul Cloake首先介绍到，自Leeds & Northrup研究所成功推出第一台商用激光粒度分析仪(Microtrac Model 7991)到现在，麦奇克几经坎坷，但是公司一直致力于颗粒表征方面的科技创新和仪器开发。2000年，Microtrac正式成立Microtrac Inc.；2003年，公司隆重推出Microtrac S3500系列激光粒分析仪；2004年推出全新设计的干粉递送系统Turbotrac；2005年，Microtrac S3500系列仪器全面升级；2007年，公司在仪器中引进Zetatrac和蓝波技术等。　　随后，Mr.Paul Cloake主要谈到了激光散射技术的原理和最新的技术进展，并特别提到了采用三激光技术的激光粒分析仪S3500、S3500SI及其相应的图像分析软件。S3500系列激光粒分析仪采用固定位置的三激光固体光源设计及“Bluewave” 技术，配合双接受透镜，可以实时大角度的接受颗粒的衍射/散射光信号(0-165度)，信号稳定，重复性好。在S3500的基础上，2011年麦奇克公司推出了S3500SI激光粒度粒形分析仪，实现了一台仪器具有两种技术（静态激光衍射法和动态图像分析法）能同时测量12种粒径和14种粒形的参数。　　最后，Mr.Paul Cloake还讲到，麦奇克公司凭借其在激光衍射/散射技术和颗粒表征方面的独到见解，开发了最新一代Nanotrac Wave 纳米粒度及Zeta电位分析仪。该款仪器采用先进的“Y”型光纤探针光路设计和先进的动态光背散射技术，融纳米颗粒的力度分布和Zeta电位测量于一体，操作简单，测量迅速，结果准确可靠，重现性好。Mr. Paul Cloake 给大家介绍仪器的操作及维护技巧　　研讨会下半场，日本Gifu大学的Yoshihiro SUGI教授和日本拜尔公司的Keita Tsuji博士分别给参会人员作了有关介孔分子筛的合成、表征和催化及吸附技术最新进展等方面的精彩报告。日本Gifu大学 Yoshihiro SUGI 教授　　Yoshihiro SUGI教授从微孔、介孔材料谈起，介绍了不同材料的划分区域及其相关的应用情况，并向大家展示了不同种类分子筛的孔径大小和结构模型。随后介绍了以CTMABr和TEAOH为模板合成具有β沸石结构单元的介孔硅铝分子筛的过程，并对所合成的材料进行了X射线衍射(XRD)、核磁(NMR)、透射电镜(TEM)、傅立叶红外光谱(FT-IR)等多方面的性能表征，结果表明，所合成的材料具有很好的耐热性及稳定的机械加工性能等优良的特性。最后Yoshihiro SUGI教授通过维他命E的合成形象说明了介孔材料在催化方面所表现出的高活性和高选择性。日本拜尔有限公司 Keita Tsuji 博士　　日本拜尔成立于1988年，是一家研究生产容量法/重量法气体吸附分析仪的专业制造厂商。其产品主要包括比表面和孔隙分析仪、化学吸附仪、金属分散度分析仪等一系列高品质的仪器。　　Keita Tsuji博士结合日本拜尔多款表面吸附产品，在报告中介绍了表面吸附技术的最新进展。例如，日本拜尔BELSORP-max是一款高性能容量法气体吸附仪，可以实现原位脱气功能，在极宽的压力范围内对被测多孔材料进行吸附/脱附等温线分析。同时，针对近年来低温吸附要求越来越多的情况，日本拜尔开发的BELCryo低温控制系统，配合BELSORP系列吸附仪器的使用，可以将相关的应用领域延伸至极低的温度范围，为吸附表征打开了一扇通往低温方向的大门。　　此外，Keita Tsuji博士重点讲到，日本拜尔吸附仪产品与X射线衍射技术(XRD)相结合可实现结构和数据两方面信息的同时检测；还有如果BELCAT 系列程序升温化学吸附仪选配CATCryo低温控制装置，可以增加低温化学吸附功能，控温范围能从-100℃到1100℃。与会代表与Keita Tsuji 博士沟通交流

大昌华嘉商业（中国）有限公司将于2011年11月1日在清华大学化学馆301报告厅与清华大学化学系徐柏庆教授课题组联合举办“最新颗粒表征技术研讨会”和“β亚基介孔分子筛的合成，表征及催化学术讲座”。此次会议分为上下午两场，大昌华嘉公司特邀请美国麦奇克公司副总裁Mr. Paul Cloake介绍动态激光在纳米技术上的最新应用及日本Pro. Yoshihiro SUGI讲解β亚基介孔分子筛的合成，表征及催化，并在现场演示最新激光粒度粒形分析仪，Zeta电位及纳米粒度分析仪的操作及维护技巧，欢迎您届时光临。大昌华嘉商业（中国）有限公司科技事业部专业提供分析仪器及设备，独家代理众多欧美先进仪器，产品范围包括：颗粒，物理，化学，生化，通用实验室的各类分析仪器，在中国的石油，化工，制药，食品，饮料，农业科技等诸多领域拥有大量用户，具有良好的市场声誉。大昌华嘉在中国设有多个销售，服务网点，旨在为客户提供全方位的产品和服务。美国麦奇克有限公司（Microtrac Inc.）是世界上最著名的激光应用技术研究和制造厂商，其先进的激光粒度分析仪已广泛应用于水泥，磨料，冶金，制药，石油，石化，陶瓷，军工等领域，并成为众多行业指定的质量检测和控制的分析仪器。日本拜尔有限公司(Bel Japan，Inc.)是一家研究生产容量法和重量法气体吸附分析仪的专业制造厂商。第一台多功能催化剂表征分析仪，首创全自动蒸汽吸附系统，固体电解质膜水分吸附和质子传导分析仪，燃料电池综合评价装置等，极大地丰富了表面吸附表征方法，同时也为拜尔公司高品质的产品和服务赢得了口碑。Yoshihiro SUGI教授简介：Yoshihiro SUGI, Faculty of Engineering, Gifu UniversityAwards:1994 Prize for Distinguished Patent Applications, Agency of Science and Technology1995 JPI Prize for Distinguished Papers.1996 Prize for Distinguished Patent Applications, Agency of Science and Technology2003 The Best Article of the Month, BCSJ #5, 2003.2009 The Japan Petroleum Institute AwardMajor Interest: Catalysis (Homogenous and Heterogenous), Zeolite Synthesis,Ecomaterials.SEMINAR ARRANGEMENTS CHECK LIST本次会议初步议程如下：Conference 1 会场一 (8:30-12:20)Time / 时间Content / 内容CIP / 主持人8:45-9:00Registration / 会议注册 9:00-9:20DKSH Presentation / 大昌华嘉公司介绍Sinndy Yan严秀英 经理9:20-10:30Laser Diffraction and Image Analysis光散射与图像分析原理及应用 Paul Cloake 副总裁10:30-10:50Coffee Break茶歇 10:50-11:50Dynamic Light Scattering – latest advances with probe technology动态激光散射在纳米上的应用Paul Cloake 副总裁11:50-12:20Question / 仪器展示及问题讨论Sinndy Yan严秀英 经理12:20-13:20Lunch午餐 Conference 2 会场二 (13:30-17:30)13:30-14:00DKSH Presentation / 大昌华嘉公司介绍Rain Fan樊润 经理14:00-15:10Mesoporous Zeolite with Beta Zeolite Subunit: Synthesis, Characterization and Catalysis，β亚基介孔分子筛的合成，表征及催化Yoshihiro SUGI 教授Keita Tsuji博士15:10-15:30Coffee Break茶歇 15:30-16:30Mesoporous Zeolite with Beta Zeolite Subunit: Synthesis, Characterization and Catalysisβ亚基介孔分子筛的合成，表征及催化Pro.Yoshihiro SUGIDr.Keita Tsuji16:30-17:30Discussion /问题讨论Rain Fan樊润 经理17:30End / 结束 本次会议内容丰富多彩，主办单位将向与会者赠送精美礼品。为便于会务安排，请将参会回执于10月25日前传真或发送电子邮件至大昌华嘉公司。联系方式：地 址：北京市光华路7号汉威大厦西区26层电 话：010- 6561 3988 联系人：张媛 13301217002王卫华13810747749樊润 13901255059传 真：021- 6561 0278电子邮件：Helen.zhang@dksh.com 备注：化学馆的具体地点在清华大学西北部理学院的正北面（从清华西北门进入往东200-300米路北即到）。西北门禁止没有清华车证的私家车出入，开车的客户可以从西门或者南门进入。 回 执姓名 单位 地址 电话 手机 E-mail 邮编 参加人数 我希望参加以下会议：会场1 会场2

2023年12月22日，岛津材料化学研究表征技术研讨会在湖南大学成功举办，会议邀请了各大高校专家老师参与了此次会议。会议现场湖南大学化工学院书记王双印教授首先致辞，他对参会的各位嘉宾表示了欢迎，岛津公司和湖南大学化学化工学院建有合作实验室，和电催化与电合成实验室亦有很多的互动交流沟通，之前，我们合作有在这举办电催化相关研究的技术交流会，今天我们在这就材料化学研究表征进行技术交流，报告专家会分享材料研究中的表征技术及仪器使用，希望能对各位嘉宾的科研有所助力，也预祝本次会议能圆满成功。湖南大学化工学院书记王双印教授中南大学粉末冶金国家重点实验室沈茹娟副研究员做了题为《试验机在材料分析和矿物分析中的解决方案》的发表。报告分享了：电子万能试验机基础介绍和应用实例、扫描电镜中的原位力学测试系统、力学性能微观测试。中南大学粉末冶金国家重点实验室沈茹娟副研究员岛津分析计测事业部营业部售前支持团队王文龙先生做了题为《X射线光电子能谱 (XPS) 在材料研究中的应用进展》的分享。报告分享了：XPS作为一种表面成分及化学状态分析的表征手段，可应用于研究表面反应、薄膜及涂层成分和结构，在材料科学研究中越来越受到大家的重视。王文龙先生在报告中介绍了XPS的原理、基本功能及在材料科学中的应用进展，包括XPS（准）原位测试、成像XPS、角分辨XPS及XPS深度剖析等。岛津分析计测事业部营业部售前支持团队王文龙先生岛津分析计测事业部市场部 石欲容女士岛津分析计测事业部市场部石欲容女士做了题为《岛津在材料研究中的典型解决方案及应用》的分享。报告分享了：岛津在材料研究中的整体解决方案，在材料研究中化合物、金属元素定性定量用到的有机、无机测定分析仪器，结构性能表征中XPS、EPMA、SPM、UV、SALD、试验机等分析仪器；在典型应用中重点介绍了EPMA标配的波谱测定功能在定性和面分析能力上比能谱更优异的应用，同时介绍了岛津的典型客户使用带扫描的试验机在氧化物弥散强化钢板高温蠕变性能的影响中的应用，以及岛津粒度仪的应用及特点。本文内容非商业广告，仅供专业人士参考。

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！小角中子散射技术及其在大分子结构表征中的应用The Basic Principle of Small Angle Neutron Scattering and Its Application in Macromolecules作者：左太森，马长利，韩泽华，李雨晴，李明涛，程贺作者机构：中国科学院高能物理研究所 中国散裂中子源 2.散裂中子源科学中心,东莞,523803 中国科学院大学,北京,100049作者简介：程贺，男，1978年生. 中国科学院高能物理研究所东莞研究部研究员. 1996年考取中国科学技术大学，2006年在吴奇教授课题组获得博士学位. 随后赴中国科学院化学研究所韩志超研究员课题组工作，建设我国第一台SANS(2012年国家验收). 2014年加入中国散裂中子源，中国科学院高能物理研究所东莞研究部，现正在主持建设世界上第二台基于散裂中子源的VSANS. 致力于使用和发展散射方法，研究软物质多相多尺度结构和动态学行为.摘要小角中子散射(SANS)是一种表征从纳米到微米尺寸物质特征结构的有力工具，配合中子的强穿透性和同位素辨识等特性，在软物质大分子结构表征方面发挥着独特的作用. 随着中国散裂中子源(CSNS)在2018年正式对外接受机时申请，国内SANS用户群逐年扩大. 本文首先简要介绍小角中子散射技术的基本原理、谱仪结构和实验技巧，然后紧扣小角谱仪的特点和方法学方面的最新进展，介绍小角中子散射在高分子溶液、高分子共混物和复合材料、高分子结晶、凝胶、多孔材料、生物大分子等研究领域的结构表征方面的典型应用. 小角中子散射和其他表征手段，如小角X射线散射(SAXS)相互紧密配合和补充，成为连接大分子内部多相多尺度的微观结构和宏观性的桥梁.AbstractSmall angle neutron scattering (SANS) is a powerful tool to characterize multi-scale structures in macromolecules. Deep penetration and H/D isotope labeling make it a unique scattering method. To make it more familiar to the users, basic principle of SANS, instrumentation and experimental skills were firstly demonstrated. Then typical applications in the fields of polymer solution, polymer blends, nanocomposites, crystallization, gels, porous materials and biomacromolecules were introduced. As for the data analysis of complex systems, such as biomacromolecules, in addition to the traditional data analysis methods, advanced methods such as the ab initial analysis and Reverse Monte-Carlo (RMC) simulations provide more detailed information. Combine with small angle X-ray scattering (SAXS), static light scattering (SLS), electron microscope (EM)et al., SANS enables us to solve the structure and interaction of more complicated systems such as interaction of biomacromolecues and solvation of polymers in mixed solutions. As the China Spallation Neutron Source (CSNS) was officially opened to the users around the world in 2018 and SANS instruments equipped with various sample environments are being built, more opportunities are opened to the SANS communities domestically and abroad.关键词小角中子散射  大分子  多相多尺度  结构表征  中国散裂中子源KeywordsSmall angle neutron scattering  Macromolecules  Multi-scale and multi-phase  Structure characterization  China spallation neutron source 小角散射，通常包括小角光散射(SLS)、小角X射线散射(SAXS)和小角中子散射(SANS)，都是表征物质纳米到微米的多尺度特征结构的有力手段[1,2]. 它们的基本原理[3]和数据处理分析方法[4]十分类似，三者可以互补和互相验证. 3种散射方法有两点主要不同之处：一是光源与样品的作用机理不同，所以使用不同散射方法时样品的衬度不同；二是波长不同，所以研究的特征尺度范围不同. 首先，衬度直接决定了散射实验的可行性. 光散射衬度来自样品的微分折光指数；X射线与核外电子相互作用，衬度来自于电子云密度，所以原子序数高的元素衬度高；对于中子，由于中子直接作用于原子核，与核的性质有关而与原子序数无关，反而同一元素的各种同位素的中子衬度有很大不同. 小角中子散射的衬度等于样品与分散剂的相干散射长度密度之差，这里的相干散射长度密度(ρcoh，单位：Å-2)是散射体中所有的元素或同位素的相干散射长度(bcoh, 单位：Fermi，1 Fermi = 10-15 m)的加权平均与散射体的摩尔体积之比；同位素的散射截面相当于原子核与中子相互作用被散射的概率( σσ，单位barn, 1 barn = 10-24 cm 2)，正比于散射长度的平方. 中子与原子核相互作用，除了被散射外，还会有一定的概率被吸收. 常见天然元素和同位素对于1.8 Å中子的相干散射长度、相干和非相干散射截面以及吸收截面的数据如表1所示[5]. 设计SANS实验的第一步需要估算样品的中子衬度和透光率，前者决定了SANS实验的可行性，后者决定了数据分析的可行性. 根据表1，已知大分子体系的元素、同位素组成和密度，可以计算中子衬度，溶液体系衬度为溶质和溶剂的中子相干散射长度密度差，二元共混体系衬度为二元组分大分子的中子相干散射长度密度差. 衬度低的样品无法进行SANS实验(比如一般的非晶碳氢化合物样品，化学组成一般为CH2，根据表1，bc+2bH≈0bc+2bH≈0，在不进行氘代的情况下无法进行SANS实验)；而样品对中子的透过率可以通过式(1)所示的朗伯-比尔定律计算.其中：d为样品厚度.nini为样品中第ii种元素的原子比例，pij、σij(λ)σij(λ)和ρijρij分别为第i种元素的第j种同位素的丰度、全截面和数密度. 其中全截面包含相干、非相干和吸收截面，同位素截面相关数据可以参考ENDF数据库[6]. 传统的散射基本理论是建立在单次散射的基础上的，如果样品太厚，透光率较低，可能在实验中引入多次散射，造成数据无法用常规分析方法解析，所以一般的SANS实验要求 Ttrans85%，如果是溶液样品，尽量采用氘代溶剂.Table 1Coherent scattering length and coherent, incoherent and adsorption scattering cross section of common elements in macromolecules and commonly used isotopes in SANS experiments[5].一些吸收截面非常大的天然元素或者同位素通常用于中子吸收材料，如表1中的B-10，在实验样品中要尽量避免这类对热中子具有强吸收的同位素，除B-10外，还有Cd-113、Gd-155、Gd-157、Sm-149、Eu-151等同位素.对于结构表征的各类技术，能够覆盖的尺寸范围很大程度上决定了这一技术的应用范围. 用于光散射的激光波长在可见光范围，所以小角激光光散射观察尺度在微米的数量级，而静态激光散射的观察尺度在20~300 nm；由于X射线和中子的波长在埃的数量级，所以常规的SAXS和SANS可以测量1~300 nm的特征尺度.表2总结了3种小角散射方法的一些基本特征，可以看到每种方法都有其特点和不足. 小角光散射波长较长，需要样品透明并且容易受到灰尘的影响；小角X射线散射的优势是亮度非常高，特别是同步辐射X射线小角，缺点是穿透能力一般，容易被吸收(当然共振散射赋予了它另外的特点)；小角中子散射的特点是穿透能力强，可以加载各类样品环境，同时还能够识别同位素，可以得到样品的绝对散射强度，缺点是中子源亮度太低. 所以实际使用中，用户需要依据自身样品的特点和需要观察的特征尺度范围，选择合适的散射手段，互相验证和补充.Table 2Comparison between SLS, SAXS and SANS.随着小角中子散射方法的应用越来越广泛，谱仪和方法学上出现了2种趋势，一方面通过中子束的聚焦或准直向更小散射矢量方向扩展1~2个量级，研究特征尺度更大的体系，典型的就是发展微小角(VSANS)[7]甚至超小角(USANS)中子散射谱仪[8]；另一方面利用波长更短的中子的散射将散射矢量扩展到50 Å-1以上，研究无序体系在原子尺度上的结构，即所谓的无序大分子中子全散射方法[9]. 谱仪技术发展的驱动力在于实现通过一次散射实验来表征样品从原子到分子，再到组装体，甚至相区的多相多尺度结构的梦想. 虽然这些谱仪的设计思路和物理结构千差万别，但是它们的基本散射原理完全相同. 下文将着重介绍SANS谱仪.1小角中子散射谱仪、基本原理、实验技术和方法小角中子散射谱仪通常分为两类，一类是基于反应堆的固定波长小角谱仪[10]，国内有绵阳研究堆的狻猊谱仪和中国先进研究堆的小角中子散射谱仪；另一类是基于强流脉冲中子源的飞行时间小角谱仪[11]，国内有CSNS的小角中子散射谱仪. 固定波长小角谱仪，利用速度选择器将中子单色化后进行散射实验；而飞行时间小角谱仪则采用白光中子进行散射实验，利用脉冲中子从中子源运动到探测器的飞行时间标定中子波长. 两类SANS的基本原理完全一样，准直系统通常为如图1所示的小孔几何，源光阑和样品光阑用于中子准直，1个或者多个探测器接收散射中子[7].Fig. 1(a) Schematic diagram of the SANS instrument (b) The relationship between the characteristic length scaled and the scattering vector q⇀q⃑ (Bragg's Law). 运动的中子从量子力学的观点可以看成一种物质波，其波长λ = h/(mnv)(其中h为普朗克常数，mn为中子质量，v为中子速度)，入射中子的波矢量记作k⇀i，其绝对值为2π/λ，中子被样品散射后，散射波矢量记作k⇀s，如果是弹性散射，中子波长不变，其绝对值仍为2π/λ.散射前后，入射波矢量和散射波矢量的差值k⇀s−k⇀i定义为散射矢量q⇀.图1是CSNS的VSANS谱仪在小角模式下的示意简图. 根据如图 1所示的几何关系和矢量加减规则得到布拉格公式：其中θ为散射角. 如果样品的特征长度为d，根据如图1几何关系和布拉格方程，两束被样品散射的中子的波程差为2dsin(θ/2)，当波程差等于波长λ的整数倍时，散射中子相干增强，即：当n取1时，由公式(4)可知，正空间的样品特征长度与散射矢量q是倒易关系，即1/q是正空间的尺子，在计划实验时，需要对样品的特征尺寸范围有一个预判. 根据香农采样定理[12]：如果谱仪q范围为0.001~0.3 Å-1，其可表征的样品特征尺寸范围为300~1 nm. 如果能将中子聚焦，或者放弃一个方向的分辨率，将最小q向低q方向推进1~2个量级，从而能够表征的样品的特征尺度将增加1~2个量级. 我们将这类谱仪称为微小角中子散射谱仪(qmin=10-4 Å -1)[7]和超小角中子散射谱仪(qmin=10-5 Å -1)[13].考察一个由N个大分子链组成的链间有相互作用的体系，假设每根链聚合度为n，并粗粒化单体作为基本的散射单元. 为了方便表示，如图2所示，考察体系中的链α和链β. 链α和链β的质心距离坐标原点分别为Rα和Rβ，链α和第i个单体距离链α的质心为Sαi，链β的第j个单体距离链β的质心为Sβj，链α和链β之间的距离为Rαβ，i，j距离原点分别为rαi和rβj. 根据散射基本原理，中子入射到单个单体后形成球面波，其散射振幅：Fig. 2Schematic draw of the polymer chain and the vectors between atoms and polymers.一条链的散射振幅：考虑大分子与周围介质的散射长度密度差为Δρ，大分子单体的体积为υ，体系总体积为V.α和β遍历体系中的每一根链，i，j遍历链的每一个单体，得到体系的宏观散射截面可表示为公式(8).公式(8)右边第2项可以近似为倒易2根链的质心相互作用的相干散射得到公式(9).根据如图2所示的几何关系，代入(9)得到：其中F(q)为形状因子的散射振幅，定义单粒子的形状因子P(q)，注意，这里的i,j位于同一个散射体或者同一条链上.散射体可近似视为连续介质，P(q)可改写为：其中，Vpart为散射体的体积，ρpart(r)为散射体内部的密度空间分布.定义散射体之间的结构因子SI(q)，式(11)适用于所有散射体系对于密度分布均匀的散射体，∣∣F(q)2∣∣=|F(q)|2，而这里的dΣ(q)dΩ是散射矢量为q时的绝对散射强度(单位为cm-1). 小角中子散射实验中，经过样品散射进入立体角为ΔΩ的探测器的中子计数Is(q)(单位为count/s)与q的关系为：其中T(λ)为样品透过率，d为样品厚度，定义入射中子强度I0(λ)：Φ(λ)为入射中子波长分布，ε(λ)为探测器效率，A为样品光阑面积，t为数据采集时间.所以对于典型的小角散射实验，如果实验的q值范围已经覆盖了样品的多相多尺度结构，通过一次SANS实验，可以得到Δρ(衬度)，n(分子量)，P(q) (基本形状)和SI(q) (相互作用)，但需要注意的是SANS用了一个粗粒化的模型，所能观察的最小尺度是π/qmax，一般不小于1 nm.2小角中子散射实验一个完整的小角中子散射实验过程包括(1)计划实验：根据科学目标准备合适大小和数量的样品；(2)确定实验方案，并采集小角中子散射数据；(3)对散射数据进行处理和分析.2.1样品准备和要求在样品准备阶段需要注意几个问题，第一，衬度：样品中散射体与周围介质的散射长度密度的差异是否足够. 一般而言，如果衬度Δρ≥1×10-6 Å -2就完全没有问题，否则就需要与谱仪科学家进行沟通，依据谱仪本身的信噪比进行调整. 如果衬度不够就可能需要对溶剂或者散射体进行氘代. 第二，样品的特征尺寸是否在谱仪的测量范围内，通常谱仪的测量范围在π/qmax到π/qmin内；第三，做一些前置实验，如小角X射线散射、电镜等确定合成的样品状态是否由于聚集、结晶等过程的发生而改变. 此外，还需要注意样品的使用量和样品厚度. 根据样品内散射体的尺寸和与周围介质之间的衬度，样品量从300~1500 mg不等，样品厚度根据散射强度选择，通常为1和2 mm. 对于强散射样品，如果样品太厚会产生多重散射；对于溶液样品需要注意样品的结构与浓度有关，稀、亚浓和浓溶液结构会随着样品间相互作用而改变，为区分‍P(q)和‍SI(q)对‍I(q)的影响，除硬球体系之外，一般需要在稀溶液中先确定样品P(q)，这时也许需要在0.1 wt%~5 wt%之间做多个样品，从而外推到无限稀溶液的情况.2.2实验数据处理实验数据处理是通过对原始实验数据进行一系列的物理校准和校正，最终得到与实验仪器和样品厚度等无关的，体现样品本质特征的绝对散射强度(dΣ(q)dΩ，cm-1)随着散射矢量(q，Å-1)变化的信息. 一个完整的实验通常包括5组数据的采集：空样品池透过率数据Tc(λ)、空样品池散射数据Iexpcb(q)、样品加样品池透过率数据Tsc(λ)、样品加样品池散射数据Iexpscb(q)、空背底测量Ibackground(下标s表示样品，下标c表示样品池，下标b表示背底). 小角中子散射实验中，散射信号Iexpscb(q)有以下来源：样品、样品池和各种背底(如天然背底、空气散射和电子学噪声等).各种散射信号之间的关系可以用式(1)和式(2)表示，其中I0(λ)代表零散射角度的散射强度. 扣除样品池的散射和其他各种背底，最终计算得到dΣ(q)dΩ. 式(1)和式(2)只是简化和近似，真实SANS数据处理还需要考虑探测器效率、死时间和入射中子波长分布等因素[14].2.3实验数据分析SANS数据分析方法多种多样. 一般来说，可分为不依赖于模型的分析方法和依赖于模型的分析方法. 不依赖于模型的分析方法植根于数学，是数据分析的起点. 具体来说，包括吉尼尔(Guiner)、Porod、Kratky等分析方法. Guiner分析方法是样品的散射强度的自然对数对散射矢量的平方作图，即1n(I(q))对q2作图，在qRgPorod分析方法是主要用于分析散射体尺寸的局部结构信息，要求qRg1. Porod作图即是将散射强度对散射矢量作图，即1g(I(q))对lgq作图，其斜率即为散射体的Porod因子n. 高q的散射数据通常可表示为或者对于长棒形散射体，n=1；对于二维光滑散射体，n=2；如果三维散射体拥有光滑表面，n=4； 否则，n为3~4之间. 对于大分子链，Porod因子与排斥体积参数ν有关，即n=1/v，对于稀溶液中的有排斥体积高斯链n=5/3(或者1/0.588)，对于稀溶液中没有排斥体积的高斯链n=2，对于完全蹋缩的大分子链n=3.n为2~3之间可能是枝状大分子或者是形成网络结构.图3为半径为R=50 nm的硬球的散射模型，可以用贝塞尔方程拟合. 对曲线低q区域(qRg≤1)进行Guinier拟合，如图3中的小插图所示，得到均方旋转半径为38.94 nm，与理论值500 × (3/5)0.5 = 38.73 nm相符. 需要注意的是在得到 Rg之后需要进行一次验证，验证拟合区间确实满足qRg≤1.Fig. 3Guinier and Porod fit of the form factor of the hard sphere with a radius of 50 nm.对高q区域(qRg1)进行Porod拟合，得到斜率为-4.0，符合光滑球体表面分形维数. 更详细的关于Guiner、Porod和Kratky作图的图文解释和示例，读者可以参考Hammouda的SANS TOOLBox的第15章[15].常用的依赖于模型的分析方法是借助已知的样品信息，以有限多个初始参数建立正空间中散射体的几何模型，并根据公式(13)计算与之对应的倒空间的数学曲线，采用最小二乘法，不断迭代输入参数，直到模型的计算散射曲线与实验曲线的偏差在可接受范围内. 常用的分析软件有Igor[16]和SASView[17]等. Svergun和McGreevy等发展了新从头算起(ab initio)和逆蒙特卡罗模拟的分析方法[18~21]，可以将正空间三维结构的傅里叶变换与散射曲线进行比较.对依赖模型的分析方法，初始模型的设计至关重要. 所以在SANS实验之前，需要进行一系列的前置散射、光谱或者成像实验，估计样品的初始结构. 根据不依赖于模型的Guinier和Porod等方法对一维散射曲线的分析结果，验证初始模型的选择是否正确. 需要注意的是，拟合参数或者基本假设越少，分析结果的准确性越高. 拟合参数多的方程可以拟合大多数SANS曲线，但必须通过结合其他研究手段固定大部分的参数.3大分子相关领域典型应用小角中子散射在物理学、化学、材料、生命科学和工业界等均有大量应用. 本文主要聚焦于大分子领域，即合成高分子、生物大分子和大分子材料领域的典型应用. 为方便讨论，依据样品的特点进行分类，分为高分子溶液、高分子共混物和复合材料、高分子结晶、凝胶、多孔材料、生物大分子. 以下就这些方面的一些经典案例和最新发现进行讨论. 由于小角中子散射应用领域众多，并且各个领域之间还会出现交叉和重叠，所以以下分类讨论并不一定严格和全面，本文只是抛砖引玉，旨在说明小角中子散射的特点和在各领域的典型应用.3.1高分子溶液体系大多数用户使用SANS研究溶液体系是为了得到溶质的多尺度形貌，所以高分子溶液体系的样品处理，实验方法，数据处理与分析具有普适性[22,23]. 大分子在溶液中的基本构象(confor-mation)的确定需要使用SANS进行证明，一般在稀溶液测定. 1974年，Cotton等使用SANS研究了线形聚苯乙烯(PS)在二硫化碳(良溶剂)和环乙烷(θ溶剂)中的构象，验证了高分子在良溶剂中是有排斥体系的高斯链，分形维数5/3，在θ溶剂中是无扰高斯链，分形维数是2[24]. 随着高分子化学的进步，科学家们合成了不同几何形状的单分散大分子. 2014年，Goossen等使用SANS研究了环形PS在氘代甲苯(良溶剂)，氘代环乙烷(θ溶剂)和氘代线形PS(类θ本体)中的构象，如图4所示[25]. 环形PS在良溶剂中，Porod区间的表观分形维数1.56，小于线形PS在良溶剂中的5/3，作者解释是由于第2维利系数(A2)的影响，通过扣除A2，得到没有端基的环形PS在良溶剂中的分形维数；环形PS在θ溶剂和相同分子量的PS本体中，分形维数为2. 我们需要着重指出两点：一是对θ溶剂体系，或者高分子本体体系，图4的拟合区间在0.006~0.2 Å-1，对于低q区间，0.002 Å-1qP(q)的基本定义(公式(13))进行计算[15].Fig. 4Scattering functions and representative slopes for the overall and internal structure of ring polystyrene in good andθ solvents at different length scales. The linear polymeric matrix in the ring/linear blend is congruent with the θ‍-solvent. (Reprinted with permission from Ref.‍[25] Copyright (2015) American Chemical Society).相分离过程的研究是高分子溶液研究领域的重点之一. 大多数情形下，基于平均场理论的Ornstein-Zernike方程可以描述溶液中相分离过程的浓度涨落的变化[26,27]. Jia等使用SANS，研究了聚(N,N′-二乙基丙烯酰胺)(PDEA)在氧化三甲胺(TMAO)水溶液中的相分离发生前浓度涨落(concentration fluctuation)的变化，如图5所示[28]. 浓度涨落的强度和幅度都随温度升高而增大，随TMAO含量的增高而增大；通过外推零散射角度散射强度的倒数随着温度的倒数曲线，得到浓度涨落趋近无穷时的温度，就可以得到该共混体系的旋节线相图. 同样，这里需要注意两点：一是SANS是唯一的直接测量旋节线相图的研究手段，其他研究手段，例如浊度法，测量的都是双节线相图；二是越靠近相边界，浓度涨落的尺度越大(图5)，这与温敏性高分子靠近最低共溶温度(LCST)时体积收缩[29]并不矛盾：由于图5的SANS实验的衬度来源于浓度涨落的微区，而不是单链高分子. 如果需要看到PDEA单分子链的LCST塌缩(就像使用动静态激光光散射观察PDEA极稀水溶液一样)，需要使用衬度匹配技术. 典型的例子可以参考Hammouda等的实验，使用氘代和氢化聚(N-异丙基丙烯酰胺)(PNIPAM)在衬度匹配的重水/水混合溶剂中，用SANS观察PNIPAM单链的塌缩过程[30].Fig. 5SANS profiles of 4% mass fraction PDEA in TMAO-d9/D2O mixtures. (a) Temperature dependence of PDEA atcTMAO = 0.28 mol/L the arrow is used to guide the eye, indicating the increase of concentration fluctuations with temperature. (b) TMAO concentration dependence at 15 °C when TMAO concentrations are 0, 0.1, 0.28, 0.44, 0.58, 0.76, 0.90, 1.13 and 1.25 mol/L, respectively. (Reprinted with permission from Ref.[ 28] Copyright (2017) American Chemical Society).随着大分子在溶液中的浓度增加，分子之间相互作用(SI(q))逐渐变强，这时相互作用在散射曲线上将会表现为最小散射矢量附近的散射强度相对无相互作用时变小，中间q区间的散射强度相对无相互作用时变强. 如果体系中存在复杂的相互作用，如氢键相互作用、静电相互作用、憎水相互作用、π-π堆叠作用[31]等，在溶液中将形成亚稳的并且能够响应外界刺激的微相自组装结构，在污水净化、废油回收、药物输送等方面有着广泛的应用[32]. 小角中子散射是研究这类体系的非常有效的方法，既可以研究大分子或组装体在溶液中的结构(P(q))的变化[33]，又可以研究组装体的结构在溶液中的相互作用(SI(q)).大分子组装结构是小角中子散射研究的一个热点. Sternhagen等合成了一系列的两亲性离子类肽嵌段共聚物，这些共聚物唯一不同的是肽链序列的离子单体的位置不同. SANS研究表明，这些肽嵌段共聚物组装成星形胶束结构，并且离子单体的位置越靠近星形胶束中心，胶束的均方旋转半径越小，并且二者呈现一定的指数关系[34]. 此项研究为利用肽键氨基酸序列调控组装胶束结构开辟了新的道路.3.2高分子共混物和复合材料通过将高分子共混、复合，石油化工工业只需要生产常见的几十种高分子材料，如聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺等，就可以大致满足人们日常生活对高分子材料的硬度、弹性、机械强度、疲劳强度、导电性、透光性、耐热性、阻燃性、吸水性、耐酶性等多方面的需求. 这表明高分子共混物和复合材料的多相多尺度微观结构及其演化过程与宏观性能密切相关. 小角中子散射适用于实时追踪这类体系的微观结构的变化.通常非晶高分子本体或者共混物中，由于要观察的目标大分子与其周围环境的化学结构大致相同，对大部分研究手段而言衬度几乎都为0，无法看到单一高分子链或者选择性观察某一相高分子. 少部分的观察手段，包括单分子荧光或者核磁虽然有选择性地观察能力，但是前者引入了大尺寸的荧光基团，有可能影响体系的动力学和动态学行为；后者直接观察的是能量空间. 只有SANS可以通过衬度匹配具有选择性地观察单链结构的能力[35].高分子共混物在双节线相区，初级成核过程究竟是如何发生的？到现在仍然是一个非常具有挑战性的课题. Balsara课题组曾进行了深入的研究[36]. 他们使用时间分辨SANS，研究了氘代聚乙基丁烯(dPE)、聚甲基丁烯(PM)和聚(甲基乙烯-b-乙基丁烯)的三元共混物相分离初期的成核过程，如图6所示. SANS的中子束流强度低，需要较长时间(通常大于3 min，依赖于不同中子源或者SANS谱仪)才能得到满足统计误差的散射谱图. 嵌段共聚物hPM-hPE的加入是为了增强dPE/hPM的相容性，降低相分离温度并延长相分离时间，从而满足SANS采样所需时间.图6(a)表明，相分离未发生时，体系为均相，相对散射强度不随散射矢量q变化；随着相分离发生，低q散射曲线随相分离时间增长，不断向上倾斜，这说明有相分离成核的尺寸逐渐增大，零散射矢量处散射强度随之增长. 使用不依赖具体模型的Guinier方程对SANS数据进行拟合(图6(b))，可以得到零散射矢量处散射强度(In)随其均方旋转半径(Rg)变化的标度关系，分形维数1/0.54，说明初级成核也许并不是Gibbs成核过程(分形维数3)，而是浓度涨落诱导过程(分形维数2).Fig. 6(a) Dependence of SANS profiles on time during the early stage of the sample with 50 vol% block copolymer. The solid lines in represent fits to the Guinier model. (b) A lg-lg plot ofRg at a given time versus In(In = I(Q=0,t)/I(Q=0,t=0)) at that time. The solid line represents the best power law fit. (Reprinted with permission from Ref.‍[36] Copyright (1996) The American Physical Society).复合大分子材料在工业界有着十分广泛的应用. Liu等利用小角中子散射和电子显微镜研究纳米二氧化硅球(20 nm左右)和橡胶复合体系，发现SiO2会形成24~97个硅球的聚集体，聚集体尺寸随着SiO2球体积分数增加线性变小，最佳的二氧化硅的体积分数在40%~50%之间[37,38].具有刺激响应的智能大分子材料，如自愈(self-healing)复合材料是目前研究的热点. Staropoli 等利用小角中子散射和流变实验研究靠氢键结合而成的瞬态枝化梳状大分子在熔融状态下的氢键形成机理[39]. 结果表明，瞬态链合结构对此类材料至关重要.3.3高分子结晶高分子结晶过程极为复杂，尽管科学家们进行了多年不间断地研究，一些基础性的问题仍有疑问. 1977年，Sadler等使用SANS研究了氘代聚乙烯经过溶液和熔融结晶生成的晶体内部的单链构象[40]，在一系列假设下(氘代和氢化聚乙烯无相分离、同时结晶)，证明了高分子单链在溶液中优先按照近邻折叠模型结晶；在熔融过程中，优先按照插线板模型结晶. 这个结果争议不大，已经写入了高分子物理的教科书. 而串晶(shish-kebab)中shish的生成机理则至今仍争议不休：究竟是高分子链的拉伸、缠结网络变形或者是壁滑导致了shish的产生？Kimata等的SANS研究使shish成核理论的研究向前迈出了关键的一步[41]. 实验观察结晶过程中分子链结构变化的关键难点还在于衬度：如何能够在shish的狭小范围内看到高分子链的结构. 如之前表2所示，X射线的衬度来源于电子云密度的差别，因此SAXS可以看到二维的大分子片晶结晶区与非晶区片层之间的电子云密度差别，从而得到片晶厚度，但是SAXS看不到一根结晶大分子链与其周围链段之间的任何差别；而常规的SANS均聚物氘代和氢化二元共混同样存在问题，它虽然提供了氘代分子与周围分子之间的衬度差别，但是也引入了结晶的氘代大分子与非晶的氘代大分子之间的衬度差别. 所以Kimata之前，科学家们没有设计出合适的可以在shish中提取分子链结构的实验方法. Kimata等使用了氘代短链(S)，中等链(M)和长链(L)等规丙烯(iPP)与多分散非氘带iPP进行共混，在不同温度下进行剪切实验，用SANS观察散射图样的变化，如图7所示.图7(a)中S链的各向异性散射更加显著，温度升高到168 ℃时shish开始熔化，各向异性开始逐渐消失. Kimata等用166 ℃ 时shish刚刚开始取向的散射图样减去168 ℃或者180 ℃完全熔融的背景散射，如图7(b)所示，成功得到了d-iPP链在shish中的取向信息.图7证明了长链在shish中只起引发作用，但扩散较慢，不是shish的主体.Fig. 7(a) Temperature dependence of SANS profiles of deuterium labeled iPP during heating from 25 °C to 180 °C. The labeled fraction is denoted by S, M, and L for short D, medium D, and long D, respectively. (b) The change in SANS scattering intensity between 166 and 180 °‍C (left) and between 168 and 180 °‍C (right) for each of the three deuterium-labeled blends. (Reprinted with permission from Ref.[41] Copyright (2007) American Association for the Advancement of Science).3.4凝胶溶胶或者溶液中的胶体粒子或者大分子在合适条件下相互连接，形成空间网络结构，最后失去流动性，整个体系变成一种外观均匀，并保持一定形态的弹性半固体，这种弹性半固体称为凝胶. 凝胶在有机体的组成中占重要地位，人体内的肌肉、皮肤、细胞膜、血管壁，以及毛发、指甲、软骨等都可看作是凝胶. 相对于稀溶液，凝胶体系中的结构和相互作用更加复杂，小角中子散射方法，可用于研究此类体系的微观结构[42,43]、凝胶相的形成过程[44]和形成机理等[45].Endo等利用SANS研究不同浓度的间规聚丙烯(sPP)在氘代十氢萘溶剂中形成的物理凝胶的结构[46]，散射曲线如图8(a)所示. 散射曲线在某一q范围的斜率表示在相应正空间尺度上散射体的分形维数. 浓度最低的sPP十氢萘溶液(2 wt%)的散射曲线低q区间分形维数1，说明在交联点之间有棒状结构，中等q值范围内分形维数4，类似光滑球形外表面. 所以假设sPP纳米晶为球形结构(用贝塞尔方程拟合)，纳米晶之间存在的非晶sPP链形成的网络结构(用Ornstein-Zernike方程拟合)，纳米晶球之间进行Percus-Yevick近似，就可以得到交联点形状、尺寸随sPP浓度和温度变化的定量关系(图8(b)).Fig. 8(a) SANS profiles of the nitrogen quenched gel with differentsPP concentrations (symbols) and corresponding fitting results (solid lines). The profiles are vertically shifted to avoid the overlap. (b) Schematic illustration of hierarchical structures in gel LN suggested by the SANS profiles. (Reprinted with permission from Ref.‍[46] Copyright (2019) The Royal Society of Chemistry)3.5多孔材料中子直接作用于原子核，具有很强的穿透性，可以轻松穿透较厚的多孔材料，从而在1~100 nm范围内研究其内部孔隙的孔隙率、尺寸分布、各向异性、孔的连接性和比表面积，并且可以追踪这些参数对其容纳和吸附性能的影响.Yang等利用小角中子散射研究我国四川盆地龙马溪页岩的多孔结构[47,48]. 用多分散球形孔模型和Porod方法分析中子散射数据得到的比表面积和孔隙率，都大于压汞法得到的结果，说明样品中存在盲孔. 随着样品埋藏深度的增加，盲孔数量也随之增加，并且与有机碳含量存在相关性. 这个例子需要注意样品多重散射对散射曲线的影响，通常页岩样品厚度在200 μm的情况下可以保证单次散射；具体实验中需要测量不同厚度样品散射曲线来避免多重散射.碳纤维是重要的工业材料，小角中子散射可以对碳纤维内的孔隙缺陷进行精确的表征. Jafta等利用小角中子和小角X射线对多孔碳纤维内的孔隙率和比表面积进行了精确的分析[49]. 同时还用弦长分布函数分析了体系中孔隙的空间分布，发现孔的分布相对无序. 如果多孔材料的孔隙分布比较窄，就可以用于研究液体在空间受限行为、各种气体在孔隙内的吸附和脱吸附. Melgar等利用多金属氧酸盐为水分子提供含有不同配体的孔隙，研究水分子在孔隙内的分布情况[50]，研究表明，当孔隙小于1.1 nm，水分子将不能进入孔隙从而去润湿. Bahadur等利用小角中子散射研究二氧化碳在多孔碳材料内的高压吸附行为[51]. 观察到二氧化碳在微孔内随着压强的非线性吸附，微孔尺寸从约5 Å增加到7 Å. 但氩气在同样压强作用下的吸附并没有引起孔隙尺寸的变化. 说明吸附二氧化碳后，孔隙内的压强大于外界压强，推测孔内存在很强的吸附引起的溶解压.3.6生物大分子生物大分子种类丰富，多尺度结构复杂，其内部结构和作用原理的解析对解开生命的奥秘、开发新型药物等意义重大. Shi和Li对小角X射线在该领域的研究进展和一般分析方法进行了详细的阐释[52]，介绍的分析方法和研究方向与本小节介绍的内容有一些类似和重叠，有兴趣的读者可以自行查阅. 中子凭借其特性和与X射线的互补在生物大分子方面的应用前景也十分广阔[53].生物大分子的小角中子散射表征难度相对较高，第一，氘代样品的制备难度大，需要利用氘水和氘带碳源培养特定的细菌，粉碎后再纯化需要的氘带样品；第二，小角中子散射是一种低空间分辨率的表征手段，对于复杂体系的散射，人们通常将小角中子散射与其他实验手段和分析方法如透射电镜、X射线晶体衍射、核磁共振以及模拟方法等结合起来对散射数据进行分析，如图9所示. David等综述了利用小角散射研究生物大分子[54]. 在生物大分子方面小角中子散射的研究内容包括但不限于：(1)肽链、核酸、蛋白质[55]、双层磷脂膜、淀粉、纤维素等生物大分子在不同环境下的结构；(2)肽链、核酸、蛋白质和双层磷脂膜等的相互作用和组合结构；(3)病毒、细胞器等.Fig. 9A scheme of an SAS experiment, structural tasks addressed and the joint use with other methods. The nominal resolution of the scattering data is indicated asd = 2 p/s. (Reprinted with permission from Ref.[56] Copyright (2007) Elsevier Ltd.).对于生物大分子这类复杂体系，在能够达成科学目标的前提下，模型设计需要尽可能地简单，将变量维持在可接受范围内. 如果散射体非常复杂，由多个具有不同结构、功能的部分组成，需要使用氘代对各个部分进行衬度匹配. 数据分析方面，第一步，对散射数据做定性或半定量的分析，例如稀溶液，可以通过Guinier作图分析散射体均方旋转半径，Porod作图分析体系拓扑结构或者分形维度；第二步，依据已知数据建立模型，分析数据. 数据分析模型通常有以下2种：第一种是依赖于散射数据的可迭代优化模型，依据模型的计算曲线和实验曲线的均方差对模型的一些变量进行迭代优化，如规则几何模型拟合、逆蒙特-卡洛(RMC)方法[21,57]、从头计算(ab initio)方法[20]等；第二种是不依赖于散射数据的独立模型(强烈依赖于所用力场)，例如独立的分子动力学或者蒙特-卡洛模型，独立模型的计算SANS曲线可以与实验曲线对比，或者依据实验曲线与模型得到的可能结构进行筛选[58].限于篇幅，以下举几个有代表性的实例. 如图10为天冬氨酰-tRNA合成酶(Aspartyl-tRNA synthetase complexed)与tRNA复合物结构的小角X射线和小角中子散射联合研究图示[59]. Petoukhov和Svergun分别利用ab initial的串球模型分析复合体系的低分辨结构，如图10(A)和10(B)所示，然后利用复合物各个部分的X射线晶体学结构和刚体建模方法拟合X射线和中子散射数据，得到体系在溶液中的高分辨结构模型.Fig. 10(A) Aspartyl-tRNA synthetase complexed with tRNA. (a, b) Comparisons of the crystal structure with the ab initio bead models generated by the program MONSA. In the high resolution model, the protein and tRNA are shown as blue and magenta backbones, in the bead model corresponding phases are presented in gray and yellow, respectively. (c) Best rigid body model generated by SASREF. (d) A SASREF model with different orientations of tRNA. Right view is rotated by 90° about horizontal axis. (B) Scattering profiles from the Aspartyl-tRNA synthetase complex with tRNA. The simulated data are shown by dots, the fits obtained by the program MONSA and the program SASREF are displayed as red solid and blue dashed lines, respectively. 1 and 2 are X-ray scattering curves of the dimeric protein and the entire complex, respectively. 3-7 are neutron scattering patterns at 0, 40%, 55%, 70% and 100% D2O, respectively. The patterns are displaced in logarithmic scale for better visualization. (Reprinted with permission from Ref.[59] Copyright (2006) Springer European Biophysics Journal).同步辐射和X射线晶体学是研究生物大分子结构的利器，在得到蛋白质的晶体结构后，利用刚体建模方法，或者分子动力学模拟，结合小角X射线和小角中子散射，可以研究各类蛋白在溶液中的结构和相互作用. Shrestha等利用小角中子散射、小角X射线散和分子动力学模拟研究天然无规蛋白(intrinsically disordered protein)结构[60]，发现Flory指数为0.54，介于理想链的0.5和自避行走链的0.588之间.4总结小角中子散射技术在基础、应用、产业化的各个领域中都有广泛的应用. 由于篇幅所限，本文只是首先从原理和实践两个方面对这一技术进行了简要的介绍，然后列举了小角中子散射在高分子溶液、高分子共混物和复合材料、高分子结晶、凝胶、多孔材料和生物大分子等体系结构表征方面的一些典型应用，希望能够进一步扩展我国的SANS用户群体. 如果需要更深一步了解SANS或者中子散射技术在高分子科学中的应用，可以参考一些专业书籍[12,61,62].参考文献1Borsali R,Pecora R.Soft-Mattter Characterization.Springer,2008.377-9522Cebe P,Hsiao B S,Lohse D J.Scattering from Polymers Characterization by X-rays, Neutrons, and Light.Washington DC:American Chemistry Society,2000.1-1163Roe R J.Methods of X-ray and Neutron Scattering in Polymer Science.Oxford:Oxford University Press,2000.1-804Feigin L A,Svergun D I.Structure Analysis by Small-Angle X-Ray and Neutron Scattering.New York and London:Plenum Press,1987.275-320.doi:10.1007/978-1-4757-6624-0_95Dianoux A J,Lander G.Neutron Data Booklet Second Edition (July 2003).2020-10-25.https://www.ill.eu/fileadmin/user_upload/ILL/1_About_ILL/Documentation/NeutronDataBooklet.pdf6National Nuclear Data Center.Evaluated Nuclear Data File (ENDF).2020-10-25.https://www.nndc.bnl.gov/exfor/endf00.jsp.doi:10.2172/9818137Zuo T S,Cheng H,Chen Y B,Wang F W.Chinese Phys C,2016,40(7):76204.doi:10.1088/1674-1137/40/7/0762048Carpenter J M, Agamalian M.J Phys:Conference Series,2010,251:012056.doi:10.1088/1742-6596/251/1/0120569Han Z,Zuo T,Ma C,Cheng H.Instrum Sci Technol,2019,47:448-465.doi:10.1080/10739149.2019.159773310Zhang H,Cheng H,Yuan G,Han C C,Zhang L,Li T,Wang H,Liu Y T,Chen D.Nucl Instrum Meth A2014,735:490-495.doi:10.1016/j.nima.2013.09.06511Anderson K.Reactor & Spallation Neutron Sources.Oxford:Oxford School of Neutron Scattering,2013.55-7612Higgins J S,Benoît H C.Polymers and Neutron Scattering.Oxford:Clarendon Press,1994.86-9513Rehm C,Barker J,Bouwman W G,Pynn R.J Appl Crystallogr,2013,46(2):354-364.doi:10.1107/s002188981205002914Du R,Tian H L,Zuo T S,Tang M,Yan L,Zhang J R.Instrum Sci Technol,2017,45(5):541-557.doi:10.1080/10739149.2016.127822915Hammouda B.Probing Nanoscale Structures-The SANS Toolbox.Gaithersburg:National Institute of Standards and Technology Center for Neutron Research,2010.31-19116Kline S.J Appl Crystallogr,2006,39(6):895-900.doi:10.1107/s002188980603505917Butler P,Doucet M,Jackson A,King S.SasView for Small Angle Scattering Analysis (July 2020).2020-10-25.https://www.sasview.org/18Konarev P V,Svergun D I.IUCrJ,2018,5(Pt 4):402-409.doi:10.1107/s205225251800590019Petoukhov M V,Svergun D I.Acta Crystallogr D Biol Crystallogr,2015,71(Pt 5):1051-1058.doi:10.1107/s139900471500257620Volkov V,Svergun D.J Appl Crystallogr,2003,36:860-864.doi:10.1107/s002188980300026821Gereben O,Pusztai L,McGreevy R L.J Phys Condens Matter,2010,22(40):404216.doi:10.1088/0953-8984/22/40/40421622Li Z,Cheng H,Li J,Hao J,Zhang L,Hammouda B,Han C C.J Phys Chem B,2011,115(24):7887-7895.doi:10.1021/jp203777g23Hu W T,Yang H,He C,Hu H Q.Chinese J Polym Sci,2017,35(9):1156-1164.doi:10.1007/s10118-017-1969-724Cotton J P,Decker D,Benoit H,Farnoux B,Higgins J,Jannink G,Ober R,Picot C,des Cloizeaux J.Macromolecules,1974,7(6):863-872.doi:10.1021/ma60042a03325Goossen S,Bras A R,Pyckhout-Hintzen W,Wischnewski A,Richter D,Rubinstein M,Roovers J,Lutz P J,Jeong Y,Chang T,Vlassopoulos D.Macromolecules,2015,48(5):1598-1605.doi:10.1021/ma502518p26Hao J,Cheng H,Butler P,Zhang L,Han C C.J Chem Phys,2010,132(15):154902.doi:10.1063/1.338117727Hore M J A,Hammouda B,Li Y,Cheng H.Macromolecules,2013,46(19):7894-7901.doi:10.1021/ma401665h28Jia D,Muthukumar M,Cheng H,Han C C,Hammouda B.Macromolecules,2017,50(18):7291-7298.doi:10.1021/acs.macromol.7b0150229Cheng H,Wu C,Winnik M A.Macromolecules,2004,37(13):5127-5129.doi:10.1021/ma049620130Hammouda B,Jia D,Cheng H. OAJoST,2015,3:101152.doi:10.11131/2015/10115231Datta S,Kato Y,Higashiharaguchi S,Aratsu K,Isobe A,Saito T,Prabhu D D,Kitamoto Y,Hollamby M J,Smith A J,Dagleish R,Mahmoudi N,Pesce L,Perego C,Pavan G M,Yagai S.Nature,2020,583(7816):400-405.doi:10.1038/s41586-020-2445-z32Zhang H V,Polzer F,Haider M J,Tian Y,Villegas J A,Kiick K L,Pochan D J,Saven J G.Sci Adv,2016,2(9):e1600307.doi:10.1126/sciadv.160030733Wang Z,Faraone A,Yin P,Porcar L,Liu Y,Do C,Hong K,Chen W R.ACS Macro Lett,2019,8(11):1467-1473.doi:10.1021/acsmacrolett.9b0061734Sternhagen G L,Gupta S,Zhang Y,John V,Schneider G J,Zhang D.J Am Chem Soc,2018,140(11):4100-4109.doi:10.1021/jacs.8b0046135Zuo T,Ma C,Jiao G,Han Z,Xiao S,Liang H,Hong L,Bowron D,Soper A,Han C C,Cheng H.Macromolecules,2019,52(2):457-464.doi:10.1021/acs.macromol.8b0219636Balsara N P,Lin C,Hammouda B.Phys Rev Lett,1996,77(18):3847-3850.doi:10.1103/physrevlett.77.384737Liu D,Song L,Song H,Chen J,Tian Q,Chen L,Sun L,Lu A,Huang C,Sun G.Compos Sci Technol,2018,165:373-379.doi:10.1016/j.compscitech.2018.07.02438Liu D,Chen J,Song L,Lu A,Wang Y,Sun G.Polymer,2017,120:155-163.doi:10.1016/j.polymer.2017.05.06439Staropoli M,Raba A,Hövelmann C H,Krutyeva M,Allgaier J,Appavou M S,Keiderling U,Stadler F J,Pyckhout-Hintzen W,Wischnewski A,Richter D.Macromolecules,2016,49(15):5692-5703.doi:10.1021/acs.macromol.6b0097840Sadler D M,Keller A.Macromolecules,1977,10(5):1128-1140.doi:10.1021/ma60059a04541Kimata S,Sakurai T,Nozue Y,Kasahara T,Yamaguchi N,Karino T,Shibayama M,Kornfield J A.Science,2007,316(5827):1014.doi:10.1126/science.114013242Shibayama M,Li X,Sakai T.Colloid Polym Sci,2018,297:1-12.doi:10.1007/s00396-018-4423-743Gao J,Tang C,Elsawy M A,Smith A M,Miller A F,Saiani A.Biomacromolecules,2017,18(3):826-834.doi:10.1021/acs.biomac.6b0169344Srivastava S,Andreev M,Levi A E,Goldfeld D J,Mao J,Heller W T,Prabhu V M,de Pablo J J,Tirrell M V.Nat Commun,2017,8:14131.doi:10.1038/ncomms1413145Nishi K,Fujii K,Katsumoto Y,Sakai T,Shibayama M.Macromolecules,2014,47(10):3274-3281.doi:10.1021/ma500662j46Endo F,Kurokawa N,Tanimoto K,Iwase H,Maeda T,Hotta A.Soft Matter,2019,15(27):5521-5528.doi:10.1039/c9sm00582j47Yang R,He S,Hu Q,Sun M,Hu D,Yi J.Fuel,2017,197:91-99.doi:10.1016/j.fuel.2017.02.00548Sun M,Yu B,Hu Q,Zhang Y,Li B,Yang R,Melnichenko Y B,Cheng G.Int J Coal Geology,2017,171:61-68.doi:10.1016/j.coal.2016.12.00449Jafta C J,Petzold A,Risse S,Clemens D,Wallacher D,Goerigk G,Ballauff M.Carbon,2017,123:440-447.doi:10.1016/j.carbon.2017.07.04650Melgar D,Zhou Q,Chakraborty S,Porcar L,Weinstock I A,Ávalos J B,Wu B,Bo C,Yin P.J Phys Chem C,2020,124(18):10201-10208.doi:10.1021/acs.jpcc.0c0101951Bahadur J,Melnichenko Y B,He L,Contescu C I,Gallego N C,Carmichael J R.Carbon,2015,95:535-544.doi:10.1016/j.carbon.2015.08.01052Shi Ce(史册),Li Yunqi(李云琦).Acta Polymerica Sinica(高分子学报),2015, (8):871-883.doi:10.11777/j.issn1000-3304.2015.1504853Fitter J,Gutberlet T,Katsaras J.Neutron Scattering in Biology: Techniques and Applications.Berlin Heidelberg and New York:Springer,2006.doi:10.1007/3-540-29111-354Jacques D A,Trewhella J.Protein Sci,2010,19(4):642-657.doi:10.1002/pro.35155Koruza K,Lafumat B,ÁVégvári,Knecht W,Fisher S Z.Arch Biochem Biophys,2018,645:26-33.doi:10.1016/j.abb.2018.03.00856Petoukhov M V,Svergun D I.Curr Opin Struct Biol,2007,17(5):562-571.doi:10.1016/j.sbi.2007.06.00957Ma Chang-li(马长利),Cheng He(程贺),Zuo Taisen(左太森),Jiao Guisheng(焦贵省),Han Zehua(韩泽华),Qin Hong(秦虹).Chinese Journal of Chemical Physics(化学物理学报),2020,33(6s):727-732.doi:10.1063/1674-0068/cjcp200507758Jiao G,Zuo T,Ma C,Han Z,Zhang J,Chen Y,Zhao J,Cheng H,Han C C.Macromolecules,2020,53(13):5140-5146.doi:10.1021/acs.macromol.0c0078859Petoukhov M V,Svergun D I.Eur Biophys J,2006,35(7):567-576.doi:10.1007/s00249-006-0063-960Shrestha U R,Juneja P,Zhang Q,Gurumoorthy V,Borreguero J M,Urban V,Cheng X,Pingali S V,Smith J C,O’Neill H M,Petridis L.Proc Natl Acad Sci,2019,116(41):20446-20452.doi:10.1073/pnas.190725111661Han C C,Akcasu A Z.Scattering and Dynamics of Polymers: Seeking Order in Disordered Systems.Singapore:John Wiley & Sons (Asia) Pte Ltd,2011.1-98.doi:10.1002/978047082484962Zemb T,NeutronLindner P.X-rays and Light.Scattering Methods Applied to Soft Condensed Matter.Amsterdam:Elsevier,2002.1-552.doi:10.1107/s0021889803001808原文链接：http://www.gfzxb.org/thesisDetails#10.11777/j.issn1000-3304.2020.20242&lang=zhDOI：10.11777/j.issn1000-3304.2020.20242《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

p　　催化在化工、能源、环境、材料、生物、制药、分析等领域被广泛应用。催化研究涵盖的领域更是包括了能源催化、催化材料、催化机理、环境催化、工业催化、电化学催化、化学合成催化、光催化、单原子催化等领域。90%以上的化学化工工程都是催化反应过程，因此，催化剂的表征与评价研究与应用具有重大的意义。/pp　　基于此，仪器信息网(www.instrument.com.cn) 联合面向工业催化领域创新成果产业化的公共服务平台(2020年工信部批建)，将于2020年5月12日组织召开a href="https://www.instrument.com.cn/webinar/meetings/catalyst/" target="_self"首届“催化剂表征与评价”主题网络研讨会/a，邀请业内著名催化研究学者、检测分析专家以及业界企业代表，针对催化研究应用及检测分析的前沿热点和关键技术进行探讨，为催化领域的研发应用与检测分析搭建交流平台，促进催化领域科研人员间的互动交流，促进我国催化领域的研究发展。/pp　　strong会议日程（以报名页面为准）：/strong/pp style="text-align: center "img style="max-width: 100% max-height: 100% width: 600px height: 389px " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202004/uepic/2d2b81b9-37c4-4310-b824-24a0dde5bb40.jpg" title="会议日程.png" alt="会议日程.png" width="600" height="389" border="0" vspace="0"//pp　　strong报告嘉宾简介：/strong/pp style="text-align: center "img style="max-width: 100% max-height: 100% width: 200px height: 280px " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202004/uepic/f0ffda9a-a79b-46b2-b962-61852b503735.jpg" title="李瑛.jpg" alt="李瑛.jpg" width="200" height="280" border="0" vspace="0"//pp style="text-align: center "浙江工业大学工业催化研究所 李瑛/pp　　李瑛，浙江工业大学教授，主要研究方向：新型多孔碳材料及其复合材料的调控合成及催化应用 纳米金属催化剂的调控合成及工业应用。2005年获中国科学院大连化学物理研究所物理化学博士学位。师从国际催化委员会主席李灿院士。2005.08-2007.08荷兰 Eindhoven University of Technology做博士后及访问学者。合作导师：荷兰皇家科学院院士Prof. Rutgers Van Santen。2007.10-至今，浙江工业大学参加工作，目前担任浙江省石油协会理事，浙江省科协九届委员。中国化学工程学报(英文版)编委，近年来在国际知名期刊共发表SCI论文100余篇，已获得授权专利10余项，其中多项技术已经实现产业化推广。承担浙江工业大学研究生核心课程《现代催化剂表征技术》、《催化学科前沿讲座》、本科生《物理化学》上下册等教学。/pp style="text-align: center "img style="max-width:100% max-height:100% " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202004/uepic/8eb4aed1-d4cb-4371-87f4-5a95d4f8985f.jpg" title="陈婧琼.png" alt="陈婧琼.png"//pp style="text-align: center "安东帕(上海)商贸有限公司 陈婧琼/pp　　陈婧琼，安东帕(上海)商贸有限公司产品应用专家，毕业于天津科技大学。具有长达8年的粉体材料表征经验。/pp　　2012~2014从事甲醇制烯烃MTO催化剂的制备和表征，包括催化剂原料SAPO-34的合成，催化剂喷雾干燥制备、粒度测试、zeta电位测试，催化剂微反评价，酸性测试，比表面积和孔径分析等 2014~2015于兰州化学物理研究所羰基合成与氧化国家重点实验室从事光催化产氢研究，以共沉淀法制备了掺杂石墨烯的光催化剂，具有良好的产氢效应 2015至今，任职于安东帕，从事粉体表征产品气体吸附仪等的技术支持。每年于清华大学、复旦大学、石油大学、大连理工等高校进行气体吸附的技术交流和客户培训。/pp　　从业多年来，以丰富的职业经验和深入浅出、活泼的手法编写和翻译气体吸附相关行业技术文件50多篇，深受行业客户的好评。/pp style="text-align: center "img style="max-width: 100% max-height: 100% width: 300px height: 359px " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202004/uepic/b3624259-0e1f-46c8-96f6-617867a5f51a.jpg" title="刘伟.png" alt="刘伟.png" width="300" height="359" border="0" vspace="0"//pp style="text-align: center "　　中国科学院大连化学物理研究所 刘伟/pp　　刘伟，中国科学院大连化学物理研究所电子显微中心副研究员，环境透射电镜负责人，中科院青年创新促进会会员，大连市紧缺技术人才，2013年度北京航空航天大学优秀博士论文。2003.07~2012.06 北京航空航天大学应用物理学士，凝聚态物理博士 2012.06~2013.10，四川大学物理系 讲师 2013.11~2017.03，电子科技大学物理系副教授 2011.07~12、2015.08~2016.08，美国密西根大学电子显微分析中心访问学者。/pp　　迄今，研制了国内首套专用于环境透射电镜的mbar级负压定量混气自动控制系统 研制“透射电镜可控气氛转移样品台” 解决敏感材料向电镜转移中的氧化相变问题 基于深度学习技术和数字滤波图像识别，实现单原子催化剂的原子精度识别与万级样本空间的分散度统计 /pp　　先后主持国家自然科学基金(1项)、近3年围绕催化剂显微结构分析与支撑发表Nature Catalysis(1篇)，JACS 2篇、Nano Lett. 2篇、Nature Commn. 2篇、Adv. Mater. 1篇、Adv. Sci. 1篇、Chem. Mater.1篇、ACS Catal. 1篇、Appl. Catal. B 1篇。/pp style="text-align: center "img style="max-width:100% max-height:100% " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202004/uepic/c2152725-0f04-4b8e-ad99-d0c80dbd4ec5.jpg" title="彭路明.jpg" alt="彭路明.jpg"//pp style="text-align: center "　　南京大学 彭路明/pp　　彭路明，博士，教授，博士生导师。1997-2001，南京大学化学化工学院化学系，学士(2001) 2001-2006，美国纽约州立大学石溪分校化学系，博士(2006) 2006-2008，美国斯坦福大学地质和环境科学系，博士后；2008- 至今，南京大学化学化工学院，副教授(2008-2013)，研究员(2013-2017)，教授(2017-至今)。/pp　　在Nature Materials，Science Advances，Nature Communications，Journal of the American Chemical Society等杂志发表学术论文100多篇。入选2010年度新世纪优秀人才支持计划。2012年获得国家自然科学基金委优秀青年科学基金项目资助，同年获中国化学会催化专业委员会中国催化新秀奖。2016年起任中国物理学会波谱专业委员会委员和《波谱学杂志》编委，同年获英国皇家学会牛顿高级学者项目资助(Newton Advanced Fellowship)。/pp style="text-align: center "img style="max-width: 100% max-height: 100% width: 200px height: 300px " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202004/uepic/c9d9165c-5824-45a4-84f4-ef47d8320e90.jpg" title="杨贵东.jpg" alt="杨贵东.jpg" width="200" height="300" border="0" vspace="0"//pp style="text-align: center "西安交通大学 杨贵东/pp style="text-align: left "　　杨贵东，西安交通大学化工学院教授，博士生导师。主要从事光催化反应过程强化及吸附新材料开发的研究工作。在Angewandte Chemie International Edition、ACS Catalysis、Applied Catalysis B: Environmental、Nano Energy等高质量学术期刊发表论文52篇，其中IF 10的论文17篇，累计被 SCI引用3000余次，个人 H 因子27。开发了一系列具有高介孔含量、强疏水、高机械强度的三维分级通孔碳质吸附材料，实现了其工业化生产与应用。入选了教育部“青年长江学者”、“王宽诚青年学者”、“陕西省青年科技新星”，兼任中国化工学会化工过程强化专业委员会青年委员会委员和中国石油和化学工业联合会工业催化联盟青年工作委员会委员等学术职务。担任国际期刊《Frontiers in Environmental Chemistry》副主编、《Chinese Journal of Catalysis》客座编辑、《Chinese Chemical Letter》青年编委和《工业催化》期刊编委。/pp style="text-align: center "img style="max-width: 100% max-height: 100% width: 200px height: 293px " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202004/uepic/330e9a1d-1016-4fa5-af51-cd6ed2420c2b.jpg" title="刘家旭.jpg" alt="刘家旭.jpg" width="200" height="293" border="0" vspace="0"//pp style="text-align: center "大连理工大学 刘家旭/pp　　刘家旭，大连理工大学副教授，主要从事分子筛催化在能源、环境及精细化学品清洁制备等领域的应用基础研究和原位分子光谱表征技术开发。作为项目负责人主持国家自然科学基金、中国石油科技创新基金和大连市高层次人才创新创业计划等12项科研项目。研制出具有自主知识产权的双光束原位红外光谱技术，并将其成功应用于多相催化反应的原位表征，已在Catalysis Science & Technology, Chemical Engineering Journal, ACS Applied Materials & Interfaces等期刊发表30余篇学术论文，申请10余项国内专利，1项国际专利。作为项目负责人开发的精细化学品清洁制备催化剂，低碳烃芳构化催化剂已实现工业应用。/pp　　strong参与方式：/strong/pp　　免费报名链接:a href="https://www.instrument.com.cn/webinar/meetings/catalyst/" target="_self" /a/ppa href="https://www.instrument.com.cn/webinar/meetings/catalyst/" target="_self"　　https://www.instrument.com.cn/webinar/meetings/catalyst//a/pp　　或扫描下方二维码报名:/pp style="text-align: center "a href="https://www.instrument.com.cn/webinar/meetings/catalyst/" target="_self"img style="max-width:100% max-height:100% " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202004/uepic/7f447697-bd90-47df-8213-b3370e6155a6.jpg" title="报名二维码.png" alt="报名二维码.png"//a/pp　　扫下方二维码进入催化剂表征与评价交流群：/pp style="text-align: center "img style="max-width:100% max-height:100% " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202004/uepic/810a8756-4206-4f04-a26c-8134245d0576.jpg" title="催化剂表征与评价交流群.jpg" alt="催化剂表征与评价交流群.jpg"//p

让我们从传统技术开始，您可能熟悉这些技术，流变仪和DMA，广泛用于机械测试。我们都同意它们都是伟大的技术，但它们在软物质材料方面存在一些主要限制： 1.软组织或易碎样品可能在测试后被破坏，甚至无法测试； 2.保持样品无菌是很困难的； 3.需要高水平的专业知识来运作，对操作人员有依赖性； 4.难以获得一致和可重复的数据； 5.无法测量凝血材料对血液的影响、无法测量形状各异的器官、3D打印支架的粘弹性等等。EB粘弹性分析技术就为突破传统技术的局限而设计的，主机小巧紧凑，可以放入洁净台或者培养箱中，通过无线连结的平板控制和采集数据，采用可拆卸的样品架和独特的专利技术，允许样品存储重复长期测量，更加智能的软件分析系统，结合AI的智能分析，使得测量模式从基于数据的实验科学转变为数据驱动的预测科学。 2022年12月28日将由2位嘉宾为我们带来相关应用介绍、技术分享，难点答疑！会议日程（点此报名，免费参会） 时间报告题目嘉宾报告摘要10:00水凝胶材料的合成及其流变行为表征经鑫(湖南工业大学 教授)水凝胶是一类大量含水的三维网络结构的聚合物材料，在药物释放、生物医用、组织工程等领域应用广阔。采用流变学手段表征了水凝胶材料的凝胶化过程及其流变行为，利用流变学手段探索了水凝胶的线性粘弹性等剪切特性，建立了凝胶流变特性与其微观结构及宏观力学性能之间的关系，探究了其在组织工程领域及柔性传感领域的应用。10:40水凝胶和软物质粘弹性的测量新技术刘兵 昇科仪器(上海)有限公司 经理EB粘弹性分析仪是一种新型的粘弹性分析技术，解决了传统流变和DMA在测量软物质生物材料方面面临的挑战，在水凝胶、组织工程、类器官、3D打印、凝血材料和高吸水材料领域已发展出非常成熟的应用，通过全球领先研究机构、大学和公司等的严格测试、批准和采用！ 【点击下方图片，免费报名参会】

今日看点mRNA疫苗在新冠疫情中得到了广泛关注，Moderna及Pfizer/BioNTech的mRNA疫苗获得FDA的紧急使用授权，掀起新一轮的mRNA疫苗研发热潮。与依靠抗原或减毒病毒刺激免疫系统产生免疫反应的传统疫苗不同，mRNA疫苗本身并不含有抗原，而是以编码抗原的mRNA为主要成分。这些编码抗原的mRNA能在细胞内被翻译为抗原蛋白，从而引发免疫反应。相比传统疫苗，mRNA疫苗成本低、研发灵活性高、生产效率高，且具有相对较高的安全性，应用前景广阔[1]。对于此类新型疫苗，需严格的质量控制以确保产品的安全性尤为重要。其质量属性包括稳定性、完整性、纯度和同质性等。如图1所示，从mRNA构造、体外翻译及转染，到体内免疫，色谱、质谱、qPCR、电泳等多种表征手段被用于质量评估[2]。其中高分辨质谱技术对于mRNA的深入表征（加帽效率、修饰、测序等）、杂质分析（siRNA、DNA、宿主残留蛋白）有着重要应用。图1：mRNA疫苗的质量控制和基于细胞的功能评估的工具（点击查看大图）01mRNA的加帽反应效率评估mRNA前体的加工包括了在其5' 端加上7-甲基鸟苷（m7G），称之为“帽”。这种加帽步骤可增加mRNA稳定性，使其避免被核糖核酸酶降解。加帽步骤会产生多种结构（如图2a），最常见的被称为“Cap0结构”（只含m7G），即鸟嘌呤环上的N-7位置甲基化；而如果下游邻位核苷酸上的核糖也被甲基化，则为“Cap1”，再下游的则为Cap2”（甲基化均发生在核糖的2' 羟基上）。在脱磷酸的过程中，也会产生单磷酸、双磷酸、三磷酸等多种相关杂质。图2a.加帽反应（点击查看大图）Oribitrap高分辨质谱由于其高分辨率、高灵敏度及高质量精度可以准确地对mRNA加帽效率进行评估。全长的mRNA直接通过LC-MS分析往往由于分子量太大而无法得到精确表征，通常会使用RNAse酶切结合磁珠分离的方法获得5’端的加帽短链，如图2b所示[3]。图2b.mRNA分离纯化步骤（点击查看大图）RNAseH酶切及磁珠纯化分离后，所得的5’端mRNA酶解片段经过Orbitrap高分辨质谱分析，结果检测到未加帽组分、加帽1组分及少量在第二个A酶切位点得到的加帽1组分，包括单磷酸、二磷酸及三磷酸修饰杂质，且得到同位素基线分离的高质量谱图（如图3a、3b所示）。图3a.5’端mRNA 酶解片段TIC及质谱图（点击查看大图）图3b.5’端mRNA 酶解片段理论及实测质量（点击查看大图）通过加入内标未加帽三磷酸mRNA，确认了质谱定量方法的可行性及准确性。对各加帽组分及未加帽组分形态进行质谱峰面积定量，从而得到5’加帽比例（图3c）。图3c.质谱非标定量法计算mRNA加帽比例（点击查看大图）MRM方法用于mRNA加帽定量分析质谱MRM方法可用于组织及细胞培养基中的mRNA加帽修饰检测，具有高通量及高灵敏等优势。组织或细胞培养基中的mRNA经过nucleaseP1酶解及磁珠纯化，可得到加帽二核苷酸,(m7)GpppN(m)[4]。对11个帽二核苷酸修饰变异体建立MRM方法（图4a），可实现每种变异体的色谱分离及质谱定量（图4b）。图4a.MRM质谱方法参数（点击查看大图）图4b.11个帽二核苷酸修饰变异体的提取离子流图（点击查看大图）其中，对于m7GpppG及GpppGm形式的同分异构体，在液相及一级质谱上均无法分辨，而m7GpppG的特征子离子m/z635.9可将其区别于GpppGm，从而建立MRM方法定量分析，且方法灵敏度高（图5）。图5：(a)连续稀释的合成帽二核苷酸的峰面积测量；(b)连续稀释的合成帽二核苷酸GpppA的峰面积；(c) m7GpppG和GpppGm子离子信息；(d)连续稀释的合成帽二核苷酸m7GpppG的峰面积；(e)补偿m7GpppG和GpppGm的共享离子.（点击查看大图）该方法可快速准确定量细胞中存在的mRNA帽结构，评估不同的加帽结构形态在不同组织或细胞中的含量变化（图6）。Orbitrap的定量能力可与三重四极杆相媲美，其PRM定量灵敏度高、准确性好，也可用于mRNA帽结构的定量分析中。图6：从小鼠肝脏、活化的CD8T细胞、心脏和大脑分离的mRNA帽二核苷酸的丰度（点击查看大图）02mRNA末端多聚腺苷酸Poly A 尾检测真核mRNA通常在其3' 末端带有一段多聚腺苷酸尾（PolyA tail），根据种类的不同，其长度可能在20到200多个碱基之间变化。PolyA tai会被多聚腺苷酸结合蛋白（poly(A)+ tail-binding protein,PABP）辨识并保护住，因此在mRNA的翻译和稳定性中也起着重要的调节作用。通常是在体外转录过程中直接从编码DNA模板或通过使用polyA聚合酶将最jia长度的polyA添加到mRNA中。PolyA的提纯方法类似5’加帽核酸片段，具体步骤可参考文献[5]。纯化后的polyA通常是含有不同长度腺苷酸的混合物，随着碱基个数的增加，HPLC液相方法的分辨率很难将不同长度的polyA完全分开，而Orbitrap高分辨质谱可以准确对其长度分布进行表征和相对定量。图7a.不同碱基长度的PolyA色谱图(b)理论100-merPloy A质谱解卷积结果（点击查看大图）如图7a所示，当PolyA碱基个数在27时，液相色谱能将相差单个腺苷的polyA分开，随着碱基个数的增加，液相色谱很难实现相差单个腺苷的分辨。图7b显示理论100个碱基polyA的质谱表征结果，可准确得到每个不同长度polyA的质量数，其分布约为97-110个碱基，图中的每个质谱峰相差329Da，代表单个腺苷的差值，通过峰强度的信息，可对polyA长度分布进行相对定量。图8.85-mer RNA质谱图（点击查看大图）对于碱基长度小于100的RNA（图8），Orbitrap高分辨质谱可实现同位素峰的基线分离，得到精确单同位素分子量信息（masserror3ppm）。作者将经过前处理纯化后的PolyA（理论117-mer）进行质谱分析，得到不同长度的PloyA与质谱强度的关系图，其碱基长度分布在109-122之间，与Sanger测序结果一致（图9）。图9：(a)质谱强度与PolyA长度的关系图（理论117-mer的PolyA）(b)用于合成mRNA的质粒模板的Sanger测序结果（点击查看大图）从临床的角度来看，评估体外转录mRNA中polyA尾的异质性很重要，而高分辨质谱可以作为一种高效的表征手段用于工艺研发和质量评估中。03RNA Mapping相比二代测序，高分辨质谱作为互补表征技术，能够快速准确地分析RNA序列，同时对于翻译后修饰的种类、位点及含量进行深入表征。此外，也能对RNA代谢产物进行定性及定量分析。更多细节可直接点击以下标题查看相关文章:合成类寡核苷酸的杂质、降解产物的鉴定和相对定量质谱方法优化/寡核苷酸药物序列、修饰和异构体的鉴定对于长链RNA（100mer），如dsRNA，可以先用特定酶将RNA酶解成更小的片段，再通过类似肽图分析的方式对碎片进行归属组合，确证序列覆盖度。如图10所示，dsRNA经过RNaseA/T1酶解，色谱分离后通过orbitrap高分辨质谱检测，得到RNA片段的精确一级分子量及丰富的二级碎片离子信息，从而获得全序列分析结果，正反义链序列覆盖度分别为82%及77%[6]。图10a.ds RNA酶解片段液相色谱图（点击查看大图）图10b.ds RNA正义链及反义链序列覆盖图（点击查看大图）基于Orbitrap高分辨质谱的HCD碎裂方式能够获得RNA丰富的碎片离子，有效提高鉴定序列覆盖度，结合Thermo BioPharma Finder 4.0软件能够批量自动化的对碎片进行归属。在刚发布的BioPharma Finder 4.1版本中，加入了RNA Mapping功能，在方法编辑中可选择多种常见的RNAse酶，对于几十万分子量的长链RNA或DNA，可进行自动化全序列表征（图11）。图11：BioPharma Finder 4.1软件RNA Mapping功能（点击查看大图）本文小结mRNA作为一种新型疫苗平台具有广阔的前景，对其质量控制的法规要求也会愈加严格。Orbitrap高分辨质谱的高分辨、高灵敏度及高质量二级谱图等优异性能，能够更高效及深入地分析mRNA结构、修饰变异体及相关杂质，可用于mRNA疫苗的工艺优化及质量评估，提高其安全性及有效性。参考文献[1]Norbert, P. et al. Defining the carrierproteome limit for single-cell proteomics. Nat Rev Drug Discov17(4), 261-279(2018)[2]Cristina, B. et al. Establishing PreferredProduct Characterization for the Evaluationof RNA Vaccine Antigens. Vaccines 7, 131 (2019)[3]Beverly M. et al. Label-free analysis of mRNA cappingefficiency using RNase H probes and LC-MS.Anal Chem 91, 13119-13127 (2019)Anal Bioanal Chem408(18), 5021-30(2016)[4]Galloway A. et al. CAP-MAP: capanalysis protocol with minimal analyteprocessing, a rapid and sensitive approachto analysing mRNA cap structures.Open Biol 10, 190306 (2020)[5]Beverly M. et al. Poly A tail lengthanalysis of in vitro transcribed mRNA by LC-MS. Anal BioanalChem (2018)[6] Alison O. et al. Purification and characterisation of dsRNA using ion pair reversephase chromatography and mass spectrometry. J.ChromA 12, 062 (2016)如需合作转载本文，请文末留言

仪器信息网讯 2014年10月20日，材料基因组计划&mdash 高通量表征报告会在北京国际会议中心举行。与会的数位科学家介绍了材料基因组计划，以及散裂中子源和同步辐射光源等大科学装置在材料高通量表征中的应用及其在我国的建设情况。会议现场北京科技大学刘国权教授　　材料基因组计划(又名Materials Genome Initiative)，简称MGI，最早在2011年由美国政府提出。北京科技大学刘国权教授介绍说：&ldquo 今年5月，王崇愚院士、南策文院士等数十名专家组成的咨询专家组撰写了《材料基因组计划与高端制造业先进材料咨询建议报告》。另外，中国工程院撰写了《材料科学系统工程发展战略研究》，堪称中国版的材料基因组计划咨询报告。&rdquo 中国科学院高能物理研究所董宇辉研究员　　中国科学院高能物理研究所董宇辉研究员介绍说：&ldquo 以往材料的研发，由于缺乏足够的参考数据，更多的是采用&ldquo 试错法&rdquo 。不断的试验各种化学配比、各种制备条件，检验制备的材料性能如何，然后考察这些材料在服役过程中的性能。之所以采取这种方式来探索新型材料，主要是因为我们对上述决定材料性能的环节了解的太少，而且没有系统的认识，只好根据经验来摸索，凭借努力和运气来发现合适的新材料，这无疑得花费很高的时间和成本。&rdquo 　　材料基因组的核心目标是将新材料的研发周期缩短，降低成本，因此需要高通量计算、高通量合成与快速表征以及数据信息库三部分之间的有效结合，其中高通量表征在材料基因组计划的重要部分。同步辐射光源和中子源由于其自身的特点和优势，无疑在材料的高通量表征中发挥举足轻重的作用。中国科学技术大学国家同步辐射实验室副主任高琛教授　　中国科学技术大学国家同步辐射实验室副主任高琛教授介绍说：&ldquo 同步辐射光源具有高亮度，特别是高亮度的X射线能够给出精确的原子结构信息 同步辐射具有从红外到硬X射线的宽能谱，使得探测原子、电子、声子多种结构都有可能 同步辐射具有很好的准直性，可以获得纳米、微米、毫米各种尺寸的光斑，因而使得探测埃-纳米-微米，直到毫米级的多尺度成为可能。同步辐射光源的这些特点能为实现材料样品的高通量快速检测提供了条件。&rdquo 　　据介绍，目前，我国在北京、上海和合肥等地建有同步辐射光源装置。其中上海同步辐射光源装置首批7条光束线站已经对用户开放，其中6条线站可用于材料研究和表征。在未来线站工程规划中，微束白光劳厄衍射等光束线将能够进一步提升高通量材料芯片的表征能力。中科院能量转换材料重点实验室主任陆亚林教授　　中科院能量转换材料重点实验室主任陆亚林教授介绍了合肥同步辐射光源装置的建设情况。他说：&ldquo 合肥的同步辐射光源装置始建于1984年，总投资6400万，建有5条光束线和实验站 1998-2004年，投资11800万，用于提高光源亮度和运行可靠性，并增建8条光束线和8个实验站 2012-2014年，再次投资18900万，增加安装波荡器的直线节，降低束流发射度，大幅度提高亮度，新建3台波荡器和10个光束线前端。&rdquo 　　此外，董宇辉介绍说，中科院还将计划在北京周边建设高能同步辐射光源，材料科学研究是该光源的首要目标之一，特别是高通量、原位实时的实验技术，将为材料基因组的高通量、多尺度分析提供重要技术支撑。中国科学院物理研究所CSNS靶站谱仪工程中心王芳卫研究员　　中子不带电，穿透性强，有磁矩。因此，中子散射具有许多独一无二的特点，成为探测研究材料的微观结构与动力学的强有力工具之一，与同步辐射互为补充。中国科学院物理研究所CSNS靶站谱仪工程中心王芳卫研究员介绍说：&ldquo 散裂中子源是中子散射研究和应用的主要平台，具有脉冲中子通量高，中子波段宽，及脉冲时间结构。这些特点为高通量、高分辨率、复合体系的微观结构和动态测量(特别是在固态量子材料、生物软物质材料和工程结构材料等领域)带来新的契机。&rdquo 　　王芳卫介绍说，我国于2011年10月在广东省东莞市开始建设散裂中子源。中国散裂中子源(CSNS，China Spallation Neutron Source)是发展中国家拥有的第一台散裂中子源，目前关键设备设计均已完成，预计2018年3月完成实验验收并对用户开放。　　CSNS一期设计的束流功率为100kW，脉冲中子通量将大于2*105/(cm2/s)，进入世界四大散裂中子源行列，将来升级到500kW后中子通量将提高到~1016/(cm2/s)。　　CSNS设计拥有3个中子慢化器，能产生4种不同脉冲特性的中子束流，提供20条束道用于中子散射研究。不过由于项目建设经费的限制，一期工程仅建有3台谱仪，严重制约CSNS的应用范围。CSNS科技委员会和461次香山会议的专家都呼吁加紧规划和申请剩余束道的谱仪建设。因此特申请在国家&ldquo 十三五&rdquo 计划期间，增资建设其余17台特色中子散射谱仪，使CSNS高效、全面地服务于我国科学技术前沿研究。

仪器信息网讯 2023年7月8日，中国材料大会2022-2023在深圳国际会展中心开幕。本届中国材料大会系首次在深圳举办，大会聚焦前沿新材料科学与技术，设置77个关键战略材料及相关领域分会场，三天会期预计超1.9万名全国新材料行业产学研企代表将齐聚鹏城，出席大会。作为分会场之一，材料界面/表面分析与表征分会于7月8日下午开启两天半的专家报告日程。中国材料大会2022-2023开幕式暨大会报现场材料界面/表面分析与表征分会由香港城市大学陈福荣教授、太原理工大学许并社教授、北京工业大学/南方科技大学韩晓东教授、中科院金属研究所马秀良研究员、北京工业大学隋曼龄教授、太原理工大学郭俊杰教授等担任分会主席。分会采用主题报告、邀请报告、口头报告、快闪报告等形式，围绕材料界面/表面先进表征方法、功能材料调控与表征、结构材料界面/相变/位错与变形、纳米催化材料、半导体材料、能源电池材料、铁电功能材料等七大主题专场邀请60余位业界专家进行了逐一分享。以下是“材料界面/表面先进表征方法”主题专场报告花絮与摘要简介，以飨读者。“材料界面/表面先进表征方法”主题专场现场报告人：香港城市大学 陈福荣报告题目：脉冲电子显微镜对螺旋材料三维原子动态的研究 像差校正电子光学和数据采集方案的进步使TEM能够提供亚埃分辨率和单原子灵敏度的图像。然而， 辐射损伤、静态成像和二维几何投影三个瓶颈仍然挑战者原子级软材料的TEM成像。对于辐射损伤，电子束不仅可以在原子水平上改变形状和表面结构，而且还可以在纳米尺度的 化学反应中诱发辐射分解伪影。陈福荣在报告中分享了如何由脉冲电子控制低剂量到量子电子显微镜的零作用。并介绍了脉冲电子光源提供可控制的低剂量电子光源, 在高时间分辨率下探测3D原子分辨率动力学 方面的研究进展。报告人：南方科技大学 林君浩报告题目：新型二维材料的原子尺度精细缺陷表征与物性关联研究二维材料是目前研究的热点。由于层间耦合效应和量子效应的减弱，大量新奇的物理现象在二维材料中被发现。其中，二维材料中的缺陷对其性能有直接的影响。理解缺陷的原子结构和动态其演变过程对二维材料功能器件的改进与性能提供具有重要意义。然而，只有少数几种二维材料在单层极限下在大气环境中是稳定，大部分新型二维材料，如铁电性，铁磁性或超导的单层材料在大气环境下会迅速劣化，无法表征其缺陷的精细结构。林君浩分享了定量衬度分析技术在二维材料缺陷表征中的应用，以及其课题组在克服二维材料水氧敏感性的一些尝试。报告人：北京大学 赵晓续报告题目：旋转低维材料的原子结构解析与皮米尺度应力场分析理论预测旋转二维材料的超导机制及其他物理学特性与层间电子强关联效应息息相关，然而迄今为止旋转二维材料的摩尔原子结构及其应力场至今未被实验在原子尺度精确测量。鉴于此，赵晓续团队利用低压球差扫描透射电子显微镜对一系列旋转二维材料的原子摩尔结构及其应力场做了深入研究和分析，通过大量实验对比和验证，系统解析出了由于层间滑移所产生的五种不同相。相关工作第一次系统分析了旋转二维材料的精细结构及应力场，对进一步探索和挖 掘旋转材料体系奇异物性有着重要指导意义。 报告人：香港理工大学 朱叶报告题目：Resolving exotic superstructure ordering in emerging materials using advanced STEM新型功能材料的特点通常是在传统晶胞之外呈现有序性。这种复杂的排序，即使是集体发生的，通常也会遭受纳米级的波动，破坏传统的基于衍射的结构分析所需的长期周期性，对精确的结构确定提出了巨大的挑战。另一方面，成熟的像差校正TEM/STEM提供了一种替代的实空间方法，通过直接成像原子结构以皮米级精度来探测局部复杂有序。报告中，朱叶通过系列案例展示了先进的STEM在解决钙钛矿氧化物和二维材料中复杂的原子有序方面的能力。STEM中的iDPC技术帮助课题组能够解开复杂钙钛矿中与调制八面体倾斜相关的奇异极性结构。工作中的表征策略和能力为在原子尺度上探索新兴功能材料的结构-性能相互作用提供了有力的工具。报告人：中国科学院物理研究所 王立芬报告题目：晶体合成的原位电镜研究发展原位表征手段对决定晶核形成的初期进行高分辨探测表征是研究材料形核结晶微观动力学的关键。王立芬在报告中，分享了利用原位透射电子显微学方法，通过设计原位电镜液态池，实时观察了氯化钠这一经典成核结晶理论模型在石墨烯囊泡中的原子级分辨动力学结晶行为，实验发现了有别于传统认知的氯化钠以新型六角结构为暂稳相的非经典成核结晶路径，该原位实验数据为异相成核结晶理论的发展提供了新思路，也为通过衬底调控寻找新结构相提供了新的启发。通过发展原位冷冻电镜技术，研究了水在不同衬底表面的异质结晶过程，发现了单晶纯相的立方冰相较于六角冰的形核生长，展示水的气象异质形核的动力学特性。通过观察到的一系列新现象、新材料和新机制，展示了原位透射电子显微学技术在材料合成研究中的重要应用，因而为材料物理化学领域的研究和发展提供新的实验技术支持和储备。 报告人：北京工业大学材料与制造学部 隋曼龄报告题目：锂/钠离子电池层状正极材料的构效关系和抑制衰退策略 层状结构的碱金属过渡金属氧化物是多种二次电池中重要的一族正极材料体系，具有相近的晶体结构，且普遍具有能量密度高和可开发潜力大的优点，其在锂离子电池中已有广泛的应用，在钠离子电池等新兴储能领域也占据了重要地位。开发层状正极材料需要深入理解材料的构效关系和演变规律，以实现更精准的材料调控和性能优化。从原子角度去解析材料的性能结构关系、演变规律以及表界面物理化学过程，是透射电子显微学的突出优势，并且随着成像技术的发展以及越来越多的新原位表征技术的开发应用，已经实现了对电池材料进行高时空分辨的原子动态表征。隋曼龄报告中，研究内容以电子显微学的表征技术为特色，以锂 /钠离子电池材料层状正极材料为研究对象，揭示正极材料在循环过程中发生的体相衰退机制和表界面演变机理，并在此基础上提出抑制正极材料循环性能衰退的应对策略，展示先进电子显微学技术在电池材料的 基础科学研究和应用开发中可以发挥的重要作用。 报告人：浙江大学 王勇报告题目：环境电子显微学助力催化活性位点的原位设计多相催化剂被广泛用于能源、环境、化工等重要的工业领域。在实际应用中，催化剂上起到关键作用的通常是催化剂表/界面上的小部分位点，即催化剂的活性位点。自从上世纪20年代Hugh Taylor提出"活 性位点"的概念以来，在原子水平确定催化剂活性位点以及理解发生在活性位点上的分子反应机制已成为催化研究的重中之重；研究人员尝试用不同的方法来获取与表界面活性位点有关的各种信息，以实现从原 子水平上对催化剂进行合理设计。然而到目前为止，由于缺乏真实反应环境下活性位点原子尺度的直接信 息以及对其原子水平调控有效的手段，对表界面活性位点的原子水平原位设计仍然具有很大挑战。王勇报告介绍了其课题组利用环境透射电子显微学对催化剂表界面活性位点原位设计的初步探索进展。报告人：吉林大学 张伟报告题目：基于优化Fe-N交互作用的超稳定储能的探索 具有高安全性、低成本和环境友好性的水系电池是先进储能技术未来发展方向之一。然而，在电极材料中进行可逆嵌入/脱出，引发较大的体积膨胀仍然是一个严峻的挑战。六氰化铁（FeHCF）具 有制备简单，成本低，环境友好等特点，是水系电池中常用的正极材料之一。对于传统金属离子，嵌入晶格时引Fe离子价态降低，金属离子向Fe离子方向移动，两者相互排斥，引发晶体内氰键进一步弯曲， 长期循环中造成晶格坍塌。有别于传统的形貌和结构的控制，受工业合成氨和金属铁渗氮中前期Fe-N弱 相互作用的启发，基于电荷载体（NH4+）和电极材料间的相互作用。张伟报告中研究设计了一种与电荷载体相反作用力的Fe-N弱的交互作用，有效解决了体积膨胀问题。报告人：香港城市大学 薛又峻报告题目：高时空分辨零作用电子显微镜设计透射电镜能够以亚埃级的空间分辨率提供单原子灵敏度的图像，原子级的观测需要强烈的电子照射，这通常会造成材料的纳米结构产生改变，辐射损伤仍然是最重要的瓶颈问题。目前主要的手段是利用冷冻电镜在低温环境下降低电子辐射损伤，但样品在急速冷冻的过程中可能会发生形貌结构的改变，冷冻后无法观察到反应过程的动态信息。制造可实现探测电子和材料间无作用量测的量子电子显微镜，可以用来克服辐射损伤的瓶颈问题。薛又峻报告表示，香港城市大学深圳福田研究院在深圳市福田区的支持下，已开发了具有脉冲电子光源的紧凑型电子显微镜的关键零部件。团队在这个基础上，设计了搭配脉冲电子光源使用的量子谐振器，作为达成量子电子显微镜的关键部件。也设计了基于多极子场的电子谐振腔、配合量子谐振腔的其他关键部件等。基于脉冲电子光源的量子电子显微镜设计开发，可望解决辐射损伤的关键问题，成为纳米尺度下 研究软物质材料的新一代利器。 报告人：南京航空航天大学分析测试中心 王毅报告题目：基于直接电子探测成像的4D-STEM在功能材料的应用传统的扫描透射（STEM）成像，采用环形探头在每一个扫描点，记录一个单一数值/信号强度，构成 2维的强度信号。直接电子探测相机的高帧率使得在每一个扫描点，完整记录电子束斑穿透样品后的衍射 花样（CBED）成为可能，由此构成四维数据 (2维实空间和2维倒易空间)，被称为4D-STEM (亦被称为扫描电子衍射成像)。通过四维数据的后期处理，不仅可以实现任意常规STEM图像的重构，比如明场像，环形明场像，环形暗场像等，不再受限于一次试验中可使用的STEM探头和相对收集角度的限制；而且也可以提取更多材料的信息，比如材料的结构、晶体的取向、应力、电场或磁场分布等， 而随着4D-STEM而产生的电子叠层衍射成像技术已被证明可进一步提高电镜的分辩率，能更有效利用电子束剂量，在对电子束敏感材料有着广大的应用空间。王毅在报告中以几种典型的功能材料为例，介绍了基于直接电子探测成像的4D-STEM和电子能量损失谱在实现原子分辨像和原子分辨元素分布研究方面的进展。 报告人：南方科技大学 王戊报告题目：DPC-STEM成像技术研究轻元素原子占位和电荷分布 新兴成像技术的发展和应用促进着材料微观结构的表征和解析，差分相位衬度-扫描透射电子显微成像技术（DPC-STEM）不仅能实现轻重原子同时成像，也能获取材料的电场和电荷分布信息。王戊分享了使用DPC-STEM成像技术，在低电子束剂量下，研究有机半导体氮化碳材料的轻元素原子占位。实现三嗪基氮化碳晶体的原子结构清晰成像，揭示三嗪基氮化碳晶体的蜂窝状结构、三嗪环的六元特征及插层Cl离子的位置所在，并发现框架腔内的三种Li/H构 型。进一步通过实验和模拟DPC-STEM图像相互印证，明确氮化碳材料中轻元素Li和H原子的占位。基于DPC-STEM的分段探头，计算由样品势场引起的电子束偏移，获得材料的本征电场和电荷信息。 基于DPC-STEM技术获得的原子尺度电场和电荷分布信息，进一步揭示原子之间电场的解耦效应，以及电子的转移和重新分布。报告人：上海微纳国际贸易有限公司 赵颉报告题目：Dectris混合像素直接电子探测器及其在4D-STEM中的应用由于提供了从样品中获取信息的新方式，4D-STEM技术在电子显微镜表征方法中越来越受到重视。在混合像素直接电子探测技术不断发展的情况下，混合像素直接电子探测器能够实现与传统STEM成像类似的采集速率进行4D-STEM数据采集，特别是能够事现驻留时间小于10µs。除了在给定的实验时间内扩展4D-STEM表征视场和数据收集，使用混合像素直接电子探测器可以更全面地记录相同电子剂量下的散射花样信息。赵颉介绍了Dectris混合像素直接电子探测器技术的最新发展，该技术现在允许4D-STEM实验，其设置与传统STEM成像类似，同时单像素采集时间低于10µs。同时介绍了虚拟STEM探测器成像和晶体相取向面分布分析的应用实例。

又到周五啦！四小名助如约而至，给大家带来色谱耗材相关的实用技术小贴士。内容涉及色谱柱及前处理产品选择、使用、维护保养等内容。实用干货，不容错过！FAST mRNA快速核酸药物表征核酸药物不但将药物治疗拓展到了蛋白质之前的基因层面，mRNA 疫苗体液免疫与T 细胞免疫的双重免疫机制，提高了免疫活性。同时放大制备更容易。这些优势使得核酸药物成为继小分子药物，蛋白药物，抗体药物后的新一代创新药物。2018 年后Patisiran 药物的递送技术解决了小核酸药物面临的给药效果差，脱靶造成副作用的难题，更是迎来了核酸药物研发的新高潮。新guan疫情中核酸疫苗的成功更是拓宽了核酸药物的应用潜力。新赛道上如何快速表征核酸药物，话不多说，直接上干货。选对耗材是关键核苷/寡核苷酸分析和制备色谱柱的选择（点击查看大图）核酸分析色谱柱的选择（点击查看大图）滑动查看更多寡核酸药物分析全助攻寡核苷酸药物中，根据作用机理可以分为反义核苷酸，小干扰RNA,微小RNA,小激活RNA,信使RNA,适配体等，这些药物由于容易被核酸酶降解，延长半衰期的考虑，会做一些修饰，如硫代PEG修饰等等。在固相合成过程中也会有些杂质需要监控，针对这些需求，相应的方法开发和方案展示如下：01DNAPac RP分析寡核苷酸药物关键杂质滑动查看更多（点击查看大图）02DNAPac PA系列阴离子交换柱分析寡核苷酸药物关键杂质滑动查看更多（点击查看大图）核酸药物分析全助攻核酸药物特别是mRNA在新guan疫情大流行期间，同样发挥了巨大的作用，在核酸成产过程中，质粒纯度测定， mRNA序列测定，mRNA帽子结构确定，mRNA的PolyA测定，mRNA的降解产物的研究等等这些需求，对于分析技术提出了更高要求，专用DNAPac系列反相色谱柱和离子交换色谱柱可以满足这些检测需求。01mRNA原液检测攻略滑动查看更多（点击查看大图）核酸药物载体的表征核酸药物的成功，离不开药物递送技术的突破，不同基质，不同官能团的色谱柱在纳米脂质体组成的测定，腺相关病毒组成以及聚乙酰亚胺残留的检测中各显神通，点击下面详图获得。01纳米脂质体的表征滑动查看更多（点击查看大图）02腺相关病毒载体的表征滑动查看更多（点击查看大图）工艺监控在寡核苷酸和核酸生产工艺中，会用到一些有机溶剂等其他原料，这些原料如何检测，点击下图查看：滑动查看更多（点击查看大图）一键获得★ 这么多应用是不是有些眼花缭乱了呢，贴心的核酸项目分析选择手卡，扫描以下二维码，即可一键获得如需合作转载本文，请文末留言。这样的应用图书馆不来了解一下？点击进入小程序完成注册即刻抽取盲盒好礼

MALDI-TOF对小分子化合物分子量的快速确认小分子通常指分子量小于1000 Da（尤其小于400 Da）的有机化合物，包括天然产物（生物体合成）及各类人工合成的有机小分子。质谱技术由于可以精确测量各类化合物的质量，被广泛应用于小分子的分子量表征及结构鉴定工作。通常小分子分子量表征常用手段是LCMS，实则MALDI-TOF同样可以用于小分子化合物的分子量确认，且具有更高的效率。MALDI-TOF MS表征小分子分子量的方案特点：1快！每天可分析数千个样品2直接上样分析，无需样品分离3所需样品量较少，单次上样体积只需1 μL以内4除可溶性样品外，还能够分析难溶性样品MALDI-TOF分析小分子的工作流程小分子测试案例分享01各类化合物（原料、物料、产品）分子量及杂质检测在药品、化工品等产品生产过程中，对投入的原料、物料以及终产品进行分子量和杂质检测，是生产质量控制的重要内容。下图中，通过质谱信息可以直接了解寡核苷酸合成原料亚磷酰胺单体的分子量及杂质信息。寡核苷酸合成原料亚磷酰胺单体质谱图02小分子有机合成反应跟踪、产物确认在有机合成中，鉴定反应产物和了解反应进程极其重要。MALDI-TOF MS可以快速测量化合物进行半定量反应跟踪和产物确认。通过化合物单同位素峰的分布，还能轻松识别出溴和氯的存在与否。下图中原料双（氯甲基）苯的信号强度在反应18小时后降低，产物双（溴甲基）苯在反应18小时后强度增加。反应不同时间获得的反应产物的质谱图比较03有机功能材料合成确认有机功能材料包括有机光电材料、有机导电材料、有机磁性材料、有机催化材料等。MALDI-TOF MS可以快速进行有机功能材料的合成确认。下图中，通过样品同位素分布模式及质量数的实际检测结果与理论值的比较，可以准确判断产品合成是否成功。半导体材料及有机发光二极管材料的质谱图04难溶性颜料分子量分析颜料通常不溶于水和一般有机溶剂，常见的颜料包括无机颜料、偶氮颜料、钛菁颜料等。由于颜料的难溶解性，不能使用传统LCMS或GCMS方法进行分子量检测，而MALDI-TOF MS由于不需要分离，分析时不受溶解性限制，可以检测不溶性颜料的分子量，用于鉴别颜料种类或者颜料生产合成质控。难溶性颜料钛菁红的质谱图结语MALDI-TOF MS具有前处理简单、能够快速获取从低分子量到高分子量各类样品的分子量信息，无需分离、不受样品溶解性限制等优点，为医药行业药物发现、有机合成产物确认、化工领域颜料、乳化剂等各类化工产品分子量分析、有机功能材料的合成确认提供快速检测手段。撰稿人：顿俊玲本文内容非商业广告，仅供专业人士参考。

近日，德国德累斯顿工业大学（Dresden University of Technology）的科学家研究出了一种新的碳化物衍生碳材料（CDCs）合成方法，通过这种热敏的模版式合成方法，可以得到孔径可控、比表面高于2800m2/g、孔容近2cm3/g的高性能碳材料，因此，这种材料在生物材料分离、储气、超级电容、电极等领域具有广泛的应用前景。美国康塔仪器公司（Quantachrome Instruments）参与了此项合作研究，并对该材料的物理特性进行了研究。使用美国康塔仪器公司（Quantachrome Instruments）研究级全自动比表面和孔隙度吸附仪Autosorb－iQ对该材料系列细微的微孔和介孔结构差别以及材料的储气性能进行表征，结果如下图所示。同时，借助于美国康塔仪器公司的PoreMaster型全自动压汞仪证明，该新颖的合成方法还会为材料提供大量大孔结构（50nm）。该项成果已于近期发表于2012 Angew. Chem. Int. Ed.：更多详情请见http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201200024/abstract jsessionid=6C6F27B0B68581AAA6DC60EDABE538C6.d02t02?systemMessage=Wiley+Online+Library+will+be+disrupted+on+7+July+from+10%3A00-12%3A00+BST+%2805%3A00-07%3A00+EDT%29+for+essential+maintenance 或与美国康塔仪器公司北京代表处联系： www.quantachrome-china.com

仪器信息网讯 高分子材料也称为聚合物材料，可分为塑料、橡胶、纤维、胶粘剂、涂料和高分子基复合材料等。仪器信息网将于2023年8月1-2日举办“高分子材料表征技术”主题网络研讨会（2023），本届会议报告将聚焦于高分子材料研究与表征测试技术，致力于为国内高分子材料研究、应用及检测的相关工作者提供一个突破时间地域限制的免费学习平台。一、组织单位主办单位：仪器信息网支持单位：北京化工大学新材料校友会二、会议时间2023年8月1-2日三、会议日程及报告嘉宾：会议日程报告时间报告题目报告嘉宾8月1日上午 高分子材料研究（上）09:30--10:00胶体分子功能材料与器件复旦大学教授 聂志鸿10:00--10:30全柔性偶氮苯液晶弹性体紫外光探测材料与应用研究北京航空航天大学教授/系主任 陈爱华10:30--11:00新型聚合物质谱分析软件和表征手段的应用沃特世科技（上海）有限公司材料科学市场部高级应用工程师 李欣蔚11:00--11:30高分子过冷液体的热力学-动力学关系中国科学院长春应用化学研究所研究员 徐文生11:30--12:00光诱导活性聚合体系的构建及其在活性3D打印中的应用苏州大学教授 朱健8月1日下午 高分子材料研究（下）14:00--14:30可多次回收的热固性弹性高分子北京化工大学教授 曹鹏飞14:30--15:00基于分子滑轮的柔性材料南京大学副教授 张秋红15:00--15:30丝纳米材料上海科技大学PI/研究员 凌盛杰15:30--16:00复合质子交换膜的研发策略华南理工大学教授 殷盼超16:00--16:30塑料的增韧及增强改性原理及技术北京化工大学教授 汪晓东8月2日上午 高分子表征技术（上）09:30--10:00聚合物材料老化早期荧光检测及其服役寿命预测北京化工大学教授/博导 吕超10:00--10:30聚合物复合材料微观结构与性能的原子力显微镜研究北京化工大学教授 王东10:30--11:00水相体积排除色谱表征聚合物分子量及其分布武汉大学教授 蒋序林11:00--11:30光电高分子薄膜的力学性能表征与调控天津大学教授 叶龙8月2日下午 高分子表征技术（下）14:00--14:30X射线单晶衍射解析高分子单晶精准结构青岛科技大学教授 赵英杰14:30--15:00多孔高分子材料的固体核磁表征技术北京理工大学教授 黄木华15:00--15:30赛默飞Orbitrap静电场轨道阱超高分辨质谱在材料分析中的应用赛默飞世尔科技（中国）有限公司高级应用工程师 邝江濛15:30--16:00新型生物基呋喃聚酯的合成与热性能表征中国科学院宁波材料技术与工程研究所教授级高工 王静刚16:00--16:30高性能聚乙烯材料的合成与表征安徽大学教授 代胜瑜注：会议日程以及后续调整以会议页面显示为准扫码报名嘉宾介绍（按报告顺序排序）：复旦大学教授 聂志鸿聂志鸿，复旦大学高分子科学系、聚合物分子工程国家重点实验室特聘教授；国家杰出青年基金获得者。2008年于加拿大多伦多大学获博士学位，2008-2010年于哈佛大学George M. Whiteside课题组进行NSERC博士后研究。2011年受聘为马里兰大学帕克分校助理教授，2017年获得终身教职，随后全职加入复旦大学。主要研究方向为聚合物与纳米粒子自组装、生物成像与药物释放、等离功能材料等。迄今在Science等期刊发表学术论文150余篇，论文被引用21000余次。担任Soft Matter期刊副主编，Theranostics、Giant、Supramolecular Materials等期刊编委。曾获美国国家科学基金会Career Award、英国皇家化学会会士、美国化学会石油研究基金青年教授奖、3M公司青年教授奖等荣誉。北京航空航天大学教授/系主任 陈爱华陈爱华，教授，博导，北京航空航天大学材料学院高分子及复合材料系主任。从事液晶高分子、柔性电子材料、智能高分子材料等研究工作，在Nat. Commun.、Adv. Mater.等期刊发表SCI论文50余篇，授权中国发明专利7项，日本发明专利1项，公开国际PCT专利1项。受邀在国内外期刊Adv. Sci.,《应用化学》等发表综述论文3篇；国内/国际学术会议邀请报告十余次。先后入选北京市科技新星、教育部“新世纪优秀人才”。沃特世科技（上海）有限公司材料科学市场部高级应用工程师 李欣蔚李欣蔚，2011年加入Waters，有十几年的色谱、质谱行业经验，负责相关领域的色谱、质谱应用方案支持，帮助客户实现检测效率最大化；对接最新国际材料领域检测方案、推进全国化工行业高端客户合作、熟知细分行业材料分析思路；推动开发应对产业难题的解决方案，基于不同材料类型、不同应用领域、不同产业链需求制定定制化方案指导。中国科学院长春应用化学研究所研究员 徐文生徐文生，博士，中国科学院长春应用化学研究所研究员、博士生导师，国家优青。2007年7月在天津大学获得学士学位，2012年7月在中国科学院长春应用化学研究所获得博士学位。2013年1月至2018年9月先后在美国芝加哥大学和美国橡树岭国家实验室从事博士后研究，合作导师分别为Karl F. Freed院士和Yangyang Wang研究员。2019年1月入职中国科学院长春应用化学研究所高分子物理与化学国家重点实验室任研究员。以项目负责人身份主持国家自然科学基金优秀青年科学基金项目、面上项目和中科院长春应化所启动基金等科研项目。已发表SCI学术论文58篇，以（共同）通讯/第一作者在Phys. Rev. Lett.（1篇），Macromolecules（18篇），ACS Macro Lett.（2篇），J. Chem. Phys. （12篇）等期刊上发表论文54篇。受邀在全国高分子学术论文报告会、中国化学会学术年会、国家自然科学基金委员会化学科学部化学理论与机制青年学者学术交流研讨会等会议上做学术报告交流。指导的博士后获国家自然科学基金青年科学基金项目、博士后国际交流计划引进项目、中国科学院特别研究助理资助项目、中国博士后科学基金面上项目等科研项目资助。苏州大学教授 朱健朱健，苏州大学材料与化学化工学部，教授，副主任。主要研究兴趣：高分子精密合成；含硒聚合物的设计与合成；功能性高分子材料的结构设计与合成等。主持国家十三五重大专项子课题两项，国家自然科学基金项目三项，江苏省自然科学基金和教育厅重点项目各一项。积极与企业合作，共同开发各类产品。获中国化工学会基础研究一等奖，江苏省科技进步二等奖和教育部科技进步二等奖，苏州大学教学成果一等奖各一项。先后发表研究论文200多篇，获美国发明专利授权3项，澳大利亚发明专利授权2项，中国发明专利授权21项。北京化工大学教授 曹鹏飞曹鹏飞，教授，博士生导师，教育部重点实验室副主任。任英国皇家化学会高分子材料顶刊RSC Applied Polymers 和国产高水平期刊Supramolecular Materials副主编，美国化学学会Macromolecules和美国材料学会MRS Communications编委。主要研究高性能弹性高分子材料的设计、合成、性能分析及其在能源领域的应用。分别于2008年和2010年取得天津大学学士及硕士学位，2015年取得美国凯斯西储大学博士学位。归国前在美国能源部橡树岭国家实验室担任正式研究员（独立PI, 永久研究岗位），曾获得2021年度R&D 100 Award（国际科研创新界“奥斯卡奖”之称），美国化学会2021年高分子杰出青年奖和2023年材料科学之星。 南京大学副教授 张秋红张秋红，南京大学化学化工学院副教授、博士生导师。2003年-2007年毕业于南京大学化学化工学院化学专业，2012年获得化学化工学院高分子化学与物理专业博士学位，2012年起任化学化工学院助理研究员，2015年起任化学化工学院副研究员，2017年斯坦福大学访问学者，2019年任化学化工学院副教授。2019年获教育部科技进步二等奖；2022年江苏省“333高层次人才工程”。目前以第一作者、通讯作者在 JACS, Angew. Chem, Adv. Mater., Adv. Funct. Mater., Macromolecules 等杂志发表40余篇论文，撰写专著章节一章，获得授权专利三项。目前主持国家自然科学基金、江苏省自然科学基金在内的多项项目。上海科技大学PI/研究员 凌盛杰凌盛杰，上海科技大学，物质科学与技术学院PI、研究员、博士生导师。先后在复旦大学（博士）、瑞士苏黎世联邦理工学院（联合培养博士研究生）、麻省理工学院及塔夫茨大学（博士后）学习和工作。长期致力于然高分子的基础性研究、应用开发和产业转化工作。作为第一/通讯作者在Nat. Rev. Mater.、Chem. Soc. Rev. 、Nat. Commun.、Sci. Adv.、Adv. Mater.等学术期刊发表论文100余篇。先后担任ACS Biomaterials Science & Engineering、Journal of Renewable Materials、《林业工程学报》、《防化研究》、Materials Futures、Nano-Micro Letters期刊青年编委。主编出版了关于纤维蛋白的专著一部。入选2022年“全球前2%顶尖科学家榜单年度科学影响力排行榜”，获上海市浦江人才、青年东方学者和青年拔尖人才等项目支持。华南理工大学教授 殷盼超殷盼超，华南理工大学软物质科学与技术高等研究院教授、特聘研究员，发光材料与器件国家重点实验室固定成员。殷盼超于2009年获得清华大学高分子材料与工程学士学位，之后于2013年获得美国里海大学化学博士学位，并在2015年在美国阿克伦大学高分子科学系完成博士后研究。在2015年荣获诺奖得主冠名的Clifford Shull Fellow职位加入美国橡树岭国家实验室开展独立研究。2017年加盟华南理工大学，并任中国物理学会中子散射专业委员会委员、中国散裂中子源用户委员会委员，主要从事聚合物基团簇杂化复合材料的制备-结构-性能相关性中的微观机制和理论基础研究，指导质子导体、气体分离膜以及防爆防冲击材料的研发。曾入选相关青年人才计划、“2017福布斯中国30位30岁以下精英榜”以及2021年度Arthur E. Martell Early Career Researcher Prize，目前共发表SCI论文100余篇，近五年以通讯作者身份在J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Nano Lett.、 Chem. Sci.、J. Phys. Chem. Lett.等杂志上发表论文40余篇。北京化工大学教授 汪晓东汪晓东，男，1967年出生，江苏苏州人，教授、博士生导师。1996年获北京化工大学高分子材料专业博士学位，同年赴韩国DOOSAN电子集团研究与开发中心做博士后研究，1998年回国在北京化工大学从事教学与科研工作，时任副教授，2002年晋升为教授，2003年被聘为博士生导师。后作为国家公派访问学者分别于2001年和2012年赴韩国KOLON工业集团中央研究院和法国巴黎第六大学从事科学研究各一年。自参加工作以来，主要从事塑料改性、先进复合材料加工、功能高分子设计及合成、相变储能材料设计制备等领域的研究工作。作为项目负责人主持了科技部国家“十一五”和“十二五”支撑计划项目、国家重点研发项目和国家自然科学基金等多个国家级课题的研究工作。其中研究成果分别获得国家科技进步三等奖、国防科工委科技进步二等奖和（原）化工部科技进步二等奖各一项。作为第一发明人取得授权国家发明专利20余项，作为第一作者或通讯作者，在国内外学术刊物上发表学术论文200余篇，其中在SCI收录的国外高水平英文期刊上发表学术论文180余篇。目前的社会兼职工作包括：中国石化联合会所属“全国石油和化工行业聚甲醛制备及加工应用工程实验室”副主任、深圳市化工学会副理事长、《中国塑料》期刊编委、江苏省连云港市东海县科技镇长等。北京化工大学教授/博导 吕超吕超，教育部“长江学者奖励计划”特聘教授。北京化工大学化工资源有效利用国家重点实验室、化学学院教授，博士生导师。主要研究领域为材料结构发光表征新方法。主持国家自然科学基金应急管理重点项目和国家973计划子课题等项目近10项，以通讯作者在Angew. Chem. Int. Ed.、Nat. Commun.、Sci. Adv.、ACS Cent. Sci.、Chem. Sci.、Anal. Chem.、Chem. Soc. Rev. 等期刊发表论文100余篇，申请中国发明专利11项，已授权7项，专利技术转化2项，申请国际发明专利1项。已获批中国石油和化学工业联合会团体标准1项和企业标准3项。获得2015年高等学校自然科学二等奖、2020年及2012年中国分析测试协会科学技术一等奖等。北京化工大学教授 王东王东，北京化工大学材料科学与工程学院，有机无机复合材料国家重点实验室，教授、 博士生导师。2008 年获清华大学工学博士学位，2008 年至 2015 年在日本东北大学先后 担任助手和助理教授，其间 2012 年至 2013 年在美国麻省大学 Amherst 分校进行访问学 者研究。2015 年回国加入北京化工大学。 主要从事发展及应用原子力显微镜表征聚合物微观结构与性能的研究。先后主持和参 与了国家自然科学基金、国家重点研发计划等项目。出版《原子力显微镜及聚合物微 观结构与性能》专著一部，参编英文专著 2 部，在 PNAS，JACS，Macromolecules 等期刊上发表学术论文 80 余篇 任 Polymer 编委。武汉大学教授 蒋序林 蒋序林，武汉大学化学院生物医用高分子材料教育部重点实验室，教授、博士生导师， 主要研究领域：生物医用高分子材料，药剂学，高分子分离与表征。2004年在荷兰阿姆斯特丹大学高分子分析组获博士学位，2006年回国以来主持国家自然科学基金项目8项和1项国家重点研发计划“政府间国际科技创新合作”重点专项。在国际专业期刊上发表SCI论文100余篇，多次受邀参加国际会议作邀请报告和分会场主席，获中国发明专利授权12项。获得南京市2015年度“领军型科技创业人才引进计划”人选，最新的研究项目是合成和准确表征了一系列温敏性改性可注射甲壳素水凝胶，并用于细胞载体、3D打印生物墨水和组织工程原位微创修复等研究。天津大学教授 叶龙叶龙，天津大学英才教授、博导。2015年在中科院化学所取得博士学位，2015-2019年先后作为博士后、研究助理教授在美国北卡罗来纳州立大学物理系工作，2019年10月入选北洋学者英才计划进入天津大学材料学院工作，2020年入选国家高层次青年人才计划。迄今，作为第一或通讯作者在Nature Mater., Joule, Adv. Mater., Mater. Today等国际学术期刊发表100余篇论文，为4本英文专著中撰写了章节。全部论文SCI引用超过18000次，H因子为68。作为负责人主持了国家重点研发计划课题以及北京光源、上海光源、澳大利亚光源、中国散裂中子源等多个大科学装置的18项课题（其中，上海光源重点课题1项）。先后荣获中国百篇最具影响国际学术论文、全球高被引科学家（2019-2022连续四年）、英国皇家化学会JMCA新锐科学家、Materials Today Energy青年科学家、RSC优秀导师等荣誉。青岛科技大学教授 赵英杰赵英杰，2011年博士毕业于中科院化学所，2011-2016年先后在瑞士日内瓦大学，苏黎世联邦理工学院从事博士后研究。2016年获海外高层次人才项目资助，目前为青岛科技大学教授，中国化学会青委会委员。主要研究方向为二维高分子材料。主要致力于晶态高共轭二维、三维高分子材料的设计合成和能源、催化方面的应用研究。通过动态共价化学、自组装等方式在溶液相、界面以及晶体相中实现高结晶性有机二维、三维材料的制备，探讨该种新材料在光、电催化、储能等领域的应用。作为第一作者或通讯作者在J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Nat. Syn., Nat. Commun.等国际学术期刊上发表文章100余篇。北京理工大学教授 黄木华黄木华，博士，北京理工大学长聘教授，博士生导师。2001年获北京师范大学化学系理学学士学位， 2006年获中科院化学所理学博士学位。2006-2011年，先后在瑞士苏黎世联邦理工学院（ETH-Zurich）和英国利物浦大学（University of Liverpool）进行博士后研究。2012年3月加入北京理工大学材料学院从事教学科研工作。为研究生讲授《新型含能材料》课程，为本科生开设《Designing Organic Synthesis》和《核磁共振波谱技术实践》课程。作为项目负责人承担国家自然科学基金、北京市自然科学基金、装发项目以及企业横向合作课题等多项，总经费超过4000万元。具体研究方向包括：(1)多孔高分子材料；(2) 退役含能材料的资源化利用技术；(3)核磁共振波谱技术。已在Nature Chemistry, Journal of Materials Chemistry A, Chemistry of Materials, Green Chemistry和Journal of Physical Chemistry Letters等杂志上发表研究论文40余篇，申请中国发明专利和中国国防发明专利30多项，已授权发明专利18项。赛默飞世尔科技（中国）有限公司高级应用工程师 邝江濛 邝江濛，博士毕业于英国University of Birmingham地理地质及环境科学系，主要研究方向为利用质谱技术分析环境中的痕量污染物。本科及硕士毕业于清华大学环境学院。2021年加入赛默飞世尔科技（中国）有限公司，负责环境化工领域液相色谱质谱仪的应用支持工作，于质谱分析特别是高分辨质谱分析有着丰富的经验。中国科学院宁波材料技术与工程研究所教授级高工 王静刚王静刚，中国科学院宁波材料技术与工程研究所教授级高工，博导，中国塑料加工协会专家委员会委员，浙江省万人计划青年拔尖人才，宁波市创新领军人才等，获得高分子材料与工程青年科技奖、宁波市科技进步奖等。主要从事生物基高性能聚酯的合成与应用研究，以可再生资源为主要原料，合成了系列生物基芳香单体并实现了高阻隔、高耐热、可降解等系列新型生物基聚酯产业化开发。先后主持了国家重点研发计划课题、国家自然科学基金面上项目、企业重大转移转化项目等21项，在Chemical Engineering Journal，ACS Sustainable Chemistry and Engineering等国际期刊上发表SCI研究论文76篇，申请及授权发明专利88项，主撰写《生物基呋喃聚酯》，《生物基高分子材料技术》副主编等。安徽大学教授 代胜瑜代胜瑜，安徽大学，副教授，硕士生导师，课题组长。在Angew. Chem. Int. Ed., ACS Catal. Macromolecules, J. Catal., Chem. Commun., Inorg. Chem. Polym. Chem., Organometallics等国际重要期刊发表论文 70 余篇，10 篇入选ESI高被引论文。论文总被引用3000余次，H因子为30。主持并完成中央高校基本科研业务费，博士后基金面上项目和国家自然科学基金青年基金各一项。现主持安徽省优秀青年基金20万，安徽大学高层次人才启动项目80万以及石化企业各类横向经费100多万元等。学术兼职：1，Current Organic Chemistry (Impact Factor: 2.226) Executive Guest Editor. 2,《合成化学》编辑部青年编委。3, Frontiers in Chemistry (Impact Factor: 5.545), Associate Editor. 4, Polymers (Impact Factor: 4.967), Guest Editor. 5, Polymer International (Impact Factor: 3.213), Guest Editor. 主要从事高分子材料合成与应用相关领域的工作，特别是金属有机催化的高分子合成。产业兼职：江苏省科技副总，中石化控股上市公司首席科学家。四、会议形式仪器信息网3i讲堂直播平台五、参会方式1.本次会议免费参会，详细会议日程及参会报名请点击：https://www.instrument.com.cn/webinar/meetings/polymer2023/或扫码二维码报名2. 温馨提示1) 报名后，直播前一天助教会统一审核，审核通过后，会发送参会链接给报名手机号。填写不完整或填写内容敷衍将不予审核。2) 通过审核后，会议当天您将收到短信提醒。点击短信链接，输入报名手机号，即可参会。六、会议联系会议内容：管编辑17862992005，guancg@instrument.com.cn会议赞助：刘经理15718850776，liuyw@instrument.com.cn

继全国高分子学术论文报告会后，美国怀雅特技术公司作为高分子表征高峰论坛的赞助单位之一，积极支持高分子领域的交流活动。 由中国化学高分子科学委员会高分子分子表征科学组主办，武汉大学化学与分子科学学院承办的&ldquo 高分子表征高峰论坛&rdquo 于2009年12月5日至6日在武汉大学顺利召开，这是高校、科研单位和企业共同参加的又一高分子领域的盛会。与会的专家就&ldquo 如何提高高聚物材料表征水平，如何促进高聚物产业的持续发展&rdquo 等主题进行了深入交流和探讨。 其中，颜德岳院士的《超支化聚合物的合成和表征》、韩志超研究员的《高分子体积排阻问题及表征中的Mark &ndash Houwink指数》、张俐娜教授《动静态光散射表征新技术及其应用》等专家的主题报告着重而详细的介绍了高聚物分子尺寸与形态、溶液行为、聚集态结构表征等新方法及研究成果。 美国怀雅特技术公司长期致力于为全球大分子领域的生产者、检验机构以及研究者提供最专业最先进的高分子绝对分子量表征系统。该系统代表性功能有： 1. 表征绝对分子量及其分布（重均分子量、数均分子量、Z均分子量）、均方根旋转半径、第二维利系数（A2）； 2. 表征高分子溶液中的聚集态形式：棒状分子、无规线团分子、球状分子（空心球、实心球）； 3. 表征高分子溶液的 Mark &ndash Houwink方程曲线，求得K，a值； 4. 表征高分子支化度。 5. 表征生物大分子，如质体、DNA、RNA以及蛋白质等凝集态及分子间相互作用； 而这些功能的实现仅需要在您已有的液相系统中添加Wyatt的相应的检测器。 详情请登陆网站：www.wyatt.com；www.wyatt.com.cn 电话：010-82292806， 传真：010-82290337 E-Mail：info@wyatt.com.cn

p　　由仪器信息网(www.instrument.com.cn) 联合面向工业催化领域创新成果产业化的公共服务平台(2020年工信部批建)主办的首届“催化剂表征与评价”主题网络研讨会于昨日圆满闭幕。此次会议邀请了业内著名催化研究学者、检测分析专家以及业界企业代表，针对催化研究应用及检测分析的前沿热点和关键技术进行探讨，为催化领域的研发应用与检测分析搭建交流平台，促进催化领域科研人员间的互动交流。本次会议报名参会人数近700人，观众反响强烈，会议取得了圆满成功。/pp style="text-align: center "img src="https://img1.17img.cn/17img/images/202005/uepic/e14a20ed-81cd-4636-ba2b-0df66b586998.jpg" title="1125_480.jpg" alt="1125_480.jpg" width="500" height="213" border="0" vspace="0" style="max-width: 100% max-height: 100% width: 500px height: 213px "//pp　　大会开始前，中国石油和化学工业联合会科技与装备部处长李文军为大会致辞，随后6位专家奉献了精彩的报告，并为现场提问的观众进行了耐心的解答。/pp style="text-align: center "img style="max-width:100% max-height:100% " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202005/uepic/1d6d6704-bc2c-4795-9ccc-626827c41586.jpg" title="李瑛.jpg" alt="李瑛.jpg"//pp style="text-align: center "strong浙江工业大学工业催化研究所 李瑛/strong/pp style="text-align: center "strong报告题目：《表征技术在工业催化剂开发中的重要性及工业催化剂宏观物性表征》/strong/pp　　李瑛，浙江工业大学教授。2005年获中国科学院大连化学物理研究所物理化学博士学位，师从国际催化委员会主席李灿院士 2005.08-2007.08荷兰 Eindhoven University of Technology做博士后及访问学者。合作导师：荷兰皇家科学院院士Prof. Rutgers Van Santen。/pp　　目前担任浙江省石油协会理事，浙江省科协九届委员。中国化学工程学报(英文版)编委，近年来在国际知名期刊共发表SCI论文100余篇，已获得授权专利10余项，其中多项技术已经实现产业化推广。承担浙江工业大学研究生核心课程《现代催化剂表征技术》、《催化学科前沿讲座》、本科生《物理化学》上下册等教学。/pp　　主要研究方向：新型多孔碳材料及其复合材料的调控合成及催化应用 纳米金属催化剂的调控合成及工业应用/pp style="text-align: center "img style="max-width:100% max-height:100% " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202005/uepic/f09f957d-8dd1-41ee-bfa9-5a1af9e669ca.jpg" title="陈婧琼.png" alt="陈婧琼.png"//pp style="text-align: center "strong安东帕(上海)商贸有限公司 陈婧琼/strong/pp style="text-align: center "strong报告题目：《表征技术在工业催化剂开发中的重要性及工业催化剂宏观物性表征》/strong/pp　　陈婧琼，安东帕(上海)商贸有限公司产品应用专家，毕业于天津科技大学。具有长达8年的粉体材料表征经验。/pp　　2012~2014从事甲醇制烯烃MTO催化剂的制备和表征，包括催化剂原料SAPO-34的合成，催化剂喷雾干燥制备、粒度测试、zeta电位测试，催化剂微反评价，酸性测试，比表面积和孔径分析等 /pp　　2014~2015于兰州化学物理研究所羰基合成与氧化国家重点实验室从事光催化产氢研究，以共沉淀法制备了掺杂石墨烯的光催化剂，具有良好的产氢效应 /pp　　2015至今，任职于安东帕，从事粉体表征产品气体吸附仪等的技术支持。每年于清华大学、复旦大学、石油大学、大连理工等高校进行气体吸附的技术交流和客户培训。/pp　　从业多年来，以丰富的职业经验和深入浅出、活泼的手法编写和翻译气体吸附相关行业技术文件50多篇，深受行业客户的好评。/pp style="text-align: center "img style="max-width:100% max-height:100% " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202005/uepic/05114d62-4523-4231-b8ec-f70eebdd41c0.jpg" title="刘伟.png" alt="刘伟.png"//pp style="text-align: center "strong中国科学院大连化学物理研究所 刘伟/strong/pp style="text-align: center "strong报告题目：《电子显微技术在催化剂表征评价中的机会与挑战》/strong/pp　　刘伟，中国科学院大连化学物理研究所电子显微中心副研究员，环境透射电镜负责人，中科院青年创新促进会会员，大连市紧缺技术人才。/pp　　迄今，研制了国内首套专用于环境透射电镜的mbar级负压定量混气自动控制系统 研制“透射电镜可控气氛转移样品台” 解决敏感材料向电镜转移中的氧化相变问题 基于深度学习技术和数字滤波图像识别，实现单原子催化剂的原子精度识别与万级样本空间的分散度统计 /pp　　先后主持国家自然科学基金(1项)、近3年围绕催化剂显微结构分析与支撑发表Nature Catalysis(1篇)，JACS 2篇、Nano Lett. 2篇、Nature Commn. 2篇、Adv. Mater. 1篇、Adv. Sci. 1篇、Chem. Mater.1篇、ACS Catal. 1篇、Appl. Catal. B 1篇。/pp style="text-align: center "img style="max-width:100% max-height:100% " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202005/uepic/4d44be02-96e2-4296-9333-ea9b61824ba1.jpg" title="彭路明.jpg" alt="彭路明.jpg"//pp style="text-align: center "strong南京大学 彭路明/strong/pp style="text-align: center "strong报告题目：《氧化物纳米催化材料的固体核磁共振研究进展》/strong/pp　　彭路明，博士，南京大学教授，博士生导师。在Nature Materials，Science Advances，Nature Communications，Journal of the American Chemical Society等杂志发表学术论文100多篇。入选2010年度新世纪优秀人才支持计划。2012年获得国家自然科学基金委优秀青年科学基金项目资助，同年获中国化学会催化专业委员会中国催化新秀奖。2016年起任中国物理学会波谱专业委员会委员和《波谱学杂志》编委，同年获英国皇家学会牛顿高级学者项目资助(Newton Advanced Fellowship)。/pp style="text-align: center "img style="max-width:100% max-height:100% " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202005/uepic/241ab918-ba36-4070-979c-70cc80fbe37d.jpg" title="杨贵东.jpg" alt="杨贵东.jpg"//pp style="text-align: center "strong西安交通大学 杨贵东/strong/pp style="text-align: center "strong报告题目：《基于催化剂结构修饰的光催化反应过程强化》/strong/pp　　杨贵东，西安交通大学化工学院教授，博士生导师。主要从事光催化反应过程强化及吸附新材料开发的研究工作。在Angewandte Chemie International Edition、ACS Catalysis、Applied Catalysis B: Environmental、Nano Energy等高质量学术期刊发表论文52篇，其中IF 10的论文17篇，累计被 SCI引用3000余次，个人 H 因子27。开发了一系列具有高介孔含量、强疏水、高机械强度的三维分级通孔碳质吸附材料，实现了其工业化生产与应用。入选了教育部“青年长江学者”、“王宽诚青年学者”、“陕西省青年科技新星”，兼任中国化工学会化工过程强化专业委员会青年委员会委员和中国石油和化学工业联合会工业催化联盟青年工作委员会委员等学术职务。担任国际期刊《Frontiers in Environmental Chemistry》副主编、《Chinese Journal of Catalysis》客座编辑、《Chinese Chemical Letter》青年编委和《工业催化》期刊编委。/pp style="text-align: center "img style="max-width: 100% max-height: 100% width: 200px height: 293px " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202005/uepic/7f1b13b7-19a4-49ea-a36f-9ffc0238539a.jpg" title="刘家旭.jpg" alt="刘家旭.jpg" width="200" height="293" border="0" vspace="0"//pp style="text-align: center "strong大连理工大学 刘家旭/strong/pp style="text-align: center "strong报告题目：《双光束FT-IR光谱在多相催化反应中的应用与进展》/strong/pp　　刘家旭，大连理工大学副教授，主要从事分子筛催化在能源、环境及精细化学品清洁制备等领域的应用基础研究和原位分子光谱表征技术开发。作为项目负责人主持国家自然科学基金、中国石油科技创新基金和大连市高层次人才创新创业计划等12项科研项目。研制出具有自主知识产权的双光束原位红外光谱技术，并将其成功应用于多相催化反应的原位表征，已在Catalysis Science & Technology, Chemical Engineering Journal, ACS Applied Materials & Interfaces等期刊发表30余篇学术论文，申请10余项国内专利，1项国际专利。作为项目负责人开发的精细化学品清洁制备催化剂，低碳烃芳构化催化剂已实现工业应用。/pp　　会后，李文军处长介绍了面向工业催化领域创新成果产业化的公共服务平台现阶段的工作内容，并鼓励催化领域学者间的沟通与交流。会议至此圆满结束。/pp　　此次会议获得了工业催化协会的帮助以及安东帕的大力支持。/pp　　a href="https://www.instrument.com.cn/netshow/SH101011/" target="_self"strong安东帕(上海)商贸有限公司/strong/a/pp　　安东帕(上海)商贸有限公司隶属于奥地利安东帕公司旗下，是其全资子公司，总部位于上海。安东帕公司作为密度、浓度、二氧化碳和流变测量的技术引领者，依托仪器领域的百年经验，为食品饮料、石油石化、制药、高校科研、质检、商检、药检和出入境检验检疫等领域提供量身定制的检测解决方案。安东帕的产品及服务涵盖实验室与过程应用中的密度、浓度和温度测量技术、旋光及折光仪等高精密光学仪器、微波消解、萃取及合成等样品前处理技术、黏度计及流变仪、闪点、馏程分析等石油石化产品测试仪器、以及研究材料特性及表面力学性能的测试仪器等。/pp　　strong专家视频回放链接：/strong/pp　a href="https://www.instrument.com.cn/webinar/Video/Video/Collection/10541" target="_self"　https://www.instrument.com.cn/webinar/Video/Video/Collection/10541/a/ppbr//p

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):9918-992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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 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导读2021年12月3日，国家医疗保障局召开新闻发布会公布2021年国家医保药品目录调整结果，于2022年1月1日正式执行。治疗罕见病脊髓性肌萎缩症（SMA）的药物诺西那生钠注射液被纳入医保，价格从曾经的70万一针降至3.3万，为患者及其家庭带来福音。SMA是一种罕见的遗传性神经肌肉疾病，是由于SMN1基因突变或缺失，造成与运动神经元密切相关的SMN蛋白缺乏，导致肌肉萎缩，大部分患者因为呼吸衰竭而死亡。诺西那生钠的有效成分是一种反义寡核苷酸，可以改变SMN2前mRNA的剪接，增加完整长度SMN蛋白的产生，达到治病的目的。什么是寡核苷酸药物？寡核苷酸药物通常指由人工合成的长度50个以内核苷酸组成的一类药物，包含单链或双链DNA或RNA。目前研究较多的是反义寡核苷酸药物（ASO）和小干扰RNA药物(siRNA)。与小分子药物和单抗药物靶向蛋白质不同，寡核苷酸药物通常靶向mRNA，从转录后水平进行治疗，具有特异性好、有效性高和长效性突出的优势。寡核苷酸药物分析和表征为了保证产品的安全性和有效性，寡核苷酸药物通常需要从分子量、碱基序列、解链温度Tm、产品纯度、有关物质等方面进行分析，需要使用质谱、生物惰性液相色谱、紫外分光光度计等仪器，岛津公司开发了一系列的解决方案，供您参考。分子量表征寡核苷酸药物通常使用固相亚磷酰胺化学法进行合成，亚磷酰胺单体是合成的关键原料。寡核苷酸药物的分子量则是其重要的产品属性。因此，检测寡核苷酸药物及其合成用原料亚磷酰胺单体的分子量是常用的质量控制手段。常用的分子量检测方法是质谱法。岛津质谱产品四极杆飞行时间质谱仪（LCMS-9030）、单四极杆质谱仪（LCMS-2050）和基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱（MALDI-8030）都是寡核苷酸药物及其原料分子量表征的常用仪器。下面就为大家带来QTOF LCMS-9030测定寡核苷酸药物精确分子量和MALDI-8030测定亚磷酰胺单体分子量的精彩案例。• LCMS-9030分析寡核苷酸药物分子量岛津四极杆飞行时间质谱 LCMS-9030具有高分辨率、高质量数准确度和媲美三重四极杆灵敏度的特点，可以准确测定寡核苷酸分子量。寡核苷酸分子带负电，通常使用ESI负离子模式检测，在质谱图上常观测到一系列的多电荷离子，需要进行解卷积处理，得到寡核苷酸分子量。LCMS-9030结合Insight Explore CSD分析结果寡核苷酸药物序列: 5' -mG-mC*-mC*-mU*-mC*-dA-dG-dT-dC*-dT-dG-dC*-dT-dT-dC*-mG-mC*-mA-mC*-mC*-3' 理论单同位素分子量：6431.7239采用QTOF LCMS-9030采集一个长度为20 mer的寡核苷酸药物的高分辨质谱图，使用Insight Explore CSD进行解卷积处理，得到实测单同位素分子量为6431.7236，质量数偏差为0.05 ppm。• MALDI-8030分析亚磷酰胺单体的分子量采用MALDI-8030测定了四种亚磷酰胺单体的分子量，在线性正离子模式下，均检测到显著质谱峰，质荷比大小与钾离子加合峰相符。MALDI-8030体积紧凑、分析速度快、维护方便，是寡核苷酸样品分析的有力工具。序列确认寡核苷酸的序列同设计序列一致，是保证药物有效性的重要方面。采用MALDI-8030测定了长度为20 mer的一种寡核苷酸的分子量和碱基序列。寡核苷酸的MADLI-TOF质谱图主要以单电荷和双电荷形式存在，可直接读出分子量，操作简单，结果直观。利用源内裂解技术（ISD），寡核苷酸更倾向于形成w型碎裂离子，碎裂离子谱图更简单。通过比对这些碎片离子信息，可以较容易地读出核酸序列。寡核苷酸MALDI-ISD-TOF质谱图和碎裂离子解链温度（Tm）随着温度升高，双链核酸分子的双链结构开始打开，最终变成两条单链的结构。Tm是双链核酸分子双链结构解开一半时的温度，是双链核酸分子结构稳定性的重要指标。使用岛津UV Tm分析系统可以非常方便地测定双链核酸分子的Tm。该系统由紫外分光光度计、电热温度控制单元和Tm分析软件组成。Tm分析软件可以控制温度控制单元准确控温，升温速率12档可调，可满足双链核酸分子解链曲线的连续测定。Tm分析软件还可以自动分析解链曲线，给出准确的Tm数值。UV Tm分析系统组成（左）和核酸样品Tm分析结果（右）纯度分析使用生物惰性液相Nexera XS Inert结合Shim-pack Scepter C18色谱柱进行了寡核苷酸样品的快速纯度分析，寡核苷酸和其杂质分离良好。即使在50℃高温、0.1M TEAA的盐浓度条件下分析，也表现出良好的稳定性。基于有机杂化颗粒硅胶技术的Shim-pack Scepter C18，适合用于寡核苷酸纯度以及杂质分析。12 mer寡核苷酸样品纯度分析UHPLC色谱图递送介质分析递送介质是将核酸药物递送至靶组织，穿透细胞膜，进入细胞内部发挥药效的关键。脂质纳米粒（LNP）和聚乙烯亚胺（PEI）都是核酸药物的常用递送介质。LNP通常包含阳离子脂质、胆固醇、PEG修饰脂质和辅助性中性脂质，四种成分协同作用，将寡核苷酸包裹并递送到细胞内发挥作用。PEI是一种水溶性高分子聚合物，携带大量正电荷，可通过静电作用结合核酸药物，将其递送至细胞内，并保护其免受核酸酶降解。递送介质的含量检测对寡核苷酸药物给药方式、药学研究等具有重要意义。利用岛津生物惰性液相系统结合蒸发光散射检测器ELSD-LT III建立了定量分析LNP中四种成分含量，以及PEI含量的分析方法。结语天价寡核苷酸药物首进医保，使得这类药物在近期迅速刷屏，备受关注。对寡核苷酸药物进行分析和表征，可以更好地保证产品的药效和安全性。基于岛津丰富的分析仪器产品线，我们利用QTOF LCMS-9030、单四极杆质谱LCMS-2050、MALDI TOF质谱、UHPLC、UV Tm分析系统等技术平台，开发了分子量表征、核苷酸序列确认、Tm测定、纯度分析和递送介质分析的方法，助力寡核苷酸药物研发和质控，希望未来开发出更多更好的药物，造福患者。本文内容非商业广告，仅供专业人士参考。

意大利国家研究委员会晶体学研究所（CNR-IC）与罗马一大、罗马三大以及英国ISIS脉冲介子和中子源合作开展了一项研究，详细分析了白磷钙矿（whitlockite）的结构，并首次获得完整表征，这一研究也将有助于改进生物医学材料的性能。相关论文发表在《Crystals》上。白磷钙矿是一种稀有的天然磷酸钙，存在于陆地花岗岩岩石和球粒陨石中，可作为合成磷酸三钙的天然替代物。合成磷酸三钙是一种生物材料，用于骨科和牙科领域的填料和涂料。合成磷酸三钙是合成羟基磷灰石的替代品，后者与人类骨骼与牙齿的矿物质成分非常相似，但在某些情况下（例如用作骨假体）表现得很脆弱。研究人员在通过X射线衍射对白磷钙矿进行初步分析，利用中子衍射氢原子进行定位，使用电子探针以确认其化学成分，并使用红外光谱法对衍射结果进行补充。研究人员表示，基于对天然材料的研究，可以进一步改进与其类似的合成材料的性能，降低其脆弱性以及用作假体时的排斥风险，从而改善假体的安全性及整体表现，更好地应用于生物医学等领域。

仪器信息网讯 在IPB 2014举办期间，由上海市颗粒学会主办、马尔文仪器公司赞助的&ldquo 2014上海市颗粒学会年会暨颗粒表征应用技术会&rdquo 于2014年10月14日上午在上海国际展览中心召开。本次会议旨在加强颗粒材料领域的学术交流，促进本市颗粒领域的科学研究、技术进步和产品开发应用等方面的发展，方便学术界与产业界的交流和合作。会议现场上海理工大学动力工程学院蔡小舒教授主持会议　　作为上海颗粒学会理事长，蔡小舒教授就上海市颗粒学会第七届理事会情况向与会人士作了简单介绍。据了解，上海市颗粒学会第七届理事会由19位科研院高校的专家学者及2位颗粒测试仪器公司负责人共同组成，其中9位理事为最新加入的。上海理工大学周骛博士报告题目：图像法颗粒多参数在线测量　　目前，简单的粒度测量已经不能再满足用户在生产、科研工作中提出的高要求，而伴随着计算机和图像传感器技术近来的快速发展，基于数字图像处理的颗粒测量技术应运而生，并且发展速度非常迅猛。在当天的报告中，周骛博士介绍到，通过对图像获取硬件的研制和图像处理分析算法的研究，单帧单曝光图像法可用于三维颗粒场多参数在线测量，并且多方法多传感器的结合可以为复杂颗粒系统提供更多信息，如图像法颗粒在线测量参数包括颗粒粒度及分布、速度及分布、颗粒浓度和颗粒流量等。同济大学李建波博士报告题目：基于磁热效应的纳米药物传输系统的制备及其在肿瘤热化疗中的应用研究　　鉴于目前肝癌治疗方法的局限性，我国亟需开发更加安全有效的化疗药物载体系统，以提高化疗效果。李建波博士所在团队研发出的高SAR纳米磁流体，具有超顺磁性、良好胶体稳定性和生物相容性等特点。经过实验验证，这种纳米磁流体可对肿瘤细胞可以起到高效的磁热疗作用，并在优化磁场条件下，可通过诱导凋亡的方式消灭肿瘤细胞保证磁热疗的安全性。在这种基础上，该团队还进行了肿瘤的词热化疗协同增效研究与肿瘤耐药性的磁热化疗逆转研究，均获得了良好的实验成果。华东理工大学沈建华博士报告题目：多功能金纳米核壳杂化材料的制备及应用　　金纳米粒子具有小的尺寸和高的表面能，结构和性能都不稳定，如果将金纳米与其他材料杂化，不仅能提高Au(金)的特性，还能引入其他材料的特性，例如将Au与Fe3O4杂化后的新型材料，不仅具有Au的催化、生物、光学等性能，同时还拥有Fe3O4的磁分离、核磁显影等优势。在此基础上，沈建华博士所在团队不断尝试研发出的金纳米核壳杂化材料，在催化特性、等离子共振、拉曼增强、生物传感等方面均有着很明显的特色优势。英国马尔文仪器公司梅洁报告题目：纳米颗粒跟踪分析技术(NTA)的原理及其应用　　梅洁介绍到，鉴于纳米颗粒很小，不能被显微镜直接观测到，如此可以借助入射激光将颗粒照亮，研究人员就能观察到单个粒子并跟踪其布朗运动轨迹，从而基于单个粒子在短时间内快速制出每个粒子的粒径分布图。该技术可以跟踪每一个纳米颗粒的运动轨迹，以此得到整个样品体系的粒径分布信息，同时实时监测样品的运动、聚集过程。其典型应用表现在蛋白质聚集、药物传输、纳米颗粒毒理、病毒和疫苗等研究领域。华东师范大学卜凡兴报告题目：微/纳米结构材料的界面法合成及性能研究　　金属氧化物微纳米结构材料拥有奇特的功能特性，在生物医学、能源催化及纳米器件等领域有广泛应用。而对特殊结构与形貌的金属氧化物材料制备与性能研究，对胶体与界面化学、结晶学等基础研究领域有重要的研究意义。卜凡兴介绍到，通过实验研究发现，液-液两相界面是一个可以有效合成具有特殊形貌的金属氧化物微纳米结构材料的体系，由此合成的具有特殊形貌的微纳米结构材料往往表现出一些特殊的功能特性。

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. 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前言B 细胞具有产生针对多种靶标的抗体的独特能力，可提供针对感染的保护，同时还有助于免疫失调环境中的发病机制。人类 B 细胞分为五个群体：过渡、幼稚、非转换记忆、转换记忆和浆细胞。识别和分类人类 B 细胞的功能亚群，阻碍了作者在自身免疫中选择性靶向致病性 B 细胞和在疫苗接种中诱导记忆反应的能力。为了表征外围成熟的人类 B 细胞，本文作者开发了一种高度复用的单细胞筛选方案，通过使用大规模细胞术来量化 351 个表面分子的共表达。基于作者的研究结果，作者提出了一种分类方案，将来自外周血、骨髓、淋巴结和扁桃体四个组织的的 B 细胞分为 12 个独特的亚组，并构建了具有表面表型、代谢、生物合成活性和对免疫激活的信号反应特征的广泛单细胞图谱。这个人类 B 细胞身份图谱将使研究能够在稳态、疫苗接种、感染、自身免疫和癌症的背景下进一步确定 B 细胞亚群的功能。本篇为斯坦福大学研究团队在 Immunity期刊（IF:43.474）发表的题为 “An Integrated Multi-omic Single-Cell Atlas of Human B Cell Identity”的研究成果，采用改进的质谱流式细胞仪、流式细胞术等研究方法，成功量化了百万级人类B 细胞上 351 种表面分子的共表达模式。通过鉴定了差异表达的分子，对比VDJ 序列、代谢谱、生物合成活性和信号反应。提出了新的 B 细胞分类方案：在四种淋巴组织中鉴定出 12 个独特的亚群，包括 CD45RB + CD27 -早期记忆群体、类别转换的 CD39 +扁桃体常驻群体和有效响应免疫激活的 CD19 hi CD11c +记忆群体。该分类框架和基础数据集为进一步研究人类 B 细胞身份和功能提供了资源。技术流程研究结果1.高度多重的单细胞表面筛选揭示了人类 B 细胞表面蛋白质组为了识别区分 B 细胞亚群的分子，作者开发了多重筛选的方法，并量化了健康人类 B 细胞上 351 种表面抗原上的共表达模式（图1A）。通过设计了 12 个质谱抗体组，每个组由 9 个用于子集的保守分子和 30 个对每个组独特的可变分子组成。门策略可以实现四个典型 B 细胞亚群：过渡、幼稚、非转换记忆和转换记忆（图1B）。在设置了一个严格的阈值（图 1 C）后，作者确定了 98 个在人类 B 细胞上表达的表面分子（图 1D)。作者的单细胞筛选策略实现了对人类 B 细胞表达的表面分子的可靠鉴定。图1 |高度多重的单细胞表面筛选揭示了人类 B 细胞表面蛋白质组a)实验概述 (n = 2 个捐助者)。b)典型种群的代表性门控。c)屏幕上分子阳性的代表性阈值。d)总 B 细胞（顶行）的百分比阳性和 B 细胞表达的分子子集（底行）的中值表达。2.差异表达分析揭示了幼稚 B 细胞的无反应特性通过规范门控策略识别组织B 细胞的成熟状态：从过渡到幼稚、非切换和切换记忆。为了探究在整个过程中发生的蛋白质组学变化，作者评估了所有分子的子集中每个成对组合之间的表达差异。作者绘制了 61 个差异表达分子（图2A ）。正如预期的那样，未成熟的同种型 IgD 和 IgM 在过渡和幼稚亚型中富集，而经典记忆分子 CD27 在记忆细胞中富集。CD305在抗原缺乏经验的细胞中比记忆细胞富集， CD45RB (RB) 是 CD45 的同种型，优先在记忆细胞中表达。作者绘制了幼稚细胞与其他子集的比较（图2B），作者发现幼稚细胞表达的与运输相关的分子数量少于任何其他子集，这表明它们对刺激的反应较小。事实上，幼稚细胞对 16 种转运分子的中位表达值最低，在所有 46 种转运分子中平均表达最低（图 2C）。作者探索了这种趋势在 GO 术语中是否一致，并发现幼稚细胞在 30 个术语中的 19 个具有最低的平均表达值（图 2 D）。事实上，当对所有 98 个分子的中位表达值进行平均时，幼稚细胞的平均值最低，这表明它们比其他 B 细胞亚群处于更无反应的状态。这些发现证实了幼稚 B 细胞的无反应特性。图2 | 差异表达分析揭示幼稚 B 细胞a)子集的每个成对比较的中值表达差异。所有非白色瓷砖都是显著的（p 0.005）。b)比较的火山图，与 GO 术语“运输”相关联。框中列出的显著不同的分子按表达差异幅度的递减排序。c)转运分子 (颜色) 的中值表达。所有转运分子的中位表达平均值（黑色）。d)与 GO 术语相关的分子的中值表达平均值 (颜色)。所有分子的中值表达的平均值（黑色）。e)在幼稚细胞中表达更高的六种分子的表达 (p 0.005)。3.CD45RB 标记人类记忆 B 细胞并识别早期记忆群体为了找到唯一识别不同 B 细胞的标记，作者以无偏方式分析了所有 B 细胞中分子的共表达模式。作者生成了统一UMAP图，通过使用所有 12 个试管的供体汇集数据来展示保守分子的表达（图 3A）。作者绘制了与保守分子相关的分子，并按功能和相关保守标记进行展示（图 3 B）。在 UMAP 坐标上叠加规范门控标签，尽管表型相似，但细胞被规范门控视为不同的子集（图 3C）。大多数 CD27 +细胞也是 RB +，而 RB + CD27-群体包含 25% 未封闭的细胞（图 3 D 和 3E）。鉴于 RB + CD27 -细胞和 CD27 +细胞在 UMAP 上的共定位，作者假设这些细胞代表在当前分类方案下未被识别的记忆细胞群。为了评估 RB 和 CD27的记忆细胞谱，作者前瞻性地从健康的人类 B 细胞（n = 2 个供体）中分离出 CD27 × RB双阳细胞，并通过下一代测序对 IgH 基因座进行测序（图 3 F）。作为抗原暴露的代表，作者测量了互补决定区 3 (CDR3) 之外的 IgH 基因座中核苷酸的供体汇集突变频率（图 3 G）。正如预期的那样，CD27 +细胞具有相对较高的突变负担，在接触抗原后通过体细胞超突变 (SHM) 获得。作者量化了四个种群在一系列多样性顺序中的多样性并发现 RB - CD27 -细胞的多样性最高，而 RB + CD27 +细胞的多样性最低（图 3 H）。作者进一步探索来自一个群体的细胞是否倾向于与来自任何其他群体的细胞克隆相关（图 3 I）。作者发现来自四个群体中的每一个的细胞都更有可能与来自同一群体的细胞共享克隆谱系，而不是来自不同群体的细胞（图 3J)。这表明 RB 和 CD27 的表达在克隆谱系中是高度协调的，正如对响应抗原结合而表达的两种分子所预期的那样。总之，这些发现提供了强有力的证据，表明 RB 的表达是外周血记忆 B 细胞的指示，并且与 CD27 的缺失相结合，可用于对早期记忆群体进行分类。图3 | CD45RB 标记人类记忆 B 细胞并识别早期记忆群体4. 将 B 细胞分为表型和同型不同的亚群系统筛选了数十种在 B 细胞中差异表达的分子，因此作者假设作者可以将 B 细胞分类为更细粒度的亚群。作者对新鲜、健康的人类外周血 B 细胞（n = 3 名供体）进行了染色，细胞降维成十个不同的群体，包括两个幼稚和六个记忆子集（图 4 B）。表面表达谱提示成熟顺序排列（图4B）。七种不同分子的特征表达以手动门控每个群体，因此也用于标记该方案中的群体：CD11c、CD73、CD95、CD27、CD38、RB 和 CD19（图 4 C D）。子集倾向于在图上形成独特的岛屿，为作者的分类方法提供正交验证 （图 4 D）。为了评估子集之间的表型相似性，作者计算了中值表达谱之间的成对欧几里得距离（图 4 E）。对于每个群体，作者量化了表型最相似的子集。RB + CD27 -记忆和 RB + CD27 + CD73 -彼此最相似，进一步验证了 RB + CD27 -细胞作为记忆子集的状态。在汇总数据（图 4 F）中， 组织 B 细胞也会导致跨个体供体存在同种型。通过规范门控，30% 的 IgG +细胞和 20% 的 IgA +细胞由于缺乏 CD27，这表明 CD27 单独作为记忆分子的不足（图 4 G）。相比之下，作者的方法正确地将超过 99% 的 IgG +和 98% 的 IgA +细胞分类为记忆细胞。已知 Ig 同种型的使用会影响下游效应器功能和分化模式。因此，作者还在同种型的基础上组织了 B 细胞，并观察到BCR 复合物的两种成分的不同表达模式：表面 Ig 和 CD79b（图4H）。鉴于这些趋势，作者探索表型或同种型是否对预测表面 Ig 和 CD79b 的表达量贡献更大。作者创建了单细胞多元线性回归模型，其中细胞的表型标记和同型标记用于预测 CD79b 或表面 Ig 的表达（图4H）。尽管两者都提供了丰富的信息，但细胞的同种型对预测两种分子的表达的贡献超过了细胞的表型。总而言之，这些发现表明，作者的高维分类将外周血 B 细胞组织成十个表型不同的亚群，比典型的门控策略更准确地划分细胞。此外，这些表型分区显示出同型限制，这进一步有助于 B 细胞的身份。图4 | 将 B 细胞分为表型和同型不同的亚群5. B 细胞亚群功能的研究提示了不同的代谢、生物合成和免疫信号活性特征为了研究作者改进的 B 细胞分类方案的功能特性，作者探索表面蛋白是否表示其他潜在功能细胞过程的差异。作者对来自其他供体（n = 9 个供体）的健康人外周血单核细胞 (PBMC) 进行了染色，并使用质谱仪组来探索 B 细胞代谢谱、生物合成活性和免疫信号传导特征（图 5A）。作者量化了与四种代谢途径相关的八种酶的表达：糖酵解或发酵、ATP 感应、氧化磷酸化和脂肪酸氧化 (图5B )。幼稚细胞在所有亚群中的表达最低，而 RB + CD27 -记忆细胞具有介于幼稚和记忆亚群之间的中间代谢特征。这些通路使用的差异可能是由于不同的功能作用，因此不同的代谢需求。通过将 5-溴尿苷 (BRU) 和嘌呤霉素标记与质谱仪相结合，量化从头RNA 和蛋白质合成以及功能和表型特征。作者发现转录活动几乎不能解释在翻译活动中观察到的差异 (图 5 C)，突出了这两个过程的差异调节。CD19 hi CD11c +记忆细胞具有最高的中位转录活性，其次是 CD73 +幼稚细胞，其具有最低的中位翻译活性（图 5D)。发现转录活性浆细胞中的翻译活性和 CD184 表达高于转录lo浆细胞（图 5E)。这种转录活跃的群体可能是长寿命的浆细胞，而转录不活跃的群体可能是短寿命的浆细胞。为了评估亚群之间免疫激活敏感性的差异，作者用不同剂量的 BCR 交联剂和 CD40 配体刺激 B 细胞 10 分钟，然后用包含抗B 细胞信号传导固有的磷酸化靶标（图 5A）。作者测量了脾酪氨酸激酶 (pSYK) 和下游磷脂酶 Cγ2 (pPLCγ2) 的磷酸化（图 5F）。作者在双轴等高线图上可视化了 BCR 复合信号级联中两个分子 SYK 和 PLCγ2 的磷酸化状态变化，并发现子集之间的分布变化存在鲜明对比（图 5 H）。为了量化信号响应，作者计算了推土机在基线细胞和受刺激细胞之间的距离，发现这两个记忆群体以及浆细胞比所有其他子集的响应性明显更高（图 5 I）。作者量化了表型和同种型使用的相对贡献，以预测代谢途径表达、生物合成活性和信号响应的表达（图 5J)。总的来说，这些发现表明作者的表型分类捕获了代谢途径使用、生物合成活性和对免疫激活的信号反应的功能差异。图5 | B 细胞亚群功能的研究揭示了不同的代谢、生物合成和免疫信号活性a)实验工作流程 (n = 9 捐助者)。6. 淋巴组织特异性 B 细胞群的表征为了将人类 B 细胞分析的范围扩大到外周血之外，作者分析了来自外周血的骨髓 (n = 3)、扁桃体 (n = 3)、淋巴结 (n = 1) 和其他外周血样本 (n = 4)一个新的健康捐赠者队列（n = 11），通过大规模细胞术（图 6A）。为了探索组织之间 B 细胞表达的整体差异，作者评估了所有分子的供体组织表达差异。作者确定了至少一对组织之间存在差异表达 (p 0.005) 的 21 个分子，并绘制了它们的分布，按功能组织（图 6 B）。淋巴结也明显偏向未成熟同种型（图 6 C）。然而，扁桃体没有富集任何抑制分子（图 6 B），主要由具有记忆表型的细胞组成（图 6 C 和4 G）。为了评估组织内 B 细胞表型的组成，作者绘制了子集比例图，并且根据同种型数据，作者发现淋巴结大量富含 CD73 +幼稚细胞（图 6 D）。为了评估组织的差异性，作者根据子集组成计算了每个组织之间的成对曼哈顿距离（图 6 E）。作者确定了外周血中不存在的两个亚群：生发中心 (GC) B 细胞，存在于扁桃体和淋巴结中，以及一个 CD39 +扁桃体群（图 6 D)。GC 细胞是 CD38 +和 CD32 - (图 6 F)。图6 | 淋巴组织特异性 B 细胞群的表征a)实验工作流程 (n = 11 捐助者)。b)分子的小提琴图在至少两种组织中显著差异表达 (p 0.005)。研究讨论为了探究原代细胞的深层表型多样性，作者开发了一种高度多重的单细胞表面筛选，并将其应用于识别可以分离人类 B 细胞亚群的分子。这种方法使作者能够区分四种淋巴组织中的 12 个 B 细胞亚群并关联它们的功能特征。作者确定了六个记忆群体，证实了先前关于小鼠和人类抗原识别后表型多样化的报道。作者还确定了一个 CD19 hi CD11c +记忆群体，它与在自身免疫、感染和衰老背景下描述的几个群体具有一些共同特征。卡内尔等人，2017）。在这个群体中，作者通过 CD27 表达分离细胞，发现 T-bet 和 PD-1 在 CD27 - CD19 hi CD11c +记忆细胞中富集，类似于在 T 细胞中看到的效应记忆表型。在这里，作者通过对健康个体中多组学整合进行的深度表型分析揭示了新的、更细的B群体确定，全面映射了人体血液和淋巴组织中的 B 细胞身份。对几个细胞过程中表型与同种型使用的贡献的定量评估突出了对超越谱测序和同种型身份进行分析以了解人类 B 细胞免疫功能的必要性。研究结果作为未来研究在疫苗接种或疾病背景下研究体液免疫反应的资源，描述的群体和分子可能对于理解 B 细胞介导的发病机制或保护至关重要。

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！基于原子力显微镜的单分子力谱技术在高分子表征中的应用ApplicationofAtomicForceMicroscopy(AFM)-basedSingle-moleculeForceSpectroscopy(SMFS)inPolymerCharacterization作者：张薇，侯矍，李楠，张文科作者机构：吉林大学超分子结构与材料国家重点实验室,长春,130012作者简介：张文科，男，1973年生.分别于1997、2002年在吉林大学化学系(学院)获得学士、博士学位，导师为张希教授；2001~2002年于德国慕尼黑大学(LMU)博士联合培养，导师为HermannE.Gaub教授；2003~2007年于英国诺丁汉大学从事博士后研究.2007年6月至今，吉林大学超分子结构与材料国家重点实验室教授.2011年入选教育部“新世纪优秀人才支持计划”；2015年获得国家杰出青年基金资助.以原子力显微镜及磁镊等技术，从单个分子水平开展超分子作用力及大分子组装结构与组装过程研究，主要研究方向包括：单分子力谱与超分子组装、高分子结晶及力致熔融、核酸-蛋白相互作用、聚合物力化学等.摘要基于原子力显微镜(atomicforcemicroscopy,AFM)的单分子力谱技术以其操作简便、适用面广等优势，成为了单分子领域应用最为广泛的技术之一.本文阐述了该技术的基础原理与实验技巧，包括仪器构造、工作原理、探针与基底的选择、样品固定、实验操作、单分子信号的获得以及数据处理.介绍了基于AFM的单分子力谱技术在合成高分子及生物大分子表征中的典型应用及前沿进展.AFM单分子力谱技术将有助于建立合成高分子的链结构、链组成与单链弹性以及链间相互作用与其宏观力学性能间的关联，帮助理解生物大分子的结构、相互作用与其生物功能之间的联系.AbstractAtomicforcemicroscopy(AFM)-basedsingle-moleculeforcespectroscopy(SMFS)hasbeenusedwidelyintheinvestigationofmolecularforcesbecauseofitsfriendlyuserinterface(e.g.,easytooperateandcanworkinliquid,airandhighvacuumphase)andworldwidecommercialization.ThisreviewisaimedtointroducetheprincipleandprotocolofAFM-basedSMFSincludingthesetup,theworkingprinciple,typicalcurves,thechoiceofAFMtipandsubstrate,immobilizationofsamples,manipulationofthedevice,empiricalcriteriaforsingle-moleculestretchinganddataanalysis.RecentprogressesontheapplicationofAFM-basedSMFSinthecharacterizationofsyntheticpolymersandbiopolymerswerereviewed.Forsyntheticpolymers,theeffectsofprimarychemicalcompositions,sidegroups,tacticityandsolventsonthesinglechainelasticitieswerediscussed.TheapplicationsofAFM-SMFSindisclosingthestructureofunknownmolecule,polymer-interfaceinteractionsandpolymerinteractionsinpolymerassemblies(e.g.,polymersinglecrystal)wereintroduced.Inaddition,thenatureofmechanochemicalreactionsandcharacterizationofsupramolecularpolymerswererealizedviathistechnic.Forbiopolymers,theeffectsofbase-pairnumber,theforce-loadingmode(unzippingorshearing)onthestabilityofshortdouble-strandedDNA(dsDNA)werereviewed.Accordingtothisknowledge,thesingle-moleculecut-and-pastebasedDNAassemblywasthendiscussed.ThetypicalforcefingerprintsoflongdsDNA,proteinsandpolysaccharidesaswellastheforce-fingerprint-basedinvestigationofmolecularinteractionswereillustrated.Finally,theapplicationofAFM-SMFSinrevealingtheintermolecularinteractionsandthemechanismofvirusdisassemblyaswellastheantivirusmechanismoftanninintobaccomosaicviruswerereviewed.Therefore,AFM-basedSMFSisessentialforrevealingtherelationshipbetweentheconformation/compositionofpolymerchainsandmicro/macro-mechanicalpropertiesofpolymermaterialsaswellascorrelatingthemolecularstructure/interactionofbiopolymerswiththeirbiofunctions.关键词AFM单分子力谱  合成高分子  生物大分子KeywordsAtomicforcemicroscopy-basedsingle-moleculeforcespectroscopy  Syntheticpolymers  Biopolymers 合成高分子材料自诞生以来，迅速地以其优良的物理、化学及力学性能等在军事、航空航天、医疗及其他民用领域得到了广泛应用.其力学性能是最基本、最重要的性质之一，同时受到高分子的单链弹性及链间相互作用的影响[1,2].因此，建立高分子链一级结构、单链弹性及链间相互作用与材料宏观力学性能间的联系,对高分子材料的理性设计至关重要.然而，传统的材料学研究方法，如宏观拉伸实验、X射线晶体衍射、固体核磁及拉曼等技术无论从样品制备到检测均涉及大量分子，体现平均效应，表征宏观力学性能，无法获得单个链或键的性质及行为的相关信息.此外，传统研究方法也无法连续、动态及精确地体现出单个事件的不同步骤(例如高分子在不良溶剂中的塌缩行为)，导致很多重要信息无法获取.因此，可在纳米尺度精确操纵与测量的单分子技术，例如基于AFM的单分子力谱，被广泛应用于单个分子的结构、功能及其动态行为的研究中[1~5].利用该技术，人们获得了溶剂、取代基以及立构规整度等因素对高分子单链弹性的影响，验证并改进了一些经典高分子理论模型[1,6~9].该技术还可以研究高分子的构象变化及其在界面的吸附行为，揭示外力诱导下高分子链中化学键类型的变化规律(力化学)[1,10~12].同时，该技术还被用于凝聚态(晶体、层层组装薄膜等)中高分子间相互作用的相关研究[13,14].生物大分子(核酸、蛋白质及多糖等)结构与功能的研究对于认识复杂生命过程的本质，了解疾病的发生发展机制以及开发新型药物与生物医用材料至关重要.因此，AFM单分子力谱技术也被广泛用来研究生物大分子，例如DNA的解链及动态结构变化、蛋白质的折叠与解折叠、生物大分子间的相互作用(病毒的遗传物质与蛋白质外壳的相互作用)等[9,15~20].相关研究深化了人们对这些生物分子所参与的生命过程的认识，并为其功能调控奠定了坚实基础.本文将重点评述AFM单分子力谱技术的基础原理、实验技巧以及该技术在合成高分子及天然高分子领域的典型应用及前沿进展.1单分子力谱的基础原理1.1几种典型的单分子力谱技术迄今为止，诞生了许多单分子操纵技术，例如生物膜力学探测技术、玻璃纤维技术、光学镊子(光镊)、磁性珠技术(磁镊)以及AFM单分子力谱技术[9,21~25].后3种技术的应用较为广泛.光镊利用聚焦激光束产生辐射压力形成的光学陷阱来捕获修饰有样品分子的小球，通过移动激光光束控制小球的移动，实现对样品分子的三维操纵，其时间分辨力能够达到10-4s，被广泛应用于蛋白质折叠及解折叠等研究.但光镊系统构造复杂，对环境要求极高，有效样品捕获率低以及激光束容易对样品造成光和热损伤等不足亟待解决.磁镊技术将样品固定在基底与超顺磁性小球之间，利用外加磁场控制磁球，操纵样品分子，例如旋转等[22].因此，磁镊被广泛用于DNA缠绕及解缠绕等研究中.该技术可以检测低至10-3pN的力值，也被应用于一些极微小力的测量.该技术还能同时对多个磁球进行操纵，实现高通量测试.由于需要通过成像观测磁珠，因而相机的拍摄速度决定了磁镊的时间分辨率，通常在10-2s以上.在众多的单分子力谱技术中，AFM单分子力谱技术的应用最广，理论发展更为成熟[1~5,9,26,27].该技术将样品分子固定在AFM探针与基底之间，通过控制AFM探针的位移来操纵样品分子.该技术具有较高的时间和空间分辨率，较宽的力学测量范围，可以在真空、水相以及有机相等多种环境下工作，因此被广泛地应用于合成与天然高分子等众多体系中的分子内及分子间相互作用的研究.综上所述，光镊及磁镊的力学精度稍高，适用于由弱相互作用及熵弹性所控制的力学性质的研究；AFM单分子力谱更适合较强相互作用或者由焓控制的弹性性质的研究.为了更全面地认识聚合物的结构与力学性质，可以将上述3种单分子力谱技术联合使用.1.2AFM单分子力谱1.2.1仪器构造基于AFM的单分子力谱是AFM的工作模式之一.因此，其基本构造与AFM相同，主要由位置控制系统(压电陶瓷管)、力学传感系统(AFM探针的微悬臂及其顶端针尖)以及光学检测系统(激光二极管、棱镜、反射镜与四象限光电检测器)三部分组成(图1)[9,21,28,29].对压电陶瓷管两端施加电压，可以控制其驱动样品台或AFM探针进行亚纳米精度的位移.z方向的移动用于调整探针与样品间的距离；x，y方向的移动用以调整探针在样品表面的探测位置及范围.光学检测组件中的激光器将激光照射在微悬臂靠近针尖的一端，再反射到四象限光电检测器上.当AFM探针受到样品分子的牵拉发生弯曲时，其反射的激光的位置也会随之变化.据此，可以计算出微悬臂的偏转量，结合微悬臂的弹性系数，可以获得待测样品分子的相关力学信息[3~5].Fig.1TheschematicdiagramofAFM-SMFS.1.2.2工作原理实验前，样品分子的一端通过物理吸附、特异性相互作用或化学偶联等方法被固定在基底.随后，驱动压电陶瓷管使AFM探针逼近待测样品(图2(a)).如果基底对探针没有长程的吸引或排斥作用，微悬臂将处于松弛状态.探针与基底接触后，受力向微悬臂上表面方向弯曲，引起二极管的2个象限间的差分信号(pha-b)的变化(图2(a)与2(b)，状态2→3).在此过程中，样品分子会通过化学、物理或特异性作用吸附在探针上，在探针与基底之间形成桥联结构.随后，探针远离基底并恢复松弛状态(图2(a)，4)，pha-b也恢复初始数值.探针继续远离基底，桥联于探针与基底间的样品分子受到拉伸，导致微悬臂向针尖方向偏转(图2(a)，5)，引起pha-b的增加(图2(b)，5).最后，桥联结构中稳定性最薄弱的部分发生断裂，微悬臂迅速恢复为不受力的松弛状态(图2(a)，6)，表现为pha-b的突然回落(图2(b)，6)[1,9,21,29].每个完整的逼近-回缩过程都会产生pha-b对应压电陶瓷管位移的原始曲线(图2(b))[29].Fig.2(a)SchematicillustrationofthebasicworkingprincipleofAFM-SMFS (b)Originalvolt-piezodisplacementcurves (c)Typicalforce-extensioncurves.Fig.3ElectronmicroscopyimagesofacommercialSi3N4AFMprobe.Fig.4Molecularimmobilizationbasedon(I)physicalabsorption,(‍Ⅱ)specificbinding,(‍Ⅲ)gold-thiolchemistry,(‍Ⅳ)silanizationandenzymaticbiosynthesis.Fig.5Immobilizationofthiol-labeledDNAbasedonsilanizationandbifunctionalPEG.Fig.6Typicalcurvesobtainedinconstantvelocity(a)andforce-clampmode(b),respectively.原始曲线经过校正才能正成为最终的力-拉伸长度曲线(图2(c))[1,2,4,9,21,29].将具有弹性的微悬臂看成弹簧，根据胡克定律F=kcΔx(kc为微悬臂弹性系数，Δx为微悬臂偏转量)可以计算出微悬臂受到的作用力，即样品分子内或分子间的作用力.kc通过对微悬臂在远离基底时热振动所获得的能量谱的积分即可获得；Δx利用图2(b)中斜线部分(状态2→3)的斜率(s)，即Δx=s-1pha-b就可以计算出.样品分子的拉伸长度通过从原始数据横坐标记录的压电陶瓷管的位移中扣除Δx获得.至此，pha-b对应压电陶瓷管位移的原始曲线被成功地转化为样品分子的力-拉伸长度曲线.1.2.3力曲线及其含义AFM针尖逼近和远离样品表面的一个循环中可以获得2条力曲线，称为逼近力曲线与回缩力曲线(图2(c))[1,2,4,9,21].逼近力曲线上B区域的形状可以给出样品模量等信息.例如：当AFM探针接触较软的样品时，受到的排斥力随位移缓慢增加；而接触硬度较大的样品时，受到的排斥力快速增加，B区域的力信号与水平基线之间形成近90°的直角.对于回缩力曲线，C-D区域可以给出单分子弹性性质、链结构信息以及分子内、分子间相互作用强度等定量信息.2AFM单分子力谱实验技巧2.1探针与基底的选择AFM探针直接影响力学探测的稳定性、精确度及测量范围[1,2,4,9,21,29].其材质通常是硅或氮化硅，由针尖、微悬臂及承载微悬臂的基片组成(图3).针尖通常是四面体形状，最尖端的曲率半径(tipradius)为几个到几十纳米，高度(tipheight)通长为3~28µm.微悬臂有矩形和三角形2种，长度为7~500µm，厚度为0.5~7µm.其材质及几何尺寸均对共振频率和弹性系数有重要影响，需要根据实验体系来选择探针.对于弱相互作用体系(例如双链DNA的解拉链)[30]，应选择相对柔软，即弹性系数小的探针；而强相互作用体系(例如：共价键强度的测量)[31]，则需选择相对坚硬，即弹性系数较大的探针.值得注意的是，刚性较大的探针在应力松弛时其内部储存的能量释放速度更快，更适于研究多重键的连续打开与形成的动态过程，例如聚酰胺(PA66)单晶中聚合物链在受力熔融过程中的黏滑运动(stick-slip)[32].此外，一些公司也生产了许多功能化的AFM探针.例如：满足基于巯基-金的化学分子偶联的镀金AFM探针；为了增加激光束在微悬臂上表面的反射率，只在上表面蒸镀金属涂层(铝或金等)的探针等.然而，只存在于微悬臂上表面的镀层，往往导致其上下表面的膨胀系数产生差异，引起热漂移[33].为了减小该热漂移，有些探针只在其微悬臂的尖端进行有限的金属蒸镀(例如MLCT-BioDC型号探针).如需增加时间分辨率，可以选用超短探针[34].但超短探针的弹性系数通常较大.科研人员曾利用离子束刻蚀的方法将微悬臂做成镂空结构，同时保证了时间分辨率和弹性系数[35].然而，使用较小尺寸微悬臂时，激光容易“漏射”到样品表面，发生反射，与微悬臂表面的反射光产生干涉，导致力曲线出现大幅度波动.为了减少这种干涉效应，通常可以采取以下几种策略：(1)减小汇聚到微悬臂表面的激光光点的大小，从而减小漏光；(2)选用横向尺寸较大的微悬臂，增大反射面积；(3)选择透明基片(例如玻璃片)固定样品，降低基片的反射率；(4)适当增加样品平面相对于微悬臂平面的角度，降低反射光的相干性.AFM探针需要被牢固地固定在夹具上，以减少系统漂移.为了提高微悬臂检测的灵敏度，将激光光斑尽可能地照射在微悬臂的最前端.仪器调试完毕，让整个系统平衡10~30min，使微悬臂上下表面材质差异所引起的界面张力达到平衡，减小系统漂移.如在同一个样品上进行力谱探测的时间较长，且实验前期及后期微悬臂反射到光电检测器中的激光强度(sum值)有较大变化，可以在实验开始及结束时分别校正微悬臂的光学灵敏度及弹性系数.如数值差异较大，则实验前期与后期所得数据分别用初期及实验结束时的校正参数进行转换分析，防止由悬臂弯曲等因素导致激光点位置偏移，进而影响测试结果.AFM单分子力谱实验中常用基底(样品固定用)主要有石英、玻璃、硅片、云母及镀金片等[1,4,9,21,29].硅片较为平整，容易通过物理或化学修饰固定样品，最为常用.玻璃和石英片的平整度不如硅片，但其较好的透光性可以同时进行光学成像和单分子力谱实验.同时，透明基片有助于减小由较大的激光光斑或较小的微悬臂所产生的干涉现象.对于细胞类样品，也可直接在接种了细胞的聚苯乙烯培养皿上进行单分子力谱实验，以弥补玻璃基底细胞黏附率低的不足.含有巯基的样品分子可以选择表面有金镀层的基底.但金镀层反射率较强，当微悬臂较小时，漏到金片表面的激光较多，容易产生干涉现象.除了前述4种消除干涉的策略，还可以通过差减拉伸力曲线与松弛力曲线的方法来扣除干涉条纹[36].总之，要根据体系选择合适的基底.2.2样品固定与偶联成功进行单分子力谱实验的关键环节是样品分子在AFM针尖与基底之间的有效偶联，形成桥联结构，即样品分子的固定.根据相互作用本质的不同，样品固定方式可以分为物理吸附，特异性相互作用以及化学偶联(图4)[1,20].物理吸附主要利用样品分子与基底或针尖间的物理相互作用，例如范德华力、氢键、静电相互作用以及疏水作用力等，吸附样品分子(图4，Ⅰ)[9,21,26,27].通常将待测样品配成稀溶液，滴加到固体基片表面，吸附一定时间后，润洗掉游离及吸附不牢固的分子即可.为了增加单分子探测的几率并减小多分子信号的干扰，可以降低样品溶液浓度、减少吸附时间，以降低样品分子的吸附密度[2,28].对于吸附能力强且分子在溶液中易发生聚集的样品体系，需要配制极稀溶液来实现单分子拉伸探测[41].基于物理吸附的样品，制备虽然操作简便、快速，但由于探针在目标分子上的接触位置无法控制，导致拉伸长度及断裂力值随机分布.其次，物理吸附的作用力通常较弱且不可控，不适用于强作用力体系的研究.但在有些样品体系中，例如：拉伸多糖分子时，物理吸附也可以达到较高的断裂力(如1nN左右)[1,37~41].该现象主要源于样品分子在基底及AFM探针表面的多点物理吸附[1,37,41].此外，当探针以较大的下压力(例如2nN)接触样品分子时，在力诱导下样品分子有可能与AFM探针发生力化学反应，形成共价键，从而增大断裂力[1,37,42].特异性相互作用也经常用于固定样品分子(图4，Ⅱ).该方法专一性强、结合强度确定.其中生物素-链霉亲和素(biotin-streptavidin)系统(亲和常数高达1015mol/L)是最常用的分子对[9,21,26,27,43].此外，谷胱甘肽-谷胱甘肽S转移酶[44]以及镍离子(Ni2+)-氮川三乙酸(NTA)-组氨酸标签(His-tag)[45]的配位作用等也可以用于目标分子的固定.特异性分子对可以通过简单的化学反应被修饰在样品分子的末端或AFM探针、基底的表面，也可以通过基因工程方法被构建在蛋白质类样品的末端.上述分子对的相互作用强度通常在100pN左右，断裂力值高于该数值的体系不能采用特异性相互作用固定样品分子.样品分子还可以通过化学修饰直接固定在AFM探针或基底上(图4，Ⅲ与Ⅳ).化学修饰通过形成共价键固定样品分子.其修饰过程比物理吸附复杂，但形成的共价键较为牢固，断裂力可达纳牛顿(nN)级别，适用的力值测量范围较大.基于金-硫(Au-S)相互作用的化学偶联是常用的化学修饰方法之一(图4，Ⅲ)[21,26,27].该体系需要向待测样品中引入巯基.蛋白质类样品可以通过基因工程方法引入侧链含有巯基的半胱氨酸；核酸或高分子样品，可以通过化学方法在样品合成时直接引入巯基.随后，选用镀金的探针或基底，即可通过Au-S相互作用固定样品.研究表明金表面的氧化还原状态、溶剂的种类(水或乙醇)、反应环境的pH值以及反应时间等均影响目标分子在金表面偶联的稳定性[46].硅烷化是另一种常用的化学偶联方法(图4，Ⅳ)[9,21,26,27].该方法首先利用食人鱼(Piranha)洗液(V(98%H2SO4)∶V(30%H2O2)=7∶3)或者紫外臭氧等方法处理AFM探针或基底，使其表面羟基化.随后利用末端修饰有活性基团(例如氨基、羧基、巯基、环氧基等)的硅烷偶联剂与上述羟基反应形成硅氧键.最后，使探针或基底引入的活性基团与样品分子中相应的官能团反应形成共价键，从而固定样品分子.含有3个可水解基团的硅烷化试剂(例如三甲氧基或三乙氧基硅烷)与羟基反应效率较高.但在少量水存在时，该试剂可以发生分子间缩合，生成低聚硅氧烷，不仅对力谱实验产生干扰，还会增加样品分子的修饰密度，产生多分子信号.为了避免上述现象，可以选用只含有一个可水解基团的硅烷化试剂[46].末端含有氨基的硅烷化试剂在单分子力谱实验中的应用较为广泛.该氨基可以与含有琥珀酰亚胺羟基酯(NHS)的双功能偶联剂进一步反应固定目标分子(图5)[47]，也可以在EDC(DCC)/NHS的催化下与羧基反应形成酰胺键来实现偶联.近年来，研究人员将硅烷化反应与基于酶催化反应的化学偶联结合，固定蛋白质类样品(图4，Ⅳ)[48].该方法利用氨基硅烷化试剂修饰探针或基底，再利用氨基巯基交联剂引入末端含有巯基的桥联蛋白(例如半胱氨酸).桥联蛋白的另一端含有甘氨酸-亮氨酸(GL)，利用可快速催化GL与天冬酰胺-甘氨酸-亮氨酸(NGL)间连接反应的OaAEP1酶，就可将末端含有NGL的蛋白样品固定在基底或探针上.半胱氨酸、GL以及NGL均可以通过基因工程方法引入桥联蛋白及目的蛋白末端.通过共价键固定的样品体系，可以将双官能团偶联剂与惰性(单官能团)分子偶联剂(例如另一个末端是甲基的硅烷化试剂或者硫醇分子)共同修饰到基片表面(图5)[1,49].惰性偶联剂不含与样品分子反应的活性基团，无法连接样品分子，因此可以稀释样品分子，增加单分子信号[3].研究相互作用力的体系，例如受体与配体相互作用，柔性的PEG连接分子通常被引入样品分子与探针或基底之间(图4，Ⅱ)[9,21,27].连接分子主要有以下几种作用：(1)减小样品分子在探针或基底的非特异性吸附；(2)使样品分子构象自由、取向灵活，在相互作用的过程中结合得更加充分；(3)将断裂信号平移到更长的断裂长度，减小非特异性相互作用对目标力信号的干扰.图5给出了基于硅烷偶联剂和带有双官能团PEG的单股DNA共价固定方法.样品分子与AFM针尖的偶联方式决定了实验过程中一些实验参数的设置.依靠物理吸附的体系，探针接触样品表面时需要施加较大的下压力(例如1nN)和较长的停留时间，以增大样品分子在针尖表面吸附的概率及稳定性.利用特异性相互作用或化学反应的偶联，探针接触基底时则需采用尽可能小的下压力和较短的停留时间，避免破坏针尖表面修饰的有限数量的功能基团.此外，对于化学修饰的AFM探针，其表面的功能基团可能随拉伸次数的增加而变化，影响实验效率，因此需要适时更换探针.此外，如果力谱实验中多分子信号频繁出现，可以采取如下策略补救：(1)降低探针作用在样品上的下压力及停留时间，减小样品分子与探针间的作用力；(2)探针远离基底时，首先使探针在z方向小范围移动，使较短的分子率先被拉伸，随后逐渐增加探针的移动范围，使较短的分子先从探针上脱落，在探针与基底间保留单个、较长的分子；(3)采用“飞鱼”模式来获取单分子信号[1]，即控制探针在基底上方一定距离内程序性地靠近-远离基底，而不直接接触，当探针接触到一端固定在基底而另一端自由运动的样品分子并成功偶联后，再对该分子进行拉伸.2.3恒速与恒力模式恒速模式是AFM单分子力谱常用的测量模式(图6(a))[9,21,26,27,29].该模式下，压电陶瓷管控制AFM探针以恒定的速率对样品分子进行拉伸操纵，可以直接探测分子内或分子间作用力的强度、分子链长度等信息.获得的典型力学信号通常有单峰、锯齿峰或平台等.如果样品分子与探针及固体基片间的桥联结构足够稳定，还可以对同一个样品分子进行往复拉伸-松弛操纵，获得分子内或分子间的相互作用以及相应结构的动态破坏与形成过程[50].对于非平衡体系，还可以获得不同拉伸速率下，体系内力的强度随力加载速率变化的相关信息，获得体系解离速率常数及能量转换路径的信息[51].在恒速模式的基础上还发展了ForceMapping方法，即在样品表面选定范围内的不同位点进行恒速拉伸[9,21,27].该方法可以探测样品表面不同区域的黏附力情况，也可以研究细胞膜表面蛋白质的分布情况等.AFM单分子力谱另一种常用模式是恒力模式，也称力钳(force-clamp)模式(图6(b))[52~54].该模式通过力反馈系统精确控制压电陶瓷管的位移，使施加在样品分子上的作用力保持恒定，记录分子链长度随时间的变化过程，被广泛应用于蛋白质解折叠等领域[34].以多聚串联蛋白质解折叠实验为例[34]，先将蛋白质快速拉伸到接近其解折叠力的力值附近，保持外力恒定，一段等待时间后，一个折叠结构在外力作用下打开，释放出一定的长度.此时，探针施加在蛋白质上的力快速下降，仪器反馈系统快速响应，压电陶瓷管再次拉伸蛋白分子到设定力值，维持恒力模式.该过程表现在长度-时间曲线上是长度的突然增加，代表蛋白解折叠所释放的长度.拉伸长度在下一个解折叠事件前保持恒定.随后，其余折叠结构依次打开，最终得到台阶状的长度-时间曲线(图6(b)).从上述曲线中可以获得解折叠路径(包括中间态)及折叠结构寿命的信息(相邻台阶出现的时间间隔).恒力模式还可以研究蛋白质解折叠的逆过程，即折叠过程.将施加在解折叠蛋白分子上的外力突然减小到较低的力值(如十几个皮牛)并保持恒定，就可以原位跟踪蛋白质的动态折叠过程.值得指出的是，为了准确跟踪检测蛋白解折叠等动态结构变化信息，真实描述相关过程，仪器的力学反馈系统需要足够快.2.4单分子信号的指认AFM单分子力谱实验的核心目标是获得单个分子的拉伸信号.因此，指认单分子信号、规避或消除体系中的多分子信号至关重要.单分子信号的指认是一个有挑战性的任务，人们总结了一些半经验性的标准用于单分子信号的指认[1].首先，可以统计体系的信号率，如果信号率较高(10%)，则预示体系内可能存在着一定比例的多分子拉伸[1].随后，可以观察单条力曲线上力信号的个数、形状及力值.通常，单分子拉伸只对应力-拉伸长度曲线上一个单独的峰.如果力曲线上出现多个连续、大小不一的峰或平台，则可能对应着多分子拉伸[49].其次，可以对数据归一化处理[1].同一实验体系中，相同结构与性质的分子受到的拉伸力与被拉伸的长度成正比.据此可以对不同拉伸长度的曲线进行归一化处理(拉伸长度除以完全伸展长度).如果归一化曲线能完好的重合，则证明该批数据均来自单个分子的拉伸操纵.此外，往复拉伸实验中，如果分子链内部不存在高级结构及强相互作用，即使经过多次的拉伸、松弛操纵，单分子的拉伸及松弛力曲线依然可以重合.除了上述方式，还可以利用一些模型拟合力曲线，比较拟合参数(如库恩长度，相关长度或者链段弹性系数等)来甄别单分子数据[1].如果拟合参数相差较大，则证明存在多分子拉伸信号.常用的模型主要有蠕虫链模型(WLC)与自由连接链模型(FJC)[1,2].WLC模型主要用于描述刚性及半刚性高分子.FJC模型中高分子弹性的变化主要来自熵的贡献，主要用于柔性高分子以及刚性高分子低力值区域的单分子力谱数据的拟合.例如：研究人员将相互作用的MUC1多肽与scFv抗体通过PEG连接分子分别修饰在探针与基底上，进行单分子操纵.利用FJC模型拟合数据后，可以准确地区分出1~6个分子对被拉伸时分别对应的力曲线[3,55].此外，已知聚合物的力学指纹谱也可以被用来指认单分子拉伸信号[46].PEG、羧甲基化淀粉以及多聚蛋白质的力学指纹谱是被经常采用的单分子拉伸指示剂.为此，可以将待测分子与已知指纹图谱的分子进行串联(图7)[49].需要注意的是待测体系的力学稳定性要大于内标分子产生力学指纹谱所需的力值.Fig.7Basicstrategytoisolate/identifysinglechain/moleculepairstretching.2.5力谱数据的分析处理单分子力谱数据可以给出的信息包括长度及力值的定量信息.为了更精确地描述这些定量信息，通常需要对大量力学信号进行统计分析[1].常用的统计方法是将所得数据以柱状图形式呈现，进行高斯拟合，得出最可几值.此外，还可以利用自由连接链模型及蠕虫链模型对数据拟合，获得库恩长度、相关长度或者链段弹性系数等信息[1].近年来，这些经典模型不断被修正，应用范围逐渐被拓展[56].例如：FJC模型中了增加参数Ksegment，表征高分子链中每一个链段的弹性，被修正为可伸长的FJC模型(eFJC).该模型中，每一个链段类似弹簧，受力过程中伸长，可以更加精确地描述高分子受力时的弹性行为.为了更好地描述高分子主链的固有弹性，即本征弹性，由量子力学(QM)计算得到的非线性单链焓弹性模量被整合到WLC、FJC及FRC模型中，得到了QM-WLC、QM-FJC与QM-FRC模型[57].在特定情况下，如水环境或真空条件，侧基和环境的非共价相互作用会对高分子链弹性产生影响.为了得到上述情况下高分子主链的弹性，基于两态(two-states)系统的非共价作用动力学被引入，创建了TSQM-WLC、TSQM-FJC及TSQM-FRC模型.上述修正模型能够更加精确地定量高分子链的结构及性质[57].一些非平衡态体系，例如受体配体的解离、力诱导下的转变等，力加载速率会影响力-拉伸长度曲线的形状.因此，可以在较大力加载速率范围内，观察上述非平衡体系的力强度变化，获得动态力学谱[1].之后采用诸如Bell-Evans模型等对其进行拟合，分别可以得到沿着受力方向的结合状态与过渡状态间的距离(xβ)以及体系没有外力作用下的解离常数(Koff).3AFM单分子力谱的典型应用3.1合成高分子体系3.1.1聚合物单链弹性聚合物主链结构对其单分子弹性性质具有重要影响.研究人员利用AFM单分子力谱详细地研究了导电高分子聚苯胺(PANI)在氧化、还原及掺杂状态下的单链弹性性质(图8)[58].实验结果显示这些聚苯胺的力曲线呈现出类似变化规律：力值随着拉伸长度的增加呈单调上升.利用FJC模型拟合上述力曲线，结果表明聚苯胺分子氧化态时刚性最大，掺杂状态时最为柔软.这是不同状态的聚苯胺分子中芳香胺与醌二亚胺的含量不同所导致的.Fig.8Normalizedforce-extensioncurvesofPANIindoped(red),oxidized(blue),andreduced(black)states,respectively(ReprintedwithpermissionfromRef.‍[58] Copyright(2009)AmericanChemicalSociety).除了主链的氧化还原态外，聚合物主链的立构规整性对其弹性也有重要影响(图9)[1,9].在甲苯溶液中拉伸反式-及顺式-聚异戊二烯时，前者在低力值区体现出较大刚性，而后者则表现出明显的熵弹性.FJC模型的拟合也验证了顺式聚异戊二烯较高的熵弹性.这是由于反式聚异戊二烯以伸展的构型存在，而顺式聚异戊二烯则是扭曲构型.相同外力作用下，顺式聚异戊二烯构象数变化较大，熵弹性较大.该研究表明即使反式聚异戊二烯处于溶液中这种高弹态，其熵弹性仍然不如顺式聚异戊二烯强.Fig.9Normalizedforce-extensioncurvesofcis-andtrans-poly(isoprene)intoluene(ReprintedwithpermissionfromRef.[1] Copyright(2003)ElsevierLtd.).AFM单分子力谱还被用于探究高分子侧链结构对其弹性行为的影响[1,2,9,59].聚丙烯酰胺(PAAM)与聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAM)主链结构一样，前者重复单元侧链只含有2个氢原子，而后者则含有异丙基与氢原子.这种分子结构的差异导致2种高分子的水合能力不同.水溶液中，PAAM在低力值区域表现出明显的熵弹性.PNIPAM由于侧链异丙基体积较大，更加伸展，熵弹性没有PAAM显著，但在高力值区域表现出明显的焓弹性，如图10所示[1,59].Fig.10Normalizedforce-extensioncurvesofPNIPAMandPAAMinwater(ReprintedwithpermissionfromRef.[1] Copyright(2003)ElsevierLtd.).人们又在单分子水平研究了侧链树枝代数对主链重复单元为苯乙烯与马来酸酐的聚合物GnMA-g-BA(n=1,2,3)弹性的影响[60].在四氢呋喃中拉伸时，G2MA-g-BA分子的刚性大于G1MA-g-BA，表明侧链树枝代数的增加使高分子体积变大，导致其刚性增强.然而，侧链树枝代数增加的同时也导致主链周围空间效应的增大，从而减小酰胺侧基与溶剂间的氢键相互作用.因此，在三氯甲烷中实验时，G2MA-g-BA的刚性反而弱于G1MA-g-BA.故考察聚合物侧基对单链弹性的影响时需要注意考虑溶剂化效应.除了聚合物链本身的组成结构会影响其弹性性质外，聚合物所处的环境(如溶剂)也会影响高分子弹性.例如：高分子在良溶剂中通常以无规线团形式存在，而在不良溶剂中则塌缩成小球[6,61,62].研究人员利用AFM单分子力谱研究了聚苯乙烯(PS)链段在不同溶剂中的弹性行为.在环戊烷中拉伸PS分子时，由于环戊烷破坏了间隔苯环之间的π-π堆积，PS本征弹性能够得以体现[63].然而，在不良溶剂中拉伸形成塌缩小球的PS时，则得到了带有平台与单峰的力曲线(图11(a)与11(b)).平台对应着塌缩结构在外力诱导下逐渐被打开的过程，单峰则对应着伸展后的PS分子在外力拉伸下的弹性行为.利用WLC模型模拟上述单峰信号.假设塌缩小球内部的高分子链段是松弛的，则拟合曲线的上部面积代表从塌缩结构变成伸展状态的过程中高分子与溶剂的界面能的增加，即PS的疏水塌缩过程由界面能支配(图11(c))[61].随后，PS纳米粒子的疏水水合自由能与自身尺度间的关联也被深入探究[64].当PS纳米粒子的尺寸1nm时，水分子在其表面重排，体系发生焓变，水合自由能则与其表面积呈线性关系.Fig.11(a)IllustrationofAFM-SMFSstudyoftheglobule-to-coiltransitionofPSinwater (b)Theforce-extensioncurve(red)ofPSwithentropicelasticstretchingportionfitbytheWLCmodel(blue) (c)Thermodynamicrelationshipsbetweenpolymersandfreemonomersinvariousconformationalstates(ReprintedwithpermissionfromRef.[61] Copyright(2012)AmericanChemicalSociety).通过AFM单分子力谱获得的样品弹性性质还可以用于推测其结构，因此研究人员尝试利用该技术探索未知分子.例如：无定形红磷的分子结构无法通过传统的研究方法获得，其结构一直未知.因此，研究人员将红磷吸附在玻璃基底上，利用AFM探针在乙醇中拉伸红磷分子[65].如图12所示，实验获得的力曲线与拉伸链状高分子类似，表明红磷为线性高分子，并且其平均表观链长约为106nm.利用QM-WLC模型进行理论计算后发现，实验获得的红磷拉伸的力曲线与一种“之字形”梯状的拟合曲线高度重合.因此，无定形红磷可能为“之字形”梯状的线形高分子.Fig.12Theforce-extensioncurveofa-redP(solidblackcurve)andtheQM-WLCfittingcurves(dottedlines)ofitspossiblestructures(inset),respectively(ReproducedwithpermissionfromRef.[65] Copyright(2019)ofWiley-VCHVerlagGmbH&Co.KGaA,Weinheim).3.1.2高分子-界面相互作用高分子在界面的吸附形态对于很多领域(例如界面黏附调控以及层层组装膜构筑等)非常重要，但通常难于表征.AFM单分子力谱被成功用于研究高分子在界面处的吸附形态及解吸附力[1,9].研究表明，高分子在界面处的吸附形态影响着力曲线的形态(图13(a)).例如：通过共价键被修饰在硅基底上的聚二甲基硅氧烷(PDMS)分子，解吸附时产生了带有单峰的力曲线.这表明该分子是以大的“环状”结构(bigloop)或“尾部”结构(tailstructure)吸附在基底.聚四乙烯基吡啶(PVP)在甲醇溶液中通过氢键吸附在氨基修饰的基底上，解吸附时得到了带有锯齿形力信号的力曲线.这意味着PVP分子是以不规则的小的“环状”结构(loopstructure)吸附在基底上，吸附位点较多，力曲线上每一个锯齿峰均对应着环状结构依次从基底上解吸附的过程.然而，当聚乙烯甲酰胺(PVAm)分子通过静电作用力吸附在基底，其解吸附的过程则获得了带有长平台的力曲线.这表明PVAm是以“平躺”形态(train-likestructure)吸附在基底.上述结果表明AFM单分子力谱是研究高分子界面吸附的有效方法.Fig.13(a)Force-extensioncurvepatterns(toprow)andthecorrespondingadsorptionconformations(bottomrow)(ReproducedfromRef.[1]withpermissionofElsevierLtd.) (b)SchematicdrawingofthebreakageofAu-AubondsmeasuredbyAFM-basedSMFS (c)Thestrengthofthiol-goldcontactsonoxidizedandreducedAusurface(ReprintedwithpermissionfromRef.[46] Copyright(2014)NaturePublishingGroup).AFM单分子力谱还被用于研究末端含有巯基的聚合物与金表面的相互作用(图13(b))[46].首先，巯基通过PEG连接分子被固定在AFM探针上，然后接近金基底.Au-S键形成后，再控制探针远离基底.在还原金表面实验获得的断裂力的最可几值约为0.6nN.为了验证该力值是来源于Au-S键的断裂还是Au原子被从基底拉出所导致的Au-Au键断裂，研究人员将上述实验中得到的修饰有金原子的AFM探针继续在修饰有巯基的基底上进行实验，结果得到了类似的断裂力值.这证明，施加外力时，Au-S结合位点处的Au-Au键发生断裂，Au原子被拉出.结合XPS与拉曼光谱技术，人们发现巯基与金相互作用过程中首先形成配位键，而后转变为共价键.同时，氧化金表面及较长的反应时间能增强巯基与金形成的结合位点的力学稳定性(图13(c))[46].为了研究金与其他硫族元素相互作用的规律，研究人员分别合成了含有不同硫族元素的嵌段聚合物(PEG-PUX-PEG(X=S,Se,Te))，研究了该聚合物链在金表面的吸附形态及强度[10].结果显示该种嵌段聚合物以规律的小的“环状”结构(loopstructure)吸附在基底上，且结合位点较多，因此实验得到带有规则锯齿形力信号的力曲线.4nm的锯齿间距与聚合物链中相邻硫族元素间的链段长度相一致.对断裂力值的分析表明Au-Te键的强度最强，Au-Se键次之，Au-S键最弱[10].这证明相对原子质量大的硫族元素与金形成的键强度较大.此外，人们还利用AFM单分子力谱研究了聚多巴胺与氧化钛基底的相互作用[66]，以及高分子在固液界面的摩擦行为的本质[67].3.1.3高分子组装体中分子间相互作用半结晶性高分子广泛存在，其在高分子材料中占据非常大的比例.高分子结晶相的结构对材料的力学及光电性质等诸多性质具有重要影响.从单分子水平研究高分子链结构对结晶过程、晶体结构以及材料力学性质等的影响规律，对于进一步揭示结晶机制、建立链结构与材料性能之间的联系、设计发展高性能高分子材料具有重要意义.然而相关研究充满挑战，通过将原子力显微镜(AFM)成像与单分子力谱技术有机结合，并辅以合适的样品制备及偶联方法，研究人员成功地将单条高分子链从聚氧乙烯(PEO)晶体中提拉出来，定量测量了晶体中高分子链间作用力的大小(图14(a)与14(b))[13].Fig.14(a)SchematicillustrationofAFM-basedSMFSstudyonaPEOsinglecrystal (b)TypicalforcecurvesrecordedintheAFM-basedSMFSexperimentonagold-nanoparticle-labeledPEOsinglecrystal(ReprintedwithpermissionfromRef.[13] Copyright(2011)AmericanChemicalSociety) (c)SchematicillustrationofthehydrogenbondchangeinPA66singlecrystalwhenslippingonerepeatunitalongthepullingdirection (d)TheforcecurvesofPA66obtainedduringtheunfoldingofafoldedstructure(ReprintedwithpermissionfromRef.[32] Copyright(2018)AmericanChemicalSociety).在此基础上，研究人员进一步克服样品制备等难题，将其发展成一种普适性的研究方法，成功地将该方法应用到聚乙烯(PE)、尼龙66(PA66)、尼龙6(PA6)、聚乳酸(PLLA)和聚己内酯(PCL)等众多高分子晶体体系当中，结合聚合物单分子力谱和受控分子动力学模拟，系统考察了晶体中聚合物链构象(螺旋、平面锯齿和非平面锯齿)链组成及外界环境等对纳米力学性质的影响规律：(1)发现晶体中高分子链运动模式的纳米力学特征，螺旋链在受力拉伸时采取螺旋运动模式，力值变化较平稳、波动较小，而锯齿链会发生黏滑运动(stick-slip)导致力值出现锯齿状波动[68,69]；同时首次通过单分子实验观测到PA66及PA6晶体中高分子链在受力形变过程中多重氢键的动态断裂与重新形成的粘滑运动过程[32](图14(c)与14(d))；发现高分子链在晶体中滑动过程中进行高速旋转直至氢键重新形成；结果还显示，stick-slip运动既受主链结构及链折叠模式的影响，也受力加载装置的弹性系数、无定形区域的链长度等因素的影响；例如：弹性系数较大的探针在松弛过程中储能释放速度较快，链上的残余应力较小，因此在链段滑移后有利于氢键再次形成，表现为力曲线上锯齿峰的数量较多(图14(c)).基于上述具有指纹特征的力谱，研究人员成功地发展了高分子晶体中链折叠模式的定量化研究方法，该方法无需对样品进行标记，具有很好的普适性，研究结果显示溶液相制备的高分子晶体中近邻规整折叠模式所占比例很高(≥91%)，表明分子内相互作用对结晶过程起到了关键作用[70].除了晶体，层层组装膜中聚电解质分子间的相互作用及其结合/解离的动力学性质也受到了关注.为此，聚阴离子电解质形成的薄膜被固定在基底表面，聚阳离子电解质PM2VP249被修饰在AFM探针上，进行单分子力谱实验(图15)[14].结果显示，电荷相反的电解质有2种结合模式：一种是在膜的表面发生表面沉积(图15，I)，另一种是进入到膜的内部进行内部包埋(图15，Ⅱ).内部包埋模式受到盐离子浓度的影响较大.Fig.15Schematicdescriptionofthestrengthmeasurementofionicbondsandthetypicalforcecurvesrecordedduringthedisruptionofazipperofionicbonds(I:oneatatime Ⅱ:simultaneousdisruptionofcooperativecomplexeswithmultiplebonds)(ReprintedwithpermissionfromRef.[14] Copyright(2012)AmericanChemicalSociety).3.1.4力诱导化学反应近年来，力响应功能基团(亦即力色团)，即受到外界刺激时能够发生特定键断裂的功能基团，受到人们的关注[71~78].这些力色团可以赋予材料更高的韧性、自修复性等，并可用于材料体系内部应力损伤的探测.定量研究高分子中的化学键在外力作用下的断裂及转变，对于揭示力化学反应的本质、开发新型力色团继而实现高分子材料的增强增韧以及内部应力大小的可视化呈现具有重要意义[11,31].人们利用AFM单分子力谱揭示了一系列含有力响应基团的高分子在外力诱导下的化学反应的本质与特点[72,79~92].例如带有多个重复四元环功能基团的肉桂酸类高分子被共价桥联在AFM探针与基底之间进行拉伸操纵(图16)[11]，获得了带有锯齿峰平台的力曲线.每个小锯齿的峰间距约为2.4nm，与打开一个和四元环相连的冠醚分子所增加的2.46nm的长度极其相似(图16).因此，力曲线上每一个小锯齿峰都代表着一个四元环开环以及与之相连的冠醚分子链的应力释放过程.锯齿峰的高度则对应着四元环开环反应所需要的力值.实验中获得了力值约为1nN(粉色区域)与2nN(蓝色区域)的2种锯齿峰，分别对应顺式及反式四元环开环所需外力的大小(图16).该结果表明，即使是同样的力色团，其在主链上的不同连接方式也可以导致其力学性质的不同，为材料力学性质的调控提供了新思路[11].Fig.16Arepresentativeforce-extensioncurveofcopolymerP2(ReprintedwithpermissionfromRef.[11] Copyright(2017)NaturePublishingGroup).马来酰亚胺-巯基的化学反应常常被用于蛋白质的偶联或修饰中.然而，由于反米歇尔加成反应及巯基交换的原因，马来酰亚胺-巯基交联产物的稳定性很差.但如果上述交联产物能够水解开环，其稳定性将被大幅度提高.因此人们在单分子水平探索了机械力对马来酰亚胺-巯基键稳定性的影响[31].结果表明，在水溶液中断裂马来酰亚胺巯基键(S―C键)需要大约1nN的作用力，而在乙腈中只需要0.4nN.这是由于外力作用下，马来酸硫醚在水溶液中发生水解开环与反米歇尔加成反应，而在乙腈中只发生后一种反应.不受力的情况下，马来酸硫醚的水解开环反应速率很慢，半衰期约为100h.而在外力诱导下，其水溶液中的开环反应速率被提高至1s左右.因此，通过外力诱导引起开环反应而提高了马来酰亚胺-巯基键的稳定性.该项研究提供了一种通过施加外力来稳定马来酰亚胺-巯基键的方法.3.2超分子聚合物3.2.1超分子聚合物的表征超分子聚合物的非共价连接和动态性在赋予其独特性质的同时，也使其分子量等表征变得十分困难.AFM单分子力谱被成功用于具有一定稳定性的长链超分子聚合物的表征[93,94].例如：研究人员曾利用2-脲基-4-嘧啶酮基团(UPy)修饰AFM探针与基底，然后向体系中加入UPy-UPy溶液，依靠超分子组装在探针与基底之间形成超分子聚合物的桥联结构.根据拉伸曲线上的断裂长度以及单个Upy的长度，可以计算出超分子聚合物的聚合度信息(断裂长度/Upy单元长度)(图17(a))[95].除了用于这种基于多重氢键的超分子聚合物体系外，AFM单分子力谱技术还被成功用于客体增强的超分子聚合物体系的研究.该实验中科研人员利用溴化吡啶衍生物DADV分子间的电荷转移相互作用，再结合葫芦脲CB对该复合物的主体增强相互作用，使CB加载DADA，形成超分子聚合物(图17(b))[96].在对该超分子聚合物的拉伸操纵过程中得到了带有一个单峰或者平台状力信号的力曲线(图17(c)).平台力信号对应着超分子聚合物从基片表面的解吸附过程.统计结果显示，该超分子聚合物的最可几分子长度为60nm.此外，人们还合成了首尾均含有蒽的单体，利用π-π相互作用形成超分子聚合物.单分子操纵实验显示，链段长度为23.9nm.以上结果表明AFM单分子力谱技术是表征超分子聚合物的有效手段.当然，如果超分子聚合物的力学稳定性过低，将导致该聚合物链被完全拉伸之前就已经发生断裂，则无法给出聚合物的信息.Fig.17(a)Arepresentativeforce-extensioncurveofUPybasedsupramolecularpolymers(ReprintedwithpermissionfromRef.[95] Copyright(2005)Wiley-VCHVerlagGmbH&Co.KGaA,Weinheim) (b)Illustrationofthesupramolecularpolymerformationbasedonmultiplehost-stabilizedcharge-transferinteractions (c)Force-extensioncurvescorrespondingtothedesorptionofsupramolecularpolymerchainsfromthesubstrateinthesolutionofDADV-2CB[8]andthehistogramofthelengthofplateausontheforcecurves(ReprintedwithpermissionfromRef.‍[96] Copyright(2010)Wiley-VCHVerlagGmbH&Co.KGaA,Weinheim).3.2.2动态力学性质研究近年来，超分子聚合物的动态力学性质成为了研究的热点，因为该性质与材料的刺激响应性以及自修复等性质直接相关.AFM单分子力谱已被成功用于研究聚[2]索烃中索烃大环的受力运动规律(图18(a))[97].实验获得了带有锯齿峰的力曲线，对应着氢键锁定基元的连续打开过程.对同一条聚合物链进行往复拉伸过程中，拉伸与松弛曲线上都可以获得锯齿状的力信号，这证明索烃分子间的氢键作用在受力解离之后仍可以恢复至原来的结合状态，体现出超分子相互作用的可逆性.通过对不同拉伸/松弛速率下的断裂(或成键)作用力进行统计分析，绘制出了该索烃体系解离及形成的能量路径.该聚合物交联后制备的功能化水凝胶的宏观力学性质，体现出了与单分子力学性质的直接关联(图18(a)).Fig.18(a)SchematicdescriptionoftheAFM-basedSMFSexperimentonpoly[2]catenaneandthepropertiesofcorrespondinghydrogels(ReproducedwithpermissionfromRef.[97] Copyright(2019)ChineseChemicalSociety) (b)Nanomechanicalpropertiesofasupramolecularhelix.Highdynamicflexibilityobtainedduringstretching(top)andlowstaticflexibilityasobtainedbythermalshape-fluctuationanalysis(bottom)(ReprintedwithpermissionfromRef.[100] Copyright(2020)Wiley-VCHVerlagGmbH&Co.KGaA,Weinheim).轮烷分子独特的超分子互锁结构使其成为了分子开关和分子马达等相关研究的模型分子.AFM单分子力谱被成功用于研究开启该分子马达所需要的外力大小以及动态解离与结合过程[98].实验过程中，轮烷分子的“轴”被固定在基底上，轮状分子则通过PEO桥联在AFM探针上.结果显示，轮烷分子主要依靠氢键来维持其结构稳定.在运动过程中，能量在轮状分子内氢键与PEO链和AFM微悬臂构成的串联体系的弹性势能间转换.研究人员又设计合成了通过机械互锁结构间相互作用形成类似蛋白质折叠结构的寡聚轮烷分子[98].在拉伸操纵寡聚轮烷分子的过程中，人们发现寡聚轮烷分子具有类似蛋白质的折叠性能，并且其折叠速率可以与蛋白质折叠速度相媲美.类似体系还包括基于多重氢键的UPy二聚体的力学蛋白模拟体系[99].此外AFM单分子力谱方法还被成功地用于由纯的超分子相互作用(π-π及疏水效应)所形成的超分子螺旋的纳米力学性质研究，研究发现该螺旋具有很低的静态柔性及很高的动态柔性(图18(b))[100].3.3生物大分子的纳米力学性质及动态结构研究3.3.1脱氧核糖核酸(DNA)DNA是生物体内重要的遗传物质，携带有转录RNA及合成蛋白质的重要信息.双链DNA独特的双螺旋结构对遗传信息的稳定存在及准确传递至关重要.在一些生理活动中，例如复制或转录等，双螺旋DNA经常受到外力作用发生一定程度的形变.因此，充分了解DNA的力学性质有助于深入理解一些重要的生理过程.近年来，随着DNA纳米技术的不断发展，各种基于DNA的纳米组装体被成功构筑，研究DNA互补链之间的结合强度对于功能组装体的构建及组装体的结构与性能调控具有重要意义[101].人们首先利用AFM单分子力谱研究了短双链DNA(10、20以及30个碱基对)的力学性质(图19(a))[30].结果显示，其断裂力值随着碱基数与力加载速率的增加而增加(图19(b)).此外，其断裂力值也受断裂方式的影响，即剪切断裂模式(2条链的5′端同时受力)所需的力值大于解拉链模式(2条链同一侧的5′端与3′端同时受力)[30].因此，短链核酸受力模式(剪切与解拉链)影响着其表观作用强度.Fig.19(a)Atypicalforce-piezodisplacementcurveofadsDNA (b)TheunbindingforcedependenceonthestretchingvelocityofdsDNA(10,20and30bp)(ReprintedwithpermissionfromRef.[30] Copyright(1999)NationalAcademyofSciences,U.S.A.).基于上述规律，研究人员将短双链DNA用作力学传感器[102].不同碱基对数量的短双链DNA被分别固定在PDMS模板和玻璃基底上，通过一段65碱基的带有荧光基团的单链DNA桥联.当模板与玻璃基底分离时，带有荧光基团的单链DNA会保留在碱基对数量较多的双链DNA一侧.该设计可以在碱基对数目相同的DNA中精确地区分出少至一个碱基对的错配.基于短双链DNA的力学稳定性，研究人员进一步将AFM单分子力谱与荧光显微镜结合，在单分子水平对短链DNA进行纳米组装[103].待搬运DNA的一端首先与存储区域基片表面固定的单股DNA形成双链结构，另一端则与针尖上固定的单链DNA互补形成桥联结构，针尖垂直运动过程中待搬运DNA以解拉链方式从基片表面断裂并留在针尖表面，从而被针尖从存储区域搬走.当该探针转移至目标样品区域时，被搬运DNA能够与该处基底固定的单股DNA形成一段新的双链DNA.此时，被搬运DNA与基片表面单链DNA形成的互补结构的长度大于其与针尖上的DNA形成的互补链的长度.当探针远离该区域时，串联结构中的两段双链DNA均处于剪切受力模式.由于被搬运DNA与目标区域基底固定的DNA形成的双链片段更长，稳定性更强，因此被搬运DNA与探针表面DNA解链，留在目标区域.利用上述原理，核酸分子可被连续搬运组装几百次，再结合荧光分子、量子点、蛋白质，可以实现多种物质在基片表面的图案化组装.通过将长链dsDNA桥联于AFM针尖及固体基片之间进行拉伸操纵，研究人员获得了具有指纹特征的长链dsDNA单分子力谱[9,104].在拉伸初期，DNA由无规卷曲变为伸展状态，对应力曲线的低力值区域.随着外力增加，DNA达到完全伸展长度后被进一步拉伸时，其构象由天然B-DNA变为过度拉伸的OS-DNA，导致力曲线出现高度约为65pN(F1)的长平台(B-OS转变，图20(a)).上述平台力值没有拉伸速率依赖性，具有指纹图谱特性.往复拉伸实验中，施加的外力等于或低于65pN时，松弛曲线可以与拉伸曲线重合.因此，B-OS转变是一个可逆过程.B-OS转变后继续拉伸，DNA将熔融解链，对应着力曲线高力值处的短平台(F2，图20(a)).该短平台力值受拉伸速率影响，属于非平衡过程.Fig.20(a)Atypicalforce-extensioncurveobtainedduringthestretchingofadsDNA(ReprintedwithpermissionfromRef.‍[9] Copyright(2012)EditorialOfficeofChemicalJournalofChineseUniversities) (b)AprobablemodeloftelomericDNAtopologyafterforce-inducedmelting.DifferentconditionsintherenaturationprocesseventuallyinducetelomericdsDNAtoformdifferenttopologies(ReprintedwithpermissionfromRef.[16] Copyright(2020)OxfordUniversityPress).长双链DNA的力学指纹谱可被用于探究长双链端粒序列在外力诱导下解链，及动态形成G-四链体(G4,由G链形成)及i-motif的过程(C4,由与G链互补的C链形成)[16].首先，研究人员开发了EM-PCR方法，合成了具有串联重复序列的长双链端粒DNA.随后，通过两段双链DNA把手序列以及金/巯基、生物素/链霉亲和素相互作用，将端粒DNA桥联于AFM探针与金基底之间.双链端粒DNA受力解链后，G-四链体和C-四链体的形成与双链DNA的复性相互竞争.单价K+、酸性条件、稳定i-motif结构或G-四链体结构的配体(如SWCNT和TMPyP4)均能够将平衡向抑制双链复性、促进高级结构形成的方向移动.只有当G-四链体和C-四链体同时形成时，双链结构的复性才会被完全抑制(图20(b)).DNA指纹图谱还能揭示小分子结合试剂对其力学稳定性的影响[9].例如：DNA小沟结合试剂纺锤菌素可以增加DNA的结构稳定性，表现为B-OS转变平台力值的增高，而另一种小沟结合剂偏端霉素A则导致平台力值降低.DNA大沟结合试剂α-helical肽及310-helical肽则使B-OS转变平台与DNA熔融解链所对应的平台融为一体.同时，高浓度的嵌入剂，例如溴化乙锭、道诺霉素、YO和普罗黄素等，使DNA链伸展，双螺旋结构消失，双链的力学稳定性增加，阻止外力诱导下的熔融解链，表现为B-OS转变平台的消失.共价交联剂顺式-二氨基二氯化铂通过交联DNA链中鸟嘌呤也能阻止外力诱导的熔融解链.上述结果表明，利用DNA指纹谱来探索DNA与小分子物质相互作用的研究，从单分子水平提供了小分子药物在体内的作用机理，为药物的筛选及研发提供了理论依据.长双链DNA的力学指纹谱还可用作DNA与DNA结合试剂(如DNA结合蛋白)相互作用的“指示剂”(图21).例如：上述DNA的B-OS转变过程，一直争议不断.一种观点认为，该过程中DNA的空间结构被破坏，双螺旋结构转变为梯形结构，但保持双链.另一种观点则认为，DNA发生了熔融解链.人们通过长双链DNA的指纹图谱及其与单链DNA结合蛋白(SSB)的相互作用验证上述2种观点[105].拉伸操纵DNA的过程中，SSB蛋白被加入(图21(a)).结果显示，该条件下的往复拉伸/松弛力曲线不能重合，出现了明显的滞后现象(图21(b)).表明B-OS转变过程中，部分双链DNA出现了熔融解链，并与SSB蛋白结合；松弛过程中，SSB蛋白阻碍单链DNA复性，表现为松弛曲线的滞后现象.根据滞后程度可以判断单股DNA结合试剂与其结合的程度及强度.Fig.21(a)SchematicillustrationofB-OStransitionofdsDNAandSSB-ssDNAinteraction (b)Typicalforce-extensioncurvesobtainedduringtherepeatedlymanipulatingofadsDNAinthepresenceofSSBproteins(ReprintedwithpermissionfromRef.‍[105] Copyright(2010)AmericanChemicalSociety) (c)SchematicillustrationoftheeffectofDnaDproteinondsDNA (d)Typicalforce-extensioncurvesobtainedbystretchingthesamedsDNAinthepresenceofDnaDprotein(ReprintedwithpermissionfromRef.[21] Copyright(2008)ElsevierLtd.).类似的方法还被用于探索双链DNA结合蛋白(例如DnaD蛋白)与双链DNA的相互作用[21].较高浓度的DnaD蛋白可以使双链DNA环化，形成圆盘样结构(图21(c)).因此，在该蛋白存在下拉伸双链DNA，力曲线上首先出现锯齿样力信号，对应圆盘结构被破坏的过程(图21(d)).此后，该蛋白会促进双链DNA解螺旋，导致其完全伸展长度变长，表现为力曲线上对应B-OS转变平台的变短及右移(图21(d)).3.3.2多糖(船式-椅式转变)多聚糖是重要的能源物质，其糖环结构、连接方式及分子内氢键使其具有独特的单分子力学性质[1,9,29,106].多聚糖中连接吡喃糖环的键的取向与糖环长轴的相对关系决定了力曲线的形态.二者相互取向垂直时，会在力曲线上产生“肩式”平台，对应糖环船式-椅式结构的转变.这种糖环构象转变对应的“肩式”平台高度恒定，具有指纹图谱特征，可以用于共价键等强相互作用体系研究的单分子信号指示剂.例如：人们曾用羧甲基化淀粉作间隔基团，以其构象转变的指纹图谱作“指示剂”，测量了单个Au―S(Au―Au)键、Si―C键、组氨酸与Ni2+及NTA之间的络合作用的强度等等[40,107].有些多糖分子在溶液中能形成螺旋结构，被拉伸操纵时会获得带有长平台的力信号[2,108].以淀粉分子为例，拉伸操纵的初期，淀粉链由无规卷曲变为伸展状态，对应力曲线上力值接近基线的部分；随后，淀粉链内氢键断裂，空间结构解螺旋，出现长平台样力信号；外力逐渐增大，淀粉链内糖环的构象由椅式转变为船式，高力值区域出现“肩式”平台(图22)[2,108].Fig.22Force-extensioncurvesobtainedduringthestretchingofasingleamylosechaininbutanol(ReprintedwithpermissionfromRef.[108] Copyright(2006)AmericanChemicalSociety).3.3.3蛋白质蛋白质的空间结构对其性质与功能有重要影响.单分子力谱是研究蛋白质折叠结构及动态解折叠与折叠过程的有效手段[9,29,109,110].相关研究始于对机械力极其敏感的肌联蛋白作为研究对象[110,111].多聚肌联蛋白被固定在探针与基底之间，在探针远离基底的过程中，类似免疫球蛋白的结构域在外力作用下依次解折叠，产生了锯齿形力信号.锯齿峰间的距离约为25~28nm，这与解折叠结构域的完全伸展长度(31nm)非常近似.因此，锯齿峰对应着肌联蛋白中免疫球蛋白样结构域的解折叠过程.此后，在拉伸具有确定数目的免疫球蛋白样串联结构域(Ig4或Ig8)时，得到了最多含有4或8个连续锯齿峰的力信号，再次验证锯齿峰对应着结构域的解折叠.此外，拉伸后松弛，蛋白质可以再次折叠.这也证明，外力诱导下，一些蛋白质的折叠及解折叠过程是可逆的.同时，蛋白质的解折叠指纹谱可以作为“指示剂”，探究自身的错误折叠及其他蛋白质的折叠与解折叠过程[109,112,113].蛋白质的力学指纹谱还能用于研究蛋白质与蛋白质或其他物质的相互作用，直接探索参与相互作用的结构域等.例如：人们将重组蛋白(NuG2)8固定在探针与基底之间，在拉伸过程中，加入相互作用的hFc蛋白[114].结果显示(NuG2)8解折叠力曲线上锯齿峰的力值显著增加.这证明hFc的结合增加了(NuG2)8结构的稳定性.利用AFM单分子力谱获得了蛋白质的微观力学性质后，人员尝试利用这些信息预测宏观材料的力学性能并指导新型材料的设计[17].例如：GB1蛋白在解折叠后能够快速地重新折叠，节肢弹性蛋白(resilin，R)能表现出显著的熵弹性.因此，研究人员预测上述2种蛋白组成的融合蛋白将展现良好的韧性与弹性.通过将GB1蛋白与节肢弹性蛋白进行交联，得到了水凝胶样的宏观材料.低应变条件下，该材料在节肢弹性蛋白的贡献下展现出很好的形变恢复能力；而在较高应变情况下，GB1的存在使该材料具有能量耗散性能，显著提高了材料的力学性能.该研究有效建立了生物大分子微观力学性能与材料宏观力学性能之间的联系.3.3.4真实生物体系-天然病毒从单个分子水平探测活体细胞中生物大分子间的相互作用对于理解这些大分子参与的生命过程的机制，继而实现对相关过程的调控具有重要意义，然而相关研究充满挑战.病毒是介于生物大分子与活体细胞的一个中间状态，其结构相对简单.研究人员选取烟草花叶病毒为模型体系，利用AFM单分子力谱探测了该病毒中RNA与蛋白质外壳的相互作用及解组装过程(图23)[115].首先利用金-巯基相互作用将病毒颗粒“垂直”地固定在金基底.当探针与病毒颗粒接触时，病毒RNA通过物理作用吸附在探针上.当AFM探针远离基底时，RNA在探针的牵引下从蛋白质外壳上解组装(图23(a)与图23(b)).上述过程获得了带有锯齿的平台状力信号，平台的力值大小依赖于RNA的拉伸速率，对应着RNA与蛋白质外壳间相互作用的强度.此外，力曲线上相邻2个锯齿峰间的距离与病毒RNA中“AAG”序列(与蛋白质外壳作用最强的序列)间的距离相似，表明“锯齿”状力信号对应不同序列的RNA从蛋白质外壳上的解组装(图23(c)).在此基础上，通过系统研究溶液pH值、钙离子浓度等对RNA解组装过程的影响规律，揭示了该病毒从外界进入植物细胞后边解组装边复制的分子机理[51].Fig.23(a)TMVStructure (b)SchematicillustrationoftheRNAmanipulationonTMV (c)Comparisonofthedistancebetweenadjacentsawtooth-likepeaksinstretchingcurvesandtheoreticaldistancebetweenadjacentAAGsintheTMVRNAsequence(ReprintedwithpermissionfromRef.[115] Copyright(2010)AmericanChemicalSociety) (d)Force-extensioncurvesobtainedduringthepullingofRNAoutofTMVintheabsence(blue)andpresence(red)oftannin(ReprintedwithpermissionfromRef.‍[116] Copyright(2019)TheRoyalSocietyofChemistry).随后，研究人员探究了单宁酸及其衍生物对烟草花叶病毒RNA与其蛋白质外壳相互作用的影响，揭示抗病毒药物的作用机理[116].结果显示，加入单宁酸后将RNA从TMV病毒上解组装所需外力显著增大(图23(d))，即单宁酸能显著增加病毒RNA(尤其是AAG序列)与蛋白质外壳的相互作用，阻碍病毒在生物体内的解组装.这是由于单宁酸上的棓酰基与蛋白质、核酸的活性基团之间形成了较多非共价键，例如疏水相互作用和氢键等.同时，当RNA被拉伸出病毒颗粒后，单宁酸迅速占据蛋白外壳内的RNA结合位点，导致RNA无法有序地重新组装.该项工作从单分子水平深化了人们对单宁酸的抗病毒机制的认识，有助于指导设计新型的抗病毒药物.4结语及展望随着AFM技术及相关仪器的不断进步，以及相关实验经验的积累，AFM单分子力谱的适用对象已经从简单的孤立大分子体系拓展到复杂、真实体系[13,115,116].同时，为了降低流体力学阻力，在接近材料真实使用环境中研究高分子链的行为，AFM单分子力谱的探测微环境从液相被拓展到空气相[117].通过优化环境湿度、探针的弹性系数及疏水性来克服黏附力影响，研究人员成功地在空气相中探索了PEO单晶的力致熔融机制.为减小环境介质对大分子本征性质的干扰，AFM单分子力谱的工作微环境又被拓展到真空，并精确测量了PS分子中π-π作用[57,63].为了观察一些快速的动力学过程及捕捉存在时间极短的中间态，AFM探针被进一步优化，具有了更快的响应速度.微悬臂的探测速率与其共振频率相关，通过减小微悬臂的尺寸(尤其是长度)可以增加其弹性系数，进而增加共振频率，由于流体力学阻力也随之减小，该探针的探测速率最终被提高至3870µm/s[34].利用该微型探针，人们获得了肌肉纤维中肌联蛋白(Titin)在高速拉伸时的解折叠信息，结合分子动力学模拟(通常在更高的拉伸速率下进行)，有助于深入理解其折叠与解折叠机制.此外，研究人员还利用聚焦离子束改变微悬臂的形状与尺寸，通过降低其流体力学阻力与硬度来提高力精度与力稳定性[35].加工后，微悬臂的共振频率几乎没有变化，但流体力学系数及弹性系数显著降低，噪音被控制在sub-pN范围.AFM技术与其他光谱技术结合，在获得力学及长度信息的同时还能获得化学组成信息，将有助于更好地建立材料结构与性能之间的联系.例如：基于AFM探针的针尖增强拉曼光谱(TERS)，可以同时获得材料的表面形貌及表面物种的光谱信息[118]；AFM与红外光谱联用的纳米红外系统，能够将样品的形貌、性能和化学结构等信息很好地统一(图24)[119].同样，AFM单分子力谱技术与其他光谱技术的原位结合将使得人们对于单分子的力学、光学及电学等的原位研究成为可能，将为功能材料的开发奠定重要基础.Fig.24(a)SchematicdiagramofAFM-IR (b)TheAFMprobeoscillationinresponsetoIRabsorptionofthesample (c)ThemeasurementoftheAFMprobeoscillationasafunctionofwavenumber(ReprintedwithpermissionfromRef.[119] Copyright(2017)AmericanChemicalSociety).参考文献1ZhangWK,ZhangX.ProgPolymSci,2003,28(8):1271-1295.doi:10.1016/s0079-6700(03)00046-72ZhangX,LiuCJ,WangZQ.Polymer,2008,49(16):3353-3361.doi:10.1016/j.polymer.2008.04.0563NoyA.CurrOpinChemBiol,2011,15(5):710-718.doi:10.1016/j.cbpa.2011.07.0204JanshoffA,NeitzertM,OberdörferY,FuchsH.AngewChemIntEd,2000,39(18):3212-3237.doi:3.0.co 2-x%22\t%22http://www.gfzxb.org/thesisDetails%22\l%2210.11777/_blank"10.1002/1521-3773(20000915)39:183.0.co 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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！X射线晶体结构解析技术在高分子表征研究中的应用X-ray Diffraction Methodology for Crystal Structure Analysis in Characterization of Polymer作者：扈健，王梦梵，吴婧华作者机构：青岛科技大学 教育部/山东橡塑重点实验室,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作者简介：扈健，男，1986年生. 2013~2016年在日本丰田工业大学获得工学博士学位；2016~2019年于青岛科技大学从事博士后研究；2019年任青岛科技大学高分子科学与工程学院特聘副教授. 主要利用广角和小角X射线散射，振动光谱等技术，从事结晶高分子各级结构表征、相变行为以及结构-性能关系的研究. 扈健，男，1986年生. 2013~2016年在日本丰田工业大学获得工学博士学位；2016~2019年于青岛科技大学从事博士后研究；2019年任青岛科技大学高分子科学与工程学院特聘副教授. 主要利用广角和小角X射线散射，振动光谱等技术，从事结晶高分子各级结构表征、相变行为以及结构-性能关系的研究.摘要高分子材料结构具有多尺度的复杂性，解析高分子材料各级微观结构并建立结构与性能之间的关系是高分子研究领域的重要目标和挑战. 对结晶性高分子而言，第一步工作就是对其晶体结构进行表征和解析，X射线衍射法是高分子晶体结构解析中最经典也是最常用的方法. 本文主要介绍X射线衍射等技术在高分子晶体解析中的基本原理和测试表征方法，总结概述近些年来晶体结构解析在高分子领域内的主要进展以及应用. 通过晶体结构解析的方法建立可靠的高分子晶体结构，不仅可以应用于新合成结晶高分子结构的解析，也可以进一步研究高分子各级结构在外场作用下的演变，探明微观结构与宏观性能之间的关系.AbstractBecause of complicated multi-scale structure for the polymer material, studying microscopic structure of polymer and clarifying the relationship between structure and physical property are the major goal and challenge in the polymer science. For the crystalline polymer, crystal structure should be analyzed and established at first. X-ray diffraction is the most classical and conventional method for the crystal structure analysis in polymers, which gives the detailed information of molecular chain conformation, chain aggregation in the crystal lattice. This article reviews the main principles and experimental techniques of X-ray diffraction methodology, and also summarizes the progress and application in the polymer field over the past decade. By utilizing X-ray diffraction method, the crystal structure of newly synthesized crystalline polymers can be analyzed, which may help us recognize crystal phase transition and hierarchical structure evolution by the external force, and also study towards the microscopic clarification of structure-property relationship. By combining other techniques such as neutron scattering, electron diffraction, nuclear magnetic resonance, vibrational spectroscopy and computer simulation, the crystal structure of polymers with higher reliability can be established, leading us to the highly quantitative discussion from the molecular level. For this purpose, the study of polymer crystal structure is still on the way, and the contents may be helpful for the beginners and researchers.关键词结晶性高分子  晶体结构  X射线衍射  结构与性能KeywordsCrystalline polymer  Crystal structure  X-ray diffraction method  Structure and property 目前已知的高分子中，大约70%的都是结晶性高分子，它们在日常生活和高端领域有着大量的应用. 结晶性高分子受分子链结构不规整、链缠结和链间相互作用等效应的影响，很难像小分子一样完全结晶，通常也被称作半结晶性高分子[1-3]. 高分子结构具有多尺度复杂性，其各级结构通常包括聚合物链结构、晶体(胞)结构、晶胞堆砌结构、晶区与非晶区堆砌结构以及球晶中片晶结构等，各级结构都有可能影响着高分子相态及形貌，进而影响高分子材料的性能. 而其中，晶体结构的确定是研究结晶性高分子的基础，所以建立高质量的结晶性高分子的晶体结构是非常必要的[4,5].近几十年来，随着各类表征技术和计算机模拟等领域的快速发展，大量的高分子晶体结构被建立或者修正. 确定结晶性高分子在单元晶胞基础上的晶体结构信息，最传统和经典的方法是广角X射线衍射法，并且结合红外光谱、拉曼光谱、核磁共振谱、中子散射以及高分辨电子衍射等技术能够得到更为准确的晶体结构. 这些技术的进步和运用不仅有助于分析聚合物的晶体结构，而且也提供了新方法去研究更为复杂的高分子材料. 基于晶体结构的建立，我们可以研究高分子的各级结构以及在外场作用下各种相态之间的演变规律，对阐明聚合物材料微观结构与物理性能之间的关系都具有重要意义[6,7].1高分子X射线晶体结构解析法X射线是一种波长为埃(1 Å = 10-10 m)级的电磁波，由于其波长的数量级与晶体点阵中原子间距一致，晶体点阵可以成为X射线发生衍射效应的光栅，而衍射图会随晶体点阵的变化而变化，因此X射线适用于晶体结构解析. 从20世纪30年代开始，X射线衍射法对聚合物科学领域的发展就起到了重要的作用，例如通过X射线衍射方法确定了各类合成或天然高分子的纤维周期均为几个Å到几十个Å，这也证明了一根聚合物分子链可以贯穿多个晶胞. 随着近几十年同步辐射技术的应用，拓宽了X射线的波长范围，更短的波长可以使我们获得更多倒易空间的坐标信息，灵敏度更高的探测器可以帮助我们更细致观测相变的动力学以及其他行为. 另外，通过分子模拟软件进行数据分析，建立模型以及能量最小化等已经普遍用于X射线衍射法解析或精修晶体结构. 1.1X射线衍射法基本原理解析晶体结构的衍射原理和方法学主要是20世纪初期建立的，包括布拉格定律、晶体学对称、群论以及从实空间到倒易空间的傅里叶变换等等. 很多书籍对这些方法都有着详尽的描述，这里对几个重要的概念和原理进行简要的概述[8~11].1.1.1Bragg和Polanyi公式Bragg公式：如图1所示，当一束单色X射线非垂直入射晶体后，从晶体中的原子散射出的X射线在一定条件下彼此会发生干涉, 满足下列方程：其中λ为入射光波长，d为晶面间距，θ为入射光与晶面的夹角.Fig. 1Bragg' s condition.Polanyi公式: 如图2(a)所示，当一束波长为λ的X射线垂直入射在一维线性点阵时(例如单轴取向的纤维样品)，其等同周期为I, 当满足Polanyi方程公式时，散射出的X射线间会产生强烈的衍射：其中Φm为第m层衍射的仰角. 结晶高分子中分子链排列时以相同结构单元重复出现的周期长度被称为等同周期(identity period)或者纤维周期(fiber period)，图2(b)为全同聚丁烯-1的(3/1)螺旋构象，可以利用Polanyi公式从二维X射线纤维图中计算等同周期.Fig. 2(a) Polanyi' s condition (b) Identity period ofit-PB-1.1.1.2倒易空间倒易点阵是根据晶体结构的周期性抽象出来的三维空间坐标，是一种简单实用的数学工具来描述晶体衍射，X射线衍射的图样实际上是晶体倒易点阵的对应而不是正点阵的直接映像. 正点阵与倒易点阵是互易的，倒易晶格中越大的晶面指数(hkl)，在实晶格中就对应越小的晶面间距. 如图3(a)所示，假设晶体点阵中的单位矢量为a1，a2和a3，和它对应的倒易点阵的单位矢量为a1*，a2*和a3*，其关系如下式：其中晶胞体积V=a1 × ( a2 × a3)，a1*垂直于a2和a3，a2*垂直于a1和a3，a3*垂直于a1和a2，其长度是相应晶面间距的倒数的向量.Fig. 3(a) Relationship between real space and reciprocal space (b) Reciprocal lattice and vector.倒易晶格中的任一点称作倒易点，倒易点阵的阵点与晶体学平面的矢量相关，每一组晶面(hkl)都对应一个倒易点. 从倒易空间原点指向倒易点的矢量被称为倒易矢量Hhkl，如图3(b)所示，其关系如下：其中指标(h,k,l)就是实空间中的晶面指数，h,k,l均为整数. 倒易矢量Hhkl垂直于正点阵中的（hkl）晶面，并且矢量的长度等于其对应晶面间距的倒数|Hhkl|=1/dhkl.1.1.3Ewald球Bragg方程指出，当散射矢量等于某倒易点阵矢量时就具备发生衍射的基础，如果把Bragg方程进行变形可得到公式(5)：以1/λ为半径画一个球面，C点为圆心，CP为散射X射线，球面与O点相切，只要倒易点阵与球面相交就可以满足Bragg方程而发生衍射现象，这个反射球就被称为Ewald球，如图4所示.Fig. 4Relationship between Ewald sphere of radius 1/λ and reciprocal lattice. 根据图中的几何关系OP = 1/d，假设O点为倒易空间原点，OP即为倒易散射矢量，P点与倒易空间点阵的交点即为(hkl)晶面指数. 转动晶体的同时倒易点阵亦发生转动，从而会使不同的倒易点与Ewald球的表面相交. Ewald球直径的大小与X射线波长成反比，衍射点数量取决于Ewald球与倒易空间的交点的数目，实验可探测衍射的最小d值取决于Ewald球的直径2/λ，在实际测试中，可以减小入射光波长以增加可观测的衍射点数量.如图5所示，对于单轴取向的样品，拉伸方向平行于c轴方向，而a轴和b轴仍然是随机取向，所以倒易空间的(hkl)点呈同心圆分布,这一系列同心圆与Ewald反射球的交点就构成了一系列的hk0，hk1,hk2… hkl的倒易格子的平面. 通常定义(hk0)层为赤道线方向，沿拉伸方向的(00l)为子午线方向.Fig. 5The relationship among Ewald sphere, circular distribution of reciprocal lattice points and a diffraction pattern on a flat photographic film.1.1.4X射线衍射强度X射线的衍射强度Intensity公式如下：其中K是比例因子，m是多重性因子，p为极化因子，L是Lorentz因子，A是吸光因子，F为结构因子. 其中需要强调的是结构因子F，它是由晶体结构决定的，和晶胞中原子的种类和位置相关.如图6所示，一束平行X射线经过电子A和B分别发生散射，假设A到B的距离为r，S0和S分别为入射和散射单位矢量，其光程差为：其中b即为散射矢量，与图4中OP矢量一致.Fig. 6Sketch of classic scattering experiment.一个原子中的核外电子云呈球形分布，对环绕中心的所有可能实空间矢量的干涉进行积分可以得到一个原子周围的电子产生的相干散射：这个公式就是ρ(r)的傅里叶变换，其中ρ(r)是原子的散射因子.晶体中原子的周期排列决定了晶体中的一切都是周期的，相当于一种周期函数，这种周期函数的实质就是晶胞中的电子密度分布函数，倒易晶格就是实晶格的傅里叶变换. 晶格对X射线的散射为晶格中每个原子散射的加和，每个原子的散射强度是其位置的函数，加和前必须考虑每个原子相对于原点的位相差.r为实空间中的原子位置矢量，设r = xna1 + yna2 + zna3，b为倒易空间的倒易矢量，b = Hhkl = ha1* + ka2* + la3*，根据倒易空间的性质可以得出公式：通过此公式可以看出结构因子和原子坐标位置相关，这也就决定了系统消光现象，也就是说在不同晶系中不是所有衍射点都会出现，可以通过计算结构因子来判断.另外由于衍射强度正比于|Funit cell|2，在晶体计算过程中，衍射峰的绝对强度意义不大，但是衍射峰的相对强度对最后晶体结构的确定影响很大.1.1.5分子链排列方式和空间群一根分子链一般包含内旋转相互作用、非键接原子间相互作用、静电作用、键长伸缩和键角变形作用以及氢键作用等. 在晶格中分子链排列大多遵循2个原则：最稳定的空间螺旋构象以及最密堆砌.晶体学中的空间群是三维周期性的晶体变换成它自身的对称操作(平移，点操作以及这两者的组合)的集合，一共有230种空间群. 空间群是点阵、平移群(滑移面和螺旋轴)和点群的组合. 230个空间群是由14个Bravais点阵与32个晶体点群系统组合而成[12].我们挑选比较简单的空间群操作进行比较直观的说明，如图7所示，若一个右旋向上的分子链(图7(a)中Ru)，通过以箭头方向为旋转轴做180°转动，可以得到右旋向下的分子链(图7(a)中Rd)，如果空间中只有这一种对称操作，那么这种空间为P2；又若Ru分子链通过镜面对称操作可以得到左旋向上的分子链(图7(b)中Lu)，如果空间中只有这一种对称操作，那么这种空间为Pm；若空间群中同时包含以上2种对称操作，且镜面法线方向与对称轴垂直，也就是说在此晶胞内就同时存在右旋向上Ru，右旋向下Rd，左旋向上Lu，左旋向下Ld 4种分子链构象，那么这种空间群为 P2/m，如图7(c)所示.Fig. 7Introduction of different operation in the space group.1.2其他方法简介1.2.1振动光谱法振动光谱法通常包括红外及拉曼光谱，其可以提供分子链构象，晶体对称性等信息[8]. 虽然通过X射线衍射法进行晶体结构解析时可以得到晶区高分子链的构象信息，但无法获知分子间作用力的信息，而有时分子间作用力在晶体结构的形成起到很重要的作用.1.2.2中子衍射法X射线衍射是X射线与电子相互作用，它在不同原子上的散射强度与原子序数成正比，对高分子而言通常都给出主链的信息，而中子衍射法是中子与原子核相互作用，其衍射强度随原子序数的增加不会有序的增大，主要与原子的种类有关，因此中子衍射法可以确定晶体结构中轻元素的位置. 很多力学性能的各向异性通常受侧链的氢原子影响很大，结合X射线衍射和中子衍射法能得到更为准确的晶体结构[13,14].1.2.3电子衍射法电子衍射法可以给出聚合物单晶的形貌信息并且可以得到相应电子衍射图进行结构分析[15]. 但是通常电子衍射法得到衍射点数量较少，而且容易产生次级衍射，样品容易被电子束破坏.1.2.4固体核磁共振谱法固体NMR适用于解析固态高聚物的本体结构、链构象、结晶、相容性以及分子动力学等[16,17]. 谱峰的化学位移(chemical shift)是固体核磁波谱的主要信息，它依赖于分子的局部电子云环境. 电子云结构对分子构象的变化非常灵敏，是研究多晶型的重要依据. 但固体核磁法很难给出晶体的直接结构，常作为X射线衍射法的补充.2X射线衍射测试方法及技巧对于聚合物而言很难培养出0.1 mm以上的单晶，所以测试大多数采用的都是多晶样品. 相较于小分子和低分子量的化合物而言，高分子结晶区的尺寸通常只有几百个Å，晶格内分子链排列不完善，衍射点的数量较少并且衍射点尺寸较宽，大角度范围衍射点强度衰减非常严重，要得到高质量的数据和非常可信的结构解析结果是比较困难的，从样品制备到测试以及后续分析的每一个环节都需要仔细的处理.图8为X射线衍射法解析高分子晶体结构的具体步骤.Fig. 8Schematic illustration of crystal structure analysis of polymer by X-ray diffraction method.2.1样品制备对于X射线衍射法解析晶体结构而言，非取向的样品有很多衍射峰是重合的，不利于进行结构分析，所以要想得到尽可能多的衍射点，最主要的就是制备尽可能高取向度和高结晶度的且具有单一晶型的样品. 下面给出了几种不同制样方法.2.1.1单轴取向样品通常利用高分子粉末或粒料样品，将其在溶液溶解后浇铸成膜或者熔融温度以上热压成膜. 所得到的高分子膜可以再通过加热熔融后淬冷到冰水或者液氮中，会得到有利于进行后续的拉伸的完全非晶或者低结晶度的样品. 而后利用单轴拉伸仪将薄膜或者纤维牵伸至最大倍数，最后将拉伸的样品在适当温度退火处理，以达到最大结晶度. 在此过程中为了防止样品回缩，样品两端始终要处于固定或者夹紧的状态. 另外, 高分子在不同的制样条件下可能得到不同晶型的样品，因此在制样之前要掌握高分子不同晶型的制备条件，避免得到不同晶型共存的样品. 例如聚乳酸在高温(120 °C)结晶会得到α相，在100 °C以下结晶会得到δ(α' )相[18]. 全同聚丁烯-1在熔融温度附近拉伸可以得到晶型Ⅱ，室温拉伸得到晶型I[19].2.1.2双重取向样品图9所示的是制备双重取向样品的方法，首先对聚合物样品进行单轴拉伸，然后将拉伸后的样品利用双辊挤压的方法可以得到双重取向的样品，如果把样品切成一个小方块，可以从3个方向进行测试，可将其分别定义为through，edge和end方向.图10所示为无规聚乙烯醇(at-PVA)的单轴取向和双重取向样品的二维广角X射线衍射图[20]. 对单轴拉伸的无规聚乙烯醇样品进行双辊挤压后，如图10(b)所示，可以看到through和edge方向的二维衍射图，和单轴取向的二维图比较相似，但是through方向的(11¯1)晶面信息在edge方向就几乎消失[20]. 这里面比较重要的是end方向的衍射图，因为对于单轴取向的样品而言，从end方向观测通常得到的是非取向的衍射环. 而利用双重取向法，可以使a轴和b轴分别取向，如果X射线的入射方向沿着c轴也就是分子链的方向，从end方向就可以得到不同的a轴和b轴方向上的信息，对其指标化后可以确定相应的晶胞参数，利用此方法也可以从end方向原位观测结构演变的信息.Fig. 9Method of doubly-oriented sample.Fig. 10X-ray diffraction patterns ofat-PVA sample for the (a) uniaxially-oriented and (b) doubly-oriented sample (Reprinted with permission from Ref.[20] Copyright (2020) American Chemical Society).另外，在实际操作中，有时实验室合成的聚合物的量较少，大家也常采用剪切[21~25]、熔体拉伸以及浓溶液拔丝[26,27]的方法. 根据不同高分子的特点，还可以利用凝胶拉伸法[28~30]以及电磁场取向[31,32]等方法，得到高取向度的样品用于晶体结构解析.2.2二维广角X射线衍射图的数据采集2.2.1光源的选择实验室常用的金属靶材料为波长1.54 Å铜靶(Cu)和波长为0.71 Å钼靶(Mo)，根据布拉格公式可知，利用波长小的靶材，有利于得到更多的布拉格衍射峰的数目. 与实验室光源相比，同步辐射光源强且准直性好，并且由于同步辐射光源波长能够实现连续可调，可根据测试需求选择最优波长.图11分别选用同步辐射光源和钼靶X射线衍射图进行对比，当选择波长为0.3282 Å的同步辐射光源时，可以得到接近700个衍射点，这种高质量的数据对得到高可信赖度的晶体结构非常重要[33].Fig. 112D-WAXD patterns ofα crystal form of PLLA measuring with different incident λ (Reprinted with permission from Ref.[ 33] Copyright (2011) American Chemical Society).2.2.2探测器的选择根据衍射谱图的维度区分，可以将X射线探测器分为零维，一维和二维三类探测器. 在进行晶体结构测试时选择圆筒形成像板(image plate)的二维探测器较多，其适合做静态结构测试，像素点尺寸100 μm × 100 μm，特点是尺寸大，采集信号范围广，缺点是测试耗时比较长. 目前普遍流行的硅元素阵列二维探测器(Pilatus)，其特点是采集数据速度快，对原位测试时间分辨的结晶和相变行为非常有效，但是由于其像素点尺寸(172 μm × 172 μm)偏大，探测器分段等制约因素，不适用于做高分子晶体结构分析的研究.在实际测试过程中，为了得到高质量的衍射点，通常在测试时对样品使用低温氮气进行持续冷却吹扫，这是因为低温可以抑制晶格内原子振动，使晶体结构更趋于完善.2.3高分子晶体结构解析2.3.1计算纤维周期通常定义c轴是沿着链轴方向，计算纤维周期I也就确定了c轴信息.图12(b)和12(d)为分别利用Rigaku公司的X射线衍射仪(Rapid II)的圆筒成像板(image plate)和Xenocs公司的X射线衍射仪(Xeuss 2.0)的平板探测器(Pilatus 300K)得到的高取向聚乙烯的二维X射线衍射图. 我们利用国内实验室常用的平板探测器为例来计算聚乙烯的晶胞参数等信息，测试的曝光时间为1 h，Pilatus 300K的像素点尺寸为0.172 mm × 0.172 mm，测试中相机距离R=127.1 mm，光源是铜靶(λ=1.54189 Å)，ϕ为衍射的仰角，根据图12(a)以及12(c)的示意图可以得到下面的公式：Fig. 12(a) Schemes of the X-ray fiber diffraction patterns recorded on a cylindrical photographic film (b) 2D-WAXD pattern of polyethylene by imaging plate (c) Schemes of the X-ray fiber diffraction patterns recorded on a flat photographic film (d) 2D-WAXD pattern of polyethylene by Pilatus 300K.ym为第m层层线到赤道线的距离，R为样品到探测器的距离. 如图12(c)所示，根据平面探测器的特点，找到第一层所有衍射点中心位置连成一条双曲线，读出双曲线最低点的坐标位置，计算到中心点的实际距离，确定第一层到中心点y1值. 结合Polanyi公式，可以计算出聚乙烯的纤维周期I= 2.54 Å. 如果有更多的层能被观测到，我们需要对所有层到赤道线计算出来纤维周期求平均值. 对于聚乙烯，其分子链结构为平面锯齿型，C ― C键长为1.54 Å，键角大约109.5°，通过计算得到的I= 2Rsin(φ/2) = 2.52 Å，与X射线法计算的等同周期结果相一致.2.3.2确定晶系和计算晶胞参数从平面探测器得到二维数据后，读出所有衍射峰坐标，然后把平面直角坐标系(x,y)的衍射峰坐标转换为倒易空间下的柱面坐标系(ξ,ζ). 其(ξ,ζ)与倒易矢量以及(x,y)的空间关系如图13所示.Fig. 13(a) Cylindrical coordinates of reciprocal lattice (b) Relation between cylindrical coordinates (ξ,ζ) and rectangular coordinates (x,y).对于平面探测器其转换关系如下：其中D为样品到探测器的距离，λ为入射X射线的波长.对于圆筒形成像板，可利用下面的公式进行转换：其中R为圆筒成像板的半径.图12(d)中一共有16个衍射峰，每一个二维图的峰位置(x,y)即对应一个ξ值,赤道线和第一层总共对应8个ξ值，其值根据公式(11)转换后如表1所示.如图14所示，分别在L0和L1层建立的坐标系下以ξ值为半径画圆. 这时我们需要寻找合适的晶胞参数在倒易空间坐标系下进行标定，以保证所有的倒易晶格都与以ξ为半径的圆有交点. 一般采用尝试法，其原则是从简单晶系比如正交或者四方晶系开始寻找，从数值较小的晶面开始尝试，要保证所有层的所有倒易晶格都能落在圆周上，然后对其衍射峰进行指标化. 确定晶系后，我们可以利用不同的晶面信息分别计算a和b值，以及α，β和γ等晶胞参数的信息. 最后得到聚乙烯属于正交晶系，晶胞参数为a=7.44 Å，b=4.95 Å，c=2.54 Å.Fig. 14Reciprocal lattice and indexing of reflections for the equatorial and first layers of PE.2.3.3估算晶胞内分子链的数量其中ρ为晶体密度，M为重复单元相对分子质量，V为晶胞体积. 对聚乙烯来说，其所属晶系为正交晶系，重复单元分子摩尔质量M= CH2=14 g/mol，晶胞体积V=a×b×c= 7.44 × 4.95 ×2.54 = 93.543 Å3. 实验测得的晶体密度ρ= 0.98 g/cm3，所以晶胞内的分子链个数为Z=ρVNA/M= 3.93，Z取整数，大约4根分子链在一个晶胞内.2.3.4晶体对称性的消光法则计算由前面可知X射线衍射的强度跟结构因子|Funit cell|2成正比，可以利用公式(14)进行计算. 例如聚乙烯为平面锯齿链结构，c轴方向为二重螺旋轴，2个碳原子C1和C2的坐标分别为(x,y,z)和(-x, -y,z+0.5)，如图15所示，对于00l层的衍射，根据公式(9)可以得到下式：Fig. 152-screw axis of zigzag chain.当l为偶数的时候，Funit cell≠0；当l为奇数的时候，Funit cell=0，所以根据消光法则，晶面(001)，(003)… 层的衍射观测不到.2.3.5计算模拟(Cerius 2)借助计算机强大的图形处理功能，可以对X射线衍射，电子衍射以及中子衍射等数据进行模拟计算，直观地在三维空间观测分子的结构特征, 我们主要通过软件Cerius 2的Crystal Builder (晶体建立模块)进行模拟计算，通过实验数据和模拟的结构模型对比确定晶体结构[34]. 进行能量最小化用到的力场模型通常选用COMPASS力场，模型的构建采用了全原子模型，能够模拟出更准确的高分子的结构与性质.图16(a)和16(b)分别是全同聚丁烯-1晶型I的二维X射线衍射图和利用晶体结构模型计算模拟得到的二维X射线衍射图[19].Fig. 162-Dimensional X-ray diffraction pattern of orientedit-PB-1 form I sample taken at room temperature: (a) the observed data and (b) the calculated diagram using the crystal structure (Reprinted with permission from Ref.[19] Copyright (2016) American Chemical Society).一般的操作步骤是，首先输入分子结构的重复单元，输入计算得到晶胞参数信息，利用COMPASS力场进行能量最小化. 找出尽可能多的候选空间群，计算稳定的分子结构，对所有可能的候选模型与实验数据进行对比.图17(A)就是对全同聚丁烯-1的晶型I提出的所有可能候选空间群. 把二维衍射图转换成一维数据，需要从赤道线开始，对每一层的衍射点进行逐层积分，与模拟所得的一维衍射数据进行对比，模拟的数据要尽可能真实地反映实测数据，以保证所有层的衍射峰的峰位置与峰相对强度一致，从而确定最佳的候选空间群.图17(B)为全同聚丁烯-1晶型I的不同计算机模拟和实验数据的一维积分曲线对比图. 最后通过调整相关参数使体系能量最小化，得到最稳定的晶体结构模型.Fig. 17(A) Various possibilities of the crystal structure model ofit-PB-1 form I (B) Comparison of the observed X-ray layer line profiles ofit-PB-1 crystal form I with those calculated for the three possible space groups (Reprinted with permission from Ref.[19] Copyright (2016) American Chemical Society).其他如Materials studio软件中的也包含COMPASS Ⅱ，Forcite Plus(各种通用力场)等模块，可以对建立的晶体结构进行弹性力常数，晶格能等物理性质的计算和预测，也可以进行动力学模拟研究动态过程.2.3.6可信赖因子把X射线衍射数据得到的所有衍射峰积分强度和确定的模型计算得到的衍射峰强度按公式(15)进行计算，求出可信赖因子R. 对单晶结构来说，R 0.05，如果 R值是0.1左右，说明得到的高分子晶体结构非常好，如果R 0.2，得到的晶体结构被认为是可以接受的模型. 2.3.7输出最终结构图18是全同聚丁烯-1晶型I的最终晶体结构模型，分别对应a轴和b轴，以及a轴和c轴方向示意图[19]. 晶体结构模型确定后，可以输出每一个晶面对应的(hkl)值，晶面间距，实验和模拟的强度对比值以及原子分数坐标等信息.Fig. 18Crystal structure ofit-PB-1 form I (Reprinted with permission from Ref.[19] Copyright (2016) American Chemical Society).3典型进展和应用近些年来大量的高分子晶体结构被建立或者精修. 下面概述近些年来，主要通过X射线衍射法建立的晶体结构在高分子表征领域内的进展和典型应用.3.1晶体结构解析在高分子复合体中的应用通常情况下，大多研究单一组分高分子样品的结晶行为以及结构分析. 但高分子领域也存在大量的共结晶现象，例如高分子立构复合体[35~44]、高分子与多碘离子[20, 45~50]形成的复合体等，在这些情况下，晶体结构解析会变得相对复杂.以高分子-多碘复合体为例，诸多高分子都可以与多碘离子形成复合体，最具代表性的包括淀粉-碘复合体及聚乙烯醇(PVA)-碘复合体等. 高分子碘复合体赋予了高分子诸多新的特性，例如导电性、光学特性和抗菌性等. 这些特性与复合体的晶态结构密切相关，而相关的研究至今也已经持续了近百年.高分子碘复合体的晶体结构解析与纯结晶高分子体系有所不同，因为碘原子相对于碳原子有较大的质量，从而碘原子的X射线原子散射系数远远大于碳原子，因此在二维X射线衍射图中一般只能观测到由于多碘离子在空间有序排列而出现的衍射点，而高分子主链部分的衍射信息则无法或极难观测到. 如图19所示，图19(a)为PVA单轴取向纤维的二维X射线衍射图，图19(b)~19(e)分别为PVA在不同浓度的碘溶液中浸泡不同时间后所形成的PVA-碘复合体二维X射线衍射图，可以看出，随碘溶液浓度的升高与浸泡时间的延长(即：随PVA样品中碘离子浓度的升高)，PVA晶体的X射线衍射点逐渐变弱(绿色箭头所示)，而PVA碘复合体结晶的衍射则逐渐变强[45]. 在此需要再次申明，PVA碘复合体X射线衍射图中的衍射强度主要由碘离子提供.Fig. 192D X-ray diffraction patterns measured for the uniaxially oriented PVA samples dipped in the KI/I2 solutions with different concentrations for the different time. The vertical direction is parallel to the drawn direction. (Reprinted with permission from Ref.[45] Copyright (2015) American Chemical Society).在进行结构分析之前，需要注意到在图19中衍射图的子午方向上出现很强的平行横向条纹(streak line)，这种情况是由于柱状碘离子沿取向轴方向的排列高度是随机的，以图20说明，图20(a)为单独多碘离子模型的计算X射线衍射图，图20(b)为多碘离子平行但高度随机分布的计算X射线衍射图，图20(c)为PVA-多碘离子复合体样品测试所得X射线衍射图，可以看出，计算与实际测试所得的X射线衍射图具有很好的对应性，均表现为沿子午线方向的平行横向条纹衍射，说明在复合体中多碘离子沿取方向排布具有随机性.Fig. 20Simulation of X-ray diffuse scatterings observed for PVA-iodine complex: (a) isolated I3-, (b) randomly arrayed I3- ions, and (c) actually observed pattern (Reprinted with permission from Ref.[45] Copyright (2015) American Chemical Society).通过X射线研究结晶结构完全依赖于衍射信号，因此通过高分子-碘复合体的X射线衍射图只能确定碘离子的空间位置，但很难确定高分子链的排布，这也为高分子-多碘复合体的结构解析造成了一定的困难. 这种情况下，我们需要首先建立高分子基体的结晶模型，而后结合多碘离子的空间排布对复合体进行结构分析，从而建立复合体的结构模型，如图21所示.图21(a)为PVA结构模型，图21(b)为PVA多碘复合体结构模型.Fig. 21Crystal structures of (a) the original PVA and (b) the complex II. The large circles (purple color) are iodine atoms. The smaller circles (green color) are potassium atoms (Reprinted with permission from Ref.[45] Copyright (2015) American Chemical Society).进一步确认PVA与PVA-碘复合体晶体结构的空间关系，采用X射线垂直于分子链方向入射模式(end-pattern)进行研究，结果如图22所示，PVA碘复合体与PVA晶体中PVA分子链具有不同的空间排布模式. 以此上结果为根据，我们可以建立PVA与PVA碘复合体结构的关联性，这也可以为进一步分析复合体的形成过程提供理论支撑.Fig. 22Spatial relation of the crystal orientation between PVA and complex II derived from the X-ray end pattern (Reprinted with permission from Ref.[45] Copyright (2015) American Chemical Society).又如聚乳酸立构复合体的研究，在对其进行结构分析时，既要考虑PLLA与PDLA分子链的空间排布位置，也需要考虑2种分子链的相对比例，因为在2种分子链不同比例的情况下也可以形成同样结构的复合体晶体. Tashiro等[44]在前人工作的基础上，进一步研究了PLA立构复合体的晶体结构，提出了全新的PLLA和PDLA在立构复合体晶体中的随机排列模型(Random Packing Model)，如图23所示，并以此来解释当 PLLA与PDLA分子链不等量时也能形成立构复合体的问题.Fig. 23The random packing model of R and L chain stems within PLLA/PDLA stereocomplex (Reprinted with permission from Ref.[42] Copyright (2017) American Chemical Society).3.2在高分子材料极限力学性能预测方面的应用结晶高分子材料的表观力学性能往往与其结晶区的力学性能直接相关，也就是说随着结晶度的提高，高分子的力学性能也会随之增强. 而现如今绝大多数高分子材料的极限力学性能尚没有被真正地发挥出来，究其原因，一方面我们对于高分子材料认知以及其制备手段仍需进一步发展，另一方面我们也需要对高分子的极限力学性能进行预测以指导高分子材料产品的发展方向.取向高分子的受力过程可以简化为沿高分子链方向上的受力，因此高分子链的组成与构型构象会直接影响高分子的力学性能[51~56]. 以PLLA的α相为例，通过计算，其分子链在受力过程中主要发生主链沿轴向的扭转[52]. 高分子链的在晶格中的形态也是结晶结构解析中必不可少的信息. 因此在结晶结构解析成功建立的同时，如图24所示，可以使用得到的分子链结构此对晶体的力学性能进行预测.Fig. 24Molecular deformation calculated for PLLAα form chain subjected to a hypothetically large tensile force of 30 GPa (Reprinted with permission from Ref.[52] Copyright (2012) American Chemical Society).计算过程一般为：首先通过计算所得分子链在晶胞中的形态，进而计算出弹性常数张量矩阵(elastic constants tensor matrix)及柔度张量矩阵 (compliance tensor matrix) (图25)，基于这2个矩阵通过进一步的计算可以得到高分子链在垂直分子链主轴平面方向上的理论杨氏模量以及线性压缩率(linear compressibility)，如图26中所示为计算所得聚甲醛(POM)与PLLAα相的理论杨氏模量以及线性压缩率[46]. 以此，可以建立结晶性高分子材料的结构与力学性能之间的关系.Fig. 25Elastic constants tensor matrix and compliance tensor matrix of PLLAα form.Fig. 26Comparison in the calculated anisotropy of Young' s modulus and linear compressibility in the plane perpendicular to the chain axis among the PLLAα and δ forms and polyoxymethylene (POM) crystal (Reprinted with permission from Ref.[52] Copyright (2015) American Chemical Society).Tasaki等[54~56]研究了一系列不同亚甲基序列芳香族聚酯，发现链构象在偶数和奇数序列中有非常大的区别，如图27(a)和27(b)所示.图27(c)说明随着―CH2序列的增加，重复周期也随之呈线性增加，亚甲基序列长度可以对聚酯杨氏模量进行调控，亚甲基单元为5~6时，其杨氏模量达到最小值. 这一理论计算结果与使用X射线测试所得的杨氏模量值具有高度的吻合性，如图27(d)所示.Fig. 27Chain conformation with different mGTs (a) odd number (b) even number (c) repeating period of mGT on the number of methylene units m, and (d) comparation of the crystalline Young' s modulusEc of arylate polyester chains on the number of methylene segmental units by X-ray observed values and calculated values (Reprinted with permission from Ref.[56] Copyright (2014) Elsevier Ltd.).3.3高分子在外场作用下结构转变解析中的应用很多半结晶性高分子在外场作用下会发生结晶结构的转变，对于相转变过程中的结构演变研究是相变研究的基础和难点. 借助于晶体结构解析技术可以对相变过程进行预测.例如Tashiro等[19]分别对全同聚丁烯-1晶型Ⅱ和晶型I分别进行了晶体结构的精修，通过对2种晶型的所有空间群和衍射数据进行对比，发现P3¯低对称性空间群比高对称性R3c 空间群更适合晶型I，而晶型Ⅱ的空间群为P4b¯2，在2种结构中，向上的链和向下的链都是统计学上各有50%几率分布在晶胞内, 晶型I如图18所示. 随后通过电子衍射原位研究晶型Ⅱ到I的固-固转变过程，发现两相共有(110)晶面，相邻分子链会在转变中向相反方向移动，类似一种soft mode的转变模式，如图28所示，晶型Ⅱ晶格内相邻的分子链可以通过向相反的方向移动，最终在新的位置稳定，最终转换为晶型I. 以上相变过程的机理分析都是在基于it-PB-1晶体结构解析的基础上.Fig. 28Concrete structural change in the phase transition from form II to form I ofit-PB-1. In the route (a) the (11/3) helical conformation is kept up to the stage of the formation of hexagonally packed structure as a transient state. (Reprinted with permission from Ref.[19] Copyright (2016) American Chemical Society).又如聚乳酸存在α相、δ(α' )相、β相及γ相，围绕这些晶态结构的研究也一直是PLA研究中最重要的一环[18,33, 57~60]. 除γ相一般是由外延生长结晶法(epitaxial crystallization)得到外，其他几种晶相都是与通用PLA密切相关的. 随测试手段的不断进步，α相、δ(α' )相、β相的晶体结构的迷雾逐渐被揭开，从而为α→δ(α' )→β相的相转变及PLA立构复合体形成的研究提供了理论支持. Wasanasuk等[33,52,58,59]在一系列工作中利用同步辐射X射线及中子散射装置深入解析了α及δ(α' )相的晶体结构，如图29所示，其中PLA分子链在α相中以这一种准有序的(10/3)螺旋构象状态排列在晶胞单元中，而在δ(α' )中的(10/3)螺旋构象则更加无序. 而后，Wang等[60]对PLA的β相的晶体结构重新进行了系统的解析，对前人的解析结果进行了修正，并结合Wasanasuk等的研究结果对α→δ(α' )→β的在拉伸过程中相转变机理进行了探究，如图30所示.Fig. 29Helical conformations of the molecular chains of PLLAα form and δ form and the regular chain conformation (Reprinted with permission from Ref.[52] Copyright (2012) American Chemical Society).Fig. 30A schematic illustration of the tension-induced phase transition from theα form with a large single domain to the β form with the aggregated domains of smaller size via the δ form of the structurally disordered structure and smaller domains (Reprinted with permission from Ref.[60] Copyright (2017) American Chemical Society). 4总结与展望本文介绍了X射线衍射法在高分子晶体结构解析中的基本原理及实验方法和技巧等内容，概述了近些年来X射线衍射法在高分子晶体结构解析领域进展和相关应用. 在静态解析方面，介绍了高分子复合物的晶体结构的最新进展，通过对新合成高分子的晶体结构的解析或者传统高分子结构的重新修正，进而利用晶体结构的相关参数可以对材料的力学性能进行计算和预测. 动态研究方面，基于更为精确的晶体结构的建立，可以帮助我们从晶胞尺度基础上理解外场作用下高分子结晶和相变等过程，探明结构演变的机制. 对结晶性高分子来说，建立可信赖的高分子晶体结构在高分子研究领域都是必不可少的内容.如前文所说，现有高分子晶体结构的建立大多依赖于X射线衍射法，但X射线衍射法受限于衍射点数量少且比较弥散等因素的影响，要得到非常可靠的结构是很困难的. 随着同步辐射技术的发展以及高分辨率和灵敏度的探测器的进步，例如最新的EIGER探测器分辨率达到了75 µm × 75 µm，可以更有利于从静态和动态等方面研究高分子的晶体结构及外场下演变过程. 并且把振动光谱、核磁共振法、电子衍射、中子衍射以及计算机模拟的方法相结合，可以使我们从不同角度去揭示和理解高分子晶体结构信息. 在最新的文献中，Tashiro指出[14]，利用X射线衍射以及中子衍射技术的结合，可以给出晶体结构中重原子和轻原子的位置信息，得到更为精确的晶体结构. 随着表征手段和计算机领域的不断进步，建立更加准确高分子晶体结构可以使我们更深刻理解高分子各级结构的复杂性，也有利于阐明高分子材料的结构与性能之间的关系.参考文献1Strobl G.The Physics of Polymers.3th ed .New York:Springer,2007.166-2222Piorkowska E,Rutledge G C.Handbook of Polymer Crystallization.Hoboken, New Jersey:John Wiley & Sons, Inc,2013.31-673Hu Wenbing(胡文兵).Principles of Polymer Crystallization(高分子结晶学原理).Beijing(北京):Chemical Industry Press(化学工业出版社),2013.1-15.doi:10.1007/978-3-7091-0670-9_104Vasile C.Handbook of Polyolefins.2nd ed .New York:Marcel Dekker, Inc,2000.175-1825Lotz B,Miyoshi T,Cheng S Z D.Macromolecules.2017,50(16):5995-6025.doi:10.1021/acs.macromol.7b009076Tashiro K,Kobayashi M,Tadokoro H,Fukada E.Macromolecules,1980,13(3):691-698.doi:10.1021/ma60075a0407Men Y,Li L.Polymer Crystallization,2019,2(2):e10067.doi:10.1002/pcr2.100678Tadokoro H.Structure of Crystalline Polymers.Malabar.Florida:Robert E. Krieger Publishing Company,1990.19-1789Rosa C D,Auriemma F.Crystals and Crystalline in Polymers.Hoboken, New Jersey:John Wiley & Sons, Inc,2014.88-18410Alexander L L.X-ray Diffraction Methods in Polymer Science.New York:John Wiley & Sons, Inc,196911Mo Zhishen(莫志深),Zhang Hongfang(张宏放),Zhang Jidong(张吉东).Structure of Crystalline Polymers by X-Ray Diffraction(晶态聚合物结构与X射线衍射).2nd ed .Beijing(北京):Science Press(科学出版社),2010.146-206.doi:10.1016/j.carbpol.2010.05.00812Hohn T.International Table for Crystallography.5th ed .Netherlands:Springer,200613Wilson C C.Single Crystal Neutron Diffraction from Molecular Materials.Singapore:World Sci. Pub. Co. Pte. Ltd,2000.doi:10.1142/402914Tashiro K,Kusaka K,Hosoya T,Ohhara T,Hanesaka M,Yoshizawa Y,Yamamoto H,Niimura N,Tanaka I,Kurihara K,Kuroki R,Tamada T.Macromolecules,2018,51(11):3911-3922.doi:10.1021/acs.macromol.8b0065015Dorset D L.Structural Electron Crystallography.New York:Springer Science+Business Media,1995.95-133.doi:10.1007/978-1-4757-6621-9_416Hodgkinson P.Prog Nucl Magn Reson Spectrosc,2020,118-119:10-53.doi:10.1016/j.pnmrs.2020.03.00117Mehring M.Principles of High Resolution NMR in Solids.2nd ed .New York:Springer-Verlag Berlin Heidelberg,1983.1‒62.doi:10.1007/978-3-642-68756-3_218Zhang J,Tashiro K,Tsuji H,Domb A J.Macromolecules,2008,41:1352-1357.doi:10.1021/ma070607119Tashiro K,Hu J,Wang H,Hanesaka M,Saiani A.Macromolecules,2016,49(4):1392-1404.doi:10.1021/acs.macromol.5b0278520Tashiro K,Kusaka K,Yamamoto H,Hanesaka M.Macromolecules,2020,53(15):6656-6671.doi:10.1021/acs.macromol.0c0083921Ru J F,Yang S G,Zhou D,Yin H M,Lei J,Li Z M.Macromolecules,2016,49(10):3826-3837.doi:10.1021/acs.macromol.6b0059522Li X J,Zhong G J,Li Z M.Chinese J Polym Sci,2010,28(3):357-366.doi:10.1007/s10118-010-9015-z23Chen Y H,Yang H Q,Yang S,Zhang Q Y,Li Z M.Chinese J Polym Sci,2017,35(12):1540-1551.doi:10.1007/s10118-017-1990-x24Wang Y,Na B,Zhang Q,Tan H,Xiao Y,Li L B,Fu Q.J Mater Sci,2005,40(24):6409-6415.doi:10.1007/s10853-005-1746-925Yang S G,Chen Y H,Deng B W,Lei J,Li L B,Li Z M.Macromolecules,2017,50(12):4807-4816.doi:10.1021/acs.macromol.7b0004126Petermann J,Gohil R M.J Mater Sci,1979,14:2260-2264.doi:10.1007/bf0068843527Li L,Xin R,Li H H,Sun X L,Ren Z J,Huang Q G,Yan S K.Macromolecules,2020,53(19):8487-8493.doi:10.1021/acs.macromol.0c0145628Yoshiharu N,Shigenori K,Masahisa W,Takeshi O.Macromolecules,1997,30(20):6395-6397.doi:10.1021/ma970503y29Sikorski P,Hori R,Masahisa W.Biomacromolecules,2009,10(5):1100-1105.doi:10.1021/bm801251e30Yoshiharu N,Yasutomo N,Masahisa W.Macromolecules,2011,44(4):950-957.doi:10.1021/ma102240r31Davis G T,Mckinney J E,Broadhurst M G,Roth S C.J Appl Phys,1978,49(10):4998-5002.doi:10.1063/1.32444632Sugiyama J,Chanzy H,Maret G.Macromolecules,1992,25(16):4232-4234.doi:10.1021/ma00042a03233Wasanasuk K,Tashiro K,Hanesaka M,Ohhara T,Kurihara K,Kuroki R,Tamada T,Ozeki T,Kanamoto T.Macromolecules,2011,44(16):6441-6452.doi:10.1021/ma200662434Sun H.J Phys Chem B,1998,102:7338-7364.doi:10.1021/jp980939v35Shao J,Liu Y L,Xiang S,Bian X C,Sun J R,Li G,Chen X S,Hou H Q.Chinese J Polym Sci,2015,33(12):1713-1720.doi:10.1007/s10118-015-1715-y36Zhang Xiuqin(张秀芹),Xiong Zujiang(熊祖江),Liu Guoming(刘国明),Yin Yongai(尹永爱),Wang Rui(王锐),Wang Dujin(王笃金).Acta Polymerica Sinica (高分子学报),2014, (8):1048-1055.doi:10.11777/j.issn1000-3304.2014.1344437Li Xiaolu(李晓露),Wang Rui(王锐),Yang Chunfang(杨春芳),Dong Zhenfeng(董振峰),Zhang Xiuqin(张秀芹),Wang Dujin(王笃金),Wang Deyi(王德义).Acta Polymerica Sinica(高分子学报),2018, (5):598-606.doi:10.11777/j.issn1000-3304.2017.1719738Zhou W,Wang K,Wang S,Yuan S,Chen W,Konishi T,Miyoshi T.ACS Macro Lett,2018,7(6):667-671.doi:10.1021/acsmacrolett.8b0029739Chen W,Wang S,Zhang W,Ke Y,Hong Y L,Miyoshi T.ACS Macro Lett,2015,4(11):1264-1267.doi:10.1021/acsmacrolett.5b0068540Pan P,Yang J,Shan G,Bao Y,Weng Z,Cao A,Yazawa K,Inoue Y.Macromolecules,2012,45(1):189-197.doi:10.1021/ma201906a原文链接：http://www.gfzxb.org/thesisDetails#10.11777/j.issn1000-3304.2020.20258&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.issn1000-3304.2020.20258

在线讲座：“小贝开讲”之制剂及药物递送过程中的颗粒表征及应用时间：2016年12月29日 15:00 - 16:00内容简介：在制剂以及药物递送过程中，药物颗粒的大小无疑是至关重要的参数。其不但影响药物本身的众多理化性质比如悬浮性、溶解性、均一性以及稳定性等，而且还会对药物本身的生物利用度和生物等效性产生直接影响。在众多的颗粒粒径分析检测技术当中，激光衍射法凭借其良好的测试精度和非常宽的测试范围成为目前颗粒测试的主流技术，也是USP、EP以及JP等各大药典推荐的方法。那么为什么该技术可以从众多的检测方法中脱颖而出？它又有什么样的特点？在制剂过程中又有哪些应用？本次Webinar，我们将一起探讨制剂过程中的颗粒检测技术，这些答案将一一揭晓。主讲人简介：李雪冰 博士Product Manager 贝克曼库尔特生命科学部毕业于中国科学技术大学化学与材料学院 主要从事纳米材料的合成和表征，具有超过10年的颗粒表征经验，对各种颗粒表征技术和仪器具有广泛而深入的了解，熟悉相关的药典及法律法规。目前在贝克曼公司负责颗粒特性产品线，为客户提供颗粒表征相关的完整解决方案。点击此处轻松报名。http://www.beckmancoulter.cn/news/201612221730.html 小贴士1. 使用电脑加入活动时，如果不能正常安装软件，请点击“启动临时应用程序”。2. 如需使用移动端参与活动，可下载WebEx APP，通过活动号加入讲堂。轻松扫码二维码，即可登录讲座中心网站：往期回顾：临床流式质量控制与管理自动化工作站在高通量LC-MS/MS样品分析中的样品制备方案流式细胞仪在强制性脊柱炎（AS）中的应用十色流式细胞术，我需要你吗？如何精准地重现参考文献中的离心分离效果多色Panel组合设计指导高通量植物样本核酸纯化的自动化解决方案造血干细胞的检测与标准实验室离心机安全操作和日常呵护流式细胞仪在PNH检测中的应用全血样本及游离细胞核酸纯化的高通量自动化平台解决方案更多详情，欢迎您联系：贝克曼库尔特商贸（中国）有限公司 生命科学部总部地址：上海市长宁区福泉北路518号2座5楼产品咨询热线：400 821 8899售后服务热线：400 885 5355 / 800 820 5355中文网址：www.beckmancoulter.cn联系邮箱：apls@beckman.com

落户于怀柔科学城的中科合成油技术股份有限公司联合北京大学、中科院，共同攻克了乙烯聚合可视化的难题，首次以分子电影形式展示了表面乙烯聚合的反应过程，让这一微观反应原理具有了“眼见为实”的证据支撑。该成果于近日登上了全球顶级学术期刊《科学》杂志。当下，乙烯聚合反应用于生产聚乙烯塑料，其每年产量超过一亿吨，是全球产量最大的塑料制品原料，被广泛应用于制造薄膜、容器、纤维和管材等生活用品，但其在催化剂作用下的微观反应过程一直没有被影像捕捉到，也因此，其反应机制一直存在着学术争议。“如果能将乙烯聚合的反应过程用分子电影记录下来，那么对于解释其如何实现分子链引发将有了‘眼见为实’的证据。”中科合成油公司总经理李永旺介绍。为何这么多年始终无法用视频捕捉表面乙烯聚合的微观反应过程？李永旺告诉记者，这是由于当下的聚合反应很多催化剂的成份较为复杂，很难拍下单纯的分子链引发机制。如何找到一个成份相对单一的催化剂来进行乙烯聚合反应拍摄？中科合成油表面科学实验室周雄研究员等人敏锐地发现，有一个现成的拍摄对象。那就是利用公司目前主营业务中的费托合成技术。通过这一技术，公司实现了将液态煤转化成合成油。“费托合成也可视为聚合体系，费托合成催化剂碳化铁极有可能也能活化乙烯聚合，因而解决了乙烯聚合体系模型化的困难。”周雄表示。有了“演员”，实验室找到北京大学吴凯教授团队来做“摄影师”，利用超高空间分辨的单分子表征技术，从而得以在微观尺度上直观观察到这一经典聚合反应。研究团队综合多种实验手段和理论计算，确定了在没有引发剂存在时碳化铁表面的乙烯聚合机理。3月11日，这一成果以《表面乙烯聚合乙烯插入机制的可视化》为题发表在世界学术顶刊《科学》杂志，杂志还将其列为当期置顶论文。德国慕尼黑大学Joost Wintterlin教授撰写专文评论，认为该工作“不仅会引发学术兴趣，还可以对工业应用产生重要影响，相关过程决定了合成聚合物的物理性质和质量”。值得一提的是，该成果也是少有的以企业为第一完成单位的顶刊论文，体现了怀柔科学城鼓励产学研合作的理念。

p style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="text-indent: 2em "2019年9月27日，由仪器信息网主办的材料表征与评价主题网络研讨会成功召开，8位材料检测领域的知名专家从各个维度就热点材料表征、各行业材料评价、热点检测方法等主题做了精彩的报告分享，并与260余位听课的网友朋友们进行了积极的交流互动。国庆佳节将至，为共庆华诞，仪器信息网特将全部专家报告汇总于一，免费放送给小伙伴们永久学习。/span/pp style="text-align: center text-indent: 0em "strong点击下方图片获得完整版视频链接合集/strong/pp style="text-align:center"a href="https://www.instrument.com.cn/webinar/Video/Video/Collection/220" target="_self"strongimg style="max-width: 100% max-height: 100% width: 600px height: 131px " src="https://img1.17img.cn/17img/images/201909/uepic/6241965d-d902-4d0b-977f-56c92617c9f2.jpg" title="国庆公益大放送！材料表征与评价专家授课视频全集3.jpg" alt="国庆公益大放送！材料表征与评价专家授课视频全集3.jpg" width="600" height="131" border="0" vspace="0"//strong/a/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "北京高压科学研究中心高翔研究员通过《原子尺度先进功能与能源材料界面结构分析》的报告，介绍了自己团队的三大科研成果：首先，实现了尖晶石型锂电正极材料LiMn2O4在金属电极上外延生长，在原子尺度阐释了其外延生长机制、氧空位对LiMn2O4表面结构及其化学循环稳定性的重要影响；其次，首次报道了钙钛矿型固态锂离子电解质La-Li-Ti-O的畴界结构及其对锂离子传导的影响；再次，成功合成一种具有“1D+2D”全新结构的CeO2-Y2O3快离子导体，并揭示了其快离子导电的界面起源。（a href="https://www.instrument.com.cn/webinar/video_105765.html" target="_self" style="color: rgb(0, 176, 240) text-decoration: underline "strongspan style="color: rgb(0, 176, 240) "完整报告视频链接/span/strong/a）。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "高分子材料行业的工作流程极为复杂，从起始原材料的评价，到聚合物的合成与制造，到产品的改善和工艺增值。多需要分析技术的大力支持，其中常用的手段有GPC、APC、FITR、GC、Py-GC/MS、元素分析、UPC2、电镜、光学分析、理化测试等，沃特世高级应用工程师蔡麒通过《利用化学分析新技术从多方面表征材料案例分享PI表征为例》的报告，为我们带来了高分子材料行业的一些化学分析创新技术解决方案。（a href="https://www.instrument.com.cn//webinar/video_105763.html" target="_self" style="color: rgb(0, 176, 240) text-decoration: underline "strongspan style="color: rgb(0, 176, 240) "完整报告视频链接/span/strong/a）。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "激光衍射是一项被广泛应用于颗粒大小表征的技术，样品的分散是该表征方法重要的前处理步骤，对于获得可靠性的粒度结果尤为重要。按照分散介质的不同，样品的分散可大致分为湿法和干法分散。马尔文帕纳科产品经理孙正亮分享了这两种分散的方法和经验，并对不同样品在分散过程中可能带来的误差和解决方法进行了分析。（a href="https://www.instrument.com.cn//webinar/video_105762.html" target="_self" style="color: rgb(0, 176, 240) text-decoration: underline "strongspan style="color: rgb(0, 176, 240) "完整报告视频链接/span/strong/a）。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "任凯亮研究员做了《压电聚合物及其纳米复合物的表征及其在能量收集方面的应用》的报告，他分享了EAP（电活性聚合物）进行能量收集实验的研究，该材料能表现出比电磁马达在低频下更高的效率，包括压电聚合物、驻极体、压电复合物等。另外，MENG能够在走路时产生180V电压以及0.5uW的能量，可以用于传感器，具有更高的灵敏度。（a href="https://www.instrument.com.cn/webinar/video_105761.html" target="_self" style="color: rgb(0, 176, 240) text-decoration: underline "strongspan style="color: rgb(0, 176, 240) "完整报告视频链接/span/strong/a）。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "北京理化分析测试中心副主任高峡研究员带来了题为《高性能与功能化高分子材料的表征技术》的报告，重点就与之相关额表征和评价分析测试技术进行了介绍，并做了经典案例分享。按照组成、结构到性能的分类，主要有元素分析、官能团与分子结构，以及聚集态结构、分子量及分子量分布表征技术、基本性能表征、材料力学性能表征、热性能表征、耐环境性能表征等（a href="https://www.instrument.com.cn//webinar/video_105760.html" target="_self" style="color: rgb(0, 176, 240) text-decoration: underline "span style="color: rgb(0, 176, 240) "strong完整报告视频链接/strong/span/a）。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "岛津高级产品经理郝正明介绍了XRF、SPM、EPMA、XPS等几种常见的表征分析方法， 并就锂电池负极集流体、太阳能电池缓冲层、锂电池正极氧化钴原料、三元正极材料等代表性应用案例进行了介绍和分析。（a href="https://www.instrument.com.cn/webinar/video_105759.html" target="_self" style="color: rgb(0, 176, 240) text-decoration: underline "strongspan style="color: rgb(0, 176, 240) "完整报告视频链接/span/strong/a）。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "江苏科技大学副教授李照磊带来了《聚乳酸外消旋共混物结晶行为的热分析研究》的报告，主要介绍了常规差式扫描量热仪在聚乳酸立构复合晶与均质晶平衡熔点的差异研究和告诉扫描芯片量热仪的新型成核动力学表征方法等内容。（a href="https://www.instrument.com.cn/webinar/video_105758.html" target="_self" style="color: rgb(0, 176, 240) text-decoration: underline "strongspan style="color: rgb(0, 176, 240) "完整报告视频链接/span/strong/a）。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "林中清在安徽大学现代实验技术中心从事扫描电镜管理及测试工作超过30年，他认为，“冷场扫描电镜无法进行磁性材料测量”是一个片面的说法，在报告中，林老师从磁性材料以及冷场扫描电镜的认识出发，以大量事例来探讨冷场电镜对磁性材料的检测方法及注意事项。以修正这种观点，开拓冷场扫描的应用领域。（a href="https://www.instrument.com.cn//webinar/video_105757.html" target="_self" style="color: rgb(0, 176, 240) text-decoration: underline "strongspan style="color: rgb(0, 176, 240) "完整报告视频链接/span/strong/a）。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "会议期间广大网友与老师们积极互动交流，气氛热烈，会议结束后，在仪器信息网的材料表征与评价学术交流群中也得到了热烈的反响。/pp style="text-align:center"img src="https://img1.17img.cn/17img/images/201909/uepic/b2bd82ce-b463-432e-92fa-50c6a5e7e224.jpg" title="国庆公益大放送！材料表征与评价专家授课视频全集１_看图王.jpg" alt="国庆公益大放送！材料表征与评价专家授课视频全集１_看图王.jpg" width="300" height="352" border="0" vspace="0" style="text-align: center max-width: 100% max-height: 100% width: 300px height: 352px "//pp style="text-align: center text-indent: 2em "strong扫描下方二维码加入材料表征与评价学术交流群/strong/pp style="text-align: center text-indent: 0em "strongimg style="max-width: 100% max-height: 100% width: 300px height: 348px " src="https://img1.17img.cn/17img/images/201909/uepic/103eb435-b909-4034-a91d-aa4c89b967b4.jpg" title="国庆公益大放送！材料表征与评价专家授课视频全集２_看图王.jpg" alt="国庆公益大放送！材料表征与评价专家授课视频全集２_看图王.jpg" width="300" height="348" border="0" vspace="0"//strong/ppbr//pp style="text-align: center text-indent: 2em "strong精彩讲堂预告/strong/ppbr//pp style="text-align: left text-indent: 2em "strong会议名称：“/strong3D打印应用及检测”主题网络研讨会/pp style="text-align: left text-indent: 2em "strong会议时间：/strong2019年11月4日/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "strong会议详情：/strong专家名单及报名入口将在国庆节后开放，想要得到第一时间的通知，可扫描屏幕下方二维码，添加仪器信息网小材子个人微信号（XCZ3i666），备注3D打印。/pp style="text-align: center text-indent: 0em "img style="max-width: 100% max-height: 100% width: 300px height: 300px " src="https://img1.17img.cn/17img/images/201909/uepic/11e25da5-0c4c-4e71-a5fb-0ea252c9c76b.jpg" title="微信图片_20190605094648.jpg" alt="微信图片_20190605094648.jpg" width="300" height="300" border="0" vspace="0"//p