...亞微米空間分辨同步IR + Raman光譜成像分析 PLA/PHA生物微塑料...

　　來源於石油中的塑料產品已經成為現代生活不可分割的一部分，它們性能優異，用途廣泛且相對便宜，但同時也引發了人們對於塑料垃圾在環境中累積問題的擔憂，迫使我們儘快採取行動探索替代傳統塑料的新型材料。生物塑料, 如聚乳酸(PLA)和聚羥基烷酸酯(PHA)等均來源於天然資源（如糖，植物油等），它們在適當條件下可發生生物降解，因此其製成的產品即使不小心洩漏到環境中，也不會像傳統塑料一樣長期殘留在土壤和水道中，而是最終回歸自然，安全而又環保。

　　雖然典型的PLA和PHA在分子層面上基本不混溶，但得益於其優異的相容性，它們可以以不同比例形成複合材料，創造出許多性質迥異的功能材料。為了更好地理解這兩種材料在微觀上的相互作用，美國德拉瓦大學Isao Noda教授課題組與Photothermal Spectroscopy Corp公司合作，利用基於光學光熱紅外技術（O-PTIR）的新一代非接觸亞微米分辨紅外拉曼同步測量系統mIRage（圖1）對PLA和PHA的複合薄片進行紅外拉曼同步成像分析，探究這兩種材料結合的方式和內在機理。

圖1. 非接觸亞微米分辨紅外拉曼同步測量系統—mIRage結構示意圖

　　光學光熱紅外技術(O-PTIR)是一種新興的光譜分析技術，可以提供幾百納米尺度上高空間分辨的振動光譜，且遠低於傳統紅外顯微鏡的衍射極限（~10-20 μm）。在O-PTIR光譜學中，高頻率調製下的強紅外光束源，如量子級聯雷射器(QCL)，用於照射樣品。當紅外光束波數與樣品分子振動頻率相匹配時，紅外光被吸收，能量被轉化為熱。當被激發的分子回到基態時，溫度會以光源調製的頻率發生波動，從而引發相應的體積變化(光聲效應)和折射率變化(光熱效應)。這些信號可被具有遠低於傳統紅外源空間衍射極限的高度聚焦的可見雷射束所探測，同時在同一位置上伴隨O-PTIR信號產生一個拉曼散射信號，從而實現真正的同時紅外吸收和拉曼散射測量，並具有亞微米級的空間解析度。

　　O-PTIR作為一種新型的光譜技術，具有傳統FTIR顯微鏡不可比擬的優點，並克服了許多限制。首先，O-PTIR可以提供空間解析度約為500 nm的紅外譜圖，遠遠超過了典型的紅外衍射極限空間解析度，且不依賴於入射紅外波長。更重要的是，它能夠以反射/非接觸(遠場)工作模式簡單快速的生成高質量的類似於FTIR的譜圖，從而避免了製備樣本薄切片的必要，且光譜與商用FTIR資料庫搜索完全兼容和可譯。另外，即使樣品中包含易產生螢光幹擾的組分（壓制拉曼信號或造成其飽和），O-PTIR的可調製信號收集特性也確保它完全不受任何螢光的影響。IR和Raman在O-PTIR方法的結合下，可以充分利用這兩種互補性技術的優勢，實現同步的紅外吸收和拉曼散射測量，並相互印證。

　　該工作中，作者首先對這PHA和PLA的結合面進行了固定波數下的紅外成像（圖2）。通過對比可以發現，在約330 nm的範圍內（空氣/PHA界面）1725 cm^-1處的紅外信號出現了急劇的下降，而在PHA/PLA界面處幾微米範圍內1760 cm^-1處的變化較為平緩，且無清晰的邊界，表明PHA和PLA可能有某種程度的分子混合。由於使用O-PTIR技術，不存在困擾傳統紅外成像設備的米氏散射效應，因此能夠確定這一模糊的邊界是來自於兩種材料間的相互滲透而非光學偽影。

圖2. 使用O-PTIR技術實現PLA和PHA在固定波數下的紅外成像。（A）紅外成像圖（紅色1725 cm^-1為PHA；綠色1760 cm^-1為PLA）；（B）A圖中黑色線性區域PHA/PLA紅外吸收強度分布對比

　　為了進一步研究PHA/PLA界面處的化學成分變化，作者對這大概2 μm左右交界面的紅外圖譜進行了間隔200 nm的線性紅外掃描分析（圖3）。從羰基（C=O）伸縮振動區和指紋區（圖3 A和B）的線性掃描紅外譜圖可以清晰的區分PHA（1720和1740 cm^-1）和PLA分子（1750-1760 cm^-1）。區別於理想的簡單二元系統（不互溶或無分子相互作用），PHA/PLA薄片羰基伸縮振動紅外疊加圖譜（圖3 C）並不存在一個明顯的等吸收點，反映了在界面區域存在著複雜的組分變化及兩種以上不同物種的分布。

圖3. PHA/PLA界面區域每200 nm間隔的羰基伸縮振動區域（A）和指紋圖譜區域 (B) 以及羰基區域伸縮振動的疊合O-PTIR圖譜(C)

　　為獲取更詳細的界面處PHA/PLA組分的空間分布規律，同步和異步二維相關光譜(2D-COS，two-dimensional correlation spectroscopy)被用來分析羰基拉伸區域採集到的紅外譜圖（圖4A和4B），並以等高線的圖形式展現，詳細的分析方法可以參考相關信息（Combined Use of KnowItAll and 2D-COS, https://www.youtube.com/watch?v=0UCcD3irVtE）。結果顯示，在主要為PHA的混合界面區域同時觀測到來源於PLA的1760 cm^-1紅峰外，表明部分PLA滲透到PHA層，且與PHA層的其餘部分相比，界面附近的PHA結晶度明顯降低。在對指紋圖譜區域進行2D PHA/PLA相關光譜同步和異步對比時，也得到了同樣的結果（可參照發表文章，在此不再顯示）, 即PLA向PHA滲透，且PHA的晶型有所改變。另外，作者還通過O-PTIR技術對該區域進行了同步紅外和拉曼分析（圖4C），兩者選擇性和靈敏度不同卻可以很好的互補，進一步驗證了這一發現的可靠性。結果證實，即使是表面上不混相的PHA和PLA聚合物對，也存在一定程度的分子混合，這種混合可能發生在界面只有幾百納米的空間水平上，很好的解釋了這兩種生物塑料之間的高度相容性。

　　圖4.  PHA/PLA羰基伸縮振動區域二維同步(A)和異步(B)相關光譜（2D-COS）分析以及交界區域同步O-PTIR紅外和拉曼光譜分析（左為紅外，右為拉曼）。

　　

參考文獻：

　　[1] Two-dimensional correlation analysis of highly spatially resolved simultaneous IR and Raman spectral imaging of bioplastics composite using optical photothermal Infrared and Raman spectroscopy，Journal of Molecular Structure， DOI: 10.1016/j.molstruc.2020.128045.