就像每个人都有独特的指纹一样,每种物质中的分子在振动时会吸收特定频率的红外光,形成独特的“语言”,通过解读分子语言可以识别出物质的化学组成。红外光谱技术(简称红外光谱)就是这样一种通过分析物质吸收特定红外光的特性,来识别物质“身份”的科学工具。而显微红外光谱技术更像是一位“超级侦探”,它结合了红外光谱的“分子指纹识别”能力和显微镜的“超级放大”功能,既能用显微镜“看清”微观世界,又能用红外光谱“听懂”分子语言,可在不破坏样品的前提下,精准分析微小区域的物质成分。目前红外光谱和显微红外光谱技术已然成为连接实验室与现实应用的桥梁,现在就让我们一起来了解其在不同领域中的典型应用。应用案例一:提供无镉AgInZnS(AIZS)量子点的成分信息基于量子点的发光二极管由于低成本、优异的颜色可调性、高光致发光量子产率等显著优势,被视为下一代固态照明技术,为此文中合成了用短链配体取代的AIZS量子点,并系统地研究了这些量子点的形态、结晶度、光学性能和成膜能力。FTIR数据中特征谱峰为合成不同配体取代的AIZS量子点提供了实验证据,并通过谱峰的强弱为说明短链配体取代的AIZS量子点碳含量较低,电导率有望提高提供了重要的理论依据。 Adv. Mater. Interfaces.2024,11, 2400385DOI: 10.1002/admi.202400385应用案例二:研究电化学共还原制备尿素的催化反应机理该工作通过电位依赖的FTIR,研究 CO2 和NO2-电化学共还原制备尿素的反应机理。在前期采用电还原法制备了(ZnO-V)多孔纳米片,并被用作利用CO2和亚硝酸盐为原料合成尿素的催化剂。研究中显示尿素仅在CO2+NO2-共同存在的条件下形成,表明尿素中的碳和氮来自CO2和NO2-,并且在用CO代替CO2或NH4+代替NO2-后,未检测到合成尿素,进一步表明尿素形成源于CO和氨生成之前的中间体。在原位ATR-FTIR实验中分别用CO2和NO2做为反应气体。如图所示在CO2和NO2-的单一体系中分别观测到*COOH,NH4+的特征谱峰,在CO2和NO2-的混合体系中观测到C-N键的特征谱峰,说明电化学实现了C-N键的构建,为进一步探究电化学共还原制备尿素的催化反应机理提供了重要的支撑作用。 Cell Rep Phys Sci.2021,2,100378. https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2021.100378应用案例三:微塑料检测微塑料(MPs)(尺寸为1微米至≤5毫米)在环境中无处不在。由于其对人类健康存在潜在危害,现已在全球范围内引起越来越多的关注。文中从砧板材料、切菜方式、暴露时间等方面考察了两种厨房常用塑料砧板对人类食物中微塑料的影响。利用Lumos II傅里叶变换红外成像显微镜对收集到纤维素膜滤纸上的食物中的所有微塑料颗粒进行面扫描成像,并在衰减全反射(ATR)模式下用单点MCT检测器对每张滤纸上随机选择20个尺寸在25至300 微米之间的颗粒进行表征。图中所示为聚乙烯(A和B)和聚丙烯微塑料(C和D)不同尺寸颗粒的红外谱图。为研究过程中揭示塑料砧板可能是人类食物中微塑料的主要来源这一结论提供了重要的实验数据。 Environ. Sci. Technol. 2023, 57, 8225−8235https://doi.org/10.1021/acs.est.3c00924应用案例四:法医鉴定-塑料基材上的汽车漆层分析汽车漆片是法医鉴定过程中至关重要的微量证据,因为汽车漆通常由多层组成,包括底漆、底涂和清漆等,每层都有其独特的化学成分,这些成分可能因车辆品牌、型号、年份和制造厂商的不同而有所区别。文中先对不同模式采集的底漆、底涂和基底的显微红外光谱进行比较,并分别利用FPA检测器和MCT检测器对某一车辆的漆片切片进行了表面成像和单点检测。FPA检测器能够非常快速地进行面成像扫描,并通过OPUS软件中主成分分析功能得到样品的化分成分分布图,使得样品的化学组成有更为直观的数据(如下图中所示)。但 MCT检测器可以用于分析更小的区域,两者相结合仍然是目前进行汽车漆片分析时最为理想的分析方法。 J Forensic Sci. 2024;69:1730–1739.DOI: 10.1111/1556-4029.15575红外光谱综合分析实验室配套设备:一、全真空高端研究级红外光谱仪 生产商:德国Bruker型号:VERTEX 80v基本参数:1、最高分辨率可达0.06cm-1。2、搭载远红外分束器和检测器,检测范围可以覆盖中、远红外谱区范围(4000-50cm-1)。3、配备金刚石晶体衰减全反射附件,可分析固体、液体、半液体样品及强吸收物质(如聚合物、橡胶、涂料、纤维等)、无机化合物等。4、同时配备液氮冷却的快速高灵敏度MCT检测器,可满足热、电、光催化等原位测试。5、配备自动偏振附件,可获得不同偏振方向的线偏振红外辐射,从而获取物质的取向、偏振依赖性吸收信息。二、傅立叶变换红外成像显微镜 生产商:德国Bruker型号:LUMOSⅡ基本参数:1.光谱范围:4000-750 cm-1(成像模式);光谱范围:4000-600 cm-1(单点模式)。2.数据采集方式:透射、反射、ATR。3.红外成像空间像素分辨率:≤5μm。4.检测器:配备有32*32个阵列单元的FPA面阵列检测器和高灵敏度单点MCT检测器。5.原位变温附件:-190℃-600℃。能力支持与选型建议:1.VERTEX 80v 全真空型高端研究级红外光谱仪,可几乎完全去除空气中 H2O、CO2的影响,并能充分保证有机、无机材料的中远红外分析、长时间的原位分析过程中背景基线的一致稳定性,无需担心普通红外的背景波动、基线漂移等问题,广泛适用于材料学、化学、化学工程、药学、生命科学等学科固体、液体样品的常规及原位测试。2.LUMOSⅡ傅立叶变换红外成像显微镜同时配备FPA(焦平面阵列)检测器和单点MCT检测器,既可满足快速面成像需求又能同时满足单点高信噪比测试,可轻松、精确地表征微小颗粒、产品缺陷、评估片剂、聚合物或其他材料的均匀性等,还可以实现原位变温测试,广泛应用于化工、材料、药学、理学、环境、地学、海洋、生命科学、机械、建筑工程等学科。 天津大学大型仪器平台谱仪中心 刘洋预约请登录:http://yiqi.tju.edu.cn(天津大学大型仪器管理平台)实验室地点:天津大学北洋园校区58教C区二层(223室)