纳米级红外光谱用于聚合物的表征

　　尽管红外微光谱有广阔的用途，但是由于光学规则与实际设计的局限性,其基本的空间分辨率受到了限制。傅里叶变换红外光谱的空间分辨率局限于3倍的红外辐射波长。通过使用衰减全反射(ATR)的方式，可以将其空间分辨率接近于其辐射波长。本文将描述一种新的技术可以解决分辨率的限制，提供一种在200 nm及其之上可以测量样品物理和化学性质的方法

　　1 从微米级光谱到纳米级光谱

　　纳米级红外光谱(Nano IR)系统(如图1所示) (Ana-sys Instruments, Santa Barbara, CA)通过利用原子力显微镜(AFM)的针尖测量红外吸收的方式，突破了传统的红外光谱分辨率的局限。样品通过可调的红外源进行修饰。当红外射线被某一区域的样品吸收的时候，该区域就被加热了。这种热可以产生出一个快速热膨胀的脉冲，该脉冲可以被AFM悬臂尖端检测到。与“远场”光学相比，该技术特点在于：吸收的辐射可以通过极端近场的尖端得到测量。

　　AFM在纳米尺度研究测量有较好的应用，并且已很好地应用于材料科学和工程方面。若应用于纳米科学与纳米技术研究领域将能获得数十亿美元研究经费的投资，这一点已被广泛认可。但AFM不足之处在于：不能测量出样品的化学性质。实际上，在AFM针尖下能够鉴定出材料性质的能力被人们认为是探针显微分析的重要目标。

　　当AFM测量出材料的力学、电学、磁学和热学性质时，对于材料的化学性质却是未知的。在此，Nano IR能够在亚微型的尺度上实现对分析样品的红外光谱分析，测定由特定分子振动引起的红外波长吸收，并提供AFM针尖下样品的化学信息。

　　传统的傅里叶变换红外光谱的分辨率限制于一种被称为衍射极限的基本物理极限。衍射极限使其空间分辨率被限制为只是几倍于使用光的波长。通常情况下，分辨率的局限性大概是传统的发射波长的3倍或者与较优的仪器(例如ATR)相同的波长。在C-H区域，大约相当于3~10 μm。与之相比，Nano IR仪器的空间分辨率可以在测量测度上达到低至200 nm。

　　2 工作原理

　　Nano IR系统使用了红外纳米光谱(或者叫AF-MIR)的专利技术，Paris-Sud大学化学物理实验室的Alexandre Dazzi博士是该领域的先驱。Nano IR系统利用一个脉冲和可调的红外源去激发样品的分子吸收，这个红外源安装在ZnSe的棱镜上(如图2所示)。样品一般通过下述两种方式之一进行制备。对于很多的，可采用超薄切片法将其切成厚度为100 nm到1 000 nm的切片。这些切片被转移到棱镜的表面上。对于其他样品的制备，可以用溶液在棱镜上直接浇注成膜。