儀器分析在光響應智能材料研究中的應用

張焱 聶錦梅 于文雅 李文霞 唐川江 劉振東 聶倩

[摘 要] 由于光響應智能材料的結構性能的表征主要靠多種精密分析儀器技術，所用的實驗分析技術比較分散，本科生或研究生比較全面的查閱和學習這些技術比較困難。文章旨在介紹通用于光響應智能材料的基本分析技術，以應用實例重點闡述這些儀器分析技術在光響應智能材料分析中的特點和有效應用范圍，為研究人員在今后相關研究中提供表征方法上的指導。

[關鍵詞] 現代儀器;光響應;智能材料;分析方法

[中圖分類號] TB303? ? [文獻標識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2020）41-0312-02? ? [收稿日期] 2019-11-27

目前光響應智能材料是材料科學領域的熱門研究課題，對光響應智能材料的結構、性能及光響應機制的研究還有一定的局限性;因此，有目的有意識地采用各種新型精密分析儀器并創造性地揭示光響應材料的響應機制，對光響應智能材料的發展有很重要的意義。

光響應材料的研究主要包含材料的制備、表征和性能研究，這三部分內容相輔相成。材料的制備方法決定材料的結構，從微觀上掌握材料本身的結構特征，才能更清楚地解釋材料表現出的特性。本文從教學和科研工作者的實際需要出發，圍繞光響應智能材料研究領域中涉及的最常用的分析儀器，如核磁共振波譜、紫外可見光譜、紅外光譜等，就分析方法的應用特點和對樣品的要求、譜圖能提供的信息及應用范圍進行簡明扼要的闡述。

一、分子光譜法

分子光譜是由分子中的電子能級、振動能級和轉動能級的變化產生的，用分子光譜法對光響應智能材料的結構和性能進行表征，可以掌握材料元素組成、微觀化學結構及材料的光響應特性，是這類材料分析中的重要研究手段。

（一）紅外吸收光譜法（IR）

紅外光譜主要是提供材料的官能團結構信息。紅外光譜圖的橫坐標表示吸收峰的位置，縱坐標表示透過率，根據吸收峰位置、形狀和強度可進行定性分析，推斷未知物中可能存在的官能團，根據吸收峰的強度可進行定量分析。紅外光譜是材料學研究中的一個很有成效的工具，不僅可以鑒定未知材料結構，還可以剖析材料中添加劑、助劑等成分。趙利華[1]等采用紅外光譜儀表征俘精酸酐光致變色材料的結構，在1790-1810 cm-1和1740-1760 cm-1，有很強的羰基伸縮振動，前者為不對稱伸縮振動，而后者為對稱伸縮振動，這說明具有典型俘精酸酐的環狀酸酐的結構特征。紅外光譜作為一種環境友好的快速分析儀器正在被越來越多的分析工作者認識和使用，并且仍處在不斷完善中。

（二）紫外可見分光光度法（UV-Vis）

紫外可見分光光度法是利用物質分子對波長在200～900 nm范圍的電磁波的吸收特性所建立起來的一種定性、定量和結構分析的方法。紫外可見分光光度法作為一種操作簡便、分析快速、準確度高和重現性好的儀器分析方法，在光響應智能材料的性能表征領域得到了最為廣泛的應用，尤其在光致變色材料的變色性能表征方面，紫外可見分光光度法使用最為廣泛。Heller[2]等人利用紫外可見分光光度法研究了一系列呋喃基取代的俘精酸酐，主要測定其吸收光譜，發現取代基較大的位阻有利于呈色體的吸收光譜發生紅移;同時發現溶劑對俘精酸酐及其呈色體的吸收光譜也有影響，消色體在正己烷中的最大吸收是337nm，而在乙醇中則為346nm，且隨著溶劑極性的增大，俘精酸酐呈色體的最大吸收發生紅移越顯著。紫外可見分光光度法不僅可以測定光響應材料對光的吸收特性和變色性能，還可以表征材料的抗疲勞性能和熱穩定性。

（三）核磁共振波譜法（NMR）

NMR是未知物結構分子中很有用的一種方法，它可以表征有機小分子的微觀分子結構，也可以測定共聚物的組成。但在一般的NMR測試中，試樣多為要溶解到氘代試劑中，這使高分子材料的研究受到限制。而固體高分辨率核磁共振波譜法，可直接測定高分子固體試樣。NMR方法中，常用的是1H-NMR譜和13C-NMR譜。利用這兩種譜很容易確定分子的組成，碳氫鍵和碳碳鍵的連接方式，空間結構及碳的骨架結構等，也可以通過H的積分面積測定各基團的定量結果或共聚物組成。何帥[3]等人采用安捷倫400MHz核磁共振波譜儀，CDCl3作溶劑，研究了自制的偶氮苯改性聚乙二醇光響應材料，其H譜數據特征的表明，在化學位移為8.12～7.51出現偶氮苯中苯環上的氫的特征峰，化學位移為3.65和3.48處出現了和氧相連的亞甲基的特征峰，從而證明偶氮苯改性聚乙二醇的結構，并根據苯環上氫的積分面積和亞甲基氫的積分面積比來確定偶氮苯在聚乙二醇上的量。

二、電鏡法

（一）掃描電鏡法（SEM）

掃描電鏡是采用逐點成像的方法，把樣品表面不同的特征，按順序、成比例的轉換為視頻信號，完成一幀圖像，從而使我們在熒光屏上觀察到樣品表面的各種特征圖像。掃描電鏡法（SEM）主要用于觀察小至幾十納米大小的微粒;觀察物質的表面形貌、結晶形態、粒度、表面粗糙度和凹凸情況等;一般掃描電鏡均配有能譜儀，可以在觀察表面形貌的同時，進行選區成分分析。主要優點是樣品制備簡單，對樣品的厚度無特殊要求，電子束對樣品的損傷與污染程度較小，圖像放大范圍廣，測試價格相對便宜。通過掃描電鏡法觀察光響應智能材料的表面形態及結構。

（二）透射電鏡法（TEM）

透射電子顯微鏡（TEM）可以進行內部形貌觀察、晶體結構分析，特別是微區（微米、納米）的像觀察和結構分析，可以得到原子尺度的像，在看到表面圖像的同時也看到內層物質。透射電鏡的樣品厚度一般為10～100 nm，且觀測范圍僅為10 mm量級。TEM相較于SEM，主要的優點是分辨率更加出色，能觀測到樣品的內部結構;主要缺點是制樣麻煩，檢測費用高。

三、熱分析法

熱重分析法（TG）用來研究材料的熱穩定性和組分，可準確地測量受熱時物質的質量變化及變化的速率。用于高分子材料熱穩定性的評定;高分子材料的共聚物和共混物分析;高分子材料中揮發物的分析;高分子材料中水分（含濕量）的測定等。差熱分析法（DTA）是在一定實驗溫度下不發生任何化學反應和物理變化的穩定物質（參比物），與等量的未知物在相同環境中等速變溫的情況下相比較，未知物的任何化學和物理上的變化，與和它處于同一環境中的標準物的溫度相比較，都要出現暫時的增高或降低。降低表現為吸熱反應，增高表現為放熱反應。DTA法主要用來測定高聚物的物理特性，如測定高聚物材料的玻璃化轉變溫度;高聚物材料在空氣和惰性氣體中的受熱情況;聚合物材料純度的測定等。TG和DTA兩者一般聯用。

四、結束語

現代儀器分析技術具有分析速度快、樣品用量少、精密度高、重復性好等特點，它在材料分析領域中已得到十分廣泛的應用。隨著科學工作者對光響應智能材料研究的不斷深入，改進和完善現有的儀器分析技術，綜合運用各種儀器分析方法，將有力地推動光響應智能材料的研究。

參考文獻

[1]趙利華.3-吲哚基俘精酰亞胺的合成和性能研究[D].北京：中國科學院理化技術研究所碩士論文.

[2]Heller H.G.，Oliver S.，Photphysics，photochemistry and kinetics of photochromism of a furylfulgide.Chem.Phys.Letts.[J].1990，171，553-557.

[3]何帥，李陽，崔春光，王聰，王雪芬，羅斌，高宇航，光響應聚合物的制備及其光學性能研究[J].西南民族大學學報·自然科學版，2014，40（5），690-695.