诺奖 MOFs的 “微观之眼”！亚微米红外拉曼显微联用系统，解锁亚微米“化学面孔”
发布日期：2025-10-13
MOFs的荣耀时代——从实验室奇迹到诺贝尔奖殿堂
2025年10月8日，瑞典皇家科学院将诺贝尔化学奖授予日本化学家北川进（Susumu Kitagawa）、澳大利亚化学家理查德·罗布森（Richard Robson）和美国化学家奥马尔·亚吉（Omar M. Yaghi），以表彰他们在金属有机框架（MOFs）材料研究领域的杰出贡献。
诺贝尔化学委员会主席Heiner Linke评价：“金属有机框架具有巨大的潜力，为具有新功能的定制材料带来了以前无法预见的机会。” MOFs 材料由金属离子与有机连接体构筑而成，凭借近乎无限的结构可设计性、超高的孔隙率和功能多样性，为清洁能源（氢气/甲烷储存）、碳捕获、化学传感、催化转化乃至药物递送等领域带来了革命性的希望。
然而，随着MOFs研究从宏观合成迈向微观应用，一个核心挑战日益凸显：如何精准 “观测” MOFs 微小晶体内部及微区的化学组成、结构变化与官能团分布？
困境：当超级材料MOFs遇上“局限”的表征技术
MOFs材料的核心优势在于其精确的周期性结构，而实际应用中的催化活性、气体吸附效率、稳定性等关键性能，往往由材料局部微观结构（如活性位点分布、晶界状态、缺陷区域）决定。例如：
在催化反应中，活性位点是否均匀分布？
在相变过程中，配体的化学键变化是否一致？
当三维MOFs剥离成二维薄片时，微米甚至亚微米尺度下的化学结构是否保持完整？
传统的光谱技术（如傅里叶变换红外光谱 FTIR）虽能提供材料宏观的化学信息，但其空间分辨率通常局限于数十微米级别。这好比我们用一支粗头的马克笔去描绘一幅精密的工笔画，无法分辨MOFs晶体内部、晶界或特定微区内的化学成分分布。这种“化学模糊”严重制约了我们对MOFs材料结构与性能关系的深入理解，也阻碍了下一代高性能MOFs的理性设计。
破局：mIRage联用系统——为MOFs研究提供量身定制的“亚微米化学显微镜”
搭载光学光热（OPTIR）技术的非接触式亚微米分辨光热红外拉曼显微联用光谱 mIRage， 突破了传统表征技术的分辨率瓶颈，为MOFs材料微观研究提供了“精准观测工具”，其核心性能与 MOFs 材料的表征需求高度契合。
mIRage的核心优势：
超高空间分辨率（~500 nm）： 能够对单个MOF微晶、晶体边缘或缺陷区域进行精准的化学分析。
无损与非接触： 采用532 nm绿色激光光源作为“探针”，无需对样品进行切片、压片或镀膜，保持了MOFs材料原本的形态和结构，实现真正非接触基本无需制备的原位分析，这对于脆弱的多孔晶体和超薄二维MOF至关重要。
超高的灵敏度： 即使对于微量的官能团变化也能提供清晰的光谱信号。
多模态联用潜力： 可与拉曼、荧光成像等技术联用，提供化学与形貌的互补信息。
简而言之，mIRage 系统让我们第一次有能力在与其结构特征相匹配的尺度上，直接“观察”MOFs的化学成分，实现了从“听其声”（宏观光谱）到“见其形”（微区化学成像）的跨越。
案例解析：耶鲁大学借助 mIRage解锁MOF剥离之谜
耶鲁大学Amymarie K. Bartholomew团队在 Chemical Science (Chem. Sci., 2024, 15, 15198) 发表的突破性研究中，提出通过热可裂解的“二蒽”配体，将3D MOF“自上而下”地转化为可机械剥离的2D MOF。并利用 mIRage 系统（OPTIR技术），验证了该策略的可行性，其核心数据（图 S11、图 S12）直接证实了 mIRage 在 MOFs 维度转化研究中的关键作用。
下图对比了原始 3D MOF（样品 1）、热处理后形成的 2D MOF（样品 2）及机械剥离的 2D MOF 薄片三者的 OPTIR 光谱。结果显示：三条光谱在C=N亚胺键、羧酸盐振动、芳环C=C伸缩等关键官能团区域高度重合。
图S11：化学结构的“传承”
这一结果直接证明，3D MOF 向 2D MOF 的转化过程中，热处理仅选择性切断了层间的 “二蒽配体共价键”，而 MOF 二维层内的核心结构（Zn₃BDC₃片层）未发生破坏，化学完整性得到完全保留 —— 这是后续机械剥离及材料性能稳定的前提。
下图采集了同一片机械剥离的 2D MOF 薄片上不同位置（以紫色圆点标记）的 OPTIR 光谱，所有位置采集到的光谱几乎完全重叠。
图S12：均匀性的“宣言”
这一现象表明2D MOF薄片在微米尺度上具有超卓的化学均匀性，未出现局部成分偏析或降解。这种均匀性是实现可靠的电学、传感性能的基础，也解释了为何该材料能够被顺利、均匀地剥离。
综上所述，mIRage 系统在该研究中扮演了“终极质检员”的角色，结合其他分析手段最终证实：
维度还原的成功与选择性： 仅切断层间配体，主体框架安然无恙。
保障材料可剥离性： 均匀的化学结构意味着均匀的层间作用力，这是实现机械剥离的前提。
为应用铺平道路： 通过证明材料在微纳尺度上的化学完整性，为后续将其应用于纳米电子器件等高精领域提供了关键信心。
展望：mIRage——赋能MOFs未来的“战略伙伴”
随着MOFs材料荣膺诺贝尔奖，全球必将迎来新一轮的研究与投资热潮。研究的焦点将从“合成新型MOF”进一步深入到“理解构效关系”和“实现精准调控”。无论是研究MOF在催化中的活性中心，探测其在气体吸附中的主客体相互作用，还是表征异质结MOF复合材料，mIRage系统都将成为前沿研究的战略性工具。
它就像一位拥有亚微米级视力的“化学侦探”，能在MOFs材料的微观世界里，为我们揭示此前无法窥见的秘密，加速从基础科学到产业应用的转化进程。
其他应用领域（部分）
1. 环境微塑料
微塑料颗粒（~600 nm）的O-PTIR光谱及成像分析
(引自Microscopy Today, 2022, 17, 3, 76-85)
2. 高分子材料
1210 cm-1处采集的PP/PTFE的O-PTIR光谱和显微图像
(引自Materials & Design, 211 (2021), 17, 110157)
3. 半导体
薄膜晶体管显示器中污染物的O-PTIR分析
器件表面缺陷的红外和拉曼光谱同步（同时间、同位置）分析
(引自Microscopy Today, 2020, 28, 3, 26-36)
4. 地球化学
无损石油包裹体测试
（引自Analytical chemistry：Molecular Fractionation of Ancient Organic Compounds in Deeply Buried Halite Crystals，doi.org/10.1021/acs.analchem.4c02956）
5. 生命科学
脑组织的明场显微图像、O-PTIR光谱及成像分析
6. 文物鉴定
柯罗19世纪绘画作品中锌皂异质性的O-PTIR显微光谱及成像分析
(引自Anal. Chem. 2022, 94, 7, 3103–3110)
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