0.18 μm 依然清晰可辨！光学光热红外光谱，非接触无损表征超薄高分子界面
发布日期：2026-10-16
在多层高分子薄膜研究、特种涂层研发、微塑料研究、环境危害塑料回收中，快速识别亚微米级薄膜的化学成分一直是个难题。传统傅里叶变换红外光谱（FT-IR）受限于红外衍射极限，空间分辨率通常只有几微米到十几微米，难以对微小颗粒或超薄涂层进行有效表征。光学光热红外光谱（O-PTIR）技术的出现，为突破这一瓶颈提供了全新思路。
近期，德国汉诺威莱布尼茨大学塑料与循环经济研究所的Häusler等人，在《ACS Measurement Science》上发表了一项可行性研究，系统考察了薄膜厚度对O-PTIR定性识别塑料的影响。研究结果显示：在O-PTIR平台上，厚度约 0.18 μm 的 PET 薄膜与厚度 0.29 μm 的 PA6 薄膜，特征吸收峰依然清晰可辨；薄膜信号消失与否，受限于滴涂制样工艺而非仪器本身，这意味着 O-PTIR 对聚合物薄膜的真实检测下限还要更低。
一、O-PTIR 如何突破衍射极限：用可见光"读取"红外信息
O-PTIR 以脉冲可调谐量子级联激光器（QCL）照射样品，激发分子的振动跃迁；当红外能量被特定官能团吸收后，样品表面产生瞬态光热膨胀，再由一束聚焦至亚微米尺度的可见光探针间接探测这一光热效应，从而获得红外吸收光谱。由于探测端使用波长更短的可见光，O-PTIR 的有效空间分辨率可达亚微米级，突破传统红外显微的衍射极限。
在测量方式上，O-PTIR 采用非接触、无损的反射模式，单点光谱采集仅需约 2 秒，兼顾了红外光谱的化学特异性与显微成像的空间分辨率。基于O-PTIR 的非接触亚微米分辨红外拉曼同步测量系统mIRage，由此成为超薄涂层、微区污染物等"看得见、测不准"样品的有效分析手段。
二、研究设计：让 O-PTIR 信号与真实膜厚严格对应
研究团队选择聚酰胺6（PA6）和聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）作为涂层，分别滴涂在聚丙烯（PP）和聚乙烯（PE）基底上，制备了不同厚度的薄膜，并用mIRage采集O-PTIR光谱。研究重点关注PA6在1641cm⁻¹、PET在1721cm⁻¹的特征峰，以及基底PP在1377cm⁻¹、PE在1473cm⁻¹的特征峰。实验采用滴涂法，从1wt%到0.0625wt%逐级降低溶液浓度，并用扫描电镜（SEM）测量薄膜截面厚度，确保O-PTIR信号与真实厚度对应。
下图展示了PET/PE和PA/PP体系中，薄膜特征峰与基底特征峰的强度比及归一化峰强随膜厚的变化。左图以百分比形式给出膜/基底峰强比，右图则展示归一化后的绝对峰强。对于PA/PP体系，PA与PP的峰强比与PA层厚度呈现良好的线性关系，决定系数R²达到0.8477，表明O-PTIR信号可定量反映薄膜厚度变化。对于PET/PE体系，即使PET膜厚降至约0.18μm，其1721cm⁻¹特征峰依然清晰可辨；PA6在0.29μm时也仍有明显信号。这些结果直接支持了文章的核心结论：O-PTIR能够检测亚微米厚度的聚合物薄膜，其检测下限低于0.18μm（PET）和0.29μm（PA6），只是受限于滴涂制样方法，未能进一步制备更薄的稳定薄膜，因而尚未触及仪器的真正检测极限。
三、从研究数据看设备能力：mIRage平台的核心能力
这项研究的每一项关键发现，都对应着 mIRage 平台的一项核心能力：
亚微米空间分辨率使其能够精准定位薄膜区域，避免基底信号干扰；
极低的检测下限意味着即使极薄的材料层也能被识别，这对微量污染物、涂层缺陷或界面层分析极具价值。
mIRage平台还可选配同时采集拉曼光谱的功能，实现红外与拉曼信息的互补，为复杂材料提供更全面的化学表征。
非接触、无损的测量方式也适合珍贵样品或原位分析。
同时O-PTIR还能提供点扫描、线扫描和面成像模式，可生成高分辨率的化学分布图，揭示材料表面异质性。其光谱范围覆盖中红外指纹区，能够识别官能团、聚合物类型、添加剂等，灵敏度高，信噪比好。
四、不止于塑料薄膜：O-PTIR 的跨领域分析能力
除了塑料薄膜，O-PTIR技术在其他材料科学和半导体研究领域同样潜力巨大。例如，半导体晶圆表面的有机污染物、光刻胶残留、多层封装材料中的界面扩散、二维材料薄膜的均匀性、微电子器件中的聚合物介电层等，都可以借助O-PTIR进行亚微米级化学成像。在环境科学中，微塑料、纳米塑料的鉴定；在法医学中，油漆、纤维的比对；在文化遗产保护中，文物表面涂层分析等，也均可使用O-PTIR产品进行分析。对于锂电材料、有机光伏、金属有机框架等，O-PTIR可提供微区化学信息，助力理解构效关系。
五、结语
Häusler 等人的工作为 O-PTIR 在亚微米薄膜分析中的可靠性提供了独立的第三方实验依据：在真实厚度经 SEM 校准的前提下，亚微米级 PET 与 PA6 薄膜的特征峰仍可清晰识别，且信号强度与膜厚呈规律性对应。对于超薄涂层、界面层、微量污染物等常规红外显微"力不从心"的样品，mIRage 提供了一条兼顾分辨率、特异性与无损性的分析路径。
参考文献：
[1] Häusler, J. F.; Bittner, F.; Shamsuyeva, M. Influence of Layer Thickness on the Detection of Plastic Films Using Optical Photothermal Infrared Spectroscopy (O-PTIR). ACS Meas. Sci. Au 2026, *6*, 150–157. DOI: 10.1021/acsmesauresciau.5c00149.
mIRage 多领域表征方案
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)
样机体验：
为满足国内日益增长的新型红外表征需求，更好的为国内科研工作者提供专业技术支持和服务，QD中国科学实验中心引进了非接触亚微米分辨红外拉曼同步测量系统——mIRage，为您提供样品测试、样机体验等机会，期待与您的合作！ 欢迎您通过电话：010-85120277/78、邮箱：info@qd-china.com或扫码下方二维码联系我们。
