仪器分析在光响应智能材料研究中的应用

张焱 聂锦梅 于文雅 李文霞 唐川江 刘振东 聂倩

[摘 要] 由于光响应智能材料的结构性能的表征主要靠多种精密分析仪器技术，所用的实验分析技术比较分散，本科生或研究生比较全面的查阅和学习这些技术比较困难。文章旨在介绍通用于光响应智能材料的基本分析技术，以应用实例重点阐述这些仪器分析技术在光响应智能材料分析中的特点和有效应用范围，为研究人员在今后相关研究中提供表征方法上的指导。

[关键词] 现代仪器;光响应;智能材料;分析方法

[中图分类号] TB303    [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2020）41-0312-02    [收稿日期] 2019-11-27

目前光响应智能材料是材料科学领域的热门研究课题，对光响应智能材料的结构、性能及光响应机制的研究还有一定的局限性;因此，有目的有意识地采用各种新型精密分析仪器并创造性地揭示光响应材料的响应机制，对光响应智能材料的发展有很重要的意义。

光响应材料的研究主要包含材料的制备、表征和性能研究，这三部分内容相辅相成。材料的制备方法决定材料的结构，从微观上掌握材料本身的结构特征，才能更清楚地解释材料表现出的特性。本文从教学和科研工作者的实际需要出发，围绕光响应智能材料研究领域中涉及的最常用的分析仪器，如核磁共振波谱、紫外可见光谱、红外光谱等，就分析方法的应用特点和对样品的要求、谱图能提供的信息及应用范围进行简明扼要的阐述。

一、分子光谱法

分子光谱是由分子中的电子能级、振动能级和转动能级的变化产生的，用分子光谱法对光响应智能材料的结构和性能进行表征，可以掌握材料元素组成、微观化学结构及材料的光响应特性，是这类材料分析中的重要研究手段。

（一）红外吸收光谱法（IR）

紅外光谱主要是提供材料的官能团结构信息。红外光谱图的横坐标表示吸收峰的位置，纵坐标表示透过率，根据吸收峰位置、形状和强度可进行定性分析，推断未知物中可能存在的官能团，根据吸收峰的强度可进行定量分析。红外光谱是材料学研究中的一个很有成效的工具，不仅可以鉴定未知材料结构，还可以剖析材料中添加剂、助剂等成分。赵利华[1]等采用红外光谱仪表征俘精酸酐光致变色材料的结构，在1790-1810 cm-1和1740-1760 cm-1，有很强的羰基伸缩振动，前者为不对称伸缩振动，而后者为对称伸缩振动，这说明具有典型俘精酸酐的环状酸酐的结构特征。红外光谱作为一种环境友好的快速分析仪器正在被越来越多的分析工作者认识和使用，并且仍处在不断完善中。

（二）紫外可见分光光度法（UV-Vis）

紫外可见分光光度法是利用物质分子对波长在200～900 nm范围的电磁波的吸收特性所建立起来的一种定性、定量和结构分析的方法。紫外可见分光光度法作为一种操作简便、分析快速、准确度高和重现性好的仪器分析方法，在光响应智能材料的性能表征领域得到了最为广泛的应用，尤其在光致变色材料的变色性能表征方面，紫外可见分光光度法使用最为广泛。Heller[2]等人利用紫外可见分光光度法研究了一系列呋喃基取代的俘精酸酐，主要测定其吸收光谱，发现取代基较大的位阻有利于呈色体的吸收光谱发生红移;同时发现溶剂对俘精酸酐及其呈色体的吸收光谱也有影响，消色体在正己烷中的最大吸收是337nm，而在乙醇中则为346nm，且随着溶剂极性的增大，俘精酸酐呈色体的最大吸收发生红移越显著。紫外可见分光光度法不仅可以测定光响应材料对光的吸收特性和变色性能，还可以表征材料的抗疲劳性能和热稳定性。

（三）核磁共振波谱法（NMR）

NMR是未知物结构分子中很有用的一种方法，它可以表征有机小分子的微观分子结构，也可以测定共聚物的组成。但在一般的NMR测试中，试样多为要溶解到氘代试剂中，这使高分子材料的研究受到限制。而固体高分辨率核磁共振波谱法，可直接测定高分子固体试样。NMR方法中，常用的是1H-NMR谱和13C-NMR谱。利用这两种谱很容易确定分子的组成，碳氢键和碳碳键的连接方式，空间结构及碳的骨架结构等，也可以通过H的积分面积测定各基团的定量结果或共聚物组成。何帅[3]等人采用安捷伦400MHz核磁共振波谱仪，CDCl3作溶剂，研究了自制的偶氮苯改性聚乙二醇光响应材料，其H谱数据特征的表明，在化学位移为8.12～7.51出现偶氮苯中苯环上的氢的特征峰，化学位移为3.65和3.48处出现了和氧相连的亚甲基的特征峰，从而证明偶氮苯改性聚乙二醇的结构，并根据苯环上氢的积分面积和亚甲基氢的积分面积比来确定偶氮苯在聚乙二醇上的量。

二、电镜法

（一）扫描电镜法（SEM）

扫描电镜是采用逐点成像的方法，把样品表面不同的特征，按顺序、成比例的转换为视频信号，完成一帧图像，从而使我们在荧光屏上观察到样品表面的各种特征图像。扫描电镜法（SEM）主要用于观察小至几十纳米大小的微粒;观察物质的表面形貌、结晶形态、粒度、表面粗糙度和凹凸情况等;一般扫描电镜均配有能谱仪，可以在观察表面形貌的同时，进行选区成分分析。主要优点是样品制备简单，对样品的厚度无特殊要求，电子束对样品的损伤与污染程度较小，图像放大范围广，测试价格相对便宜。通过扫描电镜法观察光响应智能材料的表面形态及结构。

（二）透射电镜法（TEM）

透射电子显微镜（TEM）可以进行内部形貌观察、晶体结构分析，特别是微区（微米、纳米）的像观察和结构分析，可以得到原子尺度的像，在看到表面图像的同时也看到内层物质。透射电镜的样品厚度一般为10～100 nm，且观测范围仅为10 mm量级。TEM相较于SEM，主要的优点是分辨率更加出色，能观测到样品的内部结构;主要缺点是制样麻烦，检测费用高。

三、热分析法

热重分析法（TG）用来研究材料的热稳定性和组分，可准确地测量受热时物质的质量变化及变化的速率。用于高分子材料热稳定性的评定;高分子材料的共聚物和共混物分析;高分子材料中挥发物的分析;高分子材料中水分（含湿量）的测定等。差热分析法（DTA）是在一定实验温度下不发生任何化学反应和物理变化的稳定物质（参比物），与等量的未知物在相同环境中等速变温的情况下相比较，未知物的任何化学和物理上的变化，与和它处于同一环境中的标准物的温度相比较，都要出现暂时的增高或降低。降低表现为吸热反应，增高表现为放热反应。DTA法主要用来测定高聚物的物理特性，如测定高聚物材料的玻璃化转变温度;高聚物材料在空气和惰性气体中的受热情况;聚合物材料纯度的测定等。TG和DTA两者一般联用。

四、结束语

现代仪器分析技术具有分析速度快、样品用量少、精密度高、重复性好等特点，它在材料分析领域中已得到十分广泛的应用。随着科学工作者对光响应智能材料研究的不断深入，改进和完善现有的仪器分析技术，综合运用各种仪器分析方法，将有力地推动光响应智能材料的研究。

参考文献

[1]赵利华.3-吲哚基俘精酰亚胺的合成和性能研究[D].北京：中国科学院理化技术研究所硕士论文.

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

[3]何帅，李阳，崔春光，王聪，王雪芬，罗斌，高宇航，光响应聚合物的制备及其光学性能研究[J].西南民族大学学报·自然科学版，2014，40（5），690-695.