研究进展

新闻类别:研究进展
2020-03-23

观测自由基聚合的超快受激拉曼成像

现代工业中聚合物的化学合成与大规模生产对于人类生活的方方面面都产生了巨大的影响,在各种条件下的聚合反应过程同样是化学和生物研究中的热点。对聚合反应过程中的化学分子的成分分析及其超快动力学的研究有助于进一步理解单体聚合反应的机理并改进聚合物网络的结构和性能。目前对聚合反应过程的研究,主要还在依赖流变、粘度、膨胀度等几种传统手段进行宏观测量。有限的化学分析方法,包括质谱,拉曼、核磁共振等,可以离线对采集的样品进行聚合度的检测与分析,但是这些技术检测速度慢,且不能在线实时提供化学检测及原位的化学成分的时空分布信息。由于单体的聚合过程和浓度变化快到毫秒,甚至微妙量级,还没有任何成像方法可以在分子水平上对聚合的化学动力学过程进行在线、原位和高速高分辨的显微成像。

为了解决这一挑战,华中科技大学武汉光电国家研究中心王平教授课题组和波士顿大学程继新教授以及南洋理工大学徐臣杰教授课题组合作,研制成功了基于共线多光束(COMB-SRS)的受激拉曼散射显微镜,该显微镜可实现2000帧每秒的超高速高分辨化学成像,能够对剧烈的聚合反应过程进行无标记、原位的分子成像。COMB-SRS显微镜使用任意波形发生器同时产生多路RF射频,驱动两个声光偏转器(acousto-optic deflectors,AODs)获得可高达100路以上的高斯光束梳,并将多路泵浦光和斯托克斯光进行精确的时空和空间匹配,结合一维高速振镜,实现2000 HzSRS光梳的并行阵列扫描。聚焦到样品后的多路Pump光光束进行反相位的振镜扫描补偿后由光电二极管阵列进行并行探测。COMB-SRS采用高灵敏度的Lock-in Free电路阵列对微弱的非线性SRS信号进行检测,取代了传统单通道的锁相放大器。目前,COMB-SRS显微镜的视场(FOV)为30×28 μm2,具有50×46像素,能够以亚微米的空间分辨率和亚毫秒的时间分辨率,通过测定拉曼峰对超快的聚合反应进行定量的动力学成像。通过丙烯酰胺聚合反应中化学键的变化,该方法对单体和聚合物的浓度进行成像,并且通过精确控制UV光的开关,对聚合反应的发生,扩散和终止进行了成像,并且原位观察到由反应速率和持续UV光引发驱动的聚合物波的图像。

具有足够时空分辨率的COMB-SRS将为开发新型功能聚合物,可降解塑料,可控光刻胶和其他先进材料提供了新的可能性,这些新材料可广泛应用于能源,材料,生命科学和其他领域。相关结果发表在Advanced Science (Imaging Chemical Kinetics of Radical Polymerization with an Ultrafast Coherent Raman Microscope,Adv. Sci. 2020, 1903644, DOI: 10.1002/advs.201903644)高水平期刊上。该研究工作的第一作者是华中科技大学李昊政博士,通讯作者是华中科技大学王平教授以及波士顿大学程继新教授。

论文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.201903644