現(xiàn)代工業(yè)中聚合物的化學(xué)合成與大規(guī)模生產(chǎn)對于人類生活的方方面面都產(chǎn)生了巨大的影響，在各種條件下的聚合反應(yīng)過程同樣是化學(xué)和生物研究中的熱點(diǎn)。對聚合反應(yīng)過程中的化學(xué)分子的成分分析及其超快動力學(xué)的研究有助于進(jìn)一步理解單體聚合反應(yīng)的機(jī)理并改進(jìn)聚合物網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和性能。目前對聚合反應(yīng)過程的研究，主要還在依賴流變、粘度、膨脹度等幾種傳統(tǒng)手段進(jìn)行宏觀測量。有限的化學(xué)分析方法，包括質(zhì)譜，拉曼、核磁共振等，可以離線對采集的樣品進(jìn)行聚合度的檢測與分析，但是這些技術(shù)檢測速度慢，且不能在線實(shí)時(shí)提供化學(xué)檢測及原位的化學(xué)成分的時(shí)空分布信息。由于單體的聚合過程和濃度變化快到毫秒，甚至微妙量級，還沒有任何成像方法可以在分子水平上對聚合的化學(xué)動力學(xué)過程進(jìn)行在線、原位和高速高分辨的顯微成像。

為了解決這一挑戰(zhàn)，華中科技大學(xué)武漢光電國家研究中心王平教授課題組和波士頓大學(xué)程繼新教授以及南洋理工大學(xué)徐臣杰教授課題組合作，研制成功了基于共線多光束（COMB-SRS）的受激拉曼散射顯微鏡，該顯微鏡可實(shí)現(xiàn)2000幀每秒的超高速高分辨化學(xué)成像，能夠?qū)×业木酆戏磻?yīng)過程進(jìn)行無標(biāo)記、原位的分子成像。COMB-SRS顯微鏡使用任意波形發(fā)生器同時(shí)產(chǎn)生多路RF射頻，驅(qū)動兩個聲光偏轉(zhuǎn)器（acousto-optic deflectors，AODs）獲得可高達(dá)100路以上的高斯光束梳，并將多路泵浦光和斯托克斯光進(jìn)行精確的時(shí)空和空間匹配，結(jié)合一維高速振鏡，實(shí)現(xiàn)2000 Hz的SRS光梳的并行陣列掃描。聚焦到樣品后的多路Pump光光束進(jìn)行反相位的振鏡掃描補(bǔ)償后由光電二極管陣列進(jìn)行并行探測。COMB-SRS采用高靈敏度的Lock-in Free電路陣列對微弱的非線性SRS信號進(jìn)行檢測，取代了傳統(tǒng)單通道的鎖相放大器。目前，COMB-SRS顯微鏡的視場（FOV）為30×28μm2，具有50×46像素，能夠以亞微米的空間分辨率和亞毫秒的時(shí)間分辨率，通過測定拉曼峰對超快的聚合反應(yīng)進(jìn)行定量的動力學(xué)成像。通過丙烯酰胺聚合反應(yīng)中化學(xué)鍵的變化，該方法對單體和聚合物的濃度進(jìn)行成像，并且通過精確控制UV光的開關(guān)，對聚合反應(yīng)的發(fā)生，擴(kuò)散和終止進(jìn)行了成像，并且原位觀察到由反應(yīng)速率和持續(xù)UV光引發(fā)驅(qū)動的聚合物波的圖像。

具有足夠時(shí)空分辨率的COMB-SRS將為開發(fā)新型功能聚合物，可降解塑料，可控光刻膠和其他先進(jìn)材料提供了新的可能性，這些新材料可廣泛應(yīng)用于能源，材料，生命科學(xué)和其他領(lǐng)域。相關(guān)結(jié)果發(fā)表在AdvancedScience(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。該研究工作的第一作者是華中科技大學(xué)李昊政博士，通訊作者是華中科技大學(xué)王平教授以及波士頓大學(xué)程繼新教授。

來源：武漢光電國家研究中心