前言：生產過程中的故障停機時間通常會超出您可以承受的底線，而材料加工過程中無 意污染造成的停機則會尤其讓您感到痛苦。嚴格遵守雜質標準與潔凈度性能指標 可顯著減少意外停機。 生產過程中工廠環境的外部輸入、工具殘留、不合格原材料以及加工公差的微小 偏差等任意階段都有可能引入污染物。能否快速有效解決所有污染問題在很大程 度上取決于能否確保快速確定關鍵性能指標的偏差并追溯其原因。

先進的低公差合成聚合物生產在很大程度上依賴于在微觀和 宏觀兩個尺度上獲知組成均一性的能力。合成橡膠聚合物 極其難以在精細組成公差內操作，因為它們通常含有多種復 雜的添加劑混合物。無論是增塑劑、硫化劑、保護劑、填 充劑和材料加工助劑或是無意摻入的污染物，所有添加劑都 額外增加了生產過程的復雜性，因此需要對其進行持續可靠 的監測以確保產品符合所需的性能指標。由于不合格或不 均一的合成材料可能對產品的完整性造成巨大影響，因此減 少缺陷引入或至少在早期鑒定其組成可大大提高產量和利 潤率。

本文將展示安捷倫 Cary 620 FTIR 顯微鏡和成像系統如何在 合成聚合物中鑒定缺陷并監測組成變化。實驗對生產過程 中或過程后引入的污染物以及終產品的不均一性均進行了鑒 定。FTIR 化學成像系統有別于其他聚合物質量控制必需工 具的關鍵優勢在于它能夠在無需樣品前處理的前提下快速輕 松地執行有機和無機材料的定性和定量分析。FTIR 化學成 像還能避免引起使電子或者離子束技術產生問題的表面帶電 現象。

安捷倫科技公司的 FTIR 成像顯微鏡采用*的“具有增強 化學對比功能的實時 ATR 成像”特性。利用這一特性無需 進行任何樣品前處理：收到樣品后僅需將其置于自動顯微鏡 樣品臺上即可直接進行檢測，而拉伸樣品（如多層膜聚合物 材料或薄膜的橫截面）則需要固定在微副樣品支架上后放置 于樣品臺上。在所有情況下，樣品都可采用可見/紅外結合 光顯微鏡物鏡移動到微型 ATR 位置下并進行分析。

實驗部分 一家大型合成聚合物產品的制造商聯系安捷倫科技公司幫助 他們測定新鮮處理的樣品中能夠頻繁觀察到的一系列較小 物體的來源（圖 1）。缺陷明顯具有截然不同的尺寸和形態， 其中一些出現在成品內部，而其他一些則更靠近表面。因 此，準確表征缺陷成為了一項復雜的分析挑戰。 分析方法 實驗采用安捷倫 Cary 620 FTIR 成像顯微鏡結合安捷倫 Cary 660 FTIR 分光光度計對樣品進行分析。這種分析特定 樣品中的綜合缺陷分析經證明是理想的多面分析方法，可以 收集到兩類數據：

• 采用帶有 250 × 250 µm 液氮冷卻汞鎘碲 (MCT) 檢測 器的顯微鏡得到的單點微衰減全反射 (ATR) 光譜分析 結果 • 采用 64 × 64 MCT 焦平面陣列 (FPA) 顯微鏡檢測器得 到的高分辨率微型 ATR 化學圖像 儀器運行參數列于表 1 中。

樣品進樣 分析過程中無需進行樣品前處理。在分析之前需要使用可 見/紅外結合物鏡觀察并定位樣品。“具有增強化學 對比功能的實時 ATR 成像”特性可在數據采集之前對接觸 質量的直接反饋實現精確關聯。 缺陷分析 安捷倫 Cary 620 FTIR 顯微鏡和成像系統能夠鑒定并表征多 種不同的缺陷。聚合物表面最容易區分的缺陷近似于球形，為直徑 50 – 100 µm 的白色斑點（圖 1A）。用肉眼能夠輕 松觀察到的那類缺陷是致力于提供高質量產品的制造商的重 要關注點。幸運的是，它們的尺寸使它們易于在顯微鏡物 鏡下被找到，并能夠使用單點 FTIR 顯微分光鏡進行分析。

對于每次單點微型 FTIR 測量，分析區域被顯微鏡中的電動 可變刃形光圈葉片*掩蓋。隨后顯微鏡中的檢測器收集 樣品中穿過特定光圈葉片到達檢測器的光線，并顯示出一 幅平均譜圖。單點測量的空間分辨率通常僅限于約 20 µm， 這一區域內由光圈葉片決定的化學異質性將被平均到所得的 整個譜圖中，這就意味著任何微小的*空間化學不均一性 無法被檢測到。而這一白色斑點明顯大于這一面積，因此 能夠采集到優秀的光譜圖（圖 2）。總采集時間不到 60 秒， 在此之后將譜圖與 Resolutions Pro 軟件包譜庫中的相應譜 圖進行匹配，最終鑒定結果為一種本體聚合物的特性組分聚 酰胺。

紅色纖維狀的缺陷在樣品表面也比較常見。單點顯微分析 無法用于表征這類樣品，因為如上所述，在缺陷直徑小于 10 µm 時檢測器實際上收集到的所有光均來自光圈內的樣 品區域。在這種情況下，此項技術大大受限的空間分辨率 不足以產生不受基質材料影響的譜圖（圖 3）。 采用安捷倫 64 x 64 FPA 檢測器采集樣品的化學圖像，此檢 測器放置于顯微鏡中單點檢測器旁邊。檢測器轉換可通過 按鈕觸發，也可通過軟件進行*控制，幾秒內即可完成。 這可以確保決定更改檢測器類型后即可迅速生成高質量、高 空間分辨率的數據。

雖然樣品進樣技術（微型 ATR）與分析采集時間（< 60 秒） 幾乎相同，但通過 FPA 檢測器采集的數據比單點分析獲得 的數據更加全面（圖 3）。由于 FPA 含有微型檢測器元件 的二維陣列，因此檢測器在每次測定中均可在整個目標分析 區域中同時采集 4096 幅*的全范圍譜圖。每個微型檢測 器可以提供一幅約 1 x 1 µm 樣品區域內的*譜圖，因此 FPA 以及 60 秒之內產生的一幅快照即可提供所有信息，并 立即通過軟件顯示為整個區域的詳細二維化學圖像。可以 選擇其中一個微型檢測器記錄的完整譜圖用于進一步檢查， 并且可以通過點擊化學或可視圖像中的任意一點進行譜庫 搜索。

不同于采用單點檢測器采集的本體聚合物主導的譜圖，僅需 點擊化學圖像中的“熱點”區域（任何人通過點擊可視圖像 即可輕松查閱任何目標區域組分）并提取能夠表征缺陷的譜 圖。通過快速輕松地與譜庫中的譜圖進行匹配，紅色斑點 可迅速被鑒定為一種纖維素，說明它有可能是來自于周圍環 境的棉纖維。 安捷倫 Cary 620 FTIR 顯微鏡和成像系統可以輕松獲得高靈 敏度、高空間分辨率化學圖像且僅需極少樣品前處理，可作 為出色的聚合物兼容性方法并成功用于材料加工。此外，本體聚合物的化學成像表明它在微觀范圍內極其不 均一（圖 4）。利用鍺晶體微型 ATR 滑入式附件結合安捷 倫 Cary 620 FTIR 顯微鏡以及成像系統在 60 秒內采集的 單一化學成像鑒定出了四種特性化學成分，即聚乙烯 (PE)、 尼龍、碳酸鹽和天然橡膠基質，以及異戊二烯（圖 4）。通 過其他分析技術很難獲得如此詳細的信息（更不必說這是一 種能夠讓新手用戶以最少的樣品前處理表征樣品的無損技 術），而這一信息對擁有用于生產過程重新評估的豐富信息 的用戶而言意義重大。

結論 使用鍺晶體滑入式微型 ATR 附件以單點和化學成像 (FPA) 模式進行的聚合物分析可快速鑒定多種不同的缺陷以及組成 域，無需樣品前處理且不損壞樣品。微型 ATR 化學成像是 一種關鍵分析方法，可用于表征亞 10 µm 直徑的顆粒。技 術本身的無損特性結合安捷倫 Cary 620 FTIR 顯微鏡和成像 系統的固有分析精度以及安捷倫以最小樣品壓力獲得無損表 征數據的*能力，使得安捷倫 Cary 620 FTIR 顯微鏡和成

像系統可以最少的操作人員培訓快速應用于生產線中并有助 于快速： • 表征原材料并評估其純度 • 了解生產變動如何影響產品穩定性 • 確保生產后材料的均一度 • 排除生產過程任意階段的污染原因