红外光谱在高分子物理实验教学中的应用

更新时间：2025-10-01

高分子物理是高分子材料与工程专业的一门核心课程，其主要教学目标是阐明高分子的结构和性能之间的关系[1-2]。高分子物理实验技术是高分子物理学科发展的重要基础，通过开设相关高分子物理实验，一方面增加学生对高分子基本概念的感性认识，拓展知识面，加深对高分子物理的基本理论与基础知识的理解掌握；另一方面使学生掌握高分子结构表征和性能测试的基本方法，锻炼学生的动手能力，提高实验技能，培养学生运用高分子物理基本原理分析与解决实际问题的能力。

高聚物分子链具有复杂的拓扑结构，例如高分子链的近程结构 (化学组成与构型)、远程结构 (构象 )、凝聚态结构(晶态、非晶态、液晶态与取向态)以及织态结构 (共混、复合体系)等多个结构层次。因此高聚物是由多尺度结构组成的复杂体系，其空间尺度从单体链节到多相结构跨越几个数量级[3]。这种多尺度结构决定了高分子材料性能的多样性。因此在不同的时空尺度上表征高分子体系中的多尺度结构是深入理解其结构与性能之间关系的基础。

波谱分析与显微分析是表征聚合物结构常用的两大分析技术，其中红外光谱分析作为经典的物质化学结构分析与鉴别方法，具有速度快、灵敏度高、重复性好、试样用量少且不限状态等特点，是表征聚合物结构的基本手段之一。在众多聚合物结构表征方法中，红外光谱是为数不多的可以研究高分子不同尺度结构的分析技术。研究表明，红外光谱可以分析：高分子链的近程结构如化学组成、官能团的位置、顺反异构、共聚物的组成与序列分布等；高分子链的远程结构如分子链的构象转变；高分子的凝聚态结构如聚合物的结晶度、取向度以及聚合物的相转变等；聚合物的织态结构如高分子共混体系的相容性等。总之，凡是聚合物的结构变化能在谱图上得到反映的，都可以用红外光谱来研究。

在目前的高分子物理实验教学实践中，红外光谱往往仅被用于分析鉴别聚合物。其主要涉及聚合物近程链结构的表征，忽略了红外光谱在其他层次结构研究中的应用，限制了学生创造性思维能力的培养。笔者围绕该技术在高分子多尺度结构研究中的应用，结合指导教师的研究课题，通过设计多组可供学生选做的创新性实验项目，扩展了实验内容，拓宽了红外光谱的应用范围，极大地调动了学生的积极性和兴趣，取得了不错的教学效果。

1 红外光谱分析的原理

红外光谱又称分子振动转动光谱，是一种分子吸收光谱。当用一定频率的红外光照射样品时，当样品分子中某些基团的振动频率与它相同，并且这些基团的振动或转动能够引起偶极矩的变化时，样品分子就会吸收红外辐射，促使分子振动能级和转动能级从基态跃迁到激发态。当不同频率的红外光依次通过样品分子时，就会出现不同强度的吸收现象，从而建立红外光频率(波数)与透射率之间的关系，得到样品的红外吸收光谱。根据样品的红外吸收峰的位置、相对强度以及形状等可以推断样品中存在的特征基团，从而确定其化学结构。红外光谱最突出的特点是具有高度的特征性，除光学异构体外，每种化合物都具有特征的红外光谱，被广泛地用于分子结构的鉴别与确定。

2 红外光谱在高分子物理教学实验中的应用

2.1 分析鉴别聚合物的类型

图1给出了2种常见塑料薄膜的衰减光全反射傅里叶红外光谱图(ATR-FTIR)。在样品A的谱图中，吸收峰主要出现在2 910,2 853,1 467, 715 cm-1,这说明该聚合物结构中不含苯环、羧基、羟基、胺基等官能团，其中2 910,2 853,1 467 cm-1分别对应亚甲基(—CH2—)的不对称伸缩振动、对称伸缩振动和弯曲振动，另外，715 cm-1对应亚甲基的面内摇摆振动。这些信息表明该分子结构只含有一种基团即亚甲基，因此样品A初步判断为聚乙烯(PE)。在样品B的红外谱图中，1 712 cm-1处的吸收峰归属于羰基的伸缩振动，1 240与1 120 cm-1处的2个峰是对苯二甲酸基团的特征吸收峰，此外，在样品的“指纹区”700～900 cm-1有丰富的吸收峰说明分子结构中有苯环存在。结合上述信息，通过与谱图库中聚对苯二甲酸乙二酯(PET)的红外光谱图对比发现，2者高度相似，因此可以判断样品B是聚对苯二甲酸乙二酯。

通过该实验，可以使学生掌握红外光谱分析的原理及方法，初步了解红外光谱在聚合物结构分析鉴别中的基本应用，加深对高分子链的近程结构基础知识的理解。

图1 2种薄膜样品的红外吸收光谱图

Fig.1 FTIR spectra of two film samples

2.2 表征蛋白质分子的构象

在众多研究蛋白质分子构象的方法中，红外光谱因其简单实用而被广泛应用于分析蛋白质二级结构(构象)的变化[4]。明胶是胶原的部分水解产物，广泛应用于食品、医药、生物和化工等领域。明胶的应用大多与其凝胶特性有关。图2给出了由不同明胶浓度的溶液制备的明胶凝胶的红外光谱图(明胶的质量分数分别为5%与10%)。从图中可以看到，2种凝胶样品在1 635 cm-1处存在一个显著的吸收峰。根据文献报道，该吸收峰与明胶分子的三股螺旋构象有关[5]。此外，随着明胶浓度的增加，该吸收峰的强度显著增加，说明凝胶中三股螺旋的含量随聚合物浓度的增加而增加[6]。这是因为，明胶浓度增加，会有更多的分子链参与形成三股螺旋结构，从而导致凝胶中三股螺旋浓度的升高。此外，红外光谱还被用于丝蛋白与血清蛋白分子构象的研究[7-8]。例如Asakura等[9]利用红外光谱研究了不同提取条件下的桑蚕丝蛋白的构象，其中1 660 cm-1处的吸收峰归属于无规线团，而在1 630 cm-1处出现的吸收峰则与桑蚕丝蛋白的β-折叠构象有关。

通过这个实验，可以使学生了解红外光谱在表征高分子链的构象特别是蛋白质二级结构方面的应用，加深对构象基本概念的认识，有助于深入地理解蛋白质分子的构象与其性能之间的关系。

图2 由不同明胶浓度的溶液制备的明胶凝胶的红外光谱图

Fig.2 FTIR spectra of gelatin gels prepared from solutionswith different gelatin concentration

2.3 聚乙烯醇结晶度的测定

聚乙烯醇是一种半结晶性聚合物，具有优良的阻氢性能。研究表明聚乙烯醇的阻氢性能与其结晶度紧密相关[10]。因此，准确测定聚乙烯醇的结晶度有助于判定其阻氢性能的优劣。在红外光谱中，借助聚合物的结晶谱带与非晶谱带可以快速有效地测定样品的结晶度。图3给出了聚乙烯醇样品的红外谱图，其中1 140 cm-1处的吸收带为聚乙烯醇的结晶谱带，而1 092 cm-1处吸收带对应着聚合物的非晶谱带[11-12]。聚乙烯醇样品的结晶度(Xc)可以利用公式(1)计算得到：

cA1140A1140+A10

其中，A1 140为1 140 cm-1处的吸收峰面积；A1 092为1 092 cm-1处的吸收峰面积。需要注意的是，由于这2个峰出现重叠，需要借助软件(如Origin)进行分峰拟合，分别得到相应的峰面积。此外，红外光谱还被用于聚对苯二甲酸乙二酯与聚己内酯结晶度的测定[13-14]。

需要说明的是，利用红外光谱测试聚合物的结晶度时，应该选择对结晶结构变化敏感的谱带作为分析谱带，此外，由于聚合物不可能百分百结晶，因而仅用红外光谱无法获得结晶度的绝对量，需要借助其他分析技术如差示扫描量热或X射线衍射等的测试结果作为相对标准，来计算结晶谱带的吸收率。

该实验可使学生了解红外光谱在研究高分子凝聚态结构中的应用，掌握聚合物结晶度的测定方法，有助于学生深入理解高分子凝聚态结构与其性能之间的关系。

图3 聚乙烯醇的红外光谱图

Fig.3 FTIR spectrum of polyvinyl alcohol

2.4 壳聚糖/胶原蛋白共混薄膜相容性的表征

壳聚糖是一种碱性多糖，具有良好的生物相容性，被广泛应用于生物医药领域。然而壳聚糖由于分子链刚性强而成膜性差，通过与其他聚合物共混可以有效地改善其成膜性以及力学性能。共混组分之间的相容性是共混改性的关键。红外光谱是研究高分子间相互作用的重要手段，因此被广泛用于研究高分子共混的相容性[15]。图4给出了质量比为1∶1的壳聚糖/胶原蛋白共混薄膜的红外光谱图。从图中可以看到，壳聚糖在1 542 cm-1处的吸收峰归属于质子化氨基的弯曲振动，与胶原蛋白混合后，该吸收峰移向了低频1 524cm-1处，这说明壳聚糖分子链上的质子化氨基与胶原蛋白分子链上的羧基之间产生了静电作用。此外，胶原蛋白分子的酰胺Ⅱ带由1 535 cm-1移向共混后的1 524 cm-1处，这表明胶原蛋白分子与壳聚糖分子之间存在着氢键作用。通过上述分析可以确定，壳聚糖分子与胶原蛋白分子间存在着氢键与静电作用，因此2者具有良好的相容性。

需要指出的是，红外只是表征共混物相容性的一种辅助手段，常用于表征共混物相容性的方法主要有：(1)Tg法，共混物的Tg是判断链段水平相容性的有效方法，Tg通常可以通过DSC与DMA获得。如果2种聚合物完全互容，共混物只有一个Tg,介于2个聚合物的Tg之间；如果部分互容，共混物将出现宽的转变温度范围或者相互内移的2个转变温度；如果完全不互容，共混物两相共存，均有相应的Tg;(2)光学显微镜观察共混物的透光率，均相体系透明，非均相体系浑浊。此外NMR、散射、电镜等技术也可用于表征共混物的相容性。

通过对红外谱图中聚合物特征峰位移的分析，有助于学生更直观地了解高分子之间的相互作用及其作用机理，有助于理解高分子共混组分间的相容性与组分相对含量之间的关系，增加对天然高分子复杂结构体系的认识。

图4 壳聚糖、胶原蛋白及壳聚糖/胶原蛋白共混薄膜的红外光谱图

Fig.4 FTIR spectra of chitosan, collagen and chitosan/collagenblend films

3 结语

聚合物的结构是其性能的基础，也是高分子物理课程的基本内容之一。高分子结构具有多尺度性，相关的知识点多且抽象，学生难以理解和准确把握。红外光谱是表征聚合物多尺度结构的有效手段。将红外光谱引入到高分子物理实验教学中，通过设置不同种类的实验项目，拓宽了红外光谱的应用范围，加深了学生对于高分子多尺度结构的理解，极大地调动了学生的积极性和兴趣，促进了学生实验技能，为培养学生运用高分子物理知识进行分析问题和解决问题的能力奠定基础。