現代工業中聚合物的化學合成與大規模生產對于人類生活的方方面面都產生了巨大的影響，在各種條件下的聚合反應過程同樣是化學和生物研究中的熱點。對聚合反應過程中的化學分子的成分分析及其超快動力學的研究有助于進一步理解單體聚合反應的機理并改進聚合物網絡的結構和性能。目前對聚合反應過程的研究，主要還在依賴流變、粘度、膨脹度等幾種傳統手段進行宏觀測量。有限的化學分析方法，包括質譜，拉曼、核磁共振等，可以離線對采集的樣品進行聚合度的檢測與分析，但是這些技術檢測速度慢，且不能在線實時提供化學檢測及原位的化學成分的時空分布信息。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動力學過程進行在線、原位和高速高分辨的顯微成像。

為了解決這一挑戰，華中科技大學武漢光電國家研究中心王平教授課題組和波士頓大學程繼新教授以及南洋理工大學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，該顯微鏡可實現2000幀每秒的超高速高分辨化學成像，能夠對劇烈的聚合反應過程進行無標記、原位的分子成像。COMB-SRS顯微鏡使用任意波形發生器同時產生多路RF射頻，驅動兩個聲光偏轉器（acousto-optic deflectors，AODs）獲得可高達100路以上的高斯光束梳，并將多路泵浦光和斯托克斯光進行精確的時空和空間匹配，結合一維高速振鏡，實現2000 Hz的SRS光梳的并行陣列掃描。聚焦到樣品后的多路Pump光光束進行反相位的振鏡掃描補償后由光電二極管陣列進行并行探測。COMB-SRS采用高靈敏度的Lock-in Free電路陣列對微弱的非線性SRS信號進行檢測，取代了傳統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間分辨率，通過測定拉曼峰對超快的聚合反應進行定量的動力學成像。通過丙烯酰胺聚合反應中化學鍵的變化，該方法對單體和聚合物的濃度進行成像，并且通過精確控制UV光的開關，對聚合反應的發生，擴散和終止進行了成像，并且原位觀察到由反應速率和持續UV光引發驅動的聚合物波的圖像。

具有足夠時空分辨率的COMB-SRS將為開發新型功能聚合物，可降解塑料，可控光刻膠和其他先進材料提供了新的可能性，這些新材料可廣泛應用于能源，材料，生命科學和其他領域。相關結果發表在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李昊政博士，通訊作者是華中科技大學王平教授以及波士頓大學程繼新教授。

來源：武漢光電國家研究中心