挖掘AFM-IR提供高分辨率化学成像

红外(IR)光谱是目前政府、学术和工业研发实验室最常用的表征材料的分析测量方法之一。欧洲杯足球竞彩传统体块红外光谱的空间分辨率受衍射限制，约为3-10µm。

原子力显微镜(AFM)是一种广泛应用的纳米级成像方法，为用户提供了样品表面的高空间分辨率地形图。到目前为止，AFM的主要缺点是不能用化学方法表征尖端下面的材料。AFM-IR是一种光热技术，将AFM和IR光谱结合在一起，可以在几十纳米的空间分辨率下清楚地找到样品的化学成分。

到目前为止，它已在各种应用中有效地以接触模式使用。然而，接触模式表明，对于软或松散的粘合剂样品，例如，聚合物纳米颗粒（NPS）低于200nm的柔软纳米颗粒（NPS）对生物医学应用的兴趣很大。欧洲杯猜球平台本文讨论了攻丝AFM-IR如何克服此类缺点，引入IR光谱和AFM地形映射到更广泛的应用范围内的功率。

当从脉冲可调谐单色红外激光光源吸收光子时，样品就会升温并迅速膨胀，向与样品接触的AFM探针产生脉冲。这导致了原子力显微镜悬臂梁在接触共振频率处的振荡。每个接触谐振频率的振幅已确定与红外吸收度成正比。因此，可以通过调整激光的波数范围来获得与传统傅里叶变换红外光谱(FT-IR)相媲美的红外光谱。

IR梁的衍射限制点尺寸不受测量的空间分辨率的限制，而是通过包括AFM尖端的直径，从10到30nm的若干因子决定。使用具有可变重复速率的快速可调谐脉冲IR激光源，例如量子级联激光器（QCLS），相当大提高了光热AFM-IR的速度和灵敏度，并且还允许在AFM攻丝模式下测量IR光谱。^1,2

AFM-IR攻丝原理

通常用直接接触样品表面的AFM探针获得AFM-IR光谱。只有当样本专门柔软或移动时才出现问题，或者，当获取AFM尖端在样本上的固定位置处的点光谱时，这不是一个问题。然而，在IR图像采集时，在IR源波长固定并且在样品表面扫描AFM尖端的情况下，接触模式对于软或松散的粘合样品可以更具挑战性。

通过开发基于模式的IR测量来扩展AFM-IR技术以掺入更软的样本，其中尖端不与样品连续接触，而是与表面连续接触，从而与表面进行散热。这使得能够高度可再现的更广泛的样品成像，但它们非常柔软或松散地粘合。攻丝模式通常通过将AFM悬臂驱动其主要的自由共振并将AFM尖端降低到样本来进行，使得振幅通过与样品表面接触而受到限制。随后将尖端扫描在样品表面上，并通过保持稳定的振荡幅度来记录样品的形貌。

利用AFM-IR通常以一种类似于常规敲打模式的方式进行，即敲打悬臂梁的基本自由共振，除了针对尖端样品位置的红外激光以更高的重复频率脉冲。当样品的红外吸收带被特定的激光波数激发时，会引起样品的加热和振荡光热膨胀。最高的信号将获得直接脉冲激光在一个悬臂谐振频率。在这里，相应的AFM悬臂模的质量因子将提高振荡幅度。

为了获得局部测量结果，采用外差方法，将激光的重复频率设置为AFM悬臂梁的基模和第二弯曲本征模的不同频率。攻丝模式下的力相互作用的非线性将攻丝振荡与样品在和频处的光热膨胀结合起来，产生悬臂梁第二模态的振幅。另一种测量方法是在悬臂梁的第二模态进行叩击振荡，并用基模态检测红外吸收。在这两种情况下，在针尖与样品接触时，信号主要由局部信号控制，只有空间分辨率受AFM针尖半径的限制。使用这种方法进行的测量显示其空间分辨率为10纳米。

图1所示。AFM-IR攻丝的基本原理

SUB-10NM空间分辨率挖掘嵌段共聚物的AFM-IR化学成像

在图2A中示出了聚苯乙烯（PS）和聚（2-乙烯基吡啶）（P2VP）的嵌段共聚物薄膜的挖掘AFM高度图像。虽然很明显存在存在两个结构域，但是单独的AFM高度图像不能确定各个域的化学成分。将脉冲QCL调谐到固定波数1588厘米⁻¹（其中P2VP具有强IR吸收带），当AFM尖端与样品中的P2VP域接触时检测到改进的信号强度，并且QCL重复率与第一和第二AFM悬臂模式之间的差频匹配。

随后在AFM攻丝模式下扫描样品，保持QCL重复频率和波数固定。当AFM探针间歇接触P2VP域时，会产生强烈的共振响应。当AFM尖端移到PS域位置时，信号变得非常弱，原因有二:

1. IR激光辐射为1588厘米⁻¹不作为PS域作为P2VP域的强烈吸收
2. 与P2VP域相比，PS域的机械刚度不同，当尖端间歇地接触P2VP域时，在第二接触谐振峰值频率中导致第二接触谐振峰值频率的偏移（这意味着由于由于事实上，两个悬臂谐振模式之间的频率差不再匹配QCL重复率）。

为了有选择地改善嵌段共聚物膜中的PS畴，将激光波数调整到1492 cm⁻¹，其中PS具有较强的红外吸收，QCL重复率被修改，使之匹配AFM基频谐振频率与频移的第二AFM悬臂模之间的差值。图2c显示了在1588和1492厘米处获得的轻拍AFM-IR图像的覆盖层⁻¹．在这个样品上获得的10 nm空间分辨率(如图2c和2d所示)主要是因为攻丝AFM方法对微小的机械刚度差异的灵敏。

完整AFM-IR光谱的集合（以接触模式或攻丝模式）是重要的，用于验证聚合物结构域的分配到适当的特定化学物质。图2B说明了绿色攻丝AFM-IR光谱（在绿色域中获得）与富集的P2VP含量一致，而红谱（在红色域中获得）与较高的PS含量一致。

图2。PS-P2VP嵌段共聚物样品的AFM-IR表征。(a)点击AFM高度图像。(b)利用AFM-IR光谱清楚地识别每个化学成分。（c）挖掘AFM-IR覆盖图像突出显示两个组件（[电子邮件受保护]1492年和[电子邮件受保护]1588)。(d)剖面截面突出可实现的空间分辨率，10 nm。样品由法国波尔多大学的Gilles Pecastaings博士和Antoine Segolene提供。

生物膜的10nm空间分辨率化学成像和光谱

图3中所示的是挖掘AFM-IR吸收图像和沉积在模板剥离的Au衬底上的5 nm厚的紫色膜膜的光谱。观察到的酰胺I带相对强度与1660厘米的比率的差异⁻¹和1542厘米的酰胺II带⁻¹可能是由于多肽链的方向不同，因为激发的QCL辐射是垂直于表面极化的。

用QCL Wavenumber调节至1660cm的攻丝AFM-IR吸光度图像⁻¹．紫膜蛋白组分的岛状部分在IR吸光度图像中明显透明。1660厘米的曲线⁻¹从红外吸收图像上的虚线得到的波段强度表示获得了约4 nm的空间分辨率。

图3。利用原子力显微镜(AFM-IR)光谱和吸光度图，在模板剥离的金衬底上沉积了一层5纳米厚的盐细菌膜(紫色膜)。

石墨圈的10nm空间分辨率化学成像和光谱

图4中所示的是散射扫描附近的光学（S-SNOM）反射，吸收和照相攻丝AFM-IR图像在930厘米收集⁻¹沉积在平硅衬底上的石墨烯楔。由于样品的机械共振改善，可以在光热检测的图像中显然可以看出靠近边缘的表面等离子体偏距离信号。

图4。用S-SNOM测量硅的石墨烯楔并挖掘AFM-IR显示边缘处的等离子体效应。

AFM-IR在聚合物纳米颗粒上的生物医学应用欧洲杯猜球平台

如前所述，接触模式AFM-IR通常不理想的软或松散键合样品，如大小低于200 nm的聚合物纳米颗粒(NPs)，这是生物医学应用的极大兴趣。欧洲杯猜球平台图5显示了AFM-IR可以精确显示核反应堆壳体的位置以及所掺入材料的位置。目前制备药物纳米载体最常用的生物材料是聚D, l -乳酸欧洲杯足球竞彩-羟基乙酸(PLGA)和聚乳酸(PLA)聚合物。尽管PLA/PLGA NPs与AFM衬底之间存在松散的相互作用，但通过轻敲AFM- ir，可以同时成像，而不会产生畸变或错位。

图5。接触模式AFM-IR（A）和挖掘PLA NPS的AFM-IR（B，C）化学图的比较，以及AFM衬底（D）上的NPS干燥过程的示意图。覆盖（地形和IR吸收）视图的3D清楚地示出了AFM采集模式引起的地形变化。对于A和B，红色表示PLA芯的酯羰基带在1760厘米处的强吸收⁻¹对于C，红色表示C h弯曲和PVA电晕在1415 cm处的强吸收⁻¹．在D中，核和壳分别用红色和蓝色表示。改编自马图林等人，分析师，2018,DOI: 10.1039/c8an01239c。

除了增强的地形外，通过记录其组分的IR信号检查PLA NP的化学成分时，突出传统接触的主导地位。使用聚乙烯醇（PVA）制备PLA NPS，这是一种具有胶体稳定性的最广泛使用的表面活性剂。通用假设是这些NPS具有核心（PLA或PLGA） - 壳（PVA）结构。这挖掘AFM-IR技术明确证实了具有高分辨率的NPS芯周围的亲水性表面活性剂电晕。这些研究开放了用于使用攻丝AFM-IR来控制NP配方的质量，以控制单独的NP检测和组分量化。

除了将纳米级红外光谱的分辨率提高一个数量级之外，tap AFM-IR还拓宽了可处理的应用范围，为金属氧化物框架、聚合物材料、生物医学、催化、纤维等应用提供了新的纳米级化学信息。欧洲杯足球竞彩

参考

1. Centrone等人，分析师，2018,143,3808-3813,DOI: 10.1039/c8an00838h。
2. Methune，等，Al。，分析师，2018年，DOI：10.1039 / C8AN01239C。

这些信息来源于布鲁克纳米表面公司提供的材料。欧洲杯足球竞彩

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