采用AFM-IR提供高分辨率的化学成像

红外（IR）光谱是最受公认的分析方法之一，用于在政府，学术和工业研发实验室中表征材料。亚博网站下载基于所用技术，传统散装IR光谱的空间分辨率受到衍射至约3-10μm的限制。

原子力显微镜（AFM）是一种广泛采用的纳米级成像方法，其提供了具有样品表面的高空间分辨率的地形图。到目前为止，AFM的主要缺点是它无法在尖端下方化学表征材料。AFM-IR，光热技术，集成AFM和IR光谱，清楚地发现样品的化学成分，其空间分辨率为数十纳米。

到目前为止，它已经在各种应用中有效地以接触模式使用。然而，接触模式已被证明不兼容的软或松散的粘合剂样品，例如，200纳米以下的聚合物纳米颗粒(NPs)在生物医学应用中具有广泛的兴趣。yabo214本文讨论了AFM-IR如何克服这些缺点，并将红外光谱和AFM形貌映射的能力引入更广泛的应用领域。

在吸收来自脉冲可调的单色红外激光光源的光子，样品加热并迅速膨胀，从而产生与样品接触的AFM探针的脉冲。这导致AFM悬臂振荡在其接触谐振频率下。已经建立了每个接触谐振频率的幅度与IR吸光度成比例。结果，可以通过通过一系列波数调谐激光器来获得与传统的傅里叶变换红外（FT-IR）光谱相当的IR光谱。

衍射受限光斑的大小不再受测量空间分辨率的限制，而是由AFM针尖直径(10 ~ 30 nm)等因素决定。使用快速、可调谐、可变重复率的脉冲红外激光源，如量子级联激光器(QCLs)，大大提高了光热AFM-IR的速度和灵敏度，也允许在AFM轻拍模式下测量红外光谱。^1，2

攻丝AFM-IR的原则

AFM- ir光谱通常是用AFM探针直接接触样品表面获得的。只有当样品特别柔软或可移动时，这才有问题，否则，当原子力显微镜尖端保持在样品上的固定位置时，获取点谱时，这就不是问题。然而，在红外图像采集时，当红外源波长固定，AFM针尖在样品表面进行扫描时，接触模式对于软试样或粘接松散的试样更具挑战性。

随着基于敲击模式的红外测量的发展，将AFM-IR技术扩展到吸收更软的样品成为可能，在这种方法中，探针与样品不是连续接触，而是敲击，使其与表面发生零星接触。这使得更大范围的样品成像具有很高的可重现性，尽管它们非常软或粘接松散。轻拍模式通常是通过在AFM悬臂梁的主自由共振处驱动AFM悬臂梁，使AFM尖向样品方向下移，使其振幅受到与样品表面接触的限制。随后在样品表面上扫描探针，并通过保持稳定的振荡振幅来记录样品的形貌。

攻丝AFM-IR除了针对尖端-样本位置的红外激光以更高的重复频率脉冲外，通常以一种类似于通过敲击悬臂梁的基本自由共振的规律敲击模式进行。当样品的一个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。以悬臂梁谐振频率直接脉冲激光可以得到最高的信号。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，采用外差方法，其涉及将激光的重复率设定为AFM悬臂的基底和第二弯曲特征模码的差频。攻丝模式中的力相互作用的非线性将敲击振荡与在和频率下的样本光热膨胀相结合，在悬臂的第二模式下产生幅度。该测量的替代方法是在悬臂的第二模式下进行敲击振荡，并使用基本模式检测IR吸收。在这两种情况下，信号在尖端样本触点期间由局部信号支配，并且仅空间分辨率受到AFM尖端半径的限制。使用该方法采取的测量表明了10nm的空间分辨率。

图1所示。攻丝AFM-IR的基本原则

嵌段共聚物的亚10nm空间分辨率AFM-IR化学成像

聚苯乙烯(PS)和聚(2-乙烯基吡啶)嵌段共聚物(P2VP)薄膜的AFM高度图如图2a所示。虽然很明显存在两个区域，但单个区域的化学成分不能仅从AFM高度图像确定。将脉冲QCL调谐到1588 cm的固定波数^-1(其中P2VP具有较强的红外吸收带)，当AFM针尖与样品中的P2VP域接触时，信号强度得到改善，并且QCL重复率与第一和第二AFM悬臂模之间的差频率匹配。

随后在AFM攻丝模式下扫描样品，保持QCL重复率和固定波数。当AFM尖端间歇地接触P2VP域时，它会导致强烈的共振响应。随着AFM尖端转移到PS域位置，信号变得越来越弱了两个原因：

1. 红外激光辐射1588厘米^-1不像P2VP域被PS域吸收得那么强
2. PS域的机械刚度与P2VP域不同，导致转变在第二接触共振峰频率的值时,提示间歇性地接触P2VP域(这意味着信号降低频率的改善由于区别两种悬臂共振模式不匹配的QCL重复率了)。

为了选择性地改善嵌段共聚物膜中的PS结构域，激光波数调节至1492cm^-1，PS具有强烈的IR吸光度，并且修改QCL重复率，使得它与AFM基本谐振频率和频移第二AFM悬臂模式之间的差异匹配。图2c示出了在1588和1492cm处获得的攻丝AFM-IR图像的覆盖层^-1．在这个样品上(如图2c和2d所示)能够实现10nm的空间分辨率，主要是因为叩击AFM方法对较小的机械刚度差异具有极高的灵敏度。

收集完整的AFM-IR光谱(接触模式或轻拍模式)对于验证聚合物域对适当的特定化学物种的分配是重要的。图2b表明绿色tap AFM-IR光谱(在绿色区域获得)与P2VP含量丰富一致，而红色区域获得的光谱(在红色区域获得)与PS含量较高一致。

图2。PS-P2VP嵌段共聚物样品的化学表征。(a)轻拍AFM高度图像。(b)利用AFM-IR光谱清晰地识别每个化学成分。(c)点击AFM-IR叠加图像，突出显示两个组件((电子邮件保护)1492年和(电子邮件保护)1588）。（d）剖面横截面突出显示可实现的空间分辨率，10nm。法国波尔多大学吉尔斯·佩克林斯博士和安托尼·塞戈琳博士提供了榜样。

生物膜的亚10nm空间分辨化学成像与光谱分析

如图3所示是在模板剥离Au基底上沉积的5 nm厚的紫色膜的AFM-IR吸收图像和光谱图。在1660 cm处观察到的酰胺I波段相对强度比的差异^-1酰胺II带在1542 cm处^-1可能是因为多肽链的取向差异，因为激发QCL辐射正常到表面偏振。

在QCL波数调谐到1660 cm的情况下，获得了tap AFM-IR吸光度图像^-1．紫膜蛋白组分的岛状区域在红外吸收图上清晰可见。一块1660厘米的地皮^-1从IR吸光度图像上的虚线获得的波段强度表示获得了约4nm的空间分辨率。

图3。挖掘沉积在模板剥离的Au衬底上的5nm-厚的卤素胶膜（紫膜）薄膜的AFM-IR光谱和吸光度图像。

亚10nm空间分辨率石墨烯楔形物的化学成像和光谱分析

如图4所示是在930 cm处采集的散射扫描近场光学(s-SNOM)反射、吸收和光热轻拍AFM-IR图像^-1石墨烯楔沉积在平面硅衬底上。由于样品这一区域的机械共振改善，在光热检测图像中可以明显地看到靠近边缘的表面等离子体极化电子信号。

图4。用s-SNOM和AFM-IR对硅上的石墨烯楔形物进行测量，发现边缘处存在等离子体效应。

AFM-IR在聚合物纳米粒子上的生物医学应用yabo214

如前所述，接触模式AFM-IR通常不适用于软键或松散键合的样品，如尺寸低于200 nm的聚合纳米粒子(NPs)，这在生物医学应用中具有极大的兴趣。yabo214图5表明，利用AFM-IR可以精确显示NPs壳层的位置以及所含材料的位置。目前，制备药物纳米载体最常用的生物材料是聚(D, l -亚博网站下载乳酸-co-乙醇酸)(PLGA)和聚(乳酸)(PLA)聚合物。采用AFM- ir可以同时成像球形PLA/PLGA NPs，而不会使它们变形或错位，尽管它们与AFM衬底之间存在松散的相互作用。

图5。比较PLA NPs上的接触模式AFM-IR (A)和轻拍AFM-IR (B, C)化学图，以及NPs在AFM基片上的干燥过程示意图(D)。3D覆盖(地形和红外吸收)视图清楚地说明了AFM获取模式引起的地形变化。对于A和B，红色代表PLA核的酯羰基带在1760 cm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。节选自马图林等人，分析师，2018年，DOI: 10.1039/c8an01239c。

除了增强的地形外，在通过记录其组分的红外信号来检测PLA NPs的化学成分时，敲击比常规接触的优势是突出的。聚乙烯醇(PVA)是目前应用最广泛的表面活性剂，具有良好的胶体稳定性。普遍的假设是，这些NPs具有核心(PLA或PLGA)-壳(PVA)结构。的利用AFM-IR技术明确证实了NPs核周围存在高分辨率的亲水表面活性剂电晕。这些研究为利用AFM-IR技术在单个NP检测和成分定量的基础上控制NP制剂的质量打开了大门。

除了将纳米尺度红外光谱的分辨率提高一个数量级外，采用AFM-IR技术还拓宽了可处理的应用范围，为金属氧化物框架、高分子材料、生物医学、催化、纤维等应用提供了新的纳米尺度化学信息。亚博网站下载

参考文献

1. Centrone等人，分析师，2018,143,3808-3813,DOI: 10.1039/c8an00838h。
2. Methune等，分析师，2018,DOI: 10.1039/c8an01239c。

这些信息来源于Bruker纳米表面公司提供的材料。亚博网站下载

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