傅立叶红外光谱仪与纳米分辨率化学成像AFM

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美国化学学会ACS旗下的旗舰刊物之一 （2015影响因子为37.369）最新发表一篇长文综述，AFM-IR: and in and 。这篇综述讨论了近来几年刚发展上去的一种纳米帧率物理成像技术AFM-IR的发展历史，工作原理，及其相关应用，为微区物理剖析以及超材料研究的科研工作者带来一种全新的剖析技术。该文作者为é Paris-Sud （巴黎第十一大学）的 Dazzi院士和法国 的Craig 博士。

另请关注明日三条：视频级成像AFM。

红外波谱 ( , IR) 分析技术是目前所有实验室用于化学成分剖析最普遍的手段。红外波谱的研究源于 20 世纪初，自1940 年红外光谱仪问世，红外波谱在有机物理研究中广泛应用。其工作原理是在有机物分子中，组成化学键或酸酐的原子处于不断震动的状态，其震动频度与红外光的震动频度相当。所以用红外光照射有机物分子时傅里叶红外光谱仪原理与应用，分子中的化学键或酸酐可发生震动吸收，不同的化学键或酸酐吸收频度不同，在红外波谱中将处于不同位置，从而可获得分子中富含何种化学键或酸酐的信息，所以红外波谱是物质定性的重要的方式之一。它的解析才能提供许多关于酸酐的信息，可以帮助确定部份乃至全部分子类型及结构。其定性剖析有特征性高、分析时间短、需要的试样量少、不破坏试样、测定便捷等优点。

自红外光谱仪发明以来，特别是傅立叶红外波谱技术 (FTIR) 的出现，虽然测试速率和灵敏度大大增强，但其空间帧率受限于其波长，所以极限分辨率基本在其波长范围，这就是你们熟知的Abbe极限。以中红外为例，大约在10-30微米。所以红外光谱仪未能对于多组分材料中规格大于10微米的单一组分进行表征，只能得到宏观的成份信息。

80年代发展上去的傅里叶变换衰减全反射红外光谱法 (ATR-FTIR) 可以实现检测半径达数微米，一般极限为3微米。其工作原理为：从光源发出的红外光经过折射率大的晶体再投射到折射率小的试样表面上,当入射角小于临界角时,入射光线都会形成全反射.事实上红外光并不是全部被反射回去,而是穿透到试样表面内一定深度后再返回表面在该过程中,试样在入射光频度区域内有选择吸收,反射光硬度发生减小,产生与透射吸收相类似图,从而获得样品表层物理成分的结构信息。

随着材料科学的发展，越来越多的科研人员对微米尺度以下的物理组分剖析感兴趣，比如微米级的层状结构，纳米纤维，改性聚合物，有机无机杂化材料，有机太阳能电池，MOF材料等等，对于物理组分码率的期望通常是高于100纳米，理想情况是数十纳米。目前共聚焦拉曼可以实现亚微米级的化学成分剖析，实际码率通常为700纳米到1微米，对于100纳米码率的期望还有些距离，同时因为拉曼讯号较弱，加上背景萤光较强，所以应用范围遭到限制。而另外一种高区分成像技术—针尖提高拉曼技术（TERS）虽然可以实现10纳米物理码率，但因为拉曼讯号弱，针尖要求特殊，对实验人员的操作技能要求特别高以及数据结果重复性低等缘由大大限制了其应用。

法国的 Dazzi院士2005年在 上提出一种全新的测试技术，基于红外光热诱导原理 ( -PTIR) 的AFM-IR技术挺好地解决了帧率，信号和操作性的问题，使得纳米微区 (低于100纳米) 化学成像和红外波谱采集成为可能，并广泛应用于各类有机物，生物材料等。这也成功解决了仍然以来原子力显微镜想实现的物理成像，因为它本身就是一台原子力显微镜和红外激光联用系统。

其工作原理如图所示：一束可调脉冲红外激光聚焦到样品上，脉冲频率为kHz数量级，可达几十或则几百kHz. 样品在脉冲激光作用下，会形成极其强的光热诱导热膨胀效应，即样品会在极短的时间范围内（通常为几百毫秒）产生热膨胀，膨胀变型量在亚纳米级别。在单个脉冲过程中激光能量关闭以后的时间内又发生形变的恢复。在脉冲连续变波长的情况下会出现有意思的现象：膨胀形变量是和材料对红外吸收成正比，即在红外吸收峰的波数下诱导膨胀大大降低。Dazzi院士巧妙地用具有超高灵敏度的原子力显微镜探针去检查这些形变，将探针测量到的脉冲形变讯号转换为谱图，得到的谱图和红外光谱仪得到的波谱严格一致。这种方式原理十分直观，得到的波谱质量比较高，成为纳米物理剖析工作者的福音。

同时在接触模式下测量得到的形变讯号在单一脉冲时间内是逐步衰减的，而这些衰减频度又跟材料的热学性能直接相关。所以通过PTIR方式在得到纳米红外波谱的同时，还可以同时得到材料的纳米机械性能，这是其他方式所未能实现的。在得到材料的红外波谱的情况下，可以选取波数进行物理成像，即对特定基团所代表的成份进行二维表征，目前空间帧率早已可以实现10纳米。同时采用一种接触共振技术可以实现单分子层的物理解析：得到微区的纳米红外波谱以及高区分的物理成像。所以说这些纳米红外波谱应当算近十年来波谱领域最大的技术进步。

这种技术对于有机物等材料应用非常好，解决了长久以来好多其他技术无法解决的问题，在本篇综述中概括了

1）高分子领域：高分子聚合物，多层结构，高分子纤维傅里叶红外光谱仪原理与应用，导电高分子材料，高分子医学材料的失效剖析以及各类包覆结构；

2）生命科学领域：植物的光合作用机理，细胞，组织，蛋白分离以及第二相结构，药学；

3）其他材料领域：钙钛矿有机太阳能电池，纳米光学和等离子学，半导体以及文物保护等。

下面我们就挑取几个比较典型的应用事例，值得强调的是文章中急剧引用了我国中国科学院长春应化所苏朝辉研究员发表在2016 上关于高分子聚合物纳米微区定量研究的结果。

在金基底上自组装的PEG单分子的纳米物理研究，左上图为AFM形貌图，右上图为在1340 cm-1下的红外吸收物理成像，可观察到几十纳米码率的物理组分分布。 1340 cm-1对应的是CH2配体，下图为AFM-IR得到的红外波谱。

100%ABS聚合物材料，左图为原子力显微镜形貌图，中图为在3025 cm-1下的红外吸收物理分布图，右图为得到的对应的纳米热学性能分布。

中国科学院长春应化所苏朝辉研究员课题组借助纳米红外AFM-IR对高抗冲聚丙烯络合物材料对其三种不同微区组分进行的定量分析。首先她们用表样对AFM-IR和FTIR波谱进行比较，发现两种方式得到的红外波谱严格一致，然后进一步制备不同组分的材料进行标定因而实现了定量表征。

纳米红外技术对于多层结构的聚合物研究。在1450 cm-1下的物理成像比较清楚地阐明了层状结构的不均匀，在个别层状区域出现了明细的缺陷。对于这些数百纳米的微小结构，也是这些纳米红外技术下第一次实现了表征。

利用纳米红外波谱技术对于多层膜包装材料进行逆向工程剖析。最薄的一层长度高于2微米。采用纳米红外波谱技术可以对每层进行宽范围的物理波谱剖析。由于其波峰的准确性，数据可以直接同傅立叶红外波谱数据库进行查询，得到定性的物理组分鉴别。

红外波谱仍然在生命科学领域应用比较广，纳米红外的高辨别特征促使对于更细微的可视化物理分布显得可能。目前在真菌，细胞，植物中光合作用的类脂化合物，细菌形成的PHB，纳米颗粒和细胞的相互作用，骨头中矿物和蛋白分布，蛋白分离以及第二相等等。

细菌中的TAG分布。左图为真菌的形貌图，中图为1740 cm-1下的物理成像，其分布代表了TAG的结构，可以看见好多TAG的规格大于100纳米。右图为在真菌上采集的纳米红外波谱。

MCF-7乳腺癌细胞。A图和B图是同一区域的形貌和-1下的Amide I 官能团分布，代表蛋白的含量分布。C和D图是同一细胞在1080和1925 cm-1下成像，分别代表DNA和RNA的分布。

结合萤光成像对MCF-7乳腺癌细胞研究，中图是在1920波数下的物理成像，代表的位置，右图是萤光成像，其中黑色代表细胞核，绿色代表.可以看出纳米红外物理分布的结果和萤光结果十分一致。

纳米药学相关应用，灰黄霉素颗粒分布在羟丙甲纤维素中。右边的物理组分分布是在1625 cm-1成像，蓝色区域代表低红外吸收，其他颜色代表的是灰黄霉素的分布。

纳米红外对砷化镓有机太阳能电池中的热学迁移研究。在电瓶不施加电流和施加电流不同时间后甲基铵所对应的CH3配体的迁移，其对应的特点峰是-1. 这也是第一次可视化在电瓶充放电过程中的化学成分的变化过程。

纳米红外在超材料--开口谐振环上的应用，美国国家标准局的组制备了表面提高红外效应的开口谐振环。上图为这些超材料在不同波数下的红外吸收图，展现了在不同的波长下的共振效应。图a是在谐振腔不同位置上的红外吸收谱，白色箭头对应的是入射辐射电场的方向，标尺为500纳米。

纳米红外波谱技术还可以对表面等离子共振进行表征，上图为微米规格InAs柱状结构的等离子共振图。远场技术早已拿来表征这些结构，但这些结构的规格和等离子提高的分布都高于衍射极限。而纳米红外可以挺好地对等离子提高效应的欧姆热效应进行挺好的表征。

为了嘉奖Dazzi院士在纳米红外波谱上的贡献，他获得了2014年Ernst Abbe奖。Abbe衍射极限是以这名法国科学家命名，而Ernst Abbe奖则是为了嘉奖突破衍射极限技术的科学家。