Chemical Review：突破衍射光學極限的AFM-IR技術及應用

海歸學者發起的公益學術平台

分享信息，整合資源

交流學術，偶爾風月

美國化學學會ACS旗下的旗艦期刊之一Chemical Review （2015影響因子為37.369）最新發表一篇長文綜述，AFM-IR: Technology and Applications in Nanoscale Infrared Spectroscopy and Chemical Imaging。這篇綜述討論了最近幾年剛發展起來的一種納米解析度化學成像技術AFM-IR的發展歷史，工作原理，及其相關應用，為微區化學分析以及超材料研究的科研工作者帶來一種全新的分析技術。該文作者為Université Paris-Sud （巴黎第十一大學）的Alexandre Dazzi教授和美國Anasys Instruments的Craig Prater博士。

另請關注今日三條：視頻級成像AFM。

紅外光譜 (Infrared Spectroscopy, IR) 分析技術是目前所有實驗室用於化學成分分析最普遍的手段。紅外光譜的研究始於 20 世紀初，自1940 年紅外光譜儀問世，紅外光譜在有機化學研究中廣泛應用。其工作原理是在有機物分子中，組成化學鍵或官能團的原子處於不斷振動的狀態，其振動頻率與紅外光的振動頻率相當。所以用紅外光照射有機物分子時，分子中的化學鍵或官能團可發生振動吸收，不同的化學鍵或官能團吸收頻率不同，在紅外光譜上將處於不同位置，從而可獲得分子中含有何種化學鍵或官能團的信息，所以紅外光譜是物質定性的重要的方法之一。它的解析能夠提供許多關於官能團的信息，可以幫助確定部分乃至全部分子類型及結構。其定性分析有特徵性高、分析時間短、需要的試樣量少、不破壞試樣、測定方便等優點。

自紅外光譜儀發明以來，特別是傅立葉紅外光譜技術 (FTIR) 的出現，雖然測試速度和靈敏度大大提高，但其空間解析度受限於其波長，所以極限解析度基本在其波長範圍，這就是大家熟知的Abbe極限。以中紅外為例，大約在10-30微米。所以紅外光譜儀無法對於多組分材料中尺寸小於10微米的單一組分進行表徵，只能得到宏觀的成分信息。

80年代發展起來的傅里葉變換衰減全反射紅外光譜法 (ATR-FTIR) 可以實現測量直徑達數微米，一般極限為3微米。其工作原理為：從光源發出的紅外光經過折射率大的晶體再投射到折射率小的試樣表面上,當入射角大於臨界角時,入射光線就會產生全反射.事實上紅外光並不是全部被反射回來,而是穿透到試樣表面內一定深度後再返回表面在該過程中,試樣在入射光頻率區域內有選擇吸收,反射光強度發生減弱,產生與透射吸收相類似圖,從而獲得樣品表層化學成份的結構信息。

隨著材料科學的發展，越來越多的科研人員對微米尺度以下的化學組分分析感興趣，比如微米級的層狀結構，納米纖維，改性聚合物，有機無機雜化材料，有機太陽能電池，MOF材料等等，對於化學組分解析度的期望一般是低於100納米，理想情況是數十納米。目前共聚焦拉曼可以實現亞微米級的化學成分分析，實際解析度一般為700納米到1微米，對於100納米解析度的期望還有些距離，同時由於拉曼信號較弱，加上背景熒光較強，所以應用範圍受到限制。而另外一種高分辨成像技術—針尖增強拉曼技術（TERS）雖然可以實現10納米化學解析度，但由於拉曼信號弱，針尖要求特殊，對實驗人員的操作技能要求非常高以及數據結果重複性低等原因大大限制了其應用。

法國的Alexandre Dazzi教授2005年在Optics Letter上提出一種全新的測試技術，基於紅外光熱誘導原理 (photothermal induced resonance-PTIR) 的AFM-IR技術很好地解決了解析度，信號和操作性的問題，使得納米微區 (低於100納米) 化學成像和紅外光譜採集成為可能，並廣泛應用於各種有機物，生物材料等。這也成功解決了一直以來原子力顯微鏡想實現的化學成像，因為它本身就是一台原子力顯微鏡和紅外激光聯用系統。

其工作原理如圖所示：一束可調脈衝紅外激光聚焦到樣品上，脈衝頻率為kHz數量級，可達幾十或者幾百kHz. 樣品在脈衝激光作用下，會產生非常強的光熱誘導熱膨脹效應，即樣品會在極短的時間範圍內（通常為幾百納秒）產生熱膨脹，膨脹變形量在亞納米級別。在單個脈衝過程中激光能量關掉之後的時間內又發生形變的恢復。在脈衝連續變波長的情況下會出現有意思的現象：膨脹形變數是和材料對紅外吸收成正比，即在紅外吸收峰的波數下誘導膨脹大大增加。Dazzi教授巧妙地用具有超高靈敏度的原子力顯微鏡探針去檢測這種形變，將探針檢測到的脈衝形變信號轉換為譜圖，得到的譜圖和紅外光譜儀得到的光譜嚴格一致。這種方法原理非常直觀，得到的光譜質量比較高，成為納米化學分析工作者的福音。

同時在接觸模式下檢測得到的形變信號在單一脈衝時間內是逐漸衰減的，而這種衰減頻率又跟材料的力學性能直接相關。所以通過PTIR方法在得到納米紅外光譜的同時，還可以同時得到材料的納米機械性能，這是其他方法所無法實現的。在得到材料的紅外光譜的情況下，可以選定波數進行化學成像，即對特定官能團所代表的成分進行二維表徵，目前空間解析度已經可以實現10納米。同時採用一種接觸共振技術可以實現單分子層的化學解析：得到微區的納米紅外光譜以及高分辨的化學成像。所以說這種納米紅外光譜應該算近十年來光譜領域最大的技術進步。

這種技術對於有機物等材料應用非常好，解決了長久以來很多其他技術沒法解決的問題，在本篇綜述中概括了

1）高分子領域：高分子聚合物，多層結構，高分子纖維，導電高分子材料，高分子醫學材料的失效分析以及各種包覆結構；

2）生命科學領域：植物的光合作用機理，細胞，組織，蛋白分離以及第二相結構，藥學；

3）其他材料領域：鈣鈦礦有機太陽能電池，納米光學和等離子學，半導體以及文物保護等。

下面我們就挑取幾個比較典型的應用例子，值得指出的是文章中大幅引用了我國中國科學院長春應化所蘇朝輝研究員發表在2016 Analysis Chemistry上關於高分子聚合物納米微區定量研究的結果。

在金基底上自組裝的PEG單分子的納米化學研究，左上圖為AFM形貌圖，右上圖為在1340 cm-1下的紅外吸收化學成像，可觀察到幾十納米解析度的化學組分分布。 1340 cm-1對應的是CH2官能團，下圖為AFM-IR得到的紅外光譜。

100%ABS聚合物材料，左圖為原子力顯微鏡形貌圖，中圖為在3025 cm-1下的紅外吸收化學分布圖，右圖為得到的對應的納米力學性能分布。

中國科學院長春應化所蘇朝輝研究員課題組利用納米紅外AFM-IR對高抗沖聚丙烯共聚物材料對其三種不同微區組分進行的定量分析。首先他們用表樣對AFM-IR和FTIR光譜進行比較，發現兩種方法得到的紅外光譜嚴格一致，然後進一步製備不同組分的材料進行標定從而實現了定量表徵。

納米紅外技術對於多層結構的聚合物研究。在1450 cm-1下的化學成像比較清楚地揭示了層狀結構的不均勻，在某些層狀區域出現了明細的缺陷。對於這種數百納米的微小結構，也是這種納米紅外技術下第一次實現了表徵。

利用納米紅外光譜技術對於多層膜包裝材料進行逆向工程分析。最薄的一層厚度低於2微米。採用納米紅外光譜技術可以對每層進行寬範圍的化學光譜分析。由於其波峰的準確性，數據可以直接同傅立葉紅外光譜資料庫進行查詢，得到定性的化學組分鑒定。

紅外光譜一直在生命科學領域應用比較廣，納米紅外的高分辨特點使得對於更細微的可視化化學分布變得可能。目前在細菌，細胞，植物中光合作用的類脂化合物，細菌產生的PHB，納米顆粒和細胞的相互作用，骨頭中礦物和蛋白分布，蛋白分離以及第二相等等。

細菌中的TAG分布。左圖為細菌的形貌圖，中圖為1740 cm-1下的化學成像，其分布代表了TAG的結構，可以看到很多TAG的尺寸小於100納米。右圖為在細菌上採集的納米紅外光譜。

MCF-7乳腺癌細胞。A圖和B圖是同一區域的形貌和1650cm-1下的Amide I 官能團分布，代表蛋白的濃度分布。C和D圖是同一細胞在1080和1925 cm-1下成像，分別代表DNA和RNA的分布。

結合熒光成像對MCF-7乳腺癌細胞研究，中圖是在1920波數下的化學成像，代表mestranol的位置，右圖是熒光成像，其中藍色代表細胞核，綠色代表Scompi.可以看出納米紅外化學分布的結果和熒光結果非常一致。

納米藥學相關應用，灰黃黴素顆粒分布在羥丙甲纖維素中。右邊的化學組分分布是在1625 cm-1成像，藍色區域代表低紅外吸收，其他顏色代表的是灰黃黴素的分布。

納米紅外對鈣鈦礦有機太陽能電池中的電學遷移研究。在電池不施加電壓和施加電壓不同時間後甲基銨所對應的CH3官能團的遷移，其對應的特徵峰是1468cm-1. 這也是第一次可視化在電池充放電過程中的化學成分的變化過程。

納米紅外在超材料--開口諧振環上的應用，美國國家標準局的Centrone組製備了表面增強紅外效應的開口諧振環。上圖為這種超材料在不同波數下的紅外吸收圖，展現了在不同的波長下的共振效應。圖a是在諧振腔不同位置上的紅外吸收譜，白色箭頭對應的是入射輻射電場的方向，標尺為500納米。

納米紅外光譜技術還可以對錶面等離子共振進行表徵，上圖為微米尺寸InAs柱狀結構的等離子共振圖。遠場技術已經用來表徵這種結構，但這種結構的尺寸和等離子增強的分布都低於衍射極限。而納米紅外可以很好地對等離子增強效應的歐姆熱效應進行很好的表徵。

為了表彰Dazzi教授在納米紅外光譜上的貢獻，他獲得了2014年Ernst Abbe獎。Abbe衍射極限是以這名德國科學家命名，而Ernst Abbe獎則是為了表彰突破衍射極限技術的科學家。