Summary
Dit protocol beschrijft de toepassing van atoomkrachtmicroscopie en infraroodspectroscopie op nanoschaal om de prestaties van fotothermische infraroodspectroscopie op nanoschaal te evalueren bij de karakterisering van driedimensionale multipolymere monsters.
Abstract
Meerfasige polymere systemen omvatten lokale domeinen met afmetingen die kunnen variëren van enkele tientallen nanometers tot enkele micrometers. Hun samenstelling wordt gewoonlijk beoordeeld met behulp van infraroodspectroscopie, die een gemiddelde vingerafdruk geeft van de verschillende materialen in het gesonde volume. Deze benadering biedt echter geen details over de indeling van de fasen in het materiaal. Grensvlakgebieden tussen twee polymere fasen, vaak in het bereik op nanoschaal, zijn ook moeilijk toegankelijk. Fotothermische nanoschaal infraroodspectroscopie bewaakt de lokale respons van materialen die door infrarood licht worden opgewekt met de gevoelige sonde van een atoomkrachtmicroscoop (AFM). Hoewel de techniek geschikt is voor het ondervragen van kleine kenmerken, zoals individuele eiwitten op ongerepte gouden oppervlakken, is de karakterisering van driedimensionale materialen met meerdere componenten ongrijpbaarder. Dit is toe te schrijven aan een relatief groot volume van materiaal dat fotothermische uitbreiding ondergaat, die door de laserfocalisatie op de steekproef en door de thermische eigenschappen van de polymere bestanddelen wordt bepaald, vergeleken met het nanoscalegebied dat door het AFM-uiteinde wordt onderzocht. Met behulp van een polystyreen (PS) kraal en een polyvinylalcohol (PVA) film, evalueren we de ruimtelijke voetafdruk van fotothermische nanoschaal infraroodspectroscopie voor oppervlakteanalyse als functie van de positie van PS in de PVA-film. Het effect van de functiepositie op de infraroodbeelden op nanoschaal wordt onderzocht en spectra worden verkregen. Er worden enkele perspectieven geboden op de toekomstige vooruitgang op het gebied van fotothermische infraroodspectroscopie op nanoschaal, rekening houdend met de karakterisering van complexe systemen met ingebedde polymere structuren.
Introduction
De atoomkrachtmicroscopie (AFM) is essentieel geworden om de morfologie van een grote verscheidenheid van steekproeven met nanoschaalresolutie 1,2,3 in beeld te brengen en te karakteriseren. Door de doorbuiging van een AFM-cantilever te meten die het gevolg is van de interactie van de scherpe tip met de monsteroppervlakte, zijn functionele beeldvormingsprotocollen op nanoschaal voor lokale stijfheidsmetingen en tip-sample adhesie ontwikkeld 4,5. Voor zachte gecondenseerde materie en polymeeranalyse, zijn AFM-metingen die de nanomechanische en nanochemische eigenschappen van lokale domeinen onderzoeken zeer gewild 6,7,8. Vóór de opkomst van nanoscale infrarood (nanoIR) spectroscopie, werden de uiteinden van AFM chemisch gewijzigd om de aanwezigheid van verschillende domeinen van de kromme van de AFM-kracht te beoordelen en de aard van de interactie tussen het uiteinde en de steekproef af te leiden. Deze benadering werd bijvoorbeeld gebruikt om de transformatie van microdomeinen van poly(tert-butylacrylaat) aan het oppervlak van met cyclohexaan behandeld polystyreenblok-poly(tert-butylacrylaat)blokcopolymeer dunne films te onthullen op sub-50 nm-niveau9.
De combinatie van infrarood (IR) licht met AFM heeft een aanzienlijke impact gehad op het gebied van polymeerwetenschap6. Conventionele IR-spectroscopie is een veelgebruikte techniek voor het bestuderen van de chemische structuur van polymere materialen10,11, maar het geeft geen informatie over individuele fasen en interfasegedrag, omdat de regio's te klein zijn in vergelijking met de grootte van de IR-straal die wordt gebruikt om het monster te onderzoeken. Het probleem doet zich voor bij IR-microspectroscopie, omdat het wordt beperkt door de optische diffractielimiet6. Dergelijke metingen nemen het gemiddelde van de bijdragen van het hele gebied dat door het IR-licht wordt opgewekt; De signalen die het gevolg zijn van de aanwezigheid van fasen op nanoschaal in het onderzochte gebied vertonen ofwel complexe vingerafdrukken die tijdens de nabewerking moeten worden gedeconvolueerd of gaan verloren als gevolg van een signaalniveau onder het detecteerbare niveau. Daarom is het essentieel om instrumenten te ontwikkelen die in staat zijn tot ruimtelijke resolutie op nanoschaal en een hoge IR-gevoeligheid om chemische eigenschappen op nanoschaal in complexe media te onderzoeken.
De regelingen om nanoIR-spectroscopie te bereiken zijn ontwikkeld, eerst gebruikend een metalen AFM-uiteinde als nanoantenne12,13, en meer recentelijk het benutten van het vermogen van de AFM-cantilever om veranderingen in de fotothermische uitbreiding te controleren die tijdens IRL-verlichting van de steekproef wordt opgelopen 12,14,15. De laatste maakt gebruik van een gepulseerde, afstembare IR-lichtbron die is afgestemd op een absorptieband van het onderzochte materiaal, waardoor het monster straling absorbeert en fotothermische uitzetting ondergaat. Deze aanpak is zeer geschikt voor organische en polymere materialen. De gepulseerde excitatie maakt het effect detecteerbaar door de AFM-cantilever in contact met het monsteroppervlak in de vorm van een oscillatie. De amplitude van één van de contactresonanties van het systeem die in het frequentiespectrum wordt waargenomen wordt dan gecontroleerd als functie van verlichtingsgolflengte, die het nanoIR-absorptiespectrum van het materiaal onder het AFM-uiteinde15 vormt. De ruimtelijke resolutie van nanoIR-beeldvorming en spectroscopie wordt beperkt door verschillende effecten van de fotothermische uitzetting van het materiaal. Het is geëvalueerd dat fotothermische nanoIR-spectroscopie met behulp van contactwijze AFM de eigenschappen van de trillingsabsorptiespectra van materialen met sub50 nm schaal ruimtelijke resolutie14 kan verwerven, met recent werk dat de bevinding van monomeren en dimeren van α-synucleïne16,17 aantoont. Kwantitatieve studies van de prestaties van nanoIR-metingen op heterogene polymere materialen die in verschillende configuraties zijn geassembleerd, zoals het geval van absorbers met eindige afmetingen die zijn ingebed in het volume van verschillende polymere films, blijven echter beperkt.
Dit artikel heeft tot doel een polymere assemblage te creëren met een ingebedde eigenschap van een bekende dimensie om de gevoeligheid van fotothermische uitzetting en ruimtelijke resolutie van nanoIR tijdens oppervlakteanalyse te evalueren. Het protocol omvat de bereiding van een dunne film van polyvinylalcohol (PVA)-polymeer op een siliciumsubstraat en het plaatsen van een driedimensionale polystyreen (PS)-parel op of ingebed in de PVA-film, wat de vorming van het modelsysteem vormt. NanoIR-beeldvormings- en spectroscopiemetingen worden beschreven in de context van het evalueren van de signalen die worden gegenereerd door dezelfde PS-kraal die op of onder de PVA-film is geplaatst. De invloed van de kraalpositie op de nanoIR-signalen wordt geëvalueerd. Methoden om de ruimtelijke voetafdruk van de kraal in de nanoIR-kaart te beoordelen worden besproken en de effecten van verschillende parameters worden overwogen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Oplossing voor polyvinylalcohol (PVA) maken
- Meet water en PVA-polymeerkorrels (zie Materiaaltabel) om een oplossing van 10 ml te maken met een PVA-waterverhouding van 20% in gewicht.
- Verwarm het water in het glaswerk op een kookplaat van 100 °C.
- Plaats de PVA-polymeerkorrels in het verwarmde water. Plaats een magnetische roerstaaf.
- Zet het vuur lager tot 80 °C en roer tot de PVA volledig is opgelost.
- Bedek de bovenkant van het glaswerk om besmetting te voorkomen.
- Eenmaal volledig opgelost, plaatst u de 20% PVA-oplossing in een geschikte opslagcontainer voor opslag bij kamertemperatuur.
2. Voorbereiding van PVA-gecoate silicium (Si) wafers
- Snijd een silicium (Si) wafer (zie Tabel met materialen) in ~10 x 10 mm2 vierkanten.
- Reinig het Si-substraat met isopropylalcohol en laat het drogen.
- Plaats de schone Si-wafer op de boorkop van de spincoater (zie Materiaaltabel).
- Giet ongeveer 10 μL PVA-oplossing op het midden van het Si-substraat. Probeer de vorming van luchtbellen te voorkomen.
- Smeer het Si-substraat in met een uniforme PVA-film door gedurende 30 s te centrifugeren met 1.500 omwentelingen per minuut (rpm).
OPMERKING: Het gespecificeerde volume van vloeistof- en spincoatingparameters creëert een uniforme laag PVA over het oppervlak van het substraat met voldoende dikte om snelle droging tussen de spincoating en het plaatsen van de PS-parels op het PVA-oppervlak in de volgende stap te voorkomen.
- Haal het monster uit de spincoater en plaats het in een schone monstercontainer om besmetting te voorkomen voordat u de PS-korrels overbrengt.
3. Plaatsen van de PS-kralen op het PVA-gecoate oppervlak
- Reinig een Si-substraat met isopropylalcohol en laat het drogen.
- Plaats met een pipet 1 μL PS-korrels in water op het midden van het substraat.
- Laat het water verdampen door het monster in een opslagcompartiment met bentonietklei-droogmiddel te plaatsen.
NOTITIE: Deze stap conserveert het monster door de blootstelling aan vochtigheid te verminderen. - Plaats het PVA-gecoate substraat (stap 2.4) en het substraat met de gedroogde PS-korrels (stap 3.3) onder een optische microscoop. Afhankelijk van hun grootte zal een enkele kraal zichtbaar zijn met een eenvoudige verrekijker of een hogere optische vergroting vereisen.
- Maak de kralen voorzichtig los met een ultrafijn pincet (zie Tabel met materialen). Gebruik een fijne haarkwast om een paar losse kralen te verzamelen en tik lichtjes met de haren van de kwast over de vers met PVA gecoate wafel. Meerdere vegen moeten ervoor zorgen dat de kralen zich ophopen in de haren van de borstel. Tik op de bovenkant van de penseelharen om het PS-parelpoeder te verstoren om kralen los te laten op het plakkerige PVA-oppervlak.
NOTITIE: Het is belangrijk dat de kwast van hoge kwaliteit en schoon is om te voorkomen dat vezels en verontreinigingen op het oppervlak van de PVA-film terechtkomen. Snel bewegen tijdens deze stap is essentieel, zodat de PVA niet volledig opdroogt. - Herhaal deze stap totdat door optische microscopie-inspectie wordt bevestigd dat individuele PS-korrels zich aan het PVA-oppervlak hechten.
- Bewaar het monster in een schone container. Laat het monster volledig drogen.
OPMERKING: Het monster moet volledig worden afgekoeld en gedroogd voordat verdere analysepogingen worden uitgevoerd. AFM-hoogtemetingen of oppervlakteprofilermetingen kunnen de dikte van opeenvolgende PVA-films beoordelen.
4. Het laden van de steekproef voor AFM-karakterisering
OPMERKING: Het beschreven protocol is gebaseerd op standaard operationele procedures van een nanoIR2 (zie Tabel van Materialen) platform, maar moet worden aangepast aan het AFM-model dat voor de meting wordt gebruikt.
- Monteer de PVA- en PS-parelsteekproef op het AFM-stadium met behulp van een metalen AFM-schijf en zelfklevende lipjes, zodat de steekproef stevig aan de steekproefhouder wordt bevestigd.
- Monteer een nanoIR-sonde (bijv. FORTGG) op de AFM-sondehouder.
OPMERKING: De AFM-cantilever is 225 μm lang, 27 μm breed en 2,7 μm dik, met een tipstraal van minder dan 10 nm. De cantilever is aan beide zijden gecoat met een 45 nm dikke goudfilm om de respons op de IR-verlichting van het monster aan de bovenzijde te beperken (zie Tabel met materialen). Gebruik voor nanoIR-spectroscopiemetingen bij voorkeur een cantilever die voor gebruik in een polydimethylsiloxaanvrije omgeving is opgeslagen. - Lijn de uitleeslaser uit aan het vrije uiteinde van de vrijdragende straal door aan de laseruitlijningsknoppen te draaien (x- en y-aanpassingen van de laserpositie en verticale afstelling van de detectorpositie).
- Maximaliseer het SUM-signaal van de detector.
- Pas de positie van de detector aan door de afbuigknop zo te draaien dat de laser met het centrum van de positiegevoelige detector van het AFM-uitleessysteem wordt uitgelijnd, overeenkomend met een verticaal afbuigsignaal van ~0 V.
- Klik op het pictogram Laden in het AFM "Probe" configuratiescherm.
- Volg de aanwijzingen in het scherm van de wizard. Gebruik de focuspijlen om het brandpuntsvlak van de nanoIR-cantilever te bepalen. Gebruik de XY-verplaatsingsregelaars om de cantilever in het midden van het scherm te plaatsen (uitgelijnd met het witte kruis).
- Klik vervolgens op de focuspijlen om het brandpuntsvlak van het oppervlak van het monster te vinden.
- Gebruik de optische weergave van het systeem en de XY-verplaatsingsregelaars om de vrijdragende punt boven de betreffende kraal te plaatsen en klik op Volgende.
- Stel op het activeringsscherm de "standoff" in op 50 μm en klik op Alleen naderen.
- Start de Engage-procedure om de tip te benaderen voor beeldvorming.
5. Topografische en nanoIR-beelden van het multipolymeermonster maken
- Topografische afbeeldingen maken in de standaard "Contactmodus". Zodra de positie van de cantilever ten opzichte van de PS-kraal is ingesteld, start u de nadering door op het in te schakelen pictogram in het AFM "Probe" configuratiescherm te klikken. Voor de hele studie wordt hier een inschakelinstelpunt van een doorbuigingsdifferentieel van 0,2 V gebruikt, wat overeenkomt met een kracht van ~100 nN.
In het AFM "Scan" configuratiescherm, stel de scansnelheid in op 0,8 Hz, scangrootte (hoogte en breedte), en het aantal punten per lijn en het aantal lijnen per beeld dat moet worden gebruikt voor beeldvorming (512 x 512 werd hier gebruikt). Klik op Scannen om de topografische afbeelding te verkrijgen.
OPMERKING: Kalibratie van de cantilever18 wordt gedaan door de doorbuigingsgevoeligheid (in nm/V) te bepalen op basis van de helling van de deflectie-afstandscurve die wordt verkregen met de cantilever in wisselwerking met een saffiersubstraat (aanvullende figuur 1A). De stijfheid van de cantilever wordt bepaald aan de hand van thermische afstemming19 (aanvullende figuur 1B). De resonantie van de cantilever wordt gemonteerd met behulp van een Lorentziaanse functie. De cantileverstijfheid (in N/m) wordt bepaald met behulp van de equipartitiestelling
, waarbij KBde Boltzmann-constante is, T de temperatuur (T = 295K) en P de oppervlakte van het vermogensspectrum van de thermische fluctuaties van de cantilever bepaald door de Lorentziaanse pasvorm van de thermische afstemmingsgegevens20 te integreren. - Voor nanoIR-metingen, plaats het AFM-uiteinde op het kenmerk van belang dat van het topografische beeld wordt geïdentificeerd.
- Selecteer het stemvorkpictogram in het nanoIR-bedieningspaneel om de contactresonantiefrequenties van de cantilever te bepalen. Stel een verlichtingsgolfgetal in dat fotothermische uitzetting in het materiaal opwekt. Stel een bereik van de frequentie van de laserpuls in om te vegen en stel de inschakelduur van de nanoIR-laser in. Selecteer Acquire in het "Laser Pulse Tune Window".
- Selecteer de tweede contactresonantie van het tip-sample-systeem voor nanoIR-metingen door de markeringsbalk (groene verticale lijn) op de piek van de tweede contactresonantie te plaatsen.
NOTITIE: De selectie van de contactresonantiemodus kan variëren, afhankelijk van het type cantilever en het monster. - Klik op Optimaliseren om het midden van het brandpuntsgebied van de IR-laser uit te lijnen met de positie van de vrijdragende punt. De uitlijning vindt plaats op een geselecteerd IR-verlichtingsgolfnummer, dat overeenkomt met een absorptieband van het onderzochte materiaal. De cantilever bevindt zich in het midden van de laservoetafdruk (aanvullende afbeelding 2).
NOTITIE: De uitlijning kan variëren voor verschillende golfgetallen, afhankelijk van het lasermodel. - Verkrijg een achtergrond van de IR-laserverlichting. Dit bestaat uit het meten van de output van de IR-kwantumcascadelaser (QCL) in het golflengtebereik van emissie bij de geselecteerde pulsfrequentie (aanvullende figuur 3). Dit is belangrijk voor achtergrondcorrectie van de nanoIR-spectra.
- Verkrijg het nanoIR-spectrum door het golfgetalbereik te selecteren (hier zijn Start en Stop ingesteld op respectievelijk 1.530 cm-1 en 1.800 cm-1), de stapgrootte (2 cm-1) en het aantal gemiddelden dat voor de meting wordt gebruikt. Voer een achtergrondcorrectie uit van de weergegeven spectra door de gemeten fotothermische amplitude te delen door de verzwakte achtergrond, die bestaat uit het vermenigvuldigen van de in stap 5.2.4 verzamelde achtergrond met het percentage van het vermogen dat voor de meting is geselecteerd.
- Selecteer voor nanoIR-beeldvorming het interessegebied voor beeldvorming.
- Schakel auto-tune phase-locked loop (PLL) in het "Laser Pulse Tune Window" in (toegankelijk via het stemvorkpictogram ).
- Pas de minimum- en maximumfrequentie aan om een sweepbereik te creëren dat gecentreerd is op de tweede resonantiemodus in het algemene bedieningspaneel.
- Zet de fase op nul door op nul te klikken in het PLL-bedieningspaneel en klik vervolgens op OK in het venster "Laser Pulse Tune".
- Selecteer IR Imaging Enabled door een vinkje te plaatsen in het vakje in het nanoIR-configuratiescherm.
- Kies in het configuratiescherm "Beeldweergave" Hoogte (Beeldweergave 1), Amplitude 2 (Beeldweergave 2) en Fase 2 (Beeldweergave 3) om de topografische en chemische beelden van het monster te verkrijgen. Stel de acquisitierichting in op Traceren (of Opnieuw traceren). Een line fit Line is vaak nodig om het topografische beeld van het monster dat wordt verkregen te observeren. Capture fit moet zijn ingesteld op Geen.
OPMERKING: Scanvoorkeuren, zoals de vastgelegde scanrichting of het gebruikte kleurenpalet, kunnen naar wens worden aangepast. - Selecteer in het AFM "Scan" configuratiescherm het pictogram Scannen .
- Om de afbeelding op te slaan, selecteert u het pictogram Nu of Einde van frame in het configuratiescherm "Vastleggen".
- Om de gegevens te exporteren, klikt u met de rechtermuisknop op de afbeeldings- of spectrumbestandsnamen in de gegevenslijsten. Selecteer Exporteren en kies de indeling van het bestand dat u wilt exporteren. Sla het bestand op de gewenste locatie van de computermap op.
, waarbij KBde Boltzmann-constante is, T de temperatuur (T = 295K) en P de oppervlakte van het vermogensspectrum van de thermische fluctuaties van de cantilever bepaald door de Lorentziaanse pasvorm van de thermische afstemmingsgegevens20 te integreren.Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
PS ((C8H8)n) korrels werden afgezet op een schoon Si-substraat (Figuur 1A) en op PVA ((CH2CHOH)n) (Figuur 1B,C). Vanwege de slechte hechting van de kraal op Si kon nanoIR-beeldvorming in contactmodus niet worden verkregen voor dit monster. In plaats daarvan, gebruikend de optische mening van de steekproef op nanoIR, werd de goud-bedekte AFM-sonde ingeschakeld bovenop de PS-kraal in contactwijze, met een geschatte kracht van ongeveer 100 nN (Figuur 2A). De gepulseerde IR-laser was ingesteld om het monster te exciteren op 1.730 cm-1, aangezien zowel PS als PVA naar verwachting bij dit golfgetal zullen absorberen. De pulsfrequentie van de laser werd geveegd om de contactresonantie van de cantilever voor de nanoIR-spectrummeting te bepalen. Bij puls op de contactresonantiefrequentie werd de cantileverrespons bewaakt om de amplitude van de oscillatie te bepalen (Figuur 2B). Vervolgens werden de nanoIR-spectra geconstrueerd door de amplitude van de contactresonantie te monitoren als functie van het verlichtingsgolfgetal, van 1.530 tot 1.800 cm-1 in stappen van 2 cm-1 (Figuur 2C). In dit bereik (Figuur 3A, inzet) onthulde het spectrum de aanwezigheid van twee IR-banden gecentreerd op 1.600 cm-1 en 1.730 cm-1, wat overeenkomt met de overheersende rekmodus van de fenylgroep en een subset van de ring die zich uitstrekt in PS, respectievelijk21. Vergelijking van het nanoIR-spectrum met het far-field Fourier-transformatie-infraroodspectrum (FTIR) van PS bevestigde de aanwezigheid van de aromatische modus op 1.600 cm-1 (Figuur 3A). Er werd echter opgemerkt dat de relatieve amplitude I1600/I1730 significant verschilde in de FTIR- en nanoIR-spectra, met respectievelijke waarden van 2,9 en 0,9. Dit werd toegeschreven aan het detectiemechanisme van nanoIR-spectroscopie, dat de fotothermische uitzetting van het polymeer bewaakt in plaats van de absorptie ervan, zoals bij FTIR-spectroscopie. In het geval van PS kwam dit overeen met een hogere fotothermische uitzetting bij het prikkelen van de aromatische subbanden op 1.730 cm-1. Het nanoIR-spectrum van PVA vertoonde een betere overeenkomst met het FTIR-spectrum met een overheersende absorptieband gecentreerd op ~1.730 cm-1 (Figuur 3B). Hoewel deze band niet werd verwacht in pure PVA, die geen C=O-groep bevat, suggereert eerder werk dat de aanwezigheid van de band kan worden toegeschreven aan carbonylfunctionele groepen als gevolg van restacetaat dat wordt gebruikt bij de bereiding van PVA (snelheid als ~80%-90% gehydrolyseerd)22. Voor het doel van deze studie was de aanwezigheid van een band op 1.730 cm-1 geschikt om het effect van gelijktijdige absorptie van PS en PVA te beoordelen.
De nanoIR-spectra werden gebruikt om de verlichtingsgolfgetallen te selecteren voor chemische beeldvorming van de PS-kraal die aan het oppervlak van PVA wordt afgezet (Figuur 4A-C) en van de PS-kraal die met PVA is bedekt (Figuur 4D-F). De PLL-contactresonantiefrequentievolgmogelijkheid van het systeem werd gebruikt om ervoor te zorgen dat de amplitudemeting bij elke pixel overeenkwam met de maximale amplitude van de contactresonantiepiek15 (Figuur 2C). De contactresonantie van de cantilever werd gemeten wanneer de cantilevertip in contact was met PVA en PS om een geschikt bereik van de PLL-frequentietracking te bepalen.
NanoIR-beelden werden voor het eerst verkregen op 1.600 cm-1, wat overeenkomt met het geval waarin PS de overheersende absorber van het systeem is (Figuur 4Ai; Di)). Hoewel in beide gevallen een PS-kraal van 5 μm werd afgebeeld, was de amplitude van de fotothermische uitzetting die op deze golflengte werd geregistreerd verschillend wanneer de punt direct in contact was met de PS-kraal en wanneer de punt in contact was met de dunne PVA-coating bovenop de PS-kraal. De toename van de fotothermische uitzetting die boven de PS-kraal werd gedetecteerd, was aanzienlijk kleiner wanneer de kraal werd bedekt met de laag PVA, geschat op ~1,8 μm dik met behulp van een oppervlakteprofiler (aanvullende figuur 4). Bij het gebruikte laservermogen (1,47%, wat overeenkomt met ~3,4 mW bij 1.600 cm-1 en ~3,8 mW bij 1.730 cm-1) (aanvullende tabel 1), vertoonde een gebied met een diameter van ~13 μm een lichte toename van de amplitude ~2 nm boven het signaal dat werd geregistreerd op de zuivere, niet-absorberende PVA-laag weg van de PS-kraal. De ruimtelijke voetafdruk van de amplitudetoename was veel breder dan wanneer de PS-kraal zich bovenop de PVA-film bevond (Figuur 4A), waar het fotothermische expansiesignaal asymmetrisch was maar beperkt bleef tot een gebied van ~ 6 μm breed in de snelle scanrichting en ~ 8 μm lang in de langzame scanrichting van het beeld. De amplitudemetingen in dit gebied bereikten tot 12,1 nm boven de fotothermische uitzetting van de zuivere PVA-laag. Bij het belichten van het monster bij 1.730 cm-1 vertoonden PS en PVA beide een hogere amplitude van fotothermische uitzetting dan bij 1.600 cm-1. In het geval van de blootgestelde PS-kraal (figuur 4Ci) was de fotothermische uitzetting het hoogst bovenop de kraal, met waarden tot 26,5 nm. De hoge fotothermische respons strekte zich enkele micrometers uit buiten de voetafdruk die is waargenomen in figuur 4Ai. De PVA breidde ook uit als gevolg van de excitatie, maar met een lagere amplitude, namelijk ~7,6 nm opgenomen weg van de PS-kraal. Er werd opgemerkt dat de respons consequent het sterkst was aan de linkerkant van de PS-kraal. Voor de ingebedde kraal (Figuur 4F) was het signaal symmetrischer, maar de amplitude van de fotothermische uitzetting boven de PS-kraal was slechts ~2,3 nm hoger dan die van de PVA. Hiervoor werd een consistente fotothermische amplitude van ~13.6 nm geregistreerd binnen de 10-13 μm-voetafdruk van het gebied dat wordt beïnvloed door PS-verwarming, bepaald door het in kaart brengen van de oppervlakte met de AFM-sonde. In het geval van metingen uitgevoerd op 1.620 cm-1 werd geen signaal gedetecteerd, wat consistent is met de afwezigheid van een opmerkelijke IR-absorptieband voor PS en PVA in dit spectrumgebied.
Vervolgens werden de nanoIR-spectra die bovenop een PS-kraal werden verzameld, vergeleken met PVA (Figuur 5A). Het PS-signaal bij 1.600 cm-1 was beduidend lager dan in het geval van de onbedekte kraal. Ondanks de lage bijdrage van de band bevestigde verdere analyse van de signalen dat het verhogen van het laservermogen leidde tot een hogere verhouding I1600/I1730 (Figuur 5B,C). De resultaten suggereerden dat een hoger laservermogen overeenkomt met een grotere penetratiediepte, zoals weergegeven in figuur 5B. Dit heeft op zijn beurt invloed op het nanoIR-beeld dat onder een ander laservermogen wordt verzameld. Bij een hoger vermogen van ~20 mW vertoonde de fotothermische amplitude van het materiaal consequent een lagere amplitude dan bij lagere laservermogens. Verder nam het ruisniveau in de spectra toe, wat wijst op enkele instabiliteiten in het materiaal, waarschijnlijk als gevolg van de temperatuurstijging in het polymeer.
Figuur 1: Afzetting van PS-korrels. Scanning-elektronenmicroscopie (SEM)-opname van de 5 μm PS-kraal (A) bovenop een ongerept siliciumsubstraat, (B) bovenop een PVA-film en (C) bedekt met PVA. Schaalbalk = 1 μm. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 2: Schema's die het principe van nanoIR-beeldvorming en spectroscopie illustreren. (A) De IR gepulseerde laser wordt uitgelijnd en gericht op het contactpunt van het metalen AFM cantileveruiteinde met de steekproef. De cantilever meet de fotothermische respons van het materiaal als gevolg van IR-absorptie. De goudlaag aan beide zijden wordt gebruikt om de fotothermische en akoestische bijdrage van de cantilever tijdens de meting te verminderen, wat de nanoIR-meting van het monster zou verstoren. (B) Signaal van de positiegevoelige detector dat de afbuiging van de cantilever in het tijddomein [S(t)] en het frequentiedomein [S(ω)] bewaakt. De contactresonantiemodi van de cantilever worden geïdentificeerd door lock-in versterkermetingen. De tweede contactresonantie wordt gebruikt voor PLL-tracking tijdens beeldvorming. De amplitude van de contactresonantiemodus Acr2 wordt gemeten. (C) NanoIR-spectrum verkregen door de verandering in amplitude Acr2 als functie van het verlichtingsgolfgetal te volgen. Het NanoIR-beeld werd verkregen door de verandering in amplitude Acr2 te volgen als functie van de positie van de punt op het monster. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 3: IR-spectra van PS en PVA. (A) FTIR-spectrum van PS. Het rode vak geeft het bereik aan van het spectrum dat wordt bestudeerd met nanoIR-spectroscopie. Het bijbehorende nanoIR PS-spectrum is opgenomen in de inzet. (B) FTIR-spectrum van PVA. Het rode vak geeft het bereik aan van het spectrum dat wordt bestudeerd met nanoIR-spectroscopie. Het bijbehorende nanoIR PVA-spectrum is opgenomen in de inzet. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 4: NanoIR-beeldvorming. De PS-kraal (A-C) afgezet op het oppervlak van PVA en (D-F) ingebed in PVA zoals afgebeeld in de inzetstukken. NanoIR-kaarten verkregen op (A i,Di) 1,600 cm-1, (B i,Ei) 1,620 cm-1 en (C i,Fi) 1,730 cm-1 worden over de 3D-topografische kaart gelegd. Overeenkomstige topografie en nanoIR-profielen die langs de witte stippellijn zijn geëxtraheerd, worden weergegeven in de respectieve grafieken (ii). Schaalbalk = 5 μm. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 5: NanoIR-spectrum verzameld door het AFM-uiteinde in contact met de PS-kraal die met PVA wordt bedekt. (A) NanoIR-spectra verzameld bij p1 = 1,47%, p2 = 2,48%, p3 = 5,20% en p4 = 11% van het laservermogen. Het laservermogen varieert als functie van de golflengte, waarvoor in elk geval wordt gecorrigeerd door een verzwakte achtergrondcorrectie. (B) Schema's die het effect van het laservermogen op de sterkte van de verzamelde signalen illustreren. (C) Verhouding I1600/I1730 als functie van het laservermogen. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Aanvullende figuur 1: Kalibratie van de nanoIR-cantilever. (A) Doorbuigings-afstandscurve verkregen op een saffiersubstraat. De helling van de intrekcurve geeft de doorbuigingsgevoeligheid van de cantilever die wordt gebruikt om de veerconstante te berekenen. (B) De vrijdragende resonantiefrequentie wordt bepaald door thermische afstemming die wordt gebruikt om de veerconstante te berekenen. Klik hier om dit bestand te downloaden.
Aanvullende afbeelding 2: IR-laservoetafdruk. De oscillatieamplitude van de cantilever in contact met het monsteroppervlak wordt geregistreerd als functie van de positie van de IR-laser. De uitlijning van de IR-laser wordt gevarieerd met behulp van een bewegende spiegel. De positie van de spiegel is zo ingesteld dat het midden van het brandpuntsvolume (rood gebied) wordt uitgelijnd met de positie van de cantilever (midden van het witte kruis). Klik hier om dit bestand te downloaden.
Aanvullende figuur 3: Uitgangsvermogen van de laser (in mW) als functie van het golfgetal. Het uitgangsvermogen van de QCL-laser wordt bepaald met behulp van een standaard IR-detector van 1.530 cm-1 tot 1.800 cm-1 in stappen van 2 cm-1 bij de pulsfrequentie die overeenkomt met de instelling die wordt gebruikt voor de nanoIR-metingen. Klik hier om dit bestand te downloaden.
Aanvullende figuur 4: PVA-diktemetingen verkregen door confocale laseroppervlakteprofilometrie. Klik hier om dit bestand te downloaden.
Aanvullende tabel 1: Het laservermogen in milliwatt voor elk golfgetal. Klik hier om dit bestand te downloaden.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
AFM gecombineerd met nanoIR-spectroscopie kan chemische informatie op nanoschaal verstrekken met behulp van een cantilever in contactmodus en een gepulseerde afstembare IR-lichtbron. Modelsystemen, zoals het inbedden van een absorber met eindige afmetingen in het volume van een polymeer materiaal, zijn belangrijk om het begrip van beeldvormingsmechanismen te verbeteren en de prestaties van het gereedschap te bepalen. In het geval van de hier gepresenteerde PS/PVA-configuratie werd optimalisatie uitgevoerd om een stabiele PS-parel te verkrijgen die boven of onder het oppervlak van de PVA-film is geplaatst. Het bleek dat het deponeren van de PS-korrels direct na het verwijderen van het gecoate Si-substraat uit de spincoater resulteerde in een betere hechting. De viscositeit van de PVA-laag kan van invloed zijn op de positionering van de kraal ten opzichte van het PVA-filmoppervlak. Door het monster ongeveer 15 minuten te verwarmen bij ~200 °C, konden de korrels dieper worden geïmplanteerd.
Dankzij de grootte van de PS-kralen (hier 5 μm) is een snelle uitlijning van de vrijdragende punt met het midden van de kraal mogelijk met behulp van de optische microscoop die is ingebouwd in het nanoIR-systeem. Terwijl PS-parels en microbellen in de PVA nauwelijks optisch kunnen worden onderscheiden, kan nanoIR-analyse de samenstelling van het monster bevestigen. Hoewel de bijdrage van de IR-band op 1.600 cm-1 zwak kan zijn wanneer de PS-kraal wordt bedekt met een ander polymeer, zoals opgemerkt in figuur 5, kan een hoog laservermogen de bijdrage van PS bij 1.600 cm-1 verhogen in de nanoIR-vingerafdruk die er direct boven wordt verzameld, met de cantilever in contact met de PVA-overlay. Verwacht wordt dat PS-parels met kleinere diameters moeilijker te lokaliseren zullen zijn met optische microscopie en een lager signaal zullen bijdragen aan het nanoIR-spectrum. In een dergelijk geval moeten AFM-beeldvorming en nanoIR-metingen van de PS-parels vóór afzetting van de toplaag van PVA worden overwogen, samen met het markeren van het monster om ervoor te zorgen dat de locatie van de ingebedde PS-korrels bekend is. Ondanks deze voorziene uitdagingen heeft deze aanpak om modelsystemen voor te bereiden het voordeel dat het goedkoop en gemakkelijk beschikbaar is. Het profiel van de topografie van de kraal kan worden gebruikt om de positie van de kraal te schatten, hoewel rekening moet worden gehouden met het zogenaamde tipeffect om de diameter van het afgebeelde kenmerk te beoordelen.
Met betrekking tot gegevensverzameling en -analyse, onthullen de gegevens die met nanoIR in deze studie worden geproduceerd verscheidene onverwachte instabiliteiten van de tip-steekproefinteractie bij het gebruik van een zachtere nanoIR-cantilever en bij het verhogen van het laservermogen. NanoIR-beelden verzameld met een zachtere cantilever (k < 0,4 N/m) waren consequent onstabiel in de buurt van de PS-kraal die door het IR-licht werd opgewekt, ondanks een stabiel topografisch beeld. De nanoIR-spectra van PS en PVA die in deze studie zijn geregistreerd, komen goed overeen met de algemeen gerapporteerde FTIR-spectra van de overeenkomstige bulkpolymeren21,22. De twee verschillende absorptiebanden op 1.600 cm-1 (alleen PS) en 1.730 cm-1 (PS en PVA) bieden een manier om het effect te vergelijken van het opwinden van de enkele parelabsorber onder het oppervlak. De nanoIR-beelden in figuur 4 geven aan dat het signaal in de buurt van de kraal sterk is wanneer de PS-kraal wordt blootgesteld, maar aanzienlijk afneemt wanneer een dunne PVA-film de kraal bedekt. De resultaten geven echter aan dat een kraal meer dan 1 μm onder het oppervlak kan worden gedetecteerd in de nanoIR-kaart, zowel bij het opwinden van het systeem op 1.600 cm-1 als op 1.730 cm-1. De amplitude die door de cantilever wordt gedetecteerd, neemt in beide gevallen toe met ~2 nm direct boven de kraal op de kaart. Hoewel laag in amplitude, is de voetafdruk van deze expansie ongeveer 13 μm breed voor de 1.600 cm-1 excitatie, wat veel groter is dan de diameter van de kraal, wat bevestigt dat warmte diffundeert van de PS-absorber naar de PVA. Deze Joule-expansie kan de ruimtelijke resolutie van nanoIR op heterogene materialen beïnvloeden, met een sterker effect dat wordt verwacht als de absorber zich dichter bij het oppervlak bevindt. De grotere respons van het monster op 1.730 cm-1 is consistent met de nanoIR-spectra die worden gepresenteerd in figuur 5, wat aantoont dat de bijdrage van de band bij 1.600 cm-1 veel zwakker is dan bij 1.730 cm-1.
De huidige aanpak brengt enkele beperkingen met zich mee. Het plaatsen van de kralen onder het oppervlak van PVA en het beperken van de topografische bult op het oppervlak van het modelsysteem blijft onbereikbaar. In feite kan het zo'n dikke coating vereisen dat de kraal ondetecteerbaar zou kunnen worden vanuit het oogpunt van nanoIR-spectroscopie. De diepte van de kraal is zowel moeilijk te controleren als te karakteriseren, wat het moeilijk zou maken om voldoende informatie te verstrekken voor modellering voor een nauwkeurige weergave van het modelsysteem. Voor een vollediger beeld van het effect van de grootte en diepte van de ondergrondse absorber op het nanoIR-signaal dat aan de oppervlakte wordt gemeten, zou het nodig zijn om de afmetingen en posities van de kraal met grotere precisie te variëren. Bovendien is het waarschijnlijk dat in een echt complex systeem verschillende ondergrondse absorbers met verschillende afmetingen, posities en samenstellingen de metingen zouden verstoren, wat niet in dit model wordt beschreven.
Desalniettemin bevestigen de metingen dat er veel te leren valt van signaalgeneratie op multipolymere monsters voor nanoIR-karakterisering. Verdere optimalisatie van het monstervoorbereidingsprotocol moet worden uitgevoerd om de diepte waarop de PS-kraal is ingebed controleerbaar te variëren om een uitgebreidere analyse mogelijk te maken van hoe de fotothermische uitzetting aan het oppervlak van PVA wordt beïnvloed door de ondergrondse absorber. De combinatie van polymeren die voor de metingen worden gebruikt, kan ook worden gevarieerd om de rol van thermische geleidbaarheid, thermische uitzetting en mechanische eigenschappen op de prestaties van de nanoIR-metingen voor heterogene materialen te bepalen. Dit vormt een veelbelovende benadering om het gedrag van de steekproef voor nanoIR-spectroscopie en beeldvorming beter te begrijpen, en zal naar verwachting de kwantificering van penetratiediepte, ruimtelijke resolutie, en gevoeligheid van het hulpmiddel verder vergemakkelijken. Dit is met name belangrijk gezien de opkomst van nieuwe vormen van beeldvorming, zoals nanoIR15,23 met meerdere frequenties, waarvoor de aard van de informatie en het effect van bedieningsparameters op de prestaties van de instrumenten nog steeds slecht worden begrepen. Om het begrip van de verzamelde gegevens te verdiepen, zal het van cruciaal belang zijn om de experimentele benadering te combineren met multifysische modellering24. Het overwegen van ingebedde kenmerken van verschillende groottes en het variëren van hun positie onder het oppervlak zal van cruciaal belang zijn om een uitgebreider model te ontwikkelen. Op zijn beurt, zal dit het gebied van nanoIR-spectroscopie naar toepassingen van real-life heterogene en driedimensionale materialen bevorderen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
De auteurs hebben niets te onthullen.
Acknowledgments
Dit werk werd ondersteund door de National Science Foundation (NSF CHE-1847830).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 10|0 2200 Golden Taklon Round | Zem | ||
| 5357-8NM Tweezers | Pelco | ||
| Adhesive Tabs | Ted Pella | 16079 | |
| AFM metal specimen disks | Ted Pella | 16208 | |
| Binocular | AmScope | ||
| Cantilever for nanoIR measurements | AppNano | FORTGG | |
| Cell culture dishes | Greiner bio-one GmbH | ||
| Desiccator | |||
| Floating optical table | Newport | RS 4000 | |
| Hotplate | VWR | ||
| Isopropanol | |||
| Kimwipes | KIMTECH | ||
| Magnetic stir bar | |||
| Microparticles based on polystyrene size: 5 µm | SIGMA-ALDRICH | 79633 | |
| nanoIR2 microscope | Bruker | Contact mode NanoIR2 | |
| Nitrogen Tank | Airgas | ||
| Petri dishes | Greiner bio-one GmbH | ||
| Polyvinyl Alcohol | SIGMA-ALDRICH | 363170 | this polymer was only 87%-89% hydrolyzed, which explains the presence of residual C=O at 1730 cm-1 |
| Quantum Cascade Laser | Daylight Solutions | 1550-1800 cm-1 range | |
| Silicon wafer | MEMC St. Peters | #901319343000 | |
| Spin coater | Oscilla |
References
- Dufrêne, Y. F., Viljoen, A., Mignolet, J., Mathelié-Guinlet, M. AFM in cellular and molecular microbiology. Cellular Microbiology. 23 (7), e13324 (2021).
- Sharma, A., Rout, C. S. Probe-based techniques for 2D layered materials. Advanced Analytical Techniques for Characterization of 2D Materials. , AIP Publishing. Melville, New York. 1-14 (2022).
- Zhong, J., Yan, J. Seeing is believing: atomic force microscopy imaging for nanomaterial research. RSC Advances. 6 (2), 1103-1121 (2016).
- Olubowale, O. H., et al. 34;May the force be with you!" Force-volume mapping with atomic force microscopy. ACS Omega. 6 (40), 25860-25875 (2021).
- Dokukin, M. E., Sokolov, I. Quantitative mapping of the elastic modulus of soft materials with HarmoniX and PeakForce QNM AFM modes. Langmuir. 28 (46), 16060-16071 (2012).
- Nguyen-Tri, P., et al. Recent applications of advanced atomic force microscopy in polymer science: a review. Polymers. 12 (5), 1142 (2020).
- Vitry, P., et al. Mode-synthesizing atomic force microscopy for 3D reconstruction of embedded low-density dielectric nanostructures. Nano Research. 8 (7), 2199-2205 (2015).
- Coste, R., Pernes, M., Tetard, L., Molinari, M., Chabbert, B. Effect of the interplay of composition and environmental humidity on the nanomechanical properties of hemp fibers. ACS Sustainable Chemistry & Engineering. 8 (16), 6381-6390 (2020).
- Schönherr, H., Feng, C. L., Tomczak, N., Vancso, G. J. Compositional mapping of polymer surfaces by chemical force microscopy down to the nanometer scale: reactions in block copolymer microdomains. Macromolecular Symposia. 230 (1), Weinheim. 149-157 (2005).
- Holland-Moritz, K., Siesler, H. W.
- Bhargava, R., Wang, S. Q., Koenig, J. L. FTIR microscpectrscopy of polymeric systems. Liquid Chromatography/FTIR Microspectroscopy/Microwave Assisted Synthesis. , Springer Berlin. Heidelberg Berlin. Heidelberg. 137-191 (2003).
- Rao, V. J., et al. AFM-IR and IR-SNOM for the characterization of small molecule organic semiconductors. The Journal of Physical Chemistry C. 124 (9), 5331-5344 (2020).
- Wang, H., Wang, L., Xu, X. G. Scattering-type scanning near-field optical microscopy with low-repetition-rate pulsed light source through phase-domain sampling. Nature Communications. 7 (1), 13212 (2016).
- Dazzi, A., Prater, C. B. AFM-IR: Technology and applications in nanoscale infrared spectroscopy and chemical imaging. Chemical Reviews. 117 (7), 5146-5173 (2017).
- Mathurin, J., et al. Photothermal AFM-IR spectroscopy and imaging: Status, challenges, and trends. Journal of Applied Physics. 131 (1), 010901 (2022).
- Miller, A., et al. Enhanced surface nanoanalytics of transient biomolecular processes. Science Advances. 9 (2), 3151 (2023).
- Emin, D., et al. Small soluble α-synuclein aggregates are the toxic species in Parkinson's disease. Nature Communications. 13 (1), 5512 (2022).
- Jardine, K., Dove, A., Tetard, L. AFM force measurements to explore grain contacts with relevance for planetary materials. The Planetary Science Journal. 3 (12), 273 (2022).
- Sader, J. E., Chon, J. W. M., Mulvaney, P. Calibration of rectangular atomic force microscope cantilevers. Review of Scientific Instruments. 70 (10), 3967-3969 (1999).
- Higgins, M. J., et al. Noninvasive determination of optical lever sensitivity in atomic force microscopy. Review of Scientific Instruments. 77 (1), 013701 (2006).
- Smith, B. The infrared spectra of polymers III: hydrocarbon polymers. Spectroscopy. 36 (11), 22-25 (2021).
- Korbag, I., Mohamed Saleh, S. Studies on the formation of intermolecular interactions and structural characterization of polyvinyl alcohol/lignin film. International Journal of Environmental Studies. 73 (2), 226-235 (2016).
- Tetard, L., Passian, A., Farahi, R. H., Thundat, T., Davison, B. H.
- Bai, Y., Yin, J., Cheng, J. -X. Bond-selective imaging by optically sensing the mid-infrared photothermal effect. Science Advances. 7 (20), (2021).
