Summary
このプロトコルは三次元多重分子サンプルの性格描写の光熱ナノスケールの赤外分光法の性能を評価するために原子間力顕微鏡検査およびナノスケールの赤外線分光法の適用を記述する。
Abstract
多相ポリマー系は、数十ナノメートルから数マイクロメートルまで変化する寸法の局所ドメインを包含しています。それらの組成は、通常、赤外分光法を使用して評価され、プローブされたボリュームに含まれるさまざまな材料の平均フィンガープリントを提供します。ただし、このアプローチでは、材料内の相の配置に関する詳細は提供されません。また、2つのポリマー相間の界面領域は、多くの場合、ナノスケールの範囲にあり、アクセスが困難です。光熱ナノスケール赤外分光法は、原子間力顕微鏡(AFM)の高感度プローブを使用して、赤外光によって励起された物質の局所応答を監視します。この手法は、純金表面の個々のタンパク質などの小さな特徴を調べるのに適していますが、3次元多成分材料の特性評価はより困難です。これは、AFMティップでプローブされたナノスケール領域と比較して、サンプルへのレーザー焦点化とポリマー成分の熱特性によって定義される、光熱膨張を受ける材料の量が比較的多いためです。ポリスチレン(PS)ビーズとポリビニルアルコール(PVA)フィルムを用いて、表面分析のための光熱ナノスケール赤外分光法の空間フットプリントを、PVAフィルム中のPSの位置の関数として評価します。ナノスケールの赤外画像に対する特徴位置の影響を調べ、スペクトルを取得します。高分子構造が埋め込まれた複雑なシステムの特性評価を考慮して、光熱ナノスケール赤外分光法の分野における将来の進歩に関するいくつかの展望を提供します。
Introduction
原子間力顕微鏡(AFM)は、ナノスケールの分解能1,2,3でさまざまなサンプルの形態を画像化し、特性評価するために不可欠になっています。鋭い先端と試料表面との相互作用に起因するAFMカンチレバーのたわみを測定することにより、局所的な剛性測定と探針と試料の接着のためのナノスケールの機能的イメージングプロトコルが開発されました4,5。軟質凝縮系およびポリマー分析では、局所ドメインのナノ機械的およびナノ化学的特性を探るAFM測定が非常に求められています6,7,8。ナノスケールの赤外(nanoIR)分光法が登場する前は、AFMティップを化学的に修飾して、AFMの力曲線から異なるドメインの存在を評価し、ティップとサンプルの相互作用の性質を推測していました。例えば、このアプローチは、シクロヘキサン処理ポリスチレン-ブロック-ポリ(tert-ブチルアクリレート)ブロック共重合体薄膜の表面におけるポリ(tert-ブチルアクリレート)のミクロドメインの50 nm以下のレベルでの変換を明らかにするために使用されました9。
赤外光とAFMの組み合わせは、高分子科学の分野に大きな影響を与えました6。従来の赤外分光法は、高分子材料の化学構造を研究するために広く使用されている技術である10,11が、サンプルのプローブに使用される赤外ビームのサイズに比べて領域が小さすぎるため、個々の相および相間挙動に関する情報を提供することができません。赤外顕微分光法は、光学回折限界6によって制限されるため、この問題が発生します。このような測定は、IR光によって励起された領域全体の寄与を平均化します。プローブ領域内にナノスケールの相が存在することに起因するシグナルは、後処理中にデコンボリューションする必要がある複雑なフィンガープリントを示すか、検出可能なレベルを下回るシグナルレベルのために失われます。したがって、複雑な媒体中のナノスケールの化学的特徴を探索するためには、ナノスケールの空間分解能と高いIR感度が可能なツールの開発が不可欠です。
ナノIR分光法を達成するためのスキームが開発されており、最初は金属AFMチップをナノアンテナとして使用し12,13、最近ではAFMカンチレバーの能力を利用して、サンプルのIR照明中に発生する光熱膨張の変化を監視しています12,14,15。後者は、プローブされた材料の吸収帯に調整されたパルス状の調整可能なIR光源を使用しており、サンプルが放射線を吸収して光熱膨張を起こします。このアプローチは、有機材料や高分子材料に適しています。パルス励起により、サンプル表面に接触したAFMカンチレバーが振動の形で効果を検出できます。次いで、周波数スペクトルにおいて観察される系の接触共振の1つの振幅は、照明波長の関数としてモニターされ、これは、AFM探針15の下の材料のnanoIR吸収スペクトルを構成する。ナノIRイメージングと分光法の空間分解能は、材料の光熱膨張のさまざまな影響によって制限されます。コンタクトモードAFMを用いた光熱ナノ赤外分光法は、50nm以下の空間分解能で物質の振動吸収スペクトル特性を取得できることが評価されており14、最近の研究では、α-シヌクレインのモノマーと二量体の検出が実証されています16,17。しかし、様々な高分子フィルムの体積に埋め込まれた有限次元の吸収体の場合など、様々な構成で組み立てられた不均一な高分子材料のナノIR測定の性能に関する定量的研究は、依然として限界があります。
本稿では、表面分析中の光熱膨張の感度とナノIRの空間分解能を評価するために、既知の寸法の特徴が埋め込まれたポリマーアセンブリを作成することを目的としています。このプロトコルは、シリコン基板上にポリビニルアルコール(PVA)ポリマー薄膜を作製し、PVAフィルム上またはPVAフィルムに埋め込まれた3次元ポリスチレン(PS)ビーズの配置をカバーしています。NanoIRイメージングおよび分光法測定は、PVAフィルム上またはPVAフィルムの下に配置された同じPSビーズによって生成されたシグナルを評価するという文脈で説明されています。ビーズ位置がナノIRシグナルに及ぼす影響を評価します。nanoIRマップにおけるビーズの空間フットプリントを評価する方法について説明し、いくつかのパラメータの影響について検討します。
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Protocol
1. ポリビニルアルコール(PVA)溶液の製造
- 水とPVAポリマーペレット( 材料表を参照)を測定して、PVAと水の重量比が20%になるように10 mLの溶液を調製します。
- 100°Cに設定したホットプレートでガラス器具の水を加熱します。
- PVAポリマーペレットを加熱水に入れます。マグネット式攪拌子を挿入します。
- 火を80°Cに下げ、PVAが完全に溶けるまで攪拌します。
- 汚染を防ぐためにガラス器具の上部を覆います。
- 完全に溶解したら、20%PVA溶液を適切な保存容器に入れ、室温で保存します。
2. PVAコーティングシリコン(Si)ウェーハの準備
- シリコン(Si)ウェーハ( 材料表を参照)を~10 x 10 mm2 の正方形に切断します。
- イソプロピルアルコールを使用してSi基板を洗浄し、乾燥させます。
- クリーンなSiウェーハをスピンコーターのチャックに置きます( 材料表を参照)。
- 約10μLのPVA溶液をSi基板の中心に滴下します。気泡の発生を避けてください。
- 毎分1,500回転(rpm)で30秒間スピンコートすることにより、Si基板を均一なPVA膜でコーティングします。
注:指定された量の液体とスピンコーティングのパラメータにより、スピンコーティングと次のステップでPSビーズをPVA表面に配置するまでの間の急速な乾燥を防ぐのに十分な厚さで、基板の表面全体にPVAの均一な層が作成されます。
- スピンコーターからサンプルを取り出し、汚染を防ぐために清潔なサンプル容器に入れてから、PSビーズを移し替えてください。
3. PSビーズをPVAコーティング面に塗布する
- イソプロピルアルコールを使用してSi基板を洗浄し、乾燥させます。
- ピペットを使用して、水に懸濁したPSビーズ1μLを基板の中央に配置します。
- ベントナイト粘土乾燥剤を含む保管コンパートメントにサンプルを入れて、水を蒸発させます。
注意: このステップでは、湿気への暴露を減らすことでサンプルを保存します。 - PVAコーティングされた基板(ステップ2.4)と乾燥したPSビーズを含む基板(ステップ3.3)を光学顕微鏡下に置きます。サイズに応じて、単純な双眼鏡を使用して単一のビーズが見えるか、より高い光学倍率が必要になります。
- 極細ピンセットを使用してビーズをそっと緩めます( 材料表を参照)。細いヘアペイントブラシを使用していくつかの緩いビーズを集め、PVAコーティングしたばかりのウェーハ上でペイントブラシの毛を軽くたたきます。複数回スイープすると、ビーズがブラシの毛の中に溜まるようになります。絵筆の毛の上部をタップしてPSビーズの粉を乱し、粘着性のあるPVA表面にビーズを放出します。
注意: PVAフィルムの表面に繊維や汚染物質が放出されないように、絵筆が高品質で清潔であることが重要です。PVAが完全に乾燥しないように、このステップですばやく移動することが不可欠です。 - 光学顕微鏡検査で個々のPSビーズがPVA表面に付着していることが確認されるまで、この手順を繰り返します。
- サンプルは清潔な容器に保管してください。サンプルを完全に乾かします。
注意: さらに分析を試みる前に、サンプルを完全に冷まして乾燥させる必要があります。AFMの高さ測定または表面プロファイラー測定により、連続するPVAフィルムの厚さを評価できます。
4. AFM特性評価のためのサンプルのロード
注:記載されているプロトコルは、nanoIR2( 材料表を参照)プラットフォームの標準操作手順に基づいていますが、測定に使用するAFMモデルに従って適合させる必要があります。
- 金属製のAFMディスクと粘着タブを使用して、PVAおよびPSビーズサンプルをAFMステージに取り付け、サンプルがサンプルホルダーにしっかりと取り付けられるようにします。
- nanoIRプローブ(FORTGGなど)をAFMプローブホルダーに取り付けます。
注:AFMカンチレバーは、長さ225 μm、幅27 μm、厚さ2.7 μmで、先端半径は10 nm未満です。カンチレバーは、サンプルの上面IR照明に対する反応を制限するために、両面に厚さ45 nmの金膜でコーティングされています( 材料表を参照)。ナノ赤外分光法測定には、使用前にポリジメチルシロキサンフリーの環境で保管されたカンチレバーを使用することが望ましいです。 - レーザーアライメントノブを回して、読み出したレーザーを片持ち梁の自由端に位置合わせします(レーザー位置のxとyの調整と検出器位置の垂直調整)。
- 検出器のSUM信号を最大化します。
- 偏向ノブを回して検出器の位置を調整し、レーザーがAFM読み出しシステムの位置感応型検出器の中心に揃うようにし、~0 Vの垂直偏向信号に対応します。
- AFMの「プローブ」コントロールパネルの ロード アイコンをクリックします。
- ウィザード画面のプロンプトに従います。 フォーカス矢印 を使用して、nanoIRカンチレバーの焦点面を決定します。XY 変位コントロールを使用して、カンチレバーを画面の中央(白い十字に揃える)に配置します。
- 次に、 フォーカス矢印 をクリックして、サンプルの表面の焦点面を見つけます。
- システムの光学ビューとXY変位コントロールを使用して、カンチレバーの先端を目的のビードの上に配置して、 Nextをクリックします。
- エンゲージ画面で、「スタンドオフ」を 50μm に設定し、 アプローチのみをクリックします。
- エンゲージ手順を開始して、イメージング用のチップに近づきます。
5. マルチポリマー試料のトポグラフィー画像およびナノIR画像の作成
- 標準の「コンタクトモード」でトポグラフィー画像を取得します。PSビーズに対するカンチレバーの位置を設定したら、AFMの「プローブ」コントロールパネルの 噛み合い アイコンをクリックしてアプローチを開始します。ここでは、0.2 Vのたわみ差の噛み合い設定値が研究全体に使用され、~100 nNの力に相当します。
AFMの「スキャン」コントロールパネルで、 スキャンレート を0.8Hz、 スキャンサイズ (高さと幅)、イメージングに使用する ラインあたりのポイント数と画像あたりのライン数 (ここでは512 x 512を使用)を設定します。[スキャン]をクリックして、トポグラフィー画像を取得します。
注:カンチレバー18 の較正は、カンチレバーがサファイア基板と相互作用して得られたたわみ距離曲線の傾きからたわみ感度(nm / V)を決定することによって行われます(補足図1A)。カンチレバーの剛性は、熱チューニング19 (補足図1B)から決定される。カンチレバーの共振は、ローレンツ関数を使用して取り付けられます。カンチレバー剛性(N/m)は等分割定理
を用いて決定され、 KBはボルツマン定数、Tは温度(T = 295K)、Pは熱同調データのローレンツ近似積分によって決定されるカンチレバーの熱揺らぎのパワースペクトルの面積である20。 - nanoIR測定では、トポグラフィー画像から特定された対象の特徴にAFMティップを配置します。
- nanoIRコントロールパネルの 音叉 アイコンを選択して、カンチレバーの接触共振周波数を決定します。材料に光熱膨張を励起させる照明波数を設定します。掃引するレーザーパルス周波数の範囲を設定し、nanoIRレーザーのデューティサイクルを設定します。「Laser Pulse Tune Window」内の 「Acquire 」を選択します。
- マーカーバー(緑色の縦線)を 2 番目の接触共振のピークに配置することで、nanoIR 測定用のチップサンプルシステムの 2 番目の接触共振を選択します。
注:接触共振モードの選択は、カンチレバーとサンプルの種類によって異なります。 - [最適化]をクリックして、IRレーザー焦点領域の中心をカンチレバー先端の位置に合わせます。アライメントは、プローブされた材料の吸収帯に対応する、選択されたIR照明波数で行われます。カンチレバーは、レーザーフットプリントの中央に配置されています(補足図2)。
注意: アライメントは、レーザーモデルによって波数が異なる場合があります。 - IRレーザー照明の背景を取得します。これは、選択したパルス周波数で発光する波長範囲の赤外量子カスケードレーザー(QCL)の出力を測定することで構成されます(補足図3)。これは、nanoIRスペクトルのバックグラウンド補正に重要です。
- 波数範囲(ここでは、 Start と Stop をそれぞれ1,530 cm-1 と1,800 cm-1に設定)、 ステップサイズ (2 cm-1)、および測定に使用する 平均の数 を選択して、nanoIRスペクトルを取得します。ステップ5.2.4で収集したバックグラウンドに、測定用に選択したパワーのパーセンテージを乗じた減衰バックグラウンドで測定した光熱振幅で割ることにより、表示されるスペクトルのバックグラウンド補正を実行します。
- nanoIRイメージングの場合は、イメージングの対象 領域 を選択します。
- 「Laser Pulse Tune Window」(音叉アイコンからアクセス)でフェーズロックループ(PLL)の自動調整を有効にします。
- 最小周波数と最大周波数を調整して、一般コントロールパネルの2番目の共振モードを中心とする掃引範囲を作成します。
- PLLコントロールパネルで ゼロ をクリックして位相をゼロにし、[Laser Pulse Tune]ウィンドウで[ OK ]をクリックします。
- nanoIRコントロールパネル内のボックスにチェックマークを付けて、 IRイメージング有効を選択します 。
- 「イメージングビュー」コントロールパネルで、高さ(イメージングビュー1)、振幅2(イメージングビュー2)、フェーズ2(イメージングビュー3)を選択して、サンプルのトポグラフィー画像と化学画像を取得します。取得方向をトレース(またはリトレース)に設定します。ラインフィットラインは、取得するサンプルのトポグラフィー画像を観察するためにしばしば必要になります。キャプチャのフィットは [なし] に設定する必要があります。
メモ: スキャンする方向や使用するカラーパレットなどのスキャン設定は、必要に応じて調整できます。 - AFMの「スキャン」コントロールパネルで、 スキャン アイコンを選択します。
- 画像を保存するには、「キャプチャ」コントロールパネルの 「今すぐ 」または 「フレームの終了 」アイコンを選択します。
- データをエクスポートするには、データリスト内の画像またはスペクトルのファイル名を右クリックします。[ エクスポート ] を選択し、エクスポートするファイルの形式を選択します。目的のコンピューター フォルダーの場所にファイルを保存します。
を用いて決定され、 KBはボルツマン定数、Tは温度(T = 295K)、Pは熱同調データのローレンツ近似積分によって決定されるカンチレバーの熱揺らぎのパワースペクトルの面積である20。Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
PS((C8H8)n)ビーズを、クリーンなSi基板(図1A)およびPVA((CH2CHOH)n)上に堆積しました(図1B、C)。Siへのビーズの密着性が悪いため、このサンプルではコンタクトモードでのnanoIRイメージングを取得できませんでした。代わりに、nanoIRでサンプルの光学的ビューを使用して、金でコーティングされたAFMプローブを接触モードでPSビーズの上部に係合させ、約100 nNの推定力で結合させました(図2A)。パルス赤外レーザーは、PSとPVAの両方がこの波数で吸収すると予想されるため、1,730 cm-1でサンプルを励起するように設定しました。レーザーのパルス周波数を掃引して、nanoIRスペクトル測定用のカンチレバーの接触共振を決定しました。接触共振周波数でパルスを流すと、カンチレバー応答をモニターして発振の振幅を決定しました(図2B)。次に、接触共振の振幅を照明波数の関数として、1,530 cm-1 から1,800 cm-1まで2 cm-1 刻みでモニタリングすることにより、nanoIRスペクトルを構築しました(図2C)。この範囲(図3A、挿入図)では、スペクトルは、1,600 cm-1 および1,730 cm-1を中心とする2つのIRバンドの存在を明らかにし、それぞれフェニル部分の優勢な伸縮モードとPSにおける環の伸長のサブセットに対応する21。nanoIRスペクトルをPSの遠方場フーリエ変換赤外(FTIR)スペクトルと比較すると、1,600 cm-1 に芳香族モードが存在することが確認されました(図3A)。しかしながら、相対振幅I1600/I1730 は、FTIRスペクトルとnanoIRスペクトルで有意に異なり、それぞれの値は2.9および0.9であることが注目された。これは、FTIR分光法のように、ポリマーの吸光度ではなくポリマーの光熱膨張を監視するnanoIR分光法の検出メカニズムに起因しています。PSの場合、これは1,730 cm-1で芳香族サブバンドを励起したときのより高い光熱膨張に相当します。PVA の nanoIR スペクトルは、~1,730 cm-1 を中心とする主要な吸収帯を持つ FTIR スペクトルとよりよく一致しました(図 3B)。このバンドは、C=O基を含まない純粋なPVAでは予想されていなかったが、以前の研究では、PVAの調製に使用された残留酢酸(加水分解率が80~90%)により、このバンドの存在はカルボニル官能基に起因する可能性があることが示唆されている22。この研究の目的のために、1,730 cm-1 のバンドの存在は、PS と PVA の同時吸収の影響を評価するのに適していました。
nanoIRスペクトルを使用して、PVAの表面に堆積したPSビーズ(図4A-C)およびPVAでコーティングしたPSビーズ(図4D-F)のケミカルイメージング用の照明波数を選択しました。システムのPLL接触共振周波数トラッキング機能を使用して、各ピクセルでの振幅測定が接触共振ピーク15の最大振幅に対応するようにしました(図2C)。カンチレバーの先端がPVAおよびPSに接触したときのカンチレバーの接触共振を測定し、PLL周波数トラッキングの適切な範囲を決定しました。
NanoIR画像は、PSがシステムの主要な吸収体である場合に対応する1,600 cm-1で最初に取得されました(図4Ai; Di))。いずれの場合も5μmのPSビーズを撮像したが、この波長で記録された光熱膨張の振幅は、チップがPSビーズに直接接触した場合と、チップがPSビーズ上部の薄いPVAコーティングに接触した場合で異なっていた。表面プロファイラーを用いて、PSビーズの上で検出された光熱膨張の増加は、ビーズがPVAの層で覆われている場合に有意に小さく、厚さは~1.8μmと推定されました(補足図4)。使用したレーザー出力(1.47%、1,600 cm-1 で~3.4 mW、1,730 cm-1で~3.8 mWに相当)(補足表1)では、直径~13 μmの領域で、PSビーズから離れた純粋な非吸収PVA層に記録された信号よりも~2 nm高い振幅がわずかに増加しました。振幅増加の空間フットプリントは、PSビーズがPVAフィルムの上にある場合(図4A)よりもはるかに広く、光熱膨張信号は非対称ですが、画像の高速スキャン方向で幅~6 μm、低速スキャン方向で~8 μmの領域内に収まりました。この領域の振幅測定値は、純粋なPVA層の光熱膨張よりも最大12.1nm高くなりました。1,730 cm-1 でサンプルを照射すると、PS と PVA の両方が 1,600 cm-1 よりも高い光熱膨張の振幅を示しました。露出したPSビーズ(図4Ci)の場合、光熱膨張はビーズの上部で最も高く、最大26.5 nmに達しました。高い光熱応答は、 図4Aiで観察されたフットプリントを数マイクロメートル超えています。PVAも励起により膨張しましたが、振幅は低く、PSビーズから離れたところで~7.6 nmと記録されました。応答は一貫してPSビーズの左側で最も強いことが注目されました。埋め込みビーズ(図4F)では、信号はより対称的でしたが、PSビーズの上の光熱膨張の振幅はPVAの振幅よりも~2.3 nm高いだけでした。このために、PS加熱の影響を受ける領域の10-13 μmフットプリント内に、AFMプローブで表面をマッピングして決定した、~13.6 nmの一貫した光熱振幅が記録されました。1,620 cm-1 で測定した場合、信号は検出されず、このスペクトル領域に PS と PVA の顕著な IR 吸収帯がないことと一致しています。
次に、覆われたPSビーズの上に集めたnanoIRスペクトルをPVAと比較しました(図5A)。1,600 cm-1 での PS シグナルは、覆われていないビーズの場合よりも有意に低かった。バンドの寄与度は低いものの、信号をさらに分析した結果、レーザー出力を増加させると、I1600/I1730 の比率が高くなることが確認されました(図5B、C)。この結果から、 図5Bに示すように、レーザー出力が高いほど浸透深度が大きいことが示唆されました。これは、異なるレーザー出力で収集されたnanoIR画像に影響を与えます。~20 mWの高出力では、材料の光熱振幅は、低出力のレーザーよりも一貫して低い振幅を示しました。さらに、スペクトルのノイズレベルが増加し、ポリマー内の温度の上昇により、材料が不安定になったことが示唆されました。
図1:PSビーズの堆積。 (A)原始的なシリコン基板の上、(B)PVAフィルムの上、(C)PVAで覆われた5μmのPSビーズの走査型電子顕微鏡(SEM)画像。スケールバー = 1 μm。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。
図2:ナノIRイメージングと分光法の原理を示す概略図。 (A)IRパルスレーザーは、金属AFMカンチレバーチップとサンプルの接触点に位置合わせされ、焦点を合わせられます。カンチレバーは、IR吸収から生じる材料の光熱応答を測定します。両面の金層は、サンプルのnanoIR測定を妨げる測定中のカンチレバーの光熱および音響寄与を低減するために使用されます。(B)時間領域[S(t)]と周波数領域[S(ω)]におけるカンチレバーのたわみを監視する位置感応型検出器の信号。カンチレバーの接触共振モードは、ロックインアンプ測定によって特定されます。2番目の接触共振は、イメージング中のPLLトラッキングに使用されます。接点共振モードAcr2 の振幅が測定されます。(C)振幅Acr2 の変化を照明波数の関数としてモニターしたNanoIRスペクトル。NanoIR画像は、振幅Acr2 の変化をサンプル上のチップの位置の関数としてモニターすることによって得られました。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。
図3:PSとPVAの赤外スペクトル。 (A)PSのFTIRスペクトル。赤いボックスは、nanoIR分光法で調べたスペクトルの範囲を示しています。対応する nanoIR PS スペクトルが挿入図に示されています。(B)PVAのFTIRスペクトル。赤いボックスは、nanoIR分光法で調べたスペクトルの範囲を示しています。対応するnanoIR PVAスペクトルが挿入図に記載されています。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。
図4:NanoIRイメージング。差し込み図に示されているように、PVAの表面に堆積したPSビーズ(A-C)とPVAに埋め込まれた(D-F)。(A i,Di) 1,600 cm-1、(B i,Ei) 1,620 cm-1、(C i,Fi) 1,730 cm-1 で取得した NanoIR マップを 3D 地形図に重ね合わせます。白い破線に沿って抽出された対応するトポグラフィーとnanoIRプロファイルは、それぞれのグラフ(ii)に示されています。スケールバー = 5 μm。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。
図5:PVAでコーティングされたPSビーズに接触したAFMティップによって収集されたNanoIRスペクトル。 (A)レーザー出力のp1 = 1.47%、p2 = 2.48%、p3 = 5.20%、p4 = 11%で収集されたNanoIRスペクトル。レーザー出力は波長の関数として変化し、各ケースの減衰バックグラウンド補正によって補正されます。(B)収集された信号の強度に対するレーザー出力の影響を示す概略図。(C)レーザー出力の関数としての比率I1600/I1730 。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。
補足図1:nanoIRカンチレバーのキャリブレーション。 (A)サファイア基板上で得られたたわみ距離曲線。リトラクトカーブの傾きは、ばね定数の計算に使用されるカンチレバーのたわみ感度を提供します。(B)バネ定数の計算に使用される熱チューニングによって決定されるカンチレバー共振周波数。 このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
補足図2:IRレーザーのフットプリント。 試料表面に接触するカンチレバーの発振振幅は、IRレーザーの位置の関数として記録されます。IRレーザーのアライメントは、可動ミラーを使用して変化させます。ミラーの位置は、焦点ボリュームの中心(赤い領域)とカンチレバーの位置(白い十字の中心)を揃えるように設定されています。 このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
補足図3:波数の関数としてのレーザー出力(mW)。 QCLレーザーの出力出力は、1,530 cm-1 から1,800 cm-1 までの標準的なIR検出器を使用して、nanoIR測定に使用される設定に対応するパルス周波数で2 cm-1 刻みで測定されます。 このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
補足図4:レーザー共焦点表面形状測定によって得られたPVA厚さ測定。このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
補足表1:各波数のレーザー出力(ミリワット単位)。このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
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Discussion
AFMとnanoIR分光法を組み合わせると、接触モードのカンチレバーとパルスチューナブルIR光源を使用して、ナノスケールの化学情報を提供できます。高分子材料の体積に有限の次元を持つ吸収体を埋め込むなどのモデルシステムは、画像形成メカニズムの理解を深め、ツールの性能を決定するために重要です。ここで紹介したPS/PVA構成の場合、PVAフィルムの表面の上または下に配置された安定したPSビーズが得られるように最適化を行いました。その結果、スピンコーターから塗布されたSi基板を取り外した直後にPSビーズを堆積させると、密着性が向上することがわかった。PVA層の粘度は、PVAフィルム表面に対するビードの位置決めに影響を与える可能性があります。サンプルを~200°Cで約15分間加熱すると、ビーズのより深い注入が可能になりました。
PSビーズのサイズ(ここでは5μm)により、nanoIRシステムに内蔵された光学顕微鏡を使用して、カンチレバー先端とビーズの中心を迅速に位置合わせすることができます。PVA中のPSビーズやマイクロバブルは光学的にほとんど区別できませんが、ナノIR分析ではサンプルの組成を確認できます。1,600 cm-1 の IR バンドの寄与は、 図 5 に示すように、PS ビーズが別のポリマーで覆われている場合には弱くなりますが、高いレーザー出力は、カンチレバーが PVA オーバーレイに接触している状態で、その真上で収集された nanoIR フィンガープリントにおける 1,600 cm-1 の PS の寄与を増加させる可能性があります。直径が小さいPSビーズは、光学顕微鏡での位置特定が難しくなり、ナノIRスペクトルのシグナルが低下することが予想されます。このような場合は、PVAのトップコート層を堆積させる前に、PS ビーズのAFMイメージングとnanoIR測定を検討し、サンプルにマーキングして、埋め込まれたPSビーズの位置がわかるようにする必要があります。このような課題が予想されますが、モデルシステムを準備するこのアプローチには、安価ですぐに利用できるという利点があります。ビードのトポグラフィーのプロファイルは、ビードの位置を推定するために使用できますが、画像化された特徴の直径を評価するには、いわゆる先端効果を考慮に入れる必要があります。
データの取得と解析に関しては、本研究でnanoIRで得られたデータから、より柔らかいnanoIRカンチレバーを使用した場合や、レーザー出力を上げた場合に、チップとサンプルの相互作用が予想外に不安定になることが明らかになりました。より柔らかいカンチレバー(k < 0.4 N/m)で収集されたNanoIR画像は、安定したトポグラフィー画像にもかかわらず、IR光によって励起されたPSビーズの近くで一貫して不安定でした。この研究で記録されたPSおよびPVAのnanoIRスペクトルは、対応するバルクポリマーの一般的に報告されているFTIRスペクトルとよく一致しています21,22。1,600 cm-1(PS のみ)と 1,730 cm-1(PS および PVA)の 2 つの異なる吸収バンドは、表面下の単一ビーズ吸収体を励起した場合の効果を比較する方法を提供します。図4に示すnanoIR画像は、PSビーズを露光するとビーズ近傍のシグナルが強くなるが、PVA薄膜がビーズを覆うと大幅に減少することを示しています。しかし、この結果は、1,600 cm-1 と 1,730 cm-1 の両方で、表面から 1 μm 以上下にあるビーズを nanoIR マップで検出できることを示しています。どちらの場合も、カンチレバーによって検出される振幅は、マップのビーズの真上で~2 nm増加します。振幅は小さいものの、1,600 cm-1励起では約13 μm幅とビーズの直径よりはるかに大きいため、PS吸収体からPVAに熱が拡散していることが確認されました。このジュール膨張は、不均一な材料に対するナノIRの空間分解能に影響を与える可能性があり、吸収体が表面に近づくほど強い効果が期待されます。1,730 cm-1 でのサンプルの大きなレスポンスは、図 5 に示す nanoIR スペクトルと一致しており、1,600 cm-1 でのバンドの寄与が 1,730 cm-1 での寄与よりもはるかに弱いことを示しています。
現在のアプローチにはいくつかの制限があります。モデルシステムの表面の地形的な隆起を制限しながら、ビードをPVAの表面の下に配置することは、依然として達成不可能です。実際、ナノ赤外分光法の観点からビーズが検出できなくなるほど厚いコーティングが必要になる場合があります。ビードの深さは制御と特性評価の両方が困難であるため、モデルシステムを正確に表現するためのモデリングに十分な情報を提供することが困難になります。表面で測定されたナノIR信号に対する表面下の吸収体のサイズと深さの影響をより完全に把握するには、ビーズの寸法と位置をより正確に変化させる必要があります。さらに、実際の複雑なシステムでは、サイズ、位置、組成の異なる複数の地下吸収体が測定に干渉する可能性がありますが、このモデルでは説明されていません。
それにもかかわらず、この測定は、ナノIRの特性評価のためにマルチポリマーサンプルでのシグナル生成から学ぶべきことがたくさんあることを裏付けています。サンプル前処理プロトコルをさらに最適化して、PSビーズが埋め込まれる深さを制御しやすく変化させ、PVA表面の光熱膨張が表面下の吸収体によってどのように影響を受けるかをより包括的に分析できるようにする必要があります。測定に使用するポリマーの組み合わせを変化させて、不均一材料のnanoIR測定の性能に対する熱伝導率、熱膨張、および機械的特性の役割を決定することもできます。これは、ナノIR分光法およびイメージングのためのサンプルの挙動をよりよく理解するための有望なアプローチを構成し、ツールの浸透深さ、空間分解能、および感度の定量化をさらに促進することが期待されます。これは、多周波nanoIR15,23などの新しいイメージングモードの出現を考えると特に重要ですが、情報の性質と作動パラメータがツールの性能に及ぼす影響はまだ十分に理解されていません。収集されたデータの理解を深めるためには、実験的アプローチとマルチフィジックスモデリング24を組み合わせることが重要です。さまざまなサイズの組み込み機能を考慮し、表面下の位置を変化させることは、より包括的なモデルを開発するために重要です。これにより、ナノ赤外分光法の分野は、現実の不均一で3次元の材料への応用に向けて前進します。
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Disclosures
著者は何も開示していません。
Acknowledgments
この研究は、米国国立科学財団(NSF CHE-1847830)の支援を受けました。
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
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