本方案描述了原子力显微镜与纳米级红外光谱技术的应用，用于评估光热型纳米级红外光谱在三维多聚合物样品表征中的性能。
需要JoVE订阅才能观看此内容。 请登录或开始免费试用
本文内容
摘要
摘要
多相聚合物体系包含局部区域，其尺寸可从几十纳米到数微米不等。通常采用红外光谱法评估其组成，该方法可提供被测体积内各种材料的平均指纹信息。然而，该方法无法揭示材料中各相排列的具体细节。此外，两个聚合物相之间的界面区域（通常处于纳米尺度范围）也难以表征。光热纳米红外光谱技术利用原子力显微镜（AFM）的高灵敏探针，监测材料在红外光激发下的局部响应。尽管该技术适用于探测小尺度特征（例如在洁净金表面上的单个蛋白质），但对三维多组分材料的表征仍具有挑战性。这主要是因为受激光在样品上的聚焦情况以及聚合物组分热学性质的影响，发生光热膨胀的材料体积相对较大，远超过AFM针尖所探测的纳米尺度区域。本文以聚苯乙烯（PS）微球和聚乙烯醇（PVA）薄膜为例，评估光热纳米红外光谱在表面分析中的空间响应范围，并研究PS在PVA薄膜中不同位置对纳米红外成像结果的影响，同时获取相应的光谱数据。最后，针对含有嵌入式聚合物结构的复杂体系的表征需求，展望了光热纳米红外光谱技术未来的发展方向。
引言
原子力显微镜（AFM）已成为以纳米级分辨率成像和表征多种样品形貌的必备工具1,2,3。通过测量AFM悬臂因尖端与样品表面相互作用而产生的偏转，已发展出用于局部刚度测量和针尖-样品粘附力的纳米级功能成像方法4,5。对于软凝聚态物质和聚合物分析，探索局部区域纳米力学和纳米化学性质的AFM测量备受关注6,7,8。在纳米级红外（nanoIR）光谱技术出现之前，通常对AFM针尖进行化学修饰，以通过AFM力曲线判断不同区域的存在，并推断针尖-样品相互作用的本质。例如，该方法曾被用于揭示经环己烷处理的聚苯乙烯-嵌段-聚（丙烯酸叔丁酯）嵌段共聚物薄膜表面微区在低于50 nm尺度下的转变行为9。
将红外（IR）光与原子力显微镜（AFM）相结合，已对高分子科学领域产生了重大影响6。传统的红外光谱法是一种广泛用于研究聚....
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
方案
1. 制备聚乙烯醇（PVA）溶液
- 称取水和聚乙烯醇（PVA）聚合物颗粒（见材料表），按重量比配制10 mL、20% PVA的水溶液。
- 将水置于玻璃器皿中，用加热板加热至100 °C。
- 将PVA聚合物颗粒加入加热后的水中，放入磁力搅拌子。
- 将温度调低至80 °C，持续搅拌直至PVA完全溶解。
- 用盖子覆盖玻璃器皿顶部，防止污染。
- 待PVA完全溶解后，将20% PVA溶液转移至合适的储存容器中，室温保存。
2. 准备聚乙烯醇（PVA）包被的硅（Si）晶片
- 将硅（Si）晶圆（参见材料表）切割成约 10 × 10 mm2 的正方形。
- 使用异丙醇清洗 Si 基底，并使其自然干燥。
- 将清洁的 Si 晶圆放置在旋涂仪的卡盘上（参见材料表）。
- 在 Si 基底中心滴加约 10 µL 的 PVA 溶液，尽量避免产生气泡。
- 以每分钟 1,500 转（rpm）的速度旋涂 30 秒，在 Si 基底上形成均匀的 PVA 薄膜。
注意：指定的液体体积和旋涂参数可在....
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
结果
将聚苯乙烯（PS，(C8H8)n）微球沉积在洁净的硅（Si）基底上（图1A）以及聚乙烯醇（PVA，(CH2CHOH)n）上（图1B、C）。由于微球在硅基底上的附着力较差，无法对该样品进行接触模式下的纳米红外（nanoIR）成像。因此，在nanoIR的光学视图下，将镀金的原子力显微镜（AFM）探针以接触模式置于PS微球顶部，施加的力约为100 nN（图2A）。将脉冲红外激光器设定为在1,730 cm-1处激发样品，因为PS和PVA在此波数下均预期有吸收。通过扫描激光脉冲频率，确定悬臂的接触共振频率，用于nanoIR光谱测量。在接触共振频率下脉冲激发时，监测悬臂的响应以确定振荡幅度（图2B）。随后，通过监测接触共振幅度随照射波数的变化，从1,.......
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
讨论
原子力显微镜（AFM）结合纳米红外光谱技术可利用接触模式下的悬臂和脉冲可调谐红外光源提供纳米级化学信息。诸如在聚合物材料体积内嵌入具有有限尺寸的吸收体等模型体系，对于深入理解成像形成机制以及评估仪器性能具有重要意义。针对本文所展示的聚苯乙烯（PS）/聚乙烯醇（PVA）体系，通过优化实验条件实现了聚苯乙烯微球稳定地位于PVA薄膜表面之上或之下。研究发现，在将涂覆有薄膜的硅基底从旋涂仪中取出后立即沉积聚苯乙烯微球，可获得更好的附着效果。PVA层的黏度可能影响微球相对于PVA薄膜表面的位置。将样品在约200 °C下加热约15分钟，可使微球更深入地嵌入薄膜中。
由于PS微球的尺寸较大（此处为5 µm），可利用nanoIR系统内置的光学显微镜快速将悬臂探针尖端与微球中心对齐。尽管在PVA中的PS微球和微泡在光学上难以区分，但通过nanoIR分析可以确认样品的组成。虽然当PS微球被其他聚合物覆盖时，1,600 cm-1处的红外吸收峰贡献可能较弱（如图5所示），但在探针接触PVA覆盖层的情况下，提高激光功率可增强直.......
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
本工作由美国国家科学基金会（NSF CHE-1847830）资助。
....访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 10|0 2200 Golden Taklon 圆头刷 | Zem | ||
| 5357-8NM 镊子 | Pelco | ||
| 粘性标签 | Ted Pella | 16079 | |
| AFM 金属样品盘 | Ted Pella | 16208 | |
| 双目显微镜 | AmScope | ||
| 用于 nanoIR 测量的悬臂梁 | AppNano | FORTGG | |
| 细胞培养皿 | Greiner bio-one GmbH | ||
| 干燥器 | |||
| 浮动式光学平台 | Newport | RS 4000 | |
| 加热板 | VWR | ||
| 异丙醇 | |||
| 吸水纸（Kimwipes） | KIMTECH | ||
| 磁力搅拌子 | |||
| 基于聚苯乙烯的微粒，粒径：5 µm | SIGMA-ALDRICH | 79633 | |
| nanoIR2 显微镜 | Bruker | 接触模式 NanoIR2 | |
| 氮气罐 | Airgas | ||
| 培养皿 | Greiner bio-one GmbH | ||
| 聚乙烯醇 | SIGMA-ALDRICH | 363170 | 该聚合物的水解度仅为87%-89%，这解释了在1730 cm-1处存在残余C=O峰的现象 |
| 量子级联激光器 | Daylight Solutions | 波数范围：1550-1800 cm-1 | |
| 硅晶圆 | MEMC St. Peters | #901319343000 | |
| 旋涂仪 | Oscilla |
参考文献
- 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. , AI....
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
重印与许可
