Name: Avanços em Espectroscopia de Infravermelho em Nanoescala para Explorar Sistemas Poliméricos Multifásicos (Vídeo) | JoVE Journal
Uploaded: 2023-06-23T14:55:00.000+00:00
Duration: 6 min 54 s
Description: Aprenda espectroscopia de infravermelho em nanoescala usando microscopia de força atômica para caracterizar materiais poliméricos multifásicos tridimensionais. Este método quantifica a profundidade de penetração e avalia efeitos térmicos nas amostras.

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Este trabalho foi apoiado pela National Science Foundation (NSF CHE-1847830).

1. Fazer solução de álcool polivinílico (PVA)
<ol><li>Meça os pellets de água e polímero PVA (ver Tabela de Materiais) para criar uma solução de 10 mL na proporção de 20% PVA/água em peso.</li>
	<li>Aqueça a água no copo sobre uma placa quente regulada a 100 °C.</li>
	<li>Coloque os pellets de polímero PVA na água aquecida. Insira uma barra de agitação magnética.</li>
	<li>Reduza o fogo para 80 °C e mexa até que o PVA se dissolva completamente.</li>
	<li>Cubra a parte superior dos vidros para evitar contaminação.</li>
	<li>Uma vez totalmente dissolvida, coloque a solução de PVA a 20% em um recipiente apropriado para armazenamento à temperatura ambiente.</li>
</ol>2. Preparação de wafers de silício (Si) revestidos com PVA
<ol><li>Corte um wafer de silício (Si) (consulte Tabela de Materiais) em ~10 x 10 mm2 quadrados.</li>
	<li>Limpe o substrato de Si com álcool isopropílico e deixe secar.</li>
	<li>Coloque a bolacha Si limpa no mandril do revestidor de spin (consulte a Tabela de Materiais).<ol><li>Lançar gotas de aproximadamente 10 μL de solução de PVA no centro do substrato de Si. Tente evitar a formação de bolhas.</li>
		<li>Revestir o substrato de Si com um filme de PVA uniforme por spin coating por 30 s a 1.500 rotações por minuto (rpm). NOTA: O volume especificado de líquido e parâmetros de revestimento de spin criam uma camada uniforme de PVA em toda a superfície do substrato com espessura suficiente para evitar a secagem rápida entre o revestimento de spin e a colocação das esferas PS na superfície do PVA na próxima etapa.</li>
	</ol></li>
	<li>Retire a amostra do revestidor de spin e coloque-a em um recipiente de amostra limpo para evitar contaminação antes de transferir as contas PS.</li>
</ol>3. Colocação das contas PS na superfície revestida de PVA
<ol><li>Limpe um substrato de Si usando álcool isopropílico e deixe secar.</li>
	<li>Com uma pipeta, coloque 1 μL de esferas PS suspensas em água sobre o centro do substrato.</li>
	<li>Deixe evaporar a água colocando a amostra num compartimento de armazenamento contendo dessecante de argila bentonítica. NOTA: Esta etapa preserva a amostra, reduzindo a exposição à umidade.</li>
	<li>Colocar o substrato revestido com PVA (passo 2.4) e o substrato com as esferas PS secas (passo 3.3) sob um microscópio óptico. Dependendo do seu tamanho, um único talão será visível usando binóculos simples ou exigirá maior ampliação óptica.</li>
	<li>Solte suavemente as contas usando pinças ultrafinas (consulte a Tabela de Materiais). Use um pincel de cabelo fino para coletar algumas contas soltas e bata levemente os pelos do pincel sobre a bolacha recém-revestida de PVA. Várias varreduras devem permitir que as contas se acumulem dentro dos pelos da escova. Toque na parte superior dos pelos do pincel para perturbar o pó de contas PS para liberar contas na superfície pegajosa do PVA. OBS: É importante que o pincel seja de alta qualidade e limpo para evitar a liberação de fibras e contaminantes na superfície do filme PVA. Mover-se rapidamente durante esta etapa é essencial para que o PVA não seque completamente.</li>
	<li>Repita esta etapa até que seja confirmado pela inspeção por microscopia óptica que as esferas PS individuais aderem à superfície do PVA.</li>
	<li>Armazene a amostra em um recipiente limpo. Deixe a amostra secar totalmente. NOTA: A amostra deve ser deixada arrefecer e secar completamente antes de serem realizadas novas tentativas de análise. Medidas de altura AFM ou medidas de perfilador de superfície podem avaliar a espessura de filmes sucessivos de PVA.</li>
</ol>4. Carregamento da amostra para caracterização do AFM
NOTA: O protocolo descrito é baseado em procedimentos operacionais padrão de uma plataforma nanoIR2 (ver Tabela de Materiais), mas deve ser adaptado de acordo com o modelo AFM usado para a medição.
<ol><li>Monte a amostra de esferas PVA e PS no estágio AFM usando um disco AFM metálico e abas adesivas, de modo que a amostra esteja firmemente presa ao suporte da amostra.</li>
	<li>Monte uma sonda nanoIR (por exemplo, FORTGG) no suporte da sonda AFM. NOTA: O cantilever AFM tem 225 μm de comprimento, 27 μm de largura e 2,7 μm de espessura, com um raio de ponta inferior a 10 nm. O cantilever é revestido com filme de ouro de 45 nm de espessura em ambos os lados para limitar sua resposta à iluminação IR do lado superior da amostra (consulte Tabela de Materiais). Para medições de espectroscopia nanoIR, use preferencialmente um cantilever que tenha sido armazenado em um ambiente livre de polidimetilsiloxano antes do uso.</li>
	<li>Alinhe o laser de leitura na extremidade livre do feixe de cantilever girando os botões de alinhamento do laser (ajustes x e y da posição do laser e ajuste vertical da posição do detector).<ol><li>Maximize o sinal SUM do detector.</li>
		<li>Ajuste a posição do detector girando o botão de deflexão para que o laser esteja alinhado com o centro do detector sensível à posição do sistema de leitura AFM, correspondendo a um sinal de deflexão vertical de ~0 V.</li>
	</ol></li>
	<li>Clique no ícone Carregar no painel de controle AFM "Probe".<ol><li>Siga as instruções na tela do assistente. Use as setas de foco para determinar o plano focal do cantilever nanoIR. Use os controles de deslocamento XY para posicionar o cantilever no centro da tela (alinhado com a cruz branca).</li>
		<li>Em seguida, clique nas setas de foco para encontrar o plano focal da superfície da amostra.</li>
		<li>Use a visão óptica do sistema e os controles de deslocamento XY para posicionar a ponta do cantilever acima do talão de interesse e clique em Avançar.</li>
		<li>Na tela de engajamento, defina o "standoff" para 50 μm e clique em Approach Only.</li>
	</ol></li>
	<li>Inicie o procedimento Engage para abordar a dica para geração de imagens.</li>
</ol>5. Criação de imagens topográficas e nanoIR da amostra multipolímero
<ol><li>Adquira imagens de topografia no padrão "Modo de Contato". Uma vez que a posição do cantilever em relação ao talão PS esteja definida, inicie a abordagem clicando no ícone de engajamento no painel de controle AFM "Probe". Um setpoint de acoplamento de um diferencial de deflexão de 0,2 V é usado para todo o estudo aqui, correspondendo a uma força de ~100 nN. No painel de controle AFM "Scan", defina a taxa de varredura para 0,8 Hz, o tamanho da varredura (altura e largura) e o número de pontos por linha e número de linhas por imagem a serem usados para geração de imagens (512 x 512 foi usado aqui). Clique em Digitalizar para adquirir a imagem da topografia. NOTA: A calibração do cantilever18 é feita determinando-se a sensibilidade à deflexão (em nm/V) a partir da inclinação da curva deflexão-distância obtida com o cantiléver interagindo com um substrato de safira (Figura 1A suplementar). A rigidez do cantilever é determinada a partir da sintonia térmica19 (Figura 1B Suplementar). A ressonância do cantilever é ajustada usando uma função Lorentziana. A rigidez do cantilever (em N/m) é determinada usando o teorema <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/65357/65357eq01.jpg" style="margin: auto;">da equipartição , onde KBé a constante de Boltzmann, T é a temperatura (T = 295K), e P é a área do espectro de potência das flutuações térmicas do cantilever determinada pela integração do ajuste lorentziano dos dados de sintonia térmica20.</li>
	<li>Para medições de nanoIR, posicione a ponta AFM sobre a característica de interesse identificada a partir da imagem de topografia.<ol><li>Selecione o ícone do diapasão no painel de controle nanoIR para determinar as frequências de ressonância de contato do cantilever. Defina um número de onda de iluminação que excitará a expansão fototérmica no material. Defina uma faixa de frequência de pulso de laser para varrer e definir o ciclo de trabalho do laser nanoIR. Selecione Adquirir dentro da "Janela de ajuste de pulso de laser".</li>
		<li>Selecione a segunda ressonância de contato do sistema de amostra-ponta para medições de nanoIR posicionando a barra do marcador (linha vertical verde) no pico da segunda ressonância de contato. NOTA: A seleção do modo de ressonância de contato pode variar dependendo do tipo de cantilever e amostra.</li>
		<li>Clique em Otimizar para alinhar o centro da região focal do laser IR com a posição da ponta do cantilever. O alinhamento é feito em um número de onda de iluminação IR selecionado, correspondendo a uma banda de absorção do material sondado. O cantilever é posicionado no centro da impressão plantar do laser (Figura 2 Suplementar). NOTA: O alinhamento pode variar para diferentes números de onda, dependendo do modelo do laser.</li>
		<li>Adquira um fundo da iluminação a laser IR. Consiste em medir a saída do laser de cascata quântica IR (QCL) na faixa de comprimento de onda de emissão na frequência de pulso selecionada (Figura 3 Suplementar). Isso é importante para a correção de fundo dos espectros de nanoIR.</li>
		<li>Adquira o espectro nanoIR selecionando a faixa de número de onda (aqui, Start e Stop são definidos como 1.530 cm-1 e 1.800 cm-1, respectivamente), o tamanho do passo (2 cm-1) e o número de médias usadas para a medição. Realizar a correção de fundo dos espectros exibidos dividindo a amplitude fototérmica medida pelo fundo atenuado, que consiste em multiplicar o fundo coletado na etapa 5.2.4 pela porcentagem de potência selecionada para a medição.</li>
	</ol></li>
	<li>Para imagens nanoIR, selecione a região de interesse para a aquisição de imagens.<ol><li>Habilite o auto-tune phase-locked loop (PLL) na "Janela de Sintonia de Pulso a Laser" (acessada pelo ícone do diapasão ).</li>
		<li>Ajuste a frequência mínima e máxima para criar uma faixa de varredura centralizada no segundo modo de ressonância no painel de controle geral.</li>
		<li>Zere a fase clicando em zero no painel de controle PLL e, em seguida, clique em OK na janela "Laser Pulse Tune".</li>
		<li>Selecione IR Imaging Enabled colocando uma marca de seleção na caixa dentro do painel de controle nanoIR.</li>
		<li>No painel de controle "Imaging View", escolha Height (Imaging View 1), Amplitude 2 (Imaging View 2) e Phase 2 (Imaging View 3) para adquirir as imagens topográficas e químicas da amostra. Defina a direção de aquisição como Rastrear (ou Rerastrear). Uma linha de ajuste de linha é frequentemente necessária para observar a imagem de topografia da amostra que está sendo adquirida. O ajuste de captura deve ser definido como Nenhum. NOTA: As preferências de digitalização, como a direção da digitalização capturada ou a paleta de cores usada, podem ser ajustadas conforme necessário.</li>
		<li>No painel de controle AFM "Scan", selecione o ícone Digitalizar .</li>
		<li>Para salvar a imagem, selecione o ícone Agora ou Fim do quadro no painel de controle "Capturar".</li>
	</ol></li>
	<li>Para exportar os dados, clique com o botão direito do mouse nos nomes dos arquivos de imagem ou espectro dentro das listas de dados. Selecione Exportar e escolha o formato do arquivo a ser exportado. Salve o arquivo no local desejado da pasta do computador.</li>
</ol>

Explorando sistemas poliméricos multifásicos por espectroscopia de infravermelho em nanoescala

<ol><li>Dufrêne, Y. F., Viljoen, A., Mignolet, J., Mathelié-Guinlet, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((AFM+in+cellular+and+molecular+microbiology%5BTitle%5D)+AND+%22Cellular+Microbiology%22%5BJournal%5D)">AFM in cellular and molecular microbiology.</a> Cellular Microbiology. 23 (7), e13324(2021).</li>
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</ol>

Os autores não têm nada a revelar.

AFM combinado com espectroscopia nanoIR pode fornecer informações químicas em nanoescala usando um cantilever em modo de contato e uma fonte de luz IR pulsada ajustável. Sistemas modelo, como a incorporação de um absorvedor com dimensões finitas no volume de um material polimérico, são importantes para melhorar a compreensão dos mecanismos de formação de imagens e determinar o desempenho da ferramenta. No caso da configuração PS/PVA aqui apresentada, a otimização foi realizada para obter um cordão PS estável posicionado ...

A microscopia de força atômica (AFM) tornou-se essencial para obter imagens e caracterizar a morfologia de uma grande variedade de amostras com resolução em nanoescala1,2,3. Através da medição da deflexão de um cantilever de AFM resultante da interação da ponta afiada com a superfície da amostra, foram desenvolvidos protocolos de imagem funcional em nanoescala para medidas de rigidez local e adesão ponta-amostra 4,5. Para análise de matéria condensada mole e polímeros, medidas de AFM explorando as propriedades nanomecânicas e nanoquímicas de domínios locais são altamente procuradas 6,7,8. Antes do surgimento da espectroscopia no infravermelho nanométrico (nanoIR), as pontas de AFM foram quimicamente modificadas para avaliar a presença de diferentes domínios da curva de força de AFM e deduzir a natureza da interação ponta-amostra. Por exemplo, esta abordagem foi usada para desvendar a transformação de microdomínios de poli(terc-butilacrilato de acrilato) na superfície de filmes finos de copolímero de poli(terc-butilacrilato de poli(terc-butilacrila) tratados com ciclohexano no nível9 abaixo de 50 nm.
A combinação de luz infravermelha (IR) com AFM tem tido um impacto significativo no campo da ciência de polímeros6. A espectroscopia IR convencional é uma técnica amplamente utilizada para estudar a estrutura química de materiais poliméricos10,11, mas falha em fornecer informações sobre fases individuais e comportamento de interfases, pois as regiões são muito pequenas em comparação com o tamanho do feixe de IV usado para sondar a amostra. O problema ocorre com a microespectroscopia de IR, pois ela é restrita pelo limite de difração óptica6. Tais medidas medem as contribuições de toda a região excitada pela luz IR; Os sinais resultantes da presença de fases em nanoescala dentro da região sondada exibem impressões digitais complexas que devem ser descontorcidas durante o pós-processamento ou são perdidos devido a um nível de sinal abaixo do nível detectável. Assim, é essencial desenvolver ferramentas capazes de resolução espacial em nanoescala e alta sensibilidade de IR para explorar características químicas em nanoescala em meios complexos.
Esquemas para a obtenção de espectroscopia nanoIR foram desenvolvidos, primeiramente utilizando uma ponta metálica de AFM como nanoantena 12,13 e, mais recentemente, explorando a capacidade do cantilever AFM de monitorar mudanças na expansão fototérmica incorridas durante a iluminação IR da amostra 12,14,15. Este último utiliza uma fonte de luz IR pulsada e ajustável sintonizada em uma banda de absorção do material sondado, o que faz com que a amostra absorva radiação e sofra expansão fototérmica. Esta abordagem é adequada para materiais orgânicos e poliméricos. A excitação pulsada torna o efeito detectável pelo cantilever AFM em contato com a superfície da amostra na forma de uma oscilação. A amplitude de uma das ressonâncias de contato do sistema observada no espectro de frequência é então monitorada em função do comprimento de onda de iluminação, que constitui o espectro de absorção de nanoIR do material sob a ponta AFM15. A resolução espacial das imagens de nanoIR e espectroscopia é limitada por vários efeitos da expansão fototérmica do material. Avaliou-se que a espectroscopia fototérmica de nanoIR utilizando AFM em modo de contato pode adquirir as propriedades dos espectros de absorção vibracional de materiais com resolução espacial em escala sub 50nm14, com trabalhos recentes demonstrando a detecção de monômeros e dímeros de α-sinucleína16,17. No entanto, estudos quantitativos do desempenho de medidas de nanoIR em materiais poliméricos heterogêneos montados em várias configurações, como no caso de absorvedores de dimensões finitas embutidos no volume de vários filmes poliméricos, permanecem limitados.
Este artigo tem como objetivo criar uma montagem polimérica com uma característica embutida de uma dimensão conhecida para avaliar a sensibilidade da expansão fototérmica e resolução espacial do nanoIR durante a análise de superfície. O protocolo abrange a preparação de um filme fino de polímero de polivinil álcool (PVA) sobre um substrato de silício e a colocação de um grânulo tridimensional de poliestireno (PS) sobre ou embutido no filme de PVA, que constitui a formação do sistema modelo. Imagens de nanoIR e medidas de espectroscopia são descritas no contexto da avaliação dos sinais gerados pelo mesmo grânulo de PS posicionado sobre ou abaixo do filme de PVA. A influência da posição do cordão sobre os sinais de nanoIR é avaliada. Métodos para avaliar a pegada espacial do cordão no mapa de nanoIR são discutidos, e os efeitos de vários parâmetros são considerados.

<table><tbody><tr><td>10|0 2200 Taklon dourado redondo</td><td>Zem</td><td></td><td></td></tr><tr><td>5357-8NM pinças</td><td>Pelco</td><td></td><td></td></tr><tr><td>abas adesivas</td><td>Ted Pella</td><td>16079</td><td></td></tr><tr><td>AFM discos de amostra de metal</td><td>Ted Pella</td><td>16208</td><td></td></tr><tr><td>Binocular</td><td>AmScope</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Cantilever para medições nanoIR</td><td>AppNano</td><td></td><td>FORTGG</td></tr><tr><td>Placas de cultura de células</td><td>Greiner bio-one GmbH</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Dessecador</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Mesa óptica flutuante</td><td>Newport</td><td>RS 4000</td><td></td></tr><tr><td>Placa de aquecimento</td><td>VWR</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Isopropanol&nbsp;</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Kimwipes</td><td>KIMTECH</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Barra</td><td></td><td></td><td></td>de agitação magnética</tr><tr><td>Micropartículas à base de poliestireno tamanho: 5 &micro; m</td><td>SIGMA-ALDRICH</td><td>79633</td><td></td></tr><tr><td>microscópio nanoIR2</td><td>Bruker</td><td></td><td>Modo de contato NanoIR2</td></tr><tr><td>Tanque de nitrogênio</td><td>Airgas</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Placas de Petri</td><td>Greiner bio-one GmbH</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Álcool polivinílico</td><td>SIGMA-ALDRICH</td><td>363170</td><td>este polímero foi apenas 87%-89% hidrolisado, o que explica a presença de C=O residual a 1730 cm-1</ Soluções</td></tr><tr><td></td> de <td>luz do dia</td> <td>a laser em cascata</td> sup>Quantum <td>1550-1800 cm-1</td></tr><tr><td>Faixa de wafer de silício</td><td>MEMC St. Peters</td><td>#901319343000</td><td></td></tr><tr><td>Spin coater</td><td>Oscilla</td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

avanços em espectroscopia de infravermelho em nanoescala para explorar sistemas poliméricos multifásicos

Advances in Nanoscale Infrared Spectroscopy to Explore Multiphase Polymeric Systems

Os sistemas poliméricos multifásicos englobam domínios locais com dimensões que podem variar de algumas dezenas de nanômetros a vários micrômetros. Sua composição é comumente avaliada usando espectroscopia de infravermelho, que fornece uma impressão digital média dos vários materiais contidos no volume sondado. No entanto, essa abordagem não oferece detalhes sobre a disposição das fases no material. Regiões interfaciais entre duas fases poliméricas, muitas vezes na faixa de nanoescala, também são difíceis de acessar. A espectroscopia no infravermelho em nanoescala fototérmica monitora a resposta local de materiais excitados pela luz infravermelha com a sonda sensível de um microscópio de força atômica (AFM). Embora a técnica seja adequada para interrogar pequenas características, como proteínas individuais em superfícies de ouro imaculadas, a caracterização de materiais multicomponentes tridimensionais é mais elusiva. Isso se deve a um volume relativamente grande de material em expansão fototérmica, definida pela focalização do laser sobre a amostra e pelas propriedades térmicas dos constituintes poliméricos, em comparação com a região nanométrica sondada pela ponta AFM. Usando um grânulo de poliestireno (PS) e um filme de álcool polivinílico (PVA), avaliamos a pegada espacial da espectroscopia de infravermelho fototérmico em nanoescala para análise de superfície em função da posição do PS no filme de PVA. O efeito da posição da feição nas imagens infravermelhas em nanoescala é investigado, e os espectros são adquiridos. Algumas perspectivas sobre os futuros avanços no campo da espectroscopia no infravermelho fototérmico em nanoescala são fornecidas, considerando a caracterização de sistemas complexos com estruturas poliméricas embutidas.

As esferas de PS ((C8H8)n) foram depositadas sobre substrato de Si limpo (Figura 1A) e sobre PVA ((CH2CHOH)n) (Figura 1B,C). Devido à baixa aderência do cordão em Si, imagens nanoIR em modo de contato não puderam ser adquiridas para esta amostra. Em vez disso, usando a visão óptica da amostra em nanoIR, a sonda AFM revestida a ouro foi acoplada sobre o cordão PS em modo de contato, com uma f...

Este protocolo descreve a aplicação da microscopia de força atômica e da espectroscopia no infravermelho em nanoescala para avaliar o desempenho da espectroscopia no infravermelho fototérmico em nanoescala na caracterização de amostras tridimensionais multipoliméricas.

Avanços em Espectroscopia de Infravermelho em Nanoescala para Explorar Sistemas Poliméricos Multifásicos

Multiphase polymeric systems encompass local domains with dimensions that can vary from a few tens of nanometers to several micrometers. Their composition ...

Nosso grupo se concentra no avanço do campo de imagens funcionais em nanoescala e espectroscopia para estudar sistemas complexos com ênfase em espectroscopia no infravermelho em nanoescala. Nossa pesquisa visa desenvolver métodos que nos permitam entender o comportamento de sistemas heterogêneos estudando suas propriedades em nanoescala. Compreender o papel das atuações em diferentes frequências para extrair informações sobre a amostra é essencial.Como isso é complicado, desenvolver amostras que possam ser modeladas com pacotes de simulação física também é importante. Uma espectroscopia no infravermelho em nanoescala determinando a profundidade de penetração da medição e entendendo como as características subsuperficiais afetam o sinal detectado pela ponta AFM é muito importante. Este protocolo propõe uma abordagem simples para criar um sistema modelo que permita quantificar a profundidade de penetração da espectroscopia no infravermelho em nanoescala e o efeito do aquecimento JUUL na resposta da amostra envolvida na medição de materiais poliméricos multifásicos.Nossa equipe continuará a se concentrar no desenvolvimento de novas ideias para melhorar a espectroscopia de infravermelho em nanoescala e outras ferramentas funcionais em nanoescala para explorar sistemas da vida real em pequena escala.

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Engenharia

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Aprenda espectroscopia de infravermelho em nanoescala usando microscopia de força atômica para caracterizar materiais poliméricos multifásicos tridimensionais. Este método quantifica a profundidade de penetração e avalia efeitos térmicos nas amostras.

Avanços em Espectroscopia de Infravermelho em Nanoescala para Explorar Sistemas Poliméricos Multifásicos

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