Summary
Denne protokol beskriver anvendelsen af atomkraftmikroskopi og nanoskala infrarød spektroskopi til evaluering af ydeevnen af fototermisk nanoskala infrarød spektroskopi i karakteriseringen af tredimensionale multipolymere prøver.
Abstract
Multifase polymere systemer omfatter lokale domæner med dimensioner, der kan variere fra et par titalls nanometer til flere mikrometer. Deres sammensætning vurderes almindeligvis ved hjælp af infrarød spektroskopi, som giver et gennemsnitligt fingeraftryk af de forskellige materialer indeholdt i det undersøgte volumen. Denne tilgang giver imidlertid ingen detaljer om arrangementet af faserne i materialet. Grænsefladeområder mellem to polymere faser, ofte i nanoskalaområdet, er også udfordrende at få adgang til. Fototermisk nanoskala infrarød spektroskopi overvåger den lokale respons af materialer, der er ophidset af infrarødt lys med den følsomme sonde af et atomkraftmikroskop (AFM). Mens teknikken er egnet til at forhøre små funktioner, såsom individuelle proteiner på uberørte guldoverflader, er karakteriseringen af tredimensionelle multikomponentmaterialer mere undvigende. Dette skyldes en relativt stor mængde materiale, der gennemgår fototermisk ekspansion, defineret af laserfokaliseringen på prøven og af de polymere bestanddeles termiske egenskaber sammenlignet med nanoskalaområdet, der undersøges af AFM-spidsen. Ved hjælp af en polystyren (PS) perle og en polyvinylalkohol (PVA) film evaluerer vi det rumlige fodaftryk af fototermisk nanoskala infrarød spektroskopi til overfladeanalyse som en funktion af PS's position i PVA-filmen. Effekten af funktionspositionen på nanoskala infrarøde billeder undersøges, og spektre erhverves. Nogle perspektiver på de fremtidige fremskridt inden for fototermisk nanoskala infrarød spektroskopi tilvejebringes i betragtning af karakteriseringen af komplekse systemer med indlejrede polymere strukturer.
Introduction
Atomkraftmikroskopi (AFM) er blevet afgørende for at afbilde og karakterisere morfologien af en lang række prøver med nanoskalaopløsning 1,2,3. Ved at måle afbøjningen af en AFM-udkragning som følge af vekselvirkningen mellem den skarpe spids og prøveoverfladen er der udviklet funktionelle billeddannelsesprotokoller i nanoskala til lokale stivhedsmålinger og vedhæftning af spidsprøver 4,5. Til analyse af blødt kondenseret stof og polymer er AFM-målinger, der udforsker de nanomekaniske og nanokemiske egenskaber ved lokale domæner, meget efterspurgte 6,7,8. Før fremkomsten af nanoskala infrarød (nanoIR) spektroskopi blev AFM-spidser kemisk modificeret for at vurdere tilstedeværelsen af forskellige domæner fra AFM-kraftkurven og fratrække arten af tip-prøve-interaktionen. For eksempel blev denne tilgang brugt til at afsløre transformationen af mikrodomæner af poly(tert-butylacrylat) på overfladen af cyclohexanbehandlede polystyren-blok-poly(tert-butylacrylat)blok-copolymer tynde film på niveau9 under 50 nm.
Kombinationen af infrarødt (IR) lys med AFM har haft en betydelig indvirkning på polymervidenskaben6. Konventionel IR-spektroskopi er en meget anvendt teknik til undersøgelse af den kemiske struktur af polymere materialer 10,11, men den giver ikke information om individuelle faser og interfaseadfærd, da regionerne er for små sammenlignet med størrelsen på IR-strålen, der bruges til at undersøge prøven. Problemet holder med IR-mikrospektroskopi, da det er begrænset af den optiske diffraktionsgrænse6. Sådanne målinger gennemsnit bidragene fra hele regionen ophidset af IR-lyset; De signaler, der opstår som følge af tilstedeværelsen af nanoskalafaser inde i det undersøgte område, udviser enten komplekse fingeraftryk, der skal dekonkurreres under efterbehandlingen eller går tabt på grund af et signalniveau under det detekterbare niveau. Derfor er det vigtigt at udvikle værktøjer, der er i stand til rumlig opløsning i nanoskala og høj IR-følsomhed for at udforske kemiske egenskaber i nanoskala i komplekse medier.
Der er udviklet ordninger til opnåelse af nanoIR-spektroskopi, først ved hjælp af en metallisk AFM-spids som nanoantenne12,13 og for nylig udnyttelse af AFM-udkragningens evne til at overvåge ændringer i den fototermiske ekspansion, der opstår under IR-belysning af prøven 12,14,15. Sidstnævnte bruger en pulserende, justerbar IR-lyskilde, der er indstillet til et absorptionsbånd af det undersøgte materiale, hvilket får prøven til at absorbere stråling og gennemgå fototermisk ekspansion. Denne tilgang er velegnet til organiske og polymere materialer. Den pulserende excitation gør effekten detekterbar af AFM-udkragningen i kontakt med prøveoverfladen i form af en svingning. Amplituden af en af systemets kontaktresonanser observeret i frekvensspektret overvåges derefter som en funktion af belysningsbølgelængden, som udgør nanoIR-absorptionsspektret for materialet under AFM-tip15. Den rumlige opløsning af nanoIR-billeddannelse og spektroskopi er begrænset af forskellige virkninger af materialets fototermiske ekspansion. Det er blevet evalueret, at fototermisk nanoIR-spektroskopi ved hjælp af kontakttilstand AFM kan erhverve vibrationsabsorptionsspektreegenskaberne for materialer med rumlig opløsning under 50 nm14, med nyere arbejde, der demonstrerer påvisning af monomerer og dimerer af α-synuclein16,17. Imidlertid er kvantitative undersøgelser af udførelsen af nanoIR-målinger på heterogene polymere materialer samlet i forskellige konfigurationer, såsom tilfældet med absorbenter af endelige dimensioner indlejret i volumenet af forskellige polymere film, fortsat begrænsede.
Denne artikel har til formål at skabe en polymer samling med et indlejret træk af en kendt dimension for at evaluere følsomheden af fototermisk ekspansion og rumlig opløsning af nanoIR under overfladeanalyse. Protokollen dækker fremstillingen af en polyvinylalkohol (PVA) polymer tyndfilm på et siliciumsubstrat og placeringen af en tredimensionel polystyren (PS) perle på eller indlejret i PVA-filmen, som udgør dannelsen af modelsystemet. NanoIR-billeddannelse og spektroskopimålinger beskrives i forbindelse med evaluering af de signaler, der genereres af den samme PS-perle placeret på eller under PVA-filmen. Perlepositionens indflydelse på nanoIR-signalerne evalueres. Metoder til vurdering af perlens rumlige fodaftryk i nanoIR-kortet diskuteres, og virkningerne af flere parametre overvejes.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Fremstilling af polyvinylalkohol (PVA) opløsning
- Mål vand og PVA-polymerpellets (se materialetabel) for at skabe en 10 ml opløsning ved et 20% PVA til vandforhold efter vægt.
- Vandet i glasvarerne opvarmes over en kogeplade, der er indstillet til 100 °C.
- Anbring PVA-polymerpellets i det opvarmede vand. Indsæt en magnetisk omrøringsstang.
- Reducer varmen til 80 ° C og rør, indtil PVA er helt opløst.
- Dæk toppen af glasvarerne for at forhindre forurening.
- Når den er helt opløst, anbringes 20% PVA-opløsningen i en passende opbevaringsbeholder til opbevaring ved stuetemperatur.
2. Forberedelse af PVA-belagte siliciumskiver (Si)
- Skær en silicium (Si) wafer (se tabel over materialer) i ~ 10 x 10 mm2 firkanter.
- Rengør Si-substratet med isopropylalkohol og lad det tørre.
- Placer den rene Si-skive på drejepatronens borepatron (se materialetabel).
- Drop cast ca. 10 μL PVA-opløsning på midten af Si-substratet. Prøv at undgå bobledannelse.
- Overtræk Si-substratet med en ensartet PVA-film ved centrifugering i 30 s ved 1.500 rotationer pr. Minut (o / min).
BEMÆRK: Det specificerede volumen af væske- og centrifugeringsparametre skaber et ensartet lag PVA over overfladen af substratet med tilstrækkelig tykkelse til at forhindre hurtig tørring mellem centrifugeringsbelægningen og placering af PS-perlerne på PVA-overfladen i næste trin.
- Fjern prøven fra spincoateren, og læg den i en ren prøvebeholder for at forhindre kontaminering, før du overfører PS-perlerne.
3. Placering af PS-perlerne på den PVA-belagte overflade
- Rengør et Si-substrat med isopropylalkohol og lad det tørre.
- Brug en pipette til at placere 1 μL PS-perler opslæmmet i vand på midten af underlaget.
- Lad vandet fordampe ved at anbringe prøven i et opbevaringsrum indeholdende tørremiddel af bentonitler.
BEMÆRK: Dette trin bevarer prøven ved at reducere eksponeringen for fugtighed. - Det PVA-belagte substrat (trin 2.4) og substratet med de tørrede PS-perler (trin 3.3) anbringes under et optisk mikroskop. Afhængigt af deres størrelse vil en enkelt perle være synlig ved hjælp af simpel kikkert eller vil kræve højere optisk forstørrelse.
- Løsn forsigtigt perlerne med ultrafine pincetter (se Materialetabel). Brug en fin hårpensel til at samle et par løse perler, og bank let hårene på penslen over den nyligt PVA-belagte wafer. Flere fejninger skal gøre det muligt for perlerne at samle sig i børstens hår. Bank på toppen af penselhårene for at forstyrre PS-perlepulveret for at frigive perler på den klæbrige PVA-overflade.
BEMÆRK: Det er vigtigt, at penslen er af høj kvalitet og ren for at undgå at frigive fibre og forurenende stoffer på PVA-filmens overflade. Det er vigtigt at bevæge sig hurtigt under dette trin, så PVA ikke tørrer helt. - Gentag dette trin, indtil det er bekræftet ved optisk mikroskopiinspektion, at individuelle PS-perler klæber til PVA-overfladen.
- Opbevar prøven i en ren beholder. Lad prøven tørre helt.
BEMÆRK: Prøven skal afkøles og tørres helt, før der udføres yderligere analyseforsøg. AFM-højdemålinger eller overfladeprofilmålinger kan vurdere tykkelsen af successive PVA-film.
4. Indlæsning af prøven til AFM-karakterisering
BEMÆRK: Den beskrevne protokol er baseret på standardprocedurer for en nanoIR2-platform (se materialetabellen), men bør tilpasses i henhold til den AFM-model, der anvendes til målingen.
- Monter PVA- og PS-perleprøven på AFM-trinnet ved hjælp af en metallisk AFM-skive og selvklæbende tapper, så prøven er fastgjort til prøveholderen.
- Monter en nanoIR-sonde (f.eks. FORTGG) på AFM-sondeholderen.
BEMÆRK: AFM-udkragningen er 225 μm lang, 27 μm bred og 2,7 μm tyk med en spidsradius på mindre end 10 nm. Udkragningen er belagt med 45 nm tyk guldfilm på begge sider for at begrænse dens respons på prøvens IR-belysning på oversiden (se materialetabel). Til nanoIR-spektroskopimålinger skal du helst bruge en udkragning, der er blevet opbevaret i et polydimethylsiloxanfrit miljø før brug. - Juster udlæsningslaseren i den frie ende af udkragningsstrålen ved at dreje laserjusteringsknapperne (x og y justeringer af laserpositionen og lodret justering af detektorpositionen).
- Maksimer detektorens SUM-signal.
- Juster detektorens position ved at dreje afbøjningsknappen, så laseren er på linje med midten af den positionsfølsomme detektor i AFM-udlæsningssystemet, svarende til et lodret afbøjningssignal på ~0 V.
- Klik på ikonet Indlæs i AFM "Probe" kontrolpanelet.
- Følg vejledningen på guidens skærm. Brug fokuspilene til at bestemme nanoIR-udkragningens brændplan. Brug XY-forskydningskontrollerne til at placere udkragningen i midten af skærmen (justeret med det hvide kryds).
- Klik derefter på fokuspilene for at finde brændplanet på prøvens overflade.
- Brug den optiske visning af systemet og XY-forskydningskontrollerne til at placere udkragningsspidsen over perlen af interesse, og klik på Næste.
- På engage-skærmen skal du indstille "standoff" til 50 μm og klikke på Kun tilgang.
- Start Engage-proceduren for at nærme dig tippet til billeddannelse.
5. Oprettelse af topografiske og nanoIR-billeder af multipolymerprøven
- Hent topografibilleder i standard "Kontakttilstand". Når udkragningens position i forhold til PS-perlen er indstillet, skal du starte tilgangen ved at klikke på indgrebsikonet i AFM "Probe" -kontrolpanelet. Et indgrebssætpunkt med en afbøjningsforskel på 0,2 V anvendes til hele undersøgelsen her, svarende til en kraft på ~100 nN.
I AFM "Scan" -kontrolpanelet skal du indstille scanningshastigheden til 0,8 Hz, scanningsstørrelse (højde og bredde) og antallet af punkter pr. linje og antal linjer pr. billede , der skal bruges til billeddannelse (512 x 512 blev brugt her). Klik på Scan for at hente topografibilledet.
BEMÆRK: Kalibrering af udkragningen18 udføres ved at bestemme udkragningsfølsomheden (i nm/V) ud fra hældningen af den afbøjningsafstandskurve, der opnås med udkragningen, der interagerer med et safirsubstrat (supplerende figur 1A). Udkragningsstivheden bestemmes ud fra termisk tuning19 (supplerende figur 1B). Cantileverens resonans monteres ved hjælp af en Lorentzian-funktion. Cantileverstivheden (i N / m) bestemmes ved hjælp af ækvipartitionssætningen
, hvor KBer Boltzmann-konstanten, T er temperaturen (T = 295K), og P er arealet af effektspektret for de termiske udsving i cantileveren bestemt ved at integrere Lorentzian-tilpasningen af de termiske tuningdata20. - For nanoIR-målinger skal AFM-spidsen placeres på den interessefunktion, der er identificeret fra topografibilledet.
- Vælg tuninggaffelikonet i nanoIR-kontrolpanelet for at bestemme cantileverens kontaktresonansfrekvenser. Indstil et belysningsbølgetal, der vil excitere fototermisk ekspansion i materialet. Indstil et interval af laserpulsfrekvens til at feje og indstille nanoIR-laserens driftscyklus. Vælg Hent i vinduet "Laser Pulse Tune".
- Vælg den anden kontaktresonans i tipprøvesystemet til nanoIR-målinger ved at placere markørbjælken (grøn lodret linje) øverst på den anden kontaktresonans.
BEMÆRK: Valget af kontaktresonanstilstand kan variere afhængigt af typen af udkragning og prøve. - Klik på Optimer for at justere midten af IR-laserens fokusområde med udkragningsspidsens position. Justering udføres ved et valgt IR-belysningsbølgetal, svarende til et absorptionsbånd af det undersøgte materiale. Udkragningen er placeret i midten af laserfodaftrykket (supplerende figur 2).
BEMÆRK: Justeringen kan variere for forskellige bølgetal afhængigt af lasermodellen. - Få en baggrund af IR-laserbelysningen. Dette består i at måle output fra IR-kvantekaskadelaseren (QCL) i bølgelængdeområdet for emission ved den valgte pulsfrekvens (supplerende figur 3). Dette er vigtigt for baggrundskorrektion af nanoIR-spektrene.
- Hent nanoIR-spektret ved at vælge bølgetalområdet (her er Start og Stop indstillet til henholdsvis 1.530 cm-1 og 1.800 cm-1), trinstørrelsen (2 cm-1) og antallet af gennemsnit , der bruges til målingen. Der udføres baggrundskorrektion af de viste spektre ved at dividere den fototermiske amplitude målt med den svækkede baggrund, som består i at multiplicere baggrunden indsamlet i trin 5.2.4 med den procentdel af effekten, der er valgt til målingen.
- For nanoIR-billeddannelse skal du vælge det område, der er af interesse for billeddannelse.
- Aktivér automatisk indstilling af faselåst sløjfe (PLL) i "Laser Pulse Tune-vinduet" (åbnes via ikonet Tuning gaffel ).
- Juster minimum- og maksimumfrekvensen for at oprette et oprydningsområde centreret i den anden resonanstilstand i det generelle kontrolpanel.
- Nulstil fasen ved at klikke på nul i PLL-kontrolpanelet, og klik derefter på OK i vinduet "Laser Pulse Tune".
- Vælg IR-billedbehandling aktiveret ved at sætte et flueben i feltet i nanoIR-kontrolpanelet.
- I kontrolpanelet "Imaging View" skal du vælge Height (Imaging View 1), Amplitude 2 (Imaging View 2) og Phase 2 (Imaging View 3) for at hente de topografiske og kemiske billeder af prøven. Angiv anskaffelsesretningen til Spor (eller Retrace). En linjepasningslinje er ofte nødvendig for at observere topografibilledet af prøven, der erhverves. Optagelsestilpasning skal indstilles til Ingen.
BEMÆRK: Scanningsindstillinger, f.eks. registreret scanningsretning eller anvendt farvepalet, kan justeres efter behov. - I AFM "Scan" kontrolpanelet skal du vælge ikonet Scan .
- For at gemme billedet skal du vælge ikonet Nu eller Slut på rammen i kontrolpanelet "Optag".
- For at eksportere dataene skal du højreklikke på billed- eller spektrumfilnavnene i datalisterne. Vælg Eksporter , og vælg formatet for den fil, der skal eksporteres. Gem filen på den ønskede placering af computermappen.
, hvor KBer Boltzmann-konstanten, T er temperaturen (T = 295K), og P er arealet af effektspektret for de termiske udsving i cantileveren bestemt ved at integrere Lorentzian-tilpasningen af de termiske tuningdata20.Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
PS ((C8H8)n) perler blev deponeret på et rent Si-substrat (figur 1A) og på PVA ((CH2CHOH)n)(figur 1B,C). På grund af den dårlige vedhæftning af perlen på Si kunne nanoIR-billeddannelse i kontakttilstand ikke erhverves til denne prøve. I stedet blev den guldbelagte AFM-sonde ved hjælp af den optiske visning af prøven på nanoIR aktiveret oven på PS-perlen i kontakttilstand med en estimeret kraft på ca. 100 nN (figur 2A). Den pulserende IR-laser blev indstillet til at excitere prøven ved 1.730 cm-1, da både PS og PVA forventes at absorbere ved dette bølgetal. Laserens pulsfrekvens blev fejet for at bestemme kontaktresonansen af cantileveren til nanoIR-spektrummålingen. Ved pulsering ved kontaktresonansfrekvensen blev cantileverresponsen overvåget for at bestemme amplituden af svingningen (figur 2B). Dernæst blev nanoIR-spektrene konstrueret ved at overvåge amplituden af kontaktresonansen som funktion af belysningsbølgetallet fra 1.530 til 1.800 cm-1 i trin på 2 cm-1 (figur 2C). I dette område (figur 3A, indsat) afslørede spektret tilstedeværelsen af to IR-bånd centreret ved 1.600 cm-1 og 1.730 cm-1, svarende til den fremherskende stræktilstand af phenyldelen og en delmængde af ringen, der strækker sig i henholdsvisPS, 21. Sammenligning af nanoIR-spektret med det fjerne felt Fourier transform infrarødt (FTIR) spektrum af PS bekræftede tilstedeværelsen af den aromatiske tilstand ved 1.600 cm-1 (figur 3A). Det blev imidlertid bemærket, at den relative amplitude I1600/I1730 var signifikant forskellig i FTIR- og nanoIR-spektrene med respektive værdier på 2,9 og 0,9. Dette blev tilskrevet mekanismen til påvisning af nanoIR-spektroskopi, som overvåger polymerens fototermiske ekspansion i stedet for dens absorbans, som i FTIR-spektroskopi. I PS's tilfælde svarede dette til en højere fototermisk ekspansion, når de aromatiske underbånd blev spændt ved 1.730 cm-1. NanoIR-spektret af PVA udviste bedre overensstemmelse med FTIR-spektret med et overvejende absorptionsbånd centreret ved ~ 1.730 cm-1 (figur 3B). Selvom dette bånd ikke var forventet i ren PVA, som ikke indeholder en C = O-gruppe, tyder tidligere arbejde på, at tilstedeværelsen af båndet kan tilskrives carbonylfunktionelle grupper på grund af resterende acetat, der anvendes til fremstilling af PVA (hastighed som ~ 80% -90% hydrolyseret)22. I forbindelse med denne undersøgelse var tilstedeværelsen af et bånd ved 1.730 cm-1 egnet til at vurdere effekten af samtidig absorption af PS og PVA.
NanoIR-spektrene blev brugt til at vælge belysningsbølgetal til kemisk billeddannelse af PS-perlen deponeret på overfladen af PVA (figur 4A-C) og af PS-perlen belagt med PVA (figur 4D-F). Systemets PLL-kontaktresonansfrekvenssporingsfunktion blev brugt til at sikre, at amplitudemålingen ved hver pixel svarede til den maksimale amplitude af kontaktresonanstop15 (figur 2C). Cantileverens kontaktresonans blev målt, når cantileverspidsen var i kontakt med PVA og PS for at bestemme et passende område for PLL-frekvenssporing.
NanoIR-billeder blev først erhvervet ved 1.600 cm-1, hvilket svarer til det tilfælde, hvor PS er den dominerende absorber af systemet (figur 4Ai; Di)). Selvom en 5 μm PS-perle blev afbildet i begge tilfælde, var amplituden af den fototermiske ekspansion registreret ved denne bølgelængde forskellig, når spidsen var direkte i kontakt med PS-perlen, og når spidsen var i kontakt med den tynde PVA-belægning oven på PS-perlen. Stigningen i fototermisk ekspansion detekteret over PS-perlen var signifikant mindre, når perlen blev dækket med laget af PVA, anslået til at være ~ 1,8 μm tykt ved hjælp af en overfladeprofil (supplerende figur 4). Ved den anvendte lasereffekt (1,47%, hvilket svarer til ~3,4 mW ved 1,600 cm-1 og ~3,8 mW ved 1,730 cm-1) (supplerende tabel 1) udviste et område ~13 μm i diameter en lille stigning i amplitude ~2 nm over signalet registreret på det rene ikke-absorberende PVA-lag væk fra PS-perlen. Det rumlige fodaftryk af amplitudeforøgelsen var meget bredere, end når PS-perlen var oven på PVA-filmen (figur 4A), hvor det fototermiske ekspansionssignal var asymmetrisk, men forblev indeholdt i et område ~ 6 μm bredt i hurtig scanningsretning og ~ 8 μm langt i billedets langsomme scanningsretning. Amplitudeaflæsningerne i dette område nåede op til 12.1 nm over den fototermiske udvidelse af det rene PVA-lag. Ved belysning af prøven ved 1.730 cm-1 udviste PS og PVA begge en højere amplitude af fototermisk ekspansion end ved 1.600 cm-1. For den eksponerede PS-perle (figur 4Ci) var den fototermiske ekspansion højest oven på perlen og nåede værdier op til 26,5 nm. Den høje fototermiske respons strakte sig flere mikrometer ud over det fodaftryk, der blev observeret i figur 4Ai. PVA udvidede sig også på grund af excitationen, men ved en lavere amplitude, nemlig ~ 7.6 nm registreret væk fra PS-perlen. Det blev bemærket, at responsen konsekvent var stærkest på venstre side af PS-perlen. For den indlejrede perle (figur 4F) var signalet mere symmetrisk, men amplituden af den fototermiske ekspansion over PS-perlen var kun ~ 2,3 nm højere end PVA. Til dette blev der registreret en konsistent fototermisk amplitude på ~ 13,6 nm inden for 10-13 μm fodaftrykket i det område, der er påvirket af PS-opvarmning, bestemt ved at kortlægge overfladen med AFM-sonden. I tilfælde af målinger udført ved 1,620 cm-1 blev der ikke detekteret noget signal, hvilket er i overensstemmelse med fraværet af et bemærkelsesværdigt IR-absorptionsbånd for PS og PVA i dette spektrumområde.
Dernæst blev nanoIR-spektrene indsamlet oven på en PS-perle dækket sammenlignet med PVA (figur 5A). PS-signalet ved 1.600 cm-1 var betydeligt lavere end for den udækkede perle. På trods af båndets lave bidrag bekræftede yderligere analyse af signalerne, at forøgelse af lasereffekten førte til et højere forhold I1600/I1730 (figur 5B, C). Resultaterne antydede, at en højere lasereffekt svarer til større penetrationsdybde, som vist i figur 5B. Dette påvirker igen nanoIR-billedet indsamlet under en anden lasereffekt. Ved en højere effekt på ~ 20 mW udviste materialets fototermiske amplitude konsekvent en lavere amplitude end ved lavere laserkræfter. Endvidere steg støjniveauet i spektrene, hvilket tyder på nogle ustabiliteter i materialet, sandsynligvis på grund af stigningen i temperaturen i polymeren.
Figur 1: Aflejring af PS-perler. Scanning elektronmikroskopi (SEM) billede af 5 μm PS perlen (A) oven på et uberørt siliciumsubstrat, (B) oven på en PVA-film og (C) dækket med PVA. Skalabjælke = 1 μm. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 2: Skemaer, der illustrerer princippet om nanoIR-billeddannelse og spektroskopi. (A) IR-pulslaseren justeres og fokuseres på kontaktpunktet for den metalliske AFM-udkragningsspids med prøven. Udkragningen måler materialets fototermiske respons som følge af IR-absorption. Guldlaget på begge sider bruges til at reducere cantileverens fototermiske og akustiske bidrag under målingen, hvilket ville forstyrre nanoIR-målingen af prøven. B) Signal fra den positionsfølsomme detektor, der overvåger udkragningens udkragning i tidsdomænet [S(t)] og frekvensdomænet [S(ω)]. Cantileverens kontaktresonanstilstande identificeres ved indlåsningsforstærkermålinger. Den anden kontaktresonans bruges til PLL-sporing under billeddannelse. Amplituden af kontaktresonanstilstanden Acr2 måles. C) NanoIR-spektrum opnået ved overvågning af ændringen i amplitude Acr2 som funktion af belysningsbølgetal. NanoIR-billedet blev opnået ved at overvåge ændringen i amplitude Acr2 som funktion af spidsens position på prøven. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 3: IR-spektre af PS og PVA. (A) FTIR-spektrum af PS. Den røde boks angiver rækkevidden af spektret undersøgt med nanoIR-spektroskopi. Det tilsvarende nanoIR PS-spektrum er tilvejebragt i indsatsen. B) FTIR-spektrum af PVA. Den røde boks angiver rækkevidden af spektret undersøgt med nanoIR-spektroskopi. Det tilsvarende nanoIR PVA-spektrum er tilvejebragt i indsatsen. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 4: NanoIR-billeddannelse. PS-perlen (A-C) deponeret på overfladen af PVA og (D-F) indlejret i PVA som afbildet i indsatserne. NanoIR-kort, der er erhvervet ved (Ai, Di) 1.600 cm-1, (Bi, Ei) 1.620 cm-1 og (Ci, Fi) 1.730 cm-1, er overlejret på 3D-topografikortet. Tilsvarende topografi- og nanoIR-profiler ekstraheret langs den hvide stiplede linje er vist i de respektive grafer (ii). Skalabjælke = 5 μm. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 5: NanoIR-spektrum indsamlet af AFM-spidsen i kontakt med PS-perlen belagt med PVA. (A) NanoIR-spektre indsamlet ved p1 = 1,47%, p2 = 2,48%, p3 = 5,20% og p4 = 11% af lasereffekten. Lasereffekten varierer som funktion af bølgelængden, som korrigeres for ved svækket baggrundskorrektion for hvert enkelt tilfælde. (B) Skemaer, der illustrerer effekten af lasereffekt på styrken af de indsamlede signaler. C) Forholdet I1600/I1730 som funktion af lasereffekten. Klik her for at se en større version af denne figur.
Supplerende figur 1: Kalibrering af nanoIR-udkragningen. A) Afbøjningsafstandskurve opnået på safirsubstrat. Hældningen af tilbagetrækningskurven tilvejebringer afbøjningsfølsomheden af udkragningen, der bruges til at beregne fjederkonstanten. (B) Cantilever resonansfrekvens bestemt ved termisk tuning, der anvendes til at beregne fjederkonstanten. Klik her for at downloade denne fil.
Supplerende figur 2: IR-laserfodaftryk. Oscillationsamplituden af udkragningen i kontakt med prøveoverfladen registreres som en funktion af IR-laserens position. IR-laserjusteringen varieres ved hjælp af et bevægeligt spejl. Spejlets position er indstillet til at justere midten af brændvidden (rødt område) med udkragningens position (midten af det hvide kryds). Klik her for at downloade denne fil.
Supplerende figur 3: Laserudgangseffekt (i mW) som funktion af bølgetal. QCL-laserens udgangseffekt bestemmes ved hjælp af en standard IR-detektor fra 1.530 cm-1 til 1.800 cm-1 i trin på 2 cm-1 ved pulsfrekvensen svarende til den indstilling, der anvendes til nanoIR-målingerne. Klik her for at downloade denne fil.
Supplerende figur 4: PVA-tykkelsesmålinger opnået ved laserkonfokal overfladeprofilometri. Klik her for at downloade denne fil.
Supplerende tabel 1: Lasereffekten i milliwatt for hvert bølgetal. Klik her for at downloade denne fil.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
AFM kombineret med nanoIR-spektroskopi kan give kemisk information i nanoskala ved hjælp af en udkragning i kontakttilstand og en pulserende justerbar IR-lyskilde. Modelsystemer, såsom indlejring af en absorber med endelige dimensioner i volumenet af et polymert materiale, er vigtige for at forbedre forståelsen af billeddannelsesmekanismer og bestemme værktøjets ydeevne. I tilfælde af PS / PVA-konfigurationen, der præsenteres her, blev der udført optimering for at opnå en stabil PS-perle placeret over eller under overfladen af PVA-filmen. Det blev konstateret, at deponering af PS-perlerne umiddelbart efter fjernelse af det coatede Si-substrat fra spincoateren resulterede i bedre vedhæftning. PVA-lagets viskositet kan påvirke perlens placering i forhold til PVA-filmoverfladen. Opvarmning af prøven i ca. 15 minutter ved ~200 °C tillod dybere implantation af perlerne.
Takket være størrelsen på PS-perlerne (5 μm her) er hurtig justering af udkragningsspidsen med midten af perlen mulig ved hjælp af det optiske mikroskop, der er indbygget i nanoIR-systemet. Mens PS-perler og mikrobobler i PVA næppe kan differentieres optisk, kan nanoIR-analyse bekræfte sammensætningen af prøven. Mens IR-båndets bidrag ved 1,600 cm-1 kan være svagt, når PS-perlen er dækket af en anden polymer, som nævnt i figur 5, kan høj lasereffekt øge bidraget fra PS ved 1,600 cm-1 i nanoIR-fingeraftrykket , der er indsamlet direkte over det, med udkragningen i kontakt med PVA-overlayet. Det forventes, at PS-perler med mindre diametre vil være vanskeligere at lokalisere med optisk mikroskopi og vil bidrage med et lavere signal til nanoIR-spektret. I så fald bør AFM-billeddannelse og nanoIR-målinger af PS-perlerne overvejes før deponering af det øverste lag af PVA sammen med mærkning af prøven for at sikre, at placeringen af de indlejrede PS-perler er kendt. På trods af disse forudsete udfordringer har denne tilgang til udarbejdelse af modelsystemer den fordel, at den er billig og let tilgængelig. Profilen af perlens topografi kan bruges til at estimere perlens position, selvom den såkaldte spidseffekt bør tages i betragtning for at vurdere diameteren af det afbildede træk.
Med hensyn til dataindsamling og analyse afslører de data, der produceres med nanoIR i denne undersøgelse, flere uventede ustabiliteter i tip-sample-interaktionen, når du bruger en blødere nanoIR-udkragning, og når lasereffekten øges. NanoIR-billeder indsamlet med en blødere udkragning (k < 0,4 N/m) var konsekvent ustabile nær PS-perlen, der blev ophidset af IR-lyset, på trods af et stabilt topografibillede. NanoIR-spektrene af PS og PVA registreret i denne undersøgelse er i god overensstemmelse med de almindeligt rapporterede FTIR-spektre af de tilsvarende bulkpolymerer21,22. De to forskellige absorptionsbånd ved 1.600 cm-1 (kun PS) og 1.730 cm-1 (PS og PVA) giver mulighed for at sammenligne effekten af at spænde den enkelte perleabsorber under overfladen. NanoIR-billederne vist i figur 4 indikerer, at signalet i nærheden af perlen er stærkt, når PS-perlen eksponeres, men falder betydeligt, når en PVA-tyndfilm dækker perlen. Resultaterne indikerer dog, at en perle mere end 1 μm under overfladen kan detekteres i nanoIR-kortet, både når systemet spændes ved 1.600 cm-1 og ved 1.730 cm-1. Den amplitude, der registreres af udkragningen, øges med ~ 2 nm direkte over perlen på kortet i begge tilfælde. Selvom den er lav i amplitude, er fodaftrykket af denne udvidelse ca. 13 μm bredt for 1,600 cm-1 excitationen, hvilket er meget større end perlens diameter, hvilket bekræfter, at varmen diffunderer fra PS-absorberen til PVA. Denne Joule-udvidelse kan påvirke den rumlige opløsning af nanoIR på heterogene materialer, med en stærkere effekt forventet, hvis absorberen er tættere på overfladen. Den større respons af prøven ved 1.730 cm-1 er i overensstemmelse med nanoIR-spektrene præsenteret i figur 5, hvilket viser, at båndets bidrag ved 1.600 cm-1 er meget svagere end ved 1.730 cm-1.
Den nuværende tilgang har visse begrænsninger. Placering af perlerne under overfladen af PVA, samtidig med at den topografiske bump på overfladen af modelsystemet begrænses, forbliver uopnåelig. Faktisk kan det kræve en så tyk belægning, at perlen kan blive uopdagelig ud fra nanoIR-spektroskopiens synspunkt. Perlens dybde er både vanskelig at kontrollere og karakterisere, hvilket ville gøre det vanskeligt at give tilstrækkelig information til modellering for en nøjagtig repræsentation af modelsystemet. Et mere fuldstændigt billede af effekten af undergrundens absorberstørrelse og dybde på nanoIR-signalet målt ved overfladen ville kræve, at perlerens dimensioner og positioner varieres med større præcision. Derudover er det sandsynligt, at flere undergrundsabsorbenter med forskellige størrelser, positioner og sammensætninger i et virkelig komplekst system vil forstyrre målingerne, hvilket ikke er beskrevet i denne model.
Ikke desto mindre bekræfter målingerne, at der er meget at lære af signalgenerering på multipolymerprøver til nanoIR-karakterisering. Yderligere optimering af prøveforberedelsesprotokollen bør foretages for kontrollerbart at variere dybden, hvor PS-perlen er indlejret for at muliggøre en mere omfattende analyse af, hvordan den fototermiske ekspansion på overfladen af PVA påvirkes af undergrundsabsorberen. Kombinationen af polymerer, der anvendes til målingerne, kan også varieres for at bestemme rollen som termisk ledningsevne, termisk ekspansion og mekaniske egenskaber på udførelsen af nanoIR-målingerne for heterogene materialer. Dette udgør en lovende tilgang til bedre at forstå prøvens opførsel til nanoIR-spektroskopi og billeddannelse og forventes at lette kvantificeringen af penetrationsdybde, rumlig opløsning og følsomhed af værktøjet yderligere. Dette er særlig vigtigt i betragtning af fremkomsten af nye billeddannelsesmetoder, såsom multifrekvent nanoIR 15,23, for hvilke informationens art og aktiveringsparametrenes indvirkning på værktøjernes ydeevne fortsat er dårligt forstået. For at uddybe forståelsen af de indsamlede data vil det være afgørende at kombinere den eksperimentelle tilgang med Multiphysics modellering24. At overveje indlejrede funktioner i forskellige størrelser og variere deres position under overfladen vil være afgørende for at udvikle en mere omfattende model. Til gengæld vil dette fremme nanoIR-spektroskopiområdet mod anvendelser af virkelige heterogene og tredimensionelle materialer.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har intet at afsløre.
Acknowledgments
Dette arbejde blev støttet af 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).
