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Engineering

मल्टीफ़ेज़ पॉलिमरिक सिस्टम का पता लगाने के लिए नैनोस्केल इन्फ्रारेड स्पेक्ट्रोस्कोपी में प्रगति

Published: June 23, 2023 doi: 10.3791/65357
Automatic Translation
1,2, 1,2
1Nanoscience Technology Center, Physics Department, University of Central Florida, 2Physics Department, University of Central Florida

Summary

यह प्रोटोकॉल त्रि-आयामी बहु-बहुलक नमूनों के लक्षण वर्णन में फोटोथर्मल नैनोस्केल इन्फ्रारेड स्पेक्ट्रोस्कोपी के प्रदर्शन का मूल्यांकन करने के लिए परमाणु बल माइक्रोस्कोपी और नैनोस्केल इन्फ्रारेड स्पेक्ट्रोस्कोपी के आवेदन का वर्णन करता है।

Abstract

मल्टीफ़ेज़ पॉलिमरिक सिस्टम स्थानीय डोमेन को आयामों के साथ शामिल करते हैं जो कुछ दसियों नैनोमीटर से लेकर कई माइक्रोमीटर तक भिन्न हो सकते हैं। उनकी संरचना का आमतौर पर अवरक्त स्पेक्ट्रोस्कोपी का उपयोग करके मूल्यांकन किया जाता है, जो जांच की गई मात्रा में निहित विभिन्न सामग्रियों का औसत फिंगरप्रिंट प्रदान करता है। हालांकि, यह दृष्टिकोण सामग्री में चरणों की व्यवस्था पर कोई विवरण नहीं देता है। दो बहुलक चरणों के बीच इंटरफेसियल क्षेत्र, अक्सर नैनोस्केल रेंज में, उपयोग करने के लिए भी चुनौतीपूर्ण होते हैं। फोटोथर्मल नैनोस्केल इन्फ्रारेड स्पेक्ट्रोस्कोपी एक परमाणु बल माइक्रोस्कोप (एएफएम) की संवेदनशील जांच के साथ अवरक्त प्रकाश द्वारा उत्साहित सामग्रियों की स्थानीय प्रतिक्रिया की निगरानी करता है। जबकि तकनीक छोटी विशेषताओं से पूछताछ करने के लिए उपयुक्त है, जैसे कि प्राचीन सोने की सतहों पर व्यक्तिगत प्रोटीन, त्रि-आयामी बहु-घटक सामग्री का लक्षण वर्णन अधिक मायावी है। यह फोटोथर्मल विस्तार के दौर से गुजरने वाली सामग्री की अपेक्षाकृत बड़ी मात्रा के कारण है, जो नमूने पर लेजर फोकलिज़ेशन द्वारा परिभाषित किया गया है और बहुलक घटकों के थर्मल गुणों द्वारा, एएफएम टिप द्वारा जांच किए गए नैनोस्केल क्षेत्र की तुलना में। एक पॉलीस्टाइनिन (पीएस) मनका और एक पॉलीविनाइल अल्कोहल (पीवीए) फिल्म का उपयोग करते हुए, हम पीवीए फिल्म में पीएस की स्थिति के एक समारोह के रूप में सतह विश्लेषण के लिए फोटोथर्मल नैनोस्केल इन्फ्रारेड स्पेक्ट्रोस्कोपी के स्थानिक पदचिह्न का मूल्यांकन करते हैं। नैनोस्केल अवरक्त छवियों पर सुविधा की स्थिति के प्रभाव की जांच की जाती है, और स्पेक्ट्रा का अधिग्रहण किया जाता है। फोटोथर्मल नैनोस्केल इन्फ्रारेड स्पेक्ट्रोस्कोपी के क्षेत्र में भविष्य की प्रगति पर कुछ दृष्टिकोण प्रदान किए जाते हैं, एम्बेडेड पॉलिमरिक संरचनाओं के साथ जटिल प्रणालियों के लक्षण वर्णन पर विचार करते हुए।

Introduction

परमाणु बल माइक्रोस्कोपी (एएफएम) छवि और nanoscale संकल्प 1,2,3 के साथ नमूनों की एक विस्तृत विविधता की आकृति विज्ञान की विशेषता के लिए आवश्यक हो गया है. नमूना सतह के साथ तेज टिप की बातचीत से उत्पन्न एक एएफएम ब्रैकट के विक्षेपण को मापने के द्वारा, स्थानीय कठोरता माप और टिप नमूना आसंजन के लिए नैनोस्केल कार्यात्मक इमेजिंग प्रोटोकॉल 4,5 विकसित किया गया है. नरम संघनित पदार्थ और बहुलक विश्लेषण के लिए, स्थानीय डोमेन के नैनोमैकेनिकल और नैनोकेमिकल गुणों की खोज करने वाले एएफएम माप 6,7,8 के बाद अत्यधिक मांग में हैं। नैनोस्केल इन्फ्रारेड (नैनोआईआर) स्पेक्ट्रोस्कोपी के उद्भव से पहले, एएफएम युक्तियों को एएफएम बल वक्र से विभिन्न डोमेन की उपस्थिति का आकलन करने और टिप-नमूना इंटरैक्शन की प्रकृति में कटौती करने के लिए रासायनिक रूप से संशोधित किया गया था। उदाहरण के लिए, इस दृष्टिकोण का उपयोग उप 50 एनएम स्तर9 पर साइक्लोहेक्सेन-उपचारित पॉलीस्टाइनिन-ब्लॉक-पॉली (टर्ट-ब्यूटाइल एक्रिलेट) ब्लॉक कॉपोलीमर पतली फिल्मों की सतह पर पॉली (टर्ट-ब्यूटाइल एक्रिलेट) के माइक्रोडोमेन के परिवर्तन का अनावरण करने के लिए किया गया था।

एएफएम के साथ अवरक्त (आईआर) प्रकाश के संयोजन का बहुलक विज्ञान6 के क्षेत्र पर महत्वपूर्ण प्रभाव पड़ा है। पारंपरिक आईआर स्पेक्ट्रोस्कोपी बहुलक सामग्री10,11 की रासायनिक संरचना का अध्ययन करने के लिए एक व्यापक रूप से इस्तेमाल की जाने वाली तकनीक है, लेकिन यह व्यक्तिगत चरणों और इंटरपेज़ व्यवहार के बारे में जानकारी प्रदान करने में विफल रहता है, क्योंकि नमूना जांच के लिए उपयोग किए जाने वाले आईआर बीम के आकार की तुलना में क्षेत्र बहुत छोटे हैं। समस्या आईआर माइक्रोस्पेक्ट्रोस्कोपी के साथ रखती है, क्योंकि यह ऑप्टिकल विवर्तन सीमा6 द्वारा प्रतिबंधित है। इस तरह के माप आईआर प्रकाश से उत्साहित पूरे क्षेत्र के योगदान का औसत लेते हैं; जांच क्षेत्र के अंदर नैनोस्केल चरणों की उपस्थिति से उत्पन्न संकेत या तो जटिल उंगलियों के निशान प्रदर्शित करते हैं जिन्हें पोस्ट-प्रोसेसिंग के दौरान विघटित किया जाना चाहिए या पता लगाने योग्य स्तर से नीचे सिग्नल स्तर के कारण खो जाता है। इसलिए, जटिल मीडिया में नैनोस्केल रासायनिक विशेषताओं का पता लगाने के लिए नैनोस्केल स्थानिक संकल्प और उच्च आईआर संवेदनशीलता में सक्षम उपकरण विकसित करना आवश्यक है।

नैनोआईआर स्पेक्ट्रोस्कोपी प्राप्त करने के लिए योजनाएं विकसित की गई हैं, पहले नैनोएंटेना12,13 के रूप में एक धातु एएफएम टिप का उपयोग करके, और हाल ही में नमूना 12,14,15 के आईआर रोशनी के दौरान किए गए फोटोथर्मल विस्तार में परिवर्तन की निगरानी के लिए एएफएम कैंटिलीवर की क्षमता का शोषण करना। उत्तरार्द्ध एक स्पंदित, ट्यून करने योग्य आईआर प्रकाश स्रोत का उपयोग करता है जो जांच की गई सामग्री के अवशोषण बैंड के लिए ट्यून किया जाता है, जिससे नमूना विकिरण को अवशोषित करता है और फोटोथर्मल विस्तार से गुजरता है। यह दृष्टिकोण कार्बनिक और बहुलक सामग्री के लिए अच्छी तरह से अनुकूल है। स्पंदित उत्तेजना एक दोलन के रूप में नमूना सतह के संपर्क में एएफएम ब्रैकट द्वारा प्रभाव का पता लगाने योग्य बनाती है। आवृत्ति स्पेक्ट्रम में मनाया प्रणाली के संपर्क अनुनादों में से एक के आयाम तो AFM टिप15 के नीचे सामग्री के nanoIR अवशोषण स्पेक्ट्रम का गठन जो रोशनी तरंग दैर्ध्य, के एक समारोह के रूप में नजर रखी है. नैनोआईआर इमेजिंग और स्पेक्ट्रोस्कोपी का स्थानिक संकल्प सामग्री के फोटोथर्मल विस्तार के विभिन्न प्रभावों से सीमित है। यह संपर्क मोड एएफएम का उपयोग कर फोटोथर्मल नैनोआईआर स्पेक्ट्रोस्कोपी उप 50 एनएम पैमाने स्थानिक संकल्प14 के साथ सामग्री के कंपन अवशोषण स्पेक्ट्रा गुणों का अधिग्रहण कर सकते हैं, हाल ही में काम मोनोमर्स और α-सिंक्यूक्लिन16,17 के डिमर का पता लगाने का प्रदर्शन के साथ, मूल्यांकन किया गया है. हालांकि, विभिन्न विन्यासों में इकट्ठे विषम बहुलक सामग्रियों पर नैनोआईआर माप के प्रदर्शन का मात्रात्मक अध्ययन, जैसे कि विभिन्न बहुलक फिल्मों की मात्रा में एम्बेडेड परिमित आयामों के अवशोषक का मामला, सीमित रहता है।

इस लेख का उद्देश्य सतह विश्लेषण के दौरान नैनोआईआर के फोटोथर्मल विस्तार और स्थानिक संकल्प की संवेदनशीलता का मूल्यांकन करने के लिए एक ज्ञात आयाम की एक एम्बेडेड विशेषता के साथ एक बहुलक विधानसभा बनाना है। प्रोटोकॉल में एक सिलिकॉन सब्सट्रेट पर एक पॉलीविनाइल अल्कोहल (पीवीए) बहुलक पतली फिल्म की तैयारी और पीवीए फिल्म में तीन आयामी पॉलीस्टायर्न (पीएस) मनका की नियुक्ति या एम्बेडेड शामिल है, जो मॉडल प्रणाली के गठन का गठन करता है। नैनोआईआर इमेजिंग और स्पेक्ट्रोस्कोपी माप पीवीए फिल्म पर या उसके नीचे स्थित एक ही पीएस मनका द्वारा उत्पन्न संकेतों के मूल्यांकन के संदर्भ में वर्णित हैं। नैनोआईआर संकेतों पर मनका स्थिति के प्रभाव का मूल्यांकन किया जाता है। नैनोआईआर मानचित्र में मनका के स्थानिक पदचिह्न का आकलन करने के तरीकों पर चर्चा की जाती है, और कई मापदंडों के प्रभावों पर विचार किया जाता है।

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Protocol

1. पॉलीविनाइल अल्कोहल (पीवीए) समाधान बनाना

  1. वजन से पानी के अनुपात में 20% पीवीए पर 10 एमएल समाधान बनाने के लिए पानी और पीवीए बहुलक छर्रों ( सामग्री की तालिकादेखें) को मापें।
  2. कांच के बने पदार्थ में पानी को 100 डिग्री सेल्सियस पर सेट गर्म करें।
  3. पीवीए बहुलक छर्रों को गर्म पानी में रखें। एक चुंबकीय हलचल पट्टी डालें।
  4. गर्मी को 80 डिग्री सेल्सियस तक कम करें और तब तक हिलाएं जब तक कि पीवीए पूरी तरह से घुल न जाए।
  5. संदूषण को रोकने के लिए कांच के बने पदार्थ के शीर्ष को कवर करें।
  6. एक बार पूरी तरह से भंग हो जाने पर, 20% पीवीए समाधान को कमरे के तापमान पर भंडारण के लिए उपयुक्त भंडारण कंटेनर में रखें।

2. पीवीए-लेपित सिलिकॉन (सी) वेफर्स तैयार करना

  1. ~ 10 x 10 मिमी2 वर्गों में एक सिलिकॉन (सी) वेफर (सामग्री की तालिकादेखें) काटें।
  2. आइसोप्रोपिल अल्कोहल का उपयोग करके सी सब्सट्रेट को साफ करें और इसे सूखने दें।
  3. स्पिन कोटर के चक पर साफ सी वेफर रखें ( सामग्री की तालिकादेखें)।
    1. सी सब्सट्रेट के केंद्र पर पीवीए समाधान के लगभग 10 माइक्रोन कास्ट करें। बुलबुला गठन से बचने की कोशिश करें।
    2. 1,500 रोटेशन प्रति मिनट (आरपीएम) पर 30 एस के लिए स्पिन कोटिंग द्वारा एक समान पीवीए फिल्म के साथ सी सब्सट्रेट को कोट करें।
      नोट: तरल और स्पिन कोटिंग मापदंडों की निर्दिष्ट मात्रा सब्सट्रेट की सतह पर पीवीए की एक समान परत बनाती है ताकि स्पिन कोटिंग के बीच तेजी से सूखने और अगले चरण में पीवीए सतह पर पीएस मोती रखने के लिए पर्याप्त मोटाई के साथ पीवीए की एक समान परत बनाई जा सके।
  4. स्पिन कोटर से नमूना निकालें और पीएस मोतियों को स्थानांतरित करने से पहले संदूषण को रोकने के लिए इसे एक साफ नमूना कंटेनर में रखें।

3. पीएस मोतियों को पीवीए-लेपित सतह पर रखना

  1. आइसोप्रोपिल अल्कोहल का उपयोग करके एक सी सब्सट्रेट को साफ करें और इसे सूखने दें।
  2. एक विंदुक का प्रयोग, पीएस मोती सब्सट्रेट के केंद्र पर पानी में निलंबित के 1 माइक्रोन जगह.
  3. बेंटोनाइट क्ले डिसेकेंट युक्त भंडारण डिब्बे में नमूना रखकर पानी को वाष्पित होने दें।
    नोट: यह कदम आर्द्रता के संपर्क को कम करके नमूना को संरक्षित करता है।
  4. एक ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप के तहत पीवीए-लेपित सब्सट्रेट (चरण 2.4) और सूखे पीएस मोती (चरण 3.3) के साथ सब्सट्रेट रखें। उनके आकार के आधार पर, एक एकल मनका सरल दूरबीन का उपयोग कर दिखाई देगा या उच्च ऑप्टिकल बढ़ाई की आवश्यकता होगी.
  5. धीरे ultrafine चिमटी ( सामग्री की तालिकादेखें) का उपयोग मोती ढीला. कुछ ढीले मोतियों को इकट्ठा करने के लिए एक ठीक बाल तूलिका का प्रयोग करें और हल्के से ताजा पीवीए-लेपित वेफर पर तूलिका के बालों को टैप करें। एकाधिक स्वीप को मोतियों को ब्रश के बालों के भीतर जमा होने की अनुमति देनी चाहिए। चिपचिपा पीवीए सतह पर मोतियों को छोड़ने के लिए पीएस मनका पाउडर को परेशान करने के लिए तूलिका बाल के शीर्ष पर टैप करें।
    नोट: यह महत्वपूर्ण है कि पीवीए फिल्म की सतह पर फाइबर और दूषित पदार्थों को छोड़ने से बचने के लिए तूलिका उच्च गुणवत्ता और साफ हो। इस चरण के दौरान जल्दी से आगे बढ़ना आवश्यक है ताकि पीवीए पूरी तरह से सूख न जाए।
  6. इस चरण को तब तक दोहराएं जब तक कि ऑप्टिकल माइक्रोस्कोपी निरीक्षण द्वारा पुष्टि न हो जाए कि व्यक्तिगत पीएस मोती पीवीए सतह का पालन करते हैं।
  7. नमूने को एक साफ कंटेनर में स्टोर करें। नमूना पूरी तरह से सूखी करने के लिए अनुमति दें.
    नोट: आगे विश्लेषण के प्रयासों से पहले नमूना को पूरी तरह से ठंडा और सूखने की अनुमति दी जानी चाहिए। एएफएम ऊंचाई माप या सतह प्रोफाइलर माप लगातार पीवीए फिल्मों की मोटाई का आकलन कर सकते हैं।

4. AFM लक्षण वर्णन के लिए नमूना लोड हो रहा है

नोट: वर्णित प्रोटोकॉल एक nanoIR2 ( सामग्री की तालिकादेखें) मंच के मानक संचालन प्रक्रियाओं पर आधारित है, लेकिन माप के लिए इस्तेमाल AFM मॉडल के अनुसार अनुकूलित किया जाना चाहिए.

  1. PVA और PS मनका नमूना AFM पर माउंट करें एक धातु AFM डिस्क और चिपकने वाला टैब का उपयोग करके चरण, ताकि नमूना नमूना धारक से मजबूती से जुड़ा हो।
  2. AFM जांच धारक पर एक नैनोआईआर जांच (जैसे, FORTGG) माउंट करें।
    नोट: एएफएम ब्रैकट 225 माइक्रोन लंबा, 27 माइक्रोन चौड़ा और 2.7 माइक्रोन मोटा है, जिसमें 10 एनएम से कम की टिप त्रिज्या है। ब्रैकट को नमूने के शीर्ष-पक्ष आईआर रोशनी के प्रति अपनी प्रतिक्रिया को सीमित करने के लिए दोनों तरफ 45 एनएम मोटी सोने की फिल्म के साथ लेपित किया जाता है ( सामग्री की तालिकादेखें)। नैनोआईआर स्पेक्ट्रोस्कोपी माप के लिए, अधिमानतः एक ब्रैकट का उपयोग करें जिसे उपयोग करने से पहले पॉलीडिमिथाइलसिलोक्सेन मुक्त वातावरण में संग्रहीत किया गया है।
  3. लेजर संरेखण knobs मोड़ द्वारा ब्रैकट बीम के मुक्त अंत में पढ़ने बाहर लेजर संरेखित (एक्स और लेजर स्थिति के वाई समायोजन और डिटेक्टर स्थिति के ऊर्ध्वाधर समायोजन).
    1. डिटेक्टर के एसयूएम सिग्नल को अधिकतम करें।
    2. विक्षेपण घुंडी को घुमाकर डिटेक्टर की स्थिति को समायोजित करें ताकि लेजर एएफएम रीड-आउट सिस्टम के स्थिति-संवेदनशील डिटेक्टर के केंद्र के साथ संरेखित हो, जो ~ 0 वी के ऊर्ध्वाधर विक्षेपण संकेत के अनुरूप हो।
  4. AFM "प्रोब" कंट्रोल पैनल में लोड आइकन पर क्लिक करें।
    1. विज़ार्ड स्क्रीन के भीतर संकेतों का पालन करें। नैनोआईआर कैंटिलीवर के फोकल विमान को निर्धारित करने के लिए फोकस तीर का उपयोग करें। ब्रैकट को स्क्रीन के केंद्र में रखने के लिए XY-विस्थापन नियंत्रणों का उपयोग करें (सफेद क्रॉस के साथ संरेखित)।
    2. अगला, नमूना की सतह के फोकल विमान को खोजने के लिए फोकस तीर पर क्लिक करें.
    3. ब्याज के मनका ऊपर ब्रैकट टिप की स्थिति के लिए सिस्टम और XY विस्थापन नियंत्रण के ऑप्टिकल दृश्य का उपयोग करें और अगला पर क्लिक करें.
    4. एंगेज स्क्रीन पर, "स्टैंडऑफ" को 50 माइक्रोन पर सेट करें और केवल एप्रोच पर क्लिक करें।
  5. इमेजिंग के लिए टिप दृष्टिकोण करने के लिए संलग्न प्रक्रिया आरंभ करें।

5. मल्टीपॉलिमर नमूने की स्थलाकृतिक और नैनोआईआर छवियां बनाना

  1. मानक "संपर्क मोड" में स्थलाकृति छवियों को प्राप्त करें। पीएस मनका के संबंध में ब्रैकट की स्थिति सेट है एक बार, AFM "जांच" नियंत्रण कक्ष में संलग्न आइकन पर क्लिक करके दृष्टिकोण आरंभ करें. 0.2 वी के विक्षेपण अंतर का एक संलग्न सेटपॉइंट यहां पूरे अध्ययन के लिए उपयोग किया जाता है, जो ~ 100 एनए के बल के अनुरूप होता है।
    AFM "स्कैन" कंट्रोल पैनल में, स्कैन दर को 0.8 हर्ट्ज, स्कैन आकार (ऊंचाई और चौड़ाई), और प्रति पंक्ति बिंदुओं की संख्या और इमेजिंग के लिए उपयोग करने के लिए प्रति छवि लाइनों की संख्या (512 x 512 का उपयोग यहां किया गया था) पर सेट करें। स्थलाकृति छवि प्राप्त करने के लिए स्कैन पर क्लिक करें।
    नोट: ब्रैकट18 का अंशांकन नीलम सब्सट्रेट(अनुपूरक चित्रा 1ए)के साथ बातचीत करने वाले ब्रैकट के साथ प्राप्त विक्षेपण-दूरी वक्र के ढलान से विक्षेपण संवेदनशीलता (एनएम/वी में) का निर्धारण करके किया जाता है। ब्रैकट कठोरता थर्मल ट्यूनिंग19 (पूरक चित्रा 1 बी) से निर्धारित किया जाता है। ब्रैकट की अनुनाद को लोरेंत्ज़ियन फ़ंक्शन का उपयोग करके फिट किया जाता है। ब्रैकट कठोरता (N/m में) समविभाजन प्रमेय Equation 1का उपयोग करके निर्धारित की जाती है, जहां KBबोल्ट्जमान स्थिरांक है, T तापमान (T = 295K) है, और P थर्मल ट्यूनिंग डेटा20 के लोरेंत्ज़ियन फिट को एकीकृत करके निर्धारित ब्रैकट के थर्मल उतार-चढ़ाव के पावर स्पेक्ट्रम का क्षेत्र है।
  2. नैनोआईआर माप के लिए, स्थलाकृति छवि से पहचाने गए ब्याज की सुविधा पर एएफएम टिप की स्थिति बनाएं।
    1. कैंटिलीवर के संपर्क अनुनाद आवृत्तियों को निर्धारित करने के लिए नैनोआईआर नियंत्रण कक्ष में ट्यूनिंग कांटा आइकन का चयन करें। एक रोशनी तरंग संख्या सेट करें जो सामग्री में फोटोथर्मल विस्तार को उत्तेजित करेगा। स्वीप करने के लिए लेजर पल्स आवृत्ति की एक श्रृंखला सेट करें और नैनोआईआर लेजर के कर्तव्य चक्र को सेट करें। "लेजर पल्स ट्यून विंडो" के भीतर प्राप्त करें का चयन करें।
    2. दूसरे संपर्क अनुनाद के शिखर पर मार्कर बार (हरी ऊर्ध्वाधर रेखा) की स्थिति के द्वारा नैनोआईआर माप के लिए टिप-नमूना प्रणाली के दूसरे संपर्क अनुनाद का चयन करें।
      नोट: संपर्क अनुनाद मोड का चयन ब्रैकट और नमूने के प्रकार के आधार पर भिन्न हो सकता है।
    3. ब्रैकट टिप की स्थिति के साथ आईआर लेजर फोकल क्षेत्र के केंद्र को संरेखित करने के लिए ऑप्टिमाइज़ पर क्लिक करें। संरेखण एक चयनित आईआर रोशनी तरंग संख्या पर किया जाता है, जो जांच की गई सामग्री के अवशोषण बैंड के अनुरूप होता है। ब्रैकट लेजर पदचिह्न (पूरक चित्रा 2) के केंद्र में स्थित है।
      नोट: लेजर मॉडल के आधार पर विभिन्न तरंगों के लिए संरेखण भिन्न हो सकता है।
    4. आईआर लेजर रोशनी की पृष्ठभूमि प्राप्त करें। इसमें चयनित पल्स आवृत्ति (पूरक चित्रा 3) पर उत्सर्जन की तरंग दैर्ध्य रेंज में आईआर क्वांटम कैस्केड लेजर (क्यूसीएल) के उत्पादन को मापने के शामिल हैं। यह nanoIR स्पेक्ट्रा की पृष्ठभूमि सुधार के लिए महत्वपूर्ण है.
    5. तरंग संख्या रेंज (यहां, स्टार्ट और स्टॉप क्रमशः 1,530 सेमी-1 और 1,800 सेमी-1 पर सेट हैं), चरण आकार (2 सेमी-1), और माप के लिए उपयोग किए जाने वाले औसत की संख्या का चयन करके नैनोआईआर स्पेक्ट्रम प्राप्त करें। क्षीण पृष्ठभूमि द्वारा मापा फोटोथर्मल आयाम को विभाजित करके प्रदर्शित स्पेक्ट्रा की पृष्ठभूमि सुधार करें, जिसमें माप के लिए चयनित शक्ति के प्रतिशत से चरण 5.2.4 में एकत्र की गई पृष्ठभूमि को गुणा करना शामिल है।
  3. नैनोआईआर इमेजिंग के लिए, इमेजिंग के लिए रुचि के क्षेत्र का चयन करें।
    1. "लेजर पल्स ट्यून विंडो" (ट्यूनिंग फोर्क आइकन द्वारा पहुँचा) में चरण-बंद लूप (पीएलएल) ऑटो-ट्यून सक्षम करें।
    2. सामान्य नियंत्रण कक्ष में दूसरे अनुनाद मोड पर केंद्रित स्वीप रेंज बनाने के लिए न्यूनतम और अधिकतम आवृत्ति समायोजित करें।
    3. पीएलएल नियंत्रण कक्ष में शून्य पर क्लिक करके चरण शून्य और फिर "लेजर पल्स ट्यून विंडो" में ठीक पर क्लिक करें.
    4. नैनोआईआर नियंत्रण कक्ष के भीतर बॉक्स में एक चेकमार्क लगाकर सक्षम आईआर इमेजिंग का चयन करें।
    5. "इमेजिंग दृश्य" नियंत्रण कक्ष में, ऊंचाई (इमेजिंग दृश्य 1), आयाम 2 (इमेजिंग दृश्य 2), और चरण 2 (इमेजिंग दृश्य 3) का चयन नमूना की स्थलाकृतिक और रासायनिक छवियों को प्राप्त करने के लिए. प्राप्ति दिशा ट्रेस (या रिट्रेस) पर सेट करें। एक लाइन फिट लाइन अक्सर हासिल किया जा रहा नमूना की स्थलाकृति छवि का निरीक्षण करने के लिए आवश्यक है. कैप्चर फ़िट को कोई नहीं पर सेट किया जाना चाहिए।
      नोट: स्कैनिंग वरीयताएँ, जैसे स्कैन दिशा कैप्चर की गई या उपयोग किए गए रंग पैलेट, को आवश्यकतानुसार समायोजित किया जा सकता है।
    6. AFM "स्कैन" कंट्रोल पैनल में, स्कैन आइकन चुनें।
    7. छवि को बचाने के लिए, "कैप्चर" नियंत्रण कक्ष में अब या फ्रेम आइकन का अंत चुनें।
  4. डेटा निर्यात करने के लिए, डेटा सूचियों के भीतर छवि या स्पेक्ट्रम फ़ाइल नामों पर राइट-क्लिक करें। निर्यात का चयन करें और निर्यात करने के लिए फ़ाइल का प्रारूप चुनें। फ़ाइल को इच्छित कंप्यूटर फ़ोल्डर स्थान में सहेजें।

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Representative Results

पीएस (सी,8, एच,8)एन) मोती एक साफ सी सब्सट्रेट(चित्रा 1ए)और पीवीए(सीएच2, सीएचओएच)एन)(चित्रा 1बी,सी)पर जमा किए गए थे। सी पर मनका के गरीब आसंजन के कारण, संपर्क मोड में nanoir इमेजिंग इस नमूने के लिए हासिल नहीं किया जा सका. इसके बजाय, नैनोआईआर पर नमूने के ऑप्टिकल दृश्य का उपयोग करते हुए, सोने लेपित एएफएम जांच लगभग 100 एनएन(चित्रा 2ए)की अनुमानित शक्ति के साथ, संपर्क मोड में पीएस मनका के शीर्ष पर लगी हुई थी। स्पंदित आईआर लेजर को 1,730 सेमी-1 पर नमूना उत्तेजित करने के लिए सेट किया गया था, क्योंकि पीएस और पीवीए दोनों को इस तरंग संख्या में अवशोषित होने की उम्मीद है। लेजर की पल्स आवृत्ति नैनोआईआर स्पेक्ट्रम माप के लिए ब्रैकट के संपर्क अनुनाद को निर्धारित करने के लिए बह गई थी। जब संपर्क अनुनाद आवृत्ति पर स्पंदित किया जाता है, तो दोलन(चित्रा 2बी)के आयाम को निर्धारित करने के लिए ब्रैकट प्रतिक्रिया की निगरानी की जाती थी। इसके बाद, नैनोआईआर स्पेक्ट्रा का निर्माण 2 सेमी-1(चित्रा 2सी)के चरणों में 1,530 से 1,800 सेमी-1 तक, रोशनी तरंग संख्या के एक समारोह के रूप में संपर्क अनुनाद के आयाम की निगरानी करके किया गया था। इस सीमा (चित्रा 3 ए, इनसेट) में, स्पेक्ट्रम ने 1,600 सेमी-1 और 1,730 सेमी-1 पर केंद्रित दो आईआर बैंड की उपस्थिति का खुलासा किया, जो फिनाइल मोइटी के प्रमुख खिंचाव मोड और पीएस में खींचने वाली अंगूठी के सबसेट के अनुरूप है, क्रमशः21. पीएस के दूर-क्षेत्र फूरियर ट्रांसफॉर्म इन्फ्रारेड (एफटीआईआर) स्पेक्ट्रम के साथ नैनोआईआर स्पेक्ट्रम की तुलना करते हुए 1,600 सेमी-1(चित्रा 3ए)पर सुगंधित मोड की उपस्थिति की पुष्टि की। हालांकि, यह नोट किया गया था कि सापेक्ष आयाम I1600/I1730 एफटीआईआर और नैनोआईआर स्पेक्ट्रा में 2.9 और 0.9 के संबंधित मूल्यों के साथ काफी भिन्न था। यह नैनोआईआर स्पेक्ट्रोस्कोपी का पता लगाने के तंत्र के लिए जिम्मेदार ठहराया गया था, जो एफटीआईआर स्पेक्ट्रोस्कोपी के रूप में इसके अवशोषण के बजाय बहुलक के फोटोथर्मल विस्तार की निगरानी करता है। पीएस के मामले में, यह 1,730 सेमी -1 पर सुगंधित उप-बैंड को उत्तेजित करते समय एक उच्च फोटोथर्मल विस्तार के अनुरूप था। पीवीए के नैनोआईआर स्पेक्ट्रम ने एफटीआईआर स्पेक्ट्रम के साथ ~ 1,730 सेमी-1(चित्रा 3बी)पर केंद्रित एक प्रमुख अवशोषण बैंड के साथ बेहतर समझौते का प्रदर्शन किया। हालांकि इस बैंड को शुद्ध पीवीए में अपेक्षित नहीं था, जिसमें सी = ओ समूह शामिल नहीं है, पूर्व कार्य से पता चलता है कि बैंड की उपस्थिति को पीवीए की तैयारी में उपयोग किए जाने वाले अवशिष्ट एसीटेट के कारण कार्बोनिल कार्यात्मक समूहों के लिए जिम्मेदार ठहराया जा सकता है (~ 80% -90% हाइड्रोलाइज्ड के रूप में दर)22. इस अध्ययन के प्रयोजन के लिए, 1,730 सेमी-1 पर एक बैंड की उपस्थिति पीएस और पीवीए के एक साथ अवशोषण के प्रभाव का आकलन करने के लिए उपयुक्त थी।

नैनोआईआर स्पेक्ट्रा का उपयोग पीवीए(चित्रा 4ए-सी)की सतह पर जमा पीएस मनका की रासायनिक इमेजिंग के लिए रोशनी तरंग संख्याओं का चयन करने के लिए किया गया था और पीवीए(चित्रा 4डी-एफ)के साथ लेपित पीएस मनका का। सिस्टम की पीएलएल संपर्क अनुनाद आवृत्ति ट्रैकिंग क्षमता का उपयोग यह सुनिश्चित करने के लिए किया गया था कि प्रत्येक पिक्सेल पर आयाम माप संपर्क अनुनाद शिखर15(चित्रा 2सी)के अधिकतम आयाम के अनुरूप हो। ब्रैकट के संपर्क अनुनाद को मापा गया था जब ब्रैकट टिप पीवीए और पीएस के संपर्क में था ताकि पीएलएल आवृत्ति ट्रैकिंग की उपयुक्त सीमा निर्धारित की जा सके।

नैनोआईआर छवियों को पहले 1,600 सेमी-1 पर अधिग्रहित किया गया था, जो उस मामले से मेल खाती है जहां पीएस सिस्टम का प्रमुख अवशोषक है (चित्र 4 एआई; डीआई))। हालांकि एक 5 माइक्रोन पीएस मनका दोनों मामलों में imaged था, इस तरंग दैर्ध्य पर दर्ज photothermal विस्तार के आयाम अलग था जब टिप सीधे पीएस मनका के साथ संपर्क में था और जब टिप पीएस मनका के शीर्ष पर पतली पीवीए कोटिंग के साथ संपर्क में था. पीएस मनका के ऊपर पता चला फोटोथर्मल विस्तार में वृद्धि काफी छोटी थी जब मनका पीवीए की परत के साथ कवर किया गया था, एक सतह प्रोफाइलर(अनुपूरक चित्रा 4)का उपयोग करके ~ 1.8 माइक्रोन मोटी होने का अनुमान था। उपयोग की जाने वाली लेजर शक्ति (1.47%, जो 1,600 सेमी-1 पर ~ 3.4 मेगावाट और 1,730 सेमी-1 पर ~ 3.8 मेगावाट) (पूरक तालिका 1) से मेल खाती है, एक क्षेत्र ~ 13 माइक्रोन व्यास में पीएस मनका से दूर शुद्ध गैर-अवशोषित पीवीए परत पर दर्ज सिग्नल के ऊपर ~ 2 एनएम आयाम में मामूली वृद्धि प्रदर्शित की। आयाम वृद्धि के स्थानिक पदचिह्न की तुलना में बहुत व्यापक था जब पीएस मनका पीवीए फिल्म (चित्रा 4 ए) के शीर्ष पर था, जहां फोटोथर्मल विस्तार संकेत विषम था, लेकिन एक क्षेत्र के भीतर निहित रहा ~ 6 माइक्रोन तेजी से स्कैन दिशा में चौड़ा और ~ 8 माइक्रोन छवि की धीमी स्कैन दिशा में लंबा। इस क्षेत्र में आयाम रीडिंग शुद्ध पीवीए परत के फोटोथर्मल विस्तार के ऊपर 12.1 एनएम तक पहुंच गई। 1,730 सेमी-1 पर नमूना रोशन करते समय, पीएस और पीवीए दोनों ने 1,600 सेमी-1 की तुलना में फोटोथर्मल विस्तार के उच्च आयाम का प्रदर्शन किया। उजागर पीएस मनका (चित्रा 4 सीमैं) के मामले में, फोटोथर्मल विस्तार मनका के शीर्ष पर उच्चतम था, 26.5 एनएम तक मूल्यों तक पहुंचने. उच्च फोटोथर्मल प्रतिक्रिया ने चित्रा 4 एमें देखे गए पदचिह्न से परे कई माइक्रोमीटर बढ़ाया। पीवीए भी उत्तेजना के कारण विस्तार हुआ, लेकिन कम आयाम पर, अर्थात् ~ 7.6 एनएम पीएस मनका से दूर दर्ज किया गया। यह नोट किया गया था कि प्रतिक्रिया पीएस मनका के बाईं ओर लगातार सबसे मजबूत थी। एम्बेडेड मनका (चित्रा 4F) के लिए, संकेत अधिक सममित था, लेकिन पीएस मनका के ऊपर फोटोथर्मल विस्तार का आयाम पीवीए की तुलना में केवल ~ 2.3 एनएम अधिक था। इसके लिए, पीएस हीटिंग से प्रभावित क्षेत्र के 10-13 माइक्रोन पदचिह्न के भीतर ~ 13.6 एनएम का एक सुसंगत फोटोथर्मल आयाम दर्ज किया गया था, जो एएफएम जांच के साथ सतह को मैप करने से निर्धारित किया गया था। 1,620 सेमी-1 पर किए गए माप के मामले में, कोई संकेत नहीं मिला, जो स्पेक्ट्रम के इस क्षेत्र में पीएस और पीवीए के लिए एक उल्लेखनीय आईआर अवशोषण बैंड की अनुपस्थिति के अनुरूप है।

अगला, एक पीएस मनका कवर के शीर्ष पर एकत्र nanoIR स्पेक्ट्रा PVA (चित्रा 5A) के साथ तुलना की गई थी. 1,600 सेमी-1 पर पीएस सिग्नल खुला मनका के मामले की तुलना में काफी कम था। बैंड के कम योगदान के बावजूद, संकेतों के आगे विश्लेषण ने पुष्टि की कि लेजर शक्ति में वृद्धि से उच्च अनुपात I1600/I1730(चित्रा 5बी,सी)हो गया। परिणामों ने सुझाव दिया कि एक उच्च लेजर शक्ति बड़ी पैठ गहराई से मेल खाती है, जैसा कि चित्रा 5 बी में दर्शाया गया है। बदले में, यह एक अलग लेजर शक्ति के तहत एकत्र की गई नैनोआईआर छवि को प्रभावित करता है। ~ 20 मेगावाट की उच्च शक्ति पर, सामग्री के फोटोथर्मल आयाम ने लगातार कम लेजर शक्तियों की तुलना में कम आयाम का प्रदर्शन किया। इसके अलावा, स्पेक्ट्रा में शोर का स्तर बढ़ गया, सामग्री में कुछ अस्थिरता का सुझाव देते हुए, संभवतः बहुलक में तापमान में वृद्धि के कारण।

Figure 1
चित्रा 1: पीएस मोतियों का जमाव। स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (एसईएम) एक प्राचीन सिलिकॉन सब्सट्रेट के शीर्ष पर 5 माइक्रोन पीएस मनका (ए) की छवि, (बी) एक पीवीए फिल्म के शीर्ष पर, और (सी) पीवीए के साथ कवर किया। स्केल बार = 1 माइक्रोन. कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 2
चित्रा 2: योजनाबद्ध नैनोआईआर इमेजिंग और स्पेक्ट्रोस्कोपी के सिद्धांत को दर्शाता है। (ए) आईआर स्पंदित लेजर को संरेखित किया जाता है और नमूने के साथ धातु एएफएम ब्रैकट टिप के संपर्क के बिंदु पर केंद्रित किया जाता है। ब्रैकट आईआर अवशोषण के परिणामस्वरूप सामग्री की फोटोथर्मल प्रतिक्रिया को मापता है। दोनों तरफ सोने की परत का उपयोग माप के दौरान ब्रैकट के फोटोथर्मल और ध्वनिक योगदान को कम करने के लिए किया जाता है, जो नमूने के नैनोआईआर माप में हस्तक्षेप करेगा। (बी) समय डोमेन [एस (टी)] और आवृत्ति डोमेन [एस (ω)] में ब्रैकट के विक्षेपण की निगरानी करने वाले स्थिति-संवेदनशील डिटेक्टर का संकेत। ब्रैकट के संपर्क अनुनाद मोड को लॉक-इन एम्पलीफायर माप द्वारा पहचाना जाता है। इमेजिंग के दौरान पीएलएल ट्रैकिंग के लिए दूसरा संपर्क अनुनाद का उपयोग किया जाता है। संपर्क अनुनाद मोड का आयाम Acr2 मापा जाता है। (सी) नैनोआईआर स्पेक्ट्रम आयाम ए सीआर में परिवर्तन की निगरानी करके प्राप्त किया जाताहै2 रोशनी तरंग संख्या के एक समारोह के रूप में। NanoIR छवि नमूना पर टिप की स्थिति का एक समारोह के रूप में आयाम एकcr2 में परिवर्तन की निगरानी के द्वारा प्राप्त किया गया था. कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 3
चित्रा 3: पीएस और पीवीए का आईआर स्पेक्ट्रा। (ए) पीएस का एफटीआईआर स्पेक्ट्रम। लाल बॉक्स नैनोआईआर स्पेक्ट्रोस्कोपी के साथ अध्ययन किए गए स्पेक्ट्रम की सीमा को इंगित करता है। इनसेट में संबंधित नैनोआईआर पीएस स्पेक्ट्रम प्रदान किया जाता है। (बी) पीवीए का एफटीआईआर स्पेक्ट्रम। लाल बॉक्स नैनोआईआर स्पेक्ट्रोस्कोपी के साथ अध्ययन किए गए स्पेक्ट्रम की सीमा को इंगित करता है। इनसेट में संबंधित नैनोआईआर पीवीए स्पेक्ट्रम प्रदान किया जाता है। कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 4
चित्रा 4: नैनोआईआर इमेजिंग। पीएस मनका (एसी) पीवीए की सतह पर जमा होता है और (डीएफ) पीवीए में एम्बेडेड होता है जैसा कि इनसेट में दर्शाया गया है। (Ai, Di) 1,600 cm-1, (Bi, Ei) 1,620 cm-1, और (Ci, Fi) 1,730 cm-1 पर अधिग्रहित नैनोआईआर मानचित्र 3D स्थलाकृति मानचित्र पर ओवरले किए गए हैं। सफेद धराशायी रेखा के साथ निकाले गए अनुरूप स्थलाकृति और नैनोआईआर प्रोफाइल संबंधित रेखांकन (ii) में प्रस्तुत किए जाते हैं। स्केल बार = 5 माइक्रोन. कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 5
चित्रा 5: नैनोआईआर स्पेक्ट्रम पीवीए के साथ लेपित पीएस मनका के संपर्क में एएफएम टिप द्वारा एकत्रित. (ए) नैनोआईआर स्पेक्ट्रा पी 1 = 1.47%, पी 2 = 2.48%, पी 3 = 5.20%, और पी 4 = लेजर शक्ति का 11% पर एकत्र किया गया। लेजर शक्ति तरंग दैर्ध्य के एक समारोह के रूप में भिन्न होती है, जिसे प्रत्येक मामले के लिए क्षीण पृष्ठभूमि सुधार द्वारा ठीक किया जाता है। (बी) एकत्रित संकेतों की ताकत पर लेजर शक्ति के प्रभाव को दर्शाने वाले योजनाबद्ध। (सी) लेजर शक्ति के एक समारोह के रूप में अनुपात I1600/I1730 । कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

अनुपूरक चित्रा 1: नैनोआईआर कैंटिलीवर का अंशांकन। (ए) नीलम सब्सट्रेट पर प्राप्त विक्षेपण-दूरी वक्र। पीछे हटने की वक्र की ढलान वसंत स्थिरांक की गणना करने के लिए उपयोग किए जाने वाले ब्रैकट की विक्षेपण संवेदनशीलता प्रदान करती है। (बी) वसंत स्थिरांक की गणना करने के लिए उपयोग किए जाने वाले थर्मल ट्यूनिंग द्वारा निर्धारित ब्रैकट अनुनाद आवृत्ति। कृपया इस फ़ाइल को डाउनलोड करने के लिए यहाँ क्लिक करें.

अनुपूरक चित्रा 2: आईआर लेजर पदचिह्न। नमूना सतह के संपर्क में ब्रैकट के दोलन आयाम आईआर लेजर की स्थिति के एक समारोह के रूप में दर्ज की गई है. आईआर लेजर संरेखण एक चलती दर्पण का उपयोग कर विविध है. दर्पण की स्थिति को ब्रैकट (सफेद क्रॉस के केंद्र) की स्थिति के साथ फोकल वॉल्यूम (लाल क्षेत्र) के केंद्र को संरेखित करने के लिए सेट किया गया है। कृपया इस फ़ाइल को डाउनलोड करने के लिए यहाँ क्लिक करें.

अनुपूरक चित्रा 3: लेजर आउटपुट पावर (मेगावाट में) तरंग संख्या के एक समारोह के रूप में। QCL लेजर की आउटपुट पावर नैनोआईआर माप के लिए उपयोग की जाने वाली सेटिंग के अनुरूप पल्स आवृत्ति पर 2 सेमी-1 के चरणों में 1,530 सेमी-1 से 1,800 सेमी-1 तक एक मानक IR डिटेक्टर का उपयोग करके निर्धारित की जाती है। कृपया इस फ़ाइल को डाउनलोड करने के लिए यहाँ क्लिक करें.

अनुपूरक चित्रा 4: लेजर कन्फोकल सतह प्रोफिलोमेट्री द्वारा प्राप्त पीवीए मोटाई माप। कृपया इस फ़ाइल को डाउनलोड करने के लिए यहाँ क्लिक करें.

अनुपूरक तालिका 1: प्रत्येक तरंग संख्या के लिए मिलीवाट में लेजर शक्ति। कृपया इस फ़ाइल को डाउनलोड करने के लिए यहाँ क्लिक करें.

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Discussion

नैनोआईआर स्पेक्ट्रोस्कोपी के साथ संयुक्त एएफएम संपर्क मोड में एक ब्रैकट और एक स्पंदित ट्यून करने योग्य आईआर प्रकाश स्रोत का उपयोग करके नैनोस्केल रासायनिक जानकारी प्रदान कर सकता है। मॉडल सिस्टम, जैसे कि एक बहुलक सामग्री की मात्रा में परिमित आयामों के साथ एक अवशोषक को एम्बेड करना, छवि निर्माण तंत्र की समझ में सुधार करने और उपकरण के प्रदर्शन को निर्धारित करने के लिए महत्वपूर्ण हैं। यहां प्रस्तुत पीएस/पीवीए कॉन्फ़िगरेशन के मामले में, पीवीए फिल्म की सतह के ऊपर या नीचे स्थित एक स्थिर पीएस मनका प्राप्त करने के लिए अनुकूलन किया गया था। यह पाया गया कि स्पिन कोटर से लेपित सी सब्सट्रेट को हटाने के तुरंत बाद पीएस मोतियों को जमा करने से बेहतर आसंजन हुआ। पीवीए परत की चिपचिपाहट पीवीए फिल्म की सतह के संबंध में मनका की स्थिति को प्रभावित कर सकती है। ~ 200 डिग्री सेल्सियस पर लगभग 15 मिनट के लिए नमूना हीटिंग मोतियों की गहरी आरोपण के लिए अनुमति दी.

पीएस मोती (यहां 5 माइक्रोन) के आकार के लिए धन्यवाद, मनका के केंद्र के साथ ब्रैकट टिप का तेजी से संरेखण नैनोआईआर सिस्टम के साथ ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप का उपयोग करके संभव है। जबकि पीवीए में पीएस मोती और सूक्ष्म बुलबुले को शायद ही वैकल्पिक रूप से विभेदित किया जा सकता है, नैनोआईआर विश्लेषण नमूने की संरचना की पुष्टि कर सकता है। जबकि 1,600 सेमी-1 पर आईआर बैंड का योगदान कमजोर हो सकता है जब पीएस मनका एक और बहुलक के साथ कवर किया जाता है, जैसा कि चित्रा 5 में उल्लेख किया गया है, उच्च लेजर शक्ति 1,600 सेमी-1 पर पीएस के योगदान को बढ़ा सकती है नैनोआईआर फिंगरप्रिंट सीधे इसके ऊपर एकत्र किया गया, पीवीए ओवरले के संपर्क में ब्रैकट के साथ। यह उम्मीद की जाती है कि छोटे व्यास वाले पीएस मोती ऑप्टिकल माइक्रोस्कोपी के साथ पता लगाना अधिक कठिन होगा और नैनोआईआर स्पेक्ट्रम को कम संकेत का योगदान देगा। ऐसे मामले में, पीवीए की शीर्ष-कोट परत के जमाव से पहले पीएस मोतियों के एएफएम इमेजिंग और नैनोआईआर माप पर विचार किया जाना चाहिए, साथ ही नमूना को चिह्नित करने के साथ यह सुनिश्चित करने के लिए कि एम्बेडेड पीएस मोतियों का स्थान ज्ञात है। इन पूर्वानुमानित चुनौतियों के बावजूद, मॉडल सिस्टम तैयार करने के इस दृष्टिकोण को सस्ता और आसानी से उपलब्ध होने का लाभ है। मनका की स्थलाकृति की प्रोफ़ाइल मनका स्थिति का अनुमान लगाने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है, हालांकि तथाकथित टिप प्रभाव छवि सुविधा के व्यास का आकलन करने के लिए ध्यान में रखा जाना चाहिए.

डेटा अधिग्रहण और विश्लेषण के बारे में, इस अध्ययन में nanoIR के साथ उत्पादित डेटा टिप नमूना बातचीत के कई अप्रत्याशित अस्थिरता जब एक नरम nanoIR ब्रैकट का उपयोग कर और जब लेजर शक्ति में वृद्धि का पता चलता है. एक नरम ब्रैकट (k < 0.4 N/m) के साथ एकत्र की गई नैनोआईआर छवियां एक स्थिर स्थलाकृति छवि के बावजूद, आईआर प्रकाश से उत्साहित पीएस मनका के पास लगातार अस्थिर थीं। इस अध्ययन में दर्ज पीएस और पीवीए के नैनोआईआर स्पेक्ट्रा इसी थोक पॉलिमर21,22के आमतौर पर रिपोर्ट किए गए एफटीआईआर स्पेक्ट्रा के साथ अच्छे समझौते में हैं। 1,600 सेमी-1 (केवल पीएस) और 1,730 सेमी-1 (पीएस और पीवीए) पर अवशोषण के दो अलग-अलग बैंड सतह के नीचे एकल मनका अवशोषक को रोमांचक करने के प्रभाव की तुलना करने का एक तरीका प्रदान करते हैं। चित्रा 4 में प्रस्तुत नैनोआईआर छवियों से संकेत मिलता है कि मनका के आसपास के क्षेत्र में संकेत मजबूत है जब पीएस मनका उजागर होता है, लेकिन काफी कम हो जाती है जब एक पीवीए पतली फिल्म मनका को कवर करती है. हालांकि, परिणाम इंगित करते हैं कि सतह के नीचे 1 माइक्रोन से अधिक एक मनका नैनोआईआर मानचित्र में पता लगाया जा सकता है, दोनों जब 1,600 सेमी-1 पर सिस्टम को रोमांचक और 1,730 सेमी-1 पर। ब्रैकट द्वारा पता लगाया आयाम दोनों मामलों में नक्शे में मनका के ऊपर सीधे ~ 2 एनएम से बढ़ जाती है. हालांकि आयाम में कम, इस विस्तार का पदचिह्न 1,600 सेमी -1 उत्तेजना के लिए लगभग 13 माइक्रोन चौड़ा है, जो मनका के व्यास से बहुत बड़ा है, यह पुष्टि करता है कि पीएस अवशोषक से पीवीए तक गर्मी फैलती है। यह जूल विस्तार विषम सामग्रियों पर नैनोआईआर के स्थानिक संकल्प को प्रभावित कर सकता है, अगर अवशोषक सतह के करीब है तो एक मजबूत प्रभाव की उम्मीद है। 1,730 सेमी-1 पर नमूने की बड़ी प्रतिक्रिया चित्रा 5 में प्रस्तुत नैनोआईआर स्पेक्ट्रा के अनुरूप है, जिसमें दिखाया गया है कि 1,600 सेमी-1 पर बैंड का योगदान 1,730 सेमी-1 की तुलना में बहुत कमजोर है।

वर्तमान दृष्टिकोण कुछ सीमाएं प्रस्तुत करता है। मॉडल प्रणाली की सतह पर स्थलाकृतिक टक्कर को सीमित करते हुए पीवीए की सतह के नीचे मोतियों की स्थिति अप्राप्य बनी हुई है। वास्तव में, यह इस तरह के एक मोटी कोटिंग है कि मनका nanoIR स्पेक्ट्रोस्कोपी के दृष्टिकोण से undetectable हो सकता है की आवश्यकता हो सकती है. मनका की गहराई को नियंत्रित करना और चिह्नित करना मुश्किल है, जिससे मॉडल प्रणाली के सटीक प्रतिनिधित्व के लिए मॉडलिंग के लिए पर्याप्त जानकारी प्रदान करना मुश्किल हो जाएगा। सतह पर मापा nanoIR संकेत पर उपसतह अवशोषक आकार और गहराई के प्रभाव की एक और पूरी तस्वीर अधिक से अधिक परिशुद्धता के साथ मनका के आयाम और पदों को अलग करने की आवश्यकता होगी. इसके अलावा, यह संभावना है कि एक वास्तविक जटिल प्रणाली में, विभिन्न आकारों, पदों और रचनाओं के साथ कई उपसतह अवशोषक माप में हस्तक्षेप करेंगे, जो इस मॉडल में वर्णित नहीं है।

बहरहाल, माप पुष्टि करते हैं कि नैनोआईआर लक्षण वर्णन के लिए बहु-बहुलक नमूनों पर सिग्नल पीढ़ी से सीखने के लिए बहुत कुछ है। नमूना तैयारी प्रोटोकॉल के आगे अनुकूलन को नियंत्रित रूप से उस गहराई को बदलने के लिए किया जाना चाहिए जिस पर पीएस मनका एम्बेडेड है ताकि पीवीए की सतह पर फोटोथर्मल विस्तार उपसतह अवशोषक द्वारा प्रभावित होता है, इसका अधिक व्यापक विश्लेषण की अनुमति मिल सके। माप के लिए उपयोग किए जाने वाले पॉलिमर का संयोजन भी विषम सामग्रियों के लिए नैनोआईआर माप के प्रदर्शन पर तापीय चालकता, थर्मल विस्तार और यांत्रिक गुणों की भूमिका निर्धारित करने के लिए भिन्न हो सकता है। यह नैनोआईआर स्पेक्ट्रोस्कोपी और इमेजिंग के लिए नमूने के व्यवहार को बेहतर ढंग से समझने के लिए एक आशाजनक दृष्टिकोण का गठन करता है, और आगे उपकरण की पैठ गहराई, स्थानिक संकल्प और संवेदनशीलता की मात्रा का ठहराव करने की सुविधा की उम्मीद है। यह विशेष रूप से इमेजिंग के नए तरीकों के उद्भव को देखते हुए महत्वपूर्ण है, जैसे कि बहु-आवृत्ति नैनोआईआर15,23, जिसके लिए सूचना की प्रकृति और उपकरणों के प्रदर्शन पर सक्रियण मापदंडों का प्रभाव खराब समझा जाता है। एकत्र डेटा की समझ को गहरा करने के लिए, यह मल्टीफिजिक्स मॉडलिंग24 के साथ प्रयोगात्मक दृष्टिकोण गठबंधन करने के लिए महत्वपूर्ण होगा. विभिन्न आकारों की एम्बेडेड विशेषताओं को ध्यान में रखते हुए और सतह के नीचे उनकी स्थिति को बदलना एक अधिक व्यापक मॉडल विकसित करने के लिए महत्वपूर्ण होगा। बदले में, यह वास्तविक जीवन विषम और तीन आयामी सामग्री के अनुप्रयोगों की ओर नैनोआईआर स्पेक्ट्रोस्कोपी के क्षेत्र को आगे बढ़ाएगा।

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Disclosures

लेखकों के पास खुलासा करने के लिए कुछ भी नहीं है।

Acknowledgments

यह काम राष्ट्रीय विज्ञान फाउंडेशन (NSF CHE-1847830) द्वारा समर्थित किया गया था।

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

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Young, R., Tetard, L. Advances in… More

Young, R., Tetard, L. Advances in Nanoscale Infrared Spectroscopy to Explore Multiphase Polymeric Systems. J. Vis. Exp. (196), e65357, doi:10.3791/65357 (2023).

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