Summary
이 프로토콜은 3차원 다중 고분자 시료의 특성 분석에서 광열 나노스케일 적외선 분광법의 성능을 평가하기 위한 원자력 현미경 및 나노스케일 적외선 분광법의 적용에 대해 설명합니다.
Abstract
다상 고분자 시스템은 수십 나노미터에서 수 마이크로미터까지 다양한 치수의 국소 영역을 포함합니다. 이들의 조성은 일반적으로 적외선 분광법을 사용하여 평가되며, 이는 프로브된 부피에 포함된 다양한 물질의 평균 지문을 제공합니다. 그러나 이 접근 방식은 재료의 위상 배열에 대한 세부 정보를 제공하지 않습니다. 종종 나노 크기의 두 고분자 상 사이의 계면 영역도 접근하기 어렵습니다. 광열 나노스케일 적외선 분광법은 원자력 현미경(AFM)의 민감한 프로브를 사용하여 적외선에 의해 여기된 물질의 국부적 반응을 모니터링합니다. 이 기술은 깨끗한 금 표면의 개별 단백질과 같은 작은 특징을 조사하는 데 적합하지만 3차원 다성분 물질의 특성 분석은 더 어렵습니다. 이는 AFM 팁에 의해 조사되는 나노 스케일 영역과 비교하여 샘플에 대한 레이저 초점화와 고분자 성분의 열적 특성에 의해 정의되는 광열 팽창을 겪는 상대적으로 많은 양의 물질 때문입니다. 폴리스티렌(PS) 비드와 폴리비닐 알코올(PVA) 필름을 사용하여 PVA 필름에서 PS의 위치에 따른 함수로 표면 분석을 위한 광열 나노스케일 적외선 분광법의 공간 발자국을 평가합니다. 나노 크기의 적외선 이미지에 대한 특징 위치의 영향을 조사하고 스펙트럼을 획득합니다. 광열 나노 규모 적외선 분광법 분야의 미래 발전에 대한 몇 가지 관점이 제공되며, 고분자 구조가 내장된 복잡한 시스템의 특성화를 고려합니다.
Introduction
원자력 현미경(AFM)은 나노 단위 분해능 1,2,3으로 다양한 샘플의 형태를 이미지화하고 특성화하는 데 필수적입니다. 날카로운 팁과 시료 표면의 상호 작용으로 인한 AFM 캔틸레버의 편향을 측정함으로써 국부 강성 측정 및 팁-샘플 접착을 위한 나노 스케일 기능적 이미징 프로토콜이 개발되었습니다 4,5. 연질 응집 물질 및 고분자 분석의 경우, 국소 영역의 나노 역학 및 나노 화학적 특성을 탐구하는 AFM 측정이 6,7,8 이후에 많이 요구됩니다. 나노스케일 적외선(nanoIR) 분광법이 등장하기 전에 AFM 팁은 AFM 힘 곡선에서 다른 영역의 존재를 평가하고 팁-샘플 상호 작용의 특성을 공제하기 위해 화학적으로 수정되었습니다. 예를 들어, 이 접근법은 50nm 레벨9 미만에서 사이클로헥산 처리된 폴리스티렌-블록-폴리(tert-부틸 아크릴레이트) 블록 공중합체 박막의 표면에서 폴리(tert-부틸 아크릴레이트)의 미세도메인 변형을 밝히는 데 사용되었습니다.
적외선(IR)과 AFM의 결합은 고분자 과학 분야에 상당한 영향을 미쳤습니다6. 종래의 IR 분광법은 고분자 물질(10,11)의 화학 구조를 연구하기 위해 널리 사용되는 기술이지만, 영역이 샘플을 조사하는 데 사용되는 IR 빔의 크기에 비해 너무 작기 때문에 개별 상 및 계면 거동에 대한 정보를 제공하지 못합니다. IR 미세분광법은 광학 회절 한계6에 의해 제한되기 때문에 문제가 됩니다. 이러한 측정은 IR 빛에 의해 여기되는 전체 영역의 기여도를 평균화합니다. 프로브 영역 내부에 나노 스케일 위상이 존재하여 발생하는 신호는 후처리 중에 디콘볼루션해야 하는 복잡한 지문을 나타내거나 감지 가능한 수준 이하의 신호 레벨로 인해 손실됩니다. 따라서 복잡한 매질에서 나노 단위의 화학적 특징을 탐구하기 위해 나노 단위의 공간 분해능과 높은 IR 감도를 제공할 수 있는 도구를 개발하는 것이 필수적입니다.
나노IR 분광법을 달성하기 위한 계획은, 먼저 금속 AFM 팁을 나노 안테나(12,13)로 사용하고, 보다 최근에는 시료(12,14,15)의 IR 조명 중에 발생하는 광열 팽창의 변화를 모니터링하는 AFM 캔틸레버의 능력을 이용하여 개발되었다. 후자는 프로브된 물질의 흡수 대역에 맞게 조정된 펄스가 있는 조정 가능한 IR 광원을 사용하여 샘플이 방사선을 흡수하고 광열 팽창을 겪도록 합니다. 이 접근 방식은 유기 및 고분자 재료에 매우 적합합니다. 펄스 여기(excitation)는 시료 표면과 접촉하는 AFM 캔틸레버가 진동의 형태로 효과를 감지할 수 있도록 합니다. 주파수 스펙트럼에서 관찰된 시스템의 접촉 공진 중 하나의 진폭은 AFM 팁(15) 아래의 물질의 나노IR 흡수 스펙트럼을 구성하는 조명 파장의 함수로서 모니터링된다. 나노IR 이미징 및 분광법의 공간 분해능은 물질의 광열 팽창의 다양한 효과에 의해 제한됩니다. 접촉 모드 AFM을 사용하는 광열 나노IR 분광법은 50nm 스케일 미만의 공간 분해능14로 물질의 진동 흡수 스펙트럼 특성을 얻을 수 있으며 최근 작업은 α-synuclein16,17의 단량체 및 이량체의 검출을 입증하는 것으로 평가되었습니다. 그러나 다양한 고분자 필름의 부피에 내장된 유한 치수의 흡수체의 경우와 같이 다양한 구성으로 조립된 이종 고분자 재료에 대한 나노IR 측정 성능에 대한 정량적 연구는 여전히 제한적입니다.
이 기사는 표면 분석 중 나노IR의 광열 팽창 및 공간 분해능의 민감도를 평가하기 위해 알려진 치수의 내장 기능을 가진 고분자 어셈블리를 만드는 것을 목표로 합니다. 이 프로토콜은 실리콘 기판 위에 폴리비닐 알코올(PVA) 폴리머 박막을 준비하고 PVA 필름 위에 또는 내장된 3차원 폴리스티렌(PS) 비드를 배치하여 모델 시스템을 형성하는 방법을 다룹니다. NanoIR 이미징 및 분광학 측정은 PVA 필름 위 또는 아래에 위치한 동일한 PS 비드에 의해 생성된 신호를 평가하는 맥락에서 설명됩니다. nanoIR 신호에 대한 비드 위치의 영향을 평가합니다. nanoIR 맵에서 비드의 공간 발자국을 평가하는 방법에 대해 논의하고 여러 파라미터의 효과를 고려합니다.
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Protocol
1. 폴리비닐알코올(PVA) 용액 만들기
- 물과 PVA 폴리머 펠릿( 재료 표 참조)을 측정하여 중량 기준 20% PVA 대 물 비율로 10mL 용액을 만듭니다.
- 100°C로 설정된 열판 위에서 유리 제품의 물을 가열합니다.
- PVA 폴리머 펠릿을 가열된 물에 넣습니다. 자석 교반 막대를 삽입합니다.
- 열을 80°C로 줄이고 PVA가 완전히 녹을 때까지 저어줍니다.
- 오염을 방지하기 위해 유리 제품의 상단을 덮으십시오.
- 완전히 용해되면 20% PVA 용액을 실온에서 보관할 수 있도록 적절한 보관 용기에 넣습니다.
2. PVA 코팅 실리콘(Si) 웨이퍼 준비
- 실리콘(Si) 웨이퍼( 재료 표 참조)를 ~10 x 10mm2 개의 정사각형으로 자릅니다.
- 이소프로필 알코올을 사용하여 Si 기판을 청소하고 건조시킵니다.
- 깨끗한 Si 웨이퍼를 스핀 코터의 척에 놓습니다( 재료 표 참조).
- 약 10μL의 PVA 용액을 Si 기판의 중앙에 떨어뜨립니다. 기포 형성을 피하십시오.
- 분당 1,500회전(rpm)에서 30초 동안 스핀 코팅하여 Si 기판을 균일한 PVA 필름으로 코팅합니다.
알림: 지정된 부피의 액체 및 스핀 코팅 매개변수는 스핀 코팅과 다음 단계에서 PS 비드를 PVA 표면에 배치하는 사이의 빠른 건조를 방지하기 위해 충분한 두께로 기판 표면에 균일한 PVA 층을 생성합니다.
- PS 비드를 옮기기 전에 오염을 방지하기 위해 스핀 코터에서 샘플을 제거하고 깨끗한 샘플 용기에 넣습니다.
3. PVA 코팅된 표면에 PS 비드 놓기
- 이소프로필 알코올을 사용하여 Si 기판을 세척하고 건조시킵니다.
- 피펫을 사용하여 물에 현탁된 PS 비드 1μL를 기판 중앙에 놓습니다.
- 샘플을 벤토나이트 점토 건조제가 들어 있는 보관함에 넣어 물을 증발시킵니다.
알림: 이 단계는 s를 보존합니다.amp습도에 대한 노출을 줄임으로써. - PVA 코팅 기판(2.4단계)과 건조된 PS 비드가 있는 기판(3.3단계)을 광학 현미경 아래에 놓습니다. 크기에 따라 단일 비드는 간단한 쌍안경을 사용하여 볼 수 있거나 더 높은 광학 배율이 필요합니다.
- 초미세 핀셋을 사용하여 비드를 부드럽게 풉니다( 재료 표 참조). 가는 헤어 브러시를 사용하여 느슨한 구슬 몇 개를 모으고 갓 PVA 코팅된 웨이퍼 위에 페인트 브러시의 머리카락을 가볍게 두드립니다. 여러 번 쓸면 구슬이 브러시의 털 안에 축적될 수 있습니다. 붓 털의 윗부분을 두드려 PS 비드 가루를 방해하면 끈적끈적한 PVA 표면에 비즈가 방출됩니다.
알림: PVA 필름 표면에 섬유와 오염 물질이 방출되지 않도록 페인트 브러시의 품질이 높고 깨끗해야 합니다. PVA가 완전히 건조되지 않도록 이 단계에서 빠르게 움직이는 것이 중요합니다. - 광학 현미경 검사로 개별 PS 비드가 PVA 표면에 부착되는 것이 확인될 때까지 이 단계를 반복합니다.
- 샘플을 깨끗한 용기에 보관하십시오. s를 허용amp완전히 말리십시오.
알림: 추가 분석을 시도하기 전에 샘플을 완전히 식히고 건조시켜야 합니다. AFM 높이 측정 또는 표면 프로파일러 측정은 연속적인 PVA 필름의 두께를 평가할 수 있습니다.
4. AFM 특성화를 위한 샘플 로딩
알림: 설명된 프로토콜은 nanoIR2( 재료 표 참조) 플랫폼의 표준 작동 절차를 기반으로 하지만 측정에 사용되는 AFM 모델에 따라 조정해야 합니다.
- 금속 AFM 디스크와 접착 탭을 사용하여 PVA 및 PS 비드 샘플을 AFM 스테이지에 장착하여 샘플이 샘플 홀더에 단단히 부착되도록 합니다.
- nanoIR 프로브(예: FORTGG)를 AFM 프로브 홀더에 장착합니다.
참고: AFM 캔틸레버는 길이 225μm, 너비 27μm, 두께 2.7μm이며 팁 반경은 10nm 미만입니다. 캔틸레버는 양면에 45nm 두께의 금 필름으로 코팅되어 샘플의 상단 IR 조명에 대한 반응을 제한합니다( 재료 표 참조). 나노IR 분광법 측정의 경우, 사용하기 전에 폴리디메틸실록산이 없는 환경에 보관된 캔틸레버를 사용하는 것이 좋습니다. - 레이저 정렬 손잡이를 돌려 캔틸레버 빔의 자유 끝에 판독 레이저를 정렬합니다(레이저 위치의 x 및 y 조정 및 감지기 위치의 수직 조정).
- 검출기의 SUM 신호를 최대화합니다.
- ~0V의 수직 편향 신호에 해당하는 레이저가 AFM 판독 시스템의 위치 감지 감지기 중앙과 정렬되도록 편향 손잡이를 돌려 감지기의 위치를 조정합니다.
- AFM "프로브" 제어판에서 로드 아이콘을 클릭합니다.
- 마법사 화면의 지시를 따릅니다. 초점 화살표를 사용하여 nanoIR 캔틸레버의 초점면을 결정합니다. XY 변위 컨트롤을 사용하여 캔틸레버를 화면 중앙(흰색 십자 표시로 정렬)에 배치합니다.
- 그런 다음 초점 화살표를 클릭하여 샘플 표면의 초점면을 찾습니다.
- 시스템의 광학 뷰와 XY 변위 컨트롤을 사용하여 캔틸레버 팁을 관심 비드 위에 배치하고 Next(다음)를 클릭합니다.
- 참여 화면에서 "스탠드오프"를 50μm 로 설정하고 Approach Only를 클릭합니다.
- Engage 절차를 시작하여 이미징을 위한 팁에 접근합니다.
5. 다중합체 시료의 지형 및 나노IR 이미지 생성
- 표준 "접촉 모드"에서 지형 이미지를 획득합니다. PS 비드에 대한 캔틸레버의 위치가 설정되면 AFM "프로브" 제어판에서 맞물림 아이콘을 클릭하여 접근을 시작합니다. 0.2V의 편향 차이의 맞물림 설정점은 ~100nN의 힘에 해당하는 전체 연구에 사용됩니다.
AFM "스캔" 제어판에서 스캔 속도를 0.8Hz로 설정하고, 스캔 크기 (높이 및 너비)를 설정하고, 이미징에 사용할 라인당 포인트 수 및 이미지당 라인 수를 설정합니다(여기서는 512 x 512가 사용됨). 스캔을 클릭하여 지형 이미지를 획득합니다.
참고: 캔틸레버(18)의 교정은 캔틸레버가 사파이어 기판과 상호 작용하여 얻은 편향-거리 곡선의 기울기로부터 편향 감도(nm/V 단위)를 결정함으로써 수행된다(보충 그림 1A). 캔틸레버 강성은 열 튜닝19(보충 그림 1B)에 의해 결정된다. 캔틸레버의 공명은 로렌츠 함수를 사용하여 장착됩니다. 캔틸레버 강성(N/m 단위)은 등분할 정리
를 사용하여 결정되며, 여기서 KB는 볼츠만 상수, T는 온도(T = 295K), P는 열 튜닝 데이터20의 로렌츠 피팅을 적분하여 결정된 캔틸레버의 열 변동 파워 스펙트럼 면적입니다. - nanoIR 측정의 경우 AFM 팁을 지형 이미지에서 식별된 관심 형상에 놓습니다.
- nanoIR 제어판에서 소리굽쇠 아이콘을 선택하여 캔틸레버의 접촉 공진 주파수를 결정합니다. 재료의 광열 팽창을 자극하는 조명 파수를 설정합니다. 스윕할 레이저 펄스 주파수의 범위를 설정하고 nanoIR 레이저의 듀티 사이클을 설정합니다. "Laser Pulse Tune Window"에서 Acquire 를 선택합니다.
- 두 번째 접촉 공진의 피크에 마커 막대(녹색 수직선)를 배치하여 nanoIR 측정을 위한 팁-샘플 시스템의 두 번째 접촉 공진을 선택합니다.
알림: 접촉 공진 모드의 선택은 캔틸레버 및 샘플의 유형에 따라 달라질 수 있습니다. - 최적화를 클릭하여 IR 레이저 초점 영역의 중심을 캔틸레버 팁의 위치에 맞춥니다. 정렬은 프로브된 물질의 흡수 대역에 해당하는 선택된 IR 조명 파수에서 수행됩니다. 캔틸레버는 레이저 풋프린트의 중앙에 위치합니다(보충 그림 2).
알림: 정렬은 레이저 모델에 따라 다른 파수에 따라 달라질 수 있습니다. - IR 레이저 조명의 배경을 획득합니다. 이는 선택한 펄스 주파수에서 방출 파장 범위에서 IR 양자 캐스케이드 레이저(QCL)의 출력을 측정하는 것으로 구성됩니다(보충 그림 3). 이는 나노IR 스펙트럼의 배경 보정에 중요합니다.
- 파수 범위(여기서 Start 및 Stop은 각각 1,530cm-1 및 1,800cm-1로 설정됨), 스텝 크기(2cm-1) 및 측정에 사용되는 평균 수를 선택하여 nanoIR 스펙트럼을 획득합니다. 측정된 광열 진폭을 감쇠된 배경으로 나누어 표시된 스펙트럼의 배경 보정을 수행하며, 이는 5.2.4단계에서 수집된 배경에 측정을 위해 선택한 전력의 백분율을 곱하는 것으로 구성됩니다.
- nanoIR 이미징의 경우 이미징을 위해 관심 영역을 선택합니다.
- "Laser Pulse Tune Window"(소리굽쇠 아이콘으로 액세스)에서 위상 고정 루프(PLL) 자동 조정을 활성화합니다.
- 최소 및 최대 주파수를 조정하여 일반 제어판의 두 번째 공진 모드를 중심으로 스윕 범위를 생성합니다.
- PLL 제어판에서 0 을 클릭하여 위상을 0으로 설정한 다음 "Laser Pulse Tune 창"에서 확인을 클릭합니다.
- nanoIR 제어판 내의 상자에 확인 표시를 하여 IR 이미징 활성화 를 선택합니다.
- "Imaging View" 제어판에서 Height (Imaging View 1), Amplitude 2 (Imaging View 2) 및 Phase 2 (Imaging View 3)를 선택하여 샘플의 지형 및 화학 이미지를 획득합니다. 획득 방향을 Trace(또는 Retrace)로 설정합니다. 라인 핏 라인은 종종 획득되는 샘플의 지형 이미지를 관찰하는 데 필요합니다. 캡처 맞춤은 없음으로 설정해야 합니다.
참고: 캡처된 스캔 방향 또는 사용된 색상 팔레트와 같은 스캔 기본 설정은 필요에 따라 조정할 수 있습니다. - AFM "스캔" 제어판에서 스캔 아이콘을 선택합니다.
- 이미지를 저장하려면 "캡처" 제어판에서 지금 또는 프레임 끝 아이콘을 선택합니다.
- 데이터를 내보내려면 데이터 목록에서 이미지 또는 스펙트럼 파일 이름을 마우스 오른쪽 버튼으로 클릭하십시오. 내보내기 를 선택하고 내보낼 파일의 형식을 선택합니다. 원하는 컴퓨터 폴더 위치에 파일을 저장합니다.
를 사용하여 결정되며, 여기서 KB는 볼츠만 상수, T는 온도(T = 295K), P는 열 튜닝 데이터20의 로렌츠 피팅을 적분하여 결정된 캔틸레버의 열 변동 파워 스펙트럼 면적입니다.Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
PS((C8H8)n) 비드를 깨끗한 Si 기질(그림 1A) 및 PVA((CH2CHOH)n)(그림 1B,C) 상에 증착하였다. Si에 대한 비드의 접착력이 좋지 않기 때문에 이 샘플에 대해 접촉 모드에서 nanoIR 이미징을 얻을 수 없었습니다. 대신, nanoIR에서 샘플의 광학 보기를 사용하여 금 코팅된 AFM 프로브를 약 100nN의 추정 힘으로 접촉 모드에서 PS 비드 위에 결합했습니다(그림 2A). 펄스 IR 레이저는 PS와 PVA가 모두 이 파수에서 흡수될 것으로 예상되기 때문에 1,730cm-1에서 샘플을 여기하도록 설정되었습니다. 레이저의 펄스 주파수를 스윕하여 nanoIR 스펙트럼 측정을 위한 캔틸레버의 접촉 공진을 측정했습니다. 접촉 공진 주파수에서 펄스가 발생했을 때 캔틸레버 응답을 모니터링하여 진동의 진폭을 측정했습니다(그림 2B). 다음으로, 나노IR 스펙트럼은 조명 파수의 함수로서 접촉 공진의 진폭을 1,530에서 1,800cm-1까지 2cm-1 단위로 모니터링하여 구성했습니다(그림 2C). 이 범위(그림 3A, 삽입물)에서, 스펙트럼은 1,600 cm-1 및 1,730 cm-1을 중심으로 하는 두 개의 IR 대역의 존재를 나타냈으며, 이는 페닐 부분의 우세한 스트레치 모드와 PS에서 스트레칭되는 고리의 서브세트에 각각 해당한다(21). 나노IR 스펙트럼을 PS의 원거리장 푸리에 변환 적외선(FTIR) 스펙트럼과 비교한 결과 1,600cm-1에서 방향족 모드의 존재가 확인되었습니다(그림 3A). 그러나, 상대 진폭 I1600/I1730은 각각 2.9 및 0.9의 값으로 FTIR 및 nanoIR 스펙트럼에서 유의하게 다르다는 점에 주목하였다. 이는 FTIR 분광법에서와 같이 흡광도 대신 폴리머의 광열 팽창을 모니터링하는 nanoIR 분광법의 검출 메커니즘에 기인합니다. PS의 경우, 이것은 1,730 cm-1에서 방향족 서브 밴드를 자극 할 때 더 높은 광열 팽창에 해당합니다. PVA의 나노IR 스펙트럼은 ~1,730cm-1을 중심으로 하는 우세한 흡수 대역을 가진 FTIR 스펙트럼과 더 나은 일치를 보였습니다(그림 3B). 이 밴드는 C=O 그룹을 포함하지 않는 순수한 PVA에서는 예상되지 않았지만, 이전 연구에서는 밴드의 존재가 PVA 제조에 사용된 잔류 아세테이트로 인해 카르보닐 작용기에 기인할 수 있음을 시사합니다(~80%-90% 가수분해된 비율)22. 이 연구의 목적을 위해 1,730cm-1에 밴드의 존재는 PS와 PVA의 동시 흡수 효과를 평가하는 데 적합했습니다.
nanoIR 스펙트럼은 PVA 표면에 증착된 PS 비드(그림 4A-C)와 PVA로 코팅된 PS 비드(그림 4D-F)의 화학적 이미징을 위한 조명 파수를 선택하는 데 사용되었습니다. 시스템의 PLL 접촉 공진 주파수 추적 기능은 각 픽셀에서의 진폭 측정이 접촉 공진 피크(15)의 최대 진폭에 해당하는지 확인하는 데 사용되었습니다(그림 2C). 캔틸레버의 접촉 공진은 PLL 주파수 추적의 적절한 범위를 결정하기 위해 캔틸레버 팁이 PVA 및 PS와 접촉할 때 측정되었습니다.
NanoIR 이미지는 1,600cm-1에서 처음 획득되었으며, 이는 PS가 시스템의 주요 흡수체인 경우에 해당합니다(그림 4Ai; Di)))입니다. 두 경우 모두 5μm PS 비드가 이미지화되었지만, 팁이 PS 비드와 직접 접촉할 때와 팁이 PS 비드 상단의 얇은 PVA 코팅과 접촉할 때 이 파장에서 기록된 광열 팽창의 진폭이 달랐습니다. PS 비드 위에서 검출된 광열 팽창의 증가는 표면 프로파일러를 사용하여 ~1.8μm 두께로 추정되는 PVA 층으로 비드를 덮었을 때 상당히 작았습니다(보충 그림 4). 사용된 레이저 출력(1,600cm-1에서 ~3.4mW 및 1,730cm-1에서 ~3.8mW에 해당)(보충 표 1)에서 직경 ~13μm 영역은 PS 비드로부터 떨어진 순수 비흡수 PVA 층에 기록된 신호보다 ~2nm 위의 진폭이 약간 증가한 것으로 나타났습니다. 진폭 증가의 공간 풋프린트는 PS 비드가 PVA 필름 위에 있을 때보다 훨씬 더 넓었으며(그림 4A), 광열팽창 신호는 비대칭이지만 이미지의 빠른 스캔 방향에서 ~6μm 너비 영역과 느린 스캔 방향에서 ~8μm 길이의 영역 내에 포함되어 있었습니다. 이 영역의 진폭 판독 값은 순수 PVA 층의 광열 팽창보다 최대 12.1nm에 도달했습니다. 1,730cm-1에서 샘플을 조사할 때 PS와 PVA는 모두 1,600cm-1보다 더 높은 광열 팽창 진폭을 나타냈습니다. 노출된 PS 비드(그림 4Ci)의 경우 광열 팽창은 비드 상단에서 가장 높았으며 최대 26.5nm의 값에 도달했습니다. 높은 광열 반응은 그림 4Ai에서 관찰된 발자국을 넘어 수 마이크로미터까지 확장되었습니다. PVA도 여기로 인해 확장되었지만 더 낮은 진폭, 즉 PS 비드에서 멀리 떨어진 곳에서 기록된 ~7.6nm에서 확장되었습니다. 반응은 PS 비드의 왼쪽에서 일관되게 가장 강한 것으로 나타났습니다. 임베디드 비드(그림 4F)의 경우 신호는 더 대칭적이었지만 PS 비드 위의 광열 팽창 진폭은 PVA보다 ~2.3nm 높을 뿐이었습니다. 이를 위해 PS 가열의 영향을받는 영역의 10-13 μm 풋 프린트 내에서 ~ 13.6 nm의 일관된 광열 진폭이 기록되었으며, 이는 AFM 프로브로 표면을 매핑하여 결정되었습니다. 1,620cm-1에서 수행된 측정의 경우 신호가 감지되지 않았으며, 이는 이 스펙트럼 영역에서 PS 및 PVA에 대한 주목할만한 IR 흡수 대역이 없는 것과 일치합니다.
다음으로, 덮인 PS 비드 위에 수집된 나노IR 스펙트럼을 PVA와 비교했습니다(그림 5A). 1,600cm-1에서의 PS 신호는 덮개가 없는 비드의 경우보다 현저히 낮았습니다. 대역의 기여도가 낮음에도 불구하고 신호의 추가 분석을 통해 레이저 출력을 높이면 I1600/I1730 비율이 높아진다는 것이 확인되었습니다(그림 5B,C). 결과는 그림 5B에 표시된 것처럼 더 높은 레이저 출력이 더 큰 침투 깊이에 해당한다는 것을 시사했습니다. 결과적으로 이는 다른 레이저 출력에서 수집된 나노IR 이미지에 영향을 미칩니다. ~20mW의 더 높은 출력에서 재료의 광열 진폭은 더 낮은 레이저 출력보다 일관되게 더 낮은 진폭을 나타냈습니다. 또한, 스펙트럼의 노이즈 레벨이 증가하여 폴리머의 온도 상승으로 인한 재료의 일부 불안정성을 시사합니다.
그림 1: PS 비드의 증착. 깨끗한 실리콘 기판 위에 (A) 상에, (B) PVA 필름 상에, (C) PVA로 덮인 5μm PS 비드의 주사 전자 현미경(SEM) 이미지. 스케일 바 = 1 μm. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 2: nanoIR 이미징 및 분광학의 원리를 보여주는 회로도. (A) IR 펄스 레이저는 금속 AFM 캔틸레버 팁과 샘플의 접촉점에 정렬되고 초점이 맞춰집니다. 캔틸레버는 IR 흡수로 인한 재료의 광열 반응을 측정합니다. 양쪽의 금층은 측정 중 캔틸레버의 광열 및 음향 기여를 줄이는 데 사용되며, 이는 샘플의 나노IR 측정을 방해할 수 있습니다. (B) 시간 영역 [S(t)] 및 주파수 영역 [S(ω)]에서 캔틸레버의 편향을 모니터링하는 위치 감지 검출기의 신호. 캔틸레버의 접촉 공진 모드는 락인앰플리파이어 측정으로 식별됩니다. 두 번째 접촉 공진은 이미징 중 PLL 추적에 사용됩니다. 접촉 공진 모드 Acr2 의 진폭이 측정됩니다. (C) 조명 파수의 함수로서 진폭 Acr2 의 변화를 모니터링하여 얻은 NanoIR 스펙트럼. NanoIR 이미지는 샘플에서 팁의 위치에 대한 함수로서 진폭 Acr2 의 변화를 모니터링하여 얻었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 3: PS 및 PVA의 IR 스펙트럼. (A) PS의 FTIR 스펙트럼. 빨간색 상자는 나노IR 분광법으로 연구된 스펙트럼의 범위를 나타냅니다. 해당 nanoIR PS 스펙트럼이 삽입물에 제공됩니다. (B) PVA의 FTIR 스펙트럼. 빨간색 상자는 나노IR 분광법으로 연구된 스펙트럼의 범위를 나타냅니다. 해당 nanoIR PVA 스펙트럼이 삽입물에 제공됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 4: NanoIR 이미징. 삽입물에 묘사된 바와 같이 PVA 표면에 증착된 PS 비드(A-C)와 PVA에 내장된 (DF). (Ai,Di) 1,600 cm-1, (BI,E) 1,620 cm-1 및 (CI,F-1)에서 획득한 NanoIR 맵은 3D 지형도에 오버레이됩니다. 흰색 점선을 따라 추출된 해당 지형 및 나노IR 프로파일이 각각의 그래프 (ii)에 제시되어 있습니다. 눈금 막대 = 5 μm. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 5: PVA로 코팅된 PS 비드와 접촉하는 AFM 팁에 의해 수집된 NanoIR 스펙트럼. (A) 레이저 출력의 p1 = 1.47%, p2 = 2.48%, p3 = 5.20%, p4 = 11%에서 수집된 NanoIR 스펙트럼. 레이저 출력은 파장의 함수로 변하며, 이는 각 경우에 대한 감쇠된 배경 보정에 의해 보정됩니다. (B) 수집된 신호의 강도에 대한 레이저 출력의 효과를 보여주는 개략도. (C) 레이저 출력의 함수로서의 비율 I1600/I1730 . 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
보충 그림 1: nanoIR 캔틸레버의 보정. (A) 사파이어 기판에서 얻은 처짐-거리 곡선. 리트랙트 곡선의 기울기는 스프링 상수를 계산하는 데 사용되는 캔틸레버의 처짐 민감도를 제공합니다. (B) 스프링 상수를 계산하는 데 사용되는 열 튜닝에 의해 결정되는 캔틸레버 공진 주파수. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.
보충 그림 2: IR 레이저 발자국. 샘플 표면과 접촉하는 캔틸레버의 진동 진폭은 IR 레이저 위치의 함수로 기록됩니다. IR 레이저 정렬은 움직이는 거울을 사용하여 다양합니다. 거울의 위치는 초점 볼륨의 중심(빨간색 영역)을 캔틸레버의 위치(흰색 십자가 중심)에 맞추도록 설정됩니다. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.
보충 그림 3: 파수의 함수로 나타낸 레이저 출력 전력(mW). QCL 레이저의 출력 전력은 1,530 cm-1 내지 1,800 cm-1 의 표준 IR 검출기를 사용하여 nanoIR 측정에 사용된 설정에 해당하는 펄스 주파수에서 2 cm-1 단위로 측정된다. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.
보충 그림 4: 레이저 공초점 표면 형상 측정법으로 얻은 PVA 두께 측정. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.
보충 표 1: 각 파수에 대한 레이저 출력(밀리와트). 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.
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Discussion
나노IR 분광법과 결합된 AFM은 접촉 모드의 캔틸레버와 펄스 조정 가능한 IR 광원을 사용하여 나노 단위의 화학 정보를 제공할 수 있습니다. 고분자 재료의 부피에 유한 치수의 흡수체를 내장하는 것과 같은 모델 시스템은 이미지 형성 메커니즘에 대한 이해를 높이고 도구의 성능을 결정하는 데 중요합니다. 여기에 제시된 PS/PVA 구성의 경우, PVA 필름의 표면 위 또는 아래에 위치하는 안정적인 PS 비드를 얻기 위해 최적화를 수행했습니다. 스핀 코터에서 코팅된 Si 기판을 제거한 직후 PS 비드를 증착하면 접착력이 향상되는 것으로 나타났습니다. PVA 층의 점도는 PVA 필름 표면에 대한 비드의 위치에 영향을 미칠 수 있습니다. ~200°C에서 약 15분 동안 샘플을 가열하면 비드를 더 깊이 이식할 수 있습니다.
PS 비드의 크기(여기서는 5μm) 덕분에 nanoIR 시스템에 내장된 광학 현미경을 사용하여 캔틸레버 팁을 비드 중심과 빠르게 정렬할 수 있습니다. PVA의 PS 비드와 미세 기포는 광학적으로 거의 구별할 수 없지만 나노IR 분석은 샘플의 조성을 확인할 수 있습니다. 그림 5에서 볼 수 있듯이 PS 비드가 다른 폴리머로 덮여 있을 때 1,600cm-1에서 IR 대역의 기여도가 약할 수 있지만, 높은 레이저 출력은 캔틸레버가 PVA 오버레이와 접촉한 상태에서 바로 위에 수집된 nanoIR 지문에서 1,600cm-1에서 PS의 기여도를 증가시킬 수 있습니다. 직경이 더 작은 PS 비드는 광학 현미경으로 찾기가 더 어렵고 nanoIR 스펙트럼에 더 낮은 신호에 기여할 것으로 예상됩니다. 이러한 경우 PVA의 탑코트 층을 증착하기 전에 PS 비드의 AFM 이미징 및 나노IR 측정을 고려해야 하며, 내장된 PS 비드의 위치를 알 수 있도록 샘플 마킹을 고려해야 합니다. 이러한 예견된 문제에도 불구하고 모델 시스템을 준비하는 이 접근 방식은 저렴하고 쉽게 사용할 수 있다는 이점이 있습니다. 비드의 지형 프로파일은 비드 위치를 추정하는 데 사용할 수 있지만, 이미지화된 형상의 직경을 평가하기 위해서는 소위 팁 효과를 고려해야 합니다.
데이터 수집 및 분석과 관련하여 이 연구에서 nanoIR로 생성된 데이터는 더 부드러운 nanoIR 캔틸레버를 사용할 때와 레이저 출력을 높일 때 팁-샘플 상호 작용의 몇 가지 예상치 못한 불안정성을 보여줍니다. 더 부드러운 캔틸레버(k < 0.4 N/m)로 수집된 NanoIR 이미지는 안정적인 지형 이미지에도 불구하고 IR 광에 의해 여기된 PS 비드 근처에서 일관되게 불안정했습니다. 이 연구에서 기록된 PS 및 PVA의 나노IR 스펙트럼은 해당 벌크 폴리머21,22의 일반적으로 보고된 FTIR 스펙트럼과 잘 일치합니다. 1,600 cm-1 (PS 전용) 및 1,730 cm-1 (PS 및 PVA)에서 두 개의 뚜렷한 흡수 밴드는 표면 아래의 단일 비드 흡수체 여기 효과를 비교할 수 있는 방법을 제공합니다. 그림 4에 제시된 나노IR 이미지는 PS 비드가 노출될 때 비드 부근의 신호가 강하지만 PVA 박막이 비드를 덮을 때 크게 감소한다는 것을 나타냅니다. 그러나 결과는 1,600cm-1과 1,730cm-1에서 시스템을 여기시킬 때 표면 아래 1μm 이상의 비드가 nanoIR 맵에서 검출될 수 있음을 나타냅니다. 캔틸레버에 의해 감지된 진폭은 두 경우 모두 맵의 비드 바로 위에서 ~2nm 증가합니다. 진폭은 낮지만 이 팽창의 풋프린트는 비드의 직경보다 훨씬 큰 1,600cm-1 여기의 경우 약 13μm 너비로 PS 흡수체에서 PVA로 열이 확산됨을 확인합니다. 이 줄 팽창은 이종 물질에 대한 나노IR의 공간 분해능에 영향을 미칠 수 있으며, 흡수체가 표면에 더 가까울수록 더 강한 효과가 예상됩니다. 1,730cm-1에서 샘플의 더 큰 응답은 그림 5에 제시된 nanoIR 스펙트럼과 일치하며, 1,600cm-1에서 밴드의 기여도가 1,730cm-1보다 훨씬 약하다는 것을 보여줍니다.
현재 접근 방식에는 몇 가지 제한 사항이 있습니다. 모델 시스템 표면의 지형적 범프를 제한하면서 PVA 표면 아래에 비드를 배치하는 것은 불가능합니다. 사실, 나노IR 분광법의 관점에서 비드를 감지할 수 없을 정도로 두꺼운 코팅이 필요할 수 있습니다. 비드의 깊이는 제어와 특성화가 모두 어렵기 때문에 모델 시스템의 정확한 표현을 위한 모델링을 위한 충분한 정보를 제공하기가 어렵습니다. 표면에서 측정된 나노IR 신호에 대한 지하 흡수체 크기 및 깊이의 영향을 보다 완벽하게 파악하려면 비드의 치수와 위치를 더 정밀하게 변경해야 합니다. 또한, 실제 복잡한 시스템에서는 크기, 위치 및 조성이 다른 여러 지하 흡수체가 측정을 방해할 가능성이 높으며, 이는 이 모델에서 설명되지 않습니다.
그럼에도 불구하고 측정은 nanoIR 특성 분석을 위한 다중 고분자 샘플의 신호 생성에서 배울 것이 많다는 것을 확인합니다. PVA 표면의 광열 팽창이 지하 흡수제에 의해 어떻게 영향을 받는지에 대한 보다 포괄적인 분석을 수행할 수 있도록 PS 비드가 내장된 깊이를 제어할 수 있도록 시료 전처리 프로토콜의 추가 최적화를 수행해야 합니다. 측정에 사용되는 폴리머의 조합은 이종 물질에 대한 nanoIR 측정 성능에 대한 열전도율, 열팽창 및 기계적 특성의 역할을 결정하기 위해 다양할 수도 있습니다. 이는 나노IR 분광법 및 이미징을 위한 샘플의 거동을 더 잘 이해하기 위한 유망한 접근 방식을 구성하며, 도구의 침투 깊이, 공간 분해능 및 감도의 정량화를 더욱 용이하게 할 것으로 예상됩니다. 이는 다중 주파수 nanoIR15,23과 같은 새로운 이미징 모드의 출현을 감안할 때 특히 중요하며, 정보의 특성과 작동 매개변수가 도구 성능에 미치는 영향은 잘 이해되지 않고 있습니다. 수집된 데이터에 대한 이해를 심화하기 위해서는 실험적 접근법을 다중물리 모델링(Multiphysics modeling)24과 결합하는 것이 중요하다. 다양한 크기의 임베디드 기능을 고려하고 표면 아래의 위치를 변경하는 것은 보다 포괄적인 모델을 개발하는 데 중요합니다. 차례로, 이것은 nanoIR 분광법의 분야를 실생활의 이종 및 3차원 물자의 응용으로 발전시킬 것입니다.
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Disclosures
저자는 공개할 것이 없습니다.
Acknowledgments
이 연구는 미국 국립과학재단(National Science Foundation, NSF CHE-1847830)의 지원을 받았습니다.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 10|0 2200 Golden Taklon Round | Zem | ||
| 5357-8NM Tweezers | Pelco | ||
| Adhesive Tabs | Ted Pella | 16079 | |
| AFM metal specimen disks | Ted Pella | 16208 | |
| Binocular | AmScope | ||
| Cantilever for nanoIR measurements | AppNano | FORTGG | |
| Cell culture dishes | Greiner bio-one GmbH | ||
| Desiccator | |||
| Floating optical table | Newport | RS 4000 | |
| Hotplate | VWR | ||
| Isopropanol | |||
| Kimwipes | KIMTECH | ||
| Magnetic stir bar | |||
| Microparticles based on polystyrene size: 5 µm | SIGMA-ALDRICH | 79633 | |
| nanoIR2 microscope | Bruker | Contact mode NanoIR2 | |
| Nitrogen Tank | Airgas | ||
| Petri dishes | Greiner bio-one GmbH | ||
| Polyvinyl Alcohol | SIGMA-ALDRICH | 363170 | this polymer was only 87%-89% hydrolyzed, which explains the presence of residual C=O at 1730 cm-1 |
| Quantum Cascade Laser | Daylight Solutions | 1550-1800 cm-1 range | |
| Silicon wafer | MEMC St. Peters | #901319343000 | |
| Spin coater | Oscilla |
References
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