Summary
Denne protokollen beskriver anvendelsen av atomkraftmikroskopi og nanoskala infrarød spektroskopi for å evaluere ytelsen til fototermisk nanoskala infrarød spektroskopi i karakteriseringen av tredimensjonale multipolymere prøver.
Abstract
Flerfasede polymere systemer omfatter lokale domener med dimensjoner som kan variere fra noen få titalls nanometer til flere mikrometer. Deres sammensetning vurderes vanligvis ved hjelp av infrarød spektroskopi, som gir et gjennomsnittlig fingeravtrykk av de forskjellige materialene som finnes i volumet som er undersøkt. Denne tilnærmingen gir imidlertid ingen detaljer om arrangementet av fasene i materialet. Grenseflateregioner mellom to polymere faser, ofte i nanoskalaområdet, er også utfordrende å få tilgang til. Fototermisk nanoskala infrarød spektroskopi overvåker den lokale responsen til materialer begeistret av infrarødt lys med den følsomme sonden til et atomkraftmikroskop (AFM). Mens teknikken er egnet for å undersøke små funksjoner, for eksempel individuelle proteiner på uberørte gulloverflater, er karakteriseringen av tredimensjonale multikomponentmaterialer mer unnvikende. Dette skyldes et relativt stort volum materiale som gjennomgår fototermisk ekspansjon, definert av laserfokaliseringen på prøven og av de termiske egenskapene til de polymere bestanddelene, sammenlignet med nanoskalaområdet undersøkt av AFM-spissen. Ved hjelp av en polystyren (PS) perle og en polyvinylalkohol (PVA) film, evaluerer vi det romlige fotavtrykket til fototermisk nanoskala infrarød spektroskopi for overflateanalyse som en funksjon av posisjonen til PS i PVA-filmen. Effekten av egenskapsposisjonen på de infrarøde nanoskalabildene undersøkes, og spektra anskaffes. Noen perspektiver på fremtidige fremskritt innen fototermisk nanoskala infrarød spektroskopi er gitt, med tanke på karakterisering av komplekse systemer med innebygde polymere strukturer.
Introduction
Atomkraftmikroskopi (AFM) har blitt avgjørende for å avbilde og karakterisere morfologien til et bredt utvalg av prøver med nanoskalaoppløsning 1,2,3. Ved å måle avbøyningen av en AFM-utkrager som følge av samspillet mellom den skarpe spissen og prøveoverflaten, har nanoskala funksjonelle bildeprotokoller for lokale stivhetsmålinger og spissprøveadhesjon blitt utviklet 4,5. For myke kondenserte stoffer og polymeranalyse er AFM-målinger som utforsker de nanomekaniske og nanokjemiske egenskapene til lokale domener svært ettertraktet 6,7,8. Før fremveksten av nanoskala infrarød (nanoIR) spektroskopi ble AFM-tips kjemisk modifisert for å vurdere tilstedeværelsen av forskjellige domener fra AFM-kraftkurven og trekke arten av spissprøveinteraksjonen. For eksempel ble denne tilnærmingen brukt til å avdekke transformasjonen av mikrodomener av poly (tert-butylakrylat) på overflaten av cykloheksanbehandlet polystyrenblokk-poly (tert-butylakrylat) blokk kopolymer tynne filmer ved sub 50 nm nivå9.
Kombinasjonen av infrarødt (IR) lys med AFM har hatt en betydelig innvirkning på feltet polymervitenskap6. Konvensjonell IR-spektroskopi er en mye brukt teknikk for å studere den kjemiske strukturen til polymere materialer 10,11, men den unnlater å gi informasjon om individuelle faser og interfaseoppførsel, da regionene er for små sammenlignet med størrelsen på IR-strålen som brukes til å undersøke prøven. Problemet gjelder IR-mikrospektroskopi, da det er begrenset av den optiske diffraksjonsgrensen6. Slike målinger gjennomsnitt bidragene fra hele regionen begeistret av IR-lyset; Signalene som følge av tilstedeværelsen av nanoskalafaser inne i det undersøkte området, viser enten komplekse fingeravtrykk som skal deconvoluted under etterbehandling eller går tapt på grunn av et signalnivå under detekterbart nivå. Derfor er det viktig å utvikle verktøy som er i stand til nanoskala romlig oppløsning og høy IR-følsomhet for å utforske nanoskala kjemiske egenskaper i komplekse medier.
Ordninger for å oppnå nanoIR-spektroskopi har blitt utviklet, først ved hjelp av en metallisk AFM-spiss som en nanoantenne12,13, og mer nylig utnytte AFM-utkragerens evne til å overvåke endringer i den fototermiske ekspansjonen som oppstår under IR-belysning av prøven 12,14,15. Sistnevnte bruker en pulserende, justerbar IR-lyskilde innstilt på et absorpsjonsbånd av materialet som undersøkes, noe som får prøven til å absorbere stråling og gjennomgå fototermisk ekspansjon. Denne tilnærmingen er godt egnet for organiske og polymere materialer. Den pulserende eksitasjonen gjør effekten detekterbar av AFM-utkrageren i kontakt med prøveoverflaten i form av en svingning. Amplituden til en av kontaktresonansene til systemet observert i frekvensspekteret overvåkes deretter som en funksjon av belysningsbølgelengden, som utgjør nanoIR-absorpsjonsspekteret til materialet under AFM-spissen15. Den romlige oppløsningen av nanoIR-avbildning og spektroskopi er begrenset av ulike effekter av den fototermiske utvidelsen av materialet. Det har blitt evaluert at fototermisk nanoIR-spektroskopi ved hjelp av kontaktmodus AFM kan skaffe seg vibrasjonsabsorpsjonsspektraegenskapene til materialer med romlig oppløsning under 50 nm skala14, med nylig arbeid som demonstrerer deteksjon av monomerer og dimerer av α-synuclein16,17. Imidlertid forblir kvantitative studier av ytelsen til nanoIR-målinger på heterogene polymere materialer samlet i forskjellige konfigurasjoner, for eksempel tilfelle av absorbenter av endelige dimensjoner innebygd i volumet av forskjellige polymerfilmer, fortsatt begrenset.
Denne artikkelen tar sikte på å skape en polymer samling med en innebygd funksjon av en kjent dimensjon for å evaluere følsomheten til fototermisk ekspansjon og romlig oppløsning av nanoIR under overflateanalyse. Protokollen dekker fremstilling av en polyvinylalkohol (PVA) polymer tynnfilm på et silisiumsubstrat og plassering av en tredimensjonal polystyren (PS) perle på eller innebygd i PVA-filmen, som utgjør dannelsen av modellsystemet. NanoIR-avbildning og spektroskopimålinger beskrives i sammenheng med evaluering av signalene som genereres av den samme PS-perlen plassert på eller under PVA-filmen. Påvirkningen av perleposisjonen på nanoIR-signalene evalueres. Metoder for å vurdere dråpens romlige fotavtrykk i nanoIR-kartet diskuteres, og effekten av flere parametere vurderes.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Å lage polyvinylalkohol (PVA) løsning
- Mål vann og PVA polymerpellets (se materialfortegnelse) for å lage en 10 ml løsning ved et 20 % PVA til vannforhold etter vekt.
- Varm vannet i glasset over en kokeplate som er satt til 100 °C.
- Plasser PVA-polymerpellets i det oppvarmede vannet. Sett inn en magnetisk rørestang.
- Reduser varmen til 80 °C og rør til PVA er helt oppløst.
- Dekk toppen av glasset for å forhindre forurensning.
- Når den er fullstendig oppløst, plasser 20 % PVA-oppløsningen i en egnet oppbevaringsbeholder for oppbevaring ved romtemperatur.
2. Fremstilling av PVA-belagt silisium (Si) wafere
- Skjær en silisium (Si) wafer (se Materialfortegnelse) i ~ 10 x 10 mm2 firkanter.
- Rengjør Si-substratet med isopropylalkohol og la det tørke.
- Plasser den rene Si-skiven på delen av sentrifugeren (se materialfortegnelsen).
- Slipp ca. 10 μL PVA-oppløsning på midten av Si-substratet. Prøv å unngå bobledannelse.
- Belegg Si-substratet med en jevn PVA-film ved spinnbelegg i 30 s ved 1,500 rotasjoner per minutt (rpm).
MERKNADER: Det spesifiserte volumet av væske- og spinnbeleggparametere skaper et jevnt lag med PVA over overflaten av underlaget med tilstrekkelig tykkelse for å forhindre rask tørking mellom sentrifugeringsbelegget og plassering av PS-perlene på PVA-overflaten i neste trinn.
- Fjern prøven fra sentrifugeringen og legg den i en ren prøvebeholder for å forhindre kontaminering før du overfører PS-perlene.
3. Plasser PS-perlene på den PVA-belagte overflaten
- Rengjør et Si-underlag med isopropylalkohol og la det tørke.
- Bruk en pipette til å plassere 1 μL PS-perler suspendert i vann på midten av underlaget.
- La vannet fordampe ved å plassere prøven i et oppbevaringsrom som inneholder tørkemiddel av bentonittleire.
MERK: Dette trinnet bevarer prøven ved å redusere eksponeringen for fuktighet. - Plasser det PVA-belagte substratet (trinn 2.4) og underlaget med de tørkede PS-kulene (trinn 3.3) under et optisk mikroskop. Avhengig av størrelsen vil en enkelt perle være synlig ved hjelp av enkel kikkert eller kreve høyere optisk forstørrelse.
- Løsne perlene forsiktig med ultrafin pinsett (se materialfortegnelse). Bruk en fin hårmalerkost til å samle noen løse perler og bank hårene på penselen lett over den nybelagte PVA-platen. Flere feier skal tillate perlene å samle seg i hårene på børsten. Trykk på toppen av penselhårene for å forstyrre PS-perlepulveret for å frigjøre perler på den klebrig PVA-overflaten.
MERK: Det er viktig at penselen er av høy kvalitet og ren for å unngå å slippe ut fibre og forurensninger på PVA-filmens overflate. Det er viktig å bevege seg raskt under dette trinnet, slik at PVA-en ikke tørker helt. - Gjenta dette trinnet til det er bekreftet ved optisk mikroskopiinspeksjon at individuelle PS-perler fester seg til PVA-overflaten.
- Oppbevar prøven i en ren beholder. La prøven tørke helt.
MERK: Prøven bør avkjøles og tørke helt før videre analyseforsøk utføres. AFM høydemålinger eller overflateprofileringsmålinger kan vurdere tykkelsen på suksessive PVA-filmer.
4. Laster prøven for AFM-karakterisering
MERK: Den beskrevne protokollen er basert på standard driftsprosedyrer for en nanoIR2 (se materialfortegnelse) plattform, men bør tilpasses i henhold til AFM-modellen som brukes til målingen.
- Monter PVA- og PS-perleprøven på AFM-trinnet ved hjelp av en metallisk AFM-skive og selvklebende tapper, slik at prøven er godt festet til prøveholderen.
- Monter en nanoIR-sonde (f.eks. FORTGG) på AFM-sondeholderen.
MERK: AFM-utkragingen er 225 μm lang, 27 μm bred og 2,7 μm tykk, med en spissradius på mindre enn 10 nm. Utkragingen er belagt med 45 nm tykk gullfilm på begge sider for å begrense responsen på den øverste siden IR-belysning av prøven (se materialtabell). For nanoIR-spektroskopimålinger, bruk helst en utkrager som er lagret i et polydimetylsiloksanfritt miljø før bruk. - Juster avlesningslaseren i den frie enden av utkragingsstrålen ved å vri på laserjusteringsknappene (x- og y-justeringer av laserposisjonen og vertikal justering av detektorposisjonen).
- Maksimer SUM-signalet til detektoren.
- Juster detektorens posisjon ved å dreie avbøyningsknappen slik at laseren er på linje med midten av den posisjonsfølsomme detektoren til AFM-avlesningssystemet, tilsvarende et vertikalt avbøyningssignal på ~ 0 V.
- Klikk på Last ikonet i AFM "Probe" kontrollpanelet.
- Følg instruksjonene i veiviserskjermbildet. Bruk fokuspilene til å bestemme fokusplanet til nanoIR-utkragingen. Bruk XY-forskyvningskontrollene til å plassere utkrageren midt på skjermen (justert med det hvite krysset).
- Deretter klikker du på fokuspilene for å finne fokalplanet på overflaten av prøven.
- Bruk den optiske visningen av systemet og XY-forskyvningskontrollene for å plassere utkragingsspissen over perlen av interesse og klikk på Neste.
- På engasjere-skjermen setter du "standoff" til 50 μm og klikker på Bare tilnærming.
- Start Engage-prosedyren for å nærme deg spissen for avbildning.
5. Opprette topografiske og nanoIR-bilder av multipolymerprøven
- Skaff topografibilder i standard "Kontaktmodus". Når utkragingens posisjon i forhold til PS-perlen er angitt, starter du tilnærmingen ved å klikke på engasjer-ikonet i AFM "Probe" -kontrollpanelet. Et intervensjonssettpunkt med en avbøyningsdifferensial på 0,2 V brukes for hele studien her, tilsvarende en kraft på ~100 nN.
I AFM "Scan" -kontrollpanelet setter du skannefrekvensen til 0,8 Hz, skannestørrelse (høyde og bredde) og antall punkter per linje og antall linjer per bilde som skal brukes til bildebehandling (512 x 512 ble brukt her). Klikk på Skann for å skaffe topografibildet.
MERK: Kalibrering av utkrager18 gjøres ved å bestemme avbøyningsfølsomheten (i nm / V) fra helningen på avbøyningsavstandskurven oppnådd med utkragingen som interagerer med et safirsubstrat (tilleggsfigur 1A). Utkragingsstivheten bestemmes ut fra termisk innstilling19 (tilleggsfigur 1B). Resonansen til utkragingen er montert ved hjelp av en Lorentzian-funksjon. Utkragingsstivheten (i N/m) bestemmes ved hjelp av ekvipartisjonsteoremet
, hvor KBer Boltzmann-konstanten, T er temperaturen (T = 295K), og P er arealet av effektspekteret til utkragingens termiske fluktuasjoner bestemt ved å integrere Lorentzian-passformen til termiske innstillingsdata20. - For nanoIR-målinger plasserer du AFM-spissen på funksjonen av interesse identifisert fra topografibildet.
- Velg stemmegaffelikonet i nanoIR-kontrollpanelet for å bestemme kontaktresonansfrekvensene til utkragingen. Sett et belysningsbølgetall som vil opphisse fototermisk ekspansjon i materialet. Still inn et område med laserpulsfrekvens for å feie og stille inn driftssyklusen til nanoIR-laseren. Velg Skaff deg i "Laser Pulse Tune Window".
- Velg den andre kontaktresonansen til spissprøvesystemet for nanoIR-målinger ved å plassere markørlinjen (grønn vertikal linje) på toppen av den andre kontaktresonansen.
MERK: Valget av kontaktresonansmodus kan variere avhengig av type utkrager og prøve. - Klikk på Optimaliser for å justere midten av IR-laserfokusområdet med posisjonen til utkragingsspissen. Justering gjøres ved et valgt IR-belysningsbølgetall, tilsvarende et absorpsjonsbånd av materialet som undersøkes. Utkragingen er plassert i midten av laseravtrykket (tilleggsfigur 2).
MERK: Justeringen kan variere for forskjellige bølgetall avhengig av lasermodellen. - Skaff deg en bakgrunn av IR-laserbelysningen. Dette består i å måle utgangen fra IR-kvantekaskadelaseren (QCL) i bølgelengdeområdet for utslipp ved valgt pulsfrekvens (tilleggsfigur 3). Dette er viktig for bakgrunnskorreksjon av nanoIR-spektrene.
- Skaff deg nanoIR-spekteret ved å velge bølgetallområdet (her er Start og Stopp satt til henholdsvis 1,530 cm-1 og 1,800 cm-1), trinnstørrelsen (2 cm-1) og antall gjennomsnitt som brukes til målingen. Utfør bakgrunnskorreksjon av spektrene som vises ved å dele den fototermiske amplituden målt med den dempede bakgrunnen, som består i å multiplisere bakgrunnen samlet i trinn 5.2.4 med prosentandelen strøm valgt for målingen.
- For nanoIR-avbildning velger du interesseområdet for avbildning.
- Aktiver automatisk justering av faselåst sløyfe (PLL) i "Laser Pulse Tune Window" (tilgjengelig via stemmegaffelikonet ).
- Juster minimums- og maksimumsfrekvensen for å opprette et feieområde sentrert i den andre resonansmodusen i det generelle kontrollpanelet.
- Null fasen ved å klikke på null i PLL-kontrollpanelet og klikk deretter på OK i vinduet "Laser Pulse Tune".
- Velg IR-bildeaktivert ved å sette en hake i boksen i nanoIR-kontrollpanelet.
- I kontrollpanelet "Imaging View" velger du Høyde (Imaging View 1), Amplitude 2 (Imaging View 2) og Phase 2 (Imaging View 3) for å skaffe de topografiske og kjemiske bildene av prøven. Sett anskaffelsesretningen til Trace (eller Retrace). En linjetilpasningslinje er ofte nødvendig for å observere topografibildet av prøven som anskaffes. Opptakstilpasning bør settes til Ingen.
MERK: Skanneinnstillinger, for eksempel hvilken skanneretning som registreres eller fargepaletten som brukes, kan justeres etter behov. - I AFM "Scan" -kontrollpanelet velger du skanneikonet .
- For å lagre bildet, velg ikonet Nå eller Slutt på rammen i kontrollpanelet "Capture".
- For å eksportere dataene, høyreklikk på bilde- eller spektrumfilnavnene i datalistene. Velg Eksporter, og velg formatet på filen som skal eksporteres. Lagre filen på ønsket datamaskinmappeplassering.
, hvor KBer Boltzmann-konstanten, T er temperaturen (T = 295K), og P er arealet av effektspekteret til utkragingens termiske fluktuasjoner bestemt ved å integrere Lorentzian-passformen til termiske innstillingsdata20.Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
PS ((C8H8 )n) perler ble avsatt på et rent Si-substrat (figur 1A) og på PVA (CH2CHOH)n) (figur 1B,C). På grunn av dårlig vedheft av perlen på Si, kunne nanoIR-avbildning i kontaktmodus ikke kjøpes for denne prøven. I stedet, ved hjelp av den optiske visningen av prøven på nanoIR, ble den gullbelagte AFM-sonden engasjert på toppen av PS-perlen i kontaktmodus, med en estimert kraft på ca. 100 nN (figur 2A). Den pulserende IR-laseren ble satt til å opphisse prøven ved 1,730 cm-1, siden både PS og PVA forventes å absorbere ved dette bølgetallet. Pulsfrekvensen til laseren ble feid for å bestemme kontaktresonansen til utkrageren for nanoIR-spektrummålingen. Ved pulsering ved kontaktresonansfrekvens ble utkragingsresponsen overvåket for å bestemme amplituden til svingningen (figur 2B). Deretter ble nanoIR-spektrene konstruert ved å overvåke amplituden til kontaktresonansen som en funksjon av belysningsbølgetallet, fra 1,530 til 1,800 cm-1 i trinn på 2 cm-1 (figur 2C). I dette området (figur 3A, innfelt) avslørte spekteret tilstedeværelsen av to IR-bånd sentrert ved 1,600 cm-1 og 1,730 cm-1, tilsvarende den dominerende strekkmodusen til fenyldelen og en delmengde av ringen som strekker seg i PS, henholdsvis21. Sammenligning av nanoIR-spekteret med fjernfeltet Fourier-transform infrarødt (FTIR) -spekteret av PS bekreftet tilstedeværelsen av den aromatiske modusen ved 1,600 cm-1 (figur 3A). Det ble imidlertid bemerket at den relative amplituden I1600/I1730 var signifikant forskjellig i FTIR- og nanoIR-spektrene, med respektive verdier på 2,9 og 0,9. Dette ble tilskrevet mekanismen for deteksjon av nanoIR-spektroskopi, som overvåker den fototermiske ekspansjonen av polymeren i stedet for dens absorbans, som i FTIR-spektroskopi. Når det gjelder PS, tilsvarte dette en høyere fototermisk ekspansjon når de aromatiske underbåndene ble spennende på 1,730 cm-1. NanoIR-spekteret av PVA viste bedre samsvar med FTIR-spekteret med et dominerende absorpsjonsbånd sentrert ved ~ 1,730 cm-1 (figur 3B). Selv om dette båndet ikke var forventet i ren PVA, som ikke inneholder en C = O-gruppe, tyder tidligere arbeid på at tilstedeværelsen av båndet kan tilskrives karbonylfunksjonelle grupper på grunn av gjenværende acetat brukt i fremstillingen av PVA (hastighet som ~ 80% -90% hydrolysert) 22. For formålet med denne studien var tilstedeværelsen av et bånd på 1,730 cm-1 egnet til å vurdere effekten av samtidig absorpsjon av PS og PVA.
NanoIR-spektrene ble brukt til å velge belysningsbølgetallene for kjemisk avbildning av PS-perlen avsatt på overflaten av PVA (figur 4A-C) og av PS-perlen belagt med PVA (figur 4D-F). PLL-kontaktresonansfrekvenssporingsevnen til systemet ble brukt til å sikre at amplitudemålingen ved hver piksel tilsvarte maksimal amplitude for kontaktresonanstoppen15 (figur 2C). Utkragerens kontaktresonans ble målt når utkragingsspissen var i kontakt med PVA og PS for å bestemme et passende område for PLL-frekvenssporingen.
NanoIR-bilder ble først anskaffet på 1,600 cm-1, noe som tilsvarer tilfellet der PS er den dominerende absorberen av systemet (figur 4Ai; Di)). Selv om en 5 μm PS-perle ble avbildet i begge tilfeller, var amplituden til den fototermiske ekspansjonen registrert ved denne bølgelengden forskjellig når spissen var i direkte kontakt med PS-perlen og når spissen var i kontakt med det tynne PVA-belegget på toppen av PS-perlen. Økningen i fototermisk ekspansjon oppdaget over PS-perlen var betydelig mindre når perlen ble dekket med laget av PVA, estimert til å være ~ 1,8 μm tykk ved hjelp av en overflateprofiler (tilleggsfigur 4). Ved lasereffekten som ble brukt (1,47%, som tilsvarer ~ 3,4 mW ved 1,600 cm-1 og ~ 3,8 mW ved 1,730 cm-1) (tilleggstabell 1), viste et område ~ 13 μm i diameter en liten økning i amplitude ~ 2 nm over signalet registrert på det rene ikke-absorberende PVA-laget vekk fra PS-perlen. Det romlige fotavtrykket til amplitudeøkningen var mye bredere enn når PS-perlen var på toppen av PVA-filmen (figur 4A), hvor det fototermiske ekspansjonssignalet var asymmetrisk, men forble innenfor et område ~ 6 μm bredt i rask skanneretning og ~ 8 μm lang i den langsomme skanneretningen til bildet. Amplitudeavlesningene i denne regionen nådde opp til 12,1 nm over den fototermiske ekspansjonen av det rene PVA-laget. Ved belysning av prøven ved 1,730 cm-1 viste PS og PVA begge en høyere amplitude av fototermisk ekspansjon enn ved 1,600 cm-1. Når det gjelder den eksponerte PS-perlen (figur 4Ci), var den fototermiske ekspansjonen høyest på toppen av perlen, og nådde verdier opp til 26,5 nm. Den høye fototermiske responsen strakte seg flere mikrometer utover fotavtrykket observert i figur 4Ai. PVA utvidet også på grunn av eksitasjonen, men med lavere amplitude, nemlig ~ 7,6 nm registrert vekk fra PS-perlen. Det ble bemerket at responsen var konsekvent sterkest på venstre side av PS-perlen. For den innebygde perlen (figur 4F) var signalet mer symmetrisk, men amplituden til den fototermiske ekspansjonen over PS-perlen var bare ~ 2,3 nm høyere enn PVA. For dette ble en konsistent fototermisk amplitude på ~ 13,6 nm registrert innenfor 10-13 μm fotavtrykk av regionen berørt av PS-oppvarming, bestemt fra kartlegging av overflaten med AFM-sonden. Ved målinger utført ved 1,620 cm-1 ble det ikke oppdaget noe signal, noe som stemmer overens med fraværet av et bemerkelsesverdig IR-absorpsjonsbånd for PS og PVA i dette spektrumområdet.
Deretter ble nanoIR-spektrene samlet på toppen av en PS-perle dekket sammenlignet med PVA (figur 5A). PS-signalet ved 1,600 cm-1 var betydelig lavere enn i tilfelle av den avdekkede perlen. Til tross for det lave bidraget fra båndet, bekreftet videre analyse av signalene at økning av lasereffekten førte til et høyere forhold I1600 / I1730 (figur 5B, C). Resultatene antydet at en høyere lasereffekt tilsvarer større penetrasjonsdybde, som vist i figur 5B. I sin tur påvirker dette nanoIR-bildet samlet under en annen laserkraft. Ved en høyere effekt på ~ 20 mW viste materialets fototermiske amplitude konsekvent en lavere amplitude enn ved lavere laserkrefter. Videre økte støynivået i spektrene, noe som tyder på noen ustabiliteter i materialet, sannsynligvis på grunn av temperaturøkningen i polymeren.
Figur 1: Avsetning av PS-perler. Skanning elektronmikroskopi (SEM) bilde av 5 μm PS perle (A) på toppen av et uberørt silisiumsubstrat, (B) på toppen av en PVA-film, og (C) dekket med PVA. Skala bar = 1 μm. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 2: Skjemaer som illustrerer prinsippet om nanoIR-avbildning og spektroskopi. (A) IR-pulslaseren er justert og fokusert på kontaktpunktet til den metalliske AFM-utkragespissen med prøven. Utkragingen måler den fototermiske responsen til materialet som følge av IR-absorpsjon. Gulllaget på begge sider brukes til å redusere det fototermiske og akustiske bidraget til utkrageren under målingen, noe som vil forstyrre nanoIR-målingen av prøven. (B) Signal fra den posisjonsfølsomme detektoren som overvåker utkragingens avbøyning i tidsdomenet [S(t)] og frekvensdomenet [S(ω)]. Kontaktresonansmodusene til utkrageren identifiseres ved innlåsingsforsterkermålinger. Den andre kontaktresonansen brukes til PLL-sporing under avbildning. Amplituden til kontaktresonansmodus Acr2 måles. (C) NanoIR-spektrum oppnådd ved å overvåke endringen i amplitude Acr2 som en funksjon av belysningsbølgenummer. NanoIR-bildet ble oppnådd ved å overvåke endringen i amplitude Acr2 som en funksjon av spissens posisjon på prøven. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 3: IR-spektra av PS og PVA. (A) FTIR-spektrum av PS. Den røde boksen indikerer rekkevidden av spekteret studert med nanoIR-spektroskopi. Det tilsvarende nanoIR PS-spekteret er gitt i innsatsen. (B) FTIR-spektrum av PVA. Den røde boksen indikerer rekkevidden av spekteret studert med nanoIR-spektroskopi. Det tilsvarende nanoIR PVA-spekteret er gitt i innsatsen. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 4: NanoIR-avbildning. PS-perlen (A-C) avsatt på overflaten av PVA og (D-F) innebygd i PVA som vist i innsatsene. NanoIR-kart anskaffet ved (A i,Di) 1,600 cm-1, (B i,Ei) 1,620 cm-1 og (C i,Fi) 1,730 cm-1 er overlappet på 3D-topografikartet. Tilsvarende topografi og nanoIR-profiler ekstrahert langs den hvite stiplede linjen er presentert i de respektive grafene (ii). Skala bar = 5 μm. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 5: NanoIR-spektrum samlet av AFM-spissen i kontakt med PS-perlen belagt med PVA. (A) NanoIR-spektra samlet inn ved p1 = 1,47%, p2 = 2,48%, p3 = 5,20% og p4 = 11% av lasereffekten. Lasereffekt varierer som en funksjon av bølgelengden, som korrigeres for ved dempet bakgrunnskorreksjon for hvert tilfelle. (B) Skjemaer som illustrerer effekten av laserkraft på styrken av signalene som samles inn. (C) Forhold I1600/I1730 som en funksjon av lasereffekt. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Tilleggsfigur 1: Kalibrering av nanoIR-utkragingen. (A) Avbøyningsavstandskurve oppnådd på et safirsubstrat. Hellingen til tilbaketrekkingskurven gir avbøyningsfølsomheten til utkragingen som brukes til å beregne fjærkonstanten. (B) Cantilever resonansfrekvens bestemt av termisk innstilling som brukes til å beregne fjærkonstanten. Klikk her for å laste ned denne filen.
Tilleggsfigur 2: IR-laseravtrykk. Den oscillerende amplituden til utkrageren i kontakt med prøveoverflaten registreres som en funksjon av posisjonen til IR-laseren. IR-laserjusteringen varieres ved hjelp av et bevegelig speil. Speilets posisjon er satt til å justere sentrum av brennvolumet (rødt område) med utkragerens posisjon (midten av det hvite korset). Klikk her for å laste ned denne filen.
Tilleggsfigur 3: Laserutgangseffekt (i mW) som funksjon av bølgetall. Utgangseffekten til QCL-laseren bestemmes ved hjelp av en standard IR-detektor fra 1,530 cm-1 til 1,800 cm-1 i trinn på 2 cm-1 ved pulsfrekvensen som tilsvarer innstillingen som brukes til nanoIR-målingene. Klikk her for å laste ned denne filen.
Tilleggsfigur 4: PVA-tykkelsesmålinger oppnådd ved laserkonfokal overflateprofilometri. Klikk her for å laste ned denne filen.
Tilleggstabell 1: Lasereffekten i milliwatt for hvert bølgetall. Klikk her for å laste ned denne filen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
AFM kombinert med nanoIR-spektroskopi kan gi nanoskala kjemisk informasjon ved hjelp av en utkrager i kontaktmodus og en pulserende justerbar IR-lyskilde. Modellsystemer, for eksempel innebygging av en absorber med endelige dimensjoner i volumet av et polymert materiale, er viktige for å forbedre forståelsen av bildedannelsesmekanismer og for å bestemme verktøyets ytelse. Når det gjelder PS/PVA-konfigurasjonen som presenteres her, ble optimalisering utført for å oppnå en stabil PS-perle plassert over eller under overflaten av PVA-filmen. Det ble funnet at deponering av PS-perlene umiddelbart etter fjerning av det belagte Si-substratet fra spinnbelegget resulterte i bedre vedheft. Viskositeten til PVA-laget kan påvirke dråpens plassering i forhold til PVA-filmoverflaten. Oppvarming av prøven i ca. 15 minutter ved ~200 °C tillot dypere implantasjon av kulene.
Takket være størrelsen på PS-perlene (5 μm her), er rask justering av utkragingsspissen med midten av perlen mulig ved hjelp av det optiske mikroskopet innebygd med nanoIR-systemet. Mens PS-perler og mikrobobler i PVA knapt kan differensieres optisk, kan nanoIR-analyse bekrefte sammensetningen av prøven. Mens bidraget fra IR-båndet ved 1,600 cm-1 kan være svakt når PS-perlen er dekket med en annen polymer, som nevnt i figur 5, kan høy lasereffekt øke bidraget fra PS ved 1,600 cm-1 i nanoIR-fingeravtrykket samlet rett over det, med utkrageren i kontakt med PVA-overlegget. Det forventes at PS-perler med mindre diametre vil være vanskeligere å lokalisere med optisk mikroskopi og vil bidra med et lavere signal til nanoIR-spekteret. I et slikt tilfelle bør AFM-avbildning og nanoIR-målinger av PS-kulene før deponering av toppstrøkslaget av PVA vurderes, sammen med merking av prøven for å sikre at plasseringen av de innebygde PS-perlene er kjent. Til tross for disse forutsette utfordringene, har denne tilnærmingen til å forberede modellsystemer fordelen av å være billig og lett tilgjengelig. Profilen til perlens topografi kan brukes til å estimere perleposisjonen, selv om den såkalte spisseffekten bør tas i betraktning for å vurdere diameteren til det avbildede trekket.
Når det gjelder datainnsamling og analyse, avslører dataene produsert med nanoIR i denne studien flere uventede ustabiliteter i spissprøveinteraksjonen ved bruk av en mykere nanoIR-utkrager og når man øker lasereffekten. NanoIR-bilder tatt med en mykere utkrager (k < 0,4 N/m) var konsekvent ustabile nær PS-perlen eksitert av IR-lyset, til tross for et stabilt topografibilde. NanoIR-spektrene til PS og PVA registrert i denne studien er i god overensstemmelse med de ofte rapporterte FTIR-spektrene til de tilsvarende bulkpolymerene21,22. De to distinkte absorpsjonsbåndene ved 1,600 cm-1 (kun PS) og 1,730 cm-1 (PS og PVA) gir en måte å sammenligne effekten av å spennende den enkle dråpeabsorbenten under overflaten. NanoIR-bildene presentert i figur 4 indikerer at signalet i nærheten av perlen er sterkt når PS-perlen eksponeres, men avtar betydelig når en PVA-tynn film dekker perlen. Resultatene indikerer imidlertid at en perle mer enn 1 μm under overflaten kan detekteres i nanoIR-kartet, både når systemet er spennende på 1.600 cm-1 og ved 1.730 cm-1. Amplituden oppdaget av utkrageren øker med ~ 2 nm rett over perlen i kartet i begge tilfeller. Selv om den er lav i amplitude, er fotavtrykket til denne ekspansjonen ca. 13 μm bredt for 1,600 cm-1-eksitasjonen, som er mye større enn perlens diameter, og bekrefter at varmen diffunderer fra PS-absorberen til PVA. Denne Joule-utvidelsen kan påvirke den romlige oppløsningen av nanoIR på heterogene materialer, med en sterkere effekt forventet hvis absorberen er nærmere overflaten. Den større responsen til prøven ved 1,730 cm-1 er i samsvar med nanoIR-spektrene presentert i figur 5, som viser at båndets bidrag ved 1,600 cm-1 er mye svakere enn ved 1,730 cm-1.
Den nåværende tilnærmingen presenterer noen begrensninger. Å plassere perlene under overflaten av PVA mens du begrenser den topografiske bumpen på overflaten av modellsystemet, forblir uoppnåelig. Faktisk kan det kreve et så tykt belegg at perlen kan bli umulig å oppdage fra nanoIR-spektroskopiens synspunkt. Dybden på perlen er både vanskelig å kontrollere og å karakterisere, noe som ville gjøre det vanskelig å gi tilstrekkelig informasjon for modellering for en nøyaktig representasjon av modellsystemet. Et mer komplett bilde av effekten av undergrunnsabsorberens størrelse og dybde på nanoIR-signalet målt på overflaten vil kreve å variere dimensjonene og posisjonene til perlen med større presisjon. I tillegg er det sannsynlig at i et virkelig komplekst system vil flere undergrunnsabsorbenter med forskjellige størrelser, posisjoner og sammensetninger forstyrre målingene, noe som ikke er beskrevet i denne modellen.
Likevel bekrefter målingene at det er mye å lære av signalgenerering på multipolymere prøver for nanoIR-karakterisering. Ytterligere optimalisering av prøveprepareringsprotokollen bør utføres for å kontrollere dybden der PS-perlen er innebygd for å muliggjøre en mer omfattende analyse av hvordan den fototermiske ekspansjonen på overflaten av PVA påvirkes av undergrunnsabsorbenten. Kombinasjonen av polymerer som brukes til målingene, kan også varieres for å bestemme rollen som termisk ledningsevne, termisk ekspansjon og mekaniske egenskaper på ytelsen til nanoIR-målingene for heterogene materialer. Dette utgjør en lovende tilnærming for å bedre forstå prøvens oppførsel for nanoIR-spektroskopi og avbildning, og forventes å lette kvantifiseringen av penetrasjonsdybde, romlig oppløsning og følsomhet av verktøyet ytterligere. Dette er spesielt viktig gitt fremveksten av nye avbildningsmoduser, for eksempel multifrekvens nanoIR15,23, hvor arten av informasjonen og effekten av aktiveringsparametere på ytelsen til verktøyene forblir dårlig forstått. For å utdype forståelsen av dataene som samles inn, vil det være avgjørende å kombinere den eksperimentelle tilnærmingen med multifysikkmodellering24. Å vurdere innebygde funksjoner i forskjellige størrelser og variere deres posisjon under overflaten vil være avgjørende for å utvikle en mer omfattende modell. I sin tur vil dette fremme feltet nanoIR-spektroskopi mot anvendelser av virkelige heterogene og tredimensjonale materialer.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har ingenting å avsløre.
Acknowledgments
Dette arbeidet ble støttet av 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).
