Summary
Este protocolo descreve a aplicação da microscopia de força atômica e da espectroscopia no infravermelho em nanoescala para avaliar o desempenho da espectroscopia no infravermelho fototérmico em nanoescala na caracterização de amostras tridimensionais multipoliméricas.
Abstract
Os sistemas poliméricos multifásicos englobam domínios locais com dimensões que podem variar de algumas dezenas de nanômetros a vários micrômetros. Sua composição é comumente avaliada usando espectroscopia de infravermelho, que fornece uma impressão digital média dos vários materiais contidos no volume sondado. No entanto, essa abordagem não oferece detalhes sobre a disposição das fases no material. Regiões interfaciais entre duas fases poliméricas, muitas vezes na faixa de nanoescala, também são difíceis de acessar. A espectroscopia no infravermelho em nanoescala fototérmica monitora a resposta local de materiais excitados pela luz infravermelha com a sonda sensível de um microscópio de força atômica (AFM). Embora a técnica seja adequada para interrogar pequenas características, como proteínas individuais em superfícies de ouro imaculadas, a caracterização de materiais multicomponentes tridimensionais é mais elusiva. Isso se deve a um volume relativamente grande de material em expansão fototérmica, definida pela focalização do laser sobre a amostra e pelas propriedades térmicas dos constituintes poliméricos, em comparação com a região nanométrica sondada pela ponta AFM. Usando um grânulo de poliestireno (PS) e um filme de álcool polivinílico (PVA), avaliamos a pegada espacial da espectroscopia de infravermelho fototérmico em nanoescala para análise de superfície em função da posição do PS no filme de PVA. O efeito da posição da feição nas imagens infravermelhas em nanoescala é investigado, e os espectros são adquiridos. Algumas perspectivas sobre os futuros avanços no campo da espectroscopia no infravermelho fototérmico em nanoescala são fornecidas, considerando a caracterização de sistemas complexos com estruturas poliméricas embutidas.
Introduction
A microscopia de força atômica (AFM) tornou-se essencial para obter imagens e caracterizar a morfologia de uma grande variedade de amostras com resolução em nanoescala1,2,3. Através da medição da deflexão de um cantilever de AFM resultante da interação da ponta afiada com a superfície da amostra, foram desenvolvidos protocolos de imagem funcional em nanoescala para medidas de rigidez local e adesão ponta-amostra 4,5. Para análise de matéria condensada mole e polímeros, medidas de AFM explorando as propriedades nanomecânicas e nanoquímicas de domínios locais são altamente procuradas 6,7,8. Antes do surgimento da espectroscopia no infravermelho nanométrico (nanoIR), as pontas de AFM foram quimicamente modificadas para avaliar a presença de diferentes domínios da curva de força de AFM e deduzir a natureza da interação ponta-amostra. Por exemplo, esta abordagem foi usada para desvendar a transformação de microdomínios de poli(terc-butilacrilato de acrilato) na superfície de filmes finos de copolímero de poli(terc-butilacrilato de poli(terc-butilacrila) tratados com ciclohexano no nível9 abaixo de 50 nm.
A combinação de luz infravermelha (IR) com AFM tem tido um impacto significativo no campo da ciência de polímeros6. A espectroscopia IR convencional é uma técnica amplamente utilizada para estudar a estrutura química de materiais poliméricos10,11, mas falha em fornecer informações sobre fases individuais e comportamento de interfases, pois as regiões são muito pequenas em comparação com o tamanho do feixe de IV usado para sondar a amostra. O problema ocorre com a microespectroscopia de IR, pois ela é restrita pelo limite de difração óptica6. Tais medidas medem as contribuições de toda a região excitada pela luz IR; Os sinais resultantes da presença de fases em nanoescala dentro da região sondada exibem impressões digitais complexas que devem ser descontorcidas durante o pós-processamento ou são perdidos devido a um nível de sinal abaixo do nível detectável. Assim, é essencial desenvolver ferramentas capazes de resolução espacial em nanoescala e alta sensibilidade de IR para explorar características químicas em nanoescala em meios complexos.
Esquemas para a obtenção de espectroscopia nanoIR foram desenvolvidos, primeiramente utilizando uma ponta metálica de AFM como nanoantena 12,13 e, mais recentemente, explorando a capacidade do cantilever AFM de monitorar mudanças na expansão fototérmica incorridas durante a iluminação IR da amostra 12,14,15. Este último utiliza uma fonte de luz IR pulsada e ajustável sintonizada em uma banda de absorção do material sondado, o que faz com que a amostra absorva radiação e sofra expansão fototérmica. Esta abordagem é adequada para materiais orgânicos e poliméricos. A excitação pulsada torna o efeito detectável pelo cantilever AFM em contato com a superfície da amostra na forma de uma oscilação. A amplitude de uma das ressonâncias de contato do sistema observada no espectro de frequência é então monitorada em função do comprimento de onda de iluminação, que constitui o espectro de absorção de nanoIR do material sob a ponta AFM15. A resolução espacial das imagens de nanoIR e espectroscopia é limitada por vários efeitos da expansão fototérmica do material. Avaliou-se que a espectroscopia fototérmica de nanoIR utilizando AFM em modo de contato pode adquirir as propriedades dos espectros de absorção vibracional de materiais com resolução espacial em escala sub 50nm14, com trabalhos recentes demonstrando a detecção de monômeros e dímeros de α-sinucleína16,17. No entanto, estudos quantitativos do desempenho de medidas de nanoIR em materiais poliméricos heterogêneos montados em várias configurações, como no caso de absorvedores de dimensões finitas embutidos no volume de vários filmes poliméricos, permanecem limitados.
Este artigo tem como objetivo criar uma montagem polimérica com uma característica embutida de uma dimensão conhecida para avaliar a sensibilidade da expansão fototérmica e resolução espacial do nanoIR durante a análise de superfície. O protocolo abrange a preparação de um filme fino de polímero de polivinil álcool (PVA) sobre um substrato de silício e a colocação de um grânulo tridimensional de poliestireno (PS) sobre ou embutido no filme de PVA, que constitui a formação do sistema modelo. Imagens de nanoIR e medidas de espectroscopia são descritas no contexto da avaliação dos sinais gerados pelo mesmo grânulo de PS posicionado sobre ou abaixo do filme de PVA. A influência da posição do cordão sobre os sinais de nanoIR é avaliada. Métodos para avaliar a pegada espacial do cordão no mapa de nanoIR são discutidos, e os efeitos de vários parâmetros são considerados.
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Protocol
1. Fazer solução de álcool polivinílico (PVA)
- Meça os pellets de água e polímero PVA (ver Tabela de Materiais) para criar uma solução de 10 mL na proporção de 20% PVA/água em peso.
- Aqueça a água no copo sobre uma placa quente regulada a 100 °C.
- Coloque os pellets de polímero PVA na água aquecida. Insira uma barra de agitação magnética.
- Reduza o fogo para 80 °C e mexa até que o PVA se dissolva completamente.
- Cubra a parte superior dos vidros para evitar contaminação.
- Uma vez totalmente dissolvida, coloque a solução de PVA a 20% em um recipiente apropriado para armazenamento à temperatura ambiente.
2. Preparação de wafers de silício (Si) revestidos com PVA
- Corte um wafer de silício (Si) (consulte Tabela de Materiais) em ~10 x 10 mm2 quadrados.
- Limpe o substrato de Si com álcool isopropílico e deixe secar.
- Coloque a bolacha Si limpa no mandril do revestidor de spin (consulte a Tabela de Materiais).
- Lançar gotas de aproximadamente 10 μL de solução de PVA no centro do substrato de Si. Tente evitar a formação de bolhas.
- Revestir o substrato de Si com um filme de PVA uniforme por spin coating por 30 s a 1.500 rotações por minuto (rpm).
NOTA: O volume especificado de líquido e parâmetros de revestimento de spin criam uma camada uniforme de PVA em toda a superfície do substrato com espessura suficiente para evitar a secagem rápida entre o revestimento de spin e a colocação das esferas PS na superfície do PVA na próxima etapa.
- Retire a amostra do revestidor de spin e coloque-a em um recipiente de amostra limpo para evitar contaminação antes de transferir as contas PS.
3. Colocação das contas PS na superfície revestida de PVA
- Limpe um substrato de Si usando álcool isopropílico e deixe secar.
- Com uma pipeta, coloque 1 μL de esferas PS suspensas em água sobre o centro do substrato.
- Deixe evaporar a água colocando a amostra num compartimento de armazenamento contendo dessecante de argila bentonítica.
NOTA: Esta etapa preserva a amostra, reduzindo a exposição à umidade. - Colocar o substrato revestido com PVA (passo 2.4) e o substrato com as esferas PS secas (passo 3.3) sob um microscópio óptico. Dependendo do seu tamanho, um único talão será visível usando binóculos simples ou exigirá maior ampliação óptica.
- Solte suavemente as contas usando pinças ultrafinas (consulte a Tabela de Materiais). Use um pincel de cabelo fino para coletar algumas contas soltas e bata levemente os pelos do pincel sobre a bolacha recém-revestida de PVA. Várias varreduras devem permitir que as contas se acumulem dentro dos pelos da escova. Toque na parte superior dos pelos do pincel para perturbar o pó de contas PS para liberar contas na superfície pegajosa do PVA.
OBS: É importante que o pincel seja de alta qualidade e limpo para evitar a liberação de fibras e contaminantes na superfície do filme PVA. Mover-se rapidamente durante esta etapa é essencial para que o PVA não seque completamente. - Repita esta etapa até que seja confirmado pela inspeção por microscopia óptica que as esferas PS individuais aderem à superfície do PVA.
- Armazene a amostra em um recipiente limpo. Deixe a amostra secar totalmente.
NOTA: A amostra deve ser deixada arrefecer e secar completamente antes de serem realizadas novas tentativas de análise. Medidas de altura AFM ou medidas de perfilador de superfície podem avaliar a espessura de filmes sucessivos de PVA.
4. Carregamento da amostra para caracterização do AFM
NOTA: O protocolo descrito é baseado em procedimentos operacionais padrão de uma plataforma nanoIR2 (ver Tabela de Materiais), mas deve ser adaptado de acordo com o modelo AFM usado para a medição.
- Monte a amostra de esferas PVA e PS no estágio AFM usando um disco AFM metálico e abas adesivas, de modo que a amostra esteja firmemente presa ao suporte da amostra.
- Monte uma sonda nanoIR (por exemplo, FORTGG) no suporte da sonda AFM.
NOTA: O cantilever AFM tem 225 μm de comprimento, 27 μm de largura e 2,7 μm de espessura, com um raio de ponta inferior a 10 nm. O cantilever é revestido com filme de ouro de 45 nm de espessura em ambos os lados para limitar sua resposta à iluminação IR do lado superior da amostra (consulte Tabela de Materiais). Para medições de espectroscopia nanoIR, use preferencialmente um cantilever que tenha sido armazenado em um ambiente livre de polidimetilsiloxano antes do uso. - Alinhe o laser de leitura na extremidade livre do feixe de cantilever girando os botões de alinhamento do laser (ajustes x e y da posição do laser e ajuste vertical da posição do detector).
- Maximize o sinal SUM do detector.
- Ajuste a posição do detector girando o botão de deflexão para que o laser esteja alinhado com o centro do detector sensível à posição do sistema de leitura AFM, correspondendo a um sinal de deflexão vertical de ~0 V.
- Clique no ícone Carregar no painel de controle AFM "Probe".
- Siga as instruções na tela do assistente. Use as setas de foco para determinar o plano focal do cantilever nanoIR. Use os controles de deslocamento XY para posicionar o cantilever no centro da tela (alinhado com a cruz branca).
- Em seguida, clique nas setas de foco para encontrar o plano focal da superfície da amostra.
- Use a visão óptica do sistema e os controles de deslocamento XY para posicionar a ponta do cantilever acima do talão de interesse e clique em Avançar.
- Na tela de engajamento, defina o "standoff" para 50 μm e clique em Approach Only.
- Inicie o procedimento Engage para abordar a dica para geração de imagens.
5. Criação de imagens topográficas e nanoIR da amostra multipolímero
- Adquira imagens de topografia no padrão "Modo de Contato". Uma vez que a posição do cantilever em relação ao talão PS esteja definida, inicie a abordagem clicando no ícone de engajamento no painel de controle AFM "Probe". Um setpoint de acoplamento de um diferencial de deflexão de 0,2 V é usado para todo o estudo aqui, correspondendo a uma força de ~100 nN.
No painel de controle AFM "Scan", defina a taxa de varredura para 0,8 Hz, o tamanho da varredura (altura e largura) e o número de pontos por linha e número de linhas por imagem a serem usados para geração de imagens (512 x 512 foi usado aqui). Clique em Digitalizar para adquirir a imagem da topografia.
NOTA: A calibração do cantilever18 é feita determinando-se a sensibilidade à deflexão (em nm/V) a partir da inclinação da curva deflexão-distância obtida com o cantiléver interagindo com um substrato de safira (Figura 1A suplementar). A rigidez do cantilever é determinada a partir da sintonia térmica19 (Figura 1B Suplementar). A ressonância do cantilever é ajustada usando uma função Lorentziana. A rigidez do cantilever (em N/m) é determinada usando o teorema
da equipartição , onde KBé a constante de Boltzmann, T é a temperatura (T = 295K), e P é a área do espectro de potência das flutuações térmicas do cantilever determinada pela integração do ajuste lorentziano dos dados de sintonia térmica20. - Para medições de nanoIR, posicione a ponta AFM sobre a característica de interesse identificada a partir da imagem de topografia.
- Selecione o ícone do diapasão no painel de controle nanoIR para determinar as frequências de ressonância de contato do cantilever. Defina um número de onda de iluminação que excitará a expansão fototérmica no material. Defina uma faixa de frequência de pulso de laser para varrer e definir o ciclo de trabalho do laser nanoIR. Selecione Adquirir dentro da "Janela de ajuste de pulso de laser".
- Selecione a segunda ressonância de contato do sistema de amostra-ponta para medições de nanoIR posicionando a barra do marcador (linha vertical verde) no pico da segunda ressonância de contato.
NOTA: A seleção do modo de ressonância de contato pode variar dependendo do tipo de cantilever e amostra. - Clique em Otimizar para alinhar o centro da região focal do laser IR com a posição da ponta do cantilever. O alinhamento é feito em um número de onda de iluminação IR selecionado, correspondendo a uma banda de absorção do material sondado. O cantilever é posicionado no centro da impressão plantar do laser (Figura 2 Suplementar).
NOTA: O alinhamento pode variar para diferentes números de onda, dependendo do modelo do laser. - Adquira um fundo da iluminação a laser IR. Consiste em medir a saída do laser de cascata quântica IR (QCL) na faixa de comprimento de onda de emissão na frequência de pulso selecionada (Figura 3 Suplementar). Isso é importante para a correção de fundo dos espectros de nanoIR.
- Adquira o espectro nanoIR selecionando a faixa de número de onda (aqui, Start e Stop são definidos como 1.530 cm-1 e 1.800 cm-1, respectivamente), o tamanho do passo (2 cm-1) e o número de médias usadas para a medição. Realizar a correção de fundo dos espectros exibidos dividindo a amplitude fototérmica medida pelo fundo atenuado, que consiste em multiplicar o fundo coletado na etapa 5.2.4 pela porcentagem de potência selecionada para a medição.
- Para imagens nanoIR, selecione a região de interesse para a aquisição de imagens.
- Habilite o auto-tune phase-locked loop (PLL) na "Janela de Sintonia de Pulso a Laser" (acessada pelo ícone do diapasão ).
- Ajuste a frequência mínima e máxima para criar uma faixa de varredura centralizada no segundo modo de ressonância no painel de controle geral.
- Zere a fase clicando em zero no painel de controle PLL e, em seguida, clique em OK na janela "Laser Pulse Tune".
- Selecione IR Imaging Enabled colocando uma marca de seleção na caixa dentro do painel de controle nanoIR.
- No painel de controle "Imaging View", escolha Height (Imaging View 1), Amplitude 2 (Imaging View 2) e Phase 2 (Imaging View 3) para adquirir as imagens topográficas e químicas da amostra. Defina a direção de aquisição como Rastrear (ou Rerastrear). Uma linha de ajuste de linha é frequentemente necessária para observar a imagem de topografia da amostra que está sendo adquirida. O ajuste de captura deve ser definido como Nenhum.
NOTA: As preferências de digitalização, como a direção da digitalização capturada ou a paleta de cores usada, podem ser ajustadas conforme necessário. - No painel de controle AFM "Scan", selecione o ícone Digitalizar .
- Para salvar a imagem, selecione o ícone Agora ou Fim do quadro no painel de controle "Capturar".
- Para exportar os dados, clique com o botão direito do mouse nos nomes dos arquivos de imagem ou espectro dentro das listas de dados. Selecione Exportar e escolha o formato do arquivo a ser exportado. Salve o arquivo no local desejado da pasta do computador.
da equipartição , onde KBé a constante de Boltzmann, T é a temperatura (T = 295K), e P é a área do espectro de potência das flutuações térmicas do cantilever determinada pela integração do ajuste lorentziano dos dados de sintonia térmica20.Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
As esferas de PS ((C8H8)n) foram depositadas sobre substrato de Si limpo (Figura 1A) e sobre PVA ((CH2CHOH)n) (Figura 1B,C). Devido à baixa aderência do cordão em Si, imagens nanoIR em modo de contato não puderam ser adquiridas para esta amostra. Em vez disso, usando a visão óptica da amostra em nanoIR, a sonda AFM revestida a ouro foi acoplada sobre o cordão PS em modo de contato, com uma força estimada de cerca de 100 nN (Figura 2A). O laser IR pulsado foi ajustado para excitar a amostra a 1.730 cm-1, uma vez que se espera que tanto o PS quanto o PVA absorvam esse número de onda. A frequência de pulso do laser foi varrida para determinar a ressonância de contato do cantilever para a medida do espectro de nanoIR. Quando pulsado na frequência de ressonância de contato, a resposta do cantilever foi monitorada para determinar a amplitude da oscilação (Figura 2B). Em seguida, os espectros de nanoIR foram construídos monitorando-se a amplitude da ressonância de contato em função do número de onda de iluminação, de 1.530 a 1.800 cm-1 em passos de 2 cm-1 (Figura 2C). Nessa faixa (Figura 3A, inset), o espectro revelou a presença de duas bandas de IV centradas em 1.600 cm-1 e 1.730 cm-1, correspondendo ao modo de estiramento predominante da fração fenil e a um subconjunto do anel de alongamento no PS, respectivamente21. A comparação do espectro de nanoIR com o espectro de infravermelho com transformada de Fourier (FTIR) de campo distante do PS confirmou a presença do modo aromático a 1.600 cm-1 (Figura 3A). Entretanto, observou-se que a amplitude relativa I1600/I1730 foi significativamente diferente nos espectros FTIR e nanoIR, com respectivos valores de 2,9 e 0,9. Isso foi atribuído ao mecanismo de detecção da espectroscopia nanoIR, que monitora a expansão fototérmica do polímero em vez de sua absorbância, como na espectroscopia FTIR. No caso do PS, isso correspondeu a uma maior expansão fototérmica ao excitar as subbandas aromáticas a 1.730 cm-1. O espectro de nanoIR do PVA exibiu melhor concordância com o espectro FTIR com uma banda de absorção predominante centrada em ~1.730 cm-1 (Figura 3B). Embora essa banda não fosse esperada no PVA puro, que não contém um grupo C=O, trabalhos anteriores sugerem que a presença da banda pode ser atribuída a grupos funcionais carbonila devido ao acetato residual usado na preparação do PVA (taxa como ~80%-90% hidrolisado)22. Para fins deste estudo, a presença de uma banda a 1.730 cm-1 foi adequada para avaliar o efeito da absorção simultânea de EP e PVA.
Os espectros de nanoIR foram usados para selecionar os números de onda de iluminação para imagens químicas do cordão PS depositado na superfície do PVA (Figura 4A-C) e do grânulo PS revestido com PVA (Figura 4D-F). A capacidade de rastreamento da frequência de ressonância de contato do sistema de PLL foi utilizada para garantir que a medida da amplitude em cada pixel correspondesse à amplitude máxima do pico de ressonância de contato15 (Figura 2C). A ressonância de contato do cantiléver foi medida quando a ponta do cantiléver estava em contato com PVA e PS para determinar uma faixa adequada de rastreamento de frequência de PLL.
As imagens de nanoIR foram adquiridas pela primeira vez a 1.600 cm-1, o que corresponde ao caso em que o PS é o absorvedor predominante do sistema (Figura 4Ai; Di)). Embora um cordão de PS de 5 μm tenha sido fotografado em ambos os casos, a amplitude da expansão fototérmica registrada nesse comprimento de onda foi diferente quando a ponta estava diretamente em contato com o cordão de PS e quando a ponta estava em contato com o fino revestimento de PVA na parte superior do cordão de PS. O aumento da expansão fototérmica detectado acima do cordão PS foi significativamente menor quando o cordão foi coberto com a camada de PVA, estimada em ~1,8 μm de espessura usando um perfilador de superfície (Figura 4 Suplementar). Na potência do laser utilizada (1,47%, o que corresponde a ~3,4 mW a 1.600 cm-1 e ~3,8 mW a 1.730 cm-1) (Tabela Suplementar 1), uma região de ~13 μm de diâmetro exibiu um ligeiro aumento na amplitude ~2 nm acima do sinal registrado na camada de PVA puro não absorvente afastada do cordão de PS. A pegada espacial do aumento da amplitude foi muito mais ampla do que quando o talão de PS estava no topo do filme de PVA (Figura 4A), onde o sinal de expansão fototérmica era assimétrico, mas permanecia contido em uma região de ~6 μm de largura na direção de varredura rápida e ~8 μm de comprimento na direção de varredura lenta da imagem. As leituras de amplitude nessa região atingiram até 12,1 nm acima da expansão fototérmica da camada pura de PVA. Ao iluminar a amostra a 1.730 cm-1, PS e PVA exibiram maior amplitude de expansão fototérmica do que a 1.600 cm-1. No caso do cordão PS exposto (Figura 4Ci), a expansão fototérmica foi maior no topo do cordão, atingindo valores de até 26,5 nm. A alta resposta fototérmica estendeu-se vários micrômetros além da impressão da planta observada na Figura 4Ai. O PVA também se expandiu devido à excitação, mas em uma amplitude menor, ou seja, ~7,6 nm gravados longe do talão PS. Note-se que a resposta foi consistentemente mais forte no lado esquerdo da conta do PS. Para o cordão embutido (Figura 4F), o sinal foi mais simétrico, mas a amplitude da expansão fototérmica acima do cordão PS foi apenas ~2,3 nm maior que a do PVA. Para isso, uma amplitude fototérmica consistente de ~13,6 nm foi registrada dentro da pegada de 10-13 μm da região afetada pelo aquecimento do PS, determinada a partir do mapeamento da superfície com a sonda AFM. No caso das medidas realizadas a 1.620 cm-1, nenhum sinal foi detectado, o que é consistente com a ausência de uma banda de absorção de IV notável para PS e PVA nessa região do espectro.
Em seguida, os espectros de nanoIR coletados sobre um cordão de PS coberto foram comparados com o PVA (Figura 5A). O sinal PS a 1.600 cm-1 foi significativamente menor do que no talão descoberto. Apesar da baixa contribuição da banda, uma análise mais aprofundada dos sinais confirmou que o aumento da potência do laser levou a uma maior relação I1600/I1730 (Figura 5B,C). Os resultados sugeriram que quanto maior a potência do laser, maior a profundidade de penetração, conforme ilustrado na Figura 5B. Por sua vez, isso afeta a imagem nanoIR coletada sob uma potência de laser diferente. A uma potência mais alta de ~20 mW, a amplitude fototérmica do material exibiu consistentemente uma amplitude menor do que em potências de laser mais baixas. Além disso, o nível de ruído nos espectros aumentou, sugerindo algumas instabilidades no material, provavelmente devido ao aumento da temperatura no polímero.
Figura 1: Deposição de contas PS. Imagem de microscopia eletrônica de varredura (MEV) do talão de 5 μm PS (A) sobre um substrato de silício puro, (B) sobre um filme de PVA e (C) coberto com PVA. Barra de escala = 1 μm. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 2: Esquemas ilustrando o princípio da imagem nanoIR e espectroscopia. (A) O laser pulsado IR é alinhado e focalizado no ponto de contato da ponta metálica do cantilever AFM com a amostra. O cantilever mede a resposta fototérmica do material resultante da absorção de IR. A camada de ouro em ambos os lados é usada para reduzir a contribuição fototérmica e acústica do cantilever durante a medição, o que interferiria na medição de nanoIR da amostra. (B) Sinal do detector sensível à posição monitorando a deflexão do cantilever no domínio do tempo [S(t)] e do domínio da frequência [S(ω)]. Os modos de ressonância de contato do cantilever são identificados por medições de amplificador lock-in. A segunda ressonância de contato é usada para rastreamento de LPL durante exames de imagem. A amplitude da ressonância de contato modo Acr2 é medida. (C) Espectro de nanoIR obtido pelo monitoramento da mudança na amplitude Acr2 em função do número de onda de iluminação. A imagem do NanoIR foi obtida monitorando-se a mudança na amplitude Acr2 em função da posição da ponta sobre a amostra. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 3: Espectros de IV do PS e do PVA. (A) Espectro FTIR do PS. A caixa vermelha indica a faixa do espectro estudado com espectroscopia nanoIR. O espectro nanoIR PS correspondente é fornecido no inset. (B) Espectro FTIR do PVA. A caixa vermelha indica a faixa do espectro estudado com espectroscopia nanoIR. O espectro PVA nanoIR correspondente é fornecido no inset. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 4: Imagem de NanoIR. O talão PS (A-C) depositado na superfície do PVA e (D-F) embutido no PVA como representado nas inserções. Mapas de nanoIR adquiridos em (A i,Di) 1.600 cm-1, (B i,Ei) 1.620 cm-1 e (C i,Fi) 1.730 cm-1 são sobrepostos no mapa de topografia 3D. A topografia correspondente e os perfis de nanoIR extraídos ao longo da linha tracejada branca são apresentados nos respectivos gráficos (ii). Barra de escala = 5 μm. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 5: Espectro de nanoIR coletado pela ponta AFM em contato com o cordão PS revestido com PVA. (A) Espectros de nanoIR coletados em p1 = 1,47%, p2 = 2,48%, p3 = 5,20% e p4 = 11% da potência do laser. A potência do laser varia em função do comprimento de onda, que é corrigido pela correção de fundo atenuada para cada caso. (B) Esquemas ilustrando o efeito da potência do laser sobre a intensidade dos sinais coletados. (C) Razão I1600/I1730 em função da potência do laser. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura suplementar 1: Calibração do cantilever nanoIR. (A) Curva de deflexão-distância obtida sobre substrato de safira. A inclinação da curva de retração fornece a sensibilidade à deflexão do cantilever usado para calcular a constante de mola. (B) Frequência de ressonância do cantilever determinada por ajuste térmico usado para calcular a constante de mola. Clique aqui para baixar este arquivo.
Figura suplementar 2: Pegada do laser IR. A amplitude de oscilação do cantilever em contato com a superfície da amostra é registrada em função da posição do laser IR. O alinhamento do laser IR é variado usando um espelho móvel. A posição do espelho é ajustada para alinhar o centro do volume focal (região vermelha) com a posição do cantilever (centro da cruz branca). Clique aqui para baixar este arquivo.
Figura 3 suplementar: Potência de saída do laser (em mW) em função do número de onda. A potência de saída do laser QCL é determinada usando um detector IR padrão de 1.530 cm-1 a 1.800 cm-1 em passos de 2 cm-1 na frequência de pulso correspondente ao ajuste usado para as medições de nanoIR. Clique aqui para baixar este arquivo.
Figura Suplementar 4: Medidas de espessura do PVA obtidas por perfilometria confocal de superfície a laser. Clique aqui para baixar este arquivo.
Tabela suplementar 1: A potência do laser em miliwatts para cada número de onda. Clique aqui para baixar este arquivo.
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Discussion
AFM combinado com espectroscopia nanoIR pode fornecer informações químicas em nanoescala usando um cantilever em modo de contato e uma fonte de luz IR pulsada ajustável. Sistemas modelo, como a incorporação de um absorvedor com dimensões finitas no volume de um material polimérico, são importantes para melhorar a compreensão dos mecanismos de formação de imagens e determinar o desempenho da ferramenta. No caso da configuração PS/PVA aqui apresentada, a otimização foi realizada para obter um cordão PS estável posicionado acima ou abaixo da superfície do filme de PVA. Verificou-se que a deposição das esferas de PS imediatamente após a remoção do substrato Si revestido do spin coater resultou em melhor aderência. A viscosidade da camada de PVA pode afetar o posicionamento do cordão em relação à superfície do filme de PVA. O aquecimento da amostra por aproximadamente 15 min a ~200 °C permitiu a implantação mais profunda das contas.
Graças ao tamanho das esferas PS (5 μm aqui), o alinhamento rápido da ponta do cantilever com o centro do talão é possível usando o microscópio óptico embutido com o sistema nanoIR. Enquanto esferas PS e microbolhas no PVA dificilmente podem ser diferenciadas opticamente, a análise de nanoIR pode confirmar a composição da amostra. Enquanto a contribuição da banda IR em 1.600 cm-1 pode ser fraca quando o cordão PS é coberto com outro polímero, como observado na Figura 5, a alta potência do laser pode aumentar a contribuição do PS em 1.600 cm-1 na impressão digital nanoIR coletada diretamente acima dela, com o cantilever em contato com a sobreposição de PVA. Espera-se que esferas de PS com diâmetros menores sejam mais difíceis de localizar com a microscopia óptica e contribuam com um sinal menor para o espectro de nanoIR. Nesse caso, devem ser consideradas as imagens AFM e as medições de nanoIR das esferas PS antes da deposição da camada superior de PVA, juntamente com a marcação da amostra para garantir que a localização das esferas PS incorporadas seja conhecida. Apesar destes desafios previstos, esta abordagem para preparar sistemas-modelo tem a vantagem de ser barata e prontamente disponível. O perfil da topografia do talão pode ser usado para estimar a posição do talão, embora o chamado efeito ponta deva ser levado em conta para avaliar o diâmetro da feição fotografada.
Em relação à aquisição e análise dos dados, os dados produzidos com nanoIR neste estudo revelam várias instabilidades inesperadas da interação ponta-amostra ao usar um cantilever nanoIR mais macio e ao aumentar a potência do laser. Imagens de nanoIR coletadas com um cantilever mais macio (k < 0,4 N/m) foram consistentemente instáveis perto do cordão PS excitado pela luz IR, apesar de uma imagem de topografia estável. Os espectros de nanoIR de PS e PVA registrados neste estudo estão em boa concordância com os espectros de FTIR comumente relatados dos polímeros a granel correspondentes21,22. As duas bandas distintas de absorção a 1.600 cm-1 (somente PS) e 1.730 cm-1 (PS e PVA) fornecem uma maneira de comparar o efeito de excitar o absorvedor de esferas simples sob a superfície. As imagens de nanoIR apresentadas na Figura 4 indicam que o sinal nas proximidades do cordão é forte quando o cordão PS é exposto, mas diminui significativamente quando um filme fino de PVA cobre o talão. No entanto, os resultados indicam que um cordão mais de 1 μm abaixo da superfície pode ser detectado no mapa de nanoIR, tanto ao excitar o sistema a 1.600 cm-1 quanto a 1.730 cm-1. A amplitude detectada pelo cantilever aumenta em ~2 nm diretamente acima do talão no mapa em ambos os casos. Embora de baixa amplitude, a pegada dessa expansão tem cerca de 13 μm de largura para a excitação de 1.600 cm-1, que é muito maior que o diâmetro do talão, confirmando que o calor se difunde do absorvedor de PS para o PVA. Essa expansão de Joule pode afetar a resolução espacial do nanoIR em materiais heterogêneos, com um efeito mais forte esperado se o absorvedor estiver mais próximo da superfície. A maior resposta da amostra a 1.730 cm-1 é consistente com os espectros de nanoIR apresentados na Figura 5, mostrando que a contribuição da banda a 1.600 cm-1 é muito mais fraca do que a 1.730 cm-1.
A abordagem atual apresenta algumas limitações. Posicionar as contas abaixo da superfície do PVA enquanto limita o solavanco topográfico na superfície do sistema do modelo permanece inatingível. Na verdade, pode exigir um revestimento tão espesso que o talão pode se tornar indetectável do ponto de vista da espectroscopia nanoIR. A profundidade do cordão é difícil de controlar e caracterizar, o que tornaria difícil fornecer informações suficientes para a modelagem para uma representação precisa do sistema modelo. Uma imagem mais completa do efeito do tamanho e da profundidade do absorvedor de subsuperfície sobre o sinal nanoIR medido na superfície exigiria variar as dimensões e posições do cordão com maior precisão. Além disso, é provável que, em um sistema complexo real, vários absorvedores subsuperficiais com tamanhos, posições e composições diferentes interfiram nas medições, o que não é descrito neste modelo.
No entanto, as medições confirmam que há muito a aprender com a geração de sinais em amostras multipoliméricas para caracterização de nanoIR. Uma otimização adicional do protocolo de preparação da amostra deve ser realizada para variar controlavelmente a profundidade na qual o cordão PS é embutido para permitir uma análise mais abrangente de como a expansão fototérmica na superfície do PVA é impactada pelo absorvedor subsuperficial. A combinação de polímeros utilizados para as medições também pode ser variada para determinar o papel da condutividade térmica, expansão térmica e propriedades mecânicas no desempenho das medidas de nanoIR para materiais heterogêneos. Isso constitui uma abordagem promissora para melhor entender o comportamento da amostra para espectroscopia de nanoIR e imageamento, e espera-se que facilite ainda mais a quantificação da profundidade de penetração, resolução espacial e sensibilidade da ferramenta. Isso é particularmente importante dado o surgimento de novos modos de imagem, como o nanoIR multifrequencial 15,23, para o qual a natureza da informação e o efeito dos parâmetros de atuação sobre o desempenho das ferramentas permanecem pouco compreendidos. Para aprofundar a compreensão dos dados coletados, será fundamental combinar a abordagem experimental com a modelagemMultifísica24. Considerar características incorporadas de diferentes tamanhos e variar sua posição sob a superfície será fundamental para desenvolver um modelo mais abrangente. Por sua vez, isso avançará o campo da espectroscopia nanoIR para aplicações de materiais heterogêneos e tridimensionais da vida real.
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Disclosures
Os autores não têm nada a revelar.
Acknowledgments
Este trabalho foi apoiado pela 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
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