Summary
Detta protokoll beskriver tillämpningen av atomkraftsmikroskopi och infraröd spektroskopi i nanoskala för att utvärdera prestandan hos infraröd spektroskopi i fototermisk nanoskala vid karakterisering av tredimensionella multipolymera prover.
Abstract
Flerfasiga polymera system omfattar lokala domäner med dimensioner som kan variera från några tiotals nanometer till flera mikrometer. Deras sammansättning bedöms vanligtvis med hjälp av infraröd spektroskopi, vilket ger ett genomsnittligt fingeravtryck av de olika materialen som ingår i den undersökta volymen. Detta tillvägagångssätt ger dock inga detaljer om arrangemanget av faserna i materialet. Gränsskiktsområden mellan två polymerfaser, ofta i nanoskala, är också svåra att komma åt. Fototermisk infraröd spektroskopi i nanoskala övervakar den lokala responsen hos material som exciteras av infrarött ljus med den känsliga sonden i ett atomkraftsmikroskop (AFM). Medan tekniken är lämplig för att undersöka små egenskaper, såsom enskilda proteiner på orörda guldytor, är karakteriseringen av tredimensionella multikomponentmaterial mer svårfångad. Detta beror på en relativt stor volym material som genomgår fototermisk expansion, definierad av laserfokuseringen på provet och av de termiska egenskaperna hos de polymera beståndsdelarna, jämfört med nanoskaleområdet som undersöks av AFM-spetsen. Med hjälp av en polystyrenpärla (PS) och en polyvinylalkoholfilm (PVA) utvärderar vi det rumsliga fotavtrycket för fototermisk infraröd spektroskopi i nanoskala för ytanalys som en funktion av positionen för PS i PVA-filmen. Effekten av objektets position på infraröda bilder i nanoskala undersöks, och spektra erhålls. Några perspektiv på framtida framsteg inom området fototermisk infraröd spektroskopi i nanoskala ges, med tanke på karakterisering av komplexa system med inbäddade polymera strukturer.
Introduction
Atomkraftsmikroskopi (AFM) har blivit avgörande för att avbilda och karakterisera morfologin hos en mängd olika prover med nanoupplösning 1,2,3. Genom att mäta nedböjningen av en AFM-konsol till följd av interaktionen mellan den vassa spetsen och provytan har funktionella avbildningsprotokoll i nanoskala för lokala styvhetsmätningar och vidhäftning av spetsprov utvecklats 4,5. För analys av mjuk kondenserad materia och polymer är AFM-mätningar som utforskar de nanomekaniska och nanokemiska egenskaperna hos lokala domäner mycket eftertraktade 6,7,8. Före uppkomsten av infraröd (nanoIR) spektroskopi i nanoskala modifierades AFM-spetsar kemiskt för att bedöma närvaron av olika domäner från AFM-kraftkurvan och dra slutsatser om karaktären av interaktionen mellan spets och prov. Till exempel användes detta tillvägagångssätt för att avslöja omvandlingen av mikrodomäner av poly(tert-butylakrylat) på ytan av cyklohexanbehandlade polystyren-block-poly(tert-butylakrylat)block-sampolymer-tunna filmer på sub 50 nm-nivå9.
Kombinationen av infrarött (IR) ljus och AFM har haft en betydande inverkan på polymervetenskapen6. Konventionell IR-spektroskopi är en allmänt använd teknik för att studera den kemiska strukturen hos polymera material10,11, men den misslyckas med att ge information om enskilda faser och interfasbeteende, eftersom regionerna är för små jämfört med storleken på IR-strålen som används för att undersöka provet. Problemet kvarstår med IR-mikrospektroskopi, eftersom den begränsas av den optiska diffraktionsgränsen6. Sådana mätningar tar ett genomsnitt av bidragen från hela regionen som exciteras av IR-ljuset; Signalerna som härrör från närvaron av faser i nanoskala inuti det undersökta området uppvisar antingen komplexa fingeravtryck som bör dekonvolteras under efterbehandlingen eller går förlorade på grund av en signalnivå under den detekterbara nivån. Därför är det viktigt att utveckla verktyg som kan ha rumslig upplösning i nanoskala och hög IR-känslighet för att utforska kemiska egenskaper i nanoskala i komplexa medier.
Metoder för att uppnå nanoIR-spektroskopi har utvecklats, först med hjälp av en metallisk AFM-spets som en nanoantenn12,13, och på senare tid genom att utnyttja AFM-konsolens förmåga att övervaka förändringar i den fototermiska expansionen som uppstår under IR-belysning av provet 12,14,15. Den senare använder en pulserad, avstämbar IR-ljuskälla som är avstämd till ett absorptionsband av det undersökta materialet, vilket gör att provet absorberar strålning och genomgår fototermisk expansion. Detta tillvägagångssätt är väl lämpat för organiska och polymera material. Den pulserande excitationen gör att effekten kan detekteras av AFM-konsolen i kontakt med provytan i form av en svängning. Amplituden för en av kontaktresonanserna i systemet som observeras i frekvensspektrumet övervakas sedan som en funktion av belysningsvåglängden, som utgör nanoIR-absorptionsspektrumet för materialet under AFM-spetsen15. Den rumsliga upplösningen av nanoIR-avbildning och spektroskopi begränsas av olika effekter av materialets fototermiska expansion. Det har utvärderats att fototermisk nanoIR-spektroskopi med kontaktläge AFM kan förvärva vibrationsabsorptionsspektraegenskaperna hos material med rumslig upplösning under 50 nm skala14, med nyligen utfört arbete som visar detektion av monomerer och dimerer av α-synuklein16,17. Kvantitativa studier av prestandan hos nanoIR-mätningar på heterogena polymera material sammansatta i olika konfigurationer, såsom fallet med absorbenter med ändliga dimensioner inbäddade i volymen av olika polymera filmer, är dock fortfarande begränsade.
Denna artikel syftar till att skapa en polymer sammansättning med en inbäddad funktion av en känd dimension för att utvärdera känsligheten för fototermisk expansion och rumslig upplösning av nanoIR under ytanalys. Protokollet omfattar beredning av en tunn film av polyvinylalkohol (PVA) polymer på ett kiselsubstrat och placering av en tredimensionell polystyrenpärla (PS) på eller inbäddad i PVA-filmen, vilket utgör bildandet av modellsystemet. NanoIR-avbildning och spektroskopimätningar beskrivs i samband med utvärdering av signalerna som genereras av samma PS-pärla placerad på eller under PVA-filmen. Inverkan av strängens position på nanoIR-signalerna utvärderas. Metoder för att bedöma kulans rumsliga fotavtryck i nanoIR-kartan diskuteras, och effekterna av flera parametrar beaktas.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Tillverkning av polyvinylalkohollösning (PVA)
- Mät vatten och PVA-polymerpellets (se materialtabell) för att skapa en 10 ml lösning vid ett 20 % PVA-förhållande till vattenvikten.
- Värm vattnet i glaset över en kokplatta inställd på 100 °C.
- Placera PVA-polymerpelletsen i det uppvärmda vattnet. Sätt i en magnetisk omrörningsstång.
- Sänk värmen till 80 °C och rör om tills PVA har lösts upp helt.
- Täck över toppen av glaset för att förhindra kontaminering.
- När den är helt upplöst, placera 20 % PVA-lösningen i en lämplig förvaringsbehållare för förvaring i rumstemperatur.
2. Beredning av PVA-belagda kiselplattor (Si)
- Skär en kiselskiva (Si) (se materialtabell) i ~10 x 10 mm2 rutor.
- Rengör Si-substratet med isopropylalkohol och låt det torka.
- Placera den rena Si-skivan på chucken på centrifugeringsmaskinen (se materialtabell).
- Droppa cirka 10 μL PVA-lösning på mitten av Si-substratet. Försök att undvika bubbelbildning.
- Belägg Si-substratet med en enhetlig PVA-film genom spinnbeläggning i 30 s vid 1 500 varv per minut (rpm).
OBS: Den specificerade volymen av vätske- och spinnbeläggningsparametrar skapar ett enhetligt lager av PVA över substratets yta med tillräcklig tjocklek för att förhindra snabb torkning mellan centrifugeringsbeläggningen och placering av PS-pärlorna på PVA-ytan i nästa steg.
- Ta bort provet från centrifugeringsmaskinen och placera det i en ren provbehållare för att förhindra kontaminering innan du överför PS-pärlorna.
3. Placera PS-pärlorna på den PVA-belagda ytan
- Rengör ett Si-substrat med isopropylalkohol och låt det torka.
- Använd en pipett och placera 1 μL PS-pärlor suspenderade i vatten på mitten av substratet.
- Låt vattnet avdunsta genom att placera provet i ett förvaringsfack som innehåller torkmedel av bentonitlera.
OBS: Detta steg bevarar sample genom att minska exponeringen för fukt. - Placera det PVA-belagda substratet (steg 2.4) och substratet med de torkade PS-pärlorna (steg 3.3) under ett optiskt mikroskop. Beroende på deras storlek kommer en enda pärla att vara synlig med en enkel kikare eller kommer att kräva högre optisk förstoring.
- Lossa försiktigt pärlorna med en ultrafin pincett (se materialförteckning). Använd en fin hårpensel för att samla upp några lösa pärlor och knacka lätt på penselns hårstrån över den nybelagda skivan. Flera svep bör göra det möjligt för pärlorna att samlas i borstens hårstrån. Knacka på toppen av penselhåren för att störa PS-pärlpulvret för att släppa pärlor på den klibbiga PVA-ytan.
OBS: Det är viktigt att penseln är av hög kvalitet och ren för att undvika att släppa ut fibrer och föroreningar på PVA-filmens yta. Det är viktigt att röra sig snabbt under detta steg så att PVA inte torkar helt. - Upprepa detta steg tills det bekräftas genom optisk mikroskopiinspektion att enskilda PS-pärlor fäster på PVA-ytan.
- Förvara provet i en ren behållare. Låt provet torka helt.
OBS: Provet bör tillåtas svalna och torka helt innan ytterligare analysförsök utförs. AFM-höjdmätningar eller ytprofilmätningar kan bedöma tjockleken på på varandra följande PVA-filmer.
4. Laddar provet för AFM-karakterisering
OBS: Det beskrivna protokollet är baserat på standardprocedurer för en nanoIR2-plattform (se materialtabell), men bör anpassas enligt den AFM-modell som används för mätningen.
- Montera PVA- och PS-pärlprovet på AFM-steget med hjälp av en AFM-skiva av metall och självhäftande flikar, så att provet sitter fast ordentligt på provhållaren.
- Montera en nanoIR-sond (t.ex. FORTGG) på AFM-sondhållaren.
ANM: AFM-konsolen är 225 μm lång, 27 μm bred och 2.7 μm tjock, med en spetsradie på mindre än 10 nm. Konsolen är belagd med 45 nm tjock guldfilm på båda sidor för att begränsa dess respons på provets IR-belysning på ovansidan (se materialförteckning). För nanoIR-spektroskopimätningar, använd helst en konsol som har förvarats i en polydimetylsiloxanfri miljö före användning. - Rikta in avläsningslasern vid den fria änden av den fribärande strålen genom att vrida på laserinriktningsrattarna (x- och y-justeringar av laserpositionen och vertikal justering av detektorpositionen).
- Maximera detektorns SUM-signal.
- Justera detektorns position genom att vrida på avböjningsratten så att lasern är i linje med mitten av den positionskänsliga detektorn i AFM-avläsningssystemet, vilket motsvarar en vertikal avböjningssignal på ~0 V.
- Klicka på ikonen Ladda i AFM "Probe"-kontrollpanelen.
- Följ anvisningarna på guideskärmen. Använd fokuspilarna för att bestämma fokalplanet för nanoIR-konsolen. Använd XY-förskjutningskontrollerna för att placera konsolen i mitten av skärmen (i linje med det vita korset).
- Klicka sedan på fokuspilarna för att hitta fokalplanet på provets yta.
- Använd den optiska vyn av systemet och XY-lägeskontrollerna för att placera den utskjutande spetsen ovanför den intressanta pärlan och klicka på Nästa.
- På aktiveringsskärmen ställer du in "avståndet" på 50 μm och klickar på Endast inflygning.
- Starta proceduren Engage för att närma dig tipset för avbildning.
5. Skapa topografiska och nanoIR-bilder av multipolymerprovet
- Hämta topografibilder i standard "Kontaktläge". När utliggarens position i förhållande till PS-vulsten är inställd, initiera tillvägagångssättet genom att klicka på aktiveringsikonen i AFM "Probe"-kontrollpanelen. Ett inkopplingsbörvärde för en avböjningsdifferens på 0,2 V används för hela studien här, vilket motsvarar en kraft på ~100 nN.
I AFM "Scan"-kontrollpanelen ställer du in skanningshastigheten till 0,8 Hz, skanningsstorleken (höjd och bredd) och antalet punkter per rad och antalet linjer per bild som ska användas för avbildning (512 x 512 användes här). Klicka på Skanna för att hämta topografibilden.
OBS: Kalibrering av konsolen18 görs genom att bestämma avböjningskänsligheten (i nm/V) från lutningen på avböjningsavståndskurvan som erhålls med utskjutaren som interagerar med ett safirsubstrat (tilläggsfigur 1A). Konsolens styvhet bestäms av termisk inställning19 (tilläggsfigur 1B). Resonansen i konsolen monteras med hjälp av en Lorentzian-funktion. Den utskjutande styvheten (i N/m) bestäms med hjälp av ekvipartitionssatsen
, där KBär Boltzmanns konstant, T är temperaturen (T = 295K) och P är arean av effektspektrumet för de termiska fluktuationerna hos konsolen bestämd genom att integrera den Lorentzska anpassningen av termiska inställningsdata20. - För nanoIR-mätningar, placera AFM-spetsen på det objekt av intresse som identifierats från topografibilden.
- Välj stämgaffelikonen i nanoIR-kontrollpanelen för att bestämma kontaktresonansfrekvenserna för konsolen. Ställ in ett belysningsvågtal som kommer att excitera fototermisk expansion i materialet. Ställ in ett intervall av laserpulsfrekvens för att svepa och ställ in arbetscykeln för nanoIR-lasern. Välj Acquire (Förvärva ) i "Laser Pulse Tune Window".
- Välj den andra kontaktresonansen för tip-sample-systemet för nanoIR-mätningar genom att placera markörfältet (grön vertikal linje) på toppen av den andra kontaktresonansen.
OBS: Valet av kontaktresonansläge kan variera beroende på typ av konsol och sample. - Klicka på Optimera för att rikta in mitten av IR-laserns brännzon med positionen för den utskjutande spetsen. Inriktning görs vid ett valt IR-belysningsvågtal, motsvarande ett absorptionsband för det undersökta materialet. Konsolen är placerad i mitten av laserfotavtrycket (tilläggsfigur 2).
OBS: Inriktningen kan variera för olika vågtal beroende på lasermodell. - Skaffa en bakgrund av IR-laserbelysningen. Detta består i att mäta utsignalen från IR-kvantkaskadlasern (QCL) i våglängdsområdet för emission vid den valda pulsfrekvensen (tilläggsfigur 3). Detta är viktigt för bakgrundskorrigering av nanoIR-spektra.
- Skaffa nanoIR-spektrumet genom att välja vågtalsområdet (här är Start och Stop inställda på 1 530 cm-1 respektive 1 800 cm-1), stegstorleken (2 cm-1) och antalet medelvärden som används för mätningen. Utför bakgrundskorrigering av de visade spektra genom att dividera den uppmätta fototermiska amplituden med den dämpade bakgrunden, som består av att multiplicera bakgrunden som samlats in i steg 5.2.4 med procententage av effekt som valts för mätningen.
- För nanoIR-avbildning väljer du det område som är av intresse för avbildning.
- Aktivera automatisk inställning av faslåst slinga (PLL) i "Laser Pulse Tune Window" (nås via stämgaffelikonen ).
- Justera den lägsta och högsta frekvensen för att skapa ett svepområde centrerat vid det andra resonansläget i den allmänna kontrollpanelen.
- Nollställ fasen genom att klicka på noll i PLL-kontrollpanelen och klicka sedan på OK i fönstret "Laser Pulse Tune".
- Välj IR Imaging Enabled genom att sätta en bock i rutan på nanoIR-kontrollpanelen.
- I kontrollpanelen "Imaging View" väljer du Höjd (Imaging View 1), Amplitud 2 (Imaging View 2) och Fas 2 (Imaging View 3) för att ta de topografiska och kemiska bilderna av sample. Ställ in exponeringsriktningen på Spåra (eller Spåra igen). En linjepassning Linje krävs ofta för att observera topografibilden av provet som tas in. Fångstanpassning ska vara inställt på Ingen.
Skanningsinställningar, t.ex. skanningsriktning eller färgpalett som används, kan justeras efter behov. - I AFM "Scan"-kontrollpanelen väljer du ikonen Skanna .
- För att spara bilden, välj ikonen Nu eller Slutet av bildrutan i kontrollpanelen "Capture".
- Om du vill exportera data högerklickar du på bild- eller spektrumfilnamnen i datalistorna. Välj Exportera och välj formatet på filen som ska exporteras. Spara filen på önskad plats i datormappen.
, där KBär Boltzmanns konstant, T är temperaturen (T = 295K) och P är arean av effektspektrumet för de termiska fluktuationerna hos konsolen bestämd genom att integrera den Lorentzska anpassningen av termiska inställningsdata20.Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
PS ((C8H8)n) pärlor deponerades på ett rent Si-substrat (Figur 1A) och på PVA ((CH2CHOH)n) (Figur 1B,C). På grund av den dåliga vidhäftningen av pärlan på Si, kunde nanoIR-avbildning i kontaktläge inte erhållas för detta prov. Istället, med hjälp av den optiska bilden av provet på nanoIR, kopplades den guldbelagda AFM-sonden in ovanpå PS-pärlan i kontaktläge, med en uppskattad kraft på cirka 100 nN (figur 2A). Den pulsade IR-lasern var inställd på att excitera provet vid 1 730 cm-1, eftersom både PS och PVA förväntas absorbera vid detta vågtal. Laserns pulsfrekvens sveptes för att bestämma kontaktresonansen hos konsolen för nanoIR-spektrummätningen. Vid pulsering vid kontaktresonansfrekvensen övervakades det fribärande svaret för att bestämma svängningens amplitud (figur 2B). Därefter konstruerades nanoIR-spektra genom att övervaka amplituden för kontaktresonansen som en funktion av belysningsvågtalet, från 1 530 till 1 800 cm-1 i steg om 2 cm-1 (Figur 2C). I detta intervall (figur 3A, infälld) avslöjade spektrumet närvaron av två IR-band centrerade vid 1 600 cm-1 och 1 730 cm-1, vilket motsvarar det dominerande sträckningsläget för fenyldelen och en delmängd av ringsträckningen i PS, respektive21. En jämförelse av nanoIR-spektrumet med det fjärrfältiga Fouriertransforminfraröda (FTIR) spektrumet för PS bekräftade närvaron av det aromatiska läget vid 1 600 cm-1 (figur 3A). Det noterades dock att den relativa amplituden I1600/I1730 var signifikant annorlunda i FTIR- och nanoIR-spektra, med respektive värden på 2,9 och 0,9. Detta tillskrevs mekanismen för detektion av nanoIR-spektroskopi, som övervakar polymerens fototermiska expansion istället för dess absorbans, som i FTIR-spektroskopi. I fallet med PS motsvarade detta en högre fototermisk expansion vid excitation av de aromatiska delbanden vid 1 730 cm-1. NanoIR-spektrumet för PVA uppvisade bättre överensstämmelse med FTIR-spektrumet med ett dominerande absorptionsband centrerat på ~1 730 cm-1 (figur 3B). Även om detta band inte förväntades i ren PVA, som inte innehåller en C=O-grupp, tyder tidigare arbete på att närvaron av bandet kan hänföras till karbonylfunktionella grupper på grund av kvarvarande acetat som används vid framställningen av PVA (hastighet som ~80%-90% hydrolyserad)22. För denna studie var närvaron av ett band på 1 730 cm-1 lämpligt för att bedöma effekten av samtidig absorption av PS och PVA.
NanoIR-spektra användes för att välja belysningsvågtal för kemisk avbildning av PS-pärlan som deponerats på ytan av PVA (Figur 4A-C) och av PS-pärlan belagd med PVA (Figur 4D-F). Systemets PLL-kontaktresonansfrekvensspårningsförmåga användes för att säkerställa att amplitudmätningen vid varje pixel motsvarade den maximala amplituden för kontaktresonanstoppen15 (figur 2C). Kontaktresonansen för konsolen mättes när konsolspetsen var i kontakt med PVA och PS för att bestämma ett lämpligt område för PLL-frekvensspårningen.
NanoIR-bilder togs först vid 1 600 cm-1, vilket motsvarar fallet där PS är den dominerande absorbenten i systemet (Figur 4Ai; Di)). Även om en 5 μm PS-pärla avbildades i båda fallen, var amplituden för den fototermiska expansionen som registrerades vid denna våglängd annorlunda när spetsen var direkt i kontakt med PS-pärlan och när spetsen var i kontakt med den tunna PVA-beläggningen ovanpå PS-pärlan. Ökningen av fototermisk expansion som detekterades ovanför PS-pärlan var signifikant mindre när pärlan täcktes med ett lager av PVA, som uppskattades vara ~1,8 μm tjockt med hjälp av en ytprofilerare (tilläggsfigur 4). Vid den lasereffekt som användes (1,47 %, vilket motsvarar ~3,4 mW vid 1 600 cm-1 och ~3,8 mW vid 1 730 cm-1) (tilläggstabell 1) uppvisade ett område ~13 μm i diameter en liten ökning av amplituden ~2 nm över signalen som spelades in på det rena, icke-absorberande PVA-skiktet bort från PS-pärlan. Det rumsliga fotavtrycket för amplitudökningen var mycket bredare än när PS-pärlan var ovanpå PVA-filmen (figur 4A), där den fototermiska expansionssignalen var asymmetrisk men förblev innesluten i ett område som var ~6 μm brett i den snabba skanningsriktningen och ~8 μm långt i bildens långsamma skanningsriktning. Amplitudavläsningarna i detta område nådde upp till 12,1 nm över den fototermiska expansionen av det rena PVA-skiktet. Vid belysning av provet vid 1 730 cm-1 uppvisade både PS och PVA en högre amplitud av fototermisk expansion än vid 1 600 cm-1. I fallet med den exponerade PS-pärlan (figur 4Ci) var den fototermiska expansionen högst ovanpå pärlan och nådde värden upp till 26,5 nm. Den höga fototermiska responsen sträckte sig flera mikrometer bortom det fotavtryck som observerades i figur 4Ai. PVA expanderade också på grund av excitationen, men vid en lägre amplitud, nämligen ~7,6 nm uppmätt bort från PS-pärlan. Det noterades att responsen genomgående var starkast på vänster sida av PS-pärlan. För den inbäddade pärlan (figur 4F) var signalen mer symmetrisk, men amplituden för den fototermiska expansionen ovanför PS-pärlan var bara ~2,3 nm högre än för PVA. För detta registrerades en konsekvent fototermisk amplitud på ~13,6 nm inom 10-13 μm fotavtryck för det område som påverkades av PS-uppvärmning, bestämt genom att kartlägga ytan med AFM-sonden. Vid mätningar utförda vid 1 620 cm-1 detekterades ingen signal, vilket överensstämmer med frånvaron av ett anmärkningsvärt IR-absorptionsband för PS och PVA i detta spektrumområde.
Därefter jämfördes nanoIR-spektra som samlats in ovanpå en PS-kula med PVA (figur 5A). PS-signalen vid 1 600 cm-1 var betydligt lägre än i fallet med den otäckta pärlan. Trots det låga bidraget från bandet bekräftade ytterligare analys av signalerna att en ökning av lasereffekten ledde till ett högre förhållande I1600/I1730 (figur 5B,C). Resultaten tydde på att en högre lasereffekt motsvarar ett större penetrationsdjup, vilket visas i figur 5B. Detta påverkar i sin tur nanoIR-bilden som samlas in under en annan lasereffekt. Vid en högre effekt på ~20 mW uppvisade materialets fototermiska amplitud konsekvent en lägre amplitud än vid lägre lasereffekter. Vidare ökade ljudnivån i spektra, vilket tyder på vissa instabiliteter i materialet, troligen på grund av temperaturökningen i polymeren.
Figur 1: Deponering av PS-pärlor. Svepelektronmikroskopibild (SEM) av 5 μm PS-pärlan (A) ovanpå ett orört kiselsubstrat, (B) ovanpå en PVA-film och (C) täckt med PVA. Skalstapel = 1 μm. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 2: Scheman som illustrerar principen för nanoIR-avbildning och spektroskopi. (A) Den IR-pulsade lasern är inriktad och fokuserad på kontaktpunkten mellan den metalliska AFM-utliggande spetsen och provet. Konsolen mäter materialets fototermiska respons till följd av IR-absorption. Guldskiktet på båda sidor används för att minska det fototermiska och akustiska bidraget från utliggaren under mätningen, vilket skulle störa nanoIR-mätningen av provet. (B) Signal från den positionskänsliga detektorn som övervakar utskjutarens avböjning i tidsdomänen [S(t)] och frekvensdomänen [S(ω)]. Kontaktresonanslägena för konsolen identifieras genom lock-in amplifier-mätningar. Den andra kontaktresonansen används för PLL-spårning under avbildning. Amplituden för kontaktresonansläget Acr2 mäts. (C) NanoIR-spektrum erhållet genom övervakning av förändringen i amplitud Acr2 som en funktion av belysningsvågtalet. NanoIR-bilden erhölls genom att övervaka förändringen i amplitud Acr2 som en funktion av spetsens position på provet. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 3: IR-spektra för PS och PVA. (A) FTIR-spektrum för PS. Den röda rutan visar spektrumet som studerats med nanoIR-spektroskopi. Motsvarande nanoIR PS-spektrum finns i infällningen. (B) FTIR-spektrum för PVA. Den röda rutan visar spektrumet som studerats med nanoIR-spektroskopi. Motsvarande nanoIR PVA-spektrum finns i infällningen. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 4: NanoIR-avbildning. PS-pärlan (AC) avsatt på ytan av PVA och (D-F) inbäddad i PVA som avbildas i infällningarna. NanoIR-kartor tagna vid (A i,Di) 1 600 cm-1, (Bi, Ei) 1 620 cm-1 och (C i,Fi) 1 730 cm-1 överlagras på 3D-topografikartan. Motsvarande topografi- och nanoIR-profiler extraherade längs den vita streckade linjen presenteras i respektive graf (ii). Skalstapel = 5 μm. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 5: NanoIR-spektrum som samlas in av AFM-spetsen i kontakt med PS-pärlan belagd med PVA. (A) NanoIR-spektra samlade vid p1 = 1,47 %, p2 = 2,48 %, p3 = 5,20 % och p4 = 11 % av lasereffekten. Lasereffekten varierar som en funktion av våglängden, vilket korrigeras genom dämpad bakgrundskorrigering för varje fall. (B) Scheman som illustrerar effekten av lasereffekt på styrkan hos de insamlade signalerna. (C) Förhållande I1600/I1730 som en funktion av lasereffekten. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Kompletterande figur 1: Kalibrering av nanoIR-konsolen. (A) Avböjningsavståndskurva erhållen på ett safirsubstrat. Lutningen på indragningskurvan ger avböjningskänsligheten för konsolen som används för att beräkna fjäderkonstanten. (B) Konsolresonansfrekvens bestämd genom termisk inställning som används för att beräkna fjäderkonstanten. Klicka här för att ladda ner den här filen.
Kompletterande figur 2: IR-laserfotavtryck. Oscillationsamplituden för fribärande konsol i kontakt med provytan registreras som en funktion av IR-laserns position. IR-laserinriktningen varieras med hjälp av en rörlig spegel. Spegelns position är inställd på att rikta in brännviddsvolymens centrum (rött område) med utskjutarens position (mitten av det vita korset). Klicka här för att ladda ner den här filen.
Kompletterande figur 3: Laserns uteffekt (i mW) som en funktion av vågtalet. QCL-laserns uteffekt bestäms med hjälp av en standard IR-detektor från 1 530 cm-1 till 1 800 cm-1 i steg om 2 cm-1 vid den pulsfrekvens som motsvarar den inställning som används för nanoIR-mätningarna. Klicka här för att ladda ner den här filen.
Kompletterande figur 4: Tjockleksmätningar av PVA erhållna med laserkonfokal ytprofilometri. Klicka här för att ladda ner den här filen.
Tilläggstabell 1: Lasereffekten i milliwatt för varje vågtal. Klicka här för att ladda ner den här filen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
AFM i kombination med nanoIR-spektroskopi kan ge kemisk information i nanoskala med hjälp av en fribärande i kontaktläge och en pulserande avstämbar IR-ljuskälla. Modellsystem, som att bädda in en absorbent med ändliga dimensioner i volymen av ett polymert material, är viktiga för att förbättra förståelsen för bildbildningsmekanismer och för att bestämma verktygets prestanda. När det gäller PS/PVA-konfigurationen som presenteras här utfördes optimering för att få en stabil PS-sträng placerad ovanför eller under ytan av PVA-filmen. Det visade sig att avsättning av PS-pärlorna omedelbart efter att det belagda Si-substratet avlägsnats från spinnbestrykaren resulterade i bättre vidhäftning. PVA-skiktets viskositet kan påverka pärlans placering i förhållande till PVA-filmens yta. Uppvärmning av provet i cirka 15 minuter vid ~200 °C möjliggjorde djupare implantation av pärlorna.
Tack vare storleken på PS-pärlorna (5 μm här) är det möjligt att snabbt rikta in den utskjutande spetsen mot mitten av pärlan med hjälp av det optiska mikroskopet som är inbyggt i nanoIR-systemet. Medan PS-pärlor och mikrobubblor i PVA knappast kan differentieras optiskt, kan nanoIR-analys bekräfta provets sammansättning. Medan bidraget från IR-bandet vid 1 600 cm-1 kan vara svagt när PS-pärlan är täckt med en annan polymer, som noteras i figur 5, kan hög lasereffekt öka bidraget från PS vid 1 600 cm-1 i nanoIR-fingeravtrycket som samlats in direkt ovanför den, med utskjutaren i kontakt med PVA-överlägget. Det förväntas att PS-pärlor med mindre diametrar kommer att vara svårare att lokalisera med optisk mikroskopi och kommer att bidra med en lägre signal till nanoIR-spektrumet. I ett sådant fall bör AFM-avbildning och nanoIR-mätningar av PS-pärlorna före deponering av toppskiktet av PVA övervägas, tillsammans med märkning av provet för att säkerställa att placeringen av de inbäddade PS-pärlorna är känd. Trots dessa förutsedda utmaningar har detta tillvägagångssätt för att förbereda modellsystem fördelen att det är billigt och lättillgängligt. Profilen för kulans topografi kan användas för att uppskatta pärlans position, även om den så kallade spetseffekten bör beaktas för att bedöma diametern på det avbildade objektet.
När det gäller datainsamling och analys visar de data som producerats med nanoIR i denna studie flera oväntade instabiliteter i tip-sample-interaktionen vid användning av en mjukare nanoIR-konsol och vid ökning av lasereffekten. NanoIR-bilder tagna med en mjukare konsol (k < 0,4 N/m) var genomgående instabila nära PS-pärlan som exciterades av IR-ljuset, trots en stabil topografibild. De nanoIR-spektra för PS och PVA som registrerats i denna studie överensstämmer väl med de vanligen rapporterade FTIR-spektra för motsvarande bulkpolymerer21,22. De två distinkta absorptionsbanden vid 1 600 cm-1 (endast PS) och 1 730 cm-1 (PS och PVA) ger ett sätt att jämföra effekten av att excitera den enskilda pärlabsorbenten under ytan. De nanoIR-bilder som presenteras i figur 4 indikerar att signalen i närheten av kulan är stark när PS-kulan exponeras men minskar signifikant när en tunn PVA-film täcker kulan. Resultaten tyder dock på att en pärla mer än 1 μm under ytan kan detekteras i nanoIR-kartan, både när man exciterar systemet vid 1 600 cm-1 och vid 1 730 cm-1. Amplituden som detekteras av utskjutaren ökar med ~2 nm direkt ovanför pärlan på kartan i båda fallen. Även om den har låg amplitud är fotavtrycket för denna expansion cirka 13 μm brett för 1 600 cm-1-excitationen, vilket är mycket större än pärlans diameter, vilket bekräftar att värme diffunderar från PS-absorbatorn till PVA. Denna Joule-expansion kan påverka den rumsliga upplösningen av nanoIR på heterogena material, med en starkare effekt som förväntas om absorbatorn är närmare ytan. Den större responsen från provet vid 1 730 cm-1 överensstämmer med nanoIR-spektra som presenteras i figur 5, vilket visar att bandets bidrag vid 1 600 cm-1 är mycket svagare än vid 1 730 cm-1.
Den nuvarande metoden har vissa begränsningar. Att placera pärlorna under ytan av PVA och samtidigt begränsa den topografiska bulan på modellsystemets yta är fortfarande ouppnåeligt. Faktum är att det kan kräva en så tjock beläggning att pärlan kan bli omöjlig att upptäcka ur nanoIR-spektroskopi. Pärlans djup är både svårt att kontrollera och att karakterisera, vilket skulle göra det svårt att ge tillräcklig information för modellering för en korrekt representation av modellsystemet. En mer fullständig bild av effekten av absorbentens storlek och djup på nanoIR-signalen som mäts vid ytan skulle kräva att man varierar dimensionerna och positionerna av kulan med större precision. Dessutom är det troligt att i ett verkligt komplext system skulle flera underjordiska absorbenter med olika storlekar, positioner och sammansättningar störa mätningarna, vilket inte beskrivs i denna modell.
Mätningarna bekräftar dock att det finns mycket att lära av signalgenerering på multipolymera prover för nanoIR-karakterisering. Ytterligare optimering av provberedningsprotokollet bör genomföras för att på ett kontrollerat sätt variera djupet på vilket PS-pärlan är inbäddad för att möjliggöra en mer omfattande analys av hur den fototermiska expansionen vid ytan av PVA påverkas av absorbatorn under ytan. Kombinationen av polymerer som används för mätningarna kan också varieras för att bestämma vilken roll värmeledningsförmåga, termisk expansion och mekaniska egenskaper spelar för prestandan hos nanoIR-mätningarna för heterogena material. Detta utgör ett lovande tillvägagångssätt för att bättre förstå provets beteende för nanoIR-spektroskopi och avbildning, och förväntas underlätta kvantifieringen av penetrationsdjup, rumslig upplösning och känslighet hos verktyget ytterligare. Detta är särskilt viktigt med tanke på framväxten av nya avbildningsmetoder, såsom multifrekvensnanoIR15,23, för vilka informationens karaktär och effekten av aktiveringsparametrar på verktygens prestanda fortfarande är dåligt förstådd. För att fördjupa förståelsen av de data som samlas in kommer det att vara viktigt att kombinera det experimentella tillvägagångssättet med Multiphysics modeling24. Att ta hänsyn till inbäddade funktioner av olika storlekar och variera deras position under ytan kommer att vara avgörande för att utveckla en mer omfattande modell. Detta kommer i sin tur att föra området nanoIR-spektroskopi mot tillämpningar av verkliga heterogena och tredimensionella material.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna har inget att avslöja.
Acknowledgments
Detta arbete stöddes 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).
