Summary
Bu protokol, üç boyutlu çok polimerik numunelerin karakterizasyonunda fototermal nano ölçekli kızılötesi spektroskopinin performansını değerlendirmek için atomik kuvvet mikroskobu ve nano ölçekli kızılötesi spektroskopinin uygulanmasını açıklar.
Abstract
Çok fazlı polimerik sistemler, birkaç on nanometreden birkaç mikrometreye kadar değişebilen boyutlara sahip yerel alanları kapsar. Bileşimleri genellikle, incelenen hacimde bulunan çeşitli malzemelerin ortalama parmak izini sağlayan kızılötesi spektroskopi kullanılarak değerlendirilir. Bununla birlikte, bu yaklaşım, malzemedeki fazların düzenlenmesi hakkında herhangi bir ayrıntı sunmamaktadır. Genellikle nano ölçekli aralıkta olan iki polimerik faz arasındaki arayüzey bölgelerine erişmek de zordur. Fototermal nano ölçekli kızılötesi spektroskopi, bir atomik kuvvet mikroskobunun (AFM) hassas probu ile kızılötesi ışıkla uyarılan malzemelerin yerel tepkisini izler. Teknik, bozulmamış altın yüzeylerdeki bireysel proteinler gibi küçük özellikleri sorgulamak için uygun olsa da, üç boyutlu çok bileşenli malzemelerin karakterizasyonu daha zordur. Bunun nedeni, AFM ucu tarafından incelenen nano ölçekli bölgeye kıyasla, numune üzerine lazer odaklama ve polimerik bileşenlerin termal özellikleri ile tanımlanan, fototermal genleşmeye uğrayan nispeten büyük bir malzeme hacmidir. Bir polistiren (PS) boncuk ve bir polivinil alkol (PVA) film kullanarak, PVA filmindeki PS konumunun bir fonksiyonu olarak yüzey analizi için fototermal nano ölçekli kızılötesi spektroskopinin uzamsal ayak izini değerlendiriyoruz. Özellik konumunun nano ölçekli kızılötesi görüntüler üzerindeki etkisi araştırılır ve spektrumlar elde edilir. Gömülü polimerik yapılara sahip karmaşık sistemlerin karakterizasyonu göz önünde bulundurularak, fototermal nano ölçekli kızılötesi spektroskopi alanındaki gelecekteki gelişmelere ilişkin bazı bakış açıları sağlanmıştır.
Introduction
Atomik kuvvet mikroskobu (AFM), nano ölçekli çözünürlük 1,2,3 ile çok çeşitli numunelerin morfolojisini görüntülemek ve karakterize etmek için gerekli hale gelmiştir. Keskin ucun numune yüzeyi ile etkileşiminden kaynaklanan bir AFM konsolunun sapmasını ölçerek, yerel sertlik ölçümleri ve uç-numune yapışması için nano ölçekli fonksiyonel görüntüleme protokolleri geliştirilmiştir 4,5. Yumuşak yoğun madde ve polimer analizi için, yerel alanların nanomekanik ve nanokimyasal özelliklerini araştıran AFM ölçümleri, 6,7,8'den sonra çok rağbet görmektedir. Nano ölçekli kızılötesi (nanoIR) spektroskopisinin ortaya çıkmasından önce, AFM uçları, AFM kuvvet eğrisinden farklı alanların varlığını değerlendirmek ve uç-numune etkileşiminin doğasını çıkarmak için kimyasal olarak modifiye edildi. Örneğin, bu yaklaşım, siklohekzanla muamele edilmiş polistiren-blok-poli(tert-bütil akrilat) blok kopolimer ince filmlerin yüzeyindeki poli(tert-bütil akrilat) mikro alanlarının 50 nm seviye9'da dönüşümünü ortaya çıkarmak için kullanıldı.
Kızılötesi (IR) ışığın AFM ile kombinasyonu, polimer bilimi6 alanı üzerinde önemli bir etkiye sahip olmuştur. Konvansiyonel IR spektroskopisi, polimerik malzemelerin10,11 kimyasal yapısını incelemek için yaygın olarak kullanılan bir tekniktir, ancak bölgeler numuneyi araştırmak için kullanılan IR ışınının boyutuna kıyasla çok küçük olduğundan, tek tek fazlar ve fazlar arası davranış hakkında bilgi sağlayamaz. Sorun, optik kırınım sınırı6 ile sınırlı olduğu için IR mikrospektroskopisi ile ilgilidir. Bu tür ölçümler, IR ışığı tarafından uyarılan tüm bölgenin katkılarının ortalamasını alır; Sondalanan bölge içinde nano ölçekli fazların varlığından kaynaklanan sinyaller, ya işlem sonrası evrişim sırasında dekonvolüsyon yapılması gereken karmaşık parmak izleri sergiler ya da tespit edilebilir seviyenin altındaki bir sinyal seviyesi nedeniyle kaybolur. Bu nedenle, karmaşık ortamlarda nano ölçekli kimyasal özellikleri keşfetmek için nano ölçekli uzamsal çözünürlüğe ve yüksek IR duyarlılığına sahip araçlar geliştirmek esastır.
NanoIR spektroskopisini elde etmek için şemalar geliştirilmiştir, ilk olarak bir nanoanten12,13 olarak metalik bir AFM ucu kullanılarak ve daha yakın zamanda AFM konsolunun numunenin IR aydınlatması sırasında meydana gelen fototermal genleşmedeki değişiklikleri izleme yeteneğinden yararlanılarak 12,14,15. İkincisi, problanan malzemenin bir absorpsiyon bandına ayarlanmış, darbeli, ayarlanabilir bir IR ışık kaynağı kullanır, bu da numunenin radyasyonu emmesine ve fototermal genleşmeye uğramasına neden olur. Bu yaklaşım organik ve polimerik malzemeler için çok uygundur. Darbeli uyarım, etkiyi bir salınım şeklinde numune yüzeyi ile temas halinde olan AFM konsolu tarafından algılanabilir hale getirir. Frekans spektrumunda gözlemlenen sistemin temas rezonanslarından birinin genliği daha sonra AFM ucu15'in altındaki malzemenin nanoIR absorpsiyon spektrumunu oluşturan aydınlatma dalga boyunun bir fonksiyonu olarak izlenir. NanoIR görüntüleme ve spektroskopinin uzamsal çözünürlüğü, malzemenin fototermal genleşmesinin çeşitli etkileri ile sınırlıdır. Temas modu AFM kullanan fototermal nanoIR spektroskopisinin, 50 nm altı ölçekli uzamsal çözünürlüğe sahip malzemelerin titreşim absorpsiyon spektrumlarınıelde edebileceği değerlendirilmiştir 14, son çalışmalar α-sinüklein 16,17'nin monomerlerinin ve dimerlerinin tespitini göstermiştir. Bununla birlikte, çeşitli polimerik filmlerin hacmine gömülü sonlu boyutlardaki emiciler gibi çeşitli konfigürasyonlarda monte edilmiş heterojen polimerik malzemeler üzerinde nanoIR ölçümlerinin performansına ilişkin nicel çalışmalar sınırlı kalmaktadır.
Bu makale, yüzey analizi sırasında fototermal genleşmenin duyarlılığını ve nanoIR'nin uzamsal çözünürlüğünü değerlendirmek için bilinen bir boyutun gömülü özelliğine sahip bir polimerik düzenek oluşturmayı amaçlamaktadır. Protokol, bir silikon substrat üzerinde bir polivinil alkol (PVA) polimer ince filmin hazırlanmasını ve model sistemin oluşumunu oluşturan PVA filminin üzerine veya içine gömülü üç boyutlu bir polistiren (PS) boncuğun yerleştirilmesini kapsar. NanoIR görüntüleme ve spektroskopi ölçümleri, PVA filminin üzerine veya altına yerleştirilmiş aynı PS boncuğu tarafından üretilen sinyallerin değerlendirilmesi bağlamında açıklanmaktadır. Boncuk pozisyonunun nanoIR sinyalleri üzerindeki etkisi değerlendirilir. NanoIR haritasında boncuğun uzamsal ayak izini değerlendirme yöntemleri tartışılmış ve çeşitli parametrelerin etkileri göz önünde bulundurulmuştur.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Polivinil alkol (PVA) çözeltisi yapmak
- Ağırlıkça %20 PVA/su oranında 10 mL'lik bir çözelti oluşturmak için su ve PVA polimer peletlerini ölçün ( Malzeme Tablosuna bakın).
- Cam eşyalardaki suyu 100 °C'ye ayarlanmış bir sıcak plaka üzerinde ısıtın.
- PVA polimer peletlerini ısıtılmış suya yerleştirin. Manyetik bir karıştırma çubuğu yerleştirin.
- Isıyı 80 °C'ye düşürün ve PVA tamamen eriyene kadar karıştırın.
- Kirlenmeyi önlemek için cam eşyaların üstünü örtün.
- Tamamen çözündükten sonra, %20 PVA çözeltisini oda sıcaklığında saklamak için uygun bir saklama kabına koyun.
2. PVA kaplı silikon (Si) gofretlerin hazırlanması
- Silikon (Si) bir gofreti ( Malzeme Tablosuna bakın) ~10 x 10 mm2 kareye kesin.
- Si alt tabakasını izopropil alkol kullanarak temizleyin ve kurumasını bekleyin.
- Temiz Si gofreti sıkma kaplayıcının aynasına yerleştirin ( Malzeme Tablosuna bakın).
- Si substratının ortasına yaklaşık 10 μL PVA çözeltisi damlatın. Kabarcık oluşumundan kaçınmaya çalışın.
- Si alt tabakasını dakikada 1.500 devirde (rpm) 30 saniye boyunca sıkma kaplaması ile tek tip bir PVA filmi ile kaplayın.
NOT: Belirtilen hacimdeki sıvı ve spin kaplama parametreleri, bir sonraki adımda spin kaplama ile PS boncuklarının PVA yüzeyine yerleştirilmesi arasında hızlı kurumayı önlemek için alt tabakanın yüzeyi boyunca yeterli kalınlığa sahip tek tip bir PVA tabakası oluşturur.
- Numuneyi spin kaplayıcıdan çıkarın ve PS boncuklarını aktarmadan önce kontaminasyonu önlemek için temiz bir numune kabına koyun.
3. PS boncuklarının PVA kaplı yüzeye yerleştirilmesi
- İzopropil alkol kullanarak bir Si alt tabakasını temizleyin ve kurumasını bekleyin.
- Bir pipet kullanarak, alt tabakanın ortasına su içinde asılı duran 1 μL PS boncukları yerleştirin.
- Numuneyi bentonit kil kurutucu içeren bir saklama bölmesine koyarak suyun buharlaşmasına izin verin.
NOT: Bu adım, neme maruz kalmayı azaltarak numuneyi korur. - PVA kaplı alt tabakayı (adım 2.4) ve alt tabakayı kurutulmuş PS boncuklarıyla (adım 3.3) optik mikroskop altına yerleştirin. Boyutlarına bağlı olarak, basit dürbünler kullanılarak tek bir boncuk görünür veya daha yüksek optik büyütme gerektirir.
- Ultra ince cımbız kullanarak boncukları nazikçe gevşetin (bkz. Birkaç gevşek boncuk toplamak için ince bir saç boya fırçası kullanın ve boya fırçasının tüylerini yeni PVA kaplı gofretin üzerine hafifçe vurun. Çoklu taramalar, boncukların fırçanın kılları içinde birikmesine izin vermelidir. Yapışkan PVA yüzeyine boncukları serbest bırakmak için PS boncuk tozunu bozmak için boya fırçası kıllarının üst kısmına hafifçe vurun.
NOT: PVA filminin yüzeyine lif ve kirletici maddelerin salınmasını önlemek için boya fırçasının yüksek kaliteli ve temiz olması önemlidir. PVA'nın tamamen kurumaması için bu adımda hızlı hareket etmek çok önemlidir. - Optik mikroskopi incelemesi ile tek tek PS boncuklarının PVA yüzeyine yapıştığı doğrulanana kadar bu adımı tekrarlayın.
- Numuneyi temiz bir kapta saklayın. Numunenin tamamen kurumasını bekleyin.
NOT: Daha fazla analiz denemesi yapılmadan önce numunenin tamamen soğumasına ve kurumasına izin verilmelidir. AFM yükseklik ölçümleri veya yüzey profilleyici ölçümleri, ardışık PVA filmlerinin kalınlığını değerlendirebilir.
4. AFM karakterizasyonu için numunenin yüklenmesi
NOT: Açıklanan protokol, bir nanoIR2 (bkz . Malzeme Tablosu) platformunun standart işletim prosedürlerine dayanmaktadır, ancak ölçüm için kullanılan AFM modeline göre uyarlanmalıdır.
- PVA ve PS boncuk örneğini AFM s'ye monte edinampmetalik bir AFM diski ve yapışkan tırnaklar kullanarak, böylece örnek numune tutucuya sıkıca tutturulur.
- AFM prob tutucusuna bir nanoIR probu (örn. FORTGG) monte edin.
NOT: AFM konsol 225 μm uzunluğunda, 27 μm genişliğinde ve 2.7 μm kalınlığındadır ve uç yarıçapı 10 nm'den azdır. Konsol, numunenin üst taraftaki IR aydınlatmasına tepkisini sınırlamak için her iki tarafta 45 nm kalınlığında altın film ile kaplanmıştır (bkz. NanoIR spektroskopisi ölçümleri için, tercihen kullanımdan önce polidimetilsiloksan içermeyen bir ortamda saklanmış bir konsol kullanın. - Lazer hizalama düğmelerini çevirerek okuma lazerini konsol kirişinin serbest ucuna hizalayın (lazer konumunun x ve y ayarları ve dedektör konumunun dikey ayarı).
- Dedektörün SUM sinyalini en üst düzeye çıkarın.
- Saptırma düğmesini, lazer, ~0 V'luk dikey bir sapma sinyaline karşılık gelen AFM okuma sisteminin konuma duyarlı dedektörünün merkeziyle hizalanacak şekilde çevirerek dedektörün konumunu ayarlayın.
- AFM "Probe" kontrol panelindeki Yükle simgesine tıklayın.
- Sihirbaz ekranındaki istemleri izleyin. NanoIR konsolun odak düzlemini belirlemek için odak oklarını kullanın. Konsolu ekranın ortasına (beyaz çarpı ile hizalı) yerleştirmek için XY yer değiştirme kontrollerini kullanın.
- Ardından, numunenin yüzeyinin odak düzlemini bulmak için odak oklarına tıklayın.
- Konsol ucunu ilgilenilen boncuğun üzerine konumlandırmak için sistemin optik görünümünü ve XY yer değiştirme kontrollerini kullanın ve İleri'ye tıklayın.
- Devreye alma ekranında, "mesafeyi" 50 μm'ye ayarlayın ve Yalnızca Yaklaşım'a tıklayın.
- Görüntüleme ipucuna yaklaşmak için Engage yordamını başlatın.
5. Multipolimer numunenin topografik ve nanoIR görüntülerinin oluşturulması
- Standart "İletişim Modu"nda topografya görüntüleri elde edin. Konsolun PS boncuğuna göre konumu ayarlandıktan sonra, AFM "Probe" kontrol panelindeki devreye sok simgesine tıklayarak yaklaşmayı başlatın. Buradaki tüm çalışma için ~100 nN'lik bir kuvvete karşılık gelen 0,2 V'luk bir sapma diferansiyelinin bir geçme ayar noktası kullanılır.
AFM "Tarama" kontrol panelinde, tarama hızını 0,8 Hz, tarama boyutunu (yükseklik ve genişlik) ve görüntüleme için kullanılacak satır başına nokta sayısını ve görüntü başına satır sayısını ayarlayın (burada 512 x 512 kullanılmıştır). Topografya görüntüsünü elde etmek için Tara'ya tıklayın.
NOT: Konsolun18 kalibrasyonu, konsol bir safir alt tabaka ile etkileşime girdiğinde elde edilen sapma mesafesi eğrisinin eğiminden sapma hassasiyetinin (nm/V cinsinden) belirlenmesiyle yapılır (Ek Şekil 1A). Konsol sertliği, termal ayar19'dan belirlenir (Ek Şekil 1B). Konsolun rezonansı bir Lorentz fonksiyonu kullanılarak donatılmıştır. Konsol sertliği (N/m cinsinden) eşbölüşüm teoremi
kullanılarak belirlenir, burada KBBoltzmann sabiti, T sıcaklık (T = 295K) ve P, termal ayar verilerinin20 Lorentz uyumu entegre edilerek belirlenen konsolun termal dalgalanmalarının güç spektrumunun alanıdır. - NanoIR ölçümleri için, AFM ucunu topografya görüntüsünden tanımlanan ilgilenilen özelliğe yerleştirin.
- Konsolun kontak rezonans frekanslarını belirlemek için nanoIR kontrol panelindeki diyapazon simgesini seçin. Malzemedeki fototermal genleşmeyi uyaracak bir aydınlatma dalga numarası ayarlayın. Süpürmek için bir dizi lazer darbe frekansı ayarlayın ve nanoIR lazerin görev döngüsünü ayarlayın. "Lazer Darbe Ayarı Penceresi" içinde Al'ı seçin.
- İşaretleme çubuğunu (yeşil dikey çizgi) ikinci kontak rezonansının zirvesine konumlandırarak nanoIR ölçümleri için uç-numune sisteminin ikinci kontak rezonansını seçin.
NOT: Kontak rezonans modunun seçimi, konsol tipine ve örneğe bağlı olarak değişebilir. - IR lazer odak bölgesinin merkezini konsol ucunun konumuyla hizalamak için Optimize Et'e tıklayın. Hizalama, problanan malzemenin bir absorpsiyon bandına karşılık gelen seçilen bir IR aydınlatma dalga numarasında yapılır. Konsol, lazer ayak izinin merkezine yerleştirilmiştir (Ek Şekil 2).
NOT: Hizalama, lazer modeline bağlı olarak farklı dalga sayıları için değişebilir. - IR lazer aydınlatmasının arka planını edinin. Bu, seçilen darbe frekansında emisyonun dalga boyu aralığında IR kuantum kaskad lazerin (QCL) çıkışının ölçülmesinden oluşur (Ek Şekil 3). Bu, nanoIR spektrumlarının arka plan düzeltmesi için önemlidir.
- Dalga sayısı aralığını (burada Başlat ve Durdur sırasıyla 1,530 cm-1 ve 1,800 cm-1 olarak ayarlanmıştır), adım boyutunu (2 cm-1) ve ölçüm için kullanılan ortalama sayısını seçerek nanoIR spektrumunu elde edin. Adım 5.2.4'te toplanan arka planın ölçüm için seçilen güç yüzdesi ile çarpılmasından oluşan, ölçülen fototermal genliği zayıflatılmış arka plana bölerek görüntülenen spektrumların arka plan düzeltmesini gerçekleştirin.
- NanoIR görüntüleme için, görüntüleme için ilgilenilen bölgeyi seçin.
- "Lazer Darbe Ayar Penceresi"nde (Ayar çatalı simgesiyle erişilir) faz kilitli döngü (PLL) otomatik ayarını etkinleştirin.
- Genel kontrol panelinde ikinci rezonans modunda ortalanmış bir tarama aralığı oluşturmak için minimum ve maksimum frekansı ayarlayın.
- PLL kontrol panelinde sıfıra tıklayarak fazı sıfırlayın ve ardından "Laser Pulse Tune penceresinde" Tamam'a tıklayın.
- nanoIR kontrol panelindeki kutuya bir onay işareti koyarak IR Görüntüleme Etkin'i seçin.
- "Görüntüleme Görünümü" kontrol panelinde, numunenin topografik ve kimyasal görüntülerini elde etmek için Yükseklik (Görüntüleme Görünümü 1), Genlik 2 (Görüntüleme Görünümü 2) ve Aşama 2'yi (Görüntüleme Görünümü 3) seçin. Alım yönünü İzle (veya Geri İzle) olarak ayarlayın. Elde edilen numunenin topografya görüntüsünü gözlemlemek için genellikle bir çizgi uydurma Hattı gereklidir. Yakalama sığdırma Yok olarak ayarlanmalıdır.
NOT: Yakalanan tarama yönü veya kullanılan renk paleti gibi tarama tercihleri gerektiği gibi ayarlanabilir. - AFM "Scan" (Tara) kontrol panelinde, Scan (Tara ) simgesini seçin.
- Görüntüyü kaydetmek için, "Yakala" kontrol panelindeki Şimdi veya Kare sonu simgesini seçin.
- Verileri dışa aktarmak için, veri listelerindeki görüntü veya spektrum dosya adlarına sağ tıklayın. Dışa Aktar'ı seçin ve dışa aktarılacak dosyanın biçimini seçin. Dosyayı istediğiniz bilgisayar klasörü konumuna kaydedin.
kullanılarak belirlenir, burada KBBoltzmann sabiti, T sıcaklık (T = 295K) ve P, termal ayar verilerinin20 Lorentz uyumu entegre edilerek belirlenen konsolun termal dalgalanmalarının güç spektrumunun alanıdır.Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
PS ((C8H8)n) boncukları temiz bir Si substratı (Şekil 1A) ve PVA ((CH2CHOH)n) (Şekil 1B,C) üzerinde biriktirildi. Boncuğun Si üzerine zayıf yapışması nedeniyle, bu numune için temas modunda nanoIR görüntüleme elde edilemedi. Bunun yerine, nanoIR üzerindeki numunenin optik görünümü kullanılarak, altın kaplı AFM probu, yaklaşık 100 nN'lik tahmini bir kuvvetle temas modunda PS boncuğunun üzerine yerleştirildi (Şekil 2A). Darbeli IR lazer, numuneyi 1.730 cm-1'de uyaracak şekilde ayarlandı, çünkü hem PS hem de PVA'nın bu dalga sayısında absorbe etmesi bekleniyor. NanoIR spektrum ölçümü için konsolun temas rezonansını belirlemek için lazerin darbe frekansı tarandı. Temas rezonans frekansında darbelendiğinde, salınımın genliğini belirlemek için konsol tepkisi izlendi (Şekil 2B). Daha sonra, nanoIR spektrumları, aydınlatma dalga sayısının bir fonksiyonu olarak temas rezonansının genliği, 2 cm-1'lik adımlarla 1.530 ila 1.800 cm-1 arasında izlenerek oluşturuldu (Şekil 2C). Bu aralıkta (Şekil 3A, ek), spektrum, sırasıyla fenil parçasının baskın gerilme moduna ve PS'de gerilen halkanın bir alt kümesine karşılık gelen 1.600 cm-1 ve 1.730 cm-1'de merkezlenmiş iki IR bandının varlığını ortaya çıkardı21. NanoIR spektrumunun PS'nin uzak alan Fourier dönüşümü kızılötesi (FTIR) spektrumu ile karşılaştırılması, 1.600 cm-1'de aromatik modun varlığını doğruladı (Şekil 3A). Bununla birlikte, bağıl genlik I1600/I1730'un FTIR ve nanoIR spektrumlarında sırasıyla 2.9 ve 0.9 değerleriyle önemli ölçüde farklı olduğu kaydedildi. Bu, FTIR spektroskopisinde olduğu gibi, polimerin absorbansı yerine fototermal genleşmesini izleyen nanoIR spektroskopisinin tespit mekanizmasına bağlandı. PS durumunda, bu, aromatik alt bantları 1.730 cm-1'de uyarırken daha yüksek bir fototermal genleşmeye karşılık geldi. PVA'nın nanoIR spektrumu, ~ 1.730 cm-1'de merkezlenmiş baskın bir absorpsiyon bandı ile FTIR spektrumu ile daha iyi uyum sergiledi (Şekil 3B). Bu bant, bir C=O grubu içermeyen saf PVA'da beklenmese de, önceki çalışmalar, PVA'nın hazırlanmasında kullanılan kalıntı asetat nedeniyle bandın varlığının karbonil fonksiyonel gruplara atfedilebileceğini düşündürmektedir (oran ~%80-%90 hidrolize edilmiştir)22. Bu çalışmanın amacı doğrultusunda, 1.730 cm-1'de bir bandın varlığı, PS ve PVA'nın eşzamanlı emiliminin etkisini değerlendirmek için uygundu.
NanoIR spektrumları, PVA yüzeyinde biriken PS boncuğunun (Şekil 4A-C) ve PVA ile kaplanmış PS boncuğunun (Şekil 4D-F) kimyasal görüntülenmesi için aydınlatma dalga sayılarını seçmek için kullanıldı. Sistemin PLL temas rezonans frekansı izleme özelliği, her pikseldeki genlik ölçümünün temas rezonans tepe noktası15'in maksimum genliğine karşılık gelmesini sağlamak için kullanıldı (Şekil 2C). Konsolun temas rezonansı, konsol ucu PVA ve PS ile temas halindeyken PLL frekans izlemenin uygun bir aralığını belirlemek için ölçüldü.
NanoIR görüntüleri ilk olarak 1.600 cm-1'de elde edildi, bu da PS'nin sistemin baskın soğurucusu olduğu duruma karşılık geliyor (Şekil 4Ai; Di)). Her iki durumda da 5 μm'lik bir PS boncuğu görüntülenmiş olsa da, bu dalga boyunda kaydedilen fototermal genleşmenin genliği, uç doğrudan PS boncuğu ile temas ettiğinde ve uç PS boncuğunun üstündeki ince PVA kaplama ile temas ettiğinde farklıydı. PS boncuğunun üzerinde tespit edilen fototermal genleşmedeki artış, boncuk bir yüzey profilleyici kullanılarak ~1.8 μm kalınlığında olduğu tahmin edilen PVA tabakası ile kaplandığında önemli ölçüde daha küçüktü (Ek Şekil 4). Kullanılan lazer gücünde (1.47 cm-3.4'de ~1,600 mW ve 1,730 cm-1'de ~3,8 mW'a karşılık gelen %1) (Ek Tablo 1), ~13 μm çapında bir bölge, PS boncuğundan uzakta saf emici olmayan PVA tabakasında kaydedilen sinyalin ~2 nm üzerinde genlikte hafif bir artış sergiledi. Genlik artışının uzamsal ayak izi, fototermal genleşme sinyalinin asimetrik olduğu, ancak görüntünün yavaş tarama yönünde ~6 μm genişliğinde ve ~8 μm uzunluğunda bir bölgede kaldığı PVA filminin (Şekil 4A) üzerinde PS boncuğunun bulunduğu zamandan çok daha genişti. Bu bölgedeki genlik okumaları, saf PVA tabakasının fototermal genleşmesinin 12.1 nm'ye kadar ulaştı. Numuneyi 1.730 cm-1'de aydınlatırken, PS ve PVA'nın her ikisi de 1.600 cm-1'den daha yüksek bir fototermal genleşme genliği sergiledi. Açıkta kalan PS boncuğu durumunda (Şekil 4Ci), fototermal genleşme boncuğun üstünde en yüksekti ve 26.5 nm'ye kadar değerlere ulaştı. Yüksek fototermal tepki, Şekil 4Ai'de gözlemlenen ayak izinin birkaç mikrometre ötesine uzandı. PVA da uyarma nedeniyle genişledi, ancak daha düşük bir genlikte, yani PS boncuğundan uzakta kaydedilen ~ 7.6 nm'de. Yanıtın PS boncuğunun sol tarafında sürekli olarak en güçlü olduğu kaydedildi. Gömülü boncuk için (Şekil 4F), sinyal daha simetrikti, ancak PS boncuğunun üzerindeki fototermal genleşmenin genliği, PVA'nınkinden sadece ~2.3 nm daha yüksekti. Bunun için, yüzeyin AFM probu ile haritalanmasından belirlenen, PS ısıtmasından etkilenen bölgenin 10-13 μm ayak izi içinde ~13.6 nm'lik tutarlı bir fototermal genlik kaydedildi. 1.620 cm-1'de gerçekleştirilen ölçümlerde, spektrumun bu bölgesinde PS ve PVA için kayda değer bir IR absorpsiyon bandının bulunmamasıyla tutarlı olan hiçbir sinyal tespit edilmedi.
Daha sonra, kaplı bir PS boncuğunun üzerinde toplanan nanoIR spektrumları PVA ile karşılaştırıldı (Şekil 5A). 1.600 cm-1'deki PS sinyali, ortaya çıkarılan boncuk durumundan önemli ölçüde daha düşüktü. Bandın düşük katkısına rağmen, sinyallerin daha fazla analizi, lazer gücünün arttırılmasının daha yüksek bir I1600/I1730 oranına yol açtığını doğruladı (Şekil 5B,C). Sonuçlar, Şekil 5B'de gösterildiği gibi, daha yüksek bir lazer gücünün daha büyük penetrasyon derinliğine karşılık geldiğini göstermiştir. Bu da, farklı bir lazer gücü altında toplanan nanoIR görüntüsünü etkiler. ~20 mW'lık daha yüksek bir güçte, malzemenin fototermal genliği, daha düşük lazer güçlerinden sürekli olarak daha düşük bir genlik sergiledi. Ayrıca, spektrumlardaki gürültü seviyesi artmıştır, bu da muhtemelen polimerdeki sıcaklık artışına bağlı olarak malzemede bazı kararsızlıklar olduğunu düşündürmektedir.
Şekil 1: PS boncuklarının biriktirilmesi. Bozulmamış bir silikon substratın üzerinde 5 μm PS boncuğunun (A), bir PVA filminin üstünde (B) ve (C) PVA ile kaplanmış taramalı elektron mikroskobu (SEM) görüntüsü. Ölçek çubuğu = 1 μm. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 2: NanoIR görüntüleme ve spektroskopi prensibini gösteren şemalar. (A) IR darbeli lazer hizalanır ve metalik AFM konsol ucunun numune ile temas noktasına odaklanır. Konsol, IR absorpsiyonundan kaynaklanan malzemenin fototermal tepkisini ölçer. Her iki taraftaki altın katman, ölçüm sırasında konsolun fototermal ve akustik katkısını azaltmak için kullanılır, bu da numunenin nanoIR ölçümüne müdahale eder. (B) Konsolun zaman alanında [S(t)] ve frekans alanında [S(ω)] sapmasını izleyen konuma duyarlı dedektörün sinyali. Konsolun temas rezonans modları, kilitli amplifikatör ölçümleri ile tanımlanır. İkinci temas rezonansı, görüntüleme sırasında PLL takibi için kullanılır. Kontak rezonans modu Acr2'nin genliği ölçülür. (C) Aydınlatma dalga sayısının bir fonksiyonu olarak Acr2 genliğindeki değişimin izlenmesiyle elde edilen NanoIR spektrumu. NanoIR görüntüsü, ucun numune üzerindeki konumunun bir fonksiyonu olarak Acr2 genliğindeki değişimin izlenmesiyle elde edildi. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 3: PS ve PVA'nın IR spektrumları. (A) PS'nin FTIR spektrumu. Kırmızı kutu, nanoIR spektroskopisi ile incelenen spektrumun aralığını gösterir. Karşılık gelen nanoIR PS spektrumu iç kısımda sağlanır. (B) PVA'nın FTIR spektrumu. Kırmızı kutu, nanoIR spektroskopisi ile incelenen spektrumun aralığını gösterir. Karşılık gelen nanoIR PVA spektrumu iç kısımda sağlanır. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 4: NanoIR görüntüleme. PVA'nın yüzeyinde biriken PS boncuğu (AC) ve iç kısımlarda gösterildiği gibi PVA'ya gömülü (DF). (Ai,D i) 1.600 cm-1, (B i,Ei) 1.620 cm-1 ve (C i,Fi) 1.730 cm-1'de elde edilen NanoIR haritaları 3B topografya haritasına bindirilmiştir. Beyaz kesikli çizgi boyunca çıkarılan ilgili topografya ve nanoIR profilleri ilgili grafiklerde sunulmuştur (ii). Ölçek çubuğu = 5 μm. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 5: PVA ile kaplanmış PS boncuğu ile temas halinde olan AFM ucu tarafından toplanan NanoIR spektrumu. (A) Lazer gücünün p1 =% 1.47, p2 =% 2.48, p3 =% 5.20 ve p4 =% 11'inde toplanan NanoIR spektrumları. Lazer gücü, dalga boyunun bir fonksiyonu olarak değişir ve bu, her durum için zayıflatılmış arka plan düzeltmesi ile düzeltilir. (B) Lazer gücünün toplanan sinyallerin gücü üzerindeki etkisini gösteren şemalar. (C) Lazer gücünün bir fonksiyonu olarak Oran I1600/I1730 . Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Ek Şekil 1: nanoIR konsolunun kalibrasyonu. (A) Safir bir alt tabaka üzerinde elde edilen sapma mesafesi eğrisi. Geri çekme eğrisinin eğimi, yay sabitini hesaplamak için kullanılan konsolun sapma hassasiyetini sağlar. (B) Yay sabitini hesaplamak için kullanılan termal ayarlama ile belirlenen konsol rezonans frekansı. Bu Dosyayı indirmek için lütfen buraya tıklayın.
Ek Şekil 2: IR lazer ayak izi. Numune yüzeyi ile temas halinde olan konsolun salınım genliği, IR lazerin konumunun bir fonksiyonu olarak kaydedilir. IR lazer hizalaması, hareketli bir ayna kullanılarak değiştirilir. Aynanın konumu, odak hacminin merkezini (kırmızı bölge) konsolun konumuyla (beyaz çarpının merkezi) hizalayacak şekilde ayarlanmıştır. Bu Dosyayı indirmek için lütfen buraya tıklayın.
Ek Şekil 3: Dalga sayısının bir fonksiyonu olarak lazer çıkış gücü (mW cinsinden). QCL lazerin çıkış gücü, nanoIR ölçümleri için kullanılan ayara karşılık gelen darbe frekansında 2 cm-1'lik adımlarla 1.530 cm-1 ila 1.800 cm-1 arasında standart bir IR dedektörü kullanılarak belirlenir. Bu Dosyayı indirmek için lütfen buraya tıklayın.
Ek Şekil 4: Lazer konfokal yüzey profilometrisi ile elde edilen PVA kalınlık ölçümleri. Bu Dosyayı indirmek için lütfen buraya tıklayın.
Ek Tablo 1: Her dalga sayısı için miliwatt cinsinden lazer gücü. Bu Dosyayı indirmek için lütfen buraya tıklayın.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
NanoIR spektroskopisi ile birleştirilmiş AFM, temas modunda bir konsol ve darbeli ayarlanabilir bir IR ışık kaynağı kullanarak nano ölçekli kimyasal bilgi sağlayabilir. Polimerik bir malzemenin hacmine sonlu boyutlara sahip bir soğurucunun gömülmesi gibi model sistemler, görüntü oluşturma mekanizmalarının anlaşılmasını geliştirmek ve aletin performansını belirlemek için önemlidir. Burada sunulan PS/PVA konfigürasyonu durumunda, PVA filminin yüzeyinin üstüne veya altına yerleştirilmiş stabil bir PS boncuğu elde etmek için optimizasyon gerçekleştirildi. Kaplanmış Si substratının spin kaplayıcıdan çıkarılmasından hemen sonra PS boncuklarının bırakılmasının daha iyi yapışma ile sonuçlandığı bulundu. PVA tabakasının viskozitesi, boncukların PVA film yüzeyine göre konumlandırılmasını etkileyebilir. Numunenin ~200 °C'de yaklaşık 15 dakika ısıtılması, boncukların daha derine implantasyonuna izin verdi.
PS boncuklarının boyutu (burada 5 μm) sayesinde, nanoIR sistemine entegre optik mikroskop kullanılarak konsol ucunun boncuk merkezi ile hızlı bir şekilde hizalanması mümkündür. PVA'daki PS boncukları ve mikro kabarcıklar optik olarak ayırt edilemezken, nanoIR analizi numunenin bileşimini doğrulayabilir. Şekil 5'te belirtildiği gibi, PS boncuğu başka bir polimerle kaplandığında 1.600 cm-1'deki IR bandının katkısı zayıf olabilirken, yüksek lazer gücü, konsol PVA kaplaması ile temas halindeyken, doğrudan üzerinde toplanan nanoIR parmak izinde 1.600 cm-1'de PS'nin katkısını artırabilir. Daha küçük çaplı PS boncuklarının optik mikroskopi ile bulunmasının daha zor olması ve nanoIR spektrumuna daha düşük bir sinyale katkıda bulunması beklenmektedir. Böyle bir durumda, PVA'nın son kat tabakasının biriktirilmesinden önce PS boncuklarının AFM görüntüleme ve nanoIR ölçümleri, gömülü PS boncuklarının konumunun bilindiğinden emin olmak için numunenin işaretlenmesiyle birlikte dikkate alınmalıdır. Öngörülen bu zorluklara rağmen, model sistemleri hazırlamaya yönelik bu yaklaşım, ucuz ve kolayca erişilebilir olma avantajına sahiptir. Boncuk topografyasının profili, boncuk konumunu tahmin etmek için kullanılabilir, ancak görüntülenen özelliğin çapını değerlendirmek için uç etkisi olarak adlandırılan etki dikkate alınmalıdır.
Veri toplama ve analizi ile ilgili olarak, bu çalışmada nanoIR ile üretilen veriler, daha yumuşak bir nanoIR konsol kullanıldığında ve lazer gücünü arttırırken uç-numune etkileşiminin beklenmedik birkaç kararsızlığını ortaya koymaktadır. Daha yumuşak bir konsol (k < 0.4 N/m) ile toplanan NanoIR görüntüleri, kararlı bir topografya görüntüsüne rağmen, IR ışığı tarafından uyarılan PS boncuğunun yakınında sürekli olarak kararsızdı. Bu çalışmada kaydedilen PS ve PVA'nın nanoIR spektrumları, karşılık gelen dökme polimerlerin21,22 yaygın olarak bildirilen FTIR spektrumları ile iyi bir uyum içindedir. 1.600 cm-1 (yalnızca PS) ve 1.730 cm-1'deki (PS ve PVA) iki farklı absorpsiyon bandı, yüzeyin altındaki tek damla emiciyi uyarmanın etkisini karşılaştırmanın bir yolunu sunar. Şekil 4'te sunulan nanoIR görüntüleri, PS boncuğu açığa çıktığında boncuğun yakınındaki sinyalin güçlü olduğunu, ancak bir PVA ince filmi boncuğu kapladığında önemli ölçüde azaldığını göstermektedir. Bununla birlikte, sonuçlar, hem sistemi 1.600 cm-1'de hem de 1.730 cm-1'de uyarırken, nanoIR haritasında yüzeyin 1 μm'den daha altında bir boncuğun tespit edilebileceğini göstermektedir. Konsol tarafından tespit edilen genlik, her iki durumda da haritadaki boncuğun hemen üzerinde ~2 nm artar. Genlik olarak düşük olmasına rağmen, bu genişlemenin ayak izi, boncuk çapından çok daha büyük olan 1.600 cm-1 uyarma için yaklaşık 13 μm genişliğindedir ve ısının PS emiciden PVA'ya yayıldığını doğrular. Bu Joule genişlemesi, nanoIR'nin heterojen malzemeler üzerindeki uzamsal çözünürlüğünü etkileyebilir ve emici yüzeye daha yakınsa daha güçlü bir etki beklenir. Numunenin 1.730 cm-1'deki daha büyük tepkisi, Şekil 5'te sunulan nanoIR spektrumları ile tutarlıdır ve bandın 1.600 cm-1'deki katkısının 1.730 cm-1'den çok daha zayıf olduğunu gösterir.
Mevcut yaklaşım bazı sınırlamalar sunmaktadır. Model sisteminin yüzeyindeki topografik çıkıntıyı sınırlarken boncukları PVA yüzeyinin altına yerleştirmek mümkün değildir. Aslında, o kadar kalın bir kaplama gerektirebilir ki, boncuk nanoIR spektroskopisi açısından tespit edilemez hale gelebilir. Boncuğun derinliğinin hem kontrol edilmesi hem de karakterize edilmesi zordur, bu da model sisteminin doğru bir temsili için modelleme için yeterli bilgi sağlamayı zorlaştırır. Yüzey altı soğurucu boyutunun ve derinliğinin yüzeyde ölçülen nanoIR sinyali üzerindeki etkisinin daha eksiksiz bir resmi, boncuğun boyutlarının ve konumlarının daha hassas bir şekilde değiştirilmesini gerektirecektir. Ek olarak, gerçek bir karmaşık sistemde, farklı boyutlara, konumlara ve bileşimlere sahip birkaç yeraltı emicisinin, bu modelde açıklanmayan ölçümlere müdahale etmesi muhtemeldir.
Bununla birlikte, ölçümler, nanoIR karakterizasyonu için çoklu polimerik numunelerde sinyal üretiminden öğrenilecek çok şey olduğunu doğrulamaktadır. PVA yüzeyindeki fototermal genleşmenin yüzey altı emici tarafından nasıl etkilendiğinin daha kapsamlı bir analizine izin vermek için PS boncuğunun gömülü olduğu derinliği kontrol edilebilir şekilde değiştirmek için numune hazırlama protokolünün daha fazla optimizasyonu yapılmalıdır. Ölçümler için kullanılan polimerlerin kombinasyonu, heterojen malzemeler için nanoIR ölçümlerinin performansı üzerindeki termal iletkenlik, termal genleşme ve mekanik özelliklerin rolünü belirlemek için de değiştirilebilir. Bu, nanoIR spektroskopisi ve görüntüleme için numunenin davranışını daha iyi anlamak için umut verici bir yaklaşım oluşturur ve penetrasyon derinliğinin, uzamsal çözünürlüğün ve aletin hassasiyetinin daha da ölçülmesini kolaylaştırması beklenir. Bu, bilginin doğasının ve çalıştırma parametrelerinin aletlerin performansı üzerindeki etkisinin tam olarak anlaşılmadığı çok frekanslı nanoIR15,23 gibi yeni görüntüleme modlarının ortaya çıkması göz önüne alındığında özellikle önemlidir. Toplanan verilerin anlaşılmasını derinleştirmek için, deneysel yaklaşımı Multifizik modelleme24 ile birleştirmek kritik olacaktır. Farklı boyutlardaki gömülü özellikleri göz önünde bulundurmak ve yüzeyin altındaki konumlarını değiştirmek, daha kapsamlı bir model geliştirmek için kritik öneme sahip olacaktır. Buna karşılık, bu, nanoIR spektroskopisi alanını gerçek hayattaki heterojen ve üç boyutlu malzemelerin uygulamalarına doğru ilerletecektir.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Yazarların açıklayacak hiçbir şeyi yok.
Acknowledgments
Bu çalışma Ulusal Bilim Vakfı (NSF CHE-1847830) tarafından desteklenmiştir.
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).
