美科學(xué)家利用新型壓電材料強(qiáng)化納米材料紅外光譜測(cè)量

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，美國(guó)伊利諾伊大學(xué)貝克曼先進(jìn)科學(xué)技術(shù)研究所的Rohit Bhargava團(tuán)隊(duì)近日發(fā)布了一種新的閉環(huán)顯微鏡技術(shù)，可以在納米尺度高靈敏度地檢測(cè)化學(xué)成分。他們的設(shè)計(jì)依賴于一種壓電材料，這種材料會(huì)對(duì)原子力顯微鏡(AFM)探針探測(cè)樣品時(shí)產(chǎn)生的電壓做出響應(yīng)。這種新方法可以幫助研究人員精確測(cè)量各種納米材料的光譜，包括分子尺度的生物樣品。

AFM-IR是一種基于原子力顯微鏡的獨(dú)特技術(shù)，該技術(shù)將原子力顯微鏡的高空間分辨率、納米級(jí)定位和成像功能與紅外(IR)光譜的高化學(xué)敏感度有機(jī)地結(jié)合到一臺(tái)設(shè)備中。

AFM-IR利用原子力探針直接檢測(cè)樣品，由于樣品紅外吸收而產(chǎn)生的熱膨脹效應(yīng)，從而引起探針懸臂振蕩，其振幅和樣品的紅外吸收成正比。因此AFM-IR納米紅外能夠測(cè)量到納米尺度樣品的紅外吸收光譜，由此而進(jìn)行微區(qū)化學(xué)成分鑒定。AFM-IR技術(shù)具有廣泛的應(yīng)用前景，尤其適合具有較高熱膨脹系數(shù)的軟物質(zhì)材料，譬如聚合物和生物樣品。

Bhargava團(tuán)隊(duì)開發(fā)的新技術(shù)噪聲更?。翰捎弥捌D(zhuǎn)AFM-IR檢測(cè)方法采集的4 nm厚聚合物薄膜產(chǎn)生的化學(xué)信號(hào)(上方)與新的零偏轉(zhuǎn)技術(shù)方法(下方)對(duì)比

目前，AFM-IR已經(jīng)在納米材料的光譜研究中廣泛應(yīng)用，但是，在處理懸臂梁中的未知振動(dòng)噪聲源時(shí)，AFM-IR仍然面臨著很大的挑戰(zhàn)。一直以來，曾經(jīng)嘗試通過將樣品放置在特殊基底上，或使用特殊的樣品制備方法來解決這一問題，但是，這些解決方案往往會(huì)限制該技術(shù)的通用性。

閉環(huán)系統(tǒng)

在這項(xiàng)研究中，Bhargava團(tuán)隊(duì)通過在基底下放置一種壓電材料來解決噪聲問題。當(dāng)施加電壓時(shí)，這種材料會(huì)改變形狀。在這里，電壓由懸臂梁的運(yùn)動(dòng)決定。因此，壓電材料形狀的變化可以抵消紅外輻照樣品的膨脹，形成了一種可以消除懸臂梁運(yùn)動(dòng)的閉環(huán)系統(tǒng)。這意味著可以通過監(jiān)測(cè)施加在壓電陶瓷上的電壓來測(cè)量樣品的化學(xué)成分，同時(shí)可以將任何噪聲引起的振動(dòng)降到最低。

利用一臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)的市售AFM-IR儀器，Bhargava及其同事用這種閉環(huán)系統(tǒng)測(cè)量了放置在玻璃基底上的100 nm厚的丙烯酸薄膜。然后，他們用金基底重復(fù)了測(cè)量。在兩種情況下，他們的測(cè)量結(jié)果都與用其它技術(shù)進(jìn)行的光譜測(cè)量一致。研究小組還精確繪制了硅基底上4 nm厚丙烯酸薄膜的局部紅外吸收?qǐng)D，閉環(huán)方法以外的影響幾乎沒有。由于玻璃和硅都是納米材料研究人員常用的基底材料，因此，體現(xiàn)了這種閉環(huán)方法的普適性，無需嚴(yán)格的制備方法。

現(xiàn)在，Bhargava團(tuán)隊(duì)希望他們閉環(huán)方法的靈敏度，可以使AFM-IR光譜分析用于范圍更廣、體積更小的材料。它可以幫助研究人員探測(cè)細(xì)胞膜中存在的復(fù)雜混合物材料，以及進(jìn)行蛋白質(zhì)分子變形等行為研究。