壓電材料強化原子力顯微鏡-紅外光譜成像用於納米級分子表徵

據麥姆斯諮詢報導，美國伊利諾伊大學貝克曼先進科學技術研究所的Rohit Bhargava團隊近日發布了一種新的閉環顯微鏡技術，可以在納米尺度高靈敏度地檢測化學成分。他們的設計依賴於一種壓電材料，這種材料會對原子力顯微鏡（AFM）探針探測樣品時產生的電壓做出響應。這種新方法可以幫助研究人員精確測量各種納米材料的光譜，包括分子尺度的生物樣品。

AFM-IR是一種基於原子力顯微鏡的獨特技術，該技術將原子力顯微鏡的高空間解析度、納米級定位和成像功能與紅外（IR）光譜的高化學敏感度有機地結合到一臺設備中。

AFM-IR利用原子力探針直接檢測樣品，由於樣品紅外吸收而產生的熱膨脹效應，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納米紅外能夠測量到納米尺度樣品的紅外吸收光譜，由此而進行微區化學成分鑑定。AFM-IR技術具有廣泛的應用前景，尤其適合具有較高熱膨脹係數的軟物質材料，譬如聚合物和生物樣品。

Bhargava團隊開發的新技術噪聲更小：採用之前偏轉AFM-IR檢測方法採集的4 nm厚聚合物薄膜產生的化學信號（上方）與新的零偏轉技術方法（下方）對比

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

閉環系統

在這項研究中，Bhargava團隊通過在基底下放置一種壓電材料來解決噪聲問題。當施加電壓時，這種材料會改變形狀。在這裡，電壓由懸臂梁的運動決定。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動的閉環系統。這意味著可以通過監測施加在壓電陶瓷上的電壓來測量樣品的化學成分，同時可以將任何噪聲引起的振動降到最低。

利用一臺標準的市售AFM-IR儀器，Bhargava及其同事用這種閉環系統測量了放置在玻璃基底上的100 nm厚的丙烯酸薄膜。然後，他們用金基底重複了測量。在兩種情況下，他們的測量結果都與用其它技術進行的光譜測量一致。研究小組還精確繪製了矽基底上4 nm厚丙烯酸薄膜的局部紅外吸收圖，閉環方法以外的影響幾乎沒有。由於玻璃和矽都是納米材料研究人員常用的基底材料，因此，體現了這種閉環方法的普適性，無需嚴格的製備方法。

現在，Bhargava團隊希望他們閉環方法的靈敏度，可以使AFM-IR光譜分析用於範圍更廣、體積更小的材料。它可以幫助研究人員探測細胞膜中存在的複雜混合物材料，以及進行蛋白質分子變形等行為研究。