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納米傅里葉紅外光譜儀-Nano-FTIR

現(xiàn)代化學(xué)的一大科研難題是如何實現(xiàn)在納米尺度下對材料進(jìn)行無損化學(xué)成分鑒定。現(xiàn)有的一些高分辨成像技術(shù)，如電鏡或掃描探針顯微鏡等，在一定程度上可以有限地解決這一問題，但是這些技術(shù)本身的化學(xué)敏感度太低，已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代化學(xué)納米分析的要求。而另一方面，紅外光譜具有很高的化學(xué)敏感度，但是其空間分辨率卻由于受到二分之一波長的衍射極限限制，只能達(dá)到微米級別，因此也無法進(jìn)行納米級別的化學(xué)鑒定。 

德國neaspec公司利用其獨有的散射型近場光學(xué)技術(shù)發(fā)展出來的nano-FTIR納米傅里葉紅外光譜，使得納米尺度化學(xué)鑒定和成像成為可能。這一技術(shù)綜合了原子力顯微鏡的高空間分辨率和傅里葉紅外光譜的高化學(xué)敏感度，因此可以在納米尺度下實現(xiàn)對幾乎所有材料的化學(xué)分辨。因而，現(xiàn)代化學(xué)分析的納米新時代從此開始。 

neaspec公司的散射型近場技術(shù)通過干涉性探測針尖掃描樣品表面時的反向散射光，同時得到近場信號的光強和相位信號。當(dāng)使用寬波紅外激光照射AFM針尖時，即可獲得針尖下方10nm區(qū)域內(nèi)的紅外光譜，即nano-FTIR.

■  高分子納米材料的鑒別及與傳統(tǒng)紅外光譜數(shù)據(jù)庫的對照

德國阿爾弗雷德·緯格納研究所的Gerdts教授利用散射式近場光學(xué)顯微鏡（s-SNOM）和納米傅里葉紅外光譜儀Nano-FTIR （德國Neaspec公司）對高分子材料進(jìn)行了微觀鑒別的研究。該課題組測量了高分子樣品的近場紅外成像以及紅外吸收光譜，得到了高分子材料的納米分辨率的相分布信息。同時，該團隊測量了常見高分子的近場吸收光譜，并與通過ATR-IR得到的吸收光譜進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)用neaspec Nano-FTIR得到的近場吸收光譜與ATR-IR得到的光譜有極高的對應(yīng)度，可直接對照傳統(tǒng)IR光譜數(shù)據(jù)庫。因此，散射式近場光學(xué)顯微鏡（s-SNOM）和納米傅里葉紅外光譜儀Nano-FTIR （德國Neaspec公司）可應(yīng)用于納米高分子及環(huán)境中高分子樣品的鑒別。相關(guān)研究成果發(fā)表于Analytical Methods, 2019, 11: 5195-5202。

圖2. LDPE聚合物顆粒PS介質(zhì)混合物樣品的光學(xué)超分辨成像。(a) 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)成像以及對應(yīng)的(b) 機械信號的相位圖和 (c) 近場紅外的振幅圖。(d) 通過 (c) 中所示路徑的直線掃描得到的在1300 - 1700 cm^-1區(qū)域內(nèi)的近場紅外的相位圖。(e) LDPE和PS區(qū)域?qū)?yīng)的近場紅外的相位圖。(f) 和 (g) 分別對應(yīng) (c) 中A, B區(qū)域的高分辨率近場紅外相位圖?？梢钥吹絃DPE/PS界面的近場紅外的相位圖中峰的移動

圖3. (a) 用Nano-FTIR得到的PLA樣品對應(yīng)的近場紅外的振幅(S_n)，實部(Re)，相位(φ_n)，虛部(Im)圖。所得結(jié)果為三個樣品點結(jié)果的均值，測量用時為7分鐘。(b) Nano-FTIR得到的近場紅外的虛部(Im)圖與ATR-IR得到的PLA樣品的光譜的對照。Nano-FTIR與ATR-IR得到的光譜高度吻合。

■  Nano-FTIR對單層二維高分子聚合物的研究

二維高分子聚合物作為一種新型有機二維材料，近年來在薄膜和電子設(shè)備的應(yīng)用上受到廣泛關(guān)注。相較于石墨烯由石墨自上而下的剝離合成路徑，二維聚合物的合成路徑可以采取自下而上的單體聚合反應(yīng)，也因此具備更大的靈活性。如何優(yōu)化合成路徑以得到高品質(zhì)的二維高分子聚合物是目前該領(lǐng)域的重大挑戰(zhàn)之一。德國慕尼黑技術(shù)大學(xué)的Lackinger教授開發(fā)了一種有機單體分子自組裝的光聚合合成路線，并利用納米傅里葉紅外光譜儀Nano-FTIR（德國Neaspec公司）對fantrip單體分子和其聚合物進(jìn)行了吸收光譜的研究，驗證了聚合反應(yīng)的機理。該合成方法與傳統(tǒng)的熱聚合方法相比，大大減少了二維聚合物的缺陷密度，提升了材料均一性。相關(guān)研究成果發(fā)表于Nature Chemistry, 2021, 13: 730-736。研究人員利用納米傅里葉紅外光譜儀Nano-FTIR（德國Neaspec公司）的近場光學(xué)技術(shù)的高靈敏度，測量了fantrip有機單體分子及其二維聚合物的納米傅里葉紅外吸收光譜。所得光譜與DFT計算結(jié)果一致，證明了單體分子參與光聚合反應(yīng)形成二維高分子。該技術(shù)得到的近場吸收光譜與傳統(tǒng)FTIR光譜對應(yīng)，而傳統(tǒng)FTIR或ATR-IR的靈敏度無法測量該單層分子材料的吸收光譜。同時，納米傅里葉紅外光譜儀Nano-FTIR （德國Neaspec公司）的近場光學(xué)技術(shù)采用純光學(xué)信號測量，而非基于材料熱膨脹系數(shù)的機械信號。該技術(shù)靈敏度極高，可測量熱膨脹系數(shù)低的材料，如二維材料，無機材料等。且對薄膜樣品的破壞性極小，因此可用于單層分子自組裝材料的研究。

圖4. Fantrip單體分子（上）及其二維聚合物（下）的納米傅里葉紅外吸收光譜。柱形圖為DFT計算得到的fantrip單體分子（紅色）及其二維聚合物（藍(lán)色）所對應(yīng)的紅外吸收光譜。

■  石墨烯電解液界面的納米紅外研究

ATR-IR是應(yīng)用于電極電解液的原位界面表征的常用方法。然而該技術(shù)的探測深度在微米級別，而電極電解液的界面，如雙電層，一般在納米級別。因此ATR-IR得到的界面光譜信號受到電解液主體信號的嚴(yán)重干擾。加州大學(xué)伯克利分校的Salmeron教授利用nano-FTIR對石墨烯電解液界面進(jìn)行原位研究，通過nano-FTIR可達(dá)10 nm的超高空間分辨率(探測深度)，對非熱膨脹樣品（石墨烯）的高敏感度，及無損傷的特點，實現(xiàn)了對單層石墨烯電解液界面的原位表征，真正獲得了雙電層的化學(xué)信息。研究人員發(fā)現(xiàn)，相較于傳統(tǒng)的ATR-IR，nano-FTIR的紅外光譜中可觀測到界面獨有的離子配位體，這得益于nano-FTIR的高靈敏度與高空間分辨率。同時，nano-FTIR支持樣品臺的接電設(shè)計，研究人員通過改變石墨烯電極的電壓，觀測到紅外光譜的變化，說明了界面化學(xué)成分的變化，即雙電層的變化。相關(guān)研究成果發(fā)表于Nano Letters, 2019, 19: 5388-5393.

圖6.（a）ATR-FTIR和nano-FTIR的(NH₄)₂SO₄水溶液紅外光譜。（b）nano-FTIR在+0.5V和0V vs. Pt的紅外光譜。0V數(shù)據(jù)取2個位置共64組光譜的平均值，+0.5V數(shù)據(jù)取5個位置共112組光譜的平均值。

■  對多組分高分子材料的納米成分分析

西班牙巴斯克大學(xué)的Hillenbrand教授利用nano-FTIR實現(xiàn)了多組分高分子材料的納米成分分析。研究人員通過檢測聚苯乙烯（PS），聚丙烯酸（AC）以及聚偏氟乙烯（FP）混合樣品的納米區(qū)域的紅外光譜，并與標(biāo)準(zhǔn)樣品的納米紅外光譜做對比，得到樣品組分的納米分布圖，分辨率達(dá)到了30 nm。通過分析樣品C-F（1195cm^-1），C=O（1740cm^-1）及C-O（1155cm^-1）峰的強度及波數(shù)的空間分布圖，可得到對應(yīng)的高分子組分及組成結(jié)構(gòu)的空間分布。相關(guān)研究成果發(fā)表于Nature Communications, 2017, 8，14402. Nano-FTIR可以得到材料納米分辨率的化學(xué)信息，分辨率**可達(dá)10 nm，是傳統(tǒng)FTIR和ATR-IR無法企及的。

圖7. nano-FTIR對高分子復(fù)合材料的表征。包括（a）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)成像，（b）相應(yīng)位置的納米紅外光譜，以及（c），（d）基于納米紅外光譜的組分分布圖。

■  單病毒膜滲透行為研究

近年來，流感病毒已被用作包膜病毒的原型來研究病毒進(jìn)入宿主細(xì)胞的過程。IFV中血凝素（HA）是嵌入IFV包膜的主要表面糖蛋白。 HA負(fù)責(zé)IFV與宿主細(xì)胞受體的連接，并在病毒進(jìn)入過程中參與介導(dǎo)膜融合。眾多研究已經(jīng)為靶標(biāo)和病毒膜之間的融合機制建立了一個公認(rèn)的模型。該模型認(rèn)為只有在靶標(biāo)和病毒膜發(fā)生膜融合時才可形成孔從而介導(dǎo)病毒-細(xì)胞膜滲透行為。然而，其他報道也觀察到在融合發(fā)生之前靶標(biāo)和病毒膜的破裂。此外，關(guān)于腺病毒蛋白與宿主細(xì)胞的研究顯示，宿主細(xì)胞膜可能在沒有膜融合的情況下被破壞而進(jìn)入病毒。另一方面，病毒包膜和靶宿主細(xì)胞膜具有不同的化學(xué)組成或結(jié)構(gòu)，各個膜中形成孔的要求不同，因此靶宿主或病毒膜破裂也可能獨立地被誘導(dǎo)。

綜上所述，關(guān)于病毒-細(xì)胞膜滲透行為的機理還存在一定的爭議，明確單個病毒與宿主細(xì)胞的復(fù)雜融合機制，可為設(shè)計抗病毒化合物提供有利信息。然而，常規(guī)的病毒整體融合測定法是對膜融合事件的集體響應(yīng)，不能對細(xì)微、尤其是在納米尺度復(fù)雜的融合細(xì)節(jié)進(jìn)行直接和定量的研究，因此無法直接量化一些可以通過研究單個病毒、納米尺度表面糖蛋白和脂包膜來獲得的融合細(xì)節(jié)。例如，病毒感染過程在分子水平上引起的病毒膜和宿主細(xì)胞膜的化學(xué)和結(jié)構(gòu)組成改變，可以通過分子特異性紅外光譜技術(shù)來探測。然而，單個病毒、表面糖蛋白和脂包膜尺寸小于紅外光的衍射極限，限制了單個病毒的紅外光譜研究。因此，找到一個既可以提供納米高空間分辨率，還能探測機械、化學(xué)特性（分子特異紅外光譜）和環(huán)境影響的工具，使其可在單病毒水平上研究病毒膜融合過程是十分重要的。

來自美國喬治亞大學(xué)和喬治亞州立大學(xué)的Sampath Gamage和Yohannes Abate等研究者采用 nano-FTIR & neaSNOM研究了單個原型包膜流感病毒X31在不同pH值環(huán)境中發(fā)生的結(jié)構(gòu)變化。同時，還定量評估了在環(huán)境pH值變化期間,抗病毒化合物（化合物136）阻止病毒膜破壞的有效性，提供了一種抑制病毒進(jìn)入細(xì)胞的新機制。

■  納米尺度污染物的化學(xué)鑒定   

nano-FTIR傅里葉紅外光譜儀可以應(yīng)用到對納米尺度樣品污染物的化學(xué)鑒定上。下圖顯示的Si表面覆蓋PMMA薄膜的橫截面AFM成像圖，其中AFM相位圖顯示在Si片和PMMA薄膜的界面存在一個100nm尺寸的污染物，但是其化學(xué)成分無法從該圖像中判斷。而使用nano-FTIR在污染物中心獲得的紅外光譜清晰的揭示出了污染物的化學(xué)成分。通過對nano-FTIR獲得的吸收譜線與標(biāo)準(zhǔn)FTIR數(shù)據(jù)庫中譜線進(jìn)行比對，可以確定污染物為PDMS顆粒。

AFM表面形貌圖像 (左), 在Si片基體（暗色區(qū)域Ｂ）與PMMA薄膜（Ａ）之間可以觀察到一個小的污染物。機械相位圖像中（中），對比度變化證明該污染物的是有別于基體和薄膜的其他物質(zhì)。將點Ａ和Ｂ的nano-FTIR 吸收光譜（右），與標(biāo)準(zhǔn)紅外光譜數(shù)據(jù)庫對比， 獲得各部分物質(zhì)的化學(xué)成分信息. 每條譜線的采集時間為7min,  光譜分辨率為13 cm-1. （"Nano-FTIR absorption spectroscopy of molecular fingerprints at 20 nm spatial resolution.,”,F. Huth, A. Govyadinov, S. Amarie, W. Nuansing, F. Keilmann, R. Hillenbrand,）Nanoletters 12, p. 3973 (2012)）

■  二維材料氮化硼晶體中聲子極化激元的研究

范得瓦爾斯晶體是由層與層之間微弱的范德華力的相互作用構(gòu)成的薄層晶體，類似石墨塊中的石墨烯單原子層。這類晶體具有超導(dǎo)、鐵磁性、發(fā)光性等等特殊性質(zhì)。

S.Dai等人利用Neaspec公司的納米傅里葉紅外光譜系統(tǒng)(Nano-FTIR)研究了不同厚度的薄 層氮化硼晶體中的聲子極化激元（一種光子與光學(xué)聲子的耦合作用）。結(jié)果表明，極化波的傳播現(xiàn)象存在于氮化硼晶體表面，而且極化波的波長隨著氮化硼晶體的厚度變化而變化。分析結(jié)果還可以得到表面聲子極化激元色散特性關(guān)系。這些實驗數(shù)據(jù)可以很好的與理論模型相吻合。與石墨烯相比，氮化硼晶體的損失因子要小很多，所以氮化硼晶體中表面聲子波傳播距離相對較大。 

■  鋰電池充放電過程中的相位分布情況

I. T.Lucas等人利用Neaspec公司的納米傅里葉變換紅外光譜技術(shù)(nano-FTIR)對磷酸鐵鋰在鋰電池的充放電過程中的相位分布進(jìn)行了具體的研究。根據(jù)對不同充放電階段的正極材料紅外吸收光譜的研究，實驗結(jié)果直接證明，充放電的中間過程部分脫鋰的正極材料同時存在磷酸鐵鋰與磷酸鐵兩種相位。通過建立三維層析成像的模型建立與分析，由磷酸鐵組成的外殼包圍由磷酸鐵鋰組成的核心的“外殼-核心結(jié)構(gòu)”模型*適合解釋該實驗所得結(jié)果。分析表明在脫鋰的過程中，核心部分的磷酸鐵鋰慢慢的變小直至*終消失。