南京大學：基于原子力顯微鏡的液相納米紅外技術(shù)
研究人員開發(fā)了兩種光路結(jié)構(gòu)：（1）基底側(cè)底部照明：這種結(jié)構(gòu)可以在液體環(huán)境中操作AFM，（2）探針側(cè)側(cè)向照明：這種結(jié)構(gòu)需要在空氣中操作AFM，通過探針下方的超薄膜分隔探針和液體環(huán)境。
 側(cè)向照明結(jié)構(gòu) 基于AFM的納米紅外技術(shù)不僅對樣品表面敏感，而且能夠?qū)啽砻鏄悠愤M行分析。因此，使用超薄且紅外透明的膜分隔液體環(huán)境和AFM探針，可以在空氣中通過側(cè)向照明結(jié)構(gòu)獲得液體中樣品的納米紅外信號（圖1c）。這種光學結(jié)構(gòu)具備與傳統(tǒng)的固/氣界面研究相似的偶極高效激發(fā)和低激光衰減。目前為止，側(cè)向照明結(jié)構(gòu)已在s-SNOM技術(shù)中廣泛使用，以石墨烯、氧化物或SiN薄膜作為紅外透射薄膜，開展了一系列化學、生物化學、電化學相關(guān)的研究。由于電場強度隨著與針尖距離的增大指數(shù)衰減，使用更薄的薄膜有望得到更高的靈敏度。然而，較薄的薄膜機械強度較弱，對液體池的設(shè)計提出了新的要求。此外，在平坦薄膜上掃描無法測量樣品的形貌信息，并且納米尺度信息主要來自AFM針尖附近的樣品，而非樣品/液體界面，這些因素需要在使用側(cè)向照明結(jié)構(gòu)對液體環(huán)境中較厚的樣品進行測量時予以考慮。 在過去的5年內(nèi)，基于AFM的納米紅外技術(shù)在液體環(huán)境中的應用取得了重大進展（圖2）。然而，對于復雜的實際應用場景，現(xiàn)有的裝置還遠未達到完善的地步，為未來的進一步探索創(chuàng)新留下了充足的空間。一個有潛力的發(fā)展方向是對化學和電化學過程進行分析，這些過程通常發(fā)生在毫秒或微秒的時間尺度上。目前納米紅外光譜的采集速度還不足以捕捉這些快速過程，利用超快光譜可能是在液相實現(xiàn)快速納米紅外分析的一種有前景的方法。  圖2.基于AFM的液相納米紅外技術(shù)的主要發(fā)展時間表。CW：連續(xù)波；PM：拋物面鏡；FFT：快速傅立葉變換；QPD：象限光電二極管；DAQ：數(shù)據(jù)采 集 器；PLL：鎖相環(huán)；PFT：峰值力輕敲。 此外，現(xiàn)有的基于AFM的納米紅外技術(shù)在液體環(huán)境中的空間分辨率約為10 nm。要在未來實現(xiàn)進一步發(fā)展，實現(xiàn)原子級的高分辨率至關(guān)重要，這就需要開發(fā)能夠在液體環(huán)境中工作的更尖銳、更穩(wěn)定的AFM探針。另外，隨著檢測體積減小，更高的空間分辨率需要更高的靈敏度。因此，增強靈敏度至分子水平，而不僅僅停留在分子單層水平，對于精確解析化學、物理和生物過程中發(fā)生的變化至關(guān)重要。 論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.scib.2023.11.022 |
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