响应式图像 纳米傅里叶红外光谱仪

纳米傅里叶红外光谱仪-Nano-FTIR

现代化学的一大科研难题是如何实现在纳米尺度下对材料进行无损化学成分鉴定。现有的一些高分辨成像技术,如电镜或扫描探针显微镜等,在一定程度上可以有限的解决这一问题,但是这些技术本身的化学敏感度太低,已经无法满足现代化学纳米分析的要求。而另一方面,红外光谱具有很高的化学敏感度,但是其空间分辨率却由于受到二分之一波长的衍射极限限制,只能达到微米级别,因此也无法进行纳米级别的化学鉴定。 德国neaspec公司利用其独有的散射型近场光学技术发展出来的nano-FTIR纳米傅里叶红外光谱,使得纳米尺度化学鉴定和成像成为可能。这一技术综合了原子力显微镜的高空间分辨率和傅里叶红外光谱的高化学敏感度,因此可以在纳米尺度下实现对几乎所有材料的化学分辨。因而,现代化学分析的纳米新时代从此开始。 neaspec公司的散射型近场技术通过干涉性探测针尖扫描样品表面时的反向散射光,同时得到近场信号的光强和相位信号。当使用宽波红外激光照射AFM针尖时,即可获得针尖下方10nm区域内的红外光谱,即nano-FTIR.

nano-FTIR光谱与标准FTIR光谱高度吻合:

在不使用任何模型矫正的条件下,nano-FTIR傅里叶红外光谱仪获得的近场吸收光谱所体现的分子指纹特征与使用传统FTIR光谱仪获得的分子指纹特征吻合度极高(如下图),这在基础研究和实际应用方面都具有重要意义,因为研究者可以将nano-FTIR光谱与已经广泛建立的传统FTIR光谱数据库中的数据进行对比,从而实现快速准确的进行纳米尺度下的材料化学分析。对化学成分的高敏感度与超高的空间分辨率的结合,使得nano-FTIR成为纳米分析的独特工具。

主要技术参数配置:

  • 反射式 AFM-针尖照明
  • 标准光谱分辨率: 6.4/cm-1
  • 专利保护的无背景探测技术
  • 基于优化的傅里叶变换光谱仪
  • 采集速率: Up to 3 spectra /s
  • 高性能近场光谱显微优化的探测模块
  • 可升级光谱分辨率:3.2/cm-1
  • 适合探测区间:可见,红外(0.5 – 20 µm)
  • 包括可更换分束器基座
  • 适用于同步辐射红外光源 NEW!!!

应用案例

单病毒膜渗透行为研究

近年来,流感病毒已被用作包膜病毒的原型来研究病毒进入宿主细胞的过程。IFV中血凝素(HA)是嵌入IFV包膜的主要表面糖蛋白。 HA负责IFV与宿主细胞受体的连接,并在病毒进入过程中参与介导膜融合。众多研究已经为靶标和病毒膜之间的融合机制建立了一个公认的模型。该模型认为只有在靶标和病毒膜发生膜融合时才可形成孔从而介导病毒-细胞膜渗透行为。然而,其他报道也观察到在融合发生之前靶标和病毒膜的破裂。此外,关于腺病毒蛋白与宿主细胞的研究显示,宿主细胞膜可能在没有膜融合的情况下被破坏而进入病毒。另一方面,病毒包膜和靶宿主细胞膜具有不同的化学组成或结构,各个膜中形成孔的要求不同,因此靶宿主或病毒膜破裂也可能独立地被诱导。

综上所述,关于病毒-细胞膜渗透行为的机理还存在一定的争议,明确单个病毒与宿主细胞的复杂融合机制,可为设计抗病毒化合物提供有利信息。然而,常规的病毒整体融合测定法是对膜融合事件的集体响应,不能对细微、尤其是在纳米尺度复杂的融合细节进行直接和定量的研究,因此无法直接量化一些可以通过研究单个病毒、纳米尺度表面糖蛋白和脂包膜来获得的融合细节。例如,病毒感染过程在分子水平上引起的病毒膜和宿主细胞膜的化学和结构组成改变,可以通过分子特异性红外光谱技术来探测。然而,单个病毒、表面糖蛋白和脂包膜尺寸小于红外光的衍射极限,限制了单个病毒的红外光谱研究。因此,找到一个既可以提供纳米高空间分辨率,还能探测机械、化学特性(分子特异红外光谱)和环境影响的工具,使其可在单病毒水平上研究病毒膜融合过程是十分重要的。

来自美国乔治亚大学和乔治亚州立大学的Sampath Gamage和Yohannes Abate等研究者采用 nano-FTIR & neaSNOM研究了单个原型包膜流感病毒X31在不同pH值环境中发生的结构变化。同时,还定量评估了在环境pH值变化期间,抗病毒化合物(化合物136)阻止病毒膜破坏的有效性,提供了一种抑制病毒进入细胞的新机制。

详细信息阅读:应用专题|纳米分辨傅里叶红外光谱与成像技术(nano-FTIR & neaSNOM)助力科学家实现单病毒膜渗透行为研究进展

参考文献:[1] Sampath Gamage, Yohannes Abate et al., Probing structural changes in single enveloped virus particles using nano-infrared spectroscopic imaging, PLOS ONE.

纳米尺度污染物的化学鉴定

nano-FTIR傅里叶红外光谱仪可以应用到对纳米尺度样品污染物的化学鉴定上。下图显示的Si表面覆盖PMMA薄膜的横截面AFM成像图,其中AFM相位图显示在Si片和PMMA薄膜的界面存在一个100nm尺寸的污染物,但是其化学成分无法从该图像中判断。而使用nano-FTIR在污染物中心获得的红外光谱清晰的揭示出了污染物的化学成分。通过对nano-FTIR获得的吸收谱线与标准FTIR数据库中谱线进行比对,可以确定污染物为PDMS颗粒。

AFM表面形貌图像 (左), 在Si片基体(暗色区域B)与PMMA薄膜(A)之间可以观察到一个小的污染物。机械相位图像中(中),对比度变化证明该污染物的是有别于基体和薄膜的其他物质。将点A和B的nano-FTIR 吸收光谱(右),与标准红外光谱数据库对比, 获得各部分物质的化学成分信息. 每条谱线的采集时间为7min, 光谱分辨率为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))

二维材料氮化硼晶体中声子极化激元的研究

范得瓦尔斯晶体是由层与层之间微弱的范德华力的相互作用构成的薄层晶体,类似石墨块中的石墨烯单原子层。这类晶体具有超导、铁磁性、发光性等等特殊性质。

S.Dai等人利用Neaspec公司的纳米傅里叶红外光谱系统(Nano-FTIR)研究了不同厚度的薄 层氮化硼晶体中的声子极化激元(一种光子与光学声子的耦合作用)。结果表明,极化波的传播现象存在于氮化硼晶体表面,而且极化波的波长随着氮化硼晶体的厚度变化而变化。分析结果还可以得到表面声子极化激元色散特性关系。这些实验数据可以很好的与理论模型相吻合。与石墨烯相比,氮化硼晶体的损失因子要小很多,所以氮化硼晶体中表面声子波传播距离相对较大。

参考文献:S.Dai; et.al. Tunable Phonon Polaritons in Atomically Thin van der Waals Crystals of Boron Nitride. Science 2014, 343, 1125-1129.

锂电池充放电过程中的相位分布情况

I. T.Lucas等人利用Neaspec公司的纳米傅里叶变换红外光谱技术(nano-FTIR)对磷酸铁锂在锂电池的充放电过程中的相位分布进行了具体的研究。根据对不同充放电阶段的正极材料红外吸收光谱的研究,实验结果直接证明,充放电的中间过程部分脱锂的正极材料同时存在磷酸铁锂与磷酸铁两种相位。通过建立三维层析成像的模型建立与分析,由磷酸铁组成的外壳包围由磷酸铁锂组成的核心的“外壳-核心结构”模型最适合解释该实验所得结果。分析表明在脱锂的过程中,核心部分的磷酸铁锂慢慢的变小直至最终消失。

参考文献: I. T. Lucas ; et. al. IR Near-Field Spectroscopy and Imaging of Single LixFePO4 Microcrystals. Nano Letters 2015, 15, 1-7.