التقدم في التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء النانوية لاستكشاف الأنظمة البوليمرية متعددة المراحل
Summary
يصف هذا البروتوكول تطبيق مجهر القوة الذرية والتحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء النانوية لتقييم أداء التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء الحرارية الضوئية في توصيف العينات متعددة البوليمرات ثلاثية الأبعاد.
Abstract
تشمل الأنظمة البوليمرية متعددة الأطوار المجالات المحلية ذات الأبعاد التي يمكن أن تختلف من بضع عشرات من النانومتر إلى عدة ميكرومترات. يتم تقييم تكوينها بشكل شائع باستخدام التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء ، والذي يوفر بصمة متوسطة للمواد المختلفة الموجودة في الحجم الذي تم فحصه. ومع ذلك ، لا يقدم هذا النهج أي تفاصيل حول ترتيب المراحل في المادة. المناطق البينية بين مرحلتين بوليمريتين ، غالبا في النطاق النانوي ، يصعب الوصول إليها أيضا. يراقب التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء النانوية الحرارية الضوئية الاستجابة المحلية للمواد المثارة بضوء الأشعة تحت الحمراء باستخدام المسبار الحساس لمجهر القوة الذرية (AFM). في حين أن هذه التقنية مناسبة لاستجواب الميزات الصغيرة ، مثل البروتينات الفردية على الأسطح الذهبية البكر ، فإن توصيف المواد متعددة المكونات ثلاثية الأبعاد أكثر مراوغة. ويرجع ذلك إلى الحجم الكبير نسبيا من المواد التي تخضع للتمدد الحراري الضوئي ، والتي يتم تحديدها من خلال التركيز بالليزر على العينة والخصائص الحرارية للمكونات البوليمرية ، مقارنة بالمنطقة النانوية التي تم فحصها بواسطة طرف AFM. باستخدام حبة البوليسترين (PS) وفيلم كحول البولي فينيل (PVA) ، نقوم بتقييم البصمة المكانية لمطيافية الأشعة تحت الحمراء الحرارية الضوئية النانوية لتحليل السطح كدالة لموضع PS في فيلم PVA. يتم التحقيق في تأثير موضع الميزة على صور الأشعة تحت الحمراء النانوية ، ويتم الحصول على الأطياف. يتم توفير بعض وجهات النظر حول التطورات المستقبلية في مجال التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء النانوية الحرارية الضوئية ، مع الأخذ في الاعتبار توصيف الأنظمة المعقدة ذات الهياكل البوليمرية المدمجة.
Introduction
أصبح مجهر القوة الذرية (AFM) ضروريا لتصوير وتوصيف مورفولوجيا مجموعة متنوعة من العينات بدقةالمقياس النانوي 1،2،3. من خلال قياس انحراف ناتئ AFM الناتج عن تفاعل الطرف الحاد مع سطح العينة ، تم تطوير بروتوكولات التصوير الوظيفي النانوية لقياسات الصلابة المحلية والتصاق عينة الطرف 4,5. بالنسبة للمواد المكثفة اللينة وتحليل البوليمر ، فإن قياسات AFM التي تستكشف الخصائص الميكانيكية النانوية والكيميائية النانوية للمجالات المحلية مطلوبة بشدة بعد6،7،8. قبل ظهور التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء النانوية (nanoIR) ، تم تعديل أطراف AFM كيميائيا لتقييم وجود مجالات مختلفة من منحنى قوة AFM وخصم طبيعة تفاعل عينة الطرف. على سبيل المثال ، تم استخدام هذا النهج للكشف عن تحويل المجالات الدقيقة للبولي (ثلاثي بوتيل أكريلات) على سطح الأغشية الرقيقة من البوليسترين المعالج بكتلة بولي (ثلاثي بوتيل أكريلات) عند المستوى الفرعي 50 نانومتر9.
كان لمزيج ضوء الأشعة تحت الحمراء (IR) مع AFM تأثير كبير على مجال علوم البوليمر6. التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء التقليدي هو تقنية مستخدمة على نطاق واسع لدراسة التركيب الكيميائي للمواد البوليمرية10,11 ، لكنه يفشل في توفير معلومات عن المراحل الفردية وسلوك الطور البيني ، حيث أن المناطق صغيرة جدا مقارنة بحجم شعاع الأشعة تحت الحمراء المستخدم لفحص العينة. وتنطبق المشكلة على التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء ، حيث إنه مقيد بحد الحيود البصري6. هذه القياسات متوسط مساهمات المنطقة بأكملها متحمسة لضوء الأشعة تحت الحمراء. تظهر الإشارات الناتجة عن وجود مراحل نانوية داخل المنطقة التي تم فحصها إما بصمات معقدة يجب فك التفافها أثناء المعالجة اللاحقة أو تضيع بسبب مستوى إشارة أقل من المستوى القابل للاكتشاف. وبالتالي ، من الضروري تطوير أدوات قادرة على الدقة المكانية النانوية والحساسية العالية للأشعة تحت الحمراء لاستكشاف الميزات الكيميائية النانوية في الوسائط المعقدة.
تم تطوير مخططات لتحقيق التحليل الطيفي للأشعة تحت الحمراء النانوية ، أولا باستخدام طرف AFM معدني كهوائي نانوي12،13 ، ومؤخرا استغلال قدرة الكابولي AFM على مراقبة التغيرات في التمدد الحراري الضوئي الذي يحدث أثناء إضاءة الأشعة تحت الحمراء للعينة12،14،15. يستخدم هذا الأخير مصدر ضوء الأشعة تحت الحمراء النبضي القابل للضبط على نطاق امتصاص للمادة التي تم فحصها ، مما يؤدي إلى امتصاص العينة للإشعاع والخضوع للتمدد الحراري الضوئي. هذا النهج مناسب تماما للمواد العضوية والبوليمرية. يجعل الإثارة النبضية التأثير قابلا للكشف بواسطة ناتئ AFM الملامس لسطح العينة في شكل تذبذب. ثم يتم مراقبة سعة أحد رنين التلامس للنظام الملاحظ في طيف التردد كدالة لطول موجة الإضاءة ، والتي تشكل طيف امتصاص الأشعة تحت الأشعة تحت طرف AFM15. تقتصر الدقة المكانية للتصوير بالأشعة تحت الحمراء النانوية والتحليل الطيفي على التأثيرات المختلفة للتمدد الحراري الضوئي للمادة. تم تقييم أن التحليل الطيفي للأشعة تحت الحمراء النانوية الحرارية الضوئية باستخدام وضع الاتصال AFM يمكنه الحصول على خصائص أطياف الامتصاص الاهتزازي للمواد ذات الدقة المكانية بمقياس 50 نانومتر14 ، مع العمل الأخير الذي يوضح الكشف عن المونومرات ودايمرات α-synuclein 16,17. ومع ذلك ، فإن الدراسات الكمية لأداء قياسات الأشعة تحت الحمراء النانوية على المواد البوليمرية غير المتجانسة المجمعة في تكوينات مختلفة ، مثل حالة الممتصات ذات الأبعاد المحدودة المضمنة في حجم الأفلام البوليمرية المختلفة ، لا تزال محدودة.
تهدف هذه المقالة إلى إنشاء مجموعة بوليمرية ذات ميزة مضمنة ذات بعد معروف لتقييم حساسية التمدد الحراري الضوئي والدقة المكانية للأشعة تحت الحمراء النانوية أثناء تحليل السطح. يغطي البروتوكول تحضير فيلم رقيق من بوليمر كحول البولي فينيل (PVA) على ركيزة سيليكون ووضع حبة بوليسترين ثلاثية الأبعاد (PS) على فيلم PVA أو مضمن فيه ، والذي يشكل تشكيل نظام النموذج. يتم وصف التصوير بالأشعة تحت الحمراء النانوية وقياسات التحليل الطيفي في سياق تقييم الإشارات الناتجة عن نفس حبة PS الموضوعة على أو أسفل فيلم PVA. يتم تقييم تأثير موضع الخرزة على إشارات nanoIR. تتم مناقشة طرق تقييم البصمة المكانية للحبة في خريطة nanoIR ، ويتم النظر في تأثيرات العديد من المعلمات.
Protocol
Representative Results
Discussion
يمكن أن يوفر AFM جنبا إلى جنب مع التحليل الطيفي للأشعة تحت الحمراء النانوية معلومات كيميائية نانوية باستخدام ناتئ في وضع التلامس ومصدر ضوء الأشعة تحت الحمراء القابل للضبط النبضي. تعد الأنظمة النموذجية ، مثل تضمين ممتص بأبعاد محدودة في حجم مادة بوليمرية ، مهمة لتحسين فهم آليات تكوين الصورة …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
تم دعم هذا العمل من قبل المؤسسة الوطنية للعلوم (NSF CHE-1847830).
Materials
| 10|0 2200 Golden Taklon Round | Zem | ||
| 5357-8NM Tweezers | Pelco | ||
| Adhesive Tabs | Ted Pella | 16079 | |
| AFM metal specimen disks | Ted Pella | 16208 | |
| Binocular | AmScope | ||
| Cantilever for nanoIR measurements | AppNano | FORTGG | |
| Cell culture dishes | Greiner bio-one GmbH | ||
| Desiccator | |||
| Floating optical table | Newport | RS 4000 | |
| Hotplate | VWR | ||
| Isopropanol | |||
| Kimwipes | KIMTECH | ||
| Magnetic stir bar | |||
| Microparticles based on polystyrene size: 5 µm | SIGMA-ALDRICH | 79633 | |
| nanoIR2 microscope | Bruker | Contact mode NanoIR2 | |
| Nitrogen Tank | Airgas | ||
| Petri dishes | Greiner bio-one GmbH | ||
| Polyvinyl Alcohol | SIGMA-ALDRICH | 363170 | this polymer was only 87%-89% hydrolyzed, which explains the presence of residual C=O at 1730 cm-1 |
| Quantum Cascade Laser | Daylight Solutions | 1550-1800 cm-1 range | |
| Silicon wafer | MEMC St. Peters | #901319343000 | |
| Spin coater | Oscilla |
References
- Dufrêne, Y. F., Viljoen, A., Mignolet, J., Mathelié-Guinlet, M. AFM in cellular and molecular microbiology. Cellular Microbiology. 23 (7), e13324 (2021).
- Sharma, A., Rout, C. S. Probe-based techniques for 2D layered materials. Advanced Analytical Techniques for Characterization of 2D Materials. , 1-14 (2022).
- Zhong, J., Yan, J. Seeing is believing: atomic force microscopy imaging for nanomaterial research. RSC Advances. 6 (2), 1103-1121 (2016).
- Olubowale, O. H., et al. 34;May the force be with you!" Force-volume mapping with atomic force microscopy. ACS Omega. 6 (40), 25860-25875 (2021).
- Dokukin, M. E., Sokolov, I. Quantitative mapping of the elastic modulus of soft materials with HarmoniX and PeakForce QNM AFM modes. Langmuir. 28 (46), 16060-16071 (2012).
- Nguyen-Tri, P., et al. Recent applications of advanced atomic force microscopy in polymer science: a review. Polymers. 12 (5), 1142 (2020).
- Vitry, P., et al. Mode-synthesizing atomic force microscopy for 3D reconstruction of embedded low-density dielectric nanostructures. Nano Research. 8 (7), 2199-2205 (2015).
- Coste, R., Pernes, M., Tetard, L., Molinari, M., Chabbert, B. Effect of the interplay of composition and environmental humidity on the nanomechanical properties of hemp fibers. ACS Sustainable Chemistry & Engineering. 8 (16), 6381-6390 (2020).
- Schönherr, H., Feng, C. L., Tomczak, N., Vancso, G. J. Compositional mapping of polymer surfaces by chemical force microscopy down to the nanometer scale: reactions in block copolymer microdomains. Macromolecular Symposia. 230 (1), 149-157 (2005).
- Holland-Moritz, K., Siesler, H. W. Infrared spectroscopy of polymers. Applied Spectroscopy Reviews. 11 (1), 1-55 (1976).
- Bhargava, R., Wang, S. Q., Koenig, J. L. FTIR microscpectrscopy of polymeric systems. Liquid Chromatography/FTIR Microspectroscopy/Microwave Assisted Synthesis. , 137-191 (2003).
- Rao, V. J., et al. AFM-IR and IR-SNOM for the characterization of small molecule organic semiconductors. The Journal of Physical Chemistry C. 124 (9), 5331-5344 (2020).
- Wang, H., Wang, L., Xu, X. G. Scattering-type scanning near-field optical microscopy with low-repetition-rate pulsed light source through phase-domain sampling. Nature Communications. 7 (1), 13212 (2016).
- Dazzi, A., Prater, C. B. AFM-IR: Technology and applications in nanoscale infrared spectroscopy and chemical imaging. Chemical Reviews. 117 (7), 5146-5173 (2017).
- Mathurin, J., et al. Photothermal AFM-IR spectroscopy and imaging: Status, challenges, and trends. Journal of Applied Physics. 131 (1), 010901 (2022).
- Miller, A., et al. Enhanced surface nanoanalytics of transient biomolecular processes. Science Advances. 9 (2), 3151 (2023).
- Emin, D., et al. Small soluble α-synuclein aggregates are the toxic species in Parkinson’s disease. Nature Communications. 13 (1), 5512 (2022).
- Jardine, K., Dove, A., Tetard, L. AFM force measurements to explore grain contacts with relevance for planetary materials. The Planetary Science Journal. 3 (12), 273 (2022).
- Sader, J. E., Chon, J. W. M., Mulvaney, P. Calibration of rectangular atomic force microscope cantilevers. Review of Scientific Instruments. 70 (10), 3967-3969 (1999).
- Higgins, M. J., et al. Noninvasive determination of optical lever sensitivity in atomic force microscopy. Review of Scientific Instruments. 77 (1), 013701 (2006).
- Smith, B. The infrared spectra of polymers III: hydrocarbon polymers. Spectroscopy. 36 (11), 22-25 (2021).
- Korbag, I., Mohamed Saleh, S. Studies on the formation of intermolecular interactions and structural characterization of polyvinyl alcohol/lignin film. International Journal of Environmental Studies. 73 (2), 226-235 (2016).
- Tetard, L., Passian, A., Farahi, R. H., Thundat, T., Davison, B. H. Opto-nanomechanical spectroscopic material characterization. Nature Nanotechnology. 10 (10), 870-877 (2015).
- Bai, Y., Yin, J., Cheng, J. -. X. Bond-selective imaging by optically sensing the mid-infrared photothermal effect. Science Advances. 7 (20), (2021).
