다상 고분자 시스템을 탐구하기 위한 나노스케일 적외선 분광법의 발전
Summary
이 프로토콜은 3차원 다중 고분자 시료의 특성 분석에서 광열 나노스케일 적외선 분광법의 성능을 평가하기 위한 원자력 현미경 및 나노스케일 적외선 분광법의 적용에 대해 설명합니다.
Abstract
다상 고분자 시스템은 수십 나노미터에서 수 마이크로미터까지 다양한 치수의 국소 영역을 포함합니다. 이들의 조성은 일반적으로 적외선 분광법을 사용하여 평가되며, 이는 프로브된 부피에 포함된 다양한 물질의 평균 지문을 제공합니다. 그러나 이 접근 방식은 재료의 위상 배열에 대한 세부 정보를 제공하지 않습니다. 종종 나노 크기의 두 고분자 상 사이의 계면 영역도 접근하기 어렵습니다. 광열 나노스케일 적외선 분광법은 원자력 현미경(AFM)의 민감한 프로브를 사용하여 적외선에 의해 여기된 물질의 국부적 반응을 모니터링합니다. 이 기술은 깨끗한 금 표면의 개별 단백질과 같은 작은 특징을 조사하는 데 적합하지만 3차원 다성분 물질의 특성 분석은 더 어렵습니다. 이는 AFM 팁에 의해 조사되는 나노 스케일 영역과 비교하여 샘플에 대한 레이저 초점화와 고분자 성분의 열적 특성에 의해 정의되는 광열 팽창을 겪는 상대적으로 많은 양의 물질 때문입니다. 폴리스티렌(PS) 비드와 폴리비닐 알코올(PVA) 필름을 사용하여 PVA 필름에서 PS의 위치에 따른 함수로 표면 분석을 위한 광열 나노스케일 적외선 분광법의 공간 발자국을 평가합니다. 나노 크기의 적외선 이미지에 대한 특징 위치의 영향을 조사하고 스펙트럼을 획득합니다. 광열 나노 규모 적외선 분광법 분야의 미래 발전에 대한 몇 가지 관점이 제공되며, 고분자 구조가 내장된 복잡한 시스템의 특성화를 고려합니다.
Introduction
원자력 현미경(AFM)은 나노 단위 분해능 1,2,3으로 다양한 샘플의 형태를 이미지화하고 특성화하는 데 필수적입니다. 날카로운 팁과 시료 표면의 상호 작용으로 인한 AFM 캔틸레버의 편향을 측정함으로써 국부 강성 측정 및 팁-샘플 접착을 위한 나노 스케일 기능적 이미징 프로토콜이 개발되었습니다 4,5. 연질 응집 물질 및 고분자 분석의 경우, 국소 영역의 나노 역학 및 나노 화학적 특성을 탐구하는 AFM 측정이 6,7,8 이후에 많이 요구됩니다. 나노스케일 적외선(nanoIR) 분광법이 등장하기 전에 AFM 팁은 AFM 힘 곡선에서 다른 영역의 존재를 평가하고 팁-샘플 상호 작용의 특성을 공제하기 위해 화학적으로 수정되었습니다. 예를 들어, 이 접근법은 50nm 레벨9 미만에서 사이클로헥산 처리된 폴리스티렌-블록-폴리(tert-부틸 아크릴레이트) 블록 공중합체 박막의 표면에서 폴리(tert-부틸 아크릴레이트)의 미세도메인 변형을 밝히는 데 사용되었습니다.
적외선(IR)과 AFM의 결합은 고분자 과학 분야에 상당한 영향을 미쳤습니다6. 종래의 IR 분광법은 고분자 물질(10,11)의 화학 구조를 연구하기 위해 널리 사용되는 기술이지만, 영역이 샘플을 조사하는 데 사용되는 IR 빔의 크기에 비해 너무 작기 때문에 개별 상 및 계면 거동에 대한 정보를 제공하지 못합니다. IR 미세분광법은 광학 회절 한계6에 의해 제한되기 때문에 문제가 됩니다. 이러한 측정은 IR 빛에 의해 여기되는 전체 영역의 기여도를 평균화합니다. 프로브 영역 내부에 나노 스케일 위상이 존재하여 발생하는 신호는 후처리 중에 디콘볼루션해야 하는 복잡한 지문을 나타내거나 감지 가능한 수준 이하의 신호 레벨로 인해 손실됩니다. 따라서 복잡한 매질에서 나노 단위의 화학적 특징을 탐구하기 위해 나노 단위의 공간 분해능과 높은 IR 감도를 제공할 수 있는 도구를 개발하는 것이 필수적입니다.
나노IR 분광법을 달성하기 위한 계획은, 먼저 금속 AFM 팁을 나노 안테나(12,13)로 사용하고, 보다 최근에는 시료(12,14,15)의 IR 조명 중에 발생하는 광열 팽창의 변화를 모니터링하는 AFM 캔틸레버의 능력을 이용하여 개발되었다. 후자는 프로브된 물질의 흡수 대역에 맞게 조정된 펄스가 있는 조정 가능한 IR 광원을 사용하여 샘플이 방사선을 흡수하고 광열 팽창을 겪도록 합니다. 이 접근 방식은 유기 및 고분자 재료에 매우 적합합니다. 펄스 여기(excitation)는 시료 표면과 접촉하는 AFM 캔틸레버가 진동의 형태로 효과를 감지할 수 있도록 합니다. 주파수 스펙트럼에서 관찰된 시스템의 접촉 공진 중 하나의 진폭은 AFM 팁(15) 아래의 물질의 나노IR 흡수 스펙트럼을 구성하는 조명 파장의 함수로서 모니터링된다. 나노IR 이미징 및 분광법의 공간 분해능은 물질의 광열 팽창의 다양한 효과에 의해 제한됩니다. 접촉 모드 AFM을 사용하는 광열 나노IR 분광법은 50nm 스케일 미만의 공간 분해능14로 물질의 진동 흡수 스펙트럼 특성을 얻을 수 있으며 최근 작업은 α-synuclein16,17의 단량체 및 이량체의 검출을 입증하는 것으로 평가되었습니다. 그러나 다양한 고분자 필름의 부피에 내장된 유한 치수의 흡수체의 경우와 같이 다양한 구성으로 조립된 이종 고분자 재료에 대한 나노IR 측정 성능에 대한 정량적 연구는 여전히 제한적입니다.
이 기사는 표면 분석 중 나노IR의 광열 팽창 및 공간 분해능의 민감도를 평가하기 위해 알려진 치수의 내장 기능을 가진 고분자 어셈블리를 만드는 것을 목표로 합니다. 이 프로토콜은 실리콘 기판 위에 폴리비닐 알코올(PVA) 폴리머 박막을 준비하고 PVA 필름 위에 또는 내장된 3차원 폴리스티렌(PS) 비드를 배치하여 모델 시스템을 형성하는 방법을 다룹니다. NanoIR 이미징 및 분광학 측정은 PVA 필름 위 또는 아래에 위치한 동일한 PS 비드에 의해 생성된 신호를 평가하는 맥락에서 설명됩니다. nanoIR 신호에 대한 비드 위치의 영향을 평가합니다. nanoIR 맵에서 비드의 공간 발자국을 평가하는 방법에 대해 논의하고 여러 파라미터의 효과를 고려합니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
나노IR 분광법과 결합된 AFM은 접촉 모드의 캔틸레버와 펄스 조정 가능한 IR 광원을 사용하여 나노 단위의 화학 정보를 제공할 수 있습니다. 고분자 재료의 부피에 유한 치수의 흡수체를 내장하는 것과 같은 모델 시스템은 이미지 형성 메커니즘에 대한 이해를 높이고 도구의 성능을 결정하는 데 중요합니다. 여기에 제시된 PS/PVA 구성의 경우, PVA 필름의 표면 위 또는 아래에 위치하는 안정적인 PS 비?…
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
이 연구는 미국 국립과학재단(National Science Foundation, NSF CHE-1847830)의 지원을 받았습니다.
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 |
Referencias
- 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).
