Summary

多相高分子系を探索するためのナノスケール赤外分光法の進歩

Published: June 23, 2023
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Summary

このプロトコルは三次元多重分子サンプルの性格描写の光熱ナノスケールの赤外分光法の性能を評価するために原子間力顕微鏡検査およびナノスケールの赤外線分光法の適用を記述する。

Abstract

多相ポリマー系は、数十ナノメートルから数マイクロメートルまで変化する寸法の局所ドメインを包含しています。それらの組成は、通常、赤外分光法を使用して評価され、プローブされたボリュームに含まれるさまざまな材料の平均フィンガープリントを提供します。ただし、このアプローチでは、材料内の相の配置に関する詳細は提供されません。また、2つのポリマー相間の界面領域は、多くの場合、ナノスケールの範囲にあり、アクセスが困難です。光熱ナノスケール赤外分光法は、原子間力顕微鏡(AFM)の高感度プローブを使用して、赤外光によって励起された物質の局所応答を監視します。この手法は、純金表面の個々のタンパク質などの小さな特徴を調べるのに適していますが、3次元多成分材料の特性評価はより困難です。これは、AFMティップでプローブされたナノスケール領域と比較して、サンプルへのレーザー焦点化とポリマー成分の熱特性によって定義される、光熱膨張を受ける材料の量が比較的多いためです。ポリスチレン(PS)ビーズとポリビニルアルコール(PVA)フィルムを用いて、表面分析のための光熱ナノスケール赤外分光法の空間フットプリントを、PVAフィルム中のPSの位置の関数として評価します。ナノスケールの赤外画像に対する特徴位置の影響を調べ、スペクトルを取得します。高分子構造が埋め込まれた複雑なシステムの特性評価を考慮して、光熱ナノスケール赤外分光法の分野における将来の進歩に関するいくつかの展望を提供します。

Introduction

原子間力顕微鏡(AFM)は、ナノスケールの分解能1,2,3でさまざまなサンプルの形態を画像化し、特性評価するために不可欠になっています。鋭い先端と試料表面との相互作用に起因するAFMカンチレバーのたわみを測定することにより、局所的な剛性測定と探針と試料の接着のためのナノスケールの機能的イメージングプロトコルが開発されました4,5。軟質凝縮系およびポリマー分析では、局所ドメインのナノ機械的およびナノ化学的特性を探るAFM測定が非常に求められています6,7,8。ナノスケールの赤外(nanoIR)分光法が登場する前は、AFMティップを化学的に修飾して、AFMの力曲線から異なるドメインの存在を評価し、ティップとサンプルの相互作用の性質を推測していました。例えば、このアプローチは、シクロヘキサン処理ポリスチレン-ブロック-ポリ(tert-ブチルアクリレート)ブロック共重合体薄膜の表面におけるポリ(tert-ブチルアクリレート)のミクロドメインの50 nm以下のレベルでの変換を明らかにするために使用されました9。

赤外光とAFMの組み合わせは、高分子科学の分野に大きな影響を与えました6。従来の赤外分光法は、高分子材料の化学構造を研究するために広く使用されている技術である10,11が、サンプルのプローブに使用される赤外ビームのサイズに比べて領域が小さすぎるため、個々の相および相間挙動に関する情報を提供することができません。赤外顕微分光法は、光学回折限界6によって制限されるため、この問題が発生します。このような測定は、IR光によって励起された領域全体の寄与を平均化します。プローブ領域内にナノスケールの相が存在することに起因するシグナルは、後処理中にデコンボリューションする必要がある複雑なフィンガープリントを示すか、検出可能なレベルを下回るシグナルレベルのために失われます。したがって、複雑な媒体中のナノスケールの化学的特徴を探索するためには、ナノスケールの空間分解能と高いIR感度が可能なツールの開発が不可欠です。

ナノIR分光法を達成するためのスキームが開発されており、最初は金属AFMチップをナノアンテナとして使用し12,13、最近ではAFMカンチレバーの能力を利用して、サンプルのIR照明中に発生する光熱膨張の変化を監視しています12,14,15。後者は、プローブされた材料の吸収帯に調整されたパルス状の調整可能なIR光源を使用しており、サンプルが放射線を吸収して光熱膨張を起こします。このアプローチは、有機材料や高分子材料に適しています。パルス励起により、サンプル表面に接触したAFMカンチレバーが振動の形で効果を検出できます。次いで、周波数スペクトルにおいて観察される系の接触共振の1つの振幅は、照明波長の関数としてモニターされ、これは、AFM探針15の下の材料のnanoIR吸収スペクトルを構成する。ナノIRイメージングと分光法の空間分解能は、材料の光熱膨張のさまざまな影響によって制限されます。コンタクトモードAFMを用いた光熱ナノ赤外分光法は、50nm以下の空間分解能で物質の振動吸収スペクトル特性を取得できることが評価されており14、最近の研究では、α-シヌクレインのモノマーと二量体の検出が実証されています16,17。しかし、様々な高分子フィルムの体積に埋め込まれた有限次元の吸収体の場合など、様々な構成で組み立てられた不均一な高分子材料のナノIR測定の性能に関する定量的研究は、依然として限界があります。

本稿では、表面分析中の光熱膨張の感度とナノIRの空間分解能を評価するために、既知の寸法の特徴が埋め込まれたポリマーアセンブリを作成することを目的としています。このプロトコルは、シリコン基板上にポリビニルアルコール(PVA)ポリマー薄膜を作製し、PVAフィルム上またはPVAフィルムに埋め込まれた3次元ポリスチレン(PS)ビーズの配置をカバーしています。NanoIRイメージングおよび分光法測定は、PVAフィルム上またはPVAフィルムの下に配置された同じPSビーズによって生成されたシグナルを評価するという文脈で説明されています。ビーズ位置がナノIRシグナルに及ぼす影響を評価します。nanoIRマップにおけるビーズの空間フットプリントを評価する方法について説明し、いくつかのパラメータの影響について検討します。

Protocol

1. ポリビニルアルコール(PVA)溶液の製造 水とPVAポリマーペレット( 材料表を参照)を測定して、PVAと水の重量比が20%になるように10 mLの溶液を調製します。 100°Cに設定したホットプレートでガラス器具の水を加熱します。 PVAポリマーペレットを加熱水に入れます。マグネット式攪拌子を挿入します。 火を80°Cに下げ、PVAが完全に溶けるま?…

Representative Results

PS((C8H8)n)ビーズを、クリーンなSi基板(図1A)およびPVA((CH2CHOH)n)上に堆積しました(図1B、C)。Siへのビーズの密着性が悪いため、このサンプルではコンタクトモードでのnanoIRイメージングを取得できませんでした。代わりに、nanoIRでサンプルの光学的ビューを使用して、金でコーティングされたAFMプ?…

Discussion

AFMとnanoIR分光法を組み合わせると、接触モードのカンチレバーとパルスチューナブルIR光源を使用して、ナノスケールの化学情報を提供できます。高分子材料の体積に有限の次元を持つ吸収体を埋め込むなどのモデルシステムは、画像形成メカニズムの理解を深め、ツールの性能を決定するために重要です。ここで紹介したPS/PVA構成の場合、PVAフィルムの表面の上または下に配置された安定?…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

この研究は、米国国立科学財団(NSF CHE-1847830)の支援を受けました。

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

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Cite This Article
Young, R., Tetard, L. Advances in Nanoscale Infrared Spectroscopy to Explore Multiphase Polymeric Systems. J. Vis. Exp. (196), e65357, doi:10.3791/65357 (2023).

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