美科学家利用新型压电材料强化纳米材料红外光谱测量

据麦姆斯咨询报道，美国伊利诺伊大学贝克曼先进科学技术研究所的Rohit Bhargava团队近日发布了一种新的闭环显微镜技术，可以在纳米尺度高灵敏度地检测化学成分。他们的设计依赖于一种压电材料，这种材料会对原子力显微镜(AFM)探针探测样品时产生的电压做出响应。这种新方法可以帮助研究人员精确测量各种纳米材料的光谱，包括分子尺度的生物样品。

AFM-IR是一种基于原子力显微镜的独特技术，该技术将原子力显微镜的高空间分辨率、纳米级定位和成像功能与红外(IR)光谱的高化学敏感度有机地结合到一台设备中。

AFM-IR利用原子力探针直接检测样品，由于样品红外吸收而产生的热膨胀效应，从而引起探针悬臂振荡，其振幅和样品的红外吸收成正比。因此AFM-IR纳米红外能够测量到纳米尺度样品的红外吸收光谱，由此而进行微区化学成分鉴定。AFM-IR技术具有广泛的应用前景，尤其适合具有较高热膨胀系数的软物质材料，譬如聚合物和生物样品。

Bhargava团队开发的新技术噪声更小：采用之前偏转AFM-IR检测方法采集的4 nm厚聚合物薄膜产生的化学信号(上方)与新的零偏转技术方法(下方)对比

目前，AFM-IR已经在纳米材料的光谱研究中广泛应用，但是，在处理悬臂梁中的未知振动噪声源时，AFM-IR仍然面临着很大的挑战。一直以来，曾经尝试通过将样品放置在特殊基底上，或使用特殊的样品制备方法来解决这一问题，但是，这些解决方案往往会限制该技术的通用性。

闭环系统

在这项研究中，Bhargava团队通过在基底下放置一种压电材料来解决噪声问题。当施加电压时，这种材料会改变形状。在这里，电压由悬臂梁的运动决定。因此，压电材料形状的变化可以抵消红外辐照样品的膨胀，形成了一种可以消除悬臂梁运动的闭环系统。这意味着可以通过监测施加在压电陶瓷上的电压来测量样品的化学成分，同时可以将任何噪声引起的振动降到最低。

利用一台标准的市售AFM-IR仪器，Bhargava及其同事用这种闭环系统测量了放置在玻璃基底上的100 nm厚的丙烯酸薄膜。然后，他们用金基底重复了测量。在两种情况下，他们的测量结果都与用其它技术进行的光谱测量一致。研究小组还精确绘制了硅基底上4 nm厚丙烯酸薄膜的局部红外吸收图，闭环方法以外的影响几乎没有。由于玻璃和硅都是纳米材料研究人员常用的基底材料，因此，体现了这种闭环方法的普适性，无需严格的制备方法。

现在，Bhargava团队希望他们闭环方法的灵敏度，可以使AFM-IR光谱分析用于范围更广、体积更小的材料。它可以帮助研究人员探测细胞膜中存在的复杂混合物材料，以及进行蛋白质分子变形等行为研究。