納米傅里葉紅外光譜儀Nano-FTIR

------具有10nm空間分辨率的納米級(jí)紅外光譜儀

    現(xiàn)代化學(xué)的一大科研難題是如何實(shí)現(xiàn)在納米尺度下對(duì)材料進(jìn)行無(wú)損化學(xué)成分鑒定?，F(xiàn)有的一些高分辨成像技術(shù)，如電鏡或掃描探針顯微鏡等，在一定程度上可以有限的解決這一問(wèn)題，但是這些技術(shù)本身的化學(xué)敏感度太低，已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足現(xiàn)代化學(xué)納米分析的要求。而另一方面，紅外光譜具有很高的化學(xué)敏感度，但是其空間分辨率卻由于受到二分之一波長(zhǎng)的衍射極限限制，只能達(dá)到微米級(jí)別，因此也無(wú)法進(jìn)行納米級(jí)別的化學(xué)鑒定。

    德國(guó)neaspec公司利用其*的散射型近場(chǎng)光學(xué)技術(shù)發(fā)展出來(lái)的nano-FTIR納米傅里葉紅外光譜技術(shù)，使得納米尺度化學(xué)鑒定和成像成為可能。這一技術(shù)綜合了原子力顯微鏡的高空間分辨率，和傅里葉紅外光譜的高化學(xué)敏感度，因此可以在納米尺度下實(shí)現(xiàn)對(duì)幾乎所有材料的化學(xué)分辨。因而，現(xiàn)代化學(xué)分析的納米新時(shí)代從此開(kāi)始。

    neaspec公司的散射型近場(chǎng)技術(shù)通過(guò)干涉性探測(cè)針尖掃描樣品表面時(shí)的反向散射光，同時(shí)得到近場(chǎng)信號(hào)的光強(qiáng)和相位信號(hào)。當(dāng)使用寬波紅外激光照射AFM針尖時(shí)，即可獲得針尖下方10nm區(qū)域內(nèi)的紅外光譜，即nano-FTIR.

nano-FTIR 光譜與標(biāo)準(zhǔn)FTIR光譜高度吻合：  

    在不使用任何模型矯正的條件下，nano-FTIR傅里葉紅外光譜儀獲得的近場(chǎng)吸收光譜所體現(xiàn)的分子指紋特征與使用傳統(tǒng)FTIR光譜儀獲得的分子指紋特征吻合度*（如下圖），這在基礎(chǔ)研究和實(shí)際應(yīng)用方面都具有重要意義，因?yàn)檠芯空呖梢詫ano-FTIR光譜與已經(jīng)廣泛建立的傳統(tǒng)FTIR光譜數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，從而實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確的進(jìn)行納米尺度下的材料化學(xué)分析。對(duì)化學(xué)成分的高敏感度與超高的空間分辨率的結(jié)合，使得nano-FTIR成為納米分析的*工具。

主要技術(shù)參數(shù)配置：

應(yīng)用案例

■ 單病毒膜滲透行為研究

    近年來(lái)，流感病毒已被用作包膜病毒的原型來(lái)研究病毒進(jìn)入宿主細(xì)胞的過(guò)程。IFV中血凝素（HA）是嵌入IFV包膜的主要表面糖蛋白。 HA負(fù)責(zé)IFV與宿主細(xì)胞受體的連接，并在病毒進(jìn)入過(guò)程中參與介導(dǎo)膜融合。眾多研究已經(jīng)為靶標(biāo)和病毒膜之間的融合機(jī)制建立了一個(gè)*的模型。該模型認(rèn)為只有在靶標(biāo)和病毒膜發(fā)生膜融合時(shí)才可形成孔從而介導(dǎo)病毒-細(xì)胞膜滲透行為。然而，其他報(bào)道也觀(guān)察到在融合發(fā)生之前靶標(biāo)和病毒膜的破裂。此外，關(guān)于腺病毒蛋白與宿主細(xì)胞的研究顯示，宿主細(xì)胞膜可能在沒(méi)有膜融合的情況下被破壞而進(jìn)入病毒。另一方面，病毒包膜和靶宿主細(xì)胞膜具有不同的化學(xué)組成或結(jié)構(gòu)，各個(gè)膜中形成孔的要求不同，因此靶宿主或病毒膜破裂也可能獨(dú)立地被誘導(dǎo)。

    綜上所述，關(guān)于病毒-細(xì)胞膜滲透行為的機(jī)理還存在一定的爭(zhēng)議，明確單個(gè)病毒與宿主細(xì)胞的復(fù)雜融合機(jī)制，可為設(shè)計(jì)抗病毒化合物提供有利信息。然而，常規(guī)的病毒整體融合測(cè)定法是對(duì)膜融合事件的集體響應(yīng)，不能對(duì)細(xì)微、尤其是在納米尺度復(fù)雜的融合細(xì)節(jié)進(jìn)行直接和定量的研究，因此無(wú)法直接量化一些可以通過(guò)研究單個(gè)病毒、納米尺度表面糖蛋白和脂包膜來(lái)獲得的融合細(xì)節(jié)。例如，病毒感染過(guò)程在分子水平上引起的病毒膜和宿主細(xì)胞膜的化學(xué)和結(jié)構(gòu)組成改變，可以通過(guò)分子特異性紅外光譜技術(shù)來(lái)探測(cè)。然而，單個(gè)病毒、表面糖蛋白和脂包膜尺寸小于紅外光的衍射極限，限制了單個(gè)病毒的紅外光譜研究。因此，找到一個(gè)既可以提供納米高空間分辨率，還能探測(cè)機(jī)械、化學(xué)特性（分子特異紅外光譜）和環(huán)境影響的工具，使其可在單病毒水平上研究病毒膜融合過(guò)程是十分重要的。

    來(lái)自美國(guó)喬治亞大學(xué)和喬治亞州立大學(xué)的Sampath Gamage和Yohannes Abate等研究者采用 nano-FTIR & neaSNOM研究了單個(gè)原型包膜流感病毒X31在不同pH值環(huán)境中發(fā)生的結(jié)構(gòu)變化。同時(shí)，還定量評(píng)估了在環(huán)境pH值變化期間,抗病毒化合物（化合物136）阻止病毒膜破壞的有效性，提供了一種抑制病毒進(jìn)入細(xì)胞的新機(jī)制。

詳細(xì)信息閱讀：應(yīng)用專(zhuān)題|納米分辨傅里葉紅外光譜與成像技術(shù)（nano-FTIR & neaSNOM）助力科學(xué)家實(shí)現(xiàn)單病毒膜滲透行為研究進(jìn)展

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

■ 納米尺度污染物的化學(xué)鑒定   

    nano-FTIR傅里葉紅外光譜儀可以應(yīng)用到對(duì)納米尺度樣品污染物的化學(xué)鑒定上。下圖顯示的Si表面覆蓋PMMA薄膜的橫截面AFM成像圖，其中AFM相位圖顯示在Si片和PMMA薄膜的界面存在一個(gè)100nm尺寸的污染物，但是其化學(xué)成分無(wú)法從該圖像中判斷。而使用nano-FTIR在污染物中心獲得的紅外光譜清晰的揭示出了污染物的化學(xué)成分。通過(guò)對(duì)nano-FTIR獲得的吸收譜線(xiàn)與標(biāo)準(zhǔn)FTIR數(shù)據(jù)庫(kù)中譜線(xiàn)進(jìn)行比對(duì)，可以確定污染物為PDMS顆粒。

nano-FTIR對(duì)納米尺度污染物的化學(xué)鑒定          

    AFM表面形貌圖像 (左), 在Si片基體（暗色區(qū)域Ｂ）與PMMA薄膜（Ａ）之間可以觀(guān)察到一個(gè)小的污染物。機(jī)械相位圖像中（中），對(duì)比度變化證明該污染物的是有別于基體和薄膜的其他物質(zhì)。將點(diǎn)Ａ和Ｂ的nano-FTIR 吸收光譜（右），與標(biāo)準(zhǔn)紅外光譜數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)比， 獲得各部分物質(zhì)的化學(xué)成分信息. 每條譜線(xiàn)的采集時(shí)間為7min,  光譜分辨率為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)）

■    二維材料氮化硼晶體中聲子極化激元的研究

    范得瓦爾斯晶體是由層與層之間微弱的范德華力的相互作用構(gòu)成的薄層晶體，類(lèi)似石墨塊中的石墨烯單原子層。這類(lèi)晶體具有超導(dǎo)、鐵磁性、發(fā)光性等等特殊性質(zhì)。

    S.Dai等人利用Neaspec公司的納米傅里葉紅外光譜系統(tǒng)(Nano-FTIR)研究了不同厚度的薄 層氮化硼晶體中的聲子極化激元（一種光子與光學(xué)聲子的耦合作用）。結(jié)果表明，極化波的傳播現(xiàn)象存在于氮化硼晶體表面，而且極化波的波長(zhǎng)隨著氮化硼晶體的厚度變化而變化。分析結(jié)果還可以得到表面聲子極化激元色散特性關(guān)系。這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以很好的與理論模型相吻合。與石墨烯相比，氮化硼晶體的損失因子要小很多，所以氮化硼晶體中表面聲子波傳播距離相對(duì)較大。 

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

■    鋰電池充放電過(guò)程中的相位分布情況

I. T.Lucas等人利用Neaspec公司的納米傅里葉變換紅外光譜技術(shù)(nano-FTIR)對(duì)磷酸鐵鋰在鋰電池的充放電過(guò)程中的相位分布進(jìn)行了具體的研究。根據(jù)對(duì)不同充放電階段的正極材料紅外吸收光譜的研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果直接證明，充放電的中間過(guò)程部分脫鋰的正極材料同時(shí)存在磷酸鐵鋰與磷酸鐵兩種相位。通過(guò)建立三維層析成像的模型建立與分析，由磷酸鐵組成的外殼包圍由磷酸鐵鋰組成的核心的“外殼-核心結(jié)構(gòu)”模型適合解釋該實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果。分析表明在脫鋰的過(guò)程中，核心部分的磷酸鐵鋰慢慢的變小直至終消失。

參考文獻(xiàn)：

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

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neaspec公司產(chǎn)品以其穩(wěn)定的性能、*的空間分辨率和良好的用戶(hù)體驗(yàn)，得到了國(guó)內(nèi)外眾多科學(xué)家的認(rèn)可和肯定......

	Prof. Dmitri Basov 美國(guó) 加州大學(xué)  University of California San Diego	"The neaSNOM microscope with it’s imaging and nano-FTIR mode is the most useful research instrument in years, bringing genuinely new insights."
	Dr. Jaroslaw Syzdek 美國(guó) 勞倫斯伯克利實(shí)驗(yàn)室 Lawrence Berkeley National Laboratory	"We were looking for a flexible research tool capable of characterizing our energy storage materials at the nanoscale. neaSNOM proofed to be the system with the highest spatial resolution in infrared imaging and spectroscopy and brings us substantial new insights for our research”
	陳煥君 教授 中山大學(xué) Sun Yat-sen University	"The neaSNOM microscope boosted my research in plasmonic properties of noble metal nanocrystals, optical resonances of dielectric nanostructures, and plasmon polaritons of graphene-like two dimensional nanomaterials."
	Prof. Rainer Hillenbrand Research Center Co-Founder and Scientific Advisor	"After many years of research and development in near-field microscopy, we finally made our dream come true to perform infrared imaging & spectroscopy at the nanoscale. With neaSNOM we can additionally realize Raman, fluorescence and non-linear nano-spectroscopy."
	Dr. Dangyuan Lei The Hong Kong Polytechnic University Department of Applied Physics Hong Kong	"We propose to establish a complete set of nano-FTIR and scattering-type SNOM in order to stay competitive in nanophotonics research as well as to maintain our state-of-the-art design and fabrication of novel nanomaterials. Only because of the unique technology from neaspec we were able to win this desirable university grant."
	Prof. Dan Mittleman Brown University School of Engineering USA	"The neaSNOM near-field microscope and it’s user-friendly software offer us an incredible flexibility for the realization of our unique experiments – without compromises in robustness, handling and ease-of-use."
	Dr. Raul Freitas Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais (CNPEM) Laboratório Nacional de Luz Síncrotron (LNLS) Brazil	"The great stability and robustness of the neaSNOM are key features for serving our diverse user’s demands. The neaSCAN software is user-friendly and intuitive allowing fresh users to quickly start measuring."
	Prof. Dr. Rupert Huber University of Regensburg Department of Phyics Germany	"The unique dual beam-path design of the neaSNOM near-field microscope makes neaspec the natural choice for ultrafast spectroscopy at the nanoscale."

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