納米傅里葉紅外光譜儀-Nano-FTIR

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，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：

• 反射式 AFM-針尖照明
• 標(biāo)準(zhǔn)光譜分辨率: 6.4/cm-1
• 保護(hù)的無(wú)背景探測(cè)技術(shù)
• 基于優(yōu)化的傅里葉變換光譜儀
• 采集速率： Up to 3 spectra /s
• 高性能近場(chǎng)光譜顯微優(yōu)化的探測(cè)模塊
• 可升級(jí)光譜分辨率：3.2/cm-1
• 適合探測(cè)區(qū)間：可見(jiàn)，紅外(0.5 – 20 µm)
• 包括可更換分束器基座
• 適用于同步輻射紅外光源 NEW!!!

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獲得的吸收譜線與標(biāo)準(zhǔn)FTIR數(shù)據(jù)庫(kù)中譜線進(jìn)行比對(duì)，可以確定污染物為PDMS顆粒。

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，類似石墨塊中的石墨烯單原子層。這類晶體具有超導(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最終消失。

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.