Avances en espectroscopía infrarroja a nanoescala para explorar sistemas poliméricos multifásicos

Summary

Este protocolo describe la aplicación de la microscopía de fuerza atómica y la espectroscopia infrarroja a nanoescala para evaluar el rendimiento de la espectroscopia infrarroja fototérmica a nanoescala en la caracterización de muestras multipoliméricas tridimensionales.

Abstract

Los sistemas poliméricos multifásicos abarcan dominios locales con dimensiones que pueden variar desde unas pocas decenas de nanómetros hasta varios micrómetros. Su composición se evalúa comúnmente mediante espectroscopía infrarroja, que proporciona una huella dactilar promedio de los diversos materiales contenidos en el volumen sondeado. Sin embargo, este enfoque no ofrece ningún detalle sobre la disposición de las fases en el material. Las regiones interfaciales entre dos fases poliméricas, a menudo en el rango de nanoescala, también son difíciles de acceder. La espectroscopia infrarroja fototérmica a nanoescala monitorea la respuesta local de los materiales excitados por la luz infrarroja con la sonda sensible de un microscopio de fuerza atómica (AFM). Si bien la técnica es adecuada para interrogar características pequeñas, como proteínas individuales en superficies de oro prístinas, la caracterización de materiales multicomponentes tridimensionales es más difícil de alcanzar. Esto se debe a un volumen relativamente grande de material que experimenta expansión fototérmica, definido por la focalización láser en la muestra y por las propiedades térmicas de los constituyentes poliméricos, en comparación con la región a nanoescala sondeada por la punta AFM. Utilizando una perla de poliestireno (PS) y una película de alcohol polivinílico (PVA), evaluamos la huella espacial de la espectroscopia infrarroja fototérmica a nanoescala para el análisis de superficies en función de la posición de PS en la película de PVA. Se investiga el efecto de la posición de la característica en las imágenes infrarrojas a nanoescala y se adquieren espectros. Se ofrecen algunas perspectivas sobre los futuros avances en el campo de la espectroscopia infrarroja fototérmica a nanoescala, considerando la caracterización de sistemas complejos con estructuras poliméricas embebidas.

Introduction

La microscopía de fuerza atómica (AFM) se ha vuelto esencial para obtener imágenes y caracterizar la morfología de una amplia variedad de muestras con resolución a nanoescala ^1,2,3. Al medir la deflexión de un voladizo AFM resultante de la interacción de la punta afilada con la superficie de la muestra, se han desarrollado protocolos de imágenes funcionales a nanoescala para mediciones locales de rigidez y adhesión punta-muestra ^4,5. Para el análisis de materia condensada blanda y polímeros, las mediciones de AFM que exploran las propiedades nanomecánicas y nanoquímicas de los dominios locales son muy buscadas ^6,7,8. Antes de la aparición de la espectroscopia infrarroja a nanoescala (nanoIR), las puntas de AFM se modificaron químicamente para evaluar la presencia de diferentes dominios de la curva de fuerza de AFM y deducir la naturaleza de la interacción punta-muestra. Por ejemplo, este enfoque se utilizó para revelar la transformación de microdominios de acrilato de poli(terc-butilo) en la superficie de películas delgadas de copolímero de poliestireno-bloque-poli(acrilato de terc-butilo) tratadas con ciclohexano en el nivel⁹ de sub 50 nm.

La combinación de luz infrarroja (IR) con AFM ha tenido un impacto significativo en el campo de la ciencia de los polímeros⁶. La espectroscopia IR convencional es una técnica ampliamente utilizada para estudiar la estructura química de materiales poliméricos ^10,11, pero no proporciona información sobre las fases individuales y el comportamiento de las interfases, ya que las regiones son demasiado pequeñas en comparación con el tamaño del haz IR utilizado para sondear la muestra. El problema se mantiene con la microespectroscopía IR, ya que está restringida por el límite de difracción óptica⁶. Tales mediciones promedian las contribuciones de toda la región excitada por la luz infrarroja; Las señales resultantes de la presencia de fases a nanoescala dentro de la región sondeada exhiben huellas dactilares complejas que deben ser deconvolutadas durante el posprocesamiento o se pierden debido a un nivel de señal por debajo del nivel detectable. Por lo tanto, es esencial desarrollar herramientas capaces de una resolución espacial a nanoescala y una alta sensibilidad IR para explorar las características químicas a nanoescala en medios complejos.

Se han desarrollado esquemas para lograr espectroscopía nanoIR, primero utilizando una punta metálica de AFM como nanoantena ^12,13 y, más recientemente, explotando la capacidad del voladizo AFM para monitorear los cambios en la expansión fototérmica incurridos durante la iluminación IR de la muestra 12,14,15. Este último utiliza una fuente de luz infrarroja pulsada y sintonizable sintonizada con una banda de absorción del material sondeado, lo que hace que la muestra absorba la radiación y sufra una expansión fototérmica. Este enfoque es muy adecuado para materiales orgánicos y poliméricos. La excitación pulsada hace que el efecto sea detectable por el voladizo AFM en contacto con la superficie de la muestra en forma de oscilación. A continuación, se monitoriza la amplitud de una de las resonancias de contacto del sistema observadas en el espectro de frecuencias en función de la longitud de onda de iluminación, que constituye el espectro de absorción nanoIR del material situado debajo de la punta AFM¹⁵. La resolución espacial de las imágenes y espectroscopía nanoIR está limitada por varios efectos de la expansión fototérmica del material. Se ha evaluado que la espectroscopia fototérmica nanoIR utilizando AFM en modo de contacto puede adquirir las propiedades de los espectros de absorción vibracional de materiales con una resolución espacial a escala inferior a 50 nm¹⁴, con trabajos recientes que demuestran la detección de monómeros y dímeros de α-sinucleína ^16,17. Sin embargo, los estudios cuantitativos del rendimiento de las mediciones de nanoIR en materiales poliméricos heterogéneos ensamblados en diversas configuraciones, como el caso de los absorbentes de dimensiones finitas incrustados en el volumen de varias películas poliméricas, siguen siendo limitados.

Este artículo tiene como objetivo crear un ensamblaje polimérico con una característica incrustada de una dimensión conocida para evaluar la sensibilidad de la expansión fototérmica y la resolución espacial de nanoIR durante el análisis de superficies. El protocolo cubre la preparación de una película delgada de polímero de alcohol polivinílico (PVA) sobre un sustrato de silicio y la colocación de una perla tridimensional de poliestireno (PS) sobre o incrustada en la película de PVA, que constituye la formación del sistema modelo. Las mediciones de imágenes y espectroscopía de nanoinfrarrojos se describen en el contexto de la evaluación de las señales generadas por la misma perla de PS colocada sobre o debajo de la película de PVA. Se evalúa la influencia de la posición de la perla en las señales nanoIR. Se discuten los métodos para evaluar la huella espacial de la cuenta en el mapa nanoIR y se consideran los efectos de varios parámetros.

Protocol

1. Fabricación de una solución de alcohol polivinílico (PVA) Mida el agua y los gránulos de polímero PVA (consulte la Tabla de materiales) para crear una solución de 10 ml con una proporción de PVA a agua del 20 % en peso. Calentar el agua de la cristalería sobre una placa calefactora a 100 °C. Coloque los gránulos de polímero PVA en el agua caliente. Inserte una barra agitadora magnética. Reduzca el fuego a 80 °C y revuelva hasta que …

Representative Results

Las perlas de PS ((C8H8)n) se depositaron sobre un sustrato limpio de Si (Figura 1A) y sobre PVA ((CH2CHOH)n) (Figura 1B, C). Debido a la mala adherencia de la perla en el Si, no se pudieron adquirir imágenes nanoIR en modo de contacto para esta muestra. En su lugar, utilizando la vista óptica de la muestra en nanoIR, la sonda AFM recubierta de oro se acopló en la parte superior de la per…

Discussion

El AFM combinado con la espectroscopia nanoIR puede proporcionar información química a nanoescala utilizando un voladizo en modo de contacto y una fuente de luz IR sintonizable pulsada. Los sistemas de modelos, como la incrustación de un absorbedor con dimensiones finitas en el volumen de un material polimérico, son importantes para mejorar la comprensión de los mecanismos de formación de imágenes y determinar el rendimiento de la herramienta. En el caso de la configuración PS/PVA que aquí se presenta, se llevó…

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