मल्टीफ़ेज़ पॉलिमरिक सिस्टम का पता लगाने के लिए नैनोस्केल इन्फ्रारेड स्पेक्ट्रोस्कोपी में प्रगति
Summary
यह प्रोटोकॉल त्रि-आयामी बहु-बहुलक नमूनों के लक्षण वर्णन में फोटोथर्मल नैनोस्केल इन्फ्रारेड स्पेक्ट्रोस्कोपी के प्रदर्शन का मूल्यांकन करने के लिए परमाणु बल माइक्रोस्कोपी और नैनोस्केल इन्फ्रारेड स्पेक्ट्रोस्कोपी के आवेदन का वर्णन करता है।
Abstract
मल्टीफ़ेज़ पॉलिमरिक सिस्टम स्थानीय डोमेन को आयामों के साथ शामिल करते हैं जो कुछ दसियों नैनोमीटर से लेकर कई माइक्रोमीटर तक भिन्न हो सकते हैं। उनकी संरचना का आमतौर पर अवरक्त स्पेक्ट्रोस्कोपी का उपयोग करके मूल्यांकन किया जाता है, जो जांच की गई मात्रा में निहित विभिन्न सामग्रियों का औसत फिंगरप्रिंट प्रदान करता है। हालांकि, यह दृष्टिकोण सामग्री में चरणों की व्यवस्था पर कोई विवरण नहीं देता है। दो बहुलक चरणों के बीच इंटरफेसियल क्षेत्र, अक्सर नैनोस्केल रेंज में, उपयोग करने के लिए भी चुनौतीपूर्ण होते हैं। फोटोथर्मल नैनोस्केल इन्फ्रारेड स्पेक्ट्रोस्कोपी एक परमाणु बल माइक्रोस्कोप (एएफएम) की संवेदनशील जांच के साथ अवरक्त प्रकाश द्वारा उत्साहित सामग्रियों की स्थानीय प्रतिक्रिया की निगरानी करता है। जबकि तकनीक छोटी विशेषताओं से पूछताछ करने के लिए उपयुक्त है, जैसे कि प्राचीन सोने की सतहों पर व्यक्तिगत प्रोटीन, त्रि-आयामी बहु-घटक सामग्री का लक्षण वर्णन अधिक मायावी है। यह फोटोथर्मल विस्तार के दौर से गुजरने वाली सामग्री की अपेक्षाकृत बड़ी मात्रा के कारण है, जो नमूने पर लेजर फोकलिज़ेशन द्वारा परिभाषित किया गया है और बहुलक घटकों के थर्मल गुणों द्वारा, एएफएम टिप द्वारा जांच किए गए नैनोस्केल क्षेत्र की तुलना में। एक पॉलीस्टाइनिन (पीएस) मनका और एक पॉलीविनाइल अल्कोहल (पीवीए) फिल्म का उपयोग करते हुए, हम पीवीए फिल्म में पीएस की स्थिति के एक समारोह के रूप में सतह विश्लेषण के लिए फोटोथर्मल नैनोस्केल इन्फ्रारेड स्पेक्ट्रोस्कोपी के स्थानिक पदचिह्न का मूल्यांकन करते हैं। नैनोस्केल अवरक्त छवियों पर सुविधा की स्थिति के प्रभाव की जांच की जाती है, और स्पेक्ट्रा का अधिग्रहण किया जाता है। फोटोथर्मल नैनोस्केल इन्फ्रारेड स्पेक्ट्रोस्कोपी के क्षेत्र में भविष्य की प्रगति पर कुछ दृष्टिकोण प्रदान किए जाते हैं, एम्बेडेड पॉलिमरिक संरचनाओं के साथ जटिल प्रणालियों के लक्षण वर्णन पर विचार करते हुए।
Introduction
परमाणु बल माइक्रोस्कोपी (एएफएम) छवि और nanoscale संकल्प 1,2,3 के साथ नमूनों की एक विस्तृत विविधता की आकृति विज्ञान की विशेषता के लिए आवश्यक हो गया है. नमूना सतह के साथ तेज टिप की बातचीत से उत्पन्न एक एएफएम ब्रैकट के विक्षेपण को मापने के द्वारा, स्थानीय कठोरता माप और टिप नमूना आसंजन के लिए नैनोस्केल कार्यात्मक इमेजिंग प्रोटोकॉल 4,5 विकसित किया गया है. नरम संघनित पदार्थ और बहुलक विश्लेषण के लिए, स्थानीय डोमेन के नैनोमैकेनिकल और नैनोकेमिकल गुणों की खोज करने वाले एएफएम माप 6,7,8 के बाद अत्यधिक मांग में हैं। नैनोस्केल इन्फ्रारेड (नैनोआईआर) स्पेक्ट्रोस्कोपी के उद्भव से पहले, एएफएम युक्तियों को एएफएम बल वक्र से विभिन्न डोमेन की उपस्थिति का आकलन करने और टिप-नमूना इंटरैक्शन की प्रकृति में कटौती करने के लिए रासायनिक रूप से संशोधित किया गया था। उदाहरण के लिए, इस दृष्टिकोण का उपयोग उप 50 एनएम स्तर9 पर साइक्लोहेक्सेन-उपचारित पॉलीस्टाइनिन-ब्लॉक-पॉली (टर्ट-ब्यूटाइल एक्रिलेट) ब्लॉक कॉपोलीमर पतली फिल्मों की सतह पर पॉली (टर्ट-ब्यूटाइल एक्रिलेट) के माइक्रोडोमेन के परिवर्तन का अनावरण करने के लिए किया गया था।
एएफएम के साथ अवरक्त (आईआर) प्रकाश के संयोजन का बहुलक विज्ञान6 के क्षेत्र पर महत्वपूर्ण प्रभाव पड़ा है। पारंपरिक आईआर स्पेक्ट्रोस्कोपी बहुलक सामग्री10,11 की रासायनिक संरचना का अध्ययन करने के लिए एक व्यापक रूप से इस्तेमाल की जाने वाली तकनीक है, लेकिन यह व्यक्तिगत चरणों और इंटरपेज़ व्यवहार के बारे में जानकारी प्रदान करने में विफल रहता है, क्योंकि नमूना जांच के लिए उपयोग किए जाने वाले आईआर बीम के आकार की तुलना में क्षेत्र बहुत छोटे हैं। समस्या आईआर माइक्रोस्पेक्ट्रोस्कोपी के साथ रखती है, क्योंकि यह ऑप्टिकल विवर्तन सीमा6 द्वारा प्रतिबंधित है। इस तरह के माप आईआर प्रकाश से उत्साहित पूरे क्षेत्र के योगदान का औसत लेते हैं; जांच क्षेत्र के अंदर नैनोस्केल चरणों की उपस्थिति से उत्पन्न संकेत या तो जटिल उंगलियों के निशान प्रदर्शित करते हैं जिन्हें पोस्ट-प्रोसेसिंग के दौरान विघटित किया जाना चाहिए या पता लगाने योग्य स्तर से नीचे सिग्नल स्तर के कारण खो जाता है। इसलिए, जटिल मीडिया में नैनोस्केल रासायनिक विशेषताओं का पता लगाने के लिए नैनोस्केल स्थानिक संकल्प और उच्च आईआर संवेदनशीलता में सक्षम उपकरण विकसित करना आवश्यक है।
नैनोआईआर स्पेक्ट्रोस्कोपी प्राप्त करने के लिए योजनाएं विकसित की गई हैं, पहले नैनोएंटेना12,13 के रूप में एक धातु एएफएम टिप का उपयोग करके, और हाल ही में नमूना 12,14,15 के आईआर रोशनी के दौरान किए गए फोटोथर्मल विस्तार में परिवर्तन की निगरानी के लिए एएफएम कैंटिलीवर की क्षमता का शोषण करना। उत्तरार्द्ध एक स्पंदित, ट्यून करने योग्य आईआर प्रकाश स्रोत का उपयोग करता है जो जांच की गई सामग्री के अवशोषण बैंड के लिए ट्यून किया जाता है, जिससे नमूना विकिरण को अवशोषित करता है और फोटोथर्मल विस्तार से गुजरता है। यह दृष्टिकोण कार्बनिक और बहुलक सामग्री के लिए अच्छी तरह से अनुकूल है। स्पंदित उत्तेजना एक दोलन के रूप में नमूना सतह के संपर्क में एएफएम ब्रैकट द्वारा प्रभाव का पता लगाने योग्य बनाती है। आवृत्ति स्पेक्ट्रम में मनाया प्रणाली के संपर्क अनुनादों में से एक के आयाम तो AFM टिप15 के नीचे सामग्री के nanoIR अवशोषण स्पेक्ट्रम का गठन जो रोशनी तरंग दैर्ध्य, के एक समारोह के रूप में नजर रखी है. नैनोआईआर इमेजिंग और स्पेक्ट्रोस्कोपी का स्थानिक संकल्प सामग्री के फोटोथर्मल विस्तार के विभिन्न प्रभावों से सीमित है। यह संपर्क मोड एएफएम का उपयोग कर फोटोथर्मल नैनोआईआर स्पेक्ट्रोस्कोपी उप 50 एनएम पैमाने स्थानिक संकल्प14 के साथ सामग्री के कंपन अवशोषण स्पेक्ट्रा गुणों का अधिग्रहण कर सकते हैं, हाल ही में काम मोनोमर्स और α-सिंक्यूक्लिन16,17 के डिमर का पता लगाने का प्रदर्शन के साथ, मूल्यांकन किया गया है. हालांकि, विभिन्न विन्यासों में इकट्ठे विषम बहुलक सामग्रियों पर नैनोआईआर माप के प्रदर्शन का मात्रात्मक अध्ययन, जैसे कि विभिन्न बहुलक फिल्मों की मात्रा में एम्बेडेड परिमित आयामों के अवशोषक का मामला, सीमित रहता है।
इस लेख का उद्देश्य सतह विश्लेषण के दौरान नैनोआईआर के फोटोथर्मल विस्तार और स्थानिक संकल्प की संवेदनशीलता का मूल्यांकन करने के लिए एक ज्ञात आयाम की एक एम्बेडेड विशेषता के साथ एक बहुलक विधानसभा बनाना है। प्रोटोकॉल में एक सिलिकॉन सब्सट्रेट पर एक पॉलीविनाइल अल्कोहल (पीवीए) बहुलक पतली फिल्म की तैयारी और पीवीए फिल्म में तीन आयामी पॉलीस्टायर्न (पीएस) मनका की नियुक्ति या एम्बेडेड शामिल है, जो मॉडल प्रणाली के गठन का गठन करता है। नैनोआईआर इमेजिंग और स्पेक्ट्रोस्कोपी माप पीवीए फिल्म पर या उसके नीचे स्थित एक ही पीएस मनका द्वारा उत्पन्न संकेतों के मूल्यांकन के संदर्भ में वर्णित हैं। नैनोआईआर संकेतों पर मनका स्थिति के प्रभाव का मूल्यांकन किया जाता है। नैनोआईआर मानचित्र में मनका के स्थानिक पदचिह्न का आकलन करने के तरीकों पर चर्चा की जाती है, और कई मापदंडों के प्रभावों पर विचार किया जाता है।
Protocol
Representative Results
Discussion
नैनोआईआर स्पेक्ट्रोस्कोपी के साथ संयुक्त एएफएम संपर्क मोड में एक ब्रैकट और एक स्पंदित ट्यून करने योग्य आईआर प्रकाश स्रोत का उपयोग करके नैनोस्केल रासायनिक जानकारी प्रदान कर सकता है। मॉडल सिस्टम, जैस?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
यह काम राष्ट्रीय विज्ञान फाउंडेशन (NSF CHE-1847830) द्वारा समर्थित किया गया था।
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 |
References
- Dufrêne, Y. F., Viljoen, A., Mignolet, J., Mathelié-Guinlet, M. AFM in cellular and molecular microbiology. Cellular Microbiology. 23 (7), e13324 (2021).
- Sharma, A., Rout, C. S. Probe-based techniques for 2D layered materials. Advanced Analytical Techniques for Characterization of 2D Materials. , 1-14 (2022).
- Zhong, J., Yan, J. Seeing is believing: atomic force microscopy imaging for nanomaterial research. RSC Advances. 6 (2), 1103-1121 (2016).
- Olubowale, O. H., et al. 34;May the force be with you!" Force-volume mapping with atomic force microscopy. ACS Omega. 6 (40), 25860-25875 (2021).
- Dokukin, M. E., Sokolov, I. Quantitative mapping of the elastic modulus of soft materials with HarmoniX and PeakForce QNM AFM modes. Langmuir. 28 (46), 16060-16071 (2012).
- Nguyen-Tri, P., et al. Recent applications of advanced atomic force microscopy in polymer science: a review. Polymers. 12 (5), 1142 (2020).
- Vitry, P., et al. Mode-synthesizing atomic force microscopy for 3D reconstruction of embedded low-density dielectric nanostructures. Nano Research. 8 (7), 2199-2205 (2015).
- Coste, R., Pernes, M., Tetard, L., Molinari, M., Chabbert, B. Effect of the interplay of composition and environmental humidity on the nanomechanical properties of hemp fibers. ACS Sustainable Chemistry & Engineering. 8 (16), 6381-6390 (2020).
- Schönherr, H., Feng, C. L., Tomczak, N., Vancso, G. J. Compositional mapping of polymer surfaces by chemical force microscopy down to the nanometer scale: reactions in block copolymer microdomains. Macromolecular Symposia. 230 (1), 149-157 (2005).
- Holland-Moritz, K., Siesler, H. W. Infrared spectroscopy of polymers. Applied Spectroscopy Reviews. 11 (1), 1-55 (1976).
- Bhargava, R., Wang, S. Q., Koenig, J. L. FTIR microscpectrscopy of polymeric systems. Liquid Chromatography/FTIR Microspectroscopy/Microwave Assisted Synthesis. , 137-191 (2003).
- Rao, V. J., et al. AFM-IR and IR-SNOM for the characterization of small molecule organic semiconductors. The Journal of Physical Chemistry C. 124 (9), 5331-5344 (2020).
- Wang, H., Wang, L., Xu, X. G. Scattering-type scanning near-field optical microscopy with low-repetition-rate pulsed light source through phase-domain sampling. Nature Communications. 7 (1), 13212 (2016).
- Dazzi, A., Prater, C. B. AFM-IR: Technology and applications in nanoscale infrared spectroscopy and chemical imaging. Chemical Reviews. 117 (7), 5146-5173 (2017).
- Mathurin, J., et al. Photothermal AFM-IR spectroscopy and imaging: Status, challenges, and trends. Journal of Applied Physics. 131 (1), 010901 (2022).
- Miller, A., et al. Enhanced surface nanoanalytics of transient biomolecular processes. Science Advances. 9 (2), 3151 (2023).
- Emin, D., et al. Small soluble α-synuclein aggregates are the toxic species in Parkinson’s disease. Nature Communications. 13 (1), 5512 (2022).
- Jardine, K., Dove, A., Tetard, L. AFM force measurements to explore grain contacts with relevance for planetary materials. The Planetary Science Journal. 3 (12), 273 (2022).
- Sader, J. E., Chon, J. W. M., Mulvaney, P. Calibration of rectangular atomic force microscope cantilevers. Review of Scientific Instruments. 70 (10), 3967-3969 (1999).
- Higgins, M. J., et al. Noninvasive determination of optical lever sensitivity in atomic force microscopy. Review of Scientific Instruments. 77 (1), 013701 (2006).
- Smith, B. The infrared spectra of polymers III: hydrocarbon polymers. Spectroscopy. 36 (11), 22-25 (2021).
- Korbag, I., Mohamed Saleh, S. Studies on the formation of intermolecular interactions and structural characterization of polyvinyl alcohol/lignin film. International Journal of Environmental Studies. 73 (2), 226-235 (2016).
- Tetard, L., Passian, A., Farahi, R. H., Thundat, T., Davison, B. H. Opto-nanomechanical spectroscopic material characterization. Nature Nanotechnology. 10 (10), 870-877 (2015).
- Bai, Y., Yin, J., Cheng, J. -. X. Bond-selective imaging by optically sensing the mid-infrared photothermal effect. Science Advances. 7 (20), (2021).
