Progressi nella spettroscopia infrarossa su scala nanometrica per esplorare sistemi polimerici multifase

Summary

Questo protocollo descrive l’applicazione della microscopia a forza atomica e della spettroscopia infrarossa su scala nanometrica per valutare le prestazioni della spettroscopia infrarossa fototermica su scala nanometrica nella caratterizzazione di campioni multipolimerici tridimensionali.

Abstract

I sistemi polimerici multifase comprendono domini locali con dimensioni che possono variare da poche decine di nanometri a diversi micrometri. La loro composizione viene comunemente valutata utilizzando la spettroscopia infrarossa, che fornisce un’impronta digitale media dei vari materiali contenuti nel volume sondato. Tuttavia, questo approccio non offre alcun dettaglio sulla disposizione delle fasi nel materiale. Anche le regioni interfacciali tra due fasi polimeriche, spesso nell’ordine della nanoscala, sono di difficile accesso. La spettroscopia infrarossa fototermica su scala nanometrica monitora la risposta locale dei materiali eccitati dalla luce infrarossa con la sonda sensibile di un microscopio a forza atomica (AFM). Mentre la tecnica è adatta per interrogare piccole caratteristiche, come singole proteine su superfici d’oro incontaminate, la caratterizzazione di materiali multicomponenti tridimensionali è più elusiva. Ciò è dovuto a un volume relativamente grande di materiale sottoposto a espansione fototermica, definito dalla focalizzazione laser sul campione e dalle proprietà termiche dei costituenti polimerici, rispetto alla regione su scala nanometrica sondata dalla punta AFM. Utilizzando una perla di polistirene (PS) e una pellicola di alcol polivinilico (PVA), valutiamo l’impronta spaziale della spettroscopia infrarossa fototermica su scala nanometrica per l’analisi della superficie in funzione della posizione di PS nella pellicola PVA. L’effetto della posizione della caratteristica sulle immagini infrarosse su scala nanometrica viene studiato e gli spettri vengono acquisiti. Vengono fornite alcune prospettive sui futuri progressi nel campo della spettroscopia infrarossa fototermica su scala nanometrica, considerando la caratterizzazione di sistemi complessi con strutture polimeriche incorporate.

Introduction

La microscopia a forza atomica (AFM) è diventata essenziale per l’imaging e la caratterizzazione della morfologia di un’ampia varietà di campioni con risoluzione^su scala nanometrica ^1,2,3. Misurando la deflessione di un cantilever AFM risultante dall’interazione della punta affilata con la superficie del campione, sono stati sviluppati protocolli di imaging funzionale su scala nanometrica per le misurazioni della rigidità locale e l’adesione punta-campione ^4,5. Per l’analisi di materia condensata soffice e polimeri, le misure AFM che esplorano le proprietà nanomeccaniche e nanochimiche dei domini locali sono molto ricercate ^6,7,8. Prima dell’emergere della spettroscopia infrarossa su scala nanometrica (nanoIR), le punte AFM sono state modificate chimicamente per valutare la presenza di diversi domini dalla curva di forza AFM e dedurre la natura dell’interazione punta-campione. Ad esempio, questo approccio è stato utilizzato per svelare la trasformazione di microdomini di poli(terz-butile acrilato) sulla superficie di film sottili di copolimero a blocchi di polistirene trattato con cicloesano a blocchi di poli(terz-butile acrilato) al livello^{inferiore a 50 nm 9}.

La combinazione della luce infrarossa (IR) con l’AFM ha avuto un impatto significativo sul campo della scienza dei polimeri⁶. La spettroscopia IR convenzionale è una tecnica ampiamente utilizzata per studiare la struttura chimica dei materiali polimerici^10,11, ma non riesce a fornire informazioni sulle singole fasi e sul comportamento delle interfasi, poiché le regioni sono troppo piccole rispetto alle dimensioni del fascio IR utilizzato per sondare il campione. Il problema è con la microspettroscopia IR, in quanto è limitata dal limite di diffrazione ottica⁶. Tali misure fanno la media dei contributi dell’intera regione eccitata dalla luce IR; I segnali risultanti dalla presenza di fasi su scala nanometrica all’interno della regione sondata mostrano impronte digitali complesse che dovrebbero essere decontorte durante la post-elaborazione o vengono perse a causa di un livello di segnale inferiore al livello rilevabile. Pertanto, è essenziale sviluppare strumenti in grado di ottenere una risoluzione spaziale su scala nanometrica e un’elevata sensibilità IR per esplorare le caratteristiche chimiche su scala nanometrica in mezzi complessi.

Sono stati sviluppati schemi per ottenere la spettroscopia nanoIR, in primo luogo utilizzando una punta metallica AFM come nanoantenna^12,13 e più recentemente sfruttando la capacità del cantilever AFM di monitorare i cambiamenti nell’espansione fototermica subita durante l’illuminazione IR del campione 12,14,15. Quest’ultimo utilizza una sorgente di luce IR pulsata sintonizzabile su una banda di assorbimento del materiale sondato, che fa sì che il campione assorba la radiazione e subisca un’espansione fototermica. Questo approccio è adatto per materiali organici e polimerici. L’eccitazione pulsata rende l’effetto rilevabile dal cantilever AFM a contatto con la superficie del campione sotto forma di oscillazione. L’ampiezza di una delle risonanze di contatto del sistema osservata nello spettro di frequenza viene quindi monitorata in funzione della lunghezza d’onda dell’illuminazione, che costituisce lo spettro di assorbimento nanoIR del materiale sotto la punta^{AFM 15}. La risoluzione spaziale dell’imaging e della spettroscopia nanoIR è limitata da vari effetti dell’espansione fototermica del materiale. E’ stato valutato che la spettroscopia fototermica nanoIR utilizzando la modalità di contatto AFM può acquisire le proprietà degli spettri di assorbimento vibrazionale di materiali con risoluzione spaziale su scala inferiore a 50 nm¹⁴, con lavori recenti che dimostrano la rilevazione di monomeri e dimeri di α-sinucleina^16,17. Tuttavia, gli studi quantitativi sulle prestazioni delle misure di nanoIR su materiali polimerici eterogenei assemblati in varie configurazioni, come nel caso di assorbitori di dimensioni finite incorporati nel volume di vari film polimerici, rimangono limitati.

Questo articolo ha lo scopo di creare un assemblaggio polimerico con una caratteristica incorporata di una dimensione nota per valutare la sensibilità dell’espansione fototermica e la risoluzione spaziale del nanoIR durante l’analisi della superficie. Il protocollo riguarda la preparazione di un film sottile di polimero di alcol polivinilico (PVA) su un substrato di silicio e il posizionamento di una perla di polistirene (PS) tridimensionale sopra o incorporata nel film di PVA, che costituisce la formazione del sistema modello. L’imaging nanoIR e le misure di spettroscopia sono descritte nel contesto della valutazione dei segnali generati dalla stessa perla PS posizionata sopra o sotto il film PVA. Viene valutata l’influenza della posizione delle microsfere sui segnali nanoIR. Vengono discussi i metodi per valutare l’impronta spaziale del cordone nella mappa nanoIR e vengono considerati gli effetti di diversi parametri.

Protocol

1. Preparazione di una soluzione di alcol polivinilico (PVA) Misurare l’acqua e i pellet polimerici PVA (vedere la tabella dei materiali) per creare una soluzione da 10 mL con un rapporto PVA/acqua del 20% in peso. Scaldare l’acqua nella vetreria su una piastra calda impostata a 100 °C. Mettere i pellet di polimero PVA nell’acqua riscaldata. Inserire una barra di agitazione magnetica. Ridurre la fiamma a 80 °C e mescolare fino a quando il PVA non…

Representative Results

Le perle di PS ((C8H8)n) sono state depositate su un substrato di Si pulito (Figura 1A) e su PVA ((CH2CHOH)n) (Figura 1B,C). A causa della scarsa adesione della perla sul Si, non è stato possibile acquisire l’imaging nanoIR in modalità di contatto per questo campione. Invece, utilizzando la vista ottica del campione su nanoIR, la sonda AFM rivestita d’oro è stata impegnata sulla parte sup…

Discussion

L’AFM combinato con la spettroscopia nanoIR può fornire informazioni chimiche su scala nanometrica utilizzando una trave a sbalzo in modalità di contatto e una sorgente di luce IR sintonizzabile pulsata. I sistemi di modellazione, come l’inclusione di un assorbitore con dimensioni finite nel volume di un materiale polimerico, sono importanti per migliorare la comprensione dei meccanismi di formazione dell’immagine e per determinare le prestazioni dello strumento. Nel caso della configurazione PS/PVA qui presentata, è …

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