Chemical Review: 突破衍射光学极限的AFM-IR技术及应用
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美国化学学会ACS旗下的旗舰期刊之一Chemical Review （2015影响因子为37.369）最新发表一篇长文综述，AFM-IR: Technology and Applications in Nanoscale Infrared Spectroscopy and Chemical Imaging。这篇综述讨论了最近几年刚发展起来的一种纳米分辨率化学成像技术AFM-IR的发展历史，工作原理，及其相关应用，为微区化学分析以及超材料研究的科研工作者带来一种全新的分析技术。该文作者为Université Paris-Sud （巴黎第十一大学）的Alexandre Dazzi教授和美国Anasys Instruments的Craig Prater博士。
另请关注今日三条：视频级成像AFM。
红外光谱 (Infrared Spectroscopy, IR) 分析技术是目前所有实验室用于化学成分分析最普遍的手段。红外光谱的研究始于 20 世纪初，自1940 年红外光谱仪问世，红外光谱在有机化学研究中广泛应用。其工作原理是在有机物分子中，组成化学键或官能团的原子处于不断振动的状态，其振动频率与红外光的振动频率相当。所以用红外光照射有机物分子时，分子中的化学键或官能团可发生振动吸收，不同的化学键或官能团吸收频率不同，在红外光谱上将处于不同位置，从而可获得分子中含有何种化学键或官能团的信息，所以红外光谱是物质定性的重要的方法之一。它的解析能够提供许多关于官能团的信息，可以帮助确定部分乃至全部分子类型及结构。其定性分析有特征性高、分析时间短、需要的试样量少、不破坏试样、测定方便等优点。
自红外光谱仪发明以来，特别是傅立叶红外光谱技术 (FTIR) 的出现，虽然测试速度和灵敏度大大提高，但其空间分辨率受限于其波长，所以极限分辨率基本在其波长范围，这就是大家熟知的Abbe极限。以中红外为例，大约在10-30微米。所以红外光谱仪无法对于多组分材料中尺寸小于10微米的单一组分进行表征，只能得到宏观的成分信息。
80年代发展起来的傅里叶变换衰减全反射红外光谱法 (ATR-FTIR) 可以实现测量直径达数微米，一般极限为3微米。其工作原理为：从光源发出的红外光经过折射率大的晶体再投射到折射率小的试样表面上,当入射角大于临界角时,入射光线就会产生全反射.事实上红外光并不是全部被反射回来,而是穿透到试样表面内一定深度后再返回表面在该过程中,试样在入射光频率区域内有选择吸收,反射光强度发生减弱,产生与透射吸收相类似图,从而获得样品表层化学成份的结构信息。
随着材料科学的发展，越来越多的科研人员对微米尺度以下的化学组分分析感兴趣，比如微米级的层状结构，纳米纤维，改性聚合物，有机无机杂化材料，有机太阳能电池，MOF材料等等，对于化学组分分辨率的期望一般是低于100纳米，理想情况是数十纳米。目前共聚焦拉曼可以实现亚微米级的化学成分分析，实际分辨率一般为700纳米到1微米，对于100纳米分辨率的期望还有些距离，同时由于拉曼信号较弱，加上背景荧光较强，所以应用范围受到限制。而另外一种高分辨成像技术—针尖增强拉曼技术（TERS）虽然可以实现10纳米化学分辨率，但由于拉曼信号弱，针尖要求特殊，对实验人员的操作技能要求非常高以及数据结果重复性低等原因大大限制了其应用。
法国的Alexandre Dazzi教授2005年在Optics Letter上提出一种全新的测试技术，基于红外光热诱导原理 (photothermal induced resonance-PTIR) 的AFM-IR技术很好地解决了分辨率，信号和操作性的问题，使得纳米微区 (低于100纳米) 化学成像和红外光谱采集成为可能，并广泛应用于各种有机物，生物材料等。这也成功解决了一直以来原子力显微镜想实现的化学成像，因为它本身就是一台原子力显微镜和红外激光联用系统。
其工作原理如图所示：一束可调脉冲红外激光聚焦到样品上，脉冲频率为kHz数量级，可达几十或者几百kHz. 样品在脉冲激光作用下，会产生非常强的光热诱导热膨胀效应，即样品会在极短的时间范围内（通常为几百纳秒）产生热膨胀，膨胀变形量在亚纳米级别。在单个脉冲过程中激光能量关掉之后的时间内又发生形变的恢复。在脉冲连续变波长的情况下会出现有意思的现象：膨胀形变量是和材料对红外吸收成正比，即在红外吸收峰的波数下诱导膨胀大大增加。Dazzi教授巧妙地用具有超高灵敏度的原子力显微镜探针去检测这种形变，将探针检测到的脉冲形变信号转换为谱图，得到的谱图和红外光谱仪得到的光谱严格一致。这种方法原理非常直观，得到的光谱质量比较高，成为纳米化学分析工作者的福音。
同时在接触模式下检测得到的形变信号在单一脉冲时间内是逐渐衰减的，而这种衰减频率又跟材料的力学性能直接相关。所以通过PTIR方法在得到纳米红外光谱的同时，还可以同时得到材料的纳米机械性能，这是其他方法所无法实现的。在得到材料的红外光谱的情况下，可以选定波数进行化学成像，即对特定官能团所代表的成分进行二维表征，目前空间分辨率已经可以实现10纳米。同时采用一种接触共振技术可以实现单分子层的化学解析：得到微区的纳米红外光谱以及高分辨的化学成像。所以说这种纳米红外光谱应该算近十年来光谱领域最大的技术进步。
这种技术对于有机物等材料应用非常好，解决了长久以来很多其他技术没法解决的问题，在本篇综述中概括了
1） 高分子领域：高分子聚合物，多层结构，高分子纤维，导电高分子材料，高分子医学材料的失效分析以及各种包覆结构；
2） 生命科学领域：植物的光合作用机理，细胞，组织，蛋白分离以及第二相结构，药学；
3） 其他材料领域：钙钛矿有机太阳能电池，纳米光学和等离子学，半导体以及文物保护等。
下面我们就挑取几个比较典型的应用例子，值得指出的是文章中大幅引用了我国中国科学院长春应化所苏朝辉研究员发表在2016 Analysis Chemistry上关于高分子聚合物纳米微区定量研究的结果。
在金基底上自组装的PEG单分子的纳米化学研究，左上图为AFM形貌图，右上图为在1340 cm-1下的红外吸收化学成像，可观察到几十纳米分辨率的化学组分分布。 1340 cm-1对应的是CH2官能团，下图为AFM-IR得到的红外光谱。
100%ABS聚合物材料，左图为原子力显微镜形貌图，中图为在3025 cm-1下的红外吸收化学分布图，右图为得到的对应的纳米力学性能分布。
中国科学院长春应化所苏朝辉研究员课题组利用纳米红外AFM-IR对高抗冲聚丙烯共聚物材料对其三种不同微区组分进行的定量分析。首先他们用表样对AFM-IR和FTIR光谱进行比较，发现两种方法得到的红外光谱严格一致，然后进一步制备不同组分的材料进行标定从而实现了定量表征。
纳米红外技术对于多层结构的聚合物研究。在1450 cm-1下的化学成像比较清楚地揭示了层状结构的不均匀，在某些层状区域出现了明细的缺陷。对于这种数百纳米的微小结构，也是这种纳米红外技术下第一次实现了表征。
利用纳米红外光谱技术对于多层膜包装材料进行逆向工程分析。最薄的一层厚度低于2微米。采用纳米红外光谱技术可以对每层进行宽范围的化学光谱分析。由于其波峰的准确性，数据可以直接同傅立叶红外光谱数据库进行查询，得到定性的化学组分鉴定。
红外光谱一直在生命科学领域应用比较广，纳米红外的高分辨特点使得对于更细微的可视化化学分布变得可能。目前在细菌，细胞，植物中光合作用的类脂化合物，细菌产生的PHB，纳米颗粒和细胞的相互作用，骨头中矿物和蛋白分布，蛋白分离以及第二相等等。
细菌中的TAG分布。左图为细菌的形貌图，中图为1740 cm-1下的化学成像，其分布代表了TAG的结构，可以看到很多TAG的尺寸小于100纳米。右图为在细菌上采集的纳米红外光谱。
MCF-7乳腺癌细胞。A图和B图是同一区域的形貌和1650cm-1下的Amide I 官能团分布，代表蛋白的浓度分布。C和D图是同一细胞在1080和1925 cm-1下成像，分别代表DNA和RNA的分布。
结合荧光成像对MCF-7乳腺癌细胞研究，中图是在1920波数下的化学成像，代表mestranol的位置，右图是荧光成像，其中蓝色代表细胞核，绿色代表Scompi.可以看出纳米红外化学分布的结果和荧光结果非常一致。
纳米药学相关应用，灰黄霉素颗粒分布在羟丙甲纤维素中。右边的化学组分分布是在1625 cm-1成像，蓝色区域代表低红外吸收，其他颜色代表的是灰黄霉素的分布。
纳米红外对钙钛矿有机太阳能电池中的电学迁移研究。在电池不施加电压和施加电压不同时间后甲基铵所对应的CH3官能团的迁移，其对应的特征峰是1468cm-1. 这也是第一次可视化在电池充放电过程中的化学成分的变化过程。
纳米红外在超材料--开口谐振环上的应用，美国国家标准局的Centrone组制备了表面增强红外效应的开口谐振环。上图为这种超材料在不同波数下的红外吸收图，展现了在不同的波长下的共振效应。图a是在谐振腔不同位置上的红外吸收谱，白色箭头对应的是入射辐射电场的方向，标尺为500纳米。
纳米红外光谱技术还可以对表面等离子共振进行表征，上图为微米尺寸InAs柱状结构的等离子共振图。远场技术已经用来表征这种结构，但这种结构的尺寸和等离子增强的分布都低于衍射极限。而纳米红外可以很好地对等离子增强效应的欧姆热效应进行很好的表征。
为了表彰Dazzi教授在纳米红外光谱上的贡献，他获得了2014年Ernst Abbe奖。Abbe衍射极限是以这名德国科学家命名，而Ernst Abbe奖则是为了表彰突破衍射极限技术的科学家。
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