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現(xiàn)在納米尺度下對材料進行無損化學(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題，但是這些技術(shù)本身的化學(xué)敏感度太低，已經(jīng)無法滿足現(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的衍射極限限制，只能達到微米級別，因此也無法進行納米級別的化學(xué)鑒定。 德國neaspec公司利用其的散射型近場光學(xué)技術(shù)發(fā)展出來的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現(xiàn)對幾乎所有材料的化學(xué)分辨。因而，現(xiàn)代化學(xué)分析的納米新時代從此開始。 neaspec公司的散射型近場技術(shù)通過干涉性探測針尖掃描樣品表面時的反向散射光，同時得到近場信號的光強和相位信號。當(dāng)使用寬波紅外激光照射AFM針尖時，即可獲得針尖下方10nm區(qū)域內(nèi)的紅外光譜，即nano-FTIR.

nano-FTIR光譜與標準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)研究和實際應(yīng)用方面都具有重要意義，因為研究者可以將nano-FTIR光譜與已經(jīng)廣泛建立的傳統(tǒng)FTIR光譜數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行對比，從而實現(xiàn)快速準確的進行納米尺度下的材料化學(xué)分析。對化學(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
• 標準光譜分辨率: 6.4/cm-1
• 保護的無背景探測技術(shù)
• 基于優(yōu)化的傅里葉變換光譜儀
• 采集速率： Up to 3 spectra /s
• 高性能近場光譜顯微優(yōu)化的探測模塊
• 可升級光譜分辨率：3.2/cm-1
• 適合探測區(qū)間：可見，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，流感病毒已被用作包膜病毒的原型來研究病毒進入宿主細胞的過程。IFV中血凝素（HA）是嵌入IFV包膜的主要表面糖蛋白。 HA負責(zé)IFV與宿主細胞受體的連接，并在病毒進入過程中參與介導(dǎo)膜融合。眾多研究已經(jīng)為靶標和病毒膜之間的融合機制建立了一個的模型。該模型認為只有在靶標和病毒膜發(fā)生膜融合時才可形成孔從而介導(dǎo)病毒-細胞膜滲透行為。然而，其他報道也觀察到在融合發(fā)生之前靶標和病毒膜的破裂。此外，關(guān)于腺病毒蛋白與宿主細胞的研究顯示，宿主細胞膜可能在沒有膜融合的情況下被破壞而進入病毒。另一方面，病毒包膜和靶宿主細胞膜具有不同的化學(xué)組成或結(jié)構(gòu)，各個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立地被誘導(dǎo)。

綜上所述，關(guān)于病毒-細胞膜滲透行為的機理還存在一定的爭議，明確單個病毒與宿主細胞的復(fù)雜融合機制，可為設(shè)計抗病毒化合物提供有利信息。然而，常規(guī)的病毒整體融合測定法是對膜融合事件的集體響應(yīng)，不能對細微、尤其是在納米尺度復(fù)雜的融合細節(jié)進行直接和定量的研究，因此無法直接量化一些可以通過研究單個病毒、納米尺度表面糖蛋白和脂包膜來獲得的融合細節(jié)。例如，病毒感染過程在分子水平上引起的病毒膜和宿主細胞膜的化學(xué)和結(jié)構(gòu)組成改變，可以通過分子特異性紅外光譜技術(shù)來探測。然而，單個病毒、表面糖蛋白和脂包膜尺寸小于紅外光的衍射極限，限制了單個病毒的紅外光譜研究。因此，找到一個既可以提供納米高空間分辨率，還能探測機械、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程是十分重要的。

來自美國喬治亞大學(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，還定量評估了在環(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入細胞的新機制。

詳細信息閱讀：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)家實現(xiàn)單病毒膜滲透行為研究進展

參考文獻：[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100nm尺寸的污染物，但是其化學(xué)成分無法從該圖像中判斷。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。通過對nano-FTIR獲得的吸收譜線與標準FTIR數(shù)據(jù)庫中譜線進行比對，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小的污染物。機械相位圖像中（中），對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Ａ和Ｂ的nano-FTIR 吸收光譜（右），與標準紅外光譜數(shù)據(jù)庫對比， 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。這些實驗數(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較大。

參考文獻：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)對磷酸鐵鋰在鋰電池的充放電過程中的相位分布進行了具體的研究。根據(jù)對不同充放電階段的正極材料紅外吸收光譜的研究，實驗結(jié)果直接證明，充放電的中間過程部分脫鋰的正極材料同時存在磷酸鐵鋰與磷酸鐵兩種相位。通過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)”模型解釋該實驗所得結(jié)果。分析表明在脫鋰的過程中，核心部分的磷酸鐵鋰慢慢的變小直至最終消失。

參考文獻： I. T. Lucas ; et. al. IR Near-Field Spectroscopy and Imaging of Single LixFePO4 Microcrystals. Nano Letters 2015, 15, 1-7.