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Un microscopio de fuerza atómica con su computadora de control

AFM-IR ( espectroscopia infrarroja de microscopio de fuerza atómica) pertenece a una familia de técnicas [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11 ] [12] [13] [14] [15] que se derivan de una combinación de dos técnicas instrumentales parentales; espectroscopía infrarroja y microscopía de sonda de barrido (SPM). El término se utilizó por primera vez para denotar un método que combinaba un láser de electrones libres sintonizable con un microscopio de fuerza atómica (un tipo de SPM) equipado con una sonda afilada que medía la absorción local deluz infrarroja por una muestra; requería que la muestra estuviera acoplada a un prisma transparente al infrarrojo y tuviera un grosor inferior a 1 μm. Mejoró la resolución espacial de las técnicas fototérmicas basadas en AFM de micrones [7] a aproximadamente 100 nm. [8] [9] [10]

El registro de la cantidad de absorción de infrarrojos en función de la longitud de onda o el número de onda crea un espectro de absorción de infrarrojos que se puede utilizar para caracterizar químicamente e incluso identificar materiales desconocidos. [12] [15] [16] El registro de la absorción de infrarrojos en función de la posición se puede utilizar para crear mapas de composición química que muestren la distribución espacial de diferentes componentes químicos. Nuevas extensiones de la técnica AFM-IR original y técnicas anteriores [1] [2] [3] [4] [6] [7] [16] han permitido el desarrollo de dispositivos de sobremesa con capacidad nanométricaresolución espacial, que no requieren un prisma y pueden funcionar con muestras más gruesas, lo que mejora enormemente la facilidad de uso y amplía la gama de muestras que se pueden analizar. Una de estas técnicas ha logrado resoluciones espaciales de alrededor de 20 nm, con una sensibilidad de la escala de monocapa molecular [17]

AFM-IR está relacionado con técnicas como la espectroscopía Raman mejorada con punta (TERS), microscopía óptica de campo cercano de barrido (SNOM), [18] nano-FTIR y otros métodos de análisis vibracional con microscopía de sonda de barrido.

Historia [ editar ]

Microscopio de fuerza atómica dentro de un espectrómetro FTIR con interfaz óptica
Izquierda: la configuración original de AFM-IR con iluminación lateral inferior y la muestra montada en un prisma transparente al infrarrojo. Derecha: iluminación de la parte superior, que permite mediciones de muestras en sustratos arbitrarios

Las primeras mediciones que combinan AFM con espectroscopia infrarroja fueron realizadas en 1999 por Hammiche et al . en la Universidad de Lancaster en el Reino Unido, [1] en un proyecto financiado por EPSRC dirigido por M Reading y HM Pollock. Por separado, Anderson en el Laboratorio de Propulsión a Chorro en los Estados Unidos hizo una medición relacionada en 2000. [2] Ambos grupos utilizaron un espectrómetro infrarrojo de transformada de Fourier convencional(FTIR) equipado con una fuente térmica de banda ancha, la radiación se enfocó cerca de la punta de una sonda que estaba en contacto con una muestra. El grupo de Lancaster obtuvo espectros detectando la absorción de radiación infrarroja utilizando una sonda térmica sensible a la temperatura. Anderson [2] adoptó el enfoque diferente de utilizar una sonda AFM convencional para detectar la expansión térmica . Informó de un interferograma pero no de un espectro; el primer espectro infrarrojo obtenido de esta manera fue informado por Hammiche et al . en 2004: [6] esto representó la primera prueba de que se podía obtener información espectral sobre una muestra utilizando este enfoque.

Ambos de estos primeros experimentos utilizaron una fuente de banda ancha junto con un interferómetro; estas técnicas podrían, por tanto, denominarse AFM-FTIR aunque Hammiche et al . acuñaron el término más general de microespectroscopía fototérmica o PTMS en su primer artículo. [1] PTMS tiene varios subgrupos; [19] incluidas técnicas que miden la temperatura [1] [3] [4] [6] [7] [14] [20] miden la expansión térmica [2] [6] [8] [9] [10] [11] [12] [13] utilizan fuentes de banda ancha. [1] [2] [3] [4][6] [7] usan láseres [8] [9] [10] [11] [12] [20] excitan la muestra usando ondas evanescentes, [8] [9] [10] [11] [15] iluminan el muestra directamente desde arriba [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [12] [14] [17] [20] etc. y diferentes combinaciones de estos. Básicamente, todos aprovechan el efecto fototérmico. Diferentes combinaciones de fuentes, métodos, métodos de detección y métodos de iluminación tienen beneficios para diferentes aplicaciones. [6]Se debe tener cuidado para asegurarse de que esté claro qué forma de PTMS se está utilizando en cada caso. Actualmente no existe una nomenclatura universalmente aceptada. La técnica original denominada AFM-IR que inducía el movimiento resonante en la sonda utilizando un láser de electrones libres se ha desarrollado explotando las permutaciones anteriores de modo que ha evolucionado en varias formas.

Los experimentos pioneros de Hammiche et al y Anderson tenían una resolución espacial limitada debido a la difusión térmica, la propagación del calor lejos de la región donde se absorbía la luz infrarroja. La longitud de difusión térmica (la distancia que se extiende el calor) es inversamente proporcional a la raíz de la frecuencia de modulación. En consecuencia, la resolución espacial lograda por los primeros enfoques AFM-IR fue de alrededor de una micra o más, debido a las bajas frecuencias de modulación de la radiación incidente creada por el movimiento del espejo en el interferómetro. Además, las primeras sondas térmicas fueron dispositivos de alambre Wollaston [1] [2] [3] [4] [5] [6] que fueron desarrollados originalmente paraAnálisis microtérmico [21] (de hecho, el PTMS se consideró originalmente como parte de una familia de técnicas microtérmicas [4] ). El tamaño comparativamente grande de estas sondas también limitó la resolución espacial. Bozec y col . [3] y Reading et al . [7] utilizó sondas térmicas con dimensiones a nanoescala y demostró una mayor resolución espacial. Ye et al [22] describieron una sonda térmica tipo MEM que proporciona una resolución espacial inferior a 100 nm, que utilizaron para análisis nanotérmicos. El proceso de exploración de fuentes láser comenzó en 2001 por Hammiche et al cuando adquirieron el primer espectro utilizando un láser sintonizable ( verMejora de resolución con fuente de láser pulsado ).

Un avance significativo fue la creación de Reading et al . en 2001 [4] de una interfaz personalizada que permitía realizar mediciones mientras se iluminaba la muestra desde arriba; esta interfaz enfocó el haz infrarrojo a un punto de alrededor de 500 μm de diámetro, cercano al máximo teórico [Nota 1] . El uso de iluminación desde arriba hacia abajo o desde arriba tiene la importante ventaja de que se pueden estudiar muestras de espesores arbitrarios en sustratos arbitrarios. En muchos casos, esto se puede hacer sin ninguna preparación de la muestra. Todos los experimentos posteriores de Hammiche, Pollock, Reading y sus colaboradores se realizaron utilizando este tipo de interfaz, incluido el instrumento construido por Hill et al . para la obtención de imágenes a nanoescala utilizando un láser pulsado. [12]El trabajo del grupo de la Universidad de Lancaster en colaboración con trabajadores de la Universidad de East Anglia condujo a la formación de una empresa, Anasys Instruments, para explotar esta y tecnologías relacionadas [23] ( ver Comercialización ).

Mejora de la resolución con fuentes de láser pulsado [ editar ]

Un oscilador paramétrico óptico infrarrojo (OPO), 1997
Esquema del instrumento AFM-IR utilizando una fuente de luz OPO construida en la Universidad de East Anglia por Hill et al en 2007 [12]

En el primer artículo sobre infrarrojos basados ​​en AFM de Hammiche et al ., [1] se esbozaron las consideraciones teóricas relevantes bien establecidas que predicen que se puede lograr una alta resolución espacial utilizando frecuencias de modulación rápidas debido a la consiguiente reducción en la longitud de difusión térmica . Estimaron que deberían ser alcanzables resoluciones espaciales en el rango de 20 nm-30 nm. [24] Las fuentes más fácilmente disponibles que pueden lograr altas frecuencias de modulación son los láseres pulsados: incluso cuando la rapidez de los pulsos no es alta, la forma de onda cuadrada de un pulso contiene frecuencias de modulación muy altas en el espacio de Fourier. En 2001, Hammiche et al . utilizó un tipo de láser infrarrojo pulsado, sintonizable de sobremesa, conocido comooscilador paramétrico óptico u OPO y obtuvieron el primer espectro infrarrojo basado en sonda con un láser pulsado, sin embargo, no reportaron ninguna imagen [16]

Las imágenes AFM-IR de resolución espacial a nanoescala utilizando un láser pulsado fueron demostradas por primera vez por Dazzi et al [8] en la Universidad de Paris-Sud , Francia. Dazzi y sus colegas utilizaron un láser de electrones libres de longitud de onda sintonizable en las instalaciones de CLIO [Nota 2] en Orsay, Francia, para proporcionar una fuente de infrarrojos con pulsos cortos. Como trabajadores anteriores, [2] [6]utilizaron una sonda AFM convencional para medir la expansión térmica, pero introdujeron una configuración óptica novedosa: la muestra se montó en un prisma transparente IR para que pudiera ser excitada por una onda evanescente. La absorción de pulsos cortos de láser infrarrojo por la muestra provocó una rápida expansión térmica que creó un impulso de fuerza en la punta del voladizo del AFM. El pulso de expansión térmica indujo oscilaciones resonantes transitorias de la sonda en voladizo AFM. Esto ha llevado a que la técnica sea denominada Resonancia Inducida por Foto-Térmica (PTIR), por algunos trabajadores en el campo. [10] [16] Algunos prefieren los términos PTIR o PTMS [1] [3] [5] [6] [7]a AFM-IR ya que la técnica no está necesariamente restringida a longitudes de onda infrarrojas. La amplitud de la oscilación en voladizo está directamente relacionada con la cantidad de radiación infrarroja absorbida por la muestra. [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] Midiendo la amplitud de oscilación del voladizo en función del número de onda, el grupo de Dazzi pudo obtener espectros de absorción de las regiones a nanoescala de la muestra. En comparación con trabajos anteriores, este enfoque mejoró la resolución espacial porque el uso de pulsos de láser cortos redujo la duración del pulso de expansión térmica hasta el punto de que las longitudes de difusión térmica pueden estar en la escala de nanómetros en lugar de micrones.

Espectro obtenido de la medición AFM cambiando la longitud de onda del láser (abajo); tiene un buen acuerdo con un espectro FTIR convencional (arriba)

Una ventaja clave del uso de una fuente láser sintonizable, con un rango de longitud de onda estrecho, es la capacidad de mapear rápidamente las ubicaciones de componentes químicos específicos en la superficie de la muestra. Para lograr esto, el grupo de Dazzi sintonizó su fuente de láser de electrones libres a una longitud de onda correspondiente a la vibración molecular de la sustancia química de interés, luego trazó un mapa de la amplitud de oscilación en voladizo en función de la posición a través de la muestra. Demostraron la capacidad de mapear la composición química en la bacteria E. coli . También pudieron visualizar vesículas de polihidroxibutirato (PHB) dentro de las células de Rhodobacter capsulatus [27] y monitorear la eficiencia de la producción de PHB por parte de las células.

En la Universidad de East Anglia en el Reino Unido, como parte de un proyecto financiado por EPSRC dirigido por M. Reading y S. Meech, Hill y sus colaboradores [12] siguieron el trabajo anterior de Reading et al . [4] y Hammiche et al . [6] y midió la expansión térmica utilizando una configuración óptica que iluminó la muestra desde arriba [5] en contraste con Dazzi et al . que excitó la muestra con una onda evanescente desde abajo. [8] Hill también hizo uso de un oscilador paramétrico óptico como fuente de infrarrojos a la manera de Hammiche et al . [16] Esta nueva combinación de iluminación superior, [4]La fuente OPO [16] y la medición de la expansión térmica [2] [6] [8] demostraron ser capaces de resolución espacial a nanoescala para imágenes infrarrojas y espectroscopía (las figuras muestran un esquema del aparato UEA y los resultados obtenidos con él). El uso por parte de Hill y sus colaboradores de la iluminación desde arriba permitió estudiar una gama de muestras sustancialmente más amplia de lo que era posible con la técnica de Dazzi. Al introducir el uso de una fuente de infrarrojos de sobremesa e iluminación de arriba hacia abajo, el trabajo de Hammiche, Hill y sus compañeros de trabajo hizo posible el primer instrumento de infrarrojos basado en SPM comercialmente viable (ver Comercialización).

Comercialización [ editar ]

El láser de electrones libres FELIX en el Instituto FOM de Física del Plasma Rijnhuizen Nieuwegein , Países Bajos (2010); un equipo grande y poco común

La técnica AFM-IR basada en una fuente de láser infrarrojo pulsado fue comercializada por Anasys Instruments, una empresa fundada por Reading, Hammiche y Pollock en el Reino Unido en 2004; [23] [32] una corporación hermana de los Estados Unidos fue fundada un año después. Anasys Instruments desarrolló su producto con el apoyo del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología y la Fundación Nacional de Ciencias . Dado que los láseres de electrones libres son raros y están disponibles solo en instituciones selectas, una clave para habilitar un AFM-IR comercial fue reemplazarlos con un tipo de fuente infrarroja más compacta. Siguiendo el ejemplo dado por Hammiche et al en 2001 [16] y Hill et al en 2008,[12] Anasys Instruments presentó un producto AFM-IR a principios de 2010, utilizando una fuente láser de mesa basada en un oscilador paramétrico óptico de nanosegundos. [28] La fuente OPO permitió la espectroscopia infrarroja a nanoescala en un rango de sintonía de aproximadamente 1000–4000 cm −1 o 2,5-10 μm.

El producto inicial requería que las muestras se montaran en prismas transparentes al infrarrojo, con la luz infrarroja dirigida desde abajo a la manera de Dazzi et al . [Nota 3] Para un mejor funcionamiento, este esquema de iluminación requirió muestras delgadas, con un espesor óptimo de menos de 1 μm, [16] preparadas en la superficie del prisma. En 2013, Anasys lanzó un instrumento AFM-IR basado en el trabajo de Hill et al . [12] [20] que admitían la iluminación del lado superior.

"Al eliminar la necesidad de preparar muestras en prismas transparentes a infrarrojos y relajar la restricción del grosor de la muestra, la gama de muestras que se podían estudiar se amplió enormemente. El director ejecutivo de Anasys Instruments reconoció este logro al llamarlo" un avance importante y emocionante " en una carta escrita a la universidad e incluida en el informe final del proyecto EPSRC EP / C007751 / 1. [33] La técnica UEA pasó a convertirse en el producto estrella de Anasys Instruments.

Comparación de AFM-IR con técnicas fototérmicas relacionadas [ editar ]

Vale la pena señalar que el primer espectro infrarrojo obtenido midiendo la expansión térmica usando un AFM fue obtenido por Hammiche y colaboradores [6] sin inducir movimientos resonantes en el voladizo de la sonda. En este primer ejemplo, la frecuencia de modulación era demasiado baja para lograr una alta resolución espacial, pero no hay nada, en principio, que impida la medición de la expansión térmica a frecuencias más altas sin analizar o inducir el comportamiento resonante. [1]Las posibles opciones para medir el desplazamiento de la punta en lugar de la posterior propagación de ondas a lo largo del voladizo incluyen; interferometría enfocada en el extremo del voladizo donde se ubica la punta, un movimiento de torsión resultante de una sonda offset (solo estaría influenciado por los movimientos del voladizo como efecto de segundo orden) y aprovechando el hecho de que la señal de un calentador La sonda térmica está fuertemente influenciada por la posición de la punta en relación con la superficie, por lo que esto podría proporcionar una medición de la expansión térmica que no fue fuertemente influenciada o dependiente de la resonancia.Las ventajas de un método de detección no resonante es que se puede utilizar cualquier frecuencia de modulación de luz, por lo que se puede obtener información de profundidad de forma controlada (ver más abajo), mientras que los métodos que se basan en la resonancia se limitan a los armónicos. El método basado en sonda térmica de Hammicheet al . [1] ha encontrado un número significativo de aplicaciones. [14] [20]

Una aplicación única hecha posible por la iluminación de arriba hacia abajo combinada con una sonda térmica [4] es el perfilado de profundidad localizado, [20] esto no es posible usando el Dazzi et al . configuración de AFM-IR o la de Hill et al . a pesar de que este último utiliza iluminación de arriba hacia abajo. Se ha demostrado que es posible obtener escaneos lineales [4] [34] e imágenes [20] con sondas térmicas, se puede lograr una resolución espacial de límite de subdifracción [4] y se puede mejorar la resolución para delinear límites utilizando técnicas quimiométricas . [20] [34]

En todos estos ejemplos se adquiere un espectro que abarca todo el rango de IR medio para cada píxel, esto es considerablemente más poderoso que medir la absorción de una sola longitud de onda como es el caso de AFM-IR cuando se usa el método de Dazzi et al . o Hill et al . Reading y su grupo demostraron cómo, debido a que las sondas térmicas se pueden calentar, el análisis térmico localizado [4] [20] [21] se puede combinar con la espectroscopia infrarroja fototérmica usando una sola sonda. De esta manera, la información química local podría complementarse con propiedades físicas locales como temperaturas de fusión y transición vítrea. [21] Esto a su vez llevó al concepto de nanomuestreo asistido térmicamente, [5] [20]donde la punta calentada realiza un experimento de análisis térmico local, la sonda se retrae llevándose consigo hasta femtogramos [Nota 4] de material ablandado que se adhiere a la punta. [30] Este material puede manipularse y / o analizarse mediante espectroscopia infrarroja fototérmica u otras técnicas. [5] [35] [36] [37] [38] Esto aumenta considerablemente el poder analítico de este tipo de instrumento infrarrojo basado en SPM más allá de lo que se puede lograr con sondas AFM convencionales como las que se usan en AFM-IR cuando se usa ya sea el Dazzi et al . o Hill et al . versión.

Las técnicas de sonda térmica aún no han logrado la resolución espacial a nanoescala que han logrado los métodos de expansión térmica, aunque esto es teóricamente posible. Para ello, se necesita una sonda térmica robusta y una fuente de alta intensidad. Recientemente, las primeras imágenes utilizando un QCL y una sonda térmica han sido obtenidas por Reading et al. [39]Una buena relación señal / ruido permitió obtener imágenes rápidas, pero no se demostró claramente una resolución espacial submicrométrica. La teoría predice que se podrían lograr mejoras en la resolución espacial al limitar el análisis de datos a la parte inicial de la respuesta térmica a un aumento de cambio escalonado en la intensidad de la radiación incidente. De esta manera se evitaría la contaminación de la medición de las regiones adyacentes, es decir, la ventana de medición podría limitarse a una fracción adecuada del tiempo de vuelo de la onda térmica (el uso de un análisis de Fourier de la respuesta podría proporcionar un resultado similar utilizando el componentes de alta frecuencia). Esto podría lograrse tocando la sonda en sincronía con el láser. De manera similar, los láseres que proporcionan modulaciones muy rápidas podrían reducir aún más las longitudes de difusión térmica.

Aunque la mayor parte del esfuerzo hasta la fecha se ha centrado en las medidas de expansión térmica, esto podría cambiar. Recientemente se han puesto a disposición sondas térmicas verdaderamente robustas, [40] al igual que QCL compactos asequibles que se pueden sintonizar en un amplio rango de frecuencias. En consecuencia, pronto podría darse el caso de que las técnicas de sonda térmica se utilicen tanto como las basadas en la expansión térmica. En última instancia, los instrumentos que pueden cambiar fácilmente entre modos e incluso combinarlos con una sola sonda seguramente estarán disponibles, por ejemplo, una sola sonda eventualmente podrá medir tanto la temperatura como la expansión térmica.

Mejoras recientes en AFM-IR [ editar ]

Los instrumentos AFM-IR comerciales originales requerían que la mayoría de las muestras tuvieran un grosor superior a 50 nm para lograr una sensibilidad suficiente. Se lograron mejoras en la sensibilidad utilizando sondas en voladizo especializadas con un resonador interno [ [41] y mediante técnicas de procesamiento de señales basadas en ondículas. [42] La sensibilidad fue mejorada aún más por Lu et al . [17] mediante el uso de fuentes de láser de cascada cuántica (QCL). La alta tasa de repetición del QCL permite que la luz infrarroja absorbida excite continuamente la punta del AFM en una " resonancia de contacto " [Nota 5]del voladizo AFM. Este AFM-IR con resonancia mejorada, en combinación con la mejora del campo eléctrico de las puntas y sustratos metálicos, condujo a la demostración de la espectroscopia AFM-IR y la obtención de imágenes de composición de películas tan delgadas como monocapas individuales autoensambladas. [17]

El AFM-IR también se ha integrado con otras fuentes, incluido un OPO de picosegundo [16] que ofrece un rango de sintonización de 1,55 μm a 16 μm (de 6450 cm -1 a 625 cm -1 ).

Nanoespectroscopia [ editar ]

AFM-IR permite la espectroscopia infrarroja a nanoescala , [43] es decir, la capacidad de obtener espectros de absorción infrarroja a partir de regiones a nanoescala de una muestra.

Mapeo de composición química AFM-IR también se puede utilizar para realizar imágenes químicas o mapeo de composición con resolución espacial de hasta ~ 20 nm, limitado solo por el radio de la punta de AFM. En este caso, la fuente de infrarrojos sintonizable emite una única longitud de onda, correspondiente a una resonancia molecular específica, es decir, una banda de absorción de infrarrojos específica. Al mapear la amplitud de oscilación del voladizo del AFM en función de la posición, es posible trazar la distribución de componentes químicos específicos. Se pueden hacer mapas de composición en diferentes bandas de absorción para revelar la distribución de diferentes especies químicas.

Ejemplos de nanoespectroscopía AFM-IR

  • Nanoespectroscopía AFM-IR de una partícula de tóner de impresora láser , que muestra un análisis químico resuelto espacialmente. Las partículas de tóner son típicamente compuestos complejos de varios aglutinantes y agentes de transferencia; estos pueden ser revelados por AFM-IR

  • Mapeo composicional AFM-IR de la bacteria Streptomyces . Izquierda: imagen topográfica AFM de células bacterianas. Medio: Absorción de AFM-IR a 1650 cm -1 , correspondiente a la banda de amida I asociada con la proteína. Derecha: Absorción de AFM-IR en la banda de carbonilo 1740 cm -1 , que indica la distribución de vesículas de triglicéridos dentro de las células bacterianas.

Mapeo mecánico complementario [ editar ]

Mapeo de elasticidad complementario mediante mediciones simultáneas de resonancia de contacto.

La técnica AFM-IR puede proporcionar simultáneamente medidas complementarias de la rigidez mecánica y la disipación de la superficie de una muestra. Cuando la luz infrarroja es absorbida por la muestra, la expansión térmica rápida resultante excita una "resonancia de contacto" del voladizo AFM, es decir, una resonancia acoplada resultante de las propiedades tanto del voladizo como de la rigidez y amortiguación de la superficie de la muestra. Específicamente, la frecuencia de resonancia cambia a frecuencias más altas para materiales más rígidos y a frecuencias más bajas para materiales más blandos. Además, la resonancia se vuelve más amplia para materiales con mayor disipación. Estas resonancias de contacto han sido estudiadas extensamente por la comunidad AFM ( ver, por ejemplo, microscopía acústica de fuerza atómica). El AFM de resonancia de contacto tradicional requiere un actuador externo para excitar las resonancias de contacto en voladizo. En AFM-IR, estas resonancias de contacto se excitan automáticamente cada vez que la muestra absorbe un pulso infrarrojo. Entonces, la técnica AFM-IR puede medir la absorción de infrarrojos por la amplitud de la respuesta de oscilación en voladizo y las propiedades mecánicas de la muestra a través de la frecuencia de resonancia de contacto y el factor de calidad.

Fuentes de láser pulsado de banda ancha [ editar ]

Reading et al . han explorado el uso de una QCL de banda ancha combinada con mediciones de expansión térmica. [39] Arriba, se discute la incapacidad de las fuentes térmicas de banda ancha para lograr una alta resolución espacial (ver historia). En este caso, la frecuencia de modulación está limitada por la velocidad de espejo del interferómetro que, a su vez, limita la resolución espacial lateral que se puede lograr. Cuando se utiliza un QCL de banda ancha, la resolución no está limitada por la velocidad del espejo sino por la frecuencia de modulación de los pulsos láser (u otras formas de onda). [1]La ventaja de utilizar una fuente de banda ancha es que se puede adquirir una imagen que comprende un espectro completo o parte de un espectro para cada píxel. Esto es mucho más poderoso que adquirir imágenes basadas en una sola longitud de onda. Los resultados preliminares de Reading et al . [39] muestran que dirigir un QCL de banda ancha a través de un interferómetro puede dar una respuesta fácilmente detectable de una sonda AFM convencional que mide la expansión térmica.

Aplicaciones [ editar ]

Las aplicaciones de AFM-IR han incluido polímeros, [15] [28] [30] [31] [44] [45] compuestos , bacterias, [29] [46] [47] [48] células, [49] [50 ] [51] [52] biominerales, [53] [54] ciencias farmacéuticas, [27] [55] [56] fotónica / nanoantenas, [57] [58] [59] [60] pilas de combustible, [61] fibras , [31] [62] piel [63] cabello, [64] armazones organometálicos , [65]microgotas [66] monocapas autoensambladas, [17] nanocristales, [67] y semiconductores . [68]

Polímeros mezclas, compuestos, películas de múltiples capas y fibras AFM-IR se ha utilizado para identificar y mapear componentes polímeros en mezclas, [31] interfaces de caracterizar de materiales compuestos, [69] e incluso ingeniería inversa películas de múltiples capas [15] Además AFM-IR se ha se utiliza para estudiar la composición química en polímeros conductores de poli (3] [4-etilendioxitiofeno) (PEDOT). [45] e infiltración de vapor en fibras de PET de tereftalato de polietileno. [62]

Ciencias de la vida [ editar ]

AFM-IR se ha utilizado para caracterizar espectroscópicamente la infección de bacterias por virus [48] ( bacteriófagos ), y también la producción de vesículas de polihidroxibutirato (PHB) dentro de las células de Rhodobacter capsulatus [47] y triglicéridos [37] en la bacteria Streptomyces (para aplicaciones de biocombustible ). ). El AFM-IR también se ha utilizado para evaluar y mapear el contenido mineral, la cristalinidad, la madurez del colágeno y el contenido de fosfato ácido mediante análisis radiométrico de varias bandas de absorción en el hueso [54].El AFM-IR también se ha utilizado para realizar espectroscopía y mapeo químico de lípidos estructurales en la piel humana [63] y el cabello [64].

Pilas de combustible [ editar ]

AFM-IR se ha utilizado para estudiar membranas de Nafion hidratado utilizadas como separadores en pilas de combustible . Las mediciones revelaron la distribución de agua libre y unida iónicamente en la superficie de Nafion. [61]

Nanoantenas fotónicas [ editar ]

El AFM-IR se ha utilizado para estudiar la resonancia del plasmón superficial en micropartículas de arseniuro de indio fuertemente dopadas con silicio . [68] Los resonadores de anillo dividido de oro se han estudiado para su uso con espectroscopía de absorción infrarroja mejorada en la superficie. En este caso, se utilizó AFM-IR para medir la mejora del campo local de las estructuras plasmónicas (~ 30X) a una resolución espacial de 100 nm. [57] [69]

Ciencias farmacéuticas [ editar ]

El AFM-IR se ha utilizado para estudiar la miscibilidad y la separación de fases en mezclas de polímeros de fármacos, [55] [56] así como el análisis químico de partículas de fármacos nanocristalinos tan pequeñas de 90 nm de diámetro. [27]

Notas [ editar ]

  1. ^ Graham Poulter, director de investigación de Specac Instruments, "La energía disponible en un instrumento óptico está directamente relacionada con el producto del área A de cualquier punto del sistema óptico, multiplicado por el ángulo sólido Ω llenado por el haz en ese punto. Esto El producto, AΩ, se conoce como étendue (también conocido como "rendimiento" o "luminosidad") y permanece constante en todos los puntos del sistema. Al enfocar un haz hacia abajo desde, digamos, un punto de 5 mm de diámetro en un FTIR típico a un punto de 0,5 mm de diámetro, el área A se reduce en un factor de 100 y, por lo tanto, el ángulo sólido Ω debe aumentarsepor el mismo factor. Cuando se ilumina algo en una superficie plana desde un lado, existe una limitación física que significa que Ω no puede exceder π estereorradián (se ilumina desde un hemisferio completo). Dependiendo del ángulo sólido en el haz del instrumento original, esto pone inmediatamente un límite de trabajo en el tamaño mínimo del punto que se puede obtener útilmente al enfocar el haz hacia abajo ". Poulter diseñó la óptica en la interfaz descrita por Reading et al . [4]
  2. ^ Centro láser Infrarouge d'Orsay , Centro de láser infrarrojo de Orsay
  3. ^ Una disposición es similar a los esquemas de reflectancia total atenuada (ATR) utilizados en la espectroscopia infrarroja convencional
  4. ^ Una femtogramos es de 10 -15 gramos
  5. ^ Una resonancia de contacto es una frecuencia de resonancia vibratoria de un voladizo de AFM que se produce cuando la punta del AFM está en contacto con una superficie de muestra. Cuando el QCL se pulsa sincrónicamente con una resonancia de contacto, la detección de la expansión térmica de la muestra a partir de la absorción de infrarrojos se amplifica mediante el factor de calidad Q de la resonancia de contacto.

Referencias [ editar ]

  1. ^ a b c d e f g h i j k l m Hammiche, A .; Pollock, HM; Reading, M .; Claybourn, M .; Turner, PH; Jewkes, K. (1999). "Espectroscopia fototérmica FT-IR: un paso hacia la microscopía FT-IR con una resolución mejor que el límite de difracción". Espectroscopía aplicada . 53 (7): 810–815. Código bibliográfico : 1999ApSpe..53..810H . doi : 10.1366 / 0003702991947379 .
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Enlaces externos [ editar ]

  • Imágenes infrarrojas más allá del límite de difracción (NIST Andrea Centrone Group) [1]
  • Microspectroscopia de resolución de sub-longitud de onda (grupo Mikhail Belkin de la Universidad de Texas) [2]