纳米尺度下的化学表征：AFM

扫描探针显微镜的问世是表面科学的一次里程碑式的进步，人们从此真正“看到”了材料表面的原子像、分子在基底的组装结构以及实现了对原子/分子的操纵（图1）。其中，原子力显微镜（AFM）以及扫描隧道显微镜（STM）分别利用扫描探针与基底间作用力和隧穿电流的变化来对表面的形貌与物理性质进行高空间分辨率（面向小于10 nm）的表征，已经被广泛地应用于材料科学的研究当中（Surf. Sci. Rep., 2005, 59, 1–152）。

图1. 扫描隧道显微镜对Cu(111)表面上Fe原子的操纵形成的“量子围栏（Quantum Corral）”（左图为STM图像，右下为对应的线扫形貌图，来自Science, 1993, 262, 218−220; 右上为渲染图，来自网络）

另一种在空间分辨率上达到近似表征精度的方法是高分辨透射电子显微镜（HRTEM）。对于单原子层的样品，HRTEM可以提供其原子级分辨率的结构表征（图2）。但是，无论是AFM、STM还是HRTEM，都仅能提供由特定物理参数测量决定的形貌相，对于所研究区域内的元素分布、化学基团的种类几乎不具有判别能力。然而，对化学基团比较敏感的光谱表征技术例如微区红外光谱以及显微拉曼光谱则受Abbe衍射极限（Principles of Optics, Cambridge University Press: 1997）的限制，不能达到纳米级的空间分辨率。

图2. 高分辨透射电子显微镜对氧化石墨烯结构的原子级表征（来自Adv. Mater., 2010, 22, 4467–4472）

因此，人们试图将光谱表征技术与扫描探针显微镜结合起来，实现纳米尺度的化学结构表征，用以进一步了解与分析材料的表界面性质。自20世纪90年代开始，这样的尝试导致了三种新技术的诞生：基于表面增强Raman散射（SERS）现象的针尖增强Raman光谱（TERS）（Chem. Soc. Rev., 2017, 46, 4020−4041），基于红外光散射的扫描近场光学显微镜（IR s-SNOM）（Annu. Rev. Anal. Chem., 2015, 8, 101−126）以及本文将要探讨的原子力显微镜-红外光谱（AFM-IR；也称光热诱导共振（PTIR），后者包括可见光范围的吸收谱学）（Chem. Rev., 2017, 117, 5146−5173）。

原理与特点

AFM-IR的原理，是利用AFM探针检测针尖处的样品表面因吸收特定波长的红外光而导致的热膨胀。Mark S. Anderson与A. Hammiche等于1998年几乎同时独立构建了AFM-IR的仪器架构（Appl. Spectrosc., 1999, 53, 810−815; Appl. Spectrosc., 2000, 54, 349−352），并且完成了对于高分子薄膜材料的测量。目前商品化的仪器架构如图3所示，其中主要的组成部分为AFM测量系统（悬臂以及激光探测器）以及脉冲红外激光源。AFM-IR之所以可以通过测定悬臂力学行为的变化来得到探针处样品表面对特定波长红外光的吸收情况，是因为二者之间存在一定的对应关系，这里进行简单的分析（Chem. Rev., 2017, 117, 5146−5173）：

图3. AFM-IR的仪器架构，分为AFM测量系统以及脉冲红外激光源（来自Chem. Rev., 2017, 117, 5146−5173）

首先当红外激光与样品表面进行相互作用时，样品表面吸收的能量可以用Poynting矢量表示（近似表达，由于样品尺寸很小，认为样品内电磁场恒定；同时认为吸收值可以忽略）：

其中k为常数（与样品折射率以及光速有关），V为样品体积，σ为入射光波数，κ为对应波数下的消光系数。

根据Fourier热传导定律，由红外光吸收导致的光热效应产生的最大温升可以表示为：

其中tp为红外激光脉冲的持续时间，ρ为样品密度，Cρ为样品的热容。样品表面的温升导致了热膨胀，其可以表示为：

其中a为样品的几何尺寸，G为与样品几何性状相关的参数，αT为热膨胀系数。

从而，我们可以得到，样品表面的热膨胀（形变量）在上面所做的近似下正比于红外光的吸收（对应σκ(σ)），即u∝σκ(σ)。另一方面，我们希望用AFM的悬臂探针来检测样品表面的热膨胀，悬臂的运动可以用Euler-Bernoulli方程进行描述（Shock and Vibration Handbook, McGraw-Hill (New York): 1976）：

其中q为在探针处由热膨胀对悬臂施加的载荷，EI 为弯曲刚度（E 为杨氏模量，I 为悬臂的截面惯量），ρ 为密度，S 为截面面积，γ 为阻尼。可以证明，悬臂运动产生的信号（对所有正则振动模式（eigenmode）的贡献求和）与样品表面热膨胀的程度满足一定的关系（推导从略）。对于不同的官能团，红外吸收的特征波长不同（σκ(σ)），从而产生的热膨胀变化也具有一定差异，因此我们可以通过测定AFM悬臂的运动状态变化来表征探针对应样品表面区域的红外吸收情况，进而分析出样品表面的化学基团或组分在空间上的分布。

与TERS以及IR s-SNOM相比，AFM-IR具有如下特征：1）AFM-IR测定的是（红外）光的吸收，而前两者均是光的散射。由于散射的影响因素较多，由此带来的谱线位移需要经过仔细分析与校正，同时前两种技术中需要特殊制备的针尖，因此从这个角度上来讲，AFM-IR的测定更为便捷；2）TERS以及SNOM技术都是表面敏感的，仅能测定样品表面区域的物理化学性质，而AFM-IR技术则可以测定更深区域的样品性质。

应用举例

AFM-IR可以用于表征具有特定红外吸收的物质在纳米尺度上的分布特征。这其中包括：特定物质的扩散与聚集，特定物质的形成与反应，特定化学结构在表界面上的分布。我们这里以两个例子加以说明。

有机金属二酚类化合物A（图4）被证明为与Tamoxifen类似，可以与雌激素受体结合而抑制乳腺癌细胞的增生（J. Organomet. Chem., 2007, 692, 1315–1326），在乳腺癌的内分泌疗法方面具有一定的应用前景。Policar等研究了乳腺癌细胞（MDA-MB-231）对化合物A的吸收以及在细胞内的分布（Angew. Chem. Int. Ed., 2011, 50, 860–864）。A中金属三羰基化合物的核心[(Cp)Re(CO)3]在2017 cm−1以及1915 cm−1具有两个特征的红外吸收，可以用于该化合物的特征性判别；同时由于核酸（以位于1240 cm−1的磷酸酯键吸收进行区分）以及蛋白（以位于1650 cm−1的C=O双键吸收表征（amide I band））在细胞核内的集中分布，使得研究者们可以利用AFM-IR技术确定细胞核的相对位置。对A物质的分布分析表明，其更倾向于在细胞核区域发生聚集（图4）。在这里AFM-IR技术提供了一种非侵入式的高空间分辨率表征方法，同时避免了外源性标记物的使用（例如传统的荧光成像分析）。

图4. AFM-IR技术用于研究小分子A在乳腺癌细胞中的浓度分布。左下为AFM高度图，右上以及右下分别为细胞核以及A的分布成像（来自Angew. Chem. Int. Ed., 2011, 50, 860–864）

淀粉样蛋白（amyloid，不溶的纤维状蛋白聚集体）的形成被认为是神经系统退行性疾病的重要表现之一（Annu. Rev. Biochem., 2006, 75, 333–366），然而对于蛋白聚集错误折叠形成纤维聚集体的过程仍存在很多疑问。Ruggeri等研究了与人III型脊髓小脑萎缩症（SCA type 3）相关的ataxin-3蛋白Josephin区域的错误折叠与聚集的过程（Nat. Commun., 2015, 6, 7831）。这种错误折叠伴随着β折叠（β-sheet）结构的特征性形成，因此对于其位于1620 cm−1（β-sheet）、1700 cm−1（反平行β-sheet以及β-strand）特征吸收的纳米红外表征以及其杨氏模量的力学表征均可以说明β-sheet结构的形成过程（图5）。对不同时间中蛋白纤维化的过程的详细表征研究揭示出一个全新的淀粉样蛋白转化机制：蛋白质单体的正常聚集以及聚集体的β-sheet转化诱导了最终的纤维状转变，整个过程并不是起始于蛋白质单体Josephin区域的β-sheet转化。这个研究当中AFM-IR技术同时提供了力学（模量）以及化学结构分布的判别，对于淀粉样蛋白纤维结构的形成给出了新的证据。

图5. AFM-IR技术用于研究淀粉状蛋白的形成机制。左上为AFM高度图，对标记点处可以进行红外吸收光谱分析，右上为蛋白聚集体几种不同构象红外光谱的差异，下图为研究者们提出的淀粉状蛋白的形成过程（来自Nat. Commun., 2015, 6, 7831）

总结

表界面微区化学表征技术的诞生终结了假象横生的传统显微表征方法，为科学家分析表界面物质以及化学结构的空间分布提供了有力的工具。TERS、SNOM以及AFM-IR等技术所利用的原理仍然属于探针分析的范畴，相比于使用界面热导（扫描热显微镜，SThM）隧穿电流（STM）以及作用力（AFM）作为分析参数，这三种技术综合了基底电子能级、振动能级等与化学结构紧密相关的参数作为分析的依据，实现了在纳米尺度上的化学分析。AFM-IR技术的迅速发展使其在材料科学，纳米科学以及生命科学的研究中发挥了越来越重要的作用。

（本文由Chen Ming供稿）

如果篇首注明了授权来源，任何转载需获得来源方的许可！如果篇首未特别注明出处，本文版权属于 X-MOL （ x-mol.com ）， 未经许可，谢绝转载！