התקדמות בספקטרוסקופיית אינפרא אדום ננומטרית לחקר מערכות פולימריות רב-פאזיות

Summary

פרוטוקול זה מתאר את היישום של מיקרוסקופ כוח אטומי וספקטרוסקופיית אינפרא אדום ננומטרית ננומטרית כדי להעריך את הביצועים של ספקטרוסקופיית אינפרא אדום פוטותרמית ננומטרית באפיון דגימות רב-פולימריות תלת-ממדיות.

Abstract

מערכות פולימריות רב-פאזיות מקיפות תחומים מקומיים בממדים שיכולים לנוע בין כמה עשרות ננומטרים למספר מיקרומטרים. הרכבם מוערך בדרך כלל באמצעות ספקטרוסקופיה אינפרא אדומה, המספקת טביעת אצבע ממוצעת של החומרים השונים הכלולים בנפח הנבדק. עם זאת, גישה זו אינה מציעה פרטים על סידור השלבים בחומר. אזורי הפנים בין שני שלבים פולימריים, לעתים קרובות בטווח הננומטרי, מאתגרים גם הם לגישה. ספקטרוסקופיית אינפרא אדום פוטותרמית ננומטרית מנטרת את התגובה המקומית של חומרים המעוררים על ידי אור אינפרא אדום באמצעות בדיקה רגישה של מיקרוסקופ כוח אטומי (AFM). בעוד שהטכניקה מתאימה לחקירת תכונות קטנות, כגון חלבונים בודדים על משטחי זהב טהורים, אפיון חומרים תלת מימדיים מרובי רכיבים חמקמק יותר. הסיבה לכך היא נפח גדול יחסית של חומר העובר התפשטות פוטותרמית, המוגדר על ידי מיקוד הלייזר על הדגימה ועל ידי התכונות התרמיות של המרכיבים הפולימריים, בהשוואה לאזור הננומטרי הנבדק על ידי קצה AFM. באמצעות חרוז פוליסטירן (PS) וסרט אלכוהול פוליוויניל (PVA), אנו מעריכים את טביעת הרגל המרחבית של ספקטרוסקופיית אינפרא אדום פוטותרמית ננומטרית לצורך ניתוח פני השטח כפונקציה של מיקום PS בסרט PVA. ההשפעה של מיקום התכונה על תמונות אינפרא אדום בקנה מידה ננומטרי נחקרת, וספקטרום נרכשים. כמה נקודות מבט על ההתקדמות העתידית בתחום ספקטרוסקופיית אינפרא אדום פוטותרמית ננומטרית מסופקות, בהתחשב באפיון של מערכות מורכבות עם מבנים פולימריים משובצים.

Introduction

מיקרוסקופ כוח אטומי (AFM) הפך חיוני כדי לדמות ולאפיין את המורפולוגיה של מגוון רחב של דגימות ברזולוציה ננומטרית ^1,2,3. על ידי מדידת הסטייה של מכלי AFM כתוצאה מהאינטראקציה של הקצה החד עם משטח הדגימה, פותחו פרוטוקולי הדמיה פונקציונליים ננומטריים למדידות קשיחות מקומיות והיצמדות דגימת קצה ^4,5. עבור חומר מעובה רך וניתוח פולימרים, מדידות AFM החוקרות את התכונות הננומכניות והננוכימיות של תחומים מקומיים מבוקשות מאוד ^6,7,8. לפני הופעתה של ספקטרוסקופיית אינפרא-אדום ננומטרי (nanoIR), קצות AFM שונו כימית כדי להעריך את נוכחותם של תחומים שונים מעקומת הכוח של AFM ולהסיק את אופי האינטראקציה בין קצה לדגימה. לדוגמה, גישה זו שימשה לחשיפת הטרנספורמציה של מיקרו-דומיינים של פולי(tert-butyl acrylate) על פני השטח של יריעות דקיקות של פוליסטירן-בלוק-פולי(tert-butyl acrylate) שטופלו בציקלהקסאן ברמה 9 מתחת ל-50 ננומטר^.

לשילוב של אור אינפרא אדום (IR) עם AFM הייתה השפעה משמעותית על תחום מדעי הפולימרים⁶. ספקטרוסקופיית IR קונבנציונלית היא טכניקה נפוצה לחקר המבנה הכימי של חומרים פולימריים^10,11, אך היא אינה מספקת מידע על פאזות בודדות והתנהגות בין-פאזית, מכיוון שהאזורים קטנים מדי בהשוואה לגודל קרן ה-IR המשמשת לבדיקת הדגימה. הבעיה קיימת עם מיקרוספקטרוסקופיה IR, כפי שהוא מוגבל על ידי מגבלת עקיפה אופטית⁶. מדידות כאלה ממוצעות את התרומות של האזור כולו הנרגש על ידי אור IR; האותות הנובעים מנוכחות פאזות ננומטריות בתוך האזור הנחקר מציגים טביעות אצבע מורכבות שיש לפרק במהלך העיבוד שלאחר העיבוד או אובדים עקב רמת אות מתחת לרמה הניתנת לזיהוי. לפיכך, חיוני לפתח כלים המסוגלים לרזולוציה מרחבית ננומטרית ורגישות IR גבוהה כדי לחקור תכונות כימיות ננומטריות במדיה מורכבת.

תוכניות להשגת ספקטרוסקופיית ננו-אינפרה-אדום פותחו, תחילה באמצעות קצה AFM מתכתי כננו-אנטנה^12,13, ולאחרונה תוך ניצול יכולתו של ה-AFM לנטר שינויים בהתפשטות הפוטותרמית הנגרמים במהלך הארת IR של הדגימה 12,14,15. האחרון משתמש במקור אור IR פועם ומכוון לרצועת בליעה של החומר הנבדק, מה שגורם לדגימה לספוג קרינה ולעבור התפשטות פוטותרמית. גישה זו מתאימה היטב לחומרים אורגניים ופולימריים. העירור הפועם הופך את האפקט לניתן לזיהוי על ידי מפעיל AFM במגע עם משטח הדגימה בצורה של תנודה. המשרעת של אחת מתהודה המגע של המערכת שנצפתה בספקטרום התדרים מנוטרת לאחר מכן כפונקציה של אורך גל הארה, המהווה את ספקטרום בליעת הננו-אינפרא-אדום של החומר שמתחת לקצה AFM¹⁵. הרזולוציה המרחבית של דימות ננו-אינפרה-אדום וספקטרוסקופיה מוגבלת על ידי השפעות שונות של ההתפשטות הפוטותרמית של החומר. הוערך כי ספקטרוסקופיית ננו-IR פוטותרמית באמצעות AFM במצב מגע יכולה לרכוש את תכונות ספקטרום בליעת הרטט של חומרים עם רזולוציה מרחבית תת-50 ננומטר בקנה מידה¹⁴, כאשר עבודות אחרונות הדגימו זיהוי מונומרים ודימרים של α-סינוקלאין^16,17. עם זאת, מחקרים כמותיים על ביצוע מדידות ננו-IR על חומרים פולימריים הטרוגניים המורכבים בתצורות שונות, כגון במקרה של בולמים בממדים סופיים המשובצים בנפח של יריעות פולימריות שונות, נותרו מוגבלים.

מאמר זה נועד ליצור הרכבה פולימרית עם תכונה משובצת של ממד ידוע כדי להעריך את הרגישות של התפשטות פוטותרמית ורזולוציה מרחבית של nanoIR במהלך ניתוח פני השטח. הפרוטוקול מכסה הכנת סרט דק פוליוויניל אלכוהול (PVA) על מצע סיליקון ומיקום חרוז פוליסטירן תלת ממדי (PS) על או מוטבע בסרט PVA, המהווה את היווצרות מערכת המודל. דימות ננו-אדום ומדידות ספקטרוסקופיה מתוארות בהקשר של הערכת האותות הנוצרים על ידי אותו חרוז PS הממוקם על סרט ה-PVA או מתחתיו. השפעת מיקום החרוז על אותות הננו-אינפרא-אדום מוערכת. נדונות שיטות להערכת טביעת הרגל המרחבית של החרוז במפת הננו-אינפרא-אדום, ונבחנות ההשפעות של מספר פרמטרים.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

1. הכנת תמיסת אלכוהול פוליוויניל (PVA)

1. מדוד כדורי פולימר PVA ומים (ראה טבלת חומרים) כדי ליצור תמיסה של 10 מ"ל ביחס PVA למים של 20% לפי משקל.
2. מחממים את המים בכלי הזכוכית על פלטה חמה המוגדרת ל-100°C.
3. הכניסו את כדורי הפולימר PVA למים המחוממים. הכניסו מוט ערבוב מגנטי.
4. מנמיכים את האש ל-80°C ומערבבים עד שה-PVA מתמוסס לחלוטין.
5. מכסים את החלק העליון של כלי הזכוכית כדי למנוע זיהום.
6. לאחר המסה מלאה, הניחו את תמיסת ה-PVA 20% במיכל אחסון מתאים לאחסון בטמפרטורת החדר.

2. הכנת פרוסות סיליקון (Si) מצופות PVA

1. חתכו פרוסת סיליקון (Si) (ראו טבלת חומרים) ל~10 x 10 מ"מ² ריבועים.
2. נקו את מצע Si באמצעות אלכוהול איזופרופיל והניחו לו להתייבש.
3. הניחו את רקיק הסי הנקי על צ'אק של מעיל הספין (ראו טבלת חומרים).
   1. יש להטיל כ-10 μL של תמיסת PVA על מרכז מצע Si. נסו להימנע מהיווצרות בועות.
   2. מצפים את מצע Si בסרט PVA אחיד על ידי ציפוי מסתובב למשך 30 שניות ב-1,500 סיבובים לדקה (סל"ד).
      הערה: הנפח שצוין של פרמטרי ציפוי נוזל וספין יוצר שכבה אחידה של PVA על פני השטח של המצע עם עובי מספיק כדי למנוע התייבשות מהירה בין ציפוי הסחיטה לבין הנחת חרוזי PS על משטח PVA בשלב הבא.
4. הסר את הדגימה מציפוי הסחיטה והכנס אותה למיכל דגימה נקי כדי למנוע זיהום לפני העברת חרוזי PS.

3. הנחת חרוזי PS על משטח מצופה PVA

1. נקו מצע Si באמצעות אלכוהול איזופרופיל והניחו לו להתייבש.
2. בעזרת פיפטה, מניחים 1 μL של חרוזי PS המרחפים במים על מרכז המצע.
3. תנו למים להתאדות על ידי הנחת הדגימה בתא אחסון המכיל חומר ייבוש חרסית בנטוניט.
   הערה: שלב זה משמר את הדגימה על-ידי הפחתת החשיפה ללחות.
4. הניחו את המצע המצופה PVA (שלב 2.4) ואת המצע עם חרוזי PS המיובשים (שלב 3.3) תחת מיקרוסקופ אופטי. בהתאם לגודלם, חרוז בודד יהיה גלוי באמצעות משקפת פשוטה או ידרוש הגדלה אופטית גבוהה יותר.
5. שחררו בעדינות את החרוזים באמצעות פינצטה עדינה במיוחד (ראו טבלת חומרים). השתמשו במברשת צבע עדינה לשיער כדי לאסוף כמה חרוזים רופפים וטפחו קלות על שערות המברשת מעל רקיק טרי מצופה PVA. טאטוא מרובה אמור לאפשר לחרוזים להצטבר בתוך שערות המברשת. הקישו על החלק העליון של שערות המברשת כדי להפריע לאבקת החרוזים של PS לשחרר חרוזים על משטח ה-PVA הדביק.
   הערה: חשוב שהמברשת תהיה איכותית ונקייה כדי למנוע שחרור סיבים ומזהמים על פני השטח של סרט ה-PVA. תנועה מהירה במהלך שלב זה חיונית כדי שה- PVA לא יתייבש לחלוטין.
6. חזור על שלב זה עד שיאושר על ידי בדיקת מיקרוסקופ אופטי שחרוזי PS בודדים נצמדים למשטח ה- PVA.
7. אחסן את הדגימה במיכל נקי. הניחו לדגימה להתייבש באופן מלא.
   הערה: יש לאפשר לדגימה להתקרר ולהתייבש לחלוטין לפני ביצוע ניסיונות ניתוח נוספים. מדידות גובה AFM או מדידות פרופיל פני שטח יכולות להעריך את העובי של יריעות PVA עוקבות.

4. טעינת הדגימה לאפיון AFM

הערה: הפרוטוקול המתואר מבוסס על נהלי הפעלה סטנדרטיים של פלטפורמת nanoIR2 (ראה טבלת חומרים), אך יש להתאים אותו בהתאם למודל AFM המשמש למדידה.

1. הרכיבו את דגימת החרוזים PVA ו-PS על במת AFM באמצעות דיסק AFM מתכתי וכרטיסיות הדבקה, כך שהדגימה מחוברת היטב למחזיק הדגימה.
2. הרכיבו גשושית ננו-אינפרא-אדום (לדוגמה, FORTGG) על מחזיק הגשושית AFM.
   הערה: אורכו של ה-AFM הוא 225 מיקרומטר, רוחבו 27 מיקרומטר ועובי 2.7 מיקרומטר, עם רדיוס קצה של פחות מ-10 ננומטר. המזנון מצופה בסרט זהב בעובי 45 ננומטר משני הצדדים כדי להגביל את תגובתו להארה האינפרא-אדום העליונה של הדגימה (ראה טבלת חומרים). למדידות ספקטרוסקופיית ננו-אינפרה-אדום, עדיף להשתמש במיכל שאוחסן בסביבה נטולת פולידימתילסילוקסאן לפני השימוש.
3. יישר את לייזר הקריאה בקצה החופשי של קרן הלייזר על ידי סיבוב ידיות יישור הלייזר (התאמות x ו- y של מיקום הלייזר וכוונון אנכי של מיקום הגלאי).
   1. הגדל את אות ה- SUM של הגלאי.
   2. התאם את מיקום הגלאי על ידי סיבוב ידית הסטייה כך שהלייזר יהיה מיושר עם מרכז הגלאי הרגיש למיקום של מערכת הקריאה AFM, המתאים לאות סטייה אנכית של ~0 V.
4. לחץ על סמל הטעינה בלוח הבקרה "בדיקה" של AFM.
   1. בצע את ההנחיות במסך האשף. השתמש בחיצי המיקוד כדי לקבוע את מישור המוקד של מיכל הננו-אינפרא-אדום. השתמש בפקדי הזחת XY כדי למקם את המזנון במרכז המסך (מיושר עם הצלב הלבן).
   2. לאחר מכן, לחץ על חיצי המיקוד כדי למצוא את מישור המוקד של פני השטח של המדגם.
   3. השתמש בתצוגה האופטית של המערכת ובפקדי התזוזה XY כדי למקם את קצה המגן מעל החרוז המעניין ולחץ על הבא.
   4. במסך המעורבות, הגדר את ה"סטנד-אוף" ל-50 מיקרומטר ולחץ על גישה בלבד.
5. התחל את הליך Engage כדי לגשת לטיפ להדמיה.

5. יצירת תמונות טופוגרפיות וננו-אינפרא-אדום של הדגימה הרב-פולימרית

1. לרכוש תמונות טופוגרפיה סטנדרטי "מצב מגע". לאחר הגדרת מיקום המזנון ביחס לחרוז PS, התחל את הגישה על ידי לחיצה על סמל המעורבות בלוח הבקרה של AFM "Probe". נקודת פתיחה מעורבת של דיפרנציאל סטייה של 0.2 V משמשת לכל המחקר כאן, המתאימה לכוח של ~100 nN.
   בלוח הבקרה של AFM "סריקה", הגדר את קצב הסריקה ל- 0.8 הרץ, את גודל הסריקה (גובה ורוחב) ואת מספר הנקודות בשורה ומספר השורות לתמונה לשימוש בהדמיה (כאן נעשה שימוש ב- 512 x 512). לחץ על סריקה כדי לקבל את תמונת הטופוגרפיה.
   הערה: כיול הקנטיל¹⁸ נעשה על-ידי קביעת רגישות הסטייה (בננומטר/V) מהשיפוע של עקומת מרחק הסטייה המתקבלת כאשר הקנטיליבר מקיים אינטראקציה עם מצע ספיר (איור משלים 1A). קשיחות הקנטיליבר נקבעת מכוונון תרמי¹⁹ (איור משלים 1B). התהודה של הקנטיליבר מותאמת באמצעות פונקציה לורנציאנית. קשיחות הקנטיל (ב- N/m) נקבעת באמצעות משפט החלוקה השווה , כאשר K_Bהוא קבוע בולצמן, T הוא הטמפרטורה (T = 295K), ו- P הוא שטח ספקטרום ההספק של התנודות התרמיות של הקנטיל הנקבע על ידי שילוב ההתאמה לורנציאנית של נתוני הכוונון התרמי²⁰.
2. למדידות ננו-אינפרה-אדום, מקם את קצה ה-AFM על תכונת העניין שזוהתה מתמונת הטופוגרפיה.
   1. בחר בסמל מזלג הכוונון בלוח הבקרה של nanoIR כדי לקבוע את תדרי תהודה המגע של המזל. הגדר מספר גל הארה שיעורר התפשטות פוטותרמית בחומר. הגדר טווח של תדר פולס לייזר כדי לטאטא ולהגדיר את מחזור העבודה של לייזר ננו-אינפרא-אדום. בחר לרכוש בתוך "חלון כוונון דופק לייזר".
   2. בחר את תהודת המגע השנייה של מערכת דגימת קצה למדידות ננו-אינפרא-אדום על ידי מיקום סרגל הסמן (קו אנכי ירוק) בשיא תהודת המגע השנייה.
      הערה: הבחירה במצב תהודה של מגע עשויה להשתנות בהתאם לסוג המגן והדגימה.
   3. לחץ על Optimize כדי ליישר את מרכז מוקד הלייזר IR למיקום קצה המשקוף. היישור נעשה במספר גל נבחר של תאורת IR, המתאים לרצועת בליעה של החומר הנבדק. המגן ממוקם במרכז טביעת הרגל של הלייזר (איור משלים 2).
      הערה: היישור עשוי להשתנות עבור מספרי גל שונים בהתאם לדגם הלייזר.
   4. רכוש רקע של תאורת לייזר IR. זה מורכב ממדידת התפוקה של לייזר מפל קוונטי IR (QCL) בתחום אורכי הגל של הפליטה בתדר הפולס שנבחר (איור משלים 3). זה חשוב לתיקון רקע של ספקטרום הננו-אינפרא-אדום.
   5. רכוש את ספקטרום הננו-IR על ידי בחירת טווח מספרי הגל (כאן, התחלה ועצירה מוגדרים ל- 1,530 ^{cm-1 ו-} 1,800 ^cm-1, בהתאמה), גודל הצעד (2 ^cm-1) ומספר הממוצעים המשמשים למדידה. בצע תיקון רקע של הספקטרום המוצג על ידי חלוקת המשרעת הפוטותרמית הנמדדת על ידי הרקע המוחלש, המורכב מהכפלת הרקע שנאסף בשלב 5.2.4 באחוז העוצמה שנבחר למדידה.
3. להדמיית ננו-אינפרא-אדום, בחר את אזור העניין להדמיה.
   1. הפעל כוונון אוטומטי של לולאה נעולה פאזה (PLL) ב"חלון כוונון דופק לייזר" (נגיש באמצעות סמל מזלג הכוונון ).
   2. התאם את התדר המינימלי והמרבי כדי ליצור טווח ניקוי הממורכז במצב התהודה השני בלוח הבקרה הכללי.
   3. אפס את השלב על ידי לחיצה על אפס בלוח הבקרה PLL ולאחר מכן לחץ על אישור בחלון "Laser Pulse Tune".
   4. בחר באפשרות IR Imaging Enabled על-ידי הצבת סימן ביקורת בתיבה בלוח הבקרה של nanoIR.
   5. בלוח הבקרה "תצוגת הדמיה", בחר גובה (תצוגת הדמיה 1), משרעת 2 (תצוגת הדמיה 2) ושלב 2 (תצוגת הדמיה 3) כדי לקבל את התמונות הטופוגרפיות והכימיות של הדגימה. הגדר את כיוון הרכישה ל - Trace (או Retrace). התאמת קו נדרש לעתים קרובות כדי לצפות בתמונת הטופוגרפיה של הדגימה הנרכשת. יש להגדיר את התאמת הלכידה לללא.
      הערה: ניתן להתאים את העדפות הסריקה, כגון כיוון הסריקה שצולם או לוח הצבעים שנעשה בו שימוש, לפי הצורך.
   6. בלוח הבקרה של AFM "סריקה", בחר בסמל סריקה .
   7. כדי לשמור את התמונה, בחר בסמל Now או End of frame בלוח הבקרה "Capture".
4. כדי לייצא את הנתונים, לחץ באמצעות לחצן העכבר הימני על שמות קובצי התמונה או הספקטרום בתוך רשימות הנתונים. בחר ייצוא ובחר את תבנית הקובץ לייצוא. שמור את הקובץ במיקום תיקיית המחשב הרצוי.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

חרוזי PS ((C,₈, H,₈)_n) הונחו על מצע Si נקי (איור 1A) ועל PVA ((CH,₂, CHOH)_n) (איור 1B,C). בשל ההיצמדות הלקויה של החרוז על Si, לא ניתן היה לרכוש הדמיית ננו-IR במצב מגע עבור דגימה זו. במקום זאת, באמצעות התצוגה האופטית של הדגימה על ננו-אינפרה-אדום, ?...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

AFM בשילוב עם ספקטרוסקופיית ננו-IR יכול לספק מידע כימי ננומטרי באמצעות מיכל במצב מגע ומקור אור IR בפולסים. מערכות מודל, כגון הטמעת בולם בעל ממדים סופיים בנפח של חומר פולימרי, חשובות לשיפור ההבנה של מנגנוני היווצרות תמונה ולקביעת ביצועי הכלי. במקרה של תצורת PS/PVA המוצגת כאן, בוצע אופטימיזציה לקב?...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
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