利用峰值力红外显微术在液相下进行纳米红外成像和光谱分析

注：文末有研究团队简介及本文科研思路分析

在基于原子力显微镜（AFM）针尖增强（Tip-enhancement）的纳米红外（Nano-IR）技术中，样品的红外特性可以通过AFM探针尖端所产生的强局域光场来激发与检测。相比于传统的红外光谱技术，纳米红外技术具有更高的空间分辨率与更高的灵敏度，能够为化学反应、纳米材料以及纳米光子学的研究提供丰富的信息。峰值力红外显微术（Peak force infrared microscopy， PFIR）是于2017年所发明的最新纳米红外技术之一。在一般的测定条件下（大气中），通过检测由于样品红外吸收后受热膨胀所带来的针尖的高频振动或者形变，PFIR技术的空间分辨率已经可以小于10 nm。2020年，美国理海大学（Lehigh University）的许晓汲（点击查看介绍）团队进一步为PFIR技术提供了一种新的搭建思路，即利用全反射（Total Internal Reflection，TIR）所产生的增强光场来加强PFIR的红外信号（Anal. Chem., 2020, 93, 731–736）。TIR-PFIR的发明使得液相中的纳米红外测量成为了可能。之前，这一技术已经于在水中观测二维材料氮化硼的声子激元（Phonon polariton）的研究中得到了利用（Nano Lett., 2020, 20, 3986–3991）。相比于大气环境，液体环境中的化学与生物过程所蕴含的信息更加丰富，但是红外测量也更为复杂。近日，基于相同的仪器平台，许晓汲团队成功地将PFIR应用于液相中化学反应与生物样品的监测和测量。这一技术被统称为液相峰值力显微术（Liquid-phase peak force infrared （LiPFIR）microscopy）。

许晓汲团队首先在牛血清蛋白形成的纤维结构上样品上证明了LiPFIR具有与常规PFIR接近的10纳米超高空间分辨率。随后，作为测量化学过程的例子，LiPFIR被用来监控和观测固/液界面上点击化学（click chemistry）的反应位点。随着反应时间的推移，通过对比红外图像中反应位点与基底的红外光谱，作者在含有叠氮基团的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA-N3）高分子表面上发现了由于化学反应而形成的纳米级别的反应位点。最后，作为测量生物样品的案例，LiPFIR还被用来检测水中的酵母细胞壁表面。即使酵母细胞壁颗粒（zymosan particles）在水中吸水膨胀后高达1.8微米，作者还是成功得到了一对分裂中的酵母细胞壁颗粒表面的红外图像。通过对一些位点进行纳米红外光谱的扫描，作者还成功地检测出了处于两个分裂中的一对酵母细胞壁之间的蛋白质。这些实验结果极大地拓展了液相纳米红外技术在测量化学反应与生物样品中的应用，证明了LiPFIR技术的广阔应用前景。

这一成果近期发表在Analytical Chemistry 上，文章的第一作者是里海大学博士、现加州理工学院博士后王浩民。

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Liquid-Phase Peak Force Infrared Microscopy for Chemical Nanoimaging and Spectroscopy

Haomin Wang, Joseph M. González-Fialkowski, Wenqian Li, Qing Xie, Yan Yu, and Xiaoji G. Xu*

Anal. Chem., 2021, 93, 3567–3575, DOI: 10.1021/acs.analchem.0c05075

许晓汲博士简介

许晓汲，理海大学化学系副教授。2009年在加拿大不列颠哥伦比亚大学 (UBC) 获得博士学位。在加拿大多伦多大学博士后研究。2014年底在理海大学任助理教授独立研究 (PI)。2020年任副教授（终身教授）。曾获得贝克曼青年科学家奖、NSF CAREER、斯隆研究奖。主要研究领域为发展扫面探针显微技术和仪器，以及基于红外光谱的分析化学方法的研究。

许晓汲

https://www.x-mol.com/university/faculty/281089

研究小组主页

https://xu-lab.com/

科研思路分析

Q：这项研究最初是什么目的？或者说想法是怎么产生的？

A：传统红外显微技术(infrared microscopy) 在两方面有局限性：1，空间分辨率受衍射极限限制，2，无法直接在液相或者水相中应用。而我们发明LiPFIR的目的就是为了解决或者规避传统红外显微技术的这两个局限。

Q：研究过程中遇到哪些挑战？

A：由于这是一个全新的技术研发，我们在过程探索了很长时间，实验了不同方案。由于资源有限，我们所使用的原子力显微镜（AFM, Bioscope Catalyst, Bruker Nano）不是最新型的，检测噪音偏大，所幸并不影响我们方法的验证。现在我们有了更好的原子力显微镜(Bioscope Resolve)应该可以进一步获得更好的成像效果。

Q：该研究成果可能有哪些重要的应用？哪些领域的企业或研究机构可能从该成果中获得帮助？

A：液相中的LiPFIR纳米红外显微术可以为化学反应和生物过程提供高空间分辨率的化学成像的工具，比如小分子在膜上的化学反应或者吸附。这种方法也可以用来检测液相中高分子膜的化学和物理变化。