Infraröd nanospektroskopi (AFM-IR)
AFM-IR ( atomic force microscope-infrared spectroscopy ) eller infraröd nanospektroskopi är en av en familj av tekniker som härrör från en kombination av två överordnade instrumentella tekniker. AFM-IR kombinerar den kemiska analyskraften hos infraröd spektroskopi och den höga spatiala upplösningen hos scanning probe microscopy ( SPM). Termen användes först för att beteckna en metod som kombinerade en avstämbar fri elektronlaser med ett atomkraftmikroskop (AFM, en typ av SPM) utrustat med en vass sond som mätte den lokala absorptionen av infrarött ljus av ett prov med rumslig upplösning i nanoskala.
Ursprungligen krävde tekniken att provet skulle deponeras på ett infrarödtransparent prisma och vara mindre än 1 μm tjockt. Denna tidiga installation förbättrade den rumsliga upplösningen och känsligheten för fototermiska AFM-baserade tekniker från mikron till cirka 100 nm. Sedan har användningen av moderna pulsade optiska parametriska oscillatorer och kvantkaskadlasrar, i kombination med toppbelysning, gjort det möjligt att undersöka prover på vilket substrat som helst och med ökad känslighet och rumslig upplösning. Som de senaste framstegen har AFM-IR visat sig kunna förvärva kemiska kartor och upplösta spektra i nanoskala på enkelmolekylär skala från makromolekylära självsammansättningar och biomolekyler med cirka 10 nm diameter, såväl som att övervinna begränsningar av IR-spektroskopi och mäta i vattenhaltiga vätskemiljöer.
Genom att registrera mängden infraröd absorption som en funktion av våglängd eller vågnummer skapar AFM-IR ett infrarött absorptionsspektra som kan användas för att kemiskt karakterisera och till och med identifiera okända prover. Registrering av den infraröda absorptionen som funktion av position kan användas för att skapa kemiska sammansättningskartor som visar den rumsliga fördelningen av olika kemiska komponenter. Nya förlängningar av den ursprungliga AFM-IR-tekniken och tidigare tekniker har möjliggjort utvecklingen av bänkenheter med förmåga till nanometerspatial upplösning, som inte kräver ett prisma och som kan arbeta med tjockare prover, och därigenom avsevärt förbättra användarvänligheten och utöka urval av prover som kan analyseras. AFM-IR har uppnått lateral spatial upplösning på ca. 10 nm, med en känslighet ner till skalan för molekylära monolager och enkla proteinmolekyler med molekylvikt ner till 400-600 kDa.
AFM-IR är relaterat till tekniker som spetsförstärkt Raman-spektroskopi (TERS), scanning near-field optical microscopy (SNOM), nano-FTIR och andra metoder för vibrationsanalys med scanning probe mikroskopi.
Historia
Tidig historia
De tidigaste mätningarna som kombinerar AFM med infraröd spektroskopi utfördes 1999 av Hammiche et al . vid University of Lancaster i Storbritannien, i ett EPSRC -finansierat projekt som leds av M Reading och HM Pollock. Separat gjorde Anderson vid Jet Propulsion Laboratory i USA en relaterad mätning år 2000. Båda grupperna använde en konventionell Fourier transform infraröd spektrometer (FTIR) utrustad med en bredbandsvärmekälla, strålningen fokuserades nära spetsen av en sond som var i kontakt med ett prov. Lancaster-gruppen erhöll spektra genom att detektera absorptionen av infraröd strålning med hjälp av en temperaturkänslig termisk sond. Anderson tog det annorlunda tillvägagångssättet att använda en konventionell AFM-sond för att detektera den termiska expansionen . Han rapporterade ett interferogram men inte ett spektrum; det första infraröda spektrumet erhållet på detta sätt rapporterades av Hammiche et al . 2004: detta representerade det första beviset på att spektral information om ett prov kunde erhållas med denna metod.
Båda dessa tidiga experiment använde en bredbandskälla i samband med en interferometer; dessa tekniker skulle därför kunna hänvisas till som AFM-FTIR även om Hammiche et al . myntade den mer allmänna termen fototermisk mikrospektroskopi eller PTMS i sin första uppsats. PTMS har olika undergrupper; inklusive tekniker som mäter temperatur mäter termisk expansion använder bredbandskällor. använd lasrar excitera provet med evanescenta vågor, belys provet direkt ovanifrån etc. och olika kombinationer av dessa. I grund och botten utnyttjar de alla den fototermiska effekten. Olika kombinationer av källor, metoder, metoder för detektion och metoder för belysning har fördelar för olika tillämpningar. Man bör se till att det är tydligt vilken form av PTMS som används i varje enskilt fall. För närvarande finns det ingen allmänt accepterad nomenklatur. Den ursprungliga tekniken kallad AFM-IR som inducerade resonansrörelse i sonden med hjälp av en Free Electron Laser har utvecklats genom att utnyttja de föregående permutationerna så att den har utvecklats till olika former.
De banbrytande experimenten av Hammiche et al och Anderson hade begränsad rumslig upplösning på grund av termisk diffusion - spridningen av värme bort från området där det infraröda ljuset absorberades. Den termiska diffusionslängden (avståndet som värmen sprider) är omvänt proportionell mot roten av moduleringsfrekvensen. Följaktligen var den rumsliga upplösningen som uppnåddes av de tidiga AFM-IR-metoderna runt en mikron eller mer, på grund av de låga moduleringsfrekvenserna för den infallande strålningen som skapas av spegelns rörelse i interferometern. De första termiska sonderna var också Wollaston-trådenheter som ursprungligen utvecklades för mikrotermisk analys (i själva verket ansågs PTMS ursprungligen tillhöra en familj av mikrotermiska tekniker). Den jämförelsevis stora storleken på dessa sonder begränsade också rumslig upplösning. Bozec et al . och Reading et al . använde termiska sonder med nanoskala dimensioner och visade högre rumslig upplösning. Ye et al beskrev en termisk sond av MEM-typ som gav rumslig upplösning under 100 nm, som de använde för nanotermisk analys. Processen att utforska laserkällor började 2001 av Hammiche et al när de förvärvade det första spektrumet med hjälp av en avstämbar laser ( se Upplösningsförbättring med pulsad laserkälla) .
En betydande utveckling var skapandet av Reading et al . 2001 av ett anpassat gränssnitt som gjorde det möjligt att göra mätningar samtidigt som provet belyses ovanifrån; detta gränssnitt fokuserade den infraröda strålen till en fläck med cirka 500 μm diameter, nära det teoretiska maximum. Användningen av top-down eller top-side belysning har den viktiga fördelen att prover av godtycklig tjocklek kan studeras på godtyckliga substrat. I många fall kan detta göras utan provberedning. Alla efterföljande experiment av Hammiche, Pollock, Reading och deras medarbetare gjordes med användning av denna typ av gränssnitt inklusive instrumentet konstruerat av Hill et al . för nanoskala avbildning med en pulsad laser. Arbetet från University of Lancaster-gruppen i samarbete med arbetare från University of East Anglia ledde till bildandet av ett företag, Anasys Instruments, för att utnyttja denna och relaterade teknologier ( se Kommersialisering ).
Förbättring av rumslig upplösning med pulserande laserkällor
I den första artikeln om AFM-baserad infraröd av Hammiche et al ., skisserades de relevanta väletablerade teoretiska övervägandena som förutsäger att hög rumslig upplösning kan uppnås med användning av snabba moduleringsfrekvenser på grund av den efterföljande minskningen av den termiska diffusionslängden. De uppskattade att rumsliga upplösningar i intervallet 20 nm-30 nm borde vara möjliga. De mest lättillgängliga källorna som kan uppnå höga moduleringsfrekvenser är pulsade lasrar: även när hastigheten på pulserna inte är hög, innehåller fyrkantsvågformen av en puls mycket höga moduleringsfrekvenser i Fourierrymden. År 2001, Hammiche et al . använde en typ av avstämbar, pulsad infraröd laser av bänk, känd som en optisk parametrisk oscillator eller OPO och erhöll det första sondbaserade infraröda spektrumet med en pulsad laser, men de rapporterade inga bilder.
Nanoskala rumslig upplösning AFM-IR-avbildning med hjälp av en pulsad laser demonstrerades först av Dazzi et al vid universitetet i Paris-Sud, Frankrike. Dazzi och hans kollegor använde en våglängdsjusterbar, fri elektronlaser vid CLIO-anläggningen i Orsay, Frankrike för att tillhandahålla en infraröd källa med korta pulser. Liksom tidigare arbetare använde de en konventionell AFM-sond för att mäta termisk expansion men introducerade en ny optisk konfiguration: provet monterades på ett IR-transparent prisma så att det kunde exciteras av en evanescent våg. Absorption av korta infraröda laserpulser av provet orsakade snabb termisk expansion som skapade en kraftimpuls vid spetsen av AFM-konsolen. Den termiska expansionspulsen inducerade transienta resonansoscillationer av AFM fribärande sonden. Detta har lett till att tekniken har kallats Photo-Thermal Induced Resonance (PTIR), av vissa arbetare på fältet. Vissa föredrar termerna PTIR eller PTMS framför AFM-IR eftersom tekniken inte nödvändigtvis är begränsad till infraröda våglängder. Amplituden för fribärande oscillation är direkt relaterad till mängden infraröd strålning som absorberas av provet. Genom att mäta den fribärande oscillationsamplituden som en funktion av vågnumret kunde Dazzis grupp erhålla absorptionsspektra från nanoskalaområden i provet. Jämfört med tidigare arbete förbättrade detta tillvägagångssätt den rumsliga upplösningen eftersom användningen av korta laserpulser minskade varaktigheten av den termiska expansionspulsen till den grad att de termiska diffusionslängderna kan vara på skalan av nanometer snarare än mikron.
En viktig fördel med användningen av en avstämbar laserkälla, med ett smalt våglängdsområde, är förmågan att snabbt kartlägga placeringen av specifika kemiska komponenter på provytan. För att uppnå detta justerade Dazzis grupp sin fria elektronlaserkälla till en våglängd som motsvarar den molekylära vibrationen för kemikalien av intresse, och kartlade sedan den fribärande oscillationsamplituden som funktion av positionen över provet. De visade förmågan att kartlägga kemisk sammansättning i E. coli- bakterier. De kunde också visualisera polyhydroxibutyrat (PHB) vesiklar inuti Rhodobacter capsulatus- celler och övervaka effektiviteten av PHB-produktion av cellerna.
Vid University of East Anglia i Storbritannien, som en del av ett EPSRC-finansierat projekt ledd av M. Reading och S. Meech, följde Hill och hans medarbetare det tidigare arbetet av Reading et al . och Hammiche et al . och mätte termisk expansion med användning av en optisk konfiguration som belyste provet från ovan i motsats till Dazzi et al . som exciterade provet med en flyktig våg underifrån. Hill använde också en optisk parametrisk oscillator som den infraröda källan på samma sätt som Hammiche et al . Denna nya kombination av belysning på ovansidan, OPO-källa och mätning av termisk expansion visade sig kunna uppnå rumslig upplösning i nanoskala för infraröd avbildning och spektroskopi (figurerna visar ett schema över UEA-apparaten och resultat som erhållits med den). Hills och medarbetares användning av belysning från ovan gjorde att ett avsevärt bredare urval av prover kunde studeras än vad som var möjligt med Dazzis teknik. Genom att introducera användningen av en bänk-top IR-källa och topdown-belysning, möjliggjorde arbetet av Hammiche, Hill och deras medarbetare det första kommersiellt gångbara SPM-baserade infraröda instrumentet (se Kommersialisering).
Bredbandspulsade laserkällor
Reading et al . har undersökt användningen av en bredbands-QCL i kombination med termiska expansionsmätningar. Ovan diskuteras oförmågan hos termiska bredbandskällor att uppnå hög rumslig upplösning (se historik). I detta fall begränsas moduleringsfrekvensen av interferometerns spegelhastighet, vilket i sin tur begränsar den laterala rumsliga upplösningen som kan uppnås. När du använder en bredbandig QCL begränsas upplösningen inte av spegelhastigheten utan av moduleringsfrekvensen för laserpulserna (eller andra vågformer). Fördelen med att använda en bredbandskälla är att en bild kan erhållas som omfattar ett helt spektrum eller en del av ett spektrum för varje pixel. Detta är mycket kraftfullare än att få bilder baserat på en enda våglängd. De preliminära resultaten av Reading et al . visa att styrning av en bredbands-QCL genom en interferometer kan ge ett lätt detekterbart svar från en konventionell AFM-sond som mäter termisk expansion.
Kommersialisering
AFM-IR-tekniken baserad på en pulsad infraröd laserkälla kommersialiserades av Anasys Instruments, ett företag som grundades av Reading, Hammiche och Pollock i Storbritannien 2004; ett systerbolag i USA grundades ett år senare. Anasys Instruments utvecklade sin produkt med stöd från National Institute of Standards and Technology och National Science Foundation . Eftersom fria elektronlasrar är sällsynta och endast tillgängliga på utvalda institutioner, var en nyckel för att möjliggöra en kommersiell AFM-IR att ersätta dem med en mer kompakt typ av infraröd källa. Efter den ledning som Hammiche et al gav 2001 och Hill et al 2008, introducerade Anasys Instruments en AFM-IR-produkt i början av 2010, med användning av en bordslaserkälla baserad på en nanosekund optisk parametrisk oscillator. OPO-källan möjliggjorde infraröd spektroskopi i nanoskala över ett inställningsområde på ungefär 1000–4000 cm -1 eller 2,5-10 μm.
Den initiala produkten krävde att prover skulle monteras på infrarödtransparenta prismor, med det infraröda ljuset riktat underifrån på samma sätt som Dazzi et al . För bästa funktion krävde detta belysningsschema tunna prover, med optimal tjocklek på mindre än 1 μm, förberedda på prismats yta. 2013 släppte Anasys ett AFM-IR-instrument baserat på arbetet av Hill et al . som stödde belysning på ovansidan. "Genom att eliminera behovet av att förbereda prover på infrarödtransparenta prismor och lätta på begränsningen av provtjocklek, utökades utbudet av prover som kunde studeras avsevärt. VD:n för Anasys Instruments erkände denna prestation genom att kalla det "ett spännande stort framsteg" i ett brev skrivet till universitetet och inkluderat i slutrapporten för EPSRC-projektet EP/C007751/1. UEA-tekniken fortsatte att bli Anasys Instruments flaggskeppsprodukt.
Det är värt att notera att det första infraröda spektrumet som erhölls genom att mäta termisk expansion med en AFM erhölls av Hammiche och medarbetare utan att inducera resonansrörelser i sondens fribärande. I detta tidiga exempel var moduleringsfrekvensen för låg för att uppnå hög rumslig upplösning men det finns i princip ingenting som hindrar mätningen av termisk expansion vid högre frekvenser utan att analysera eller inducera resonansbeteende. Möjliga alternativ för att mäta spetsens förskjutning snarare än den efterföljande utbredningen av vågor längs konsolen inkluderar; interferometri fokuserad i änden av konsolen där spetsen är placerad, en vridningsrörelse som härrör från en förskjuten sond (den skulle bara påverkas av konsolens rörelser som en andra ordningens effekt) och utnyttjar det faktum att signalen från en uppvärmd termisk sond påverkas starkt av spetsens läge i förhållande till ytan, så detta skulle kunna ge ett mått på termisk expansion som inte var starkt påverkad av eller beroende av resonans. Fördelarna med en icke-resonansmetod för detektion är att vilken frekvens av ljusmodulering som helst kan användas, så att djupinformation kan erhållas på ett kontrollerat sätt (se nedan), medan metoder som förlitar sig på resonans är begränsade till övertoner. Den termiska sondbaserade metoden enligt Hammiche et al . har hittat ett betydande antal ansökningar.
En unik tillämpning som möjliggörs av top-down-belysningen i kombination med en termisk sond är lokaliserad djupprofilering, detta är inte möjligt med någon av Dazzi et al . konfiguration av AFM-IR eller den av Hill et al . trots att den senare använder belysning uppifrån och ner. Att erhålla linjeavsökningar och bilder med termiska prober har visat sig vara möjligt, sub-diffraktionsgräns för rumslig upplösning kan uppnås och upplösningen för att avgränsa gränser kan förbättras med hjälp av kemometriska tekniker.
I alla dessa exempel erhålls ett spektrum som spänner över hela mitt-IR-området för varje pixel, detta är betydligt kraftfullare än att mäta absorptionen av en enstaka våglängd som är fallet för AFM-IR när man använder antingen metoden enligt Dazzi et al . al . eller Hill et al . Reading och hans grupp visade hur, eftersom termiska prober kan värmas upp, lokaliserad termisk analys kan kombineras med fototermisk infraröd spektroskopi med en enda sond. På detta sätt skulle lokal kemisk information kunna kompletteras med lokala fysikaliska egenskaper såsom smält- och glasövergångstemperaturer. Detta ledde i sin tur till konceptet med termiskt assisterad nanosampling, där den uppvärmda spetsen utför ett lokalt termiskt analysexperiment, sedan dras sonden tillbaka och tar med sig ner till femtogram av uppmjukat material som fäster vid spetsen. Detta material kan sedan manipuleras och/eller analyseras genom fototermisk infraröd spektroskopi eller andra tekniker. Detta ökar avsevärt den analytiska kraften hos denna typ av SPM-baserade infraröda instrument utöver allt som kan uppnås med konventionella AFM-sonder, såsom de som används i AFM-IR när man använder antingen Dazzi et al . eller Hill et al . version.
Termiska sondtekniker har fortfarande inte uppnått den rumsliga upplösning i nanoskala som termiska expansionsmetoder har uppnått även om detta är teoretiskt möjligt. För detta behövs en robust termisk sond och en högintensitetskälla. Nyligen har de första bilderna med en QCL och en termisk sond erhållits av Reading et al. Ett bra signal-brusförhållande möjliggjorde snabb avbildning men rumslig upplösning under mikron visade inte tydligt. Teorin förutspår att förbättringar i rumslig upplösning skulle kunna uppnås genom att begränsa dataanalys till den tidiga delen av det termiska svaret på en stegvis ökning av intensiteten av den infallande strålningen. På detta sätt skulle förorening av mätningen från angränsande regioner undvikas, dvs. mätfönstret kan begränsas till en lämplig bråkdel av värmevågens flygtid (om man använder en Fourier-analys av svaret kan man ge ett liknande resultat genom att använda högfrekventa komponenter). Detta kan uppnås genom att knacka på sonden synkront med lasern. På liknande sätt kan lasrar som ger mycket snabba moduleringar ytterligare minska termisk diffusionslängd.
Även om de flesta ansträngningar hittills har varit fokuserade på termiska expansionsmätningar, kan detta ändras. Riktigt robusta termiska prober har nyligen blivit tillgängliga, liksom prisvärda kompakta QCL:er som är inställbara över ett brett frekvensområde. Följaktligen kan det snart bli så att termiska sondtekniker kommer att bli lika utbredda som de som bygger på termisk expansion. I slutändan kommer instrument som enkelt kan växla mellan lägen och till och med kombinera dem med en enda sond säkert att bli tillgängliga, till exempel kommer en enda sond så småningom att kunna mäta både temperatur och termisk expansion.
Senaste förbättringar och känslighet för en enda molekyl
De ursprungliga kommersiella AFM-IR-instrumenten krävde att de flesta prover var tjockare än 50 nm för att uppnå tillräcklig känslighet. Känslighetsförbättringar uppnåddes med hjälp av specialiserade fribärande sonder med en intern resonator och med waveletbaserade signalbehandlingstekniker. Känsligheten förbättrades ytterligare av Lu et al . genom att använda kvantkaskadlaserkällor (QCL). Den höga upprepningshastigheten för QCL tillåter absorberat infrarött ljus att kontinuerligt excitera AFM-spetsen vid en " kontaktresonans " av AFM-utbäraren. Denna resonansförstärkta AFM-IR, i kombination med förbättring av det elektriska fältet från metalliska spetsar och substrat ledde till demonstrationen av AFM-IR-spektroskopi och sammansättningsavbildning av filmer så tunna som enstaka självmonterade monolager. AFM-IR har också integrerats med andra källor, inklusive en pikosekund OPO som erbjuder ett inställningsområde 1,55 μm till 16 μm (från 6450 cm -1 till 625 cm -1 ).
I sin initiala utveckling, med prover avsatta på transparenta prismor och med OPO-laserkällor, var känsligheten för AFM-IR begränsad till en minimal tjocklek av provet på cirka 50-100 nm som nämnts ovan. Tillkomsten av kvantkaskadlasrar (QCL) och användningen av den elektromagnetiska fältförstärkningen mellan metalliska sonder och substrat har förbättrat känsligheten och rumslig upplösning av AFM-IR ned till mätningen av stora (>0,3 μm) och platt (~2–2– 10 nm) självmonterade monolager, där fortfarande hundratals molekyler finns närvarande. Ruggeri et al. har nyligen utvecklat off-resonans, låg effekt och kort puls AFM-IR (ORS-nanoIR) för att bevisa förvärvet av infraröda absorptionsspektra och kemiska kartor på enstaka molekylnivå, i fallet med makromolekylära sammansättningar och stora proteinmolekyler med en rumslig upplösning på ca. 10 nm.
Kemisk avbildning och kartläggning i nanoskala
Nanoskala lösta kemiska kartor och spektra
AFM-IR möjliggör infraröd spektroskopi i nanoskala , dvs. förmågan att erhålla infraröda absorptionsspektra från områden i nanoskala av ett prov.
Kemisk sammansättningsmatning AFM-IR kan också användas för att utföra kemisk avbildning eller sammansättningskartläggning med rumslig upplösning ner till ~10-20 nm, begränsad endast av radien av AFM-spetsen. I detta fall avger den avstämbara infraröda källan en enda våglängd, motsvarande en specifik molekylär resonans, dvs ett specifikt infrarött absorptionsband. Genom att kartlägga AFM fribärande oscillationsamplitud som funktion av position är det möjligt att kartlägga fördelningen av specifika kemiska komponenter. Sammansättningskartor kan göras vid olika absorptionsband för att avslöja fördelningen av olika kemiska arter.
AFM-IR nanospektroskopi av en laserskrivare tonerpartikel , som visar rumsligt upplöst kemisk analys. Tonerpartiklar är typiskt komplexa kompositer av olika bindemedel och överföringsmedel; dessa kan avslöjas av AFM-IR
AFM-IR sammansättningskartläggning av Streptomyces- bakterier. Till vänster: AFM topografisk bild av bakterieceller. Mitten: AFM-IR-absorption vid 1650 cm- 1 , motsvarande amid I -bandet associerat med protein. Höger : AFM-IR-absorption vid karbonylbandet 1740 cm -1 , vilket indikerar fördelningen av triglyceridvesiklar inom bakterieceller.
Kompletterande morfologisk och mekanisk kartläggning
AFM-IR-tekniken kan samtidigt ge kompletterande mätningar av den mekaniska styvheten och förlusten av en provyta. När infrarött ljus absorberas av provet exciterar den resulterande snabba termiska expansionen en "kontaktresonans" hos AFM-utbäraren, dvs en kopplad resonans som är ett resultat av egenskaperna hos både fribäraren och styvheten och dämpningen av provytan. Specifikt skiftar resonansfrekvensen till högre frekvenser för styvare material och till lägre frekvenser för mjukare material. Dessutom blir resonansen bredare för material med större förlust. Dessa kontaktresonanser har studerats utförligt av AFM-gemenskapen ( se till exempel atomic force akustisk mikroskopi) . Traditionell kontaktresonans AFM kräver ett externt ställdon för att excitera fribärande kontaktresonanser. I AFM-IR exciteras dessa kontaktresonanser automatiskt varje gång en infraröd puls absorberas av provet. Så AFM-IR-tekniken kan mäta den infraröda absorptionen genom amplituden av det fribärande oscillationssvaret och de mekaniska egenskaperna hos provet via kontaktresonansfrekvensen och kvalitetsfaktorn.
Ansökningar
Tillämpningar av AFM-IR har innefattat karakterisering av protein, polymerkompositer , bakterier, celler, biomineraler, läkemedelsvetenskap, fotonik/nanoantenner, bränsleceller, fibrer, hud, hår, metallorganiska ramverk , mikrodroppar, självmonterade monolager, nanokristaller, och halvledare .
Polymerer
Polymerblandningar, kompositer, flerskiktsfilmer och fibrer AFM-IR har använts för att identifiera och kartlägga polymerkomponenter i blandningar, karakterisera gränssnitt i kompositer och till och med reverse engineering flerskiktsfilmer. Dessutom har AFM-IR använts för att studera kemisk sammansättning i Poly(3) ][4-etylendioxitiofen) (PEDOT) ledande polymerer. och ånginfiltration i polyetentereftalat-PET-fibrer.
Proteinvetenskap
De kemiska och strukturella egenskaperna hos protein bestämmer deras interaktioner, och därmed deras funktioner, i en mängd olika biokemiska processer. Eftersom Ruggeri et al. banbrytande arbete på aggregationsvägarna för Josephin-domänen av ataxin-3, ansvarig för spinocerebellär ataxi av typ-3, en ärftlig proteinfelveckningssjukdom, AFM-IR användes för att karakterisera molekylära konformationer i ett brett spektrum av tillämpningar inom protein och biovetenskap . Detta tillvägagångssätt har gett nya mekanistiska insikter om beteendet hos sjukdomsrelaterade proteiner och peptider, såsom Aβ42, huntingtin och FUS, som är involverade i uppkomsten av Alzheimers, Huntingtons och amyotrofisk lateralskleros (ALS). På liknande sätt har AFM-IR använts för att studera proteinbaserade funktionella biomaterial.
Biovetenskap
AFM-IR har använts för att karakterisera spektroskopiskt i detalj kromosomer, bakterier och celler med upplösning i nanoskala. Till exempel vid infektion av bakterier av virus ( Bacteriophages ), och även produktion av polyhydroxibutyrat (PHB) vesiklar inuti Rhodobacter capsulatus- celler och triglycerider i Streptomyces -bakterier (för biobränsletillämpningar ). AFM-IR har även använts för att utvärdera och kartlägga mineralinnehåll, kristallinitet, kollagenmognad och surt fosfatinnehåll via rationsmetrisk analys av olika absorptionsband i ben. AFM-IR har också använts för att utföra spektroskopi och kemisk kartläggning av strukturella lipider i mänsklig hud, celler och hår
Bränsleceller
AFM-IR har använts för att studera hydratiserade Nafion- membran som används som separatorer i bränsleceller . Mätningarna avslöjade fördelningen av fritt och jonbundet vatten på Nafions yta.
Fotoniska nanoantenner
AFM-IR har använts för att studera ytplasmonresonansen i kraftigt kiseldopade indiumarsenidmikropartiklar . Guldringresonatorer har studerats för användning med ytförbättrad infraröd absorptionsspektroskopi. I detta fall användes AFM-IR för att mäta den lokala fältförstärkningen av plasmonikstrukturerna (~30X) vid 100 nm rumslig upplösning.
Farmaceutiska vetenskaper
AFM-IR har använts för att studera blandbarhet och fasseparation i läkemedelspolymerblandningar, kemisk analys av nanokristallina läkemedelspartiklar så små 90 nm tvärs över, interaktionen av kromosomer med kemoterapeutiska läkemedel och av amyloider med farmakologiska metoder för att kontrastera neurodegeneration.
Anteckningar
externa länkar
- Infraröd avbildning bortom diffraktionsgränsen (NIST Andrea Centrone Group)
- Sub-våglängdsupplösningsmikrospektroskopi (University of Texas Mikhail Belkin-gruppen)
- Nanoscale Microscopy and Spectroscopy Group (Wageningen University, Ruggeri group)
