Molecular Vista原子力微鏡與可見(jiàn)-紅外-拉曼聯(lián)用系統(tǒng)

——10nm以下空間分辨可見(jiàn)-紅外-拉曼成像與光譜采集

原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope， AFM)經(jīng)過(guò)30多年的發(fā)展后，從形貌測(cè)試及其它常規(guī)功能來(lái)看已經(jīng)非常成熟。然而常規(guī)的原子力顯微鏡也越來(lái)越無(wú)法滿足科研人員在納米尺度下對(duì)于樣品進(jìn)行多性質(zhì)原位測(cè)試分析的更高需求，尤其在化學(xué)、光學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)、力學(xué)等領(lǐng)域。在這一背景下，美國(guó)Molecular Vista應(yīng)運(yùn)而生，推出了全新一代原子力顯微鏡VistaScope！

在具備所有常規(guī)原子力顯微鏡功能的條件下，基于**的光誘導(dǎo)力顯微鏡（Photo-induced Force Microscope， PiFM)技術(shù)，結(jié)合波長(zhǎng)可調(diào)的可見(jiàn)-紅外光源，從而實(shí)現(xiàn)10nm以下空間分辨可見(jiàn)~紅外成像與光譜采集，無(wú)需遠(yuǎn)場(chǎng)光學(xué)接收器及光譜儀。

此外，VistaScope原子力顯微鏡還可以與各類(lèi)拉曼光譜儀進(jìn)行聯(lián)用，組成目前市場(chǎng)上功能*為強(qiáng)大的原子力顯微鏡與可見(jiàn)-紅外-拉曼聯(lián)用系統(tǒng)，以滿足科研人員在納米尺度下的各種測(cè)試需求。VistaScope原子力顯微鏡具備如下功能：

NanoIR 納米紅外成像與光譜

光誘導(dǎo)力顯微鏡突破性的采用檢測(cè)探針與樣品之間的偶極交互(dipole interaction)，使其不受到樣品橫向熱膨脹對(duì)于空間分辨率帶來(lái)的負(fù)面影響。因此，基于光誘導(dǎo)力顯微鏡的納米紅外能真正意義上的實(shí)現(xiàn)10nm以下空間分辨納米紅外成像！下圖為PS-PMMA嵌段共聚物納米紅外成像與光譜案例，紅色和綠色分別代表PMMA與PS的分布情況。

摘自“Nanoscale chemical imaging by photoinduced force microscopy，Sci. Adv. 2016”

基于光誘導(dǎo)力顯微鏡的納米紅外不僅適合有機(jī)高分子材料，也適合無(wú)機(jī)材料。下圖為不同Si/Al比的ZSM-5沸石分子篩的納米紅外骨架振動(dòng)峰在1100cm^-1處的藍(lán)移及劈裂情況，以及通過(guò)碳?xì)浠衔镌?480cm^-1的C=C伸縮振動(dòng)峰來(lái)反映ZSM-5參與甲醇制碳?xì)浠衔铮∕TH)催化反應(yīng)后結(jié)焦的分布情況。

摘自“Nanoscale infrared imaging of zeolites using photoinduced force microscopy，Chem. Commun. 2017”

NanoVis 納米可見(jiàn)吸收成像與光譜

偶極交互的檢測(cè)原理使得光誘導(dǎo)力顯微鏡不僅能在中紅外波段下工作，也可以很好在可見(jiàn)～近紅外波段性下進(jìn)行成像及光譜采集。下圖為6-TAMRA熒光染料在不同波長(zhǎng)下的可見(jiàn)吸收成像與光譜，黑色箭頭所指處的染料顆粒尺寸小于10nm，達(dá)到了單分子成像的水平。

摘自“Image force microscopy of molecular resonance: A microscope principle， Appl. Phys. Lett. 2010”

下圖為二硫化鉬在不同波長(zhǎng)下的可見(jiàn)吸收成像與光譜

樣品結(jié)果來(lái)自“Stanford University & University of British Columbia”

AFM-Raman 原子力-拉曼聯(lián)用系統(tǒng)

VistaScope原子力顯微鏡具有正置-倒置光路一體化的設(shè)計(jì)，可以將激發(fā)光從頂部，側(cè)面以及底部激發(fā)至樣品以適應(yīng)透明和不透明的樣品或使激發(fā)在針尖上的光束具有合適的偏振方向從而進(jìn)一步增強(qiáng)拉曼信號(hào)。MVI提供高速高通量的Vista-Raman光譜儀與VistaScope原子力顯微鏡進(jìn)行聯(lián)用，其也可以和其他拉曼光譜儀進(jìn)行聯(lián)用。下圖為VistaScope聯(lián)合Vista-Raman對(duì)載玻片上碳納米管的針尖增強(qiáng)拉曼成像(Tip Enhanced Raman Spectroscopy，TERS)。

拉曼信號(hào)的增強(qiáng)主要源于局域表面等離子體共振(LSPR)的電磁場(chǎng)增強(qiáng)。光誘導(dǎo)力顯微鏡可以直接表征樣品表面的場(chǎng)強(qiáng)分布，通過(guò)場(chǎng)強(qiáng)表征結(jié)果可以找到高場(chǎng)強(qiáng)進(jìn)行針尖增強(qiáng)拉曼成像。下圖為在光誘導(dǎo)力顯微鏡對(duì)于鍍金襯底上亮甲酚藍(lán)(BCB)場(chǎng)強(qiáng)表征，可以看到高場(chǎng)強(qiáng)（亮）和低場(chǎng)強(qiáng)（暗）所得到拉曼光譜信號(hào)的強(qiáng)弱對(duì)比。

s-SNOM 散射式掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡

有別于傳統(tǒng)的掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡，光誘導(dǎo)力顯微鏡采用檢測(cè)探針與樣品之間的偶極交互直接獲得樣品表面的場(chǎng)強(qiáng)分布，無(wú)需遠(yuǎn)場(chǎng)光學(xué)探測(cè)器。這不僅杜絕了遠(yuǎn)場(chǎng)信號(hào)的干擾，也無(wú)需像SNOM那樣配置多個(gè)不同波段光學(xué)探測(cè)器。光誘導(dǎo)力顯微鏡的檢測(cè)端可無(wú)縫適應(yīng)紫外～射頻，用戶僅需考慮如何將激發(fā)光激發(fā)至樣品。同時(shí)，MVI也提供散射式掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡(s-SNOM)功能，用于光學(xué)相位的測(cè)量，作為場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量的補(bǔ)充。下圖為金鋁二聚體分別在480nm和633nm不同偏振方向激發(fā)后的場(chǎng)強(qiáng)分布，圖a，b的實(shí)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)與圖c，d的理論模擬是否吻合，金鋁二聚體間隔僅為5nm!

摘自“Wavelength-dependent Optical Force Imaging of Bimetallic Al-Au Heterodimers， Nano Lett. 2018”

上面提到拉曼信號(hào)的增強(qiáng)主要源于局域表面等離子體共振(LSPR)的電磁場(chǎng)增強(qiáng)，下圖為基于銀顆粒陣列的表面增強(qiáng)拉曼襯底(SERS)的場(chǎng)強(qiáng)分布，圖f的FWHM結(jié)果顯示光誘導(dǎo)力顯微鏡實(shí)現(xiàn)了3.1nm的空間分辨。

摘自“Fabrication and near-field visualization of a waferscale dense plasmonic nanostructured array， RSC Adv. 2018”

More Intergration 與其他光學(xué)-光譜技術(shù)聯(lián)用

VistaScope原子力顯微鏡還能與其他多種光學(xué)-光譜技術(shù)聯(lián)用。例如，非線性-時(shí)間分辨-泵浦-探測(cè)-超快光譜，光致發(fā)光光譜（熒光光譜與磷光光譜），單分子熒光成像，共聚焦成像等。下圖為VistaScope原子力顯微鏡結(jié)合飛秒激光器在光誘導(dǎo)力顯微鏡模式下，以809nm為泵浦光，605nm探測(cè)光對(duì)于單個(gè)萘酞菁硅(SiNc)納米團(tuán)簇分子的時(shí)間分辨瞬態(tài)吸收成像的表征。

摘自“Linear and Nonlinear Optical Spectroscopy at the Nanoscale with Photoinduced Force Microscopy， Acc. Chem. Res. 2015”

下圖為VistaScope原子力顯微鏡-光誘導(dǎo)力顯微鏡與熒光光譜對(duì)于二硫化鉬原位表征結(jié)果

Multi-frequency AFM 多頻原子力顯微鏡

VistaScope原子力顯微鏡采用了全新的多頻模式，在具備所有常規(guī)原子力顯微鏡功能的條件下，也將性能提升到了全新的高度。相比于常規(guī)的單頻原子力顯微鏡，多頻原子力顯微鏡擁有更高的空間分辨率與靈敏度。下圖為VistaScope在各種AFM模式下的成像結(jié)果。