南京大学：基于原子力显微镜的液相纳米红外技术

侧向照明结构

基于AFM的纳米红外技术不仅对样品表面敏感，而且能够对亚表面样品进行分析。因此，使用超薄且红外透明的膜分隔液体环境和AFM探针，可以在空气中通过侧向照明结构获得液体中样品的纳米红外信号（图1c）。这种光学结构具备与传统的固/气界面研究相似的偶极高效激发和低激光衰减。目前为止，侧向照明结构已在s-SNOM技术中广泛使用，以石墨烯、氧化物或SiN薄膜作为红外透射薄膜，开展了一系列化学、生物化学、电化学相关的研究。由于电场强度随着与针尖距离的增大指数衰减，使用更薄的薄膜有望得到更高的灵敏度。然而，较薄的薄膜机械强度较弱，对液体池的设计提出了新的要求。此外，在平坦薄膜上扫描无法测量样品的形貌信息，并且纳米尺度信息主要来自AFM针尖附近的样品，而非样品/液体界面，这些因素需要在使用侧向照明结构对液体环境中较厚的样品进行测量时予以考虑。

在过去的5年内，基于AFM的纳米红外技术在液体环境中的应用取得了重大进展（图2）。然而，对于复杂的实际应用场景，现有的装置还远未达到完善的地步，为未来的进一步探索创新留下了充足的空间。一个有潜力的发展方向是对化学和电化学过程进行分析，这些过程通常发生在毫秒或微秒的时间尺度上。目前纳米红外光谱的采集速度还不足以捕捉这些快速过程，利用超快光谱可能是在液相实现快速纳米红外分析的一种有前景的方法。

图2.基于AFM的液相纳米红外技术的主要发展时间表。CW：连续波；PM：抛物面镜；FFT：快速傅立叶变换；QPD：象限光电二极管；DAQ：数据采 集 器；PLL：锁相环；PFT：峰值力轻敲。

此外，现有的基于AFM的纳米红外技术在液体环境中的空间分辨率约为10 nm。要在未来实现进一步发展，实现原子级的高分辨率至关重要，这就需要开发能够在液体环境中工作的更尖锐、更稳定的AFM探针。另外，随着检测体积减小，更高的空间分辨率需要更高的灵敏度。因此，增强灵敏度至分子水平，而不仅仅停留在分子单层水平，对于精确解析化学、物理和生物过程中发生的变化至关重要。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.scib.2023.11.022