南京大学：基于原子力显微镜的液相纳米红外技术

受限于微米级的空间分辨率，传统的红外光谱和成像分析仅能提供样品的平均信息，难以对异质性样品进行空间分辨研究。基于原子力显微镜（AFM）的纳米红外技术（nano-IR）可以克服衍射极限，进行纳米尺度的红外光聚焦和光-质相互作用读取，能够同时采集纳米尺度的红外光谱和AFM图像，实现亚波长尺度光-质相互作用分析的研究。过去几十年中发展了多种基于AFM的纳米红外技术，包括：散射型扫描近场光学显微镜（s-SNOM），光热诱导共振显微镜（PTIR），光诱导力显微镜（PiFM）和峰值力红外显微镜（PFIR）。根据提取近场红外响应信号的原理不同，这些技术可分为两类：提取光学信号的s-SNOM；以及检测力信号的PiFM、PTIR和PFIR。

大量的化学和生物反应都在液体环境中进行，原则上纳米红外技术可以提供高空间分辨的信息。然而，若要将AFM-IR技术应用于液体环境，如何将红外光无损的传递到探针-样品成为了重要的技术难题。在固/气界面进行测试时，气体环境中红外光吸收可忽略不计，抛物面镜进行侧面照射即可有效聚焦红外光并激发探针偶极，实现成功的纳米红外测量。然而，在液体环境中应用时，在液体内部，尤其是在水中存在严重的光吸收。溶剂分子与红外光的相互作用显著减弱其强度，导致红外响应被溶剂主导，痕量分析物的信号会被掩盖。为解决这一瓶颈问题，近几年来研究人员开发了两种光路结构：（1）基底侧底部照明：这种结构可以在液体环境中操作AFM，（2）探针侧侧向照明：这种结构需要在空气中操作AFM，通过探针下方的超薄膜分隔探针和液体环境。近期发表在Science Bulletin上的“Atomic force microscopy-based nanoscale infrared techniques for liquid environments”对近年液相纳米红外的相关工作进行了总结，并展望了液相纳米红外未来的发展趋势以及面临的机遇和挑战。该论文第一作者为李剑博士，通讯作者为夏兴华教授。

底部照明结构

底部照明结构使得在液体环境中直接进行AFM以及纳米红外信号测量成为可能。在这种光路中，AFM探针浸没在液体里，从衬底侧进行照明将红外光传递到探针/样品处。底部照明结构分为两种：透射模式（图1a）和衰减全内反射（ATR）模式（图1b）。为了将红外光有效地传递到固/液界面，需要使用红外透明的衬底支撑样品。常见的材料包括ZnSe、CaF2、Ge和Si。如果使用紫外-可见区域透明的ZnSe和CaF2，还可以方便地利用同轴的可见激光来调整红外光路。

透射模式（图1a）可以使用普通的红外透明晶片充当衬底，入射光从衬底一侧通过物镜或抛物面镜聚焦在衬底/液体界面上。由于衬底厚度均匀，透镜与AFM探针针尖的相对位置保持不变，移动衬底对激光聚焦的影响可以忽略不计，因此可以通过移动衬底可以将针尖定位在任意区域进行采样。然而，由于s偏振光通常由低数值孔径的抛物面镜聚焦， AFM探针偶极的激发效率相对较低。因此，透射模式目前仅应用于对可以直接被红外光激发的样品（如红外等离激元共振天线）进行测试。

和透射模式相比，ATR模式（图1b）具有更好的普适性，这一结构被广泛应用于液相的远场FTIR测量。在ATR模式中，红外光在固/液界面发生全内反射，产生穿透入液体内部的倏逝场，只有在倏逝场内的样品才能与红外光相作用，从而有效地减少了液体环境的背景吸收。值得注意的是，ATR配置存在固有的近场增强，可增强近场IR信号。ATR模式已被应用于液体环境中的s-SNOM、PFIR和PTIR以及空气中的PiFM测试，可实现极化激元、化学物质和生物分子的研究。然而，由于ATR模式需要匹配临界角，并且在针尖移动过程中要避免激光失焦，与透射模式相比，ATR模式的光路调节更为复杂。

图1.基于AFM的液相纳米红外技术的光学配置示意图。（a）具有透射模式的底部照明配置；（b）具有ATR模式的底部照明配置；（c）侧照射配置。PM：抛物面镜；Obj.lens：物镜。