Team udvikler nanoskop til at undersøge kemi på molekylær skala

(Phys.org) – I årevis, videnskabsmænd har haft en kløe, de ikke kunne klø. Selv med de bedste mikroskoper og spektrometre, det har været svært at studere og identificere molekyler på den såkaldte mesoskala, et område af stof, der varierer fra 10 til 1000 nanometer i størrelse. Nu, ved hjælp af bredbånds infrarødt lys fra Advanced Light Source (ALS) synkrotron ved det amerikanske energiministeriums Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), forskere har udviklet en bredbåndsbilledteknik, der ser ind i dette rige med hidtil uset følsomhed og rækkevidde.

Ved at kombinere atomkraftmikroskopi med infrarødt synkrotronlys, forskere fra Berkeley Lab og University of Colorado har forbedret den rumlige opløsning af infrarød spektroskopi i størrelsesordener, samtidig med at det dækker hele sit spektroskopiske område, muliggør undersøgelse af forskellige nanoskalaer, mesoskala, og overfladefænomener, som tidligere var svære at studere.

Den nye teknik, kaldet Synchrotron Infrared Nano-Spectroscopy eller SINS, vil muliggøre en dybdegående undersøgelse af komplekse molekylære systemer, inklusive flydende batterier, levende celler, nye elektroniske materialer og stjernestøv.

"Den store ting er, at vi får fuld bredbånds infrarød spektroskopi i 100 til 1000 gange mindre skala, siger Hans Bechtel, ledende videnskabelig ingeniør ved Berkeley Lab. "Dette er ikke en gradvis præstation. Det er virkelig revolutionerende."

I en Proceedings of the National Academy of Sciences papir offentliggjort 6. maj online, med titlen "Ultra-bredbånd infrarød nanospektroskopisk billeddannelse, "Berkeley Labs Bechtel og Michael Martin, en ansat videnskabsmand fra Berkeley Lab, og kolleger fra Markus Raschkes gruppe ved University of Colorado i Boulder beskriver SINS. De demonstrerer nanoskopets evne til at fange bredbåndsspektroskopiske data over en række prøver, inklusive et halvleder-isolatorsystem, en bløddyrskal, proteiner, og et peptoid nanoark. Martin siger, at disse demonstrationer bare "ridser i overfladen" af potentialet i den nye teknik.

Synkronisering af Scopes

SINS kombinerer to allerede eksisterende infrarøde teknologier:en nyere teknik kaldet infrarød spredning-scanning nærfelts optisk mikroskopi (IR s-SNOM) og en gammel laboratoriestandby, kendt selv af college kemi studerende, kaldet Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR). En smart sammensmeltning af disse to værktøjer, kombineret med det intense infrarøde lys fra synkrotronen på Berkeley Lab giver forskerne muligheden for at identificere klynger af molekyler på størrelse så små som 20 til 40 nanometer.

Den nye tilgang overvinder langvarige barrierer med allerede eksisterende mikroskopiteknikker, der ofte involverer krævende tekniske krav og krav til prøveforberedelse. Infrarød spektroskopi bruger lavenergilys, er minimalt invasiv, og er anvendelig under omgivende forhold, hvilket gør det til et fremragende værktøj til kemiske og molekylære identifikationer i systemer, der er statiske såvel som dem, der er levende og dynamiske. Teknikken fungerer ved at skinne lavenergi infrarødt lys på en molekylær prøve. Molekyler kan opfattes som systemer af kugler (atomer) og fjedre (bindinger mellem atomer), der vibrerer med karakteristiske vrikker; de absorberer infrarød stråling ved frekvenser, der svarer til deres naturlige vibrerende tilstande. Outputtet fra denne absorption er et spektrum, ofte kaldet et fingeraftryk, som viser karakteristiske toppe og fald, afhængig af bindingerne og atomerne i prøven.

Men infrarød spektroskopi har også sine udfordringer. Selvom det fungerer godt til bulkprøver, traditionel infrarød spektroskopi kan ikke opløse molekylær sammensætning under omkring 2000 nanometer. Den største forhindring er lysets diffraktionsgrænse, som er den grundlæggende barriere, der bestemmer den mindste fokuspunkt af lys og er særligt generende for de store bølgelængder af infrarødt lys. I de seneste år, selvom, diffraktionsgrænsen er blevet overvundet af en teknik kaldet spredningsskanning nærfelts optisk mikroskopi, eller s-SNOM, hvilket indebærer at skinne lys på en metallisk spids. Spidsen fungerer som en antenne for lyset, dirigerer den til et lille område i dets spids, kun titusvis af nanometer bredt.

Dette trick er det, der bruges i IR s-SNOM, hvor infrarødt lys er koblet til en metallisk spids. Udfordringen med IR s-SNOM, imidlertid, er, at forskere har været afhængige af infrarødt lys produceret af lasere. Lasere udsender et stort antal fotoner, der er nødvendige for teknikken, men fordi de opererer i et smalt bølgelængdebånd, de kan kun undersøge et snævert område af molekylære vibrationer. Med andre ord, laserlys kan simpelthen ikke give dig fleksibiliteten til at udforske et spektrum af blandede molekyler.

Bechtel, Martin og Raschkes team så muligheden for at bruge Berkeley Labs ALS til at overvinde laserbegrænsningen. Laboratoriets synkrotron producerer bredbånds infrarødt lys med et højt fotonantal, der kan fokuseres til diffraktionsgrænsen. Forskerne koblede synkrotronlyset til en metallisk spids med en top på omkring 20 nanometer, fokusering af den infrarøde stråle på prøverne. Det resulterende spektrum analyseres med et modificeret FTIR-instrument.

"Dette er faktisk et af meget få eksempler, hvor synkrotronlys er blevet koblet til scanning probe mikroskopi, " siger Raschke. "Desuden, Implementeringen af ​​teknikken ved synkrotronen bringer kemisk nanospektroskopi og -billeddannelse ud af laboratoriet hos nogle få laservidenskabelige eksperter og gør det tilgængeligt for et bredere videnskabeligt samfund på en brugerfacilitet."

Fra bløddyr til månesten

Holdet demonstrerede teknikken ved at bekræfte den spektroskopiske signatur af siliciumdioxid på silicium og ved at illustrere den skarpe kemiske overgang, der sker inden i blåmuslingens skaller ( M. edulis ). Derudover forskerne så på proteiner og et peptoid nanoark, en ingeniør, ultratynd film af proteiner med medicinske og farmakologiske anvendelser.

Martin er begejstret for potentialet i SINS, som er tilgængelig for forskere fra enhver institution at bruge. Han er især interesseret i et nærmere kig på batterisystemer, med håbet om, at forståelse af batterikemi på mesoskalaen kunne give indsigt i bedre ydeevne. Længere ude, han forventer, at SINS også vil være nyttige til en række biokemi. "Dette antyder en drøm, jeg har haft i mit sind, at se på overfladen af ​​en celle, inde i to-lags membranen, kanalerne, og receptorer, " siger Martin. "Hvis vi kunne sætte et SINS tip på en levende celle, vi kunne se biokemi ske i realtid."

Bechtel, for hans del, er fascineret af muligheden for at bruge SINS til undersøgelse af månens sten, meteoritter og stjernestøv. Disse udenjordiske materialer har en molekylær diversitet, der er svær at opløse på nanoskala, især på en ikke-destruktiv måde for disse sjældne prøver. En bedre forståelse af sammensætningen af ​​månesten og støv fra rummet kunne give spor til dannelsen af ​​planeterne og solsystemet.

Raschke bruger teknikken til at studere de processer, der begrænser organiske solcellers ydeevne. Han søger at forbedre fleksibiliteten af ​​teknikken yderligere, så den kan anvendes under variable og kontrollerede atmosfæriske og lave temperaturforhold. Blandt andre justeringer, han planlægger at øge følsomheden af ​​teknikken med det ultimative mål at udføre enkelt-molekyle kemisk spektroskopi.