En ny dimension inden for kemisk nanobilleddannelse

Forskere rapporterer udviklingen af ​​hyperspektral infrarød nanobilleddannelse baseret på Fourier transform infrarød nanospektroskopi (nano-FTIR), muliggør meget følsom spektroskopisk billeddannelse af kemiske sammensætninger med rumlig opløsning i nanoskala.

Et mål inden for materialevidenskab, biomedicin og nanoteknologi er den ikke-invasive kompositoriske kortlægning af materialer med rumlig opløsning i nanometerskala. Der findes en række højopløselige billedbehandlingsteknikker (f.eks. elektron- eller scanningprobemikroskopier), men de kan ikke opfylde de stigende krav fra høje, ikke-invasiv kemisk følsomhed.

Kemisk analyse i nanoskala er for nylig blevet mulig med nano-FTIR-spektroskopi, en optisk teknik, der kombinerer scattering-type scanning nærfelt optisk mikroskopi (s-SNOM) og Fourier transform infrarød (FTIR) spektroskopi. Ved at belyse den metalliserede spids af et atomkraftmikroskop (AFM) med en bredbånds infrarød laser eller en synkrotron og analysere det tilbagespredte lys med et specielt designet Fourier-transformationsspektrometer, lokal infrarød spektroskopi med en rumlig opløsning på mindre end 20 nm er blevet påvist. Imidlertid, kun punktspektre eller spektroskopiske linjescanninger, der ikke omfatter mere end et par tiere af nano-FTIR-spektre, kunne opnås på organiske prøver, på grund af den lange opkøbstid.

Nu, forskere fra CIC nanoGUNE (San Sebastian, Spanien), Ikerbasque (Bilbao, Spanien), Cidetec (San Sebastian, Spanien) og Robert Koch-Institut (Berlin, Tyskland) har udviklet hyperspektral infrarød nanobilleddannelse. Teknikken gør det muligt at optage to-dimensionelle arrays af flere tusinde nano-FTIR-spektre - normalt omtalt som hyperspektrale datakuber - på få timer, og med en rumlig opløsning og præcision bedre end 30 nm.

"Den fremragende datakvalitet gør det muligt at udtrække nanoskala-opløst kemisk og strukturel information ved hjælp af statistiske teknikker (multivariat dataanalyse), der bruger den komplette spektroskopiske information tilgængelig på hver pixel, " siger Iban Amenabar, værkets første forfatter. Selv uden nogen tidligere information om prøven og dens komponenter, pixels med lignende infrarøde spektre kan grupperes automatisk ved hjælp af hierarkisk klyngeanalyse. Ved billeddannelse og analyse af en tre-komponent polymerblanding (figur 1) og, forskerne opnåede kemiske kort i nanoskala, der ikke kun afslører den rumlige fordeling af de enkelte komponenter, men også spektrale anomalier, der blev forklaret af lokal kemisk interaktion. Forskeren demonstrerede også in situ hyperspektral infrarød nanobilleddannelse af naturligt melanin i menneskehår.

For deres eksperimenter, forskerne brugte det kommercielle nano-FTIR-system fra Neaspec GmbH, inklusive et mid-infrarødt laserkontinuum, der dækker spektralområdet fra 1000 til 1900 cm-1. Multivariat analyse af de hyperspektrale data blev udført med softwareværktøjet CytoSpec, som er udviklet af medforfatter Peter Lasch.

"Med den hurtige udvikling af højtydende melleminfrarøde lasere og ved at anvende avancerede støjreduktionsstrategier, vi forestiller os højkvalitets hyperspektral infrarød nanobilleddannelse på få minutter, " slutter Rainer Hillenbrand, der ledede arbejdet. "Vi ser et stort anvendelsespotentiale inden for forskellige områder af videnskab og teknologi, herunder kemisk kortlægning af polymerkompositter, farmaceutiske produkter, organiske og uorganiske nanokompositmaterialer eller biomedicinsk vævsbilleddannelse, " tilføjer han.