Nano Fourier Trasforma Spettrometro Infrarosso Nano FTIR

Una grande sfida di ricerca nella chimica moderna è come ottenere l'identificazione non distruttiva della composizione chimica dei materiali a nanoscala. Alcune tecnologie di imaging ad alta risoluzione esistenti, come microscopia elettronica o microscopia della sonda di scansione, possono in una certa misura risolvere questo problema in misura limitata, ma la sensibilità chimica di queste tecnologie stesse è troppo bassa per soddisfare i requisiti della nanoanalisi chimica moderna. D'altra parte, la spettroscopia infrarossa ha un'elevata sensibilità chimica, ma la sua risoluzione spaziale è limitata dal limite di diffrazione di mezza lunghezza d'onda, che può raggiungere solo il livello del micrometro e quindi non può essere utilizzata per l'identificazione chimica su nanoscala. La spettroscopia infrarossa di trasformazione nano FTIR nano Fourier sviluppata dalla società tedesca Neaspec utilizzando la sua tecnologia ottica vicino-campo basata di scattering unica rende possibile l'identificazione chimica nanoscala e l'imaging. Questa tecnologia combina l'alta risoluzione spaziale della microscopia atomica della forza con l'alta sensibilità chimica della spettroscopia infrarossa di trasformazione di Fourier, consentendo la risoluzione chimica di quasi tutti i materiali al nanoscale. Pertanto, la nano nuova era dell'analisi chimica moderna è iniziata da allora in poi. La tecnologia di dispersione vicino-campo della società neaspec rileva la luce retrodispersa durante la scansione della superficie del campione con una punta interferometrica della sonda e contemporaneamente ottiene i segnali di intensità e fase del segnale vicino-campo. Quando si utilizza un laser infrarosso ad onda larga per irradiare la punta AFM, lo spettro infrarosso all'interno della regione di 10nm sotto la punta può essere ottenuto, vale a dire nano FTIR

Lo spettro FTIR nano è altamente coerente con lo spettro FTIR standard:

Senza utilizzare alcuna correzione del modello, le caratteristiche delle impronte digitali molecolari riflesse negli spettri di assorbimento vicino-campo ottenuti dallo spettrometro infrarosso di trasformazione nano FTIR Fourier sono altamente coerenti con quelle ottenute utilizzando spettrometri FTIR tradizionali (come mostrato nella figura sottostante), che è di grande importanza sia nella ricerca di base che nelle applicazioni pratiche, in quanto i ricercatori possono confrontare gli spettri nano FTIR con i dati provenienti da database spettrali tradizionali FTIR ampiamente affermati, ottenendo così un'analisi chimica dei materiali veloce e accurata su nanoscala. La combinazione di alta sensibilità alla composizione chimica e risoluzione spaziale ultra-alta rende nano FTIR uno strumento unico per nanoanalisi.

Configurazione dei parametri tecnici principali:

• Illuminazione riflettente della punta dell'ago AFM
• Risoluzione spettrale standard: 6,4/cm-1
• Tecnologia di rilevamento priva di background protetta da brevetti
• Spettrometro di trasformazione Fourier basato sull'ottimizzazione
• Tasso di raccolta: Up to 3 spectra /s
• Un modulo di rilevamento ottimizzato per microscopia spettroscopica vicino-campo ad alte prestazioni
• Risoluzione spettrale aggiornabile: 3,2/cm-1
• Campo di rilevamento adatto: visibile, infrarosso (0,5-20 µ m)
• Compresa la base sostituibile dello splitter
• Adatto per sorgenti di luce infrarossa di radiazione sincrotronica NUOVO!!!

Casi di applicazione

Studio sul comportamento di penetrazione della singola membrana virale

Negli ultimi anni, i virus influenzali sono stati utilizzati come prototipi per virus incappucciati per studiare il processo di ingresso del virus nelle cellule ospitanti. L'emoagglutinina (HA) in IFV è la glicoproteina superficiale principale incorporata nell'involucro IFV. L'HA è responsabile della connessione tra IFV e recettori delle cellule ospitanti e partecipa alla fusione mediante della membrana durante l'ingresso del virus. Numerosi studi hanno stabilito un modello riconosciuto per il meccanismo di fusione tra bersagli e membrane virali. Questo modello suggerisce che i pori possono essere formati solo quando la membrana bersaglio e il virus subiscono la fusione della membrana, mediando così il comportamento di permeazione della membrana cellulare del virus. Tuttavia, altri rapporti hanno anche osservato la rottura del bersaglio e della membrana virale prima della fusione. Inoltre, studi sulle proteine dell'adenovirus e sulle cellule ospitanti hanno dimostrato che la membrana cellulare ospite può essere interrotta ed entrare nel virus senza fusione della membrana. D'altra parte, l'involucro virale e la membrana cellulare ospite target hanno diverse composizioni chimiche o strutture, e i requisiti per la formazione dei pori in ciascuna membrana sono diversi. Pertanto, la rottura dell'ospite target o della membrana virale può anche essere indotta indipendentemente.

In sintesi, c'è ancora una certa controversia sul meccanismo del comportamento di penetrazione della membrana virale-cellulare, e chiarire il complesso meccanismo di fusione di singoli virus e cellule ospiti può fornire informazioni utili per la progettazione di composti antivirali. Tuttavia, il metodo di fusione globale virale convenzionale è una risposta collettiva agli eventi di fusione membranaria e non può essere studiato direttamente e quantitativamente dettagli di fusione sottili, in particolare su scala nanometrica complessa, quindi non è possibile quantificare direttamente alcuni dettagli di fusione che possono essere ottenuti studiando singoli virus, glicoproteine superficiali su scala nanometrica e rivestimenti lipidi. Ad esempio, i cambiamenti nella composizione chimica e strutturale della membrana virale e della membrana cellulare ospite causati dal processo di infezione virale a livello molecolare possono essere rilevati con tecniche di spettroscopia a infrarossi specifiche molecolari. Tuttavia, le singole dimensioni di virus, glicoproteine superficiali e rivestimenti lipidi sono inferiori al limite di diffrazione della luce infrarossa, limitando lo studio dello spettro infrarosso di singoli virus. Pertanto, è importante trovare uno strumento in grado di fornire sia una risoluzione spaziale nanoalta che di rilevare le proprietà meccaniche, chimiche (spettro infrarosso specifico molecolare) e gli effetti ambientali per studiare il processo di fusione della membrana virale a livello monovirale.

Ricercatori come Sampath Gamage e Yohannes Abate dell'Università della Georgia e della Georgia State University hanno utilizzato nano-FTIR e neaSNOM per studiare i cambiamenti strutturali del singolo prototipo del virus dell'influenza X31 che si verifica in ambienti a pH diverso. Allo stesso tempo, l'efficacia del composto antivirale (composto 136) per bloccare la distruzione della membrana virale durante i cambiamenti del pH ambientale è stata valutata quantitativamente, fornendo un nuovo meccanismo per inibire l'ingresso del virus nelle cellule.

Spettrologia e imaging a infrarossi a nanorisoluzione di Fourier (nano-FTIR & neaSNOM) aiutano gli scienziati a progredire nella ricerca del comportamento di penetrazione della membrana monovirale

Riferimenti: [1] Sampath Gamage, Yohannes Abate et al.， Probing structural changes in single enveloped virus particles using nano-infrared spectroscopic imaging， PLOS ONE.

Identificazione chimica degli inquinanti su scala nanometrica

Lo spettrometro infrarosso di trasformazione nano FTIR Fourier può essere applicato all'identificazione chimica degli inquinanti nei campioni di nanoscala. L'immagine di fase AFM mostra la presenza di un inquinante di dimensioni 100nm all'interfaccia tra il foglio di Si e il film di PMMA, ma la sua composizione chimica non può essere determinata da questa immagine. Lo spettro infrarosso ottenuto utilizzando nano FTIR al centro dell'inquinante rivela chiaramente la composizione chimica dell'inquinante. Confrontando gli spettri di assorbimento ottenuti da nano FTIR con quelli nel database FTIR standard, si può determinare che l'inquinante è particelle PDMS.

Immagine morfologica superficiale AFM (sinistra), un piccolo inquinante può essere osservato tra il substrato Si (area scura B) e il film PMMA (A). Nell'immagine di fase meccanica (centrale), il cambiamento di contrasto dimostra che l'inquinante è diverso da altre sostanze nel substrato e nel film. Confrontare gli spettri di assorbimento nano FTIR dei punti A e B (a destra) con il database standard della spettroscopia infrarossa per ottenere le informazioni sulla composizione chimica di ogni componente Il tempo di raccolta per ogni linea spettrale è di 7 minuti e la risoluzione spettrale è di 13 cm-1 （'Nano-FTIR absorption spectroscopy of molecular fingerprints at 20 nm spatial resolution.,”,F. Huth, A. Govyadinov, S. Amarie, W. Nuansing, F. Keilmann, R. Hillenbrand,）Nanoletters 12, p. 3973 (2012)）

Studio sui polaritoni fononici in cristalli bidimensionali di nitruro di boro

Il cristallo Van der Waals è un cristallo di strato sottile composto da deboli forze van der Waals tra strati, simile al singolo strato atomico di grafene nei blocchi di grafite. Questo tipo di cristallo ha proprietà speciali come superconduttività, ferromagnetismo e luminescenza.

S. Dai et al. ha usato il sistema di spettroscopia Nano FTIR di Neaspec per studiare i polaritoni fononici (un tipo di accoppiamento ottico fononico fotonico) in sottili cristalli di nitruro di boro di diversi spessori. I risultati indicano che il fenomeno di propagazione delle onde polarizzate esiste sulla superficie dei cristalli di nitruro di boro e la lunghezza d'onda delle onde polarizzate varia con lo spessore dei cristalli di nitruro di boro. I risultati dell'analisi possono anche ottenere le caratteristiche di dispersione dei polaritoni fononici superficiali. Questi dati sperimentali possono essere ben abbinati al modello teorico. Rispetto al grafene, il fattore di perdita dei cristalli del nitruro di boro è molto più piccolo, quindi la distanza di propagazione delle onde acustiche di superficie nei cristalli del nitruro di boro è relativamente più grande.

riferimento: S.Dai; et.al. Tunable Phonon Polaritons in Atomically Thin van der Waals Crystals of Boron Nitride. Science 2014, 343, 1125-1129.

Distribuzione di fase durante il processo di ricarica e scarica delle batterie al litio

I. T. Lucas et al. hanno condotto uno studio dettagliato sulla distribuzione di fase del fosfato di ferro del litio durante il processo di ricarica e scarica delle batterie al litio utilizzando la tecnologia nanospettroscopia infrarossa di trasformazione Fourier di Neaspec (nano FTIR). Sulla base dello studio degli spettri di assorbimento infrarosso di materiali elettrodici positivi nelle diverse fasi di carica e scarica, i risultati sperimentali dimostrano direttamente che il materiale elettrodico positivo parzialmente deliziato durante il processo intermedio di carica e scarica esiste simultaneamente in due fasi: fosfato di ferro di litio e fosfato di ferro. Stabilindo e analizzando un modello di imaging tomografico tridimensionale, il modello "struttura del nucleo" costituito da un guscio composto da fosfato di ferro che circonda un nucleo composto da fosfato di ferro di litio è più adatto per spiegare i risultati ottenuti da questo esperimento. L'analisi mostra che durante il processo di rimozione del litio, il fosfato di ferro del litio nel nucleo diminuisce gradualmente fino a quando alla fine scompare.

riferimento: I. T. Lucas ; et. al. IR Near-Field Spectroscopy and Imaging of Single LixFePO4 Microcrystals. Nano Letters 2015, 15, 1-7.