موضوع مقاله: طیف‌سنجی فروسرخ در مقیاس نانو | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # طیف‌سنجی فروسرخ در مقیاس نانو | مقدمه: طیف‌سنجی فروسرخ در مقیاس نانو یا AFM-IR یک فناوری ترکیبی است که از ادغام توان تحلیل شیمیایی طیف‌سنجی فروسرخ و میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM)، یا به‌طور کلی میکروسکوپ پروبی روبشی (SPM)، پدید آمده است. | ## بخش 1: طیف‌سنجی فروسرخ در مقیاس نانو | این روش یکی از خانواده‌ای از فنون محسوب می‌شود که با هدف غلبه بر حد پراش نوری در روش‌های مرسوم مادون‌قرمز توسعه یافته‌اند. در ابتدا، AFM-IR به روشی اطلاق می‌شد که در آن یک لیزر الکترون آزاد قابل تنظیم با میکروسکوپ نیروی اتمی مجهز به پروبی تیز ترکیب می‌شد تا جذب موضعی نور فروسرخ را با تفکیک‌پذیری نانومتری اندازه‌گیری کند. در نسخه‌های اولیه، نمونه باید روی یک منشور شفاف نسبت به مادون‌قرمز قرار می‌گرفت و ضخامت آن کمتر از یک میکرومتر بود. این پیکربندی باعث ارتقای حساسیت و تفکیک‌پذیری روش‌های فوتوترمال مبتنی بر AFM از مقیاس میکرونی به حدود ۱۰۰ نانومتر شد. در نسخه‌های جدید، AFM-IR قادر است نقشه‌های شیمیایی و طیف‌های نانومقیاس را حتی در مقیاس تک‌مولکول از سامانه‌های خودآرای ماکرومولکولی و زیست‌مولکول‌هایی با قطر حدود ۱۰ نانومتر به‌دست آورد و همچنین طیف‌برداری در محیط‌های آبی را ممکن سازد. تصویربرداری مبتنی بر تغییرات مکانی جذب نیز امکان تهیهٔ نقشه‌های توزیع ترکیب شیمیایی را فراهم می‌سازد. پیشرفت‌های اخیر منجر به توسعهٔ دستگاه‌های رومیزی AFM-IR با تفکیک‌پذیری نانومتری شده است که بدون نیاز به منشور و با نمونه‌های ضخیم نیز قابل استفاده‌اند. این فناوری امروزه می‌تواند به تفکیک‌پذیری جانبی در حدود ۱۰ نانومتر و حساسیتی در مقیاس لایهٔ مولکولی و حتی تک‌پروتئین‌هایی با جرم مولکولی ۴۰۰ تا ۶۰۰ کیلودالتون دست یابد. تاریخچه نخستین اندازه‌گیری‌هایی که میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) را با طیف‌سنجی فروسرخ ترکیب کردند، در سال ۱۹۹۹ توسط Hammiche و همکاران در دانشگاه لنکستر انگلستان انجام شد. در این پروژه از یک طیف‌سنج FTIR معمولی با منبع حرارتی باند پهن استفاده شد که تابش فروسرخ را در نزدیکی نوک پروبی که با نمونه تماس داشت متمرکز می‌کرد. این گروه طیف‌هایی را با استفاده از یک پروب حرارتی حساس به دما برای آشکارسازی جذب فروسرخ ثبت کردند. وی یک اینترفروگرام گزارش کرد، اما نخستین طیف فروسرخ واقعی با این روش در سال ۲۰۰۴ توسط Hammiche و همکاران منتشر شد که اثباتی بر امکان به‌دست‌آوردن اطلاعات طیفی از نمونه با این سازوکار بود. هر دو آزمایش اولیه از منبع باند پهن به همراه یک تداخل‌سنج استفاده می‌کردند؛ به‌همین دلیل می‌توان آن‌ها را در گروه «AFM-FTIR» قرار داد. تمام این روش‌ها بر پایهٔ اثر فوتوترمال بنا شده‌اند، اما ترکیب‌های متفاوت منبع، مسیر تابش، روش تحریک و روش آشکارسازی برای کاربردهای مختلف مناسب‌تر هستند. محدودیت اصلی آزمایش‌های اولیه، تفکیک‌پذیری نسبتاً پایین آن‌ها بود که ناشی از «طول نفوذ حرارتی» بود؛ یعنی پراکندگی حرارت درون نمونه پس از جذب نور فروسرخ که تفکیک‌پذیری را به حدود یک میکرون محدود می‌کرد. یک تحول مهم در سال ۲۰۰۱ توسط Reading و همکاران ایجاد شد: طراحی یک رابط نوری که امکان تابش «از بالا» به نمونه را فراهم می‌کرد. تابش از بالا موجب می‌شد که نمونه‌ها بدون محدودیت ضخامت و بدون نیاز به زیرلایه‌های خاص قابل بررسی باشند. | ## بخش 2: طیف‌سنجی فروسرخ در مقیاس نانو | بهبود تفکیک مکانی با استفاده از لیزرهای پالسی نخستین پژوهش‌ها در زمینه طیف‌سنجی فروسرخ مبتنی بر AFM نشان دادند که می‌توان با افزایش فرکانس مدولاسیون، تفکیک مکانی بسیار بالا به‌دست‌آورد؛ زیرا طول انتشار حرارتی در این شرایط کاهش می‌یابد. برای نخستین بار، تصویربرداری AFM-IR با تفکیک‌پذیری نانومقیاس و منبع پالسی توسط گروه داتزی در دانشگاه پاریس-سو **نشان داده شد**. در این روش، از لیزر الکترون آزادِ قابل تنظیم استفاده شد تا پالس‌های کوتاه فروسرخ تولید شود. جذب پالس‌های کوتاه موجب انبساط حرارتی سریع و ایجاد پالس نیرویی در نوک کانتی‌لیور AFM می‌شد که نوسانات گذرای تشدیدی در آن ایجاد می‌کرد؛ پدیده‌ای که برخی پژوهشگران آن را «رزونانس القاشده فوتوحرارتی» یا PTIR می‌نامند. کوتاه‌بودن پالس‌های لیزر، طول انتشار حرارتی را به مقیاس نانومتری کاهش داد و موجب بهبود قابل توجه تفکیک مکانی شد. پیشرفت‌های اخیر، QCL و حساسیت تک‌مولکول ابزارهای تجاری اولیهٔ AFM-IR برای دستیابی به حساسیت کافی، نیاز داشتند که ضخامت اکثر نمونه‌ها بیش از ۵۰ نانومتر باشد. حساسیت اولیه با استفاده از پروب‌های کانتی‌لیور تخصصی مجهز به رزوناتور داخلی و نیز به‌کارگیری تکنیک‌های پردازش سیگنال مبتنی بر موجک‌ها (Wavelets) افزایش یافت. مزیت استفاده از یک منبع پهن‌باند این است که می‌توان تصویری به‌دست‌آورد که شامل یک طیف کامل یا بخشی از طیف برای هر پیکسل باشد. نرخ تکرار بالای QCL به نور فروسرخ جذب‌شده اجازه می‌دهد تا نوک AFM را به‌طور پیوسته در «رزونانس تماسی» کانتی‌لیور تحریک کند. این روش AFM-IR تقویت‌شده با رزونانس، در ترکیب با تقویت میدان الکتریکی ناشی از نوک‌ها و زیرلایه‌های فلزی، منجر به اثبات طیف‌سنجی AFM-IR و تصویربرداری ترکیبی از لایه‌هایی به نازکی **تک‌لایه‌های خودآرای** شد. حساسیت در سطح تک‌مولکول: در حالی که پیشرفت‌های فوق امکان اندازه‌گیری تک‌لایه‌های خودآرا با ضخامت حدود ۲ تا ۱۰ نانومتر را فراهم کرد (که همچنان حاوی صدها مولکول هستند)، روگری و همکاران، روش AFM-IR با توان کم و پالس کوتاه و خارج از رزونانس (ORS-nanoIR) را توسعه داده‌اند تا دستیابی به طیف جذب فروسرخ و نقشه‌های شیمیایی در سطح تک‌مولکول را اثبات کنند. این موفقیت در مورد مجموعه‌های ماکرومولکولی و مولکول‌های پروتئینی بزرگ، با تفکیک فضایی در حدود ۱۰ نانومتر به دست آمده است. اصول عملکرد AFM-IR امکان انجام طیف‌سنجی فروسرخ در مقیاس نانو را از طریق اندازه‌گیری انبساط حرارتی نمونه پس از جذب نور فروسرخ فراهم می‌کند. در این روش، یک لیزر قابل تنظیم، نمونه را در طول‌موج‌های مختلف تابش می‌دهد و نوک AFM ارتعاش ناشی از انبساط حرارتی را ثبت می‌کند. دامنهٔ نوسان نشان‌دهندهٔ شدت جذب محلی است و از این طریق می‌توان طیف شیمیایی و نقشه‌های ترکیبی با تفکیک‌پذیری ۱۰ تا ۲۰ نانومتر به‌دست‌آورد. این رزونانس به ویژگی‌های مکانیکی سطح وابسته است و مشابه تکنیک CR-AFM است، با این تفاوت که در AFM-IR تحریک رزونانس کاملاً توسط پالس فروسرخ ایجاد می‌شود و نیازی به محرک خارجی نیست. توسعهٔ این محصول با حمایت «مؤسسه ملی استاندارد و فناوری» (NIST) و «بنیاد ملی علوم» (NSF) انجام گرفت. | ## بخش 3: طیف‌سنجی فروسرخ در مقیاس نانو | از آنجا که لیزرهای الکترون آزاد بسیار کمیاب هستند، کلید توسعهٔ یک نسخهٔ تجاری AFM-IR جایگزینی آن‌ها با یک منبع فروسرخ فشرده‌تر بود. این منبع OPO امکان طیف‌سنجی فروسرخ در مقیاس نانو را در بازهٔ ۱۰۰۰ تا ۴۰۰۰ cm⁻¹ (معادل ۲٫۵ تا ۱۰ میکرومتر) فراهم می‌ساخت. برای عملکرد بهینه، این روش نیازمند نمونه‌های نازک با ضخامت کمتر از ۱ میکرون بود که بر سطح منشور قرار می‌گرفتند. با حذف نیاز به منشورهای شفاف و کنار گذاشتن محدودیت ضخامت نمونه، گسترهٔ نمونه‌های قابل بررسی به‌طور چشمگیری افزایش یافت. مقایسه با سایر فناوری‌های فوتوترمال فنون فوتوترمال مبتنی بر پروب حرارتی از زمان کار اولیهٔ هامیچ و همکارانش، که نخستین طیف مادون‌قرمز مبتنی بر انبساط حرارتی را بدون استفاده از رفتار رزونانسی کانتی‌لیور ثبت کردند، پیشرفت چشمگیری داشته‌اند. این رویکردها امکان اندازه‌گیری انبساط حرارتی در فرکانس‌های دلخواه را بدون وابستگی به مدهای رزونانسی فراهم می‌کنند و در نتیجه قابلیت‌هایی مانند پروفایل‌برداری عمقی موضعی، تصویربرداری و به‌دست‌آوردن طیف کامل ناحیهٔ مادون‌قرمز برای هر پیکسل را ارائه می‌دهند. ترکیب توانایی گرم‌کردن پروب با جذب فوتوترمال این امکان را ایجاد می‌کند که اطلاعات شیمیایی و ویژگی‌های فیزیکی مانند دمای ذوب و گذار شیشه‌ای به‌صورت هم‌زمان در مقیاس نانومتری اندازه‌گیری شوند. با وجود مزیت‌های متعدد، وضوح مکانی روش‌های مبتنی بر پروب حرارتی هنوز به دقت ابزارهای مبتنی بر انبساط حرارتی نرسیده است، هرچند از نظر نظری دست‌یافتنی است. نقشه‌برداری و تصویربرداری شیمیایی در مقیاس نانو AFM-IR امکان انجام طیف‌سنجی مادون‌قرمز در مقیاس نانو را فراهم می‌کند. کاربردها این روش در حوزه‌های مختلف مورد استفاده قرار گرفته است، از جمله: پروتئین‌ها و زیست‌مولکول‌ها باکتری‌ها، سلول‌ها و بافت‌ها مواد پلیمری، کامپوزیت‌ها و الیاف نیمه‌رساناها و نانوکریستال‌ها داروسازی و نانوذرات دارویی پلیمرها AFM-IR در شناسایی اجزای پلیمری در بلِندها، بررسی مرزهای میان‌لایه‌ای کامپوزیت‌ها و تحلیل فیلم‌های چندلایه به کار می‌رود. علوم پروتئین AFM-IR امکان بررسی ساختارهای ثانویهٔ پروتئین‌ها و مسیرهای تجمع آن‌ها را با تفکیک‌پذیری نانومتری فراهم کرده و در مطالعهٔ بیماری‌های مرتبط با تاخوردگی نادرست پروتئین‌ها مانند آلزایمر، هانتینگتون و ALS استفاده شده است. علوم زیستی AFM-IR برای نقشه‌برداری طیفی کروموزوم‌ها، باکتری‌ها و سلول‌ها استفاده شده است. از کاربردهای آن می‌توان به تحلیل PHB، بررسی لیپیدها و مطالعهٔ ساختار شیمیایی استخوان اشاره کرد. پیل‌های سوختی در بررسی غشاهای نافین (Nafion)، این روش امکان تشخیص آب آزاد و آب یونیکی‌شده را با تفکیک‌پذیری نانومتری فراهم می‌کند. نانوآنتن‌های فوتونیک AFM-IR برای مطالعهٔ رزونانس‌های پلاسمونی در نانوآنتن‌ها و شکاف‌های فلزی استفاده می‌شود و امکان اندازه‌گیری تقویت میدان محلی را فراهم می‌کند. | ## جمع‌بندی | داروسازی در مطالعهٔ نانوذرات دارویی، بلِندهای دارو–پلیمر، اثر داروهای شیمی‌درمانی و برهم‌کنش داروها با ساختارهای آمیلوئیدی کاربرد گسترده‌ای دارد.