طیف‌سنجی فروسرخ در مقیاس نانو

**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. 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.

پیشرفت‌های بعدی، از جمله استفاده از منابع فشرده‌تر مانند نوسان‌ساز پارامتری نوری پالسی و لیزرهای کوانتوم‌کاسکیدی همراه با تابش از بالا، امکان بررسی نمونه‌ها بر روی انواع بسترها را فراهم کرد و حساسیت و تفکیک‌پذیری روش را به‌طور قابل توجهی افزایش داد. 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.

[thumb|250px|[میکروسکوپ نیروی اتمی و رایانهٔ کنترل آن]]

AFM-IR با ثبت میزان جذب تابش مادون‌قرمز در طول‌موج‌ها یا عدد موج‌های مختلف، طیف‌های شیمیایی تولید می‌کند که برای شناسایی و تعیین ویژگی‌های ترکیبات ناشناخته مورد استفاده قرار می‌گیرند. 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.  
AFM-IR از نظر مفهومی و فنی با روش‌هایی مانند طیف‌سنجی رامان تقویت‌شده با نوک (TERS)، میکروسکوپ نوری میدان‌نزدیک روبشی (SNOM) و نانو-FTIR مرتبط است.

## 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.

thumb|250px|میکروسکوپ نیروی اتمی داخل طیف‌سنج FTIR با رابط نوری

به‌طور مستقل، Anderson در سال ۲۰۰۰ در آزمایشگاه پیشرانش جت (JPL) آمریکا روشی مشابه ارائه کرد اما به‌جای آشکارسازی دما، انبساط حرارتی نمونه را با یک پروب AFM معمولی اندازه‌گیری نمود. 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. این رابط پرتو فروسرخ را در نقطه‌ای حدود ۵۰۰ میکرون متمرکز می‌کرد. تابش از بالا موجب می‌شد که نمونه‌ها بدون محدودیت ضخامت و بدون نیاز به زیرلایه‌های خاص قابل بررسی باشند.

## 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. یکی از منابع مناسب برای دستیابی به این فرکانس‌های بالا، لیزرهای پالسی هستند که به‌دلیل ماهیت ضربانی خود، مؤلفه‌های فرکانسی بسیار بالا در فضای فوریه ایجاد می‌کنند.

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.

thumb|300px|شمایی از دستگاه AFM-IR با منبع نور OPO که در سال ۲۰۰۷ توسط هیل و همکارانش در دانشگاه ایست انگلیا ساخته شد

در دانشگاه East Anglia، گروه هیل با استفاده از OPO و روشن‌سازی از بالا، رویکرد متفاوتی را توسعه دادند. این پیشرفت‌ها مسیر توسعه نخستین ابزار تجاری مبتنی بر SPM-IR را هموار کرد.

## 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.
* منابع لیزری پهن‌باند: ریدینگ و همکاران استفاده از یک QCL پهن‌باند را در ترکیب با اندازه‌گیری‌های انبساط حرارتی بررسی کرده‌اند. 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. این روش بسیار قدرتمندتر از تصویربرداری بر اساس یک طول‌موج واحد است.
* AFM-IR تقویت‌شده با رزونانس: حساسیت با استفاده از منابع لیزر آبشار کوانتومی (QCL)، که نرخ تکرار پالس بالایی دارند، توسط لو و همکاران به میزان قابل توجهی بهبود یافت. 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.
AFM-IR همچنین با منابع دیگری از جمله OPO پیکوثانیه‌ای یکپارچه شده است که محدودهٔ تنظیم وسیع‌تری از ۱٫۵۵ میکرومتر تا ۱۶ میکرومتر (۶۴۵۰ تا ۶۲۵ سانتی‌متر معکوس) ارائه می‌دهد.
* 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.
در AFM-IR، انبساط حرارتی ناگهانی موجب تحریک «رزونانس تماسی» کانتی‌لیور AFM می‌شود. 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.

## تجاری‌سازی
فناوری **AFM-IR** مبتنی بر منبع لیزر پالسی فروسرخ نخستین‌بار توسط شرکت **Anasys Instruments**، که در سال ۲۰۰۴ توسط Reading, Hammiche و Pollock در بریتانیا تأسیس شد، تجاری‌سازی گردید. توسعهٔ این محصول با حمایت «مؤسسه ملی استاندارد و فناوری» (NIST) و «بنیاد ملی علوم» (NSF) انجام گرفت. از آنجا که لیزرهای الکترون آزاد بسیار کمیاب هستند، کلید توسعهٔ یک نسخهٔ تجاری AFM-IR جایگزینی آن‌ها با یک منبع فروسرخ فشرده‌تر بود. به دنبال کار Hammiche و همکاران (۲۰۰۱) و Hill و همکاران (۲۰۰۸)، شرکت Anasys Instruments در اوایل سال ۲۰۱۰ نخستین محصول AFM-IR خود را معرفی کرد که از یک لیزر رومیزی مبتنی بر **نوسان‌ساز پارامتری نوری (OPO)** با پالس‌های نانوثانیه‌ای استفاده می‌کرد. 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.

[thumb|250px|لیزر الکترون آزاد FELIX در مؤسسهٔ فیزیک پلاسما Rijnhuizen Nieuwegein در [هلند (۲۰۱۰)؛ قطعه‌ای بزرگ و نادر از تجهیزات]]

محصول اولیه نیاز داشت که نمونه‌ها بر روی منشورهای شفاف به فروسرخ نصب شوند؛ در این طرح، نور فروسرخ از پایین و بر اساس طراحی Dazzi و همکاران به نمونه تابیده می‌شد. برای عملکرد بهینه، این روش نیازمند نمونه‌های نازک با ضخامت کمتر از ۱ میکرون بود که بر سطح منشور قرار می‌گرفتند. در سال ۲۰۱۳، Anasys نسخه‌ای از AFM-IR را ارائه کرد که بر پایهٔ کار Hill و همکاران توسعه یافته و از **تابش از بالا** (Top-side illumination) پشتیبانی می‌کرد. 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. در حالتی که منبع مادون‌قرمز قابل تنظیم، یک طول موج منفرد مطابق با یک رزونانس مولکولی خاص — یعنی یک باند جذب مادون‌قرمز معین — را تابش می‌دهد، AFM-IR می‌تواند «نقشه ترکیب شیمیایی» (chemical compositional map) ایجاد کند: با اندازه‌گیری دامنهٔ نوسان کانتی‌لیور AFM به‌عنوان تابعی از موقعیت، توزیع اجزای شیمیایی خاص در نمونه قابل تصویرسازی است. تفکیک فضایی این نقشه‌ها تا حدود ۱۰ تا ۲۰ نانومتر است.

[thumb|250px|نانوسپکتروسکوپی AFM-IR از یک ذره [تونر چاپگر لیزری که تحلیل شیمیایی فضایی‌تفکیک‌شده را نشان می‌دهد.]]

[thumb|250px|نقشه‌برداری ترکیب‌شناختی با AFM-IR از [باکتری‌های Streptomyces.]]

## 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. این روش در مطالعهٔ پلیمرهای رسانا و نفوذ بخار در الیاف نیز کاربرد دارد.

### 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.

### داروسازی
در مطالعهٔ نانوذرات دارویی، بلِندهای دارو–پلیمر، اثر داروهای شیمی‌درمانی و برهم‌کنش داروها با ساختارهای آمیلوئیدی کاربرد گسترده‌ای دارد.

## جستارهای وابسته
* میکروسکوپ نیروی اتمی
* طیف‌سنجی فروسرخ
* لیزر الکترون آزاد
* طیف‌سنجی تبدیل فوریه فروسرخ
* لیزر آبشاری کوانتومی
* نانوتکنولوژی

## منابع



رده:شیمی تجزیه دستگاهی
رده:طیف‌بینی فروسرخ
رده:تصویربرداری
رده:تصویربرداری فروسرخ
رده:میکروسکوپ‌های پرآب پویشی