AFM-IR : 與一個基本強制顯微鏡的紅外亞細胞想像

亞歷山大 Dazzi 博士

亞歷山大 Dazzi, Université 巴黎 Sud, Laboratoire de Chimie Physique, Batiment 201-P2, 91405 Orsay,法國博士。 對應的作者: alexandre.dazzi@u-psud.fr

可用現有的工具執行紅外分光學和顯微學在毫微米縮放比例是有限的考慮所有不同的近域顯微鏡。 然而 AFM-IR,耦合一個基本強制顯微鏡的一新的紅外 spectromicroscope (AFM) 對可調諧激光,允許研究員派生關於不以前可能的等級的化工信息。 吸收範圍的分配是非模棱兩可的允許 spectroscopists 一樣容易地使用 AFM-IR 光譜像使用古典紅外方法獲得的那些。

AFM-IR 的原則1 是耦合 AFM 在與搏動的可調諧激光 (圖 1) 的聯繫模式下。 範例在一麵紅外透明棱鏡被安置然後照耀與激光。 當激光波長在這個範例的吸收帶寬時調整,被吸收的激光在這個範例的引人入勝的地區導致 photothermal 溫度上升。 溫度增量由於紅外線吸收,這個範例擴展。 局部熱擴散監控與 AFM 的技巧。 範例的迅速熱擴散生成驅動懸臂到動擺的強制衝動。 因此,每次光脈衝被吸收并且加熱這個範例,懸臂擺動以其共鳴頻率。 這個高度是正比例的對被吸收的這個能源2,因而導致容易地關聯變大塊紅外線像 FTIR 的分光學技術的吸收光譜。 與 FTIR 比較, AFM-IR 技術的區分能化工識別在十倍範圍等級的範例毫微米。

圖 1 : AFMIR 技術概要

AFM-IR 技術用於我們的研究中心 (Laboratoire de Chimie Physique, Orsay,法國) 五年。 實驗被設置了和在中心激光 d'Orsay 的 Infrarouge 的運行 (CLIO, http://clio.lcp.u-psud.fr/clio_eng/clio_eng.htm) 和現在提供一永久性 beamline。 CLIO 運行用一個相當異常的方式: 它允許我們為從其他研究小組的外部用戶提供我們的系統。 這個來源的說明是自由電子激光器可調從 3 到 150 µm。 存取由節目委員會管理類似於那些在同步加速器中心。 是在此環境我們能合作在幾個項目用不同的區,特別地在生物3,4,5,6,7和在 nanophotonics。8,9,10

應用程序實例在微生物學方面: PHB 地點到 Rhodobacter capsulatus 裡6

Rhodobacter capsulatus 是紫色 nonsulfur 光合作用的細菌,生產一個聚合物, polyhydroxybutyrate (PHB),其能量儲備的在泡包括形狀下。 PHB 屬於聚酯選件類和使用了幾年在有的塑料的生產對那些的相似的機械和熱塑性塑料的屬性聚乙烯和聚丙烯,但是與好處的能使用更新資源。 PHB 出現在中間紅外域可以被探查由特定吸收帶寬,特別是大約 1740 cm (酯類 C=Os-1 出現),容易地可區分從其他細菌範圍: 氨化物我 1660 的 cm-1,在 1550 cm 的氨化物 II-1

頂部圖像在表 2 顯示經典 AFM 得到的細菌地勢。 底部圖像顯示 PHB 對應的化工繪圖 (在 1740 cm-1)。 在所有映射,我們局限化圍繞這個信號是更加強烈的區 (紅色域)。 這些域對應於在細菌 (圖第 2ef) 裡面的 PHB 粒子。 在每化工映射,我們可以通過估計這個寬度估計粒子的範圍在半高度。 圖第 2 只顯示一個大來回粒子 210 毫微米直徑和長的形狀一 50 毫微米大 (圖像的頂層)。 此長的形狀是很可能小的球狀 PHB 泡的結果排隊接近膜。 圖 2e 顯示細菌,不用 PHB 泡。 這建議在這些增長情況下,所有 Rhodobacter capsulatus 細菌不一定生產 PHB。 圖 2f (縮放圖 2e) 表示引人入勝的區實際上由不同的範圍的二相鄰泡組成。

圖 2a : 一唯一 Rhodobacter capsulatus AFM 地勢。

圖 2b : 二分隔的細菌 Rhodobacter AFM 地勢。

圖 2c : 在 b) 局限化的最低的細菌的 AFM 縮放。

圖第 2 : 化工映射 PHB (在 1740 cm-1) 對應的 topogaphy a)。

圖 2e : 化工映射 b) PHB。

圖 2f : 化工映射 c) PHB。

我們學習了泡 (圖 2f) 的分光學回應并且它和細菌文化相比 (圖 3) 的 FTIR 光譜。 在唯一細菌的光譜 (在紅色圖 3a) 通過確定 AFM 的技巧評定直接地在這個信號的最大數量使用化工映射 PHB (如指向的是由圖 3b)。 觀察酯類 C=O 一個強烈的範圍 (被集中在 1740 cm)-1,而氨化物我在 1660 cm 的範圍看上去-1 更弱和喧鬧,展示熱點的 PHB 本質映射從圖 3b 的我們。 第二個光譜通過確定在點 B (在吸收泡的邊界的圖 3) 的技巧記錄。 這個光譜顯示氨化物的一個更好的信號我類似於細菌文化 (圖 3 的 FTIR 光譜以綠色)。 PHB 的強度在該案件的減少了與早先位置比較,與 PHB 化工映射是一致的。 當這個技巧確定對 C (時在泡外面的圖 3), AFM-IR 光譜不顯示 C=O 範圍 (在紫羅蘭色表 3)。

圖 3a : 在局部 (A 在紅色, B 在桔子, C 在紫羅蘭) AFM-IR 光譜和 FTIR 光譜的比較 (以綠色) 細菌文化之間。

圖 3b : 細菌化工映射酯類範圍 C=O 與對應的位置 (A, B 的, C) 光譜評定。

這些結果是最大利益,因為 AFM-IR 是可以適用直接地於單細胞的研究的一個非侵入性的技術。 幸虧此技術,納諾解決方法為想像現在是可達到的使用紅外線輻射。 這使紅外線想像成為可能在這個亞細胞縮放比例,在紅外線映射的突破。 Spectromicroscopy 表示一個強大的工具確定在 cellulo 的超局部構成

發行,在 2010年 AFM-IR 現在是可用的作為一臺商業 benchtop 儀器: nanoIR,開發和出售 Anasys Instruments Inc。


參考

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Date Added: Jul 17, 2011 | Updated: Jun 11, 2013

Last Update: 14. June 2013 06:47

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