Microscopia da Força & Espectroscopia Atômicas Combinadas de Raman - TERS e Sistemas Coimplantados de AFM-Raman

Por AZoNano

Índice

Introdução
Microscopia Atômica da Força
Espectroscopia de Raman
O Passo Seguinte
Soluções para uma Aproximação Combinada
Medidas Co-Localizadas do AFM e do Raman
     Exemplo Um
     Exemplo Dois
Uma Instalação para TERS: ÍRIS de Innova
Conclusão
Sobre Bruker

Introdução

A microscopia da força e a espectroscopia Atômicas de Raman são ambos os métodos que são usados para obter dados sobre as propriedades de superfície de uma amostra, embora sua base de utilizadores respectiva é geralmente bastante diferente. A integração destas tecnologias assegura-se de que possa ser usada para uma variedade de aplicações. Esta nota de aplicação olha ambos na informação complementar ganhada de ambas as técnicas e como um pesquisador que tenha o acesso a um sistema combinado pode tirar proveito da informações adicionais disponível.

Microscopia Atômica da Força

Na microscopia atômica da força, uma ponta de prova afiada é trazida próximo à amostra e guardarada nessa distância usando um laço de feedback força-baseado. A força em que o laço de feedback preliminar é baseado, a corrente elétrica, o potencial de superfície e as propriedades nanomechanical específicas podem ser medidos. Fazendo a varredura da amostra e da ponta relativas a e medindo estas quantidades em lugar discretos em uma maneira seqüencial, imagens tridimensionais de propriedades selecionadas da amostra pode ser criado. Uma instalação atômica do microscópio (AFM) da força é mostrada em Figura 1.

Figura 1. Mostrada é as partes as mais básicas de um sistema do AFM, de uma ponta, de um mecanismo da varredura de quadriculação, e de unidade de processo de dados.

Espectroscopia de Raman

O estudo da interacção da radiação eletromagnética com matéria é sabido como a espectroscopia. Os tipos os mais comuns são fluorescência, infravermelho, e Raman. Em uma experiência de Raman, a luz monocromática é focalizada na amostra e a luz dispersada não elástica é detectada. Um espectrómetro de Raman é usado frequentemente junto com um microscópio óptico tirar proveito da definição espacial alta que uma instalação óptica confocal pode fornecer. Os componentes principais de uma instalação dispersiva de Raman são um laser que iluminam a amostra, sistemas óticos para recolher a radiação backscattered, uma linha de grande eficacia filtro do laser da rejeção, e um espectrómetro com uma régua da entrada, um grating de difracção e uma câmera do CCD. Um diagrama esquemático básico de um espectrómetro simples de Raman é mostrado em Figura 2.

Figura 2. Diagrama Esquemático de um espectrómetro de Raman. A amostra é iluminada por uma fonte luminosa monocromática. Após a passagem através de um filtro que rejeita o laser é dispersada por um grating e imaged em uma microplaqueta do CCD.

Figura 3 mostra um espectro de Raman tomado em uma das camadas de uma parte cruz-seccionada de material de embalagem para biscoitos animais unfrosted usando o microscópio do SENTERRA Raman de Bruker.

Figura 3. Espectro (preto) de uma camada de espectro do material e da literatura de empacotamento do alimento para o propileno Poli (vermelho).

Quando o espectro é comparado com uma base de dados da literatura, pode-se concluir que uma das camadas é Polipropileno. Não é possível determinar as características nanomechanical da camada. Mas quando a amostra é transferida do SENTERRA aos 8 Multimodos AFM que têm a característica de Batida da Força Máxima, a quantificação dos parâmetros tais como o módulo e a adesão é possível. Os dados resultantes do módulo do AFM são mostrados em Figura 4.

Figura 4. mapa do Módulo do material de empacotamento cruz-seccionado do alimento na esquerda. As camadas exteriores são identificadas pelos dados de Raman como o polipropileno. Os dados do AFM permitem a quantificação das propriedades mecânicas. O lote de secção transversal à direita destaca a gota no módulo do exterior à camada interna e revela algumas partículas na camada média que exibe um módulo mais alto do que a matriz.

O Passo Seguinte

É possível adquirir um mapa óptico junto com a topografia e a informação atômica típica da microscopia da força usando uma ponta apropriada do AFM. Uma instalação geral para espectroscopias ponta-ajudadas lineares e não-lineares é mostrada em Figura 5. Os Exemplos para AFMs apropriado incluem o Catalizador e o Innova de Bruker para amostras transparentes e não transparentes respectivamente.

Figura 5. instalação do General para espectroscopias ponta-ajudadas lineares e não-lineares.

Quando uma combinação apropriada de luz e de ponta de incidente é escolhida, um campo eletromagnético forte está formado no vértice da ponta. Figura 6 mostra que o realce do campo pela ponta é duplo. Este realce do campo assegura-se de que a espectroscopia de Raman esteja feita praticável na escala do nanômetro.

Figura 6. realce do Campo pela ponta.

Na indústria farmacêutica, a ocorrência dos polymorphs, que é as mesmas composições quimicas mas em uma estrutura de cristal diferente, pode ser crítica para a propriedade de uma droga. A espectroscopia de Raman é usada para estudar o polimorfismo, e a localização co com diversas técnicas do AFM que podem aumentar a produtividade da pesquisa realizada.

Soluções para uma Aproximação Combinada

Ao usar um instrumento combinado, é importante não comprometer o desempenho de qualquer um. Os dois factores típicos a ser considerados incluem o seguinte.

  1. Para manter o ruído do fotodetector em um AFM os baixos, sistemas típicos do feixe-salto em um AFM operam-se no vermelho com uma potência aproximadamente de 1mW, que traduz 3x1018 aos fotão/em segundo. Para permitir paralelo, o funcionamento simultâneo do espectrómetro e o AFM, o comprimento de onda do sistema do feixe-salto do AFM devem conseqüentemente ser alterados ao próximo-IR para não interferir com as medidas ópticas ou um sistema de feedback não-óptico tal como o ajustamento - as forquilhas devem ser empregadas.
  2. Os sistemas do Espectrómetro usam frequentemente diversos lasers que podem ser refrigerados por ventiladores ou por sistemas de refrigeração de água externos ruidosos ou irradiar bastante uma quantidade de calor nas proximidades do AFM. Both of these efeitos podem negativamente impactar o desempenho do AFM. O Ruído dos ventiladores do aquecimento pode acoplar-se no AFM e no resultado nas instabilidades no laço de feedback. As mudanças de Temperatura conduzirão ao AFM para derivar e fá-lo-ão muito resistente para manter a ponta no campo de visão selecionado.

Os obstáculos envolvidos em combinar um microscópio de Raman e um AFM fazem realmente uma outra solução física viável. Aquela é uma fase da canela projetada transferir de um para o outro o instrumento das amostras com uma possibilidade para registrar-los a um sistema coordenado comum. Uma fase da canela igualmente tem o benefício potencial de permitir a produtividade aumentada enquanto ambos os instrumentos podem ser usados simultaneamente.

Uma solução que integra o Ícone líder de mercado da Dimensão de Bruker com LabRam de Horiba consegue a co-localização dos dados e assegura o elevado desempenho de ambos os sistemas.

A fase do Ícone da Dimensão shuttles a amostra entre a cabeça do AFM na esquerda e o objetivo de Raman no direito. O ponto vermelho que emana o objetivo é o laser de Raman que ilumina a amostra durante uma medida de Raman. Os dois sistemas foram acoplados mecanicamente usando a precisão da fase do Ícone para shuttle a amostra entre o AFM e o microscópio de Raman. Figura 7 mostra o instrumento combinado com a amostra na posição para (a) a imagem lactente do AFM e (b) a imagem lactente de Raman.

Figura 7. Vista da fase do Ícone da Dimensão e do braço do sistema ótico do microscópio de Raman.

Bruker introduziu o ScanAsyst, que automatiza quase completamente a operação do AFM sem desempenho escarificando. A seguinte secção discute alguns resultados das medidas co-localizadas. Uma Outra solução de Bruker é o projecto integrado do benchtop NEOS AFM e do sistema confocal de SENTERRA Raman mostrado em Figura 8, que permite a amostra directa que segura sem a necessidade de transferir a amostra entre métodos para medidas coimplantadas.

Figura 8. O Sistema da Espectroscopia de Bruker NEOS SENTERRA AFM-Raman.

NEOS AFM altamente compacto é abrigado em um microscópio objetivo e integrado em um microscópio óptico ereto, visto que o SENTERRA é um microscópio confocal de Raman do benchtop integrado em um microscópio óptico ereto. Isto permite o sistema de trabalhar em modos do AFM e do Raman e de utilizar técnicas ópticas padrão, tais como o contraste diferencial da interferência de Nomarski (DIC) para interrogar a amostra.

Medidas Co-Localizadas do AFM e do Raman

Exemplo Um

A seguinte secção fala sobre alguns resultados das medidas co-localizadas. O primeiro mostra um composto de cola Epoxy em uma carcaça do metal. A análise começa com a selecção de uma área usando-se por exemplo, contraste regular do brightfield. É possível obter o AFM e o Raman no pedido escolhido pelo usuário. Figura 9 mostra tal seqüência. A imagem óptica do brilhante-campo é mostrada à esquerda e a topografia da amostra como adquirido pelo AFM é mostrado à direita. A Integração de um usuário seleccionou resultados da área do espectro em um mapa de Raman no meio da seqüência.

Os dois espectros em Figura 10 foram tomados em pontos de alturas diferentes da amostra. A vibração do phenyl-anel da intensidade a mais alta em 1004 cm-1 pode ser encontrada nas regiões mais baixas da amostra visto que as intensidades comparadas à linha de referência não-aromática em 1014 cm-1 são mais baixas nas parcelas mais grossas da amostra. O mapa de Raman no meio de Figura 9 mostra este claramente. A orientação steric da amostra é sabida com dados de Raman. A orientação molecular é diferente nas áreas grossas e mais finas da amostra.

Figura 9. seqüência da aquisição de AFM-Raman com imagem óptica (deixada) do brilhante-campo, (meio) mapa de Raman, e de amostra do AFM imagem (direita) da topografia.

Figura 10. Dois espectros de Raman tomados da amostra em figura 9.

Exemplo Dois

O Polimorfismo é a capacidade de um material para existir em mais de uma estrutura de cristal. O seguinte exemplo descreve um estudo nos polycrystals Yttria-Estabilizados da zircônia (Y-TZP). Y-TZP é usado frequentemente em implantes dentais para suas características biomecânicas e estéticas. O material é aglomerado de um pó fino e pode ser cristalizado no formulário tetragonal. Os dois espectros mostrados em Figura 11 foram obtidos em lugar diferentes de uma amostra. Os picos nos espectros mostrados no vermelho são atribuídos a Y-TZP. O espectro azul mostra claramente mais picos. Após ter isolado os picos adicionais e ter comparado os aos dados da literatura, são atribuídos à fase monoclínica de ZrO2.

Figura 11. espectros de Raman da amostra cerâmica. A curva Vermelha mostra somente Y-TZP quando a curva verde sugerir a presença de fase adicional

Com a ajuda do contraste óptico do acessório DIC e do objetivo do AFM, uma região da amostra foi identificada que mostra duas correcções de programa da morfologia de superfície charcteristically diferente. Com o AFM é possível determinar mais a aspereza apenas a defini-los como liso ou áspero. A aspereza média da região lisa é 8,7 nanômetro, visto que a região áspera calcula a média de 15,7 nanômetro. As características da análise automatizada de NEOS AFM permitem a análise mais aprofundada. O tamanho de Grão pode jogar um papel significativo na mudança de tetragonal a monoclínico. Os tamanhos de Grão podem ser extraídos dos dados do AFM. Figura 12 mostra uma imagem de 83 x 832 um DIC de uma correcção de programa lisa e áspera e uma imagem2 10x10umAFM da área lisa da amostra que destaca as grões. A análise rende um tamanho de grão médio de 0,56 um2.

Figura 12. DIC e dados da granulometria. A imagem óptica (deixada) descreve uma correcção de programa lisa e áspera na amostra. Os dados do AFM (direitos) da região lisa fornecem o detalhe do tamanho de grão após o reconhecimento e a análise automatizados da grão.

Com a característica de traço do microscópio de SENTERRA Raman, é possível obter um mapa de uma área que mostra as áreas lisas e ásperas previamente topogràfica caracterizadas. Uma Vez Que um mapa de espectros de Raman é obtido, o software de SENTERRA permite o traço das intensidades integradas de uma área usuário-selecionada. Neste exemplo, uma área de 180-184 cm-1 foi seleccionada, como esta região destaca um pico somente actual para a fase monoclínica. Mostrando as intensidades em um esquema de cores apropriado, um mapa bidimensional de Raman da ocorrência tetragonal e monoclínica é gerado. O mapa e a imagem correspondente de DIC são mostrados em Figura 13. Usando o AFM co-localizado, Raman, e a microscopia de DIC permitiram o estudo do processo na escala do nanômetro.

Figura 13. DIC e mapa de Raman.

Uma Instalação para TERS: ÍRIS de Innova

Em TERS, a ponta precisa de ser tão perto à amostra como possível sem afetar a integridade da ponta ou da amostra. Além, uma ponta metálica é essencial para o realce. STM fornece uma forma facil integrar estas exigências e estudar o impacto de diversos formas da ponta, mecanismos de acoplamento, e de outras variáveis. Uma maneira excelente de excitar a ponta do AFM e de recolher o sinal de Raman é colocar o objetivo de Raman em um ângulo 60° com referência à linha central da ponta. O esquema lateral da iluminação mostrou o factor o mais alto do realce para TERS em estudos teóricos. Uma instalação que usa esta lado-na geometria é realizada na ÍRIS de Innova mostrada em Figura 14.

Figura 14. combinação TERS-pronta da Ponta De Prova Microsope da Exploração de Bruker Innova e do microscópio de Raman do inVia de Renishaw. O acoplamento óptico é conseguido através de um trackball operado provando o braço.

Devido a sua abertura, o Innova empresta-se como uma plataforma para TERS em amostras opacas; tem um muito diodo estável e sistema de feedback de circuito fechado de baixo nível de ruído, e do feedback próximo-IR. Pode ser operado em STM e em uma variedade de modos do AFM com interruptor conveniente. O Innova é integrado com o microscópio do inVia de Renishaw para permitir TERS, Raman confocal, e medidas localizadas co.

O controle do AFM e do microscópio de Raman é feito por um pacote de software actual no computador do AFM. Um exemplo de um conjunto de dados de TERS conseguido com tal instalação é dado em Figura 15. A amostra usada é o Verde da Malaquite, uma tintura para que dados da literatura está disponível. Os Espectros como esse apresentado podem ser adquiridos em apenas 0.1s usando apenas alguns micro watts da potência do laser do incidente.

Figura 15. Os espectros de TERS do Verde da Malaquite obtiveram usando uma ponta do ouro iluminada pela luz 633nm em distâncias de variação acima da superfície. Dados adquiridos usando a combinação de Innova-InVia da ÍRIS. Comparando as intensidades máximas com a ponta aproximada aos espectros retraídos, um pode claramente ver o realce de modos de Raman.

Conclusão

Desde Que a instrumentação co-localizada é possível, os pesquisadores podem estudar amostras usando técnicas ópticas da espectroscopia tais como Raman e fazendo a varredura das técnicas da ponta de prova que fornecem a informações detalhadas sobre propriedades e composição do nanoscale. Bruker fornece soluções para amostras opacas e amostras transparentes o Ícone da Dimensão, o Catalizador do BioScope, e os sistemas de NEOS SENTERRA. TERS promete empurrar os limites de definição mesmo mais adicionais e permitir a coleção da informação química na escala do nanômetro. As soluções de Bruker para esta pesquisa avançada incluem o Catalizador e o Innova para amostras transparentes e opacas, respectivamente.

Sobre Bruker

As Superfícies Nano de Bruker fornecem os produtos Atômicos do Microscópio da Força/do Microscópio Ponta De Prova da Exploração (AFM/SPM) que estão para fora de outros sistemas disponíveis no comércio para seus projecto e acessibilidade robustos, enquanto mantendo o mais de alta resolução. A cabeça de medição de NANOS, que é peça de todos nossos instrumentos, emprega um interferómetro original da fibra óptica para medir a deflexão do modilhão, que faz o estojo compacto da instalação assim que é não maior do que um objetivo padrão do microscópio da pesquisa.

Esta informação foi originária, revista e adaptada dos materiais fornecidos por Superfícies Nano de Bruker.

Para obter mais informações sobre desta fonte, visite por favor Superfícies Nano de Bruker.

Date Added: Oct 19, 2011 | Updated: Jan 23, 2014

Last Update: 23. January 2014 11:25

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