IR-neaSCOPE+s
——探测商用AFM针尖的弹性散射光，实现纳米级红外成像和光谱
IR-neaSCOPE+s能实现10 nm空间分辨率的化学分析和电磁场成像，利用先进的近场光学显微镜技术来测量红外吸收和反射率，以及局部电磁场的振幅和相位。设备支持红外纳米成像、点光谱、高光谱、以及纳米FTIR，可使用CW照明源，宽波激光器，以及同步辐射源。IR-neaSCOPE+s在有机和无机材料分析方面具有广泛的应用案例以及特殊的近场表征手段，如定量s-SNOM或亚表面分析。
——探测商用AFM针尖的弹性散射光，实现纳米级红外成像和光谱
IR-neaSCOPE+s能实现10 nm空间分辨率的化学分析和电磁场成像，利用先进的近场光学显微镜技术来测量红外吸收和反射率，以及局部电磁场的振幅和相位。设备支持红外纳米成像、点光谱、高光谱、以及纳米FTIR，可使用CW照明源，宽波激光器，以及同步辐射源。IR-neaSCOPE+s在有机和无机材料分析方面具有广泛的应用案例以及特殊的近场表征手段，如定量s-SNOM或亚表面分析。
纳米尺度红外光学成像和纳米光谱的标杆：
• 同时探测样品吸收和反射，适用于各类型材料。
• 快速可靠的s-SNOM成像和光谱系统，在不影响数据质量的情况下实现高效数据产出。
• 结合多光路设计和多项技术，实现大量选配功能（纳米 FTIR、透射、底部照明、光电流等）。
......
技术原理：
AFM-IR 结合红外脉冲激光和原子力显微镜，提供样品局部光热膨胀对应的纳米红外吸收光谱和成像。 |
s-SNOM 将可见光、红外和太赫兹光源与s-SNOM结合，提供纳米尺度的吸收和反射成像和光谱。 |
nano-FTIR 结合s-SNOM和FTIR，实现纳米尺度的化学表征。 |
IR-neaSCOPE+s提供优于10 nm空间分辨率的光谱和近场光学图像，在等离子激元、二维材料声子极化、生物高分子材料红外表征等众多研究方向得到了许多重要科研成果。
▶ ACS Nano：光致发光、拉曼、近场光学同步测量技术揭示二维合金材料新特性
单层异质结构的应用潜力直接受到材料内在和外在的缺陷影响。乔治亚大学的研究人员在Abate教授的带领下，利用neaSNOM散射式近场光学显微镜，研究了二维（2D）单层合金光致氧化过程中纳米尺度下的奇异界面现象。他们发现界面张力可以通过建立稳定的局部势阱来集中本征激子，从而实现的热稳定性和光降解稳定性。该实验结果由neaspec公司独特的nano-PL / Raman 和 s-SNOM 同步测量技术所采集，并已发表在ACS NANO。
在实验中，作者合成了由单层面内MoS2-WS2异质结构制成的2D纳米级晶体，这些晶体在富Mo的内部区域和富W的外部区域间，显示出了较强的纳米合金界面。在针尖增强照明刺激下（> 100天），研究人员进一步观察到，光降解过程中界面的激子稳定性、局域性和不均匀性。得益于高度敏感的s-SNOM成像技术，作者探测到富W的外部区域的反射率出现急剧下降。该反射率始于晶体边缘，并随时间向内传播。
在同一样品区域获得的高光谱纳米级光致发光（nano-PL）图像显示，W氧化相关的激子的猝灭会遵循与s-SNOM相同的模式（在边缘开始并向内传播）。令人惊叹的是，合金界面的内部区域表现出了强大的抗氧化能力。即使在光降解100天后，它仍具有很强的s-SNOM信噪比和未淬灭的nano-PL信号。
为了进一步研究结构变化，作者使用nano-PL进行了增强拉曼高光谱纳米成像测量，并在同一扫描区域的每个像素处获取了空间和光谱信息。实验结果表明，在整个晶体的光降解过程中，WS2拉曼峰逐渐消失，而在内部区域中的MoS2仍然存在。该结果表明在相同的环境条件、同一显微镜下测量相同的晶体，由于热诱导的合金和基底晶格常数的不匹配，导致光氧化与局部应变存在一定的关联。而合金界面可防止该应变传播到内部区域，从而防止其降解。
参考文献：1. Photodegradation Protection in 2D In-Plane Heterostructures Revealed by Hyperspectral Nanoimaging: The Role of Nanointerface 2D Alloys. ACS Nano 2021, 15, 2, 2447–2457.
▶ Nature: 双层旋转的范德瓦尔斯材料中的拓扑极化激元和光学魔角
2018年W. Ma等在Nature报道了范德瓦尔斯材料α-MoO3 中的面内双曲声子极化激元的重要发现。2020年6月，G.W. Hu等在此基础上通过理论预测并在实验上证实了双层旋转范德瓦尔斯材料α-MoO3体系，可以实现由转角控制的声子极化激元从双曲到椭圆能带间的拓扑变换。在这个变换角附近，光学能带变成平带，从而实现激元的直线无衍射传播。类比于双层旋转石墨烯中的电子在费米面的平带，作者因此将这一转角命名为光学魔角。
研究中作者采用散射型近场光学显微镜（s-SNOM）对双层α-MoO3 旋转体系进行扫描测试。实验结果显示，在接近魔角时（如图所示），光学能带变平，声子极化激元沿直线无衍射传播。此外，通过测试不同转角的双层体系，作者成功观测到在不同频段大幅可调的低损耗拓扑转换和光学魔角。这一重要发现奠定了“转角光子学”的基础，为光学能带调制、纳米光精确操控和超低损耗量子光学开辟了新的途径，同时也衍生出“转角极化激元”这一重要分支研究方向，为进一步发展“转角声学”或“转角微波系统”提供了重要的线索和启发。（引自：中国光学-公众号，2020年6月11日《Nature：光学魔角！二维材料转角遇见光》）
参考文献：1. Topological polaritons and photonic magic angles in twisted α-MoO3 bilayers. Nature, 2020, 582, 209-213.
▶ Nature: 天然双曲材料的声子极化研究
W. Ma在自然材料体系（α-MoO3）中观察到在平面内各项异性传播的声子极化激元，包括传播速度不同的平面椭圆型和单向传播的平面双曲型声子极化激元；并发现了在α-MoO3中支持的声子极化激元具有的损耗。实验发现，α相三氧化钼在两个光谱范围内存在两个剩余射线带，声子极化激元的传播行为在两个剩余射线带内表现出不同的性质。在低剩余射线带内，α相三氧化钼可以在中红外波段支持双曲型声子极化激元，也就是说声子极化激元仅沿着一个方向传播([001]方向)，在垂直方向[100]的传播完全被抑制，这种极化激元有多种吸引力的优秀性质，它具有极强的场局域特性，可以支持厚度可调节的波导模式，并且有着的损耗。而在另外一个剩余射线带内，α相三氧化钼在中红外波段支持椭圆型声子极化激元,极化激元沿着[001]和垂直方向[100]以不同的波长进行传播，这种极化激元传播寿命高达约8 ±1 ps，远高于目前已知的高寿命。研究进一步促进了光学器件的微型化和多元的调制特性，并且再次证明自然材料中仍然具有无穷的挖掘潜力。
参考文献：1. In-plane anisotropic and ultra-low-loss polaritons in a natural van der Waals crystal. Nature, 2018, 562, 557–562.
▶ 光调控新维度：腔边缘操纵双曲极化激元
极性范德华二维材料中的声子极化激元，如具有天然双曲线响应的六方氮化硼（hBN），可提供低损耗、高度局域和类似射线的光传播，从而实现高质量的共振、超透镜和纳米级成像。然而，无论是传统贵金属中的表面等离激元，还是在石墨烯和hBN面内高度限域和低损耗的极化激元，在面内均是各向同性地传播，先天因素决定了其在纳米尺度上的光场调控自由度有限。新兴的双轴范德华二维材料，例如α-MoO3，由于其在面内额外的光轴，产生了奇异的极化激元传播。中国地质大学（武汉）戴志高和新加坡国立大学胡光维及其合作团队以“Edge-oriented and steerable hyperbolic polaritons in anisotropic van der Waals nanocavities”为题，在Nature Communications发表论文。研究人员利用这种强的面内各向异性，通过实空间高分辨率近场成像技术，在图案化的α-MoO3纳米腔中，展示了腔边缘操控的双曲极化激元的多种新奇现象。
研究团队通过构筑不同结构的α-MoO3腔体，展示了边缘调制的声子极化激元。通过结合数值模拟，在α-MoO3纳米腔中发现了多种共存的极化图案。经过精心的设计工程，可以通过剪切α-MoO3纳米腔的形状、方向、面内各向异性和顶角来实现并控制方向性、可控性和导向性的双曲声子极化激元，并有望应用于微纳米光子学或中红外区域的能量收集器件。源于坡印廷矢量和波矢量之间的不共线，双轴范德华材料边缘的极化激元反射比各向同性材料复杂得多。由于现有成像技术存在针尖同一区域进行发射和探测的局限性，亟需在理论上和实验上做出更大的努力，以揭示面内各向异性材料纳米腔中产生的更多极化激元反射和调控现象。该研究工作为双曲声子极化激元的设计及操纵开辟了道路，并为基于天然范德华材料的超材料、纳米光子学和量子光学潜在应用铺平了道路。（引自：中国光学-公众号，2020年12月5日《光调控新维度：腔边缘操纵双曲极化激元》）
参考文献：1. Dai, Z., Hu, G., Si, G. et al. Edge-oriented and steerable hyperbolic polaritons in anisotropic van der Waals nanocavities. Nat Commun 11, 6086 (2020).
▶ Science：石墨烯莫尔(moiré）超晶格纳米光子晶体近场光学研究
光子晶体又称光子禁带材料。从结构上看，光子晶体是一类在光学尺度上具有周期性介电结构的人工设计和制造的晶体，其物理思想可类比半导体晶体。通过设计，这类晶体中光场的分布和传播可以被调控，从而达到控制光子运动的目的，并使得某一频率范围的光子不能在其中传播，形成光子带隙。
光子晶体中介质折射率的周期性结构不仅能在光子色散能带中诱发形成完整的光子带隙，而且在特定条件下还可以产生一维（1D）手性边界态或具有Dirac（或Weyl）准粒子行为的奇异光子色散能带。原则上，光子晶体的概念也适用于控制“纳米光”的传播。该“纳米光”指的是限域在导电介质表面的光子和电子的一种耦合电磁振荡行为，即表面等离子体激元（SPPs）。该SPP的波长，λp，相比入射光λ0来说多可减少三个数量级。如果要想构筑纳米光子晶体，我们需要在λp尺度上实现周期性介电结构，传统方法中采用top-down技术来构建纳米光子晶体，该方法在加工和制造方面具有较大的限制和挑战。
2018年12月，美国哥伦比亚大学D.N. Basov教授在Science上发表了题为Photonic crystals for nano-light in moiré graphene superlattices的全文文章。研究者利用存在于转角双层石墨烯结构（twisted bilayer grapheme, TBG）中的莫尔（moiré）超晶格结构，成功构筑了纳米光子晶体，并利用德国neaspec公司的散射式近场光学显微镜neaSNOM研究了其近场光导和SPP特性，证明了其作为纳米光子晶体对SPP传播的调控。
详细信息请参考：https://qd-china.com/zh/news/detail/1912082121275
▶ 范德华材料异质结构的近场纳米成像研究
范德华材料拥有一整套不同的激元种类，在所有已知材料中的具有高的自由度。德国neaspec公司提供的先进近场成像方法（s-SNOM）允许极化波在范德华层或多层异质结构中传播时被激发和可视化，从而被广泛应用到范德华材料激元的研究中，为研究人员对范德华材料体系中激元的激发、传播、调控等研究提供了有力的工具。另一方面，范德华材料系统中激元的优点是它们具有的电可调性。此外，在由不同的范德华层构成的异质结构中，不同种类的激元相互作用，从而可以在原子尺度上实现激元的控制。德neaspec公司提供的纳米光谱（nano-FTIR）和纳米成像成功被研究人员用于激元的调控等研究中，通过实验证实，研究人员已经成功开启了操控激元相关纳米光学现象的多种途径。
范德华材料中激元的先进近场光学可视化成像研究：
A、石墨烯中Dirac等离激元；B、 石墨烯纳米共振器边缘的等离激元；C、碳纳米管中的一维等离激元；
D、 石墨烯-六方氮化硼moiré 超晶格体系中的超晶格等离激元；E、六方氮化硼上石墨烯的杂化等离子-声子激元；
F、WSe2中的激子激元；G、 双曲六方氮化硼中的声子激元及波导传播
参考文献：
Basov, D. N et. al Polaritons in van der Waals materials, Science, 354, aag1992(2016). DOI: 10.1126/science.aag1992
▶ 二维材料氮化硼晶体中声子极化激元的研究
范得瓦尔斯晶体是由层与层之间微弱的范德华力的相互作用构成的薄层晶体，类似石墨块中的石墨烯单原子层。这类晶体具有超导、铁磁性、发光性等等特殊性质。
S.Dai等人利用Neaspec公司的纳米傅里叶红外光谱系统(Nano-FTIR)研究了不同厚度的薄 层氮化硼晶体中的声子极化激元（一种光子与光学声子的耦合作用）。结果表明，极化波的传播现象存在于氮化硼晶体表面，而且极化波的波长随着氮化硼晶体的厚度变化而变化。分析结果还可以得到表面声子极化激元色散特性关系。这些实验数据可以很好的与理论模型相吻合。与石墨烯相比，氮化硼晶体的损失因子要小很多，所以氮化硼晶体中表面声子波传播距离相对较大。
参考文献：S.Dai; et.al. Tunable Phonon Polaritons in Atomically Thin van der Waals Crystals of Boron Nitride. Science 2014, 343, 1125-1129.
更多应用案例，请您致电010-85120277/78/79/80 或写信 info@qd-china.com 获取。
▶ 高分子纳米材料的鉴别及与传统红外光谱数据库的对照
德国阿尔弗雷德·纬格纳研究所的Gerdts教授利用散射式近场光学显微镜（s-SNOM）和纳米傅里叶红外光谱仪Nano-FTIR （德国Neaspec公司）对高分子材料进行了微观鉴别的研究。该课题组测量了高分子样品的近场红外成像以及红外吸收光谱，得到了高分子材料的纳米分辨率的相分布信息。同时，该团队测量了常见高分子的近场吸收光谱，并与通过ATR-IR得到的吸收光谱进行比较，发现用neaspec Nano-FTIR得到的近场吸收光谱与ATR-IR得到的光谱有的对应度，可直接对照传统IR光谱数据库。因此，散射式近场光学显微镜（s-SNOM）和纳米傅里叶红外光谱仪Nano-FTIR （德国Neaspec公司）可应用于纳米高分子及环境中高分子样品的鉴别。相关研究成果发表于Analytical Methods, 2019, 11: 5195-5202。
图1. LDPE聚合物颗粒PS介质混合物样品的光学超分辨成像。(a) 拓扑结构成像以及对应的(b) 机械信号的相位图和 (c) 近场红外的振幅图。(d) 通过 (c) 中所示路径的直线扫描得到的在1300 - 1700 cm-1区域内的近场红外的相位图。(e) LDPE和PS区域对应的近场红外的相位图。(f) 和 (g) 分别对应 (c) 中A, B区域的高分辨率近场红外相位图。可以看到LDPE/PS界面的近场红外的相位图中峰的移动。
图2. (a) 用Nano-FTIR得到的PLA样品对应的近场红外的振幅(Sn)，实部(Re)，相位(φn)，虚部(Im)图。所得结果为三个样品点结果的均值，测量用时为7分钟。(b) Nano-FTIR得到的近场红外的虚部(Im)图与ATR-IR得到的PLA样品的光谱的对照。Nano-FTIR与ATR-IR得到的光谱高度吻合。
▶ Nano-FTIR对单层二维高分子聚合物的研究
二维高分子聚合物作为一种新型有机二维材料，近年来在薄膜和电子设备的应用上受到广泛关注。相较于石墨烯由石墨自上而下的剥离合成路径，二维聚合物的合成路径可以采取自下而上的单体聚合反应，也因此具备更大的灵活性。如何优化合成路径以得到高品质的二维高分子聚合物是目前该领域的重大挑战之一。德国慕尼黑技术大学的Lackinger教授开发了一种有机单体分子自组装的光聚合合成路线，并利用纳米傅里叶红外光谱仪Nano-FTIR（德国Neaspec公司）对fantrip单体分子和其聚合物进行了吸收光谱的研究，验证了聚合反应的机理。该合成方法与传统的热聚合方法相比，大大减少了二维聚合物的缺陷密度，提升了材料均一性。相关研究成果发表于Nature Chemistry, 2021, 13: 730-736。研究人员利用纳米傅里叶红外光谱仪Nano-FTIR（德国Neaspec公司）的近场光学技术的高灵敏度，测量了fantrip有机单体分子及其二维聚合物的纳米傅里叶红外吸收光谱。所得光谱与DFT计算结果一致，证明了单体分子参与光聚合反应形成二维高分子。该技术得到的近场吸收光谱与传统FTIR光谱对应，而传统FTIR或ATR-IR的灵敏度无法测量该单层分子材料的吸收光谱。同时，纳米傅里叶红外光谱仪Nano-FTIR （德国Neaspec公司）的近场光学技术采用纯光学信号测量，而非基于材料热膨胀系数的机械信号。该技术灵敏度，可测量热膨胀系数低的材料，如二维材料，无机材料等。且对薄膜样品的破坏性，因此可用于单层分子自组装材料的研究。
Fantrip单体分子（上）及其二维聚合物（下）的纳米傅里叶红外吸收光谱。柱形图为DFT计算得到的fantrip单体分子（红色）及其二维聚合物（蓝色）所对应的红外吸收光谱。
▶ 对多组分高分子材料的纳米成分分析
西班牙巴斯克大学的Hillenbrand教授利用nano-FTIR实现了多组分高分子材料的纳米成分分析。研究人员通过检测聚苯乙烯（PS），聚丙烯酸（AC）以及聚偏氟乙烯（FP）混合样品的纳米区域的红外光谱，并与标准样品的纳米红外光谱做对比，得到样品组分的纳米分布图，分辨率达到了30 nm。通过分析样品C-F（1195cm-1），C=O（1740cm-1）及C-O（1155cm-1）峰的强度及波数的空间分布图，可得到对应的高分子组分及组成结构的空间分布。相关研究成果发表于Nature Communications, 2017, 8，14402. Nano-FTIR可以得到材料纳米分辨率的化学信息，分辨率高可达10 nm，是传统FTIR和ATR-IR无法企及的。
nano-FTIR对高分子复合材料的表征。包括（a）拓扑结构成像，（b）相应位置的纳米红外光谱，以及（c），（d）基于纳米红外光谱的组分分布图。
▶ 纳米尺度污染物的化学鉴定
nano-FTIR傅里叶红外光谱仪可以应用到对纳米尺度样品污染物的化学鉴定上。下图显示的Si表面覆盖PMMA薄膜的横截面AFM成像图，其中AFM相位图显示在Si片和PMMA薄膜的界面存在一个100nm尺寸的污染物，但是其化学成分无法从该图像中判断。而使用nano-FTIR在污染物中心获得的红外光谱清晰的揭示出了污染物的化学成分。通过对nano-FTIR获得的吸收谱线与标准FTIR数据库中谱线进行比对，可以确定污染物为PDMS颗粒。
nano-FTIR对纳米尺度污染物的化学鉴定
AFM表面形貌图像 (左), 在Si片基体（暗色区域Ｂ）与PMMA薄膜（Ａ）之间可以观察到一个小的污染物。机械相位图像中（中），对比度变化证明该污染物的是有别于基体和薄膜的其他物质。将点Ａ和Ｂ的nano-FTIR 吸收光谱（右），与标准红外光谱数据库对比， 获得各部分物质的化学成分信息. 每条谱线的采集时间为7min, 光谱分辨率为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)）
更多应用案例，请您致电010-85120277/78/79/80 或写信 info@qd-china.com 获取。
▶ 纳米近场成像对钙钛矿太阳能电池的研究
苏州大学Q.L. Bao教授等人在钙钛矿结构微纳米线的光电转换离子迁移行为和载流子浓度分布等领域作出了突出贡献。2016年，发表在ACS Nano上的钙钛矿结构微纳米线的光电转换离子迁移行为的研究中，作者利用Neaspec公司的散射式近场光学显微镜neaSNOM发现：1. 未施加外场电压时， 该微纳米线区域中载流子密度（图1 g. s-SNOM振幅信号）和光折射率（图1 g. s-SNOM相位信号）较均匀；2. 施加外场正电压时，该区域中载流子密度随I-离子（Br−）的迁移而向右移动（图1 h. s-SNOM振幅信号），其光折射率随随MA+离子（CH3NH3+）的迁移而向左移动（图1 g. s-SNOM相位信号）较均匀；3. 施加外场负压时，情况正好与施加正电压时相反（图1 i）。该研究显示弄清无机-有机钙钛矿结构中的离子迁移行为对于了解钙钛矿基的特殊光电行为具有重要意义，进而为无机-有机钙钛矿材料的光电器件应用打下了坚实的基础。
图1.SNOM测量钙钛矿结构微纳米线的光电转换的离子迁移行为。
d-f. 离子迁移测量示意图；g-i,相应的s-SNOM光学信号振幅和相位图
2017年， Q.L. Bao教授等人发表在AdvanceMaterials的文章中再次利用Neaspec公司的近场光学显微镜neaSNOM，在实验中研究了太阳能电池表面钙钛矿纳米粒子涂层的载流子密度。结果显示：钙钛矿纳米粒子覆盖区域近场信号强度高于Si/SiO2区域中信号强度（参见下图2 b; 图2 a为对应区域的形貌）。另外作者也研究了增加光照的时间的影响（参见下图2 c, d）。其结果显示：近场信号强度随光照时间增加，从12.5 μV (黄色，0 min) 增加到 14.4 μV (红色, 60 min)，该近场信号反映了可移动自由载流子密度的变化。终，红外光neaSNOM研究结果证明：随光照时间增加，太阳能电池表面的钙钛矿纳米粒子涂层富集和捕获了大量的电子。
参考文献：
1、Wang Y.H.; et. al. The Light-InducedField-Effect Solar Cell Concept - Perovskite Nanoparticle Coating IntroducesPolarization Enhancing Silicon Cell Efficiency. Advanced Material 2017, First published: 3 March 2017; DOI: 10.1002/adma.201606370.
2、Zhang Y.P.; et. al. Reversible StructuralSwell−Shrink and Recoverable Optical Properties in Hybrid Inorganic−OrganicPerovskite. ACS Nano 2016,10, 7031−7038.
详细信息请参考：https://qd-china.com/zh/news/detail/1912091440716
▶ 可调谐低损耗一维InAs纳米线的表面等离激元研究
亚波长下光的调控与操纵对缩小光电器件的体积、能耗、集成度以及响应灵敏度有着重要意义。其中，外场驱动下由电子集体振荡形成的表面等离激元能将光局域在纳米尺度空间中，是实现亚波长光学传播与调控的有效途径之一。然而，表面等离激元技术应用的关键目标是同时实现：①高的空间局域性，②低的传播损耗，③具有可调控性。但是，由于金属表面等离激元空间局域性较小，在长波段损耗较大且无法电学调控限制了其实用化。
由中科院物理所和北京大学组成的研究团队报道了砷化铟（InAs）纳米线作为一种等离激元材料可同时满足以上三个要求。作者利用neaspec公司的散射式近场光学显微镜neaSNOM，在纳米尺度对砷化铟纳米线表面等离激元进行近场成像并获得其色散关系。通过改变纳米线的直径以及周围介电环境，实现了对表面等离激元性质的调控，包括其波长、色散、局域因子以及传波损耗等。作者发现InAs纳米线表面等离激元展现出：①制备简易，②高局域性，③低的传波损耗，④具有可调控性，这为用于未来亚波长应用的新型等离子体电路提供了一个新的选择。该工作发表在高水平的Advanced Materials 杂志上。
参考文献：
Tunable Low Loss 1D Surface Plasmons in InAs Nanowires，Yixi Zhou, Runkun Chen, Jingyun Wang, Yisheng Huang, Ming Li, Yingjie Xing, Jiahua Duan, Jianjun Chen, James D. Farrell, H. Q. Xu, Jianing Chen， Adv. Mater. 2018, 1802551. https://doi.org/10.1002/adma.201802551.
详细信息请参考：https://qd-china.com/zh/news/detail/1912091185112
▶ 锂电池充放电过程中的相位分布情况
I. T.Lucas等人利用Neaspec公司的纳米傅里叶变换红外光谱技术(nano-FTIR)对磷酸铁锂在锂电池的充放电过程中的相位分布进行了具体的研究。根据对不同充放电阶段的正极材料红外吸收光谱的研究，实验结果直接证明，充放电的中间过程部分脱锂的正极材料同时存在磷酸铁锂与磷酸铁两种相位。通过建立三维层析成像的模型建立与分析，由磷酸铁组成的外壳包围由磷酸铁锂组成的核心的“外壳-核心结构”模型适合解释该实验所得结果。分析表明在脱锂的过程中，核心部分的磷酸铁锂慢慢的变小直终消失。
参考文献：I. T. Lucas ; et. al. IR Near-Field Spectroscopy and Imaging of Single LixFePO4 Microcrystals. Nano Letters 2015, 15, 1-7.
更多应用案例，请您致电010-85120277/78/79/80 或写信 info@qd-china.com 获取。
▶ nano-FTIR研究sEV蛋白异质性，助力癌症检测和肿瘤恶性评估
小细胞外囊泡(sEVs)是细胞释放的纳米级膜结合囊泡，可转移生物活性分子进行细胞间通讯，并在肿瘤进展和转移中发挥重要作用。因此，肿瘤来源的sEVs中的蛋白质异质性表明了恶性转化的程度，为癌症诊断和恶性肿瘤评估提供了一种非侵入性的生物标志物。中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心研究人员利用纳米红外光谱系统（10nm nano-FTIR）来研究单个sEV中与恶性肿瘤相关的蛋白质异质性，并证明sEV蛋白异质性在评估肿瘤恶性肿瘤和转移方面的可区分性。相关工作近期以“Single-vesicle Infrared Nanoscopy for Noninvasive Tumor Malignancy Diagnosis”发表在《JACS》杂志上。
研究人员利用纳米红外光谱系统（nano-FTIR），通过对健康和不同恶性程度细胞来源的单个sEV的红外光谱分析发现，由于蛋白质中的C-O键和氨基酸C-OH基团中的氢键随着癌症的发展遭到破化，酰胺I/II吸收比值随着sEV来源细胞系的恶性程度增加而增加；高恶性癌症细胞来源sEV中蛋白质二级结构α-螺旋+随机卷曲的含量发生显著下降，反平行β-折叠+β-转角显著增加。作为临床应用的探索，进一步分析了从两名乳腺癌患者的原发肿瘤组织中提取的sEV（I期，无转移；IIB期，有淋巴结转移）。相较于无转移患者来源的sEV，淋巴结转移患者的α-螺旋+随机卷曲比例显著降低，分子间反平行β-折叠+β-转角比例显著提高，病人组织来源sEV蛋白质二级结构占比的变化与细胞来源的sEV中的结论一致。
图 1 单个细胞外分泌囊泡的近场红外成像和原位红外吸收光谱
研究结果显示了nano-FTIR在单个sEV分子鉴定的优势，证明了sEV蛋白异质性在癌症检测和肿瘤恶性评估中的意义和临床价值，为基于sEV的nano-FTIR分子指纹谱识别的癌症诊断提供了体液活检解决方案。
▶ 胶原纤维研究
胶原纤维是人体各种器官（如骨、肌肉）中关键的组成成分之一。胶原纤维拥有复杂的微纳生物结构，这种结构的有序排列使胶原纤维能够表现出优异的生理性能，同时，这种结构的改变会导致其生理特征的急剧变化。劳损、骨折等常见疾病的发病机理就与胶原微纳结构变化密切相关。如何观测并理解胶原纤维微纳尺度的结构变化是治疗相关胶原类疾病的关键所在。
近日，中国科学院物理研究所陈佳宁课题组利用散射式近场扫描显微镜（IR-neaSCOPE）对胶原纤维进行纳米分辨率红外扫描成像。该研究通过在组织切片表面近场测量紧凑排布的胶原纤维簇，对胶原纤维的纳米周期性横纹结构进行量化分析，并观察到胶原纤维发生的横纹倾斜现象。该研究借助胶原晶格模型解释其现象的产生机理，揭示了胶原纤维内部分子间可能存在的滑移位错形变。
该结果有助于人们理解胶原结构失序时胶原纤维可能发生的纳米结构变化，为解读胶原类疾病的发病机理提供了新思路。同时，该工作展示了s-SNOM在生命科学中对于生物微纳尺度结构研究的广阔应用前景。相关结果发表在近期的《Nano Research》上。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金，中国科学院战略重点研究计划的资助。
▶ 生物催化（MOF体系）研究
生物催化转化在生物体中，如多酶催化级联，在不同的细胞膜区隔的细胞器中高效率地进行。然而，在自然系统中模拟生物催化级联过程仍然具有挑战性。
近日，华东师范大学李丽老师课题组报道了多壳金属有机骨架（MOF）可以作为一种层次化的支架，在纳米尺度上对酶进行空间组织，以提联催化效率。
研究人员通过外延逐壳过生长的方法将多壳MOF包裹在多酶上，其催化效率是溶液中游离酶的5.8~13.5倍。重要的是，多壳MOF可以作为一个多空间隔室的纳米反应器，允许在一个MOF纳米颗粒中物理分隔多个酶，以便在一个锅中进行不相容的串联生物催化反应。研究人员使用纳米傅立叶变换红外光谱(Nano-FTIR)来解决与多壳MOF中的酶相关的纳米级振动活性的不均一性。多壳MOF能够根据特定的串联反应路线方便地控制多酶的位置，其中载酶1和载酶2的壳沿内到外壳的紧密定位可以有效地促进质量传递，从而促进高效的串联生物催化反应。
这项工作有望为设计高效的多酶催化级联反应提供新的思路，以鼓励其在许多化工和制药工业过程中的应用。
▶ 原位液相活体细胞研究
近日，德国attocube systems AG的工程师Korbinian联合德国慕尼黑大学Fritz Keilmann课题组报道了基于散射型纳米红外成像与光谱技术在液相环境关于纳米颗粒和活体细胞的定量研究。纳米红外光谱与成像的液相探测基于一个由10 nm厚度的SiN薄膜和金属液相池组成，通过扫描探针在针尖前沿形成有效的红外探测近场对吸附（浸润）在SiN另一侧的纳米颗粒或活体细胞进行原位液相扫描。
液相原位纳米红外成像与光谱下的A 549癌细胞
这项工作是基于反射式光路的散射型扫描近场显微镜（s-SNOM）和nano-FTIR建立的原位液相样品池，通过搭配波长可调谐的红外激光器，有希望拓展从近红外（特别是近红外II区）到中红外（全指纹区覆盖）乃远红外的全红外波段的液相环境下材料和细胞的纳米尺度探测。
▶ 丝纤蛋白电调控构象转变及其光刻应用的纳米红外研究
中科院微系统所陶虎教授带领的研究团队利用neaspec公司的散射式近场光学显微镜neaSNOM高化学敏感和10 nm空间分辨的优势，在纳米尺度近分子水平研究了电调控下丝蛋白中的多形态转变。 该研究在纳米尺度实现了蛋白质结构转换的探测，结合纳米精度的电子束光刻技术能为我们在二维及三维尺度实现丝蛋白的结构控制提供有力的方法；同时该工作为开启纳米尺度的蛋白质结构研究和探究蛋白质电诱导构象变化的临界条件铺平了道路；为未来设计基于蛋白质的纳米结构提了供新的规则。
参考文献：
1. Nanoscale probing of electron regulated structural transitions in silk proteins by near field IR imaging and nano-spectroscopy， Nature Comm. 7:13079
2. Precise Protein Photolithography (P3): High Performance Biopatterning Using Silk Fibroin Light Chain as the Resist, Adv. Sci. 2017, 1700191
详细信息请参考：https://qd-china.com/zh/news/detail/1912091470680
▶ 单病毒膜渗透行为研究
近年来，流感病毒已被用作包膜病毒的原型来研究病毒进入宿主细胞的过程。IFV中血凝素（HA）是嵌入IFV包膜的主要表面糖蛋白。 HA负责IFV与宿主细胞受体的连接，并在病毒进入过程中参与介导膜融合。众多研究已经为靶标和病毒膜之间的融合机制建立了一个公认的模型。该模型认为只有在靶标和病毒膜发生膜融合时才可形成孔从而介导病毒-细胞膜渗透行为。然而，其他报道也观察到在融合发生之前靶标和病毒膜的破裂。此外，关于腺病毒蛋白与宿主细胞的研究显示，宿主细胞膜可能在没有膜融合的情况下被破坏而进入病毒。另一方面，病毒包膜和靶宿主细胞膜具有不同的化学组成或结构，各个膜中形成孔的要求不同，因此靶宿主或病毒膜破裂也可能独立地被诱导。
综上所述，关于病毒-细胞膜渗透行为的机理还存在一定的争议，明确单个病毒与宿主细胞的复杂融合机制，可为设计抗病毒化合物提供有利信息。然而，常规的病毒整体融合测定法是对膜融合事件的集体响应，不能对细微、尤其是在纳米尺度复杂的融合细节进行直接和定量的研究，因此无法直接量化一些可以通过研究单个病毒、纳米尺度表面糖蛋白和脂包膜来获得的融合细节。例如，病毒感染过程在分子水平上引起的病毒膜和宿主细胞膜的化学和结构组成改变，可以通过分子特异性红外光谱技术来探测。然而，单个病毒、表面糖蛋白和脂包膜尺寸小于红外光的衍射极限，限制了单个病毒的红外光谱研究。因此，找到一个既可以提供纳米高空间分辨率，还能探测机械、化学特性（分子特异红外光谱）和环境影响的工具，使其可在单病毒水平上研究病毒膜融合过程是十分重要的。
来自美国乔治亚大学和乔治亚州立大学的Sampath Gamage和Yohannes Abate等研究者采用 nano-FTIR & neaSNOM研究了单个原型包膜流感病毒X31在不同pH值环境中发生的结构变化。同时，还定量评估了在环境pH值变化期间,抗病毒化合物（化合物136）阻止病毒膜破坏的有效性，提供了一种抑制病毒进入细胞的新机制。
详细信息阅读：应用专题|纳米分辨傅里叶红外光谱与成像技术（nano-FTIR & neaSNOM）助力科学家实现单病毒膜渗透行为研究进展
参考文献：[1] Sampath Gamage, Yohannes Abate et al.， Probing structural changes in single enveloped virus particles using nano-infrared spectroscopic imaging， PLOS ONE.
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▶ 石墨烯电解液界面的纳米红外研究
ATR-IR是应用于电极电解液的原位界面表征的常用方法。然而该技术的探测深度在微米级别，而电极电解液的界面，如双电层，一般在纳米级别。因此ATR-IR得到的界面光谱信号受到电解液主体信号的严重干扰。加州大学伯克利分校的Salmeron教授利用nano-FTIR对石墨烯电解液界面进行原位研究，通过nano-FTIR可达10 nm的超高空间分辨率(探测深度)，对非热膨胀样品（石墨烯）的高敏感度，及无损伤的特点，实现了对单层石墨烯电解液界面的原位表征，真正获得了双电层的化学信息。研究人员发现，相较于传统的ATR-IR，nano-FTIR的红外光谱中可观测到界面独有的离子配位体，这得益于nano-FTIR的高灵敏度与高空间分辨率。同时，nano-FTIR支持样品台的接电设计，研究人员通过改变石墨烯电极的电压，观测到红外光谱的变化，说明了界面化学成分的变化，即双电层的变化。相关研究成果发表于Nano Letters, 2019, 19: 5388-5393.
图1. 单层石墨烯电解液nano-FTIR原位研究实验设计示意图。
图2.（a）ATR-FTIR和nano-FTIR的(NH4)2SO4水溶液红外光谱。（b）nano-FTIR在+0.5V和0V vs. Pt的红外光谱。0V数据取2个位置共64组光谱的平均值，+0.5V数据取5个位置共112组光谱的平均值。
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▶ Cryo-SNOM低温近场在氧化物界面的新应用
近期，Alexey B. Kuzmenko团队在Nat. Commun.上获得新进展，他们利用s-SNOM来研究从室温下降到6K时LaAlO3/SrTiO3界面的变化情况，从近场光学信号，特别是其中的相位分量信息可以看出对于界面处的电子系统的输运性质具有极其高的光学敏感度。这一模型说明了2DES敏感性来源于AFM针尖和耦合离子声子模型在很小穿透深度下的相互作用，并且该模型可以定量地将光信号的变化与冷却和静电选通控引起的2DES传输特性的变化相关联，从而提供操控光学信息的有效手段。从利用s-SNOM得到的实验结果和建立的模型结果来看，二者之间具有很好的拟合，这一结果说明了电子声子相互作用对于在零动量时的表面声子离子模型的散射极化吸收具有关重要的作用。
参考文献：1. High sensitivity variable-temperature infrared nanoscopy of conducting oxide interfaces. Nature Communications 2019, 10, 2774.
详细信息请参考：https://qd-china.com/zh/news/detail/1912082121861
▶ 纳米空间分辨超快光谱和成像系统在范德瓦尔斯半导体研究中的应用
近年来，范德瓦尔斯（vdW）材料中的表面极化激元(SP)研究，例如等离极化激元、声子极化激元、激子极化激元以及其他形式极化激元等，受到了广大科研工作者的关注，成为了低维材料领域纳米光学研究的热点。其中，范德瓦尔斯原子层状晶体存在独特的激子极化激元，可诱导可见光到太赫兹广阔电磁频谱范围内的光学波导。同时，具有较强的激子共振可以实现非热刺激（包括静电门控和光激发）的光波导调控。
2020年7月，美国哥伦比亚大学Aaron J. Sternbach和D.N. Basov教授等研究者在Nature Communications上发表了题为：”Femtosecond exciton dynamics in WSe2 optical waveguides”的研究文章。研究者以范德瓦尔斯半导体中的WSe2材料为例，利用德国neaspec公司的纳米空间分辨超快光谱和成像系统，通过飞秒激光激发研究了WSe2材料中光波导在空间和时间中的电场分布，并成功提取了飞秒光激发后光学常数的时间演化关系。同时，研究者也通过监视波导模式的相速度，探测了WSe2材料中受激非相干的A-exciton漂白和相干的光学斯塔克（Stark）位移。
参考文献：
[1]. Aaron J. Sternbach et.al. Femtosecond exciton dynamics in WSe2 optical waveguides, Nature Communications , 11, 3567 (2020)
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部分国内用户（排名不分先后）
清华大学 | 东南大学 | 中科院物理所 | 中科院上海技物所 | 香港理工大学 |
中山大学 | 苏州大学 | 中科院大连化物所 | 中国科学技术大学 | 首都师范大学 |
四川大学 | 南开大学 | 国家纳米科学中心 | 中科院成都光电所 | 北京师范大学 |
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部分用户评价
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| Dr. Dangyuan Lei The Hong Kong Polytechnic University Department of Applied Physics | "We propose to establish a complete set of nano-FTIR and scattering-type s-SNOM in order to stay competitive in nanophotonics research as well as to maintain our state-of-the-art design and fabrication of novel nanomaterials. Only because of the unique technology from neaspec we were able to win this desirable university grant." |
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| Prof. Shinobu Hikami Okinawa Institute of Science and Technology | "The neaSCOPE new imaging technique offers me the right tool to unravel the fascinating world of protein folding in complex biological systems at the nanoscale" |
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| Dr. Zhe Fei Iowa State University Department of Physics and Astronomy | "With its ultra-small & ultra-fast capabilities as well as the highly-compatible & user-friendly design, the neaSCOPE near-field microscope offers us unique opportunities to uncover the intriguing nano-optical phenomena of novel two-dimensional materials." |
| Prof. Thomas Taubner RWTH Aachen Metamaterials & Nano-Optics | "As a near-field expert, I was quickly convinced that neaSCOPE is the only optical AFM microscope completely satisfying the needs of demanding near-field experiments. It’s the best commercially available technology and in addition really easy to use." |
| Dr. Christoph Janzen Fraunhofer Institute for Laser Technology (ILT) | "Developed by the s-SNOM experts, the neaSCOPE microsocope is the ideal tool for our demanding applications. We work on characterizing opto-electronic devices like LEDs, transistors based on GaN and SiC as well as nanocomposites in e.g. textile fibers." |
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