Molecular Vista原子力微鏡與可見-紅外-拉曼聯用系統

——10nm以下空間分辨可見-紅外-拉曼成像與光譜采集

原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope， AFM)經過30多年的發展后，從形貌測試及其它常規功能來看已經非常成熟。然而常規的原子力顯微鏡也越來越無法滿足科研人員在納米尺度下對于樣品進行多性質原位測試分析的更高需求，尤其在化學、光學、電學、熱學、力學等領域。在這一背景下，美國Molecular Vista應運而生，推出了全新一代原子力顯微鏡VistaScope！

在具備所有常規原子力顯微鏡功能的條件下，基于**的光誘導力顯微鏡（Photo-induced Force Microscope， PiFM)技術，結合波長可調的可見-紅外光源，從而實現10nm以下空間分辨可見~紅外成像與光譜采集，無需遠場光學接收器及光譜儀。

此外，VistaScope原子力顯微鏡還可以與各類拉曼光譜儀進行聯用，組成目前市場上功能*為強大的原子力顯微鏡與可見-紅外-拉曼聯用系統，以滿足科研人員在納米尺度下的各種測試需求。VistaScope原子力顯微鏡具備如下功能：

NanoIR 納米紅外成像與光譜

光誘導力顯微鏡突破性的采用檢測探針與樣品之間的偶極交互(dipole interaction)，使其不受到樣品橫向熱膨脹對于空間分辨率帶來的負面影響。因此，基于光誘導力顯微鏡的納米紅外能真正意義上的實現10nm以下空間分辨納米紅外成像！下圖為PS-PMMA嵌段共聚物納米紅外成像與光譜案例，紅色和綠色分別代表PMMA與PS的分布情況。

摘自“Nanoscale chemical imaging by photoinduced force microscopy，Sci. Adv. 2016”

基于光誘導力顯微鏡的納米紅外不僅適合有機高分子材料，也適合無機材料。下圖為不同Si/Al比的ZSM-5沸石分子篩的納米紅外骨架振動峰在1100cm^-1處的藍移及劈裂情況，以及通過碳氫化合物在1480cm^-1的C=C伸縮振動峰來反映ZSM-5參與甲醇制碳氫化合物（MTH)催化反應后結焦的分布情況。

摘自“Nanoscale infrared imaging of zeolites using photoinduced force microscopy，Chem. Commun. 2017”

NanoVis 納米可見吸收成像與光譜

偶極交互的檢測原理使得光誘導力顯微鏡不僅能在中紅外波段下工作，也可以很好在可見～近紅外波段性下進行成像及光譜采集。下圖為6-TAMRA熒光染料在不同波長下的可見吸收成像與光譜，黑色箭頭所指處的染料顆粒尺寸小于10nm，達到了單分子成像的水平。

摘自“Image force microscopy of molecular resonance: A microscope principle， Appl. Phys. Lett. 2010”

下圖為二硫化鉬在不同波長下的可見吸收成像與光譜

樣品結果來自“Stanford University & University of British Columbia”

AFM-Raman 原子力-拉曼聯用系統

VistaScope原子力顯微鏡具有正置-倒置光路一體化的設計，可以將激發光從頂部，側面以及底部激發至樣品以適應透明和不透明的樣品或使激發在針尖上的光束具有合適的偏振方向從而進一步增強拉曼信號。MVI提供高速高通量的Vista-Raman光譜儀與VistaScope原子力顯微鏡進行聯用，其也可以和其他拉曼光譜儀進行聯用。下圖為VistaScope聯合Vista-Raman對載玻片上碳納米管的針尖增強拉曼成像(Tip Enhanced Raman Spectroscopy，TERS)。

拉曼信號的增強主要源于局域表面等離子體共振(LSPR)的電磁場增強。光誘導力顯微鏡可以直接表征樣品表面的場強分布，通過場強表征結果可以找到高場強進行針尖增強拉曼成像。下圖為在光誘導力顯微鏡對于鍍金襯底上亮甲酚藍(BCB)場強表征，可以看到高場強（亮）和低場強（暗）所得到拉曼光譜信號的強弱對比。

s-SNOM 散射式掃描近場光學顯微鏡

有別于傳統的掃描近場光學顯微鏡，光誘導力顯微鏡采用檢測探針與樣品之間的偶極交互直接獲得樣品表面的場強分布，無需遠場光學探測器。這不僅杜絕了遠場信號的干擾，也無需像SNOM那樣配置多個不同波段光學探測器。光誘導力顯微鏡的檢測端可無縫適應紫外～射頻，用戶僅需考慮如何將激發光激發至樣品。同時，MVI也提供散射式掃描近場光學顯微鏡(s-SNOM)功能，用于光學相位的測量，作為場強測量的補充。下圖為金鋁二聚體分別在480nm和633nm不同偏振方向激發后的場強分布，圖a，b的實測場強與圖c，d的理論模擬是否吻合，金鋁二聚體間隔僅為5nm!

摘自“Wavelength-dependent Optical Force Imaging of Bimetallic Al-Au Heterodimers， Nano Lett. 2018”

上面提到拉曼信號的增強主要源于局域表面等離子體共振(LSPR)的電磁場增強，下圖為基于銀顆粒陣列的表面增強拉曼襯底(SERS)的場強分布，圖f的FWHM結果顯示光誘導力顯微鏡實現了3.1nm的空間分辨。

摘自“Fabrication and near-field visualization of a waferscale dense plasmonic nanostructured array， RSC Adv. 2018”

More Intergration 與其他光學-光譜技術聯用

VistaScope原子力顯微鏡還能與其他多種光學-光譜技術聯用。例如，非線性-時間分辨-泵浦-探測-超快光譜，光致發光光譜（熒光光譜與磷光光譜），單分子熒光成像，共聚焦成像等。下圖為VistaScope原子力顯微鏡結合飛秒激光器在光誘導力顯微鏡模式下，以809nm為泵浦光，605nm探測光對于單個萘酞菁硅(SiNc)納米團簇分子的時間分辨瞬態吸收成像的表征。

摘自“Linear and Nonlinear Optical Spectroscopy at the Nanoscale with Photoinduced Force Microscopy， Acc. Chem. Res. 2015”

下圖為VistaScope原子力顯微鏡-光誘導力顯微鏡與熒光光譜對于二硫化鉬原位表征結果

Multi-frequency AFM 多頻原子力顯微鏡

VistaScope原子力顯微鏡采用了全新的多頻模式，在具備所有常規原子力顯微鏡功能的條件下，也將性能提升到了全新的高度。相比于常規的單頻原子力顯微鏡，多頻原子力顯微鏡擁有更高的空間分辨率與靈敏度。下圖為VistaScope在各種AFM模式下的成像結果。