S-SNOM vid EMSL ger oöverträffad spektral känslighet och kontrast för molekylär kemisk avbildning.
Sedan 1800 -talet har mikroskopi och spektroskopimetoder har belyst många aspekter av kemi och fysik, från att definiera atomspektra till att få klarhet i Einsteins fotoelektriska effekt.
Nu, i början av 2000 -talet, kemiska bilder som genereras via högupplösta spatiotemporala mätningar i kombination med spektroskopi leder oss närmare en vetenskaplig dröm:att visualisera enkelmolekyl eller atomskala in situ och i realtid. Molekylär forskning inom organisk solceller, polymerer, makro/övermolekylär självmontering, biomembraner, proteiner, och i allmänhet materia organiserad för att bilda nanoskala molekylära strukturer alla skulle kunna dra nytta av denna spirande ultrasnabba, femtosekund nano-imaging förmåga.
För Markus Raschke, professor vid University of Colorado i Boulder och nuvarande EMSL Wiley Research Fellow, utvecklingen mot att uppnå denna vetenskapliga innovation drivs av hans långsiktiga intresse för optisk avbildning och spektroskopi med ultrahög rumsupplösning. Detta intresse förde honom inledningsvis till EMSL som användare och har sedan lett till ett nästan fyraårigt samarbete som har EMSL på branten för att leverera avbildningskapacitet med nära enmolekylkänslighet.
"Tipp" -punkten
Raschke och hans kollegor använde först EMSL:s mikroskopifunktioner för att demonstrera plasmonisk nanofokusering med hjälp av ett optiskt antennkoncept. Metoden använde en konisk guldspets och kortpuls excitation för att underlätta bakgrundsfri avbildning nära fältet via scanning-typ skanning nära-fält optisk mikroskopi, eller s-SNOM. Kombinationen ger också nanofokusering av femtosekundpulser och optisk kontroll på nanoskala. Det öppnade dörren till nanoskala ultrasnabb spektroskopi som kunde skildra materia mitt i dess realtids- och längdskalor samtidigt, samt att styra en enda kvantexcitation med den unika ljuskällan "på spetsen av en nål, "enligt Raschke.
"Vi ville designa en nanoskala ljuskälla, "Raschke förklarade." Vi sökte olika vägar för att nå detta mål och uppnå detta för olika våglängder och tidsskalor. Tillverka dessa tips, som fungerar som speciella koniska vågledare, tillhandahålla en mycket begränsad ljuskälla, där det optiska fältets energi komprimeras till en mycket, mycket liten volym på toppen. "
Medan den ultrasnabba spektroskopi -aspekten inte var Raschkes ursprungliga mål, den framgång som uppnåddes i den ansträngningen erbjöd EMSL ett otroligt tillfälle att förbättra förståelsen för kemi på ytor och gränssnitt - där miljö, katalytisk, och biologiska interaktioner uppstår och kemi sker - genom processen för vetenskaplig partnerförslag.
Att bygga ett partnerskap
Intresserade partners, som Raschke och hans kollegor, skicka förslag via EMSL -användarportalen till team med EMSL -personal och förbättra befintliga funktioner eller utveckla nya. I detta fall, EMSL:s finansiering från American Recovery and Reinvestment Act underlättade utvecklingen av det infraröda, eller IR, spridningstypsskanning nära fältmikroskop, som ursprungligen inrymdes på Raschkes laboratorium när han och hans team byggde, testad, och optimerade den nya möjligheten. Tidigare i år, det anpassade IR s-SNOM-mikroskopet flyttades in i sitt hem vid EMSL, där Raschke, tillsammans med EMSL -forskaren Ian Craig, arbetar fortfarande med att finslipa dess utveckling och applikationer.
"På EMSL, vi har länge fokuserat på teknik som hanterar förbättrad spatiotemporal upplösning som låter oss titta på kemi under verkliga förhållanden, "sa David Koppenaal, EMSL:s teknikchef. "Detta är en unik förmåga som kommer att ge högupplöst molekylär information på nanoskala. Och, det kompletterar flera mikroskopifunktioner vi redan har här. "
S-SNOM, som blev ett långsiktigt projekt som ursprungligen härrörde från ett förslag till vetenskaplig partner, finns bland EMSL:s mångfacetterade instrumentpaket för mikroskopi.
Enligt Raschke, EMSL:s vetenskapliga samarbetsmekanism är också ett utmärkt exempel på tvärvetenskaplig och samverkande vetenskap, den typ av investeringar som motiverar forskare och främjar nya vetenskapliga gränser. Kommer från den akademiska sidan, han vet hur värdefull denna interaktion kan vara för att uppnå konkret innovation.
"Vi hade inte resurser eller infrastruktur för att skapa ett instrument med dessa underbara förmågor på akademisk nivå, "Raschke noterade." Samarbetet med EMSL sammanställer det bästa från två världar:dynamiken och entusiasmen vid ett universitet och resurserna och förmågan på EMSL. Vi vill alla ha den bästa vetenskapen. "
Innovatörerna
Efter att ha demonstrerat s-SNOMs potential att förlänga IR-spektroskopi till nanometerskalan baserat på deras optiska antennkoncept, Raschke och hans kollegor samarbetade med EMSL för att ta sig an utmaningen att förbättra dess spektroskopiska känslighet.
"Det är välkänt att du kan se en enda molekyl som använder en atomkraft eller skannar tunnelmikroskop, men du får inte spektroskopiska detaljer - och dessa tekniker, om än otroligt känslig, är för långsamma för att få den interna dynamiken, "Sa Raschke.
"Lasrar ger dig hög spektral upplösning, och pulserande lasrar berättar om dynamik i materia, "fortsatte han." Men, den rumsliga upplösningen är begränsad för att titta på de finare detaljerna i den molekylära kompositionen. Det vi gjorde var att verkligen kombinera känsligheten och den rumsliga upplösningen för skanningsmikroskopi med ultrasnabb laserspektroskopi för att få det bästa av två världar. "
Genom att kombinera både spets- och substratförbättring som erhållits från deras första arbete med optiska antenner och molekylär Raman-spektroskopi och förbättrat signal-brusförhållande från högspektral bestrålning IR-pump excitation, Raschke och hans kollegor avbildade ett självmonterat monoskikt, eller SAM, tillverkad av 16-merkaptohexadekansyra, en förening som används vid självmontering för att producera hydrofila SAM, på en guldyta. De kunde få 25-nm rumslig upplösning med hjälp av deras IR s-SNOM-teknik och kunde spektroskopiskt bestämma ytmolekylernas kemiska identitet. Mest signifikant, de slog rekord i spektral känslighet och kontrast, får signal från endast ∼100 molekylära vibrationer - nästan nio storleksordningar känsligare än konventionell IR -spektroskopi.
"Detta banar väg mot enmolekylär IR-spektroskopi, "Sa Raschke." Vi har visat att du kan få en signal. Vi tittar på 100 molekyler när jag innan hade kollegor som inte trodde att man ens kunde få en signal från 1 miljon molekyler. "
Som seniorforskare och samarbetspartner under hela denna insats, Raschke fortsätter att publicera artiklar när han förfinar IR s-SNOM, söka medel för att förbättra dess förmåga. Han välkomnar också dess utveckling som ett annat unikt instrument som EMSL erbjuder för bred användning för det vetenskapliga samfundet. Hans ledarroll är en som han helt förväntar sig, och är upphetsad, att fortsätta i många år framöver.
"Om du kan se det på ett enda molekylärt monoskikt, du kan se det på vad som helst, verkligen, "Raschke sa." Vi ser hur ljus interagerar med materia på naturens klocka. Vi tittar på elektronernas och atoms rörelse i realtid. Vi har sett samlingar av atomer göra detta. Men, du behöver många för att få en signal. Nu, vi kommer dit vi kan se individuella atomrörelser.
"Hundra molekyler är en viktig siffra. Det är här atomer blir en familj. Vi kommer ner till den homogena ensemblen, se materiens hjärtslag, " han lade till.
