(Phys.org) – I flera år, forskare har haft en klåda som de inte kunde klia. Även med de bästa mikroskopen och spektrometrarna, det har varit svårt att studera och identifiera molekyler i så kallad mesoskala, ett område av materia som sträcker sig från 10 till 1000 nanometer i storlek. Nu, med hjälp av infrarött bredbandsljus från synkrotronen Advanced Light Source (ALS) vid det amerikanska energidepartementets Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), Forskare har utvecklat en bredbandsteknik som tittar in i denna värld med oöverträffad känslighet och räckvidd.

Genom att kombinera atomkraftsmikroskopi med infrarött synkrotronljus, forskare från Berkeley Lab och University of Colorado har förbättrat den rumsliga upplösningen av infraröd spektroskopi i storleksordningar, samtidigt som det täcker hela sitt spektroskopiska område, möjliggör undersökning av olika nanoskala, mesoskala, och ytfenomen som tidigare var svåra att studera.

Den nya tekniken, kallas Synchrotron Infrared Nano-Spectroscopy eller SINS, kommer att möjliggöra fördjupade studier av komplexa molekylära system, inklusive flytande batterier, levande celler, nytt elektroniskt material och stjärndamm.

"Det stora är att vi får infraröd spektroskopi med full bredband i 100 till 1000 gånger mindre skala, säger Hans Bechtel, huvudsaklig vetenskaplig ingenjörsassistent vid Berkeley Lab. "Detta är inte en stegvis prestation. Det är verkligen revolutionerande."

I en Proceedings of the National Academy of Sciences tidning publicerad 6 maj online, med titeln "Ultrabredbands infraröd nanospektroskopisk avbildning, " Berkeley Labs Bechtel och Michael Martin, en forskare från Berkeley Lab, och kollegor från Markus Raschkes grupp vid University of Colorado i Boulder beskriver SINS. De visar nanoskopets förmåga att fånga bredbandsspektroskopiska data över en mängd olika prover, inklusive ett halvledarisolatorsystem, ett blötdjursskal, proteiner, och ett peptoid nanoark. Martin säger att dessa demonstrationer bara "skrapar på ytan" av potentialen i den nya tekniken.

Synkronisera scopes

SINS kombinerar två redan existerande infraröda teknologier:en nyare teknik som kallas infraröd spridningsskanning närfältsmikroskopi (IR s-SNOM) och en gammal laboratoriestandby, känd även för kemistudenter, kallas Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR). En smart sammanslagning av dessa två verktyg, kombinerat med det intensiva infraröda ljuset från synkrotronen vid Berkeley Lab ger forskarna möjligheten att identifiera kluster av molekyler som är så små som 20 till 40 nanometer.

Det nya tillvägagångssättet övervinner långvariga barriärer med redan existerande mikroskopitekniker som ofta involverar krävande tekniska krav och krav på provberedning. Infraröd spektroskopi använder lågenergiljus, är minimalt invasiv, och är tillämplig under omgivande förhållanden, vilket gör det till ett utmärkt verktyg för kemiska och molekylära identifieringar i system som är statiska såväl som de som är levande och dynamiska. Tekniken fungerar genom att lysa infrarött ljus med låg energi på ett molekylärt prov. Molekyler kan ses som system av kulor (atomer) och fjädrar (bindningar mellan atomer) som vibrerar med karaktäristiska vickningar; de absorberar infraröd strålning vid frekvenser som motsvarar deras naturliga vibrationslägen. Utgången från denna absorption är ett spektrum, kallas ofta fingeravtryck, som visar distinkta toppar och fall, beroende på de bindningar och atomer som finns i provet.

Men infraröd spektroskopi har också sina utmaningar. Även om det fungerar bra för bulkprover, traditionell infraröd spektroskopi kan inte lösa molekylär sammansättning under cirka 2000 nanometer. Det största hindret är ljusets diffraktionsgräns, som är den grundläggande barriären som bestämmer den minsta fokuspunkten för ljus och är särskilt besvärlig för de stora våglängderna av infrarött ljus. På senare år har fastän, diffraktionsgränsen har övervunnits med en teknik som kallas spridningsskanning närfältsmikroskopi, eller s-SNOM, vilket innebär att ljuset lyser på en metallisk spets. Spetsen fungerar som en antenn för ljuset, riktar den till ett litet område vid dess spets bara tiotals nanometer brett.

Det här tricket är det som används i IR s-SNOM, där infrarött ljus är kopplat till en metallisk spets. Utmaningen med IR s-SNOM, dock, är att forskare har förlitat sig på infrarött ljus som produceras av lasrar. Lasrar sänder ut ett stort antal fotoner som behövs för tekniken, men eftersom de verkar i ett smalt våglängdsband, de kan bara undersöka ett snävt område av molekylära vibrationer. Med andra ord, laserljus kan helt enkelt inte ge dig flexibiliteten att utforska ett spektrum av blandade molekyler.

Bechtel, Martin och Raschkes team såg möjligheten att använda Berkeley Labs ALS för att övervinna laserbegränsningen. Labbets synkrotron producerar bredbandigt infrarött ljus med ett högt fotonantal som kan fokuseras till diffraktionsgränsen. Forskarna kopplade synkrotronljuset till en metallisk spets med en spets på cirka 20 nanometer, fokusera den infraröda strålen på proverna. Det resulterande spektrumet analyseras med ett modifierat FTIR-instrument.

"Detta är faktiskt ett av mycket få exempel där synkrotronljus har kopplats till scanning-sondmikroskopi, säger Raschke. Dessutom, implementeringen av tekniken vid synkrotronen tar kemisk nanospektroskopi och -avbildning ut från labbet hos några laservetenskapliga experter och gör det tillgängligt för ett bredare forskarsamhälle på en användaranläggning."

Från blötdjur till månstenar

Teamet demonstrerade tekniken genom att bekräfta den spektroskopiska signaturen av kiseldioxid på kisel och genom att illustrera den skarpa kemiska övergången som sker inom blåmusslans skal ( M. edulis ). Dessutom, forskarna tittade på proteiner och ett peptoid nanoark, en konstruerad, ultratunn film av proteiner med medicinska och farmakologiska tillämpningar.

Martin är exalterad över potentialen hos SINS, som är tillgänglig för forskare från vilken institution som helst att använda. Han är särskilt intresserad av en närmare titt på batterisystem, med hopp om att förstå batterikemi på mesoskalan skulle kunna ge insikt i bättre prestanda. Längre ut, han förväntar sig att SINS också kommer att vara användbara för en rad biokemi. "Detta antyder en dröm jag har haft i mitt sinne, att titta på ytan av en cell, inuti tvåskiktsmembranet, kanalerna, och receptorer, " säger Martin. "Om vi ​​kunde sätta ett SINS-tips på en levande cell, vi kunde se biokemi hända i realtid."

Bechtel, för hans del, är fascinerad av möjligheten att använda SINS för studier av månstenar, meteoriter och stjärnstoft. Dessa utomjordiska material har en molekylär mångfald som är svår att lösa på nanoskala, särskilt på ett oförstörande sätt för dessa sällsynta prover. En bättre förståelse av sammansättningen av månstenar och damm från rymden kan ge ledtrådar till bildningen av planeterna och solsystemet.

Raschke använder tekniken för att studera de processer som begränsar prestandan hos organiska solceller. Han vill ytterligare förbättra teknikens flexibilitet så att den kan tillämpas under varierande och kontrollerade atmosfäriska och lågtemperaturförhållanden. Bland andra justeringar, han planerar att öka teknikens känslighet med det slutliga målet att utföra kemisk spektroskopi med en molekyl.