Forskare rapporterar utvecklingen av hyperspektral infraröd nanoimaging baserad på Fourier transform infraröd nanospektroskopi (nano-FTIR), möjliggör mycket känslig spektroskopisk avbildning av kemiska kompositioner med rumslig upplösning i nanoskala.

Ett mål inom materialvetenskap, biomedicin och nanoteknik är den icke-invasiva sammansättningskartläggningen av material med nanometerskala rumslig upplösning. Det finns en mängd olika högupplösta bildtekniker (t.ex. elektron- eller svepsondsmikroskoper), men de kan inte möta de ökande kraven från höga, icke -invasiv kemisk känslighet.

Kemisk analys i nanoskala har nyligen blivit möjlig med nano-FTIR-spektroskopi, en optisk teknik som kombinerar scattering-typ scanning near-field optical microscopy (s-SNOM) och Fourier transform infrared (FTIR) spektroskopi. Genom att belysa den metalliserade spetsen på ett atomkraftmikroskop (AFM) med en bredbandsinfraröd laser eller en synkrotron och analysera det bakåtspridda ljuset med en specialdesignad Fourier-transformspektrometer, lokal infraröd spektroskopi med en rumslig upplösning på mindre än 20 nm har visats. Dock, endast punktspektra eller spektroskopiska linjeavsökningar som inte omfattar mer än några tiotals nano-FTIR-spektra kunde uppnås på organiska prover, på grund av de långa förvärvstiderna.

Nu, forskare från CIC nanoGUNE (San Sebastian, Spanien), Ikerbasque (Bilbao, Spanien), Cidetec (San Sebastian, Spanien) och Robert Koch-Institut (Berlin, Tyskland) har utvecklat hyperspektral infraröd nanoimaging. Tekniken gör det möjligt att spela in tvådimensionella arrayer av flera tusen nano-FTIR-spektra – vanligtvis kallade hyperspektrala datakuber – på några timmar, och med en rumslig upplösning och precision bättre än 30 nm.

"Den utmärkta datakvaliteten gör det möjligt att extrahera nanoskala-upplöst kemisk och strukturell information med hjälp av statistiska tekniker (multivariatdataanalys) som använder den fullständiga spektroskopiska informationen som finns tillgänglig vid varje pixel, " säger Iban Amenabar, författare till verket. Även utan tidigare information om provet och dess komponenter, pixlar med liknande infraröda spektra kan grupperas automatiskt med hjälp av hierarkisk klusteranalys. Genom avbildning och analys av en trekomponents polymerblandning (Figur 1) och, forskarna fick kemiska kartor i nanoskala som inte bara avslöjar den rumsliga fördelningen av de enskilda komponenterna utan också spektrala anomalier som förklarades av lokal kemisk interaktion. Forskaren demonstrerade också in situ hyperspektral infraröd nanoavbildning av naturligt melanin i människohår.

För sina experiment, forskarna använde det kommersiella nano-FTIR-systemet från Neaspec GmbH inklusive ett mellaninfrarött laserkontinuum som täcker spektralområdet från 1000 till 1900 cm-1. Multivariat analys av hyperspektrala data gjordes med mjukvaruverktyget CytoSpec, som utvecklades av medförfattaren Peter Lasch.

"Med den snabba utvecklingen av högpresterande mellaninfraröda lasrar och genom att tillämpa avancerade brusreduceringsstrategier, vi ser för oss högkvalitativ hyperspektral infraröd nanoimaging på några minuter, avslutar Rainer Hillenbrand, som ledde arbetet. "Vi ser en stor applikationspotential inom olika vetenskaps- och teknikområden, inklusive kemisk kartläggning av polymerkompositer, farmaceutiska produkter, organiska och oorganiska nanokompositmaterial eller biomedicinsk vävnadsavbildning, " han lägger till.