红外光谱法通过测量红外吸收可以实现对化学成分的无标记检测，在分析化学中得到广泛应用。然而，由于空间分辨率的限制 (Abbe's diffraction limit)，红外光谱和显微镜的空间分辨率通常是几微米，这个尺度比许多纳米材料和生物物体的空间特征大得多。利用原子力显微镜 (AFM) 结合红外辐射（IR）的方法（AFM-IR），样品的红外特性可以通过AFM探针尖端所产生的强局域光场来激发，产生光热膨胀，进而得以被AFM的探针检测。相比于传统的红外光谱技术，AFM-IR具有更高的空间分辨率与更高的灵敏度，能够为化学反应、纳米材料以及纳米光子学的研究提供丰富的信息。2017年，峰值力红外显微术（Peak force infrared microscopy, PFIR）作为一种新的AFM-IR技术被美国理海大学（Lehigh University）化学系的许晓汲（Xiaoji Xu）研究小组研发成功，并加以应用。在一般的测定条件下（大气中），通过检测由于样品红外吸收后受热膨胀所带来的针尖的高频振动或者形变，PFIR通过原子力显微镜 (AFM) 的光热机械检测可以实现空间分辨率在6纳米左右的纳米尺度红外成像。然而，目前可用的AFM-IR技术都有一个重要的限制，即一次只能进行单频成像。这意味着在应用中，当需要在多个频率下进行红外成像时，必须在不同的频率下分别对同一区域的样品进行连续扫描。而连续扫描的AFM图像通常是由于压电扫描仪的滞后和蠕变以及可能的热漂移引起的纳米尺度的漂移和扭曲，在使用开环压电扫描仪的原子力显微镜中，这种漂移和扭曲可能会进一步加剧。
如何才能克服这一问题？2021年，许晓汲团队基于已有的PFIR技术，设计并搭建了双色峰值力红外显微镜（Dual-color PFIR）。Dual-color PFIR有效克服了AFM探针在扫描过程中带来的成像扭曲和失真。
许晓汲团队将这项新技术应用于聚苯乙烯（PS）和聚(甲基丙烯酸甲酯）（PMMA）共混物、嵌段共聚物（PS-b-PMMA）和细菌细胞大肠杆菌（E. coli）的检测。首先，作者以PS/PMMA共混物作为标准样品对Dual-color PFIR进行测试，在同一扫描范围内同时采集到PMMA和PS的红外图像，与之对应分别测到了PMMA和PS位点的红外光谱；随后，在PS-b-PMMA样品上证明了Dual-color PFIR具有与普通PFIR接近的6 纳米超高空间分辨率。接着，作为生物成像应用的探索，Dual-color PFIR，作者在E. coli样品上分别得到了脂质和蛋白质，蛋白质和核酸分布的双色红外图像，用不添加化学探针的成像方法证明了E. coli细胞膜分布着的脂质、蛋白质和核酸物质。最后，进一步放大E. coli的局部范围，除了得到检测多糖，脂质和蛋白质的成像分布之外，作者还扫描了在相应不同位点的红外光谱图进行对比，表明了E. coli样品表面不同位点化学组成的差别，证明了该技术在纳米尺度上研究生物样品的化学异质性的能力。
这一成果近期发表在Analytical Chemistry 上，文章的第一作者是理海大学在读研究生谢庆 (Qing Xie)。
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Dual-Color Peak Force Infrared Microscopy
Qing Xie, Jared Wiemann, Yan Yu, and Xiaoji G. Xu*
Anal. Chem., 2022, DOI: 10.1021/acs.analchem.1c04756
许晓汲，理海大学化学系Class of 61副教授。2009年在加拿大不列颠哥伦比亚大学 (UBC) 获得博士学位。在加拿大多伦多大学博士后研究。2014年底在理海大学任助理教授独立研究 (PI)。2020年任副教授（终身教授）。曾获得Beckman Young Investigator Award、NSF CAREER、Sloan Research Fellowship（斯隆研究奖）和Camille Dreyfus Teacher-Scholar Award。
主要研究领域为发展扫面探针显微技术和仪器，以及基于红外光谱的分析化学方法的研究。
https://chemistry.cas.lehigh.edu/people/xiaoji-xu
https://www.x-mol.com/university/faculty/281089
Q：这项研究最初是什么目的？或者说想法是怎么产生的？
A：峰值力红外(PFIR)显微镜通过原子力显微镜(AFM)的光热机械检测实现了空间分辨率在10 nm以下的纳米尺度红外成像。然而，它有一个主要的限制，一次只能扫描一个特定的红外频率。为了克服这个限制，实现在两个红外频率同时成像，我们在设计了双色红外峰值原子力显微镜（Dual-color PFIR）。相比于分开扫描得到两幅不同红外频率的图像，该技术有效地克服了AFM针尖带来的图像漂移和失真的限制。
A：双色红外峰值原子力显微镜需要两台红外激光器。增加了仪器的成本。
Q：该研究成果可能有哪些重要的应用？哪些领域的企业或研究机构可能从该成果中获得帮助？
A：我们设计的双色红外峰值原子力显微镜（Dual-color PFIR）技术可以同时对多种化学成分进行无损化学纳米成像，它除了可以用于结构聚合物相分离的成像；由于该方法无需额外的化学探针，还可用于无化学探针添加的生物样品成像；通过选择合适的原子力显微镜和设置合适的红外频率，未来还可能用于原位双通道监测涉及气相、液相、固相的化学反应。
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