Spektroskopia w podczerwieni sprzężona z mikroskopią sił atomowych (AFM-IR) to technika analityczna łącząca obrazowanie topografii o wysokiej rozdzielczości przestrzennej, charakterystyczne dla mikroskopii sił atomowych (AFM), z możliwością identyfikacji chemicznej, oferowaną przez spektroskopię w podczerwieni (IR). Umożliwia mapowanie oraz identyfikację składu chemicznego materiałów w skali nanometrycznej, zazwyczaj z rozdzielczością rzędu 20 – 100 nm. W technice tej wykorzystuje się przestrajalny laser podczerwony do wzbudzenia próbki, co prowadzi do jej lokalnej ekspansji termicznej, rejestrowanej przez ostrze sondy AFM. W rezultacie możliwa staje się analiza składu chemicznego w skali nanometrycznej, przekraczająca tradycyjny limit dyfrakcyjny.

Chociaż zarówno sSNOM, jak i AFM-IR umożliwiają identyfikację składu chemicznego próbek w nanoskali, kluczową różnicą między tymi technikami jest to, że sSNOM opiera się na detekcji optycznej, podczas gdy AFM-IR wykorzystuje detekcję mechaniczną. Warto zauważyć, że technika AFM-IR jest często określana w literaturze również jako PTE, PTIR, PiFM lub PiF-IR.

Zasada działania AFM-IR obejmuje:

1. Oświetlenie: przestrajalny, impulsowy laser podczerwony (IR) oświetla próbkę. Gdy długość fali lasera odpowiada częstotliwości przejścia oscylacyjnego w materiale znajdującym się pod ostrzem sondy, materiał absorbuje promieniowanie.

2. Rozszerzalność fototermiczna: zaabsorbowana energia powoduje lokalny wzrost temperatury, co prowadzi do szybkiego rozszerzenia termicznego próbki.

3. Detekcja: sonda AFM wykrywa każde mikroskopowe rozszerzenie termiczne jako gwałtowne zmiany siły mechanicznej działającej na ostrze, co skutkuje oscylacjami mikrobelki.

4. Mapowanie chemiczne i spektroskopia: poprzez przestrajanie lasera w zakresie różnych długości fal system rejestruje widmo absorpcyjne (analogiczne do klasycznej spektroskopii absorpcyjnej w podczerwieni) w precyzyjnie określonym punkcie, znajdującym się tuż pod ostrzem. Pozwala to określić skład chemiczny nieznanych próbek. Utrzymując laser na jednej, wybranej częstotliwości i skanując powierzchnię, można uzyskać wysokorozdzielczą „mapę chemiczną” próbki.

AFM-IR jest skuteczną metodą do określania składu chemicznego próbki w skali nanometrycznej, gdzie konwencjonalna spektroskopia FTIR często nie zapewnia wymaganej rozdzielczości i czułości. Technika ta jest szczególnie efektywna w określaniu składu polimerów, identyfikacji poszczególnych składników oraz badaniu właściwości strukturalnych materiałów heterogenicznych, takich jak mieszanki gumowe do opon, opakowania spożywcze czy kleje. W naukach przyrodniczych i biologicznych wykorzystywana jest do analizy struktury drugorzędowej białek, obrazowania bakterii oraz pojedynczych komórek w układach biologicznych, w tym także badań prowadzonych w wodzie na poziomie subkomórkowym. Ponadto AFM-IR jest wykorzystywana do analizy defektów, identyfikacji zanieczyszczeń, mapowania zmian chemicznych na granicach faz (np. Si/SiO₂) oraz oceny lokalnych naprężeń w materiałach niskowymiarowych. Jej wysoka czułość umożliwia charakteryzację pojedynczych warstw, nanocząstek oraz przemian fazowych w materiałach krystalicznych.

LITERATURA I ZASTOSOWANIE NANO-OBRAZOWANIA I -SPEKTROSKOPII W PODCZERWIENI
[1] Materia miękka
[2] Biomateriały
[3] Polimery