Molecular Vista原子力微镜与可见-红外-拉曼联用系统

——10nm以下空间分辨可见-红外-拉曼成像与光谱采集

原子力显微镜(Atomic Force Microscope， AFM)经过30多年的发展后，从形貌测试及其它常规功能来看已经非常成熟。然而常规的原子力显微镜也越来越无法满足科研人员在纳米尺度下对于样品进行多性质原位测试分析的更高需求，尤其在化学、光学、电学、热学、力学等领域。在这一背景下，美国Molecular Vista应运而生，推出了全新一代原子力显微镜VistaScope！

在具备所有常规原子力显微镜功能的条件下，基于**的光诱导力显微镜（Photo-induced Force Microscope， PiFM)技术，结合波长可调的可见-红外光源，从而实现10nm以下空间分辨可见~红外成像与光谱采集，无需远场光学接收器及光谱仪。

此外，VistaScope原子力显微镜还可以与各类拉曼光谱仪进行联用，组成目前市场上功能*为强大的原子力显微镜与可见-红外-拉曼联用系统，以满足科研人员在纳米尺度下的各种测试需求。VistaScope原子力显微镜具备如下功能：

NanoIR 纳米红外成像与光谱

光诱导力显微镜突破性的采用检测探针与样品之间的偶极交互(dipole interaction)，使其不受到样品横向热膨胀对于空间分辨率带来的负面影响。因此，基于光诱导力显微镜的纳米红外能真正意义上的实现10nm以下空间分辨纳米红外成像！下图为PS-PMMA嵌段共聚物纳米红外成像与光谱案例，红色和绿色分别代表PMMA与PS的分布情况。

摘自“Nanoscale chemical imaging by photoinduced force microscopy，Sci. Adv. 2016”

基于光诱导力显微镜的纳米红外不仅适合有机高分子材料，也适合无机材料。下图为不同Si/Al比的ZSM-5沸石分子筛的纳米红外骨架振动峰在1100cm^-1处的蓝移及劈裂情况，以及通过碳氢化合物在1480cm^-1的C=C伸缩振动峰来反映ZSM-5参与甲醇制碳氢化合物（MTH)催化反应后结焦的分布情况。

摘自“Nanoscale infrared imaging of zeolites using photoinduced force microscopy，Chem. Commun. 2017”

NanoVis 纳米可见吸收成像与光谱

偶极交互的检测原理使得光诱导力显微镜不仅能在中红外波段下工作，也可以很好在可见～近红外波段性下进行成像及光谱采集。下图为6-TAMRA荧光染料在不同波长下的可见吸收成像与光谱，黑色箭头所指处的染料颗粒尺寸小于10nm，达到了单分子成像的水平。

摘自“Image force microscopy of molecular resonance: A microscope principle， Appl. Phys. Lett. 2010”

下图为二硫化钼在不同波长下的可见吸收成像与光谱

样品结果来自“Stanford University & University of British Columbia”

AFM-Raman 原子力-拉曼联用系统

VistaScope原子力显微镜具有正置-倒置光路一体化的设计，可以将激发光从顶部，侧面以及底部激发至样品以适应透明和不透明的样品或使激发在针尖上的光束具有合适的偏振方向从而进一步增强拉曼信号。MVI提供高速高通量的Vista-Raman光谱仪与VistaScope原子力显微镜进行联用，其也可以和其他拉曼光谱仪进行联用。下图为VistaScope联合Vista-Raman对载玻片上碳纳米管的针尖增强拉曼成像(Tip Enhanced Raman Spectroscopy，TERS)。

拉曼信号的增强主要源于局域表面等离子体共振(LSPR)的电磁场增强。光诱导力显微镜可以直接表征样品表面的场强分布，通过场强表征结果可以找到高场强进行针尖增强拉曼成像。下图为在光诱导力显微镜对于镀金衬底上亮甲酚蓝(BCB)场强表征，可以看到高场强（亮）和低场强（暗）所得到拉曼光谱信号的强弱对比。

s-SNOM 散射式扫描近场光学显微镜

有别于传统的扫描近场光学显微镜，光诱导力显微镜采用检测探针与样品之间的偶极交互直接获得样品表面的场强分布，无需远场光学探测器。这不仅杜绝了远场信号的干扰，也无需像SNOM那样配置多个不同波段光学探测器。光诱导力显微镜的检测端可无缝适应紫外～射频，用户仅需考虑如何将激发光激发至样品。同时，MVI也提供散射式扫描近场光学显微镜(s-SNOM)功能，用于光学相位的测量，作为场强测量的补充。下图为金铝二聚体分别在480nm和633nm不同偏振方向激发后的场强分布，图a，b的实测场强与图c，d的理论模拟是否吻合，金铝二聚体间隔仅为5nm!

摘自“Wavelength-dependent Optical Force Imaging of Bimetallic Al-Au Heterodimers， Nano Lett. 2018”

上面提到拉曼信号的增强主要源于局域表面等离子体共振(LSPR)的电磁场增强，下图为基于银颗粒阵列的表面增强拉曼衬底(SERS)的场强分布，图f的FWHM结果显示光诱导力显微镜实现了3.1nm的空间分辨。

摘自“Fabrication and near-field visualization of a waferscale dense plasmonic nanostructured array， RSC Adv. 2018”

More Intergration 与其他光学-光谱技术联用

VistaScope原子力显微镜还能与其他多种光学-光谱技术联用。例如，非线性-时间分辨-泵浦-探测-超快光谱，光致发光光谱（荧光光谱与磷光光谱），单分子荧光成像，共聚焦成像等。下图为VistaScope原子力显微镜结合飞秒激光器在光诱导力显微镜模式下，以809nm为泵浦光，605nm探测光对于单个萘酞菁硅(SiNc)纳米团簇分子的时间分辨瞬态吸收成像的表征。

摘自“Linear and Nonlinear Optical Spectroscopy at the Nanoscale with Photoinduced Force Microscopy， Acc. Chem. Res. 2015”

下图为VistaScope原子力显微镜-光诱导力显微镜与荧光光谱对于二硫化钼原位表征结果

Multi-frequency AFM 多频原子力显微镜

VistaScope原子力显微镜采用了全新的多频模式，在具备所有常规原子力显微镜功能的条件下，也将性能提升到了全新的高度。相比于常规的单频原子力显微镜，多频原子力显微镜拥有更高的空间分辨率与灵敏度。下图为VistaScope在各种AFM模式下的成像结果。