原子力显微镜-红外光谱（AFM-IR）技术导论

名字里包含什么

AFM-IR（原子力显微镜-红外光谱）是涵盖多种纳米尺度化学表征技术的统称。其名称由原子力显微镜（AFM）与红外光谱（IR）组合而成，旨在实现空间分辨率超越红外光衍射极限的高分辨率红外光谱与吸收成像。因此，”纳米红外（nano-IR）”常作为AFM-IR的同义术语使用。该技术为纳米复合材料、纳米颗粒等复杂样品的分析提供关键数据支撑。选择AFM作为技术平台因其无需复杂样品制备，并通过AFM物理针尖的巧妙的力学检测方式突破光衍射极限。

AFM 技术背景

原子力显微镜是一种扫描探针技术，可获取样品表面的超高分辨率图像。顶级AFM在超高真空等特殊环境下可接近原子级分辨率，而在常温常压条件下典型分辨率仍优于10 nm——远低于可见光或红外光的衍射极限。

作为一种扫描探针技术，AFM的工作原理可类比黑胶唱机：唱机通过尖锐唱针偏转产生声音，而AFM通过监测尖锐针尖的偏转记录形貌。通过针尖在样品表面的光栅扫描，可轻松获得拓扑图像。

由于AFM图像通过”感知”样品表面构建，原始数据仅为高度图（黑色代表低洼区域，白色代表隆起区域）。该数据可进一步生成可旋转的三维表面模型，以凸显特征结构。

原子力显微镜（AFM）具有多项实用优势：几乎任何适度平坦的样品均可即时成像，无需特殊制备；且在非接触模式下，扫描过程不改变样品性质，实现非破坏性检测。这些特性使AFM成为极具吸引力的成像技术，而红外功能的融入进一步增强了其价值。

光谱学背景

光谱学实施方式多样，其应用涵盖从观测遥远恒星的红移现象到解析原子能级跃迁。与AFM-IR最相关的光谱技术是傅里叶变换红外光谱（FTIR），该技术通过探测分子振动状态来解析化合物中的化学键类型，可用于研究键结构变化或基于特征光谱鉴定未知材料。这种多功能性使FTIR几乎成为化学表征的代名词。因此，通过设想FTIR功能与AFM成像能力及空间分辨率的结合，可初步体会AFM-IR技术的巨大潜力。

AFM-IR 技术应用定位​

AFM-IR技术占据光谱学与显微学之间的专业交叉领域，代表一个新兴且持续发展的技术方向。已精通显微学或光谱学的研究人员与技术专家在使用AFM-IR时需调整研究方法。

例如，熟悉红外光谱的化学家深知FTIR等技术在复杂化学分析中的强大能力：可通过特征峰分析研究样品中的化学键或材料变化，因此FTIR在 forensic、失效分析或 investigative 分析中作为材料鉴定手段被广泛应用。但FTIR要求样品尺寸较大且厚度充足，其光谱反映的是样品中所有纳米材料的平均信号。

这对掌握FTIR的化学家探索AFM-IR技术时提出了思维转变需求。纳米红外成像与光谱技术能以惊人分辨率空间解析样品表面的化学变化。其价值虽对部分研究者显而易见，但可通过类比强化理解：RGB液晶显示器显示黄色物体时，因设备物理上无法产生黄光波长，通过发射红绿组合光（像素尺寸小于人眼分辨极限）欺骗人脑。但在足够放大倍数下可看清独立像素。从FTIR转向AFM-IR的过渡类似于此——纳米红外数据能看见FTIR无法分辨的”独立像素”。FTIR光谱仪记录复杂样品的混合光谱时，AFM-IR可分离单独光谱并定位其空间分布。

这意味着当检测在纳米尺度真正均质的材料时，纳米红外技术获得的光谱与同种材料的FTIR数据几乎完全相同。然而许多材料在此尺度下呈现非均质性，纳米红外技术凭借其分辨率可清晰观测这些差异。因此对于复杂多变的表面化学研究，纳米红外成像是绝佳选择。其结果未必与宏观尺度观测完全一致，但这正是分子取向或相态等因素产生影响的体现。当探针仅检测少量分子的响应时，其结果提供了其他技术无法实现的对化学现象的 unprecedented 观测视角。

对显微镜学者而言，向AFM-IR的转型与光谱学者有所不同。显微镜学者擅长在最小尺度研究样品，精通AFM者已习惯解读扫描探针图像并识别可能出现的扫描伪影。然而显微镜学者长期受限于必须猜测或推断图像特征的化学成分。AFM-IR技术现不仅允许通过化学吸收图谱对数据进行色彩编码，还可获取点特异性光谱以识别未知特征。因此，使用AFM-IR技术可实现半导体掩模缺陷分析、生物矿物包裹体鉴定或污染物识别等应用。

AFM-IR的技术交叉属性要求精通其他学科的研究者进行一定适应调整，但其融合特性带来的强大性能使其能够实现其他技术无法完成的分析工作。下文应用简报将提供具体科学案例予以展示。

具体技术分支​

AFM-IR技术涵盖多种方法，其中最主流的三种为：纳米傅里叶变换红外光谱（nano-FTIR）、轻敲模式光热红外技术（TM PTIR）以及光诱导力显微镜（PiFM）。关于各技术原理与性能的详细对比可参阅我们的专题文章。作为PiFM技术的开发者（该技术是当前唯一实现非接触式且无损检测的AFM-IR方案），我们认为PiFM是当今市场上性能卓越的AFM-IR技术。PiFM基于检测样品与AFM针尖间的吸引力相互作用，不仅能稳定产出优质的纳米级化学表征数据，且相比其他纳米红外系统更轻松适用于更广泛的材料体系。欲深入了解该技术，请阅读我们的科学原理阐述，了解PiFM如何通过机械力检测实现超高通噪比。

若您好奇为何PiFM能产生如此优异的数据质量，请查阅应用简报中的实际案例与数据。您亦可考虑寄送样品至Molecular Vista进行评估——这无疑是体验AFM-IR技术能力的绝佳方式！