光诱导力显微镜（PiFM）提升原子力显微镜（AFM）形貌成像能力的机制

研究背景

光诱导力显微镜（PiFM）是一种基于原子力显微镜（AFM）的光谱纳米镜技术（亦称AFM-IR或纳米红外技术）。原子力显微镜使用超锐利探针扫描样品表面，以数纳米分辨率收集形貌信息。尽管分辨率卓越，但仅凭形貌数据往往难以全面理解表面特性。缺乏化学数据时，许多表面特征会被遗漏，因为形貌本身无法完全描述样品的表面特性。下文将通过简单示例阐释PiFM数据如何显著增强AFM的信息维度。

样品描述

待测样品为云杉木超薄切片。在光学显微镜下，其细胞壁结构清晰可见。

PiFM样品分析

本研究旨在探究细胞壁的结构与化学特性。首张原子力显微镜（AFM）图像选取三个细胞交界处4 μm²区域进行成像：

该AFM图像清晰呈现细胞壁结构，但无法提供关于表面化学组成的进一步信息。

为获取光诱导力显微镜（PiFM）数据，将红外量子级联激光器（QCL）调谐至与相关材料化学吸收峰对应的波数，随后PiFM仪器同步扫描表面并采集AFM形貌图与PiFM化学吸收图谱。具体扫描波数通过分析样品表面采集的光诱导力红外光谱（PiF-IR）确定，必要时可将其与傅里叶变换红外光谱（FTIR）数据库进行交叉比对。关于PiF-IR与FTIR光谱的 详细对比可参阅此比较研究。

结合PiFM数据后可明确发现：细胞壁由木质素与纤维素复合构成，且木质素集中于中心区域。在此尺度下，PiFM不仅提供关键化学数据，其化学分离结果与形貌特征高度吻合。

当扫描区域逐步缩小至1 μm尺度时，发现在原以为仅含木质素的细胞壁区域中存在纤维素斑块。

木质素基质中纤维素的混合现象颇具研究价值，为深入探究，对更小区域（150 nm见方）进行扫描。

该尺度下原子力显微镜（AFM）形貌未显示显著特征，然而光诱导力显微镜（PiFM）图像揭示了丰富细节！

因实现PiFM技术的针尖增强电场效应（其场分布范围小于针尖顶端的物理尺寸），PiFM图像分辨率始终高于同针尖采集的AFM形貌图。事实上，该样品展现出仅2.5 nm的化学空间分辨率！然而，分辨率并非PiFM技术强大价值的唯一体现。

光诱导力显微镜（PiFM）图像提供的化学信息能揭示样品表面隐藏特性。表面化学与表面形貌有时存在关联，但在云杉木细胞等复杂体系中，形貌无法反映表面化学组成——本例中形貌特征确实平淡无奇。然而PiFM图像清晰展现了木质素基质中纤维素复杂而精妙的分布模式，这是其他分析技术无法实现的独到洞察。

总结

光诱导力显微镜（PiFM）化学成像是一种极其强大的技术。原子力显微镜（AFM）图像虽可显示表面形貌，但无法提供表面化学组成信息。某些样品的形貌可能近乎无特征，而其表面化学却呈现复杂且精细的分布。PiFM化学成像是唯一能以如此高分辨率揭示表面化学特性的技术，使其成为纳米尺度定量分析多种应用的理想选择。