肽模拟物纳米片表面的表征方法研究

研究背景

肽模拟物（peptoids）是一类可模拟某些生物分子行为的类蛋白质聚合物。2010年，美国加州劳伦斯伯克利国家实验室的研究人员首次制备出肽模拟物纳米片[1]。高度有序且易于功能化的二维结构至关重要，它们是构建用于生物分子光刻等纳米电子学应用的复杂纳米结构的必要基础。

在该开创性研究中，作者采用多种技术表征纳米片：首先使用尼罗红染料染色肽模拟物并通过荧光光学显微镜观察纳米片；采用原子力显微镜（AFM）测量纳米片厚度；利用扫描电子显微镜（SEM）对单层纳米片成像；最后通过透射电子显微镜（TEM）展示肽模拟物链自组装成片状结构的过程。

本研究虽未使用AFM-IR仪器，但光诱导力显微镜（PiFM）与光诱导力红外光谱（PiF-IR）凭借其卓越的红外分辨率与检测灵敏度，成为分析此类样品的理想选择。例如：PiF-IR光谱可通过对比纳米片的红外光谱与傅里叶变换红外光谱（FTIR）或理论模型验证其化学组成；AFM测量纳米片高度的同时，PiFM可同步检测表面化学均匀性；若研究聚焦表面功能化，PiFM与PiF-IR可表征生成的纳米结构。这些虽是推测，但通过分析类似材料的真实数据，可切实理解当前对此类纳米片进行纳米化学分析的能力。

下文所述样品是纳米化学分析表征肽模拟物纳米片类材料的真实案例。

样品描述

研究目标是制备如示意图所示的肽模拟物单层薄膜。

第一份样品应为30 nm厚膜层，确保为后续PiFM与PiF-IR分析提供充足材料以供对比。

第二份样品需通过厚膜退火及清洗去除未与硅基底结合的未接枝层，最终获得肽模拟物单层薄膜。

纳米片表征​

样品 1

30 nm厚肽模拟物薄膜的原子力显微镜（AFM）形貌分析显示存在若干较高地形特征。在该表面不同位点采集的光诱导力红外光谱（PiF-IR）结果具有高度可重复性，且多个峰位与肽模拟物分子的傅里叶变换红外（FTIR）参考光谱匹配[图2]。

PiF-IR光谱中还存在一些与肽模拟物分子无关的强峰：图3中棕色标注的峰与有机硅氧烷材料高度匹配，蓝色标注的峰均已知与碳氢键（C-H）弯曲振动模式相关[图3]。

尽管PiF-IR光谱在鉴定表面化学组成方面极具优势，但表面分布的实际分析仍需依赖PiFM化学成像。

1672 cm⁻¹是PiF-IR光谱中与肽模拟物分子相关的强特征峰。通过将激光调谐至该波数并映射表面吸收，可生成显示肽模拟物分子空间分布的PiFM图像[图4]。

在此厚样品中，肽模拟物分子呈均匀分布，但较高地形特征区域除外——这些位置的信号衰减表明表面可能存在其他覆盖物。

样品 2

以样品1的数据为基线，现可聚焦于单层肽模拟物薄膜的分析。

遗憾的是，在该表面随机采集的初始光谱未显示与肽模拟物分子相关的任何峰位[图5所示]，仅出现样品1中已观察到的有机硅氧烷特征峰及碳氢键（C-H）弯曲振动峰。为复核肽模拟物分子存在，可借助1633 cm⁻¹波数下采集的PiFM图像进行检索——该波数下肽模拟物片段将在图像中显著凸显。

该策略被证明极其有效——PiFM图像中确实呈现出多个不同亮斑[图6所示]，且这些亮斑的PiF-IR光谱显示出肽模拟物分子预期的酰胺峰！其中一个片段尺寸较大，可在AFM形貌图中观测到；但部分PiFM图像中的亮斑在形貌图中并无明显特征。

通过线扫描测量某地形特征的高度，我们发现即便该肽模拟物片段仅高0.5 nm[图7]，PiFM与PiF-IR分析仍能成功识别其存在！

若将所有数据整合，完整数据集将呈现如图8所示结果：PiFM图像清晰显示肽模拟物片段与基底的位置分布。红色与紫色光谱采集自片段区域，其余光谱源自基底。黑色标线标记与肽模拟物FTIR光谱相关的峰位，蓝色标线对应碳氢键（C-H）弯曲振动模式，棕色标线则关联有机硅氧烷特征峰。

结论

尽管样品1与样品2均未达到预期结果，但采用光诱导力显微镜（PiFM）与光诱导力红外光谱（PiF-IR）进行表面分析仍获得了宝贵信息：样品1的PiF-IR光谱检测到除肽模拟物外多种其他材料的特征峰，且PiFM化学图谱显示肽模拟物层表面存在污染物颗粒；

样品2实际并非单层结构，仅残留少量肽模拟物分子片段（通过PiFM图像检索发现），这些片段的光谱与样品1数据高度吻合。显然，本案中肽模拟物单层制备工艺需重新评估。

参考文献

1. Nam, K., Shelby, S., Choi, P. et al. Free-floating ultrathin two-dimensional crystals from sequence-specific peptoid polymers. Nature Mater 9, 454–460 (2010). https://doi.org/10.1038/nmat2742