原子力显微镜-红外光谱（AFM-IR）样品制备方法

引言

精细的样品制备对获取高灵敏度测量数据至关重要。光诱导力红外纳米光谱（PiF-IR）与光诱导力显微镜纳米化学成像（PiFM）可提供大量关键数据。在确定感兴趣区域、减少污染物并妥善固定样品后使用PiFM与PiF-IR可最大化实验结果。本指南将阐述Molecular Vista在 客户样品中常见的典型问题及解决方案。

宏观物理限制

由于PiFM与PiF-IR技术基于原子力显微镜（AFM），其物理样品制备要求与常规AFM相同。因此，确保样品可测量的最佳方法是在感兴趣区域先进行AFM成像。

若无法自行完成AFM测量，需遵循以下准则：

• 探针可达性​​：意向区域需具备物理可接触性，AFM悬臂无法探测孔洞或凹陷区域（凹槽是常见问题）。Molecular Vista仪器要求至少5 mm的单侧操作空间【图1】；
• 样品固定​​：因AFM通过物理探针扫描表面，任何样品弯曲或移动将使成像困难甚至失败（详见样品固定章节）；
• 尺寸兼容性​​：样品需物理适配仪器。Molecular Vista常规样品支持最大尺寸75×75×10 mm，需在控制环境（真空、惰性气体等）中成像的样品应小于50×50×5 mm。

微观物理限制

由于原子力显微镜（AFM）采用机械检测方式，其可成像的表面粗糙度存在极限。

Molecular Vista仪器的Z扫描器范围为12 μm，但需部分范围补偿Z轴漂移及样品表面与扫描轴的角度偏差。因此，通常高度变化在4-6 μm的样品可根据具体形貌成功成像，而7-9 μm高度变化的样品虽有可能成像但极具挑战性。

若样品过于粗糙或需进行大范围扫描，则需对样品进行平整化处理。例如：延展性材料可通过压制提高密度与平整度；部分材料可采用微切片技术（或冷冻微切片技术！）避免涂抹效应以实现表面光滑化。

样品固定方法

多数样品固定相对简便。若样品高度不超过宽度，可直接使用不脱气粘合剂将其固定于金属AFM基片上。优选5分钟环氧树脂，双面胶贴亦可适用。避免使用卷装双面胶带，以免导致样品漂移。

对于截面、高样品、片状/粉末及其他难固定样品，需采用以下特殊技术：

高样品固定

样品在高度不超过宽度时最稳定。若高度小于宽度的5倍仍可成像，但优先推荐采用小型夹具支撑或切割样品以改善纵横比。

树脂包埋样品​

用树脂包埋样品是固定难处理材料或薄膜截面的有效方法，但树脂本身可能导致污染。即使极薄树脂层也会使AFM-IR测量无法进行，建议按以下步骤操作：

1. 选择合适树脂：咨询合作公司或实验室的首选树脂类型；
2. 冷冻超薄切片制备表面：常规超薄切片在某些情况下可行，但树脂常会涂抹于表面（该问题无法预知）；
3. 离子研磨清洁切片表面：切片后对样品表面进行离子研磨是确保无树脂污染的最佳方法（该步骤对常规与冷冻切片均推荐）。

树脂基底沉积样品​

粉末、片状等微量材料制备困难时，最佳方法是将材料沉积于树脂基底：

1. 用微量环氧树脂在磁性AFM基片上涂抹薄层（越薄越好）；
2. 将样品粉末洒于环氧树脂上固化；
3. 用高纯惰性压缩气体（如N₂或Ar）吹除多余材料。

成像与光谱检测时AFM针尖需着陆于片状物表面。根据碎片尺寸，这些表面可能不稳定，需采用树脂包埋等更刚性固定。多孔样品可能吸附环氧树脂导致污染（样品过薄时尤甚），因此需控制树脂层至最小必要厚度。

参考样品材料

分析纯参考材料有助于与主样品对比（如对比单一组分与复合材料的谱图，或对比缺陷与可疑材料以追溯工艺错误）。

向Molecular Vista提供参考样品时，请确保足够量用于ATR-FTIR光谱以补充纳米红外数据：固体/粉末样品需提供数千立方毫米；薄膜厚度至少500 nm（适用于ATR-FTIR）。玻璃、硅片、云母及蓝宝石均为理想基底（导热性适中）。

样品存储与运输​

污染是许多用户未意识到的重要问题。PiF-IR可检测单分子级污染物，因此包装不当会导致假阳性结果。防污染建议：

• 避免所有凝胶包装盒（该类材料数小时内就会脱气污染样品表面），选择零脱气样品容器；
• 避免粘合剂，优先采用机械固定。若样品已固定于磁性AFM基片，使用带磁性的容器收纳。必要时可选用铜箔或碳胶带（确保粘合剂不脱气）；
• 检查所有包装运输用聚合物材料。即使样品用惰性材料密封包装，运输途中仍可能受箱内其他物品污染，需严格密封容器或避免使用脱气包装材料。

结论

光诱导力显微镜（PiFM）与光诱导力红外光谱（PiF-IR）化学分析可提供丰富信息。为确保获得最大价值，必须最大限度减少样品制备问题。多数样品可在数分钟内完成固定，但对特殊难处理样品投入额外制备时间（兼顾分析与运输需求），将显著提升首次尝试即获最佳结果的成功率。