水环境中天线增强型红外光诱导力成像技术实现超分辨率与超灵敏度探测

Li, J., Pang, J., Yan, Z., Jahng, J., Li, J., Morrison, W.
arXiv preprint

Abstract

针尖增强红外光谱与成像技术已被广泛应用于前沿研究，以深入理解纳米尺度界面的组成、结构及功能。然而，分子单层灵敏度此前仅在固/气界面得到验证。在水环境中，由于悬臂振荡的强烈阻尼及背景红外吸收导致的灵敏度下降，极大限制了针尖增强红外纳米光谱的实际应用。本研究通过光诱导力（PiF）显微镜与谐振天线的结合，实现了水环境中超灵敏的纳米级红外光谱与成像。针尖末端与天线间高度局域的电磁场将光诱导力极端放大至可检测水平，而通过等离激元内反射模式的激发最小化了环境吸收。成功在水环境中识别出原子力显微镜针尖上功能化的聚二甲基硅氧烷（PDMS）层（约1-2 nm厚度），并验证了不同尺寸天线的适应性。通过天线电场（E）分布图谱证实，对PDMS中约604个化学键的采样体积实现了亚10 nm空间分辨率，充分满足界面光谱学的核心要求。该平台首次展示了光诱导力显微镜在水环境的应用，为实现高度增强的纳米级红外信号提供了全新构型，对水环境界面与纳米系统的未来研究具有极高前景。