非接觸式亞微米分辨紅外拉曼同步測量系統—mIRage

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品　　牌：Photothermal Spectroscopy Corp

產品型號：mIRage

制造廠商：PSC

適用范圍：高教

所在地區：北京

應用學校：University of Delaware,The University of Manchester,University of Liverpool,University of Houston

非接觸式亞微米分辨紅外拉曼同步測量系統

mIRage克服了傳統紅外光譜的諸多不足： 

　　? 空間分辨率受限于紅外光光波長，只有10-20 μm

　　? 透射模式需要復雜的樣品準備過程,且只限于薄片樣品

　　? 無傳統ATR模式下的散射像差和接觸污染

mIRage的優勢之處在于: 

　　? 亞微米空間分辨的IR光譜和成像（~500 nm），且不依賴于IR波長

　　? 與透射模式相媲美的反射模式下的圖譜效果

　　? 非接觸測量模式——使用簡單快捷，無交叉污染風險

　　? 很少或無需樣品制備過程 （無需薄片）, 可測試厚樣品

　　? 可透射模式下觀察液體樣品

　　? 實現同時同地相同分辨率的IR和Raman測試，無熒光風險

應用案例

■  偏振紅外光譜助力膠原蛋白的分子取向研究

　　在過去的十年里，紅外（IR）光譜已被廣泛應用于哺乳動物組織中的膠原蛋白研究。對有序膠原蛋白光譜的更好理解將有助于評估受損膠原蛋白和疤痕組織等疾病。因此，利用偏振紅外光研究膠原蛋白（I型膠原和II型膠原）的層狀結構和徑向對稱性逐漸成為研究熱點。

　　近期，在Kathleen M. Gough等人的研究中^[1]，作者采用基于光學光熱紅外（O-PTIR）技術的PSC非接觸亞微米分辨紅外拉曼同步測量系統 mIRage對樣品?500 nm單點區域收集振動光譜，如圖1所示。該光學光熱紅外（O-PTIR）技術的工作原理是光熱檢測，其中紅外量子聯激光器（QCL）激發樣品在1800–800 cm^-1光譜范圍內的分子振動。產生的光熱效應通過短波長探測激光器檢測。圖1A-B中的光譜表明，固有的激光偏振所獲得的高對比度所產生的光譜與使用FTIR焦平面陣列和偏振器組合進行的光譜測試近乎一致。并且對于安裝在玻璃顯微鏡的不同載玻片，樣品均獲得了具有良好SNR的高質量光譜。

圖1. 從CaF₂窗口利用O-PTIR測試控制肌腱原纖維獲得的光譜。用平行于激光偏振的原纖維獲得的頂光譜（紅色）；藍色是垂直方向上的光譜。右側是在垂直方向基于1655 cm^-1的單波長圖像。正方形表示光譜采集位置。比例尺= 1 μm。

　　光學光熱紅外（O-PTIR）技術可以通過在載物臺上輕易地旋轉樣品來測試平行和垂直于紅外激光偏振方向的光譜。并利用光學光熱紅外（O-PTIR）技術在幾個單一頻率下對原纖維成像，以獲得表觀物理寬度的確定性估計。如圖1右側所示，在垂直方向上， 1655 cm^-1處記錄的單波長圖像的紅黃帶表明該原纖維的寬度不超過500 nm。該尺寸將目標物標定為真正的原纖維，并且可與紅外s-SNOM實驗中檢測到的300 nm原纖維相當。光學光熱紅外（O-PTIR）技術與nano-FTIR的測試結果相互印證，反映了“原纖維”寬度的標準范圍。此外作者觀察到，來自原纖維的酰胺I和II譜帶比完整肌腱的窄，并且相對強度和譜帶形狀都發生了變化。這些光譜反映出在偏振紅外光下正常I型膠原纖維的更多有用信息，并可作為研究膠原組織的基準。

　　與基于焦平面陣列檢測器的偏振遠場傅立葉變換紅外（FF-FTIR）光譜相比，光學光熱紅外（O-PTIR）具有更高的空間分辨率，且可提供單波長光譜。使用FF-FTIR FPA探測往往包括其他非膠原材料。同時，光學光熱紅外（O-PTIR）還可以提供偏振平行于原纖維取向的原纖維光譜。這也是光學光熱紅外（O-PTIR）和納米FTIR光譜對直徑為100~500 nm的膠原原纖維給出證實性和互補性結果的次證明。綜上所述，這些結果為進一步研究生物樣品中的膠原蛋白提供了廣闊的基礎。

　　參考文獻：

　　[1]. Gorkem Bakir, Benoit E. Girouard,  Richard Wiens, Stefan Mastel, Eoghan Dillon, Mustafa Kansiz, Kathleen M. Gough, Molecules 2020, 25, 4295; doi:10.3390/molecules25184295.

■  光熱紅外顯微技術次應用于刑偵領域指紋中易爆炸物的檢測

　　傳統的可視化指紋檢測手段，如撲粉，茚三酮熏蒸，真空金屬沉積等，盡管可以重建指紋圖案，但其同時可能對一些指紋脊狀突起中含有的化學物質造成破壞。近年來，許多技術被用于指紋中痕量外源物質的分析鑒定，如解吸電噴霧電離質譜(DESI-MS)，液相色譜-質譜(LC-MS)，但通常需要額外的溶劑噴霧處理，且空間分辨率不足（~150 μm），或者分析過程會對指紋造成破壞。傅里葉變換紅外(FTIR)光譜顯微鏡，可以探測樣品中分子間化學鍵的固有分子振動，并提供豐富的化學信息, 已成為一種快速、無需標記、無損的樣品表征方法，被廣泛應用于包括刑偵在內的眾多領域。FTIR透射模式測試通常選用紅外光透明的材料，而反射模式則選用硅片，聚酯薄膜或鋁覆蓋的玻璃基底，但兩者在指紋分析上多局限于收集在選定波數下指紋中組分物質的二維分布信息。另外對于那些沉積在既不透明也不反射紅外的基底上的樣品，衰減全反射法（Attenuated total reflectance，ATR）成為選擇，但ATR通常不是法醫鑒定的一種理想方法，因為ATR要求被分析的樣品和ATR晶體緊密接觸，往往會導致樣品變形甚至后破壞剩余的證據。

　　基于以上考慮，新加坡國立大學同步輻射光源線站的科學家們和新加坡刑事調查局刑偵部門共同合作開發出了一種新的紅外檢測手段，即使用基于新型光熱紅外（Optical- Photothermal InfraRed，O-PTIR）技術的非接觸亞微米分辨紅外拉曼同步測量系統mIRage來分析指紋中含有的痕量易爆炸物微粒，該技術帶來了一系列的優勢，如亞微米的紅外光譜和成像分辨率，易操作的遠場、非接觸顯微鏡工作模式和明顯高于FTIR光譜顯微鏡的靈敏度。

　　作者認為O-PTIR技術是一種分析具有挑戰性樣品的理想手段，如隱藏的指紋，提供隱藏在大量外源物質中的微小(亞微米)粒子的化學信息（如易爆物）且不需要復雜的樣品制備過程。這些信息可以通過單波數紅外成像和亞微米空間分辨率的紅外光譜獲得，后者使用目前的FTIR光譜顯微鏡是無法做到的（分辨率受限于紅外波長，約10-20 μm）。另外，該分析手段非常簡單快捷，無破壞性，且不需要基于接觸的方法（例如ATR光譜技術），使得樣品的完整性被完全的保持。特別指出的是，該技術的非破壞性非常重要，尤其是在法醫領域，因為它可以允許同時使用其他技術對相同樣本進行互補和比對分析，并作為法律證據。此外，隨著技術的發展，O-PTIR現在可以與拉曼顯微鏡相結合，以提供真正的亞微米同步的紅外拉曼測試，使得在一個儀器上通過一次測量即可進行互補和驗證分析。

■  亞微米空間分辨同步IR + Raman光譜成像分析 PLA/PHA生物微塑料薄片

　　來源于石油中的塑料產品已經成為現代生活不可分割的一部分，它們性能優異，用途廣泛且相對便宜，但同時也引發了人們對于塑料垃圾在環境中累積問題的擔憂，迫使我們盡快采取行動探索替代傳統塑料的新型材料。生物塑料, 如聚乳酸(PLA)和聚羥基烷酸酯(PHA)等均來源于天然資源（如糖，植物油等），它們在適當條件下可發生生物降解，因此其制成的產品即使不小心泄漏到環境中，也不會像傳統塑料一樣長期殘留在土壤和水道中，而是終回歸自然，安全而又環保。

　　雖然典型的PLA和PHA在分子層面上基本不混溶，但得益于其優異的相容性，它們可以以不同比例形成復合材料，創造出許多性質迥異的功能材料。為了更好地理解這兩種材料在微觀上的相互作用，美國特拉華大學Isao Noda教授課題組與Photothermal Spectroscopy Corp公司合作，利用基于光學光熱紅外技術（O-PTIR）的新一代非接觸亞微米分辨紅外拉曼同步測量系統mIRage對PLA和PHA的復合薄片進行紅外拉曼同步成像分析，探究了這兩種材料結合的方式和內在機理。

PHA/PLA羰基伸縮振動區域二維同步(A)和異步(B)相關光譜（2D-COS）分析以及交界區域同步O-PTIR紅外和拉曼光譜分析（左為紅外，右為拉曼）。

　　O-PTIR作為一種新型的光譜技術，具有傳統FTIR顯微鏡不可比擬的優點，并克服了許多限制。先，O-PTIR可以提供空間分辨率約為500 nm的紅外譜圖，遠遠超過了典型的紅外衍射限空間分辨率，且不依賴于入射紅外波長。更重要的是，它能夠以反射/非接觸(遠場)工作模式簡單快速的生成高質量的類似于FTIR的譜圖，從而避免了制備樣本薄切片的必要，且光譜與商用FTIR數據庫搜索完全兼容和可譯。另外，即使樣品中包含易產生熒光干擾的組分（壓制拉曼信號或造成其飽和），O-PTIR的可調制信號收集特性也確保它完全不受任何熒光的影響。IR和Raman在O-PTIR方法的結合下，可以充分利用這兩種互補性技術的優勢，實現同步的紅外吸收和拉曼散射測量，并相互印證。

　　參考文獻：

　　[1] Two-dimensional correlation analysis of highly spatially resolved simultaneous IR and Raman spectral imaging of bioplastics composite using optical photothermal Infrared and Raman spectroscopy，Journal of Molecular Structure， DOI: 10.1016/j.molstruc.2020.128045.

■  非接觸式亞微米O-PTIR光譜成像技術研究Ruddlesden-Popper混合鈣鈦礦邊緣的形成

　　低能量邊緣光致發光的研究，對提高Ruddlesden-Popper鈣鈦太陽能電池效率有著十分重要的影響和意義。在本篇研究中，電子科技大學王志明教授課題組與Photothermal Spectroscopy Corp公司合作，使用O-PTIR技術及新一代的非接觸亞微米分辨紅外拉曼同步測量系統mIRage研究MAPbBr₃在(BA)₂(MA)₂Pb₃Br板邊緣分布情況。本研究使用O-PTIR技術探測具有以下優勢：先(BA)₂(MA)₂Pb₃Br₁₀和MAPbBr₃之間由于缺少BA，因此其紅外光譜具備顯著的差異；其次，這種非接觸式探測能夠有效避免樣品高度，探針污染所帶來的問題；另外，無論是BA缺陷，還是BA對MA的比例已有使用FTIR光譜研究的報道，具備良好的基礎。

圖1  O-PTIR觀測邊緣的MAPbBr₃的紅外光譜信息。(a)(BA)₂(MA)_n-1b_nbr_3n+1(n = 1，2，3，∞)鈣鈦礦的紅外光譜；（b-c）(BA)₂(MA)₂Pb₃Br₁₀和MAPbBr₃的中MA⁺分子在1480 cm^-1(b)和BA⁺分子 1580 cm^-1(c)的圖譜；(d) (BA)₂(MA)₂Pb₃Br₁₀的PL圖像；(e)在(d)中所示的中心區域和邊緣的紅外光譜圖

　　通過O-PTIR的測量（圖1），能夠觀測到隨著BA的含量降低，~1580 cm^-1處的峰的相對強度減小，峰值伴隨著向1585 cm^-1的峰值偏移。這主要是由于(BA)₂(MA)₂Pb₃Br₁₀在1580 cm^-1附近有兩個涉及NH₃振動的紅外吸收帶:一個在1575 cm^-1處(BA⁺)，另一個在1585 cm^-1處(MA+)。當BA含量降低時，1575 cm^-1處的帶強度降低，導致峰值強度在約1580 cm^-1處降低，并伴隨向1585 cm^-1偏移。在測試中觀測到的另外一個現象為~1480 cm^-1與~1580 cm^-1的相對強度比增大，因為1478 cm^-1的振動(CH₃振動)僅與MA⁺相關，因此~1480 cm^-1的強度沒有變化，而1580 cm^-1卻由于BA含量降低而降低，導致比值的降低。

■  非接觸式亞微米O-PTIR光譜成像技術研究高內相乳液聚合演變過程

　　在高內相乳液(HIPE)中，初始離散單元在聚合過程中或之后轉變成由窗口高度互聯聚合體的時間和方式，一直是一個有爭議的問題。2D O-PTIR(optical photothermal infrared)新表面成像技術為探索這個polyHIPE的窗口形成機理提供了機會，只要檢測目標區域的大小相對于分辨率來說足夠大。2D PTIR技術基于以下工作原理：一束紅外激光聚焦在樣品表面;被吸收的紅外光使樣品升溫，誘導光熱響應;這種本征的光熱響應被一束可見光所檢測；因此可與FTIR透射模式質量相媲美的圖譜被使用反射模式所得到。該技術有四大優勢：使用可見光為檢測光，可以將分辨率提高到 ~ 500 nm；非接觸式的光學顯微鏡；分辨率不依賴于紅外光波長；不會產生彌散的偽影。同濟大學萬德成教授課題組與Photothermal Spectroscopy Corp公司合作，利用光學光熱紅外技術（O-PTIR）技術及新一代的非接觸亞微米分辨紅外拉曼同步測量系統mIRage（圖1）對polyHIPE的聚合體進行了紅外光譜和成像分析，探究其演變過程及形成機理。

圖1. A) 3% 表面活性劑用量誘導的polyHIPE選取區域的光學照片, B) 相應的mIRage 2D O-PTIR圖像。C) 插圖為典型的選定區域附近的局部表面形貌(通過SEM)，D) 插圖為立方狀樣品的光學照片(≈5×5×5 cm³)。(B)圖條件:紅色代表強烈的反應，綠色代表幾乎沒有反應，而黃色代表對1492 cm^-1處的激光束的中等反應。

圖2. 在1600 (綠色)和1492 cm^-1(紅色)激光束照射下的多聚體表面的mIRage 2D O-PTIR圖像。B) 一系列的FTIR光譜提取采樣點(箭頭尾)。每個采樣點的高度比為1600/1492 cm^-1，如(C)所示，相鄰的采樣點為250 nm

■   科學家借助mIRage次成功直觀揭示神經元中淀粉樣蛋白聚集機理

　　老年神經退行性疾病，如阿爾茨海默癥(AD)、肌萎縮性側索硬化癥、Ⅱ型糖尿病等，目前困擾著全大約5億人，且這個數字仍在不斷迅速增長。尤其是阿爾茲海默癥（占70%以上），目前仍未有行之有效的診斷方法，因此無法得到有效的治療或預防。盡管當代病理學研究已經證實這種病理變化與具有神經毒性的β淀粉樣蛋白質的聚集有關，但其在神經元或腦組織中的聚集機制目前尚不清楚?，F有的方法, 如電子顯微鏡、免疫電子顯微鏡、共聚焦熒光顯微鏡、超分辨顯微鏡，通常都需要對樣品進行化學加工（標記染色等）,可能會對淀粉樣蛋白結構本身造成影響。而非標記方法，如表面增強拉曼光譜（SERS）和傅里葉變換紅外光譜（FTIR）, 前者受限于亞細胞水平上的低信噪比、自發熒光及不可逆的光損傷，后者其空間分辨率受限于紅外光波長（≈5–10 μm），且光譜可解譯性和準確性受到彈性細胞光散射所產生的米氏散射效應(Mie scattering effects)的嚴重影響，使得直接在亞微米尺度上研究淀粉樣蛋白質在神經元內的聚集行為十分困難。

　　近日，瑞典隆德大學的Klementieva教授團隊與美國PSC公司的Mustafa Kansiz博士合作，使用全新非接觸式亞微米分辨紅外測量系統，在亞微米尺度上研究了淀粉樣蛋白沿著神經突直到樹突棘的聚集行為（圖1B和C），這是以往的實驗技術手段所不可能實現的。該技術是在非接觸模式下工作，不會對神經元造成損傷，這在研究脆弱或粘性的物質時顯得尤為重要。另外，該技術還能獲得亞微米尺度的紅外光譜，且不含由于背景失真或米氏散射造成的散射偽影。新的技術進步表明，全新的非接觸式亞微米分辨紅外測量系統mIRage現在可以用來做活細胞成像,并保持相同的亞微米空間分辨率。在這種情況下，全新的非接觸式亞微米分辨紅外測量系統有望在β片層結構在活神經元的突觸附近的化學成像中發揮關鍵作用，并提供一個新的機會來研究神經毒性淀粉樣蛋白如何從一個患病的神經元傳播到一個健康的神經元，揭示阿爾茨海默癥的形成和發展機制。該工作發表在2020年的Advanced Sciences上（DOI: 10.1002/advs.201903004）。

圖1. (A) 美國PSC公司非接觸式亞微米分辨紅外測量系統mIRage實物圖；（B）亞微米紅外成像示意圖：神經元樹突的AFM形貌圖,其中神經元直接在CaF₂基底下生長。mIRage采用兩束共線性光束: 532 nm可見(綠色)提取光束和脈沖紅外(紅色)探測光束，樣品的光熱響應被檢測為樣品由于對脈沖紅外光束的吸收而引發的綠色光部分強度的損失，使紅外檢測的空間分辨率提高到≈500 nm. (C) 小鼠大腦皮層初神經元, 在CamKII促進下表達為tdTomato熒光蛋白，使得神經元結構填滿紅色，圖片標尺為20 μm。(D) 圖C區域放大圖片，箭頭指示樹突上的神經元刺。

　　更多詳細信息請參考：https://qd-china.com/zh/news/detail/2003031055084

　　參考文獻：Super‐Resolution Infrared Imaging of Polymorphic Amyloid Aggregates Directly in Neurons.

測試數據

1、多層薄膜

2、高分子

3、生命科學 

4、醫藥領域

　　左：PLGA高分子和Dexamethasone藥物分子的混合物表面的光學照片

　　中：在1760 cm

　　^-1出的高光譜圖像，顯示了 PLGA在混合物中的分布，圖像尺寸40 μm * 40 μm 

　　右：在1666 cm^-1出的高光譜圖像，顯示了 Dexamethasone在混合物中的分布，圖像尺寸40 μm *40 μm

5、法醫鑒定

　　左：800 nm纖維的光學照片

　　右：納米纖維不同區域的O-PTIR圖譜

6、其他領域

　　?  故障分析和缺陷

　　?  微電子污染

　　?  食品加工

　　?  地質學 

　　?  考古和文物鑒定

發表文章

　　[1] Depth-resolved mid-infrared photothermal imaging of living cells and organisms with submicrometer spatial resolution, Ji-Xin Cheng et al., Sci. Adv. 2016, 2, e1600521.

　　[2] Mid-Infrared Photothermal Imaging of Active Pharmaceutical Ingredients at Submicrometer Spatial Resolution, Ji-Xin Cheng et al., Anal. Chem. 2017, 89, 4863-4867.

　　[3] Label-Free Super-Resolution Microscopy. Springer, Biological and Medical Physics, Biomedical Engineering.

　　[4] Advances in Infrared Microspectroscopy and Mapping Molecular Chemical Composition at Submicrometer Spatial Resolution, Spectroscopy 2018.

　　[5] Evolution of a Radical-Triggered Polymerizing High Internal Phase Emulsion into an Open-Cellular Monolith, Macromolecular Chemistry and Physics, 2019.

　　[6] A Global Perspective on Microplastics, Journal of Geophysical Research: Ocean, 2019.

　　[7] Super-Resolution Infrared Imaging of Polymorphic Amyloid Aggregates Directly in Neurons (Front Cover), Advanced Science, 2020.

　　[8] Self-formed 2D/3D Heterostructure on the Edge of 2D Ruddlesden-Popper Hybrid Perovskites Responsible for Intriguing Optoelectronic Properties and Higher Cell Efficiency, Applied Physics, 2020.

　　[9] Two-Dimensional Correlation Analysis of Highly Spatially Resolved Simultaneous IR and Raman Spectral Imaging of Bioplastics Composite Using Optical Photothermal Infrared and Raman Spectroscopy, The Journal of Molecular Structure, 2020.

　　[10] Super resolution correlative far-field submicron simultaneous IR and Raman microscopy: a new paradigm in vibrational spectroscopy, Advanced Chemical Microscopy for Life Science and Translational Medicine, 2020.

　　[11] Submicron-resolution polymer orientation mapping by optical photothermal infrared spectroscopy, International Journal of Polymer Analysis and Characterization, 2020.

　　[12] Bulk to nanometre-scale infrared spectroscopy of pharmaceutical dry powder aerosols, Analytical Chemistry, 2020.

　　[13] Optical Photothermal Infrared Micro-Spectroscopy – A New Non-Contact Failure Analysis Technique for Identification of<10mm Organic Contamination in the Hard drive and other Electronics Industries. Microscopy Today, 2020.

　　[14] Spontaneous Formation of 2D-3D Heterostructures on the edges of 2D RuddlesdenPopper Hybrid Perovskite Crystals, Chemistry of Materials, 2020.

　　[15] Simultaneous Optical Photothermal Infrared (OPTIR) and Raman Spectroscopy of Submicrometer Atmospheric Particles, Analytical Chemistry, 2020.

　　[16] Detection of high explosive materials within fingerprints by means of optical-photothermal infrared spectromicroscopy, Analytical Chemistry, 2020.

　　[17] Polarized O-PTIR of collagen and individual fibril strands reveals orientation, Molecules Special Edition: “Biomedical Raman and Infrared Spectroscopy: Recent Advancement and Applications, 2020.

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