现代化学的一大科研难题是如何实现在纳米尺度下对材料进行无损化学成分鉴定。现有的一些高分辨成像技术，如电镜或扫描探针显微镜等，在一定程度上可以有限的解决这一问题，但是这些技术本身的化学敏感度太低，已经无法满足现代化学纳米分析的要求。而另一方面，红外光谱具有很高的化学敏感度，但是其空间分辨率却由于受到二分之一波长的衍射极限限制，只能达到微米级别，因此也无法进行纳米级别的化学鉴定。

Neaspec公司的Nano-FTIR技术

现在Neaspec公司利用其独有的散射型近场光学技术发展出来的nano-FTIR-纳米傅里叶红外光谱技术，使得纳米尺度化学鉴定和成像成为可能。这一技术综合了原子力显微镜的高空间分辨率，和傅里叶红外光谱的高化学敏感度，因此可以在纳米尺度下实现对几乎所有材料的化学分辨。现代化学分析的新时代从此开始。

Neaspec公司的散射型近场技术通过干涉性探测针尖扫描样品表面时的反向散射光，同时得到近场信号的光强和相位信号。当使用宽波红外激光照射AFM针尖时，即可获得针尖下方10nm区域内的红外光谱，即nano-FTIR.

图一: nano-FTIR工作原理. 将一束宽带中红外激光耦合进入近场显微镜（NeaSNOM），对AFM针尖进行照明， 通过一套包含分束器、参考镜和探测器在内的傅里叶变换光谱仪对反向散射光分析，获得nano-FTIR光谱。

在不使用任何模型矫正的条件下，nano-FTIR获得的近场吸收光谱所体现的分子指纹特征与使用传统FTIR光谱仪获得的分子指纹特征吻合度极高（见图2），这在基础研究和实际应用方面都具有重要意义，因为研究者可以将nano-FTIR光谱与已经广泛建立的传统FTIR光谱数据库中的数据进行对比，从而实现快速准确的进行纳米尺度下的材料化学分析。对化学成分的高敏感度与超高的空间分辨率的结合，使得nano-FTIR成为纳米分析的独特工具。

应用案例

图 3: 使用nano-FTIR对纳米尺度污染物的化学鉴定。AFM表面形貌图像 (左), 在Si片基体（暗色区域Ｂ）与PMMA薄膜（Ａ）之间可以观察到一个小的污染物。机械相位图像中（中），对比度变化证明该污染物的是有别于基体和薄膜的其他物质。将点Ａ和Ｂ的nano-FTIR 吸收光谱（右），与标准红外光谱数据库对比， 获得各部分物质的化学成分信息. 每条谱线的采集时间为7min, 光谱分辨率为13 cm-1.
Further Reading:
"Nano-FTIR absorption spectroscopy of molecular fingerprints at 20 nm spatial resolution.,”,
F. Huth, A. Govyadinov, S. Amarie, W. Nuansing, F. Keilmann, R. Hillenbrand,
Nanoletters 12, p. 3973 (2012)

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首都师范大学

苏州大学

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University of Southampton, UK

CIC nanoGUNE San Sebastion, Spain

LBNL Berkeley, USA

Fraunhofer Institut ILT Aachen, Germany

Max-Planck-Institut of Quantum Optics, Garching, Germany

University of Bristol, UK

RWTH Aachen, Germany

California State University Long Beach, USA……

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