非接触式亚微米分辨红外拉曼同步测量系统

非接触亚微米分辨红外拉曼同步测量系统—mIRage

mIRage是美国PSC公司发布的一款应用广泛的非接触式亚微米分辨红外拉曼同步测量系统。基于光热诱导共振（PTIR）技术，mIRage显微红外光谱仪突破了传统红外的光学衍射极限，其空间分辨率可达亚微米级，可以帮助科研人员更全面地了解亚微米尺度下样品表面微小区域的化学信息。

O-PTIR (Optical Photothermal Infrared) 光谱是一种快速简单的非接触式光学技术，克服了传统IR衍射的限。与传统FTIR不同，不依赖于残留的IR辐射分析，而通过检测由于本征红外吸收引发的样品表面快速的光热膨胀或收缩，来反映微小样品区域的化学信息。

mIRage显微红外克服了传统红外光谱的诸多不足： 

- 空间分辨率受限于红外光光波长，只有10-20 μm

- 透射模式需要复杂的样品准备过程,且只限于薄片样品

- 无传统ATR模式下的散射像差和接触污染

mIRage显微红外的优势之处在于: 

☆ 亚微米空间分辨的IR光谱和成像（~500 nm），且不依赖于IR波长

☆ 与透射模式相媲美的反射模式下的图谱效果

☆ 非接触测量模式——使用简单快捷，无交叉污染风险

☆ 很少或无需样品制备过程 （无需薄片）, 可测试厚样品

☆ 可透射模式下观察液体样品

☆ 实现同时同地相同分辨率的IR和Raman测试，无荧光风险

测试数据

1、多层薄膜

2、高分子

3、生命科学 

4、医药领域

左：PLGA高分子和Dexamethasone药物分子的混合物表面的光学照片
中：在1760 cm^-1 出的高光谱图像，显示了 PLGA在混合物中的分布，图像尺寸40 μm * 40 μm 

右：在1666 cm^-1 出的高光谱图像，显示了 Dexamethasone在混合物中的分布，图像尺寸40 μm *40 μm

5、法医鉴定

左：800 nm纤维的光学照片

右：纳米纤维不同区域的O-PTIR图谱

6、其他领域

故障分析和缺陷

微电子污染

食品加工

地质学 

考古和文物鉴定

......

部分应用案例

■  微塑料检测——微塑料颗粒新来源及形成机制

南京大学环境学院季荣教授和苏宇副研究员团队与美国麻省大学邢宝山教授等合作，利用mIRage O-PTIR显微光谱仪，建立了一种新型的（微）塑料表面亚微米尺度化学变化表征方法。研究团队通过对比分析四个国际主流品牌奶嘴产品在蒸汽消毒前后表面形貌及分子结构的变化，首先证实了蒸汽消毒引起硅橡胶老化具有普遍性。研究发现，硅橡胶婴儿奶嘴的主要成分为聚二甲基硅氧烷（PDMS）及树脂添加剂聚酰胺（PA）(图2b和2c)，在经过蒸汽消毒（100 °C）时表面发生降解并释放出微纳塑料颗粒(图2a)。另外借助O-PTIR特有的单一波长大范围成像技术，作者统计了奶嘴消毒过程中PDMS降解产生的1.5 μm以上塑料颗粒数量，并估算出正常奶瓶喂养一年进入婴儿体内的该类微塑料总量约为66万颗，比此前文献报道的儿童从空气、水和食物中摄入的热塑性微塑料数量之和高出一个数量级；假如这些微塑料全部被排入环境，全球平均排放量可能高达5.2万亿个/年。上述结果表明硅橡胶奶嘴消毒产生的颗粒物可能是儿童体内和环境中微纳塑料的重要来源。

图2. 使用水热分解法对硅橡胶试样表面进行蒸汽腐蚀；(a) 实验装置及O-PTIR工作原理示意图; (b)样品蒸煮60 × 10 min表面前后的光学图像; (c) 图(b)中位置1-16的归一化O-PTIR光谱

■  偏振红外光谱助力胶原蛋白的分子取向研究

在过去的十年里，红外（IR）光谱已被广泛应用于哺乳动物组织中的胶原蛋白研究。对有序胶原蛋白光谱的更好理解将有助于评估受损胶原蛋白和疤痕组织等疾病。因此，利用偏振红外光研究胶原蛋白（I型胶原和II型胶原）的层状结构和径向对称性逐渐成为研究热点。

近期，在Kathleen M. Gough等人的研究中^[1]，作者采用基于光学光热红外（O-PTIR）技术的PSC非接触亚微米分辨红外拉曼同步测量系统 mIRage对样品?500 nm单点区域收集振动光谱，如图1所示。该光学光热红外（O-PTIR）技术的工作原理是光热检测，其中红外量子联激光器（QCL）激发样品在1800–800 cm^-1光谱范围内的分子振动。产生的光热效应通过短波长探测激光器检测。图1A-B中的光谱表明，固有的激光偏振所获得的高对比度所产生的光谱与使用FTIR焦平面阵列和偏振器组合进行的光谱测试近乎一致。并且对于安装在玻璃显微镜的不同载玻片，样品均获得了具有良好SNR的高质量光谱。

图1. 从CaF₂窗口利用O-PTIR测试控制肌腱原纤维获得的光谱。用平行于激光偏振的原纤维获得的光谱（红色）；蓝色是垂直方向上的光谱。右侧是在垂直方向基于1655 cm^-1的单波长图像。正方形表示光谱采集位置。比例尺= 1 μm。

光学光热红外（O-PTIR）技术可以通过在载物台上轻易地旋转样品来测试平行和垂直于红外激光偏振方向的光谱。并利用光学光热红外（O-PTIR）技术在几个单一频率下对原纤维成像，以获得表观物理宽度的确定性估计。如图1右侧所示，在垂直方向上， 1655 cm^-1处记录的单波长图像的红黄带表明该原纤维的宽度不超过500 nm。该尺寸将目标物标定为真正的原纤维，并且可与红外s-SNOM实验中检测到的300 nm原纤维相当。光学光热红外（O-PTIR）技术与nano-FTIR的测试结果相互印证，反映了“原纤维”宽度的标准范围。此外作者观察到，来自原纤维的酰胺I和II谱带比完整肌腱的窄，并且相对强度和谱带形状都发生了变化。这些光谱反映出在偏振红外光下正常I型胶原纤维的更多有用信息，并可作为研究胶原组织的基准。

与基于焦平面阵列检测器的偏振远场傅立叶变换红外（FF-FTIR）光谱相比，光学光热红外（O-PTIR）具有更高的空间分辨率，且可提供单波长光谱。使用FF-FTIR FPA探测往往包括其他非胶原材料。同时，光学光热红外（O-PTIR）还可以提供偏振平行于原纤维取向的原纤维光谱。这也是光学光热红外（O-PTIR）和纳米FTIR光谱对直径为100~500 nm的胶原原纤维给出证实性和互补性结果的次证明。综上所述，这些结果为进一步研究生物样品中的胶原蛋白提供了广阔的基础。

参考文献：

[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.

■  光热红外显微技术次应用于刑侦领域指纹中易爆炸物的检测

传统的可视化指纹检测手段，如扑粉，茚三酮熏蒸，真空金属沉积等，尽管可以重建指纹图案，但其同时可能对一些指纹脊状突起中含有的化学物质造成破坏。近年来，许多技术被用于指纹中痕量外源物质的分析鉴定，如解吸电喷雾电离质谱(DESI-MS)，液相色谱-质谱(LC-MS)，但通常需要额外的溶剂喷雾处理，且空间分辨率不足（~150 μm），或者分析过程会对指纹造成破坏。傅里叶变换红外(FTIR)光谱显微镜，可以探测样品中分子间化学键的固有分子振动，并提供丰富的化学信息, 已成为一种快速、无需标记、无损的样品表征方法，被广泛应用于包括刑侦在内的众多领域。FTIR透射模式测试通常选用红外光透明的材料，而反射模式则选用硅片，聚酯薄膜或铝覆盖的玻璃基底，但两者在指纹分析上多局限于收集在选定波数下指纹中组分物质的二维分布信息。另外对于那些沉积在既不透明也不反射红外的基底上的样品，衰减全反射法（Attenuated total reflectance，ATR）成为选择，但ATR通常不是法医鉴定的一种理想方法，因为ATR要求被分析的样品和ATR晶体紧密接触，往往会导致样品变形甚至后破坏剩余的证据。

基于以上考虑，新加坡国立大学同步辐射光源线站的科学家们和新加坡刑事调查局刑侦部门共同合作开发出了一种新的红外检测手段，即使用基于新型光热红外（Optical- Photothermal InfraRed，O-PTIR）技术的非接触亚微米分辨红外拉曼同步测量系统mIRage来分析指纹中含有的痕量易爆炸物微粒，该技术带来了一系列的优势，如亚微米的红外光谱和成像分辨率，易操作的远场、非接触显微镜工作模式和明显高于FTIR光谱显微镜的灵敏度。

作者认为O-PTIR技术是一种分析具有挑战性样品的理想手段，如隐藏的指纹，提供隐藏在大量外源物质中的微小(亚微米)粒子的化学信息（如易爆物）且不需要复杂的样品制备过程。这些信息可以通过单波数红外成像和亚微米空间分辨率的红外光谱获得，后者使用目前的FTIR光谱显微镜是无法做到的（分辨率受限于红外波长，约10-20 μm）。另外，该分析手段非常简单快捷，无破坏性，且不需要基于接触的方法（例如ATR光谱技术），使得样品的完整性被完全的保持。特别指出的是，该技术的非破坏性非常重要，尤其是在法医领域，因为它可以允许同时使用其他技术对相同样本进行互补和比对分析，并作为法律证据。此外，随着技术的发展，O-PTIR现在可以与拉曼显微镜相结合，以提供真正的亚微米同步的红外拉曼测试，使得在一个仪器上通过一次测量即可进行互补和验证分析。

■  亚微米空间分辨同步IR + Raman光谱成像分析 PLA/PHA生物微塑料薄片

来源于石油中的塑料产品已经成为现代生活不可分割的一部分，它们性能优异，用途广泛且相对便宜，但同时也引发了人们对于塑料垃圾在环境中累积问题的担忧，迫使我们尽快采取行动探索替代传统塑料的新型材料。生物塑料, 如聚乳酸(PLA)和聚羟基烷酸酯(PHA)等均来源于天然资源（如糖，植物油等），它们在适当条件下可发生生物降解，因此其制成的产品即使不小心泄漏到环境中，也不会像传统塑料一样长期残留在土壤和水道中，而是终回归自然，安全而又环保。

虽然典型的PLA和PHA在分子层面上基本不混溶，但得益于其优异的相容性，它们可以以不同比例形成复合材料，创造出许多性质迥异的功能材料。为了更好地理解这两种材料在微观上的相互作用，美国特拉华大学Isao Noda教授课题组与Photothermal Spectroscopy Corp公司合作，利用基于光学光热红外技术（O-PTIR）的新一代非接触亚微米分辨红外拉曼同步测量系统mIRage对PLA和PHA的复合薄片进行红外拉曼同步成像分析，探究了这两种材料结合的方式和内在机理。

PHA/PLA羰基伸缩振动区域二维同步(A)和异步(B)相关光谱（2D-COS）分析以及交界区域同步O-PTIR红外和拉曼光谱分析（左为红外，右为拉曼）。

O-PTIR作为一种新型的光谱技术，具有传统FTIR显微镜不可比拟的优点，并克服了许多限制。先，O-PTIR可以提供空间分辨率约为500 nm的红外谱图，远远超过了典型的红外衍射限空间分辨率，且不依赖于入射红外波长。更重要的是，它能够以反射/非接触(远场)工作模式简单快速的生成高质量的类似于FTIR的谱图，从而避免了制备样本薄切片的必要，且光谱与商用FTIR数据库搜索完全兼容和可译。另外，即使样品中包含易产生荧光干扰的组分（压制拉曼信号或造成其饱和），O-PTIR的可调制信号收集特性也确保它完全不受任何荧光的影响。IR和Raman在O-PTIR方法的结合下，可以充分利用这两种互补性技术的优势，实现同步的红外吸收和拉曼散射测量，并相互印证。

参考文献：

[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.

■  非接触式亚微米O-PTIR光谱成像技术研究Ruddlesden-Popper混合钙钛矿边缘的形成

低能量边缘光致发光的研究，对提高Ruddlesden-Popper钙钛太阳能电池效率有着十分重要的影响和意义。在本篇研究中，电子科技大学王志明教授课题组与Photothermal Spectroscopy Corp公司合作，使用O-PTIR技术及新一代的非接触亚微米分辨红外拉曼同步测量系统mIRage研究MAPbBr₃在(BA)₂(MA)₂Pb₃Br板边缘分布情况。本研究使用O-PTIR技术探测具有以下优势：先(BA)₂(MA)₂Pb₃Br₁₀和MAPbBr₃之间由于缺少BA，因此其红外光谱具备显著的差异；其次，这种非接触式探测能够有效避免样品高度，探针污染所带来的问题；另外，无论是BA缺陷，还是BA对MA的比例已有使用FTIR光谱研究的报道，具备良好的基础。

图1  O-PTIR观测边缘的MAPbBr₃的红外光谱信息。(a)(BA)₂(MA)_n-1 b_n br_3n+1(n = 1，2，3，∞)钙钛矿的红外光谱；（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)的图谱；(d) (BA)₂(MA)₂Pb₃Br₁₀的PL图像；(e)在(d)中所示的中心区域和边缘的红外光谱图

通过O-PTIR的测量（图1），能够观测到随着BA的含量降低，~1580 cm^-1处的峰的相对强度减小，峰值伴随着向1585 cm^-1的峰值偏移。这主要是由于(BA)₂(MA)₂Pb₃Br₁₀在1580 cm^-1附近有两个涉及NH₃振动的红外吸收带:一个在1575 cm^-1处(BA⁺)，另一个在1585 cm^-1处(MA+)。当BA含量降低时，1575 cm^-1处的带强度降低，导致峰值强度在约1580 cm^-1处降低，并伴随向1585 cm^-1偏移。在测试中观测到的另外一个现象为~1480 cm^-1与~1580 cm^-1的相对强度比增大，因为1478 cm^-1的振动(CH₃振动)仅与MA⁺相关，因此~1480 cm^-1的强度没有变化，而1580 cm^-1却由于BA含量降低而降低，导致比值的降低。

■  非接触式亚微米O-PTIR光谱成像技术研究高内相乳液聚合演变过程

在高内相乳液(HIPE)中，初始离散单元在聚合过程中或之后转变成由窗口高度互联聚合体的时间和方式，一直是一个有争议的问题。2D O-PTIR(optical photothermal infrared)新表面成像技术为探索这个polyHIPE的窗口形成机理提供了机会，只要检测目标区域的大小相对于分辨率来说足够大。2D PTIR技术基于以下工作原理：一束红外激光聚焦在样品表面;被吸收的红外光使样品升温，诱导光热响应;这种本征的光热响应被一束可见光所检测；因此可与FTIR透射模式质量相媲美的图谱被使用反射模式所得到。该技术有四大优势：使用可见光为检测光，可以将分辨率提高到 ~ 500 nm；非接触式的光学显微镜；分辨率不依赖于红外光波长；不会产生弥散的伪影。同济大学万德成教授课题组与Photothermal Spectroscopy Corp公司合作，利用光学光热红外技术（O-PTIR）技术及新一代的非接触亚微米分辨红外拉曼同步测量系统mIRage（图1）对polyHIPE的聚合体进行了红外光谱和成像分析，探究其演变过程及形成机理。

图1. A) 3% 表面活性剂用量诱导的polyHIPE选取区域的光学照片, B) 相应的mIRage 2D O-PTIR图像。C) 插图为典型的选定区域附近的局部表面形貌(通过SEM)，D) 插图为立方状样品的光学照片(≈5×5×5 cm³)。(B)图条件:红色代表强烈的反应，绿色代表几乎没有反应，而黄色代表对1492 cm^-1处的激光束的中等反应。

图2. 在1600 (绿色)和1492 cm ^-1(红色)激光束照射下的多聚体表面的mIRage 2D O-PTIR图像。B) 一系列的FTIR光谱提取采样点(箭头尾)。每个采样点的高度比为1600/1492 cm^-1，如(C)所示，相邻的采样点为250 nm

■   科学家借助mIRage次成功直观揭示神经元中淀粉样蛋白聚集机理

老年神经退行性疾病，如阿尔茨海默症(AD)、肌萎缩性侧索硬化症、Ⅱ型糖尿病等，目前困扰着全大约5亿人，且这个数字仍在不断迅速增长。尤其是阿尔兹海默症（占70%以上），目前仍未有行之有效的诊断方法，因此无法得到有效的治疗或预防。尽管当代病理学研究已经证实这种病理变化与具有神经毒性的β淀粉样蛋白质的聚集有关，但其在神经元或脑组织中的聚集机制目前尚不清楚。现有的方法, 如电子显微镜、免疫电子显微镜、共聚焦荧光显微镜、超分辨显微镜，通常都需要对样品进行化学加工（标记染色等）,可能会对淀粉样蛋白结构本身造成影响。而非标记方法，如表面增强拉曼光谱（SERS）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）, 前者受限于亚细胞水平上的低信噪比、自发荧光及不可逆的光损伤，后者其空间分辨率受限于红外光波长（≈5–10 μm），且光谱可解译性和准确性受到弹性细胞光散射所产生的米氏散射效应(Mie scattering effects)的严重影响，使得直接在亚微米尺度上研究淀粉样蛋白质在神经元内的聚集行为十分困难。

近日，瑞典隆德大学的Klementieva教授团队与美国PSC公司的Mustafa Kansiz博士合作，使用全新非接触式亚微米分辨红外测量系统，在亚微米尺度上研究了淀粉样蛋白沿着神经突直到树突棘的聚集行为（图1B和C），这是以往的实验技术手段所不可能实现的。该技术是在非接触模式下工作，不会对神经元造成损伤，这在研究脆弱或粘性的物质时显得尤为重要。另外，该技术还能获得亚微米尺度的红外光谱，且不含由于背景失真或米氏散射造成的散射伪影。新的技术进步表明，全新的非接触式亚微米分辨红外测量系统mIRage现在可以用来做活细胞成像,并保持相同的亚微米空间分辨率。在这种情况下，全新的非接触式亚微米分辨红外测量系统有望在β片层结构在活神经元的突触附近的化学成像中发挥关键作用，并提供一个新的机会来研究神经毒性淀粉样蛋白如何从一个患病的神经元传播到一个健康的神经元，揭示阿尔茨海默症的形成和发展机制。该工作发表在2020年的Advanced Sciences上（DOI: 10.1002/advs.201903004）。

图1. (A) 美国PSC公司非接触式亚微米分辨红外测量系统mIRage实物图；（B）亚微米红外成像示意图：神经元树突的AFM形貌图,其中神经元直接在CaF₂基底下生长。mIRage采用两束共线性光束: 532 nm可见(绿色)提取光束和脉冲红外(红色)探测光束，样品的光热响应被检测为样品由于对脉冲红外光束的吸收而引发的绿色光部分强度的损失，使红外检测的空间分辨率提高到≈500 nm. (C) 小鼠大脑皮层初神经元, 在CamKII促进下表达为tdTomato荧光蛋白，使得神经元结构填满红色，图片标尺为20 μm。(D) 图C区域放大图片，箭头指示树突上的神经元刺。

参考文献：Super‐Resolution Infrared Imaging of Polymorphic Amyloid Aggregates Directly in Neurons.

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