光热诱导亚微米红外仪

前言作为物质存在的第四种状态的等离子体通常由电子、离子和处于基态以及各种激发态的原子、分子等中性粒子组成。等离子体中带电离子间库伦相互作用的长程特性，是带电粒子组分的运动状态对等离子体特性的影响起决定性作用，其中的电子是等离子体与电磁波作用过程中最重要的能量与动量传递粒子，因此，等离子体中最重要的基本物理参数是电子密度及其分布以及描述电子能量分布的函数以及相应的电子温度。而对于中高气压环境下产生的非热低温等离子体来说，等离子体中的主要组分是处于各种激发态的中性粒子，此时除了带电粒子外，中性粒子的分布和所处状态对等离子体电离过程和稳定性控制也起着非常重要的作用，尤其是各种长寿命亚稳态离子的激发。为了可以充分描述等离子体的状态，在实验上不仅要对带电粒子的分布和运动状态进行诊断，如电子温度、电子密度、电离温度等参数，还需要对等离子体中的中性粒子进行必要的实验测量，来获得有关物种的产生、能量分布以及各个激发态布居数分布等信息，如气体温度、转动温度、振动温度、激发温度等参数。基于这种要求，结合相关学科的各种技术形成了一个专门针对等离子体开展诊断研究的技术门类，如对等离子体中电子组分的诊断技术有朗缪尔探针法（Langmuir Probe），干涉度量法(Interferometer)，全息法(Holographic Method)，汤姆逊散射法(Thomason Scattering, TS)，发射光谱法(Optical Emmission Spectroscopy, OES)等，对离子组分的光谱诊断技术有光腔衰减震荡(Cavity Ring-Down Spectroscopy, CRDS)和发射光谱法(OES)，而对中性粒子的光谱诊断技术包括了吸收光谱法(Absorption Spectroscopy, AS)，发射光谱法(OES)，单光子或者双光子激光诱导荧光(Laser Induced Fluorescence, LIF)等。 二、激光诱导荧光（LIF or TALIF）LIF在等离子体上的应用诊断开始于1975年左右，首先是由R.Stern和J.Johnson提出的利用LIF装置可以测量中性基团和离子的相对速度、速度分布函数等。90年代后，LIF被陆续应用到了ECR、ICR、磁控管、螺旋波HELIX、ICP以及微波驱动CVD等等离子体源中。2.1、 等离子体 LIF诊断的基本模型处于基态或亚稳态的粒子吸收具有一定能量的光子后被激发，再从激发态衰变为自旋多重度相同的基态或低能态时，就会发出荧光辐射。而荧光光强与粒子数成正比，因此，通过测量荧光光强，可以确定处于基态或亚稳态的粒子密度。由于这种荧光发射的时间长度低于微妙量级，必须采用脉冲宽度在纳秒量级的激光来激发荧光，这种诊断方法因此被称作激光诱导荧光（LIF）。图1. LIF基本原理图图１[1]为LIF的基本原理图，在一个三能级系统中：离子处于亚稳态时，当照射激光能量等于跃迁激发的能量，离子被泵浦到激发态。由于激发态不稳定，离子又会迅速退激到基态并辐射出荧光。在激发态上停留时间很短暂（一般只有几纳秒宽度）。由于离子不是静止的，根据多普勒效应可知，在激光传输方向上存在一个速度选择，只有在激光传输方向上满足一定速度的离子才能被特定频率的激光诱导激发：窄带激光束（ωlaser，κlaser）入射，在入射方向上，只有离子速度 和激光频率满足关系式 时，才能通过相应的激光激发被泵浦到激发态。对入射激光频率进行扫描变换，测量相应的荧光光强变化，就能得到亚稳态离子速度分布函数在入射激光方向上的投影。如果假定亚稳态离子温度和主体基态离子温度一致，离子速度分布函数等动力学参数即可获得。2.2、 典型LIF实验架构与世界上的LIF架构参考如图2所示，为典型的等离子体装置LIF诊断实验架构图。图2 典型的等离子体LIF诊断架构图因为基团和粒子的激发波长不同，因此我们选择了波长可调谐的纳秒脉宽染料激光器，通过添加不同的染料，输出不同的波长对被测试的粒子和基团进行激发，从而得到激光诱导的荧光衰减与光谱信号，这些信号经由相关的搜集光路被捕获到光谱仪与ICCD探测器组成的光谱探测系统中，从而得到光谱、强度与时间尺度的三维荧光光谱，让研究人员进行相关的分析。图中所用的DG535/645作为整个实验系统的时序控制装置。图3到图4为世界上比较典型的不同等离子体装置的LIF诊断情况。图3. University of Greifswald LIF诊断系统（H原子）图4. IHP LIF诊断系统2.3、典型的LIF波长选择举例对Ar等离子体和He等离子体放电，常用的激光器波长可调谐范围不需要太宽要测H（氢）等离子体，激光波长需要205nm测CF等离子体 需要261nm同时测 Ar等离子体的LIF，因为观测另一条谱线，所用的激光波长又是611nm的所以LIF的波长范围应该根据要观测的等离子体放电的气体种类及观测那条谱线来决定2.4、硬件配置推荐 根据用户需求，一般推荐的配置如下：1、染料可调激光器：可选配置从200-4500nm 宽范围调谐2、 光谱仪：Ø Zolix 北京卓立汉光仪器有限公司的Omni-500I 或750I光谱仪搭配1200l/mm和1800l/mm的全息光栅Ø 207或者205高光通量光谱仪，搭配110*110mm 的大尺寸1200l/mm光栅和1800l/mm光栅2、 探测器： ICCD, 18mm 增强器，13*13mm 探测面；DG645：用于系统触发控制的时序单元其他光学平台及光路设计等 光电倍增管PMT/锁相放大器/ Boxcar 模块 等请咨询卓立汉光销售人员！参考文献[1] 赵岩, 柏洋, 金成刚, 等．激光诱导荧光在低温等离子体诊断中的应用[J]. 激光与红外, 2012, 4(42): 365-371.

全自动高分辨纳米红外成像与光谱系统 ——10nm以下空间分辨红外成像与光谱采集用于化学分析和材料成像的纳米红外光谱系统Park FX200-IR 有效融合了崭新的红外光谱技术、美国Molecular Vista 的光诱导力显微镜（PiFM)以及行业前沿的 Park AFM技术。PiFM 红外光谱采用非接触式检测技术，在空间分辨率、测量可靠性和样品安全性方面皆优于现有的光谱技术，包括轻敲PTIR(光热诱导共振）。Park FX200-IR 中的 PiFM不仅能够进行高分辨率红外光谱分析，还能进行高质量的红外吸收材料成像，以进行准确的化学成分测量。高分辨率红外光谱与传统的FTIR(傅里叶变换红外）光谱保持着密切的相关性。此外，Park FX200-IR 还可以通过检测技术、直接驱动和边带双峰检测的变化提供不同深度的有价值的材料信息。FX200-IR纳米红外依托于原子力显微镜平台，利用光诱导力显微镜（Photo-induced Force Microscope, PiFM)技术，结合波长可调的红外光源，从而实现10nm以下空间分辨红外成像与光谱采集，无需远场光学接收器及干涉仪。 FX200-IR纳米红外所采集的PiFM红外光谱与标准FTIR光谱高度吻合，这使得科研人员可以将PiFM纳米红外光谱与FTIR红外光谱图库中的数据进行对比分析。样品为聚醚砜薄膜(Polyethersulfone, PES film)FX200 IR 纳米红外成像与光谱案例光诱导力显微镜突破性的采用检测探针与样品之间的偶极交互(dipole interaction)，使其不受到样品横向热膨胀对于空间分辨率带来的负面影响。因此，基于光诱导力显微镜的纳米红外能真正意义上的实现10nm以下空间分辨纳米红外成像！下图PS-PMMA嵌段共聚物纳米红外成像与光谱案例，红色和绿色分别代表PMMA与PS的分布情况。摘自“Nanoscale chemical imaging by photoinduced force microscopy，Sci. Adv. 2016”基于光诱导力显微镜的纳米红外不仅适合有机高分子材料，也适合无机材料。下图为不同Si/Al比的ZSM-5沸石分子筛的纳米红外骨架振动峰在1100cm-1处的蓝移及劈裂情况，以及通过碳氢化合物在1480cm-1的C=C伸缩振动峰来反映ZSM-5参与甲醇制碳氢化合物（MTH)催化反应后结焦的分布情况。

非接触亚微米分辨红外拉曼同步测量系统—mIRage美国PSC (Photothermal Spectroscopy Corp, 前身Anasys公司)最新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PSC专利的光热诱导共振（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，其空间分辨率高达500 nm，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衍射的极限。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： &bull 空间分辨率受限于红外光光波长，只有10-20 μm&bull 透射模式需要复杂的样品准备过程,且只限于薄片样品&bull 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: &bull 亚微米空间分辨的IR光谱和成像（~500 nm），且不依赖于IR波长&bull 与透射模式相媲美的反射模式下的图谱效果&bull 非接触测量模式——使用简单快捷，无交叉污染风险&bull 很少或无需样品制备过程 （无需薄片）, 可测试厚样品&bull 可透射模式下观察液体样品&bull 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 高光谱成像： 1 sec/spectra. 1 scan/spectra样品区域尺寸：20 μm x 85 μm size. 1 μm spacing. 图谱中可以明显看出在不同区域上的羰基，氨基以及CH2 拉伸振动的分布很少或无需样品制备的多层高分子膜的O-PTIR分析高分子薄膜层间的亚微米空间分辨O-PTIR分析2、高分子 高分子膜缺陷。左：尺寸为240 μm的两层薄层上缺陷的光学图像；右：在无缺陷处（红色）和缺陷处（蓝色）的样品的IR谱图，998 cm-1处为of isotactic polypropylene 的特征红外吸收峰环氧树脂包埋聚苯乙烯球的亚微米分辨O-PTIR线扫描PS和PMMA微塑料混合物的亚微米红外拉曼同步O-PTIR光谱和成像分析3、生命科学 左：70*70 μm范围的血红细胞的光学照片；中：红色条框区域在1583cm-1处的Raman照片；右：红血细胞选择区域的同步的IR和Raman图谱 矿物质的红外成像：小鼠骨骼中的蛋白质分布分析 上左：水中上皮细胞的光学照片；上右：目标分子能够在红外光谱上很容易的区分和空间分离，可以明显看到0.5-1.0 μm的脂肪包体；下：原理示意图：红外光谱测量使用透射模式，步长为0.5 μmPLA/PHBHx生物塑料薄片的O-PTIR光谱和成像分析 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 &bull 故障分析和缺陷&bull 微电子污染&bull 食品加工&bull 地质学 &bull 考古和文物鉴定发表文章[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 CellEfficiency, 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 of10mm 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.用户单位科学研究生物医学应用部分用户评价：应用案例■ 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）专利技术的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，其中红外量子级联激光器（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顶光谱（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首次证明。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.■ 光热红外显微技术首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最后破坏剩余的证据。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，如亚微米级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，而是最终回归自然，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。首先，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极限空间分辨率，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：首先(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 bn br3n+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首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，目前困扰着全世界大约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。最新的技术进步表明，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）。