Onderzoekers rapporteren de ontwikkeling van hyperspectrale infrarood nano-imaging op basis van Fourier-transformatie infrarood nanospectroscopie (nano-FTIR), waardoor zeer gevoelige spectroscopische beeldvorming van chemische samenstellingen met ruimtelijke resolutie op nanoschaal mogelijk is.

Een doel in de materiaalkunde, biogeneeskunde en nanotechnologie is de niet-invasieve samenstellingskartering van materialen met ruimtelijke resolutie op nanometerschaal. Er bestaat een verscheidenheid aan beeldvormingstechnieken met hoge resolutie (bijvoorbeeld elektronen- of scanningsondemicroscopie), maar ze kunnen niet voldoen aan de toenemende eisen van hoge, niet-invasieve chemische gevoeligheid.

Chemische analyse op nanoschaal is onlangs mogelijk geworden met nano-FTIR-spectroscopie, een optische techniek die verstrooiing-type scanning near-field optische microscopie (s-SNOM) en Fourier-transformatie infrarood (FTIR) spectroscopie combineert. Door de gemetalliseerde punt van een atoomkrachtmicroscoop (AFM) te belichten met een breedband-infraroodlaser of een synchrotron en het terugverstrooide licht te analyseren met een speciaal ontworpen Fourier-transformatiespectrometer, lokale infrarood spectroscopie met een ruimtelijke resolutie van minder dan 20 nm is aangetoond. Echter, alleen puntspectra of spectroscopische lijnscans met niet meer dan enkele tientallen nano-FTIR-spectra konden worden bereikt op organische monsters, vanwege de lange acquisitietijden.

Nutsvoorzieningen, onderzoekers van CIC nanoGUNE (San Sebastian, Spanje), Ikerbaskisch (Bilbao, Spanje), Cidetec (San Sebastián, Spanje) en het Robert Koch-Institut (Berlijn, Duitsland) hebben hyperspectrale infrarood nanoimaging ontwikkeld. De techniek maakt het mogelijk om binnen een paar uur tweedimensionale arrays van enkele duizenden nano-FTIR-spectra op te nemen, meestal aangeduid als hyperspectrale datakubussen. en met een ruimtelijke resolutie en precisie beter dan 30 nm.

"De uitstekende gegevenskwaliteit maakt het mogelijk om op nanoschaal opgeloste chemische en structurele informatie te extraheren met behulp van statistische technieken (multivariate data-analyse) die de volledige spectroscopische informatie gebruiken die beschikbaar is op elke pixel, " zegt Iban Amenabar, eerste auteur van het werk. Zelfs zonder enige voorafgaande informatie over het monster en zijn componenten, pixels met vergelijkbare infraroodspectra kunnen automatisch worden gegroepeerd met behulp van hiërarchische clusteranalyse. Door beeldvorming en analyse van een driecomponentenpolymeermengsel (Figuur 1) en, de onderzoekers verkregen chemische kaarten op nanoschaal die niet alleen de ruimtelijke verdeling van de afzonderlijke componenten onthullen, maar ook spectrale anomalieën die werden verklaard door lokale chemische interactie. De onderzoeker demonstreerde ook in situ hyperspectrale infrarood nanobeeldvorming van inheemse melanine in menselijk haar.

Voor hun experimenten, de onderzoekers gebruikten het commerciële nano-FTIR-systeem van Neaspec GmbH, inclusief een midden-infrarood lasercontinuüm dat het spectrale bereik van 1000 tot 1900 cm-1 bestrijkt. Multivariate analyse van de hyperspectrale gegevens werd gedaan met de softwaretool CytoSpec, die werd ontwikkeld door co-auteur Peter Lasch.

"Met de snelle ontwikkeling van krachtige midden-infraroodlasers en door toepassing van geavanceerde strategieën voor ruisonderdrukking, we stellen ons hoogwaardige hyperspectrale infrarood nano-imaging voor in een paar minuten, " concludeert Rainer Hillenbrand, die het werk leidde. "We zien een groot toepassingspotentieel op verschillende gebieden van wetenschap en technologie, inclusief het chemisch in kaart brengen van polymeercomposieten, farmaceutische producten, organische en anorganische nanocomposietmaterialen of biomedische weefselbeeldvorming, " hij voegt toe.