超灵敏和超高空间分辨的红外光谱测量方法

Infrared spectroscopy has experienced the development from macro to micro, from micro to nano scale, now it is impossible to measure single small molecule. This project intends to develop a new nano-IR measurement method, combined with a variety of local field enhancement means, to achieve IR measurement at the level of several or even single small molecule for the first time. Its main features are: 1. The new nano-IR technology can control the tip-sample force less than 20 pN and keep it for more than 1 minute. Precise probe control will enable the new nano-IR exceeding the current four nano-IR technologies in signal-to-noise ratio. 2. For the first time, a number of local field enhancement methods, including graphene-coated probe, substrate-coupled gold probe and radially polarized IR excitation, will be introduced into the nano-IR measurement device to form resultant effect and significantly improve the excitation efficiency of IR laser. The applicant of the project has experience that can be directly referred in the structure design of the optical machine of the enhancing molecule spectrum instrument. If the project gets successful, the detection ability of IR spectrum on supermolecule, macromolecule, several or even single small molecule will be improved, which will bring possibility to analyze the fine conformational structure of macromolecules.

红外光谱技术经历了从宏观到显微，从显微到纳米尺度的发展历程，目前还无法实现对单个小分子的测量。本项目拟发展新型nano-IR测量方法，结合多种局域场增强手段，首次实现对数个乃至单个小分子水平的IR光谱测量。其主要特色为：1、新型nano-IR技术可控制探针-样品作用力小于20 pN，并保持1分钟以上的时间。精确的探针控制将使新型nano-IR的信噪比有机会超越目前四种nano-IR技术；2、首次在nano-IR测量装置中引入石墨烯包覆探针、衬底耦合型金探针和径向偏振激发光等多项局域场增强措施，形成合力效应，显著提高IR光的激发效率。项目申请人在表面等离激元增强分子光谱仪器的光机结构设计和光谱增强原理方面具有可直接借鉴的经验，如本项目获得成功，将使IR光谱对超分子、高分子、数个乃至单个小分子的检测能力得到提高，为大分子内精细构象结构的解析带来可能。

红外光谱技术经历了从宏观到显微，从显微到纳米尺度的发展历程。二十余年来，人们不断探索具有纳米空间分辨的红外光谱（nanoIR），先后发展了接触共振纳米红外光谱技术（CR-nanoIR）、红外光诱导力显微镜（IR-PiFM）和峰值力轻敲纳米红外光谱技术（PFIR）等，nanoIR技术逐渐发展成为表界面表征的关键技术。然而，nanoIR一直面临灵敏度低的挑战。为了攻克上述难题，项目团队从零开始搭建噪声抑制实验室，研制底部光耦合装置、开发红外光谱解算方法和红外光谱增强结构，自主创新最终建立起一个原创性的、性能达到国际领先水平的纳米红外光谱和成像系统研发平台。团队通过自主设计，（1）搭建了一个噪声抑制实验室，经千级洁净间-百级洁净区-独立隔振地基-隔音罩和气浮支撑台多级噪声抑制策略，将nanoIR设备的原子力显微镜噪声降至14.3 pm，好于国内外同类仪器的平均值19 pm。（2）基于高激发角度提升探针局域场的原理，搭建底部物镜激发光机械装置。借助数值孔径为0.5的反射式物镜，显著提升nanoIR中探针-样品的激发效率。（3）设计模块化测控软件，将数据采集、激光脉冲优化调制、红外信号解调过程拆分控制，优化nanoIR信号采集和解调过程。（4）设计热沉积-化学沉积两步工艺研制石墨烯包覆氧化锰包覆硅的三层核壳结构红外增强探针，提升红外光与探针的耦合效率。经过系列创新，对Langmuir-Blodgett技术制备的六羟基三苯分子单层和亚单层分子层进行测试，纳米红外成像成功识别出厚度小于2 nm的单层和亚单层分子。本项目成功将nanoIR的检测灵敏度从研究之初的50 nm厚度分子敏感提升至单层分子敏感，在国内外基于光热膨胀原理实现纳米红外光谱测量的相关研究报道中处领先水平。项目执行期间搭建的纳米红外光谱和成像系统研发平台，有望进一步发展为国内乃至世界领先的表界面研究创新中心。