微觀世界下的奈米紅外光譜技術源於原子力紅外顯微鏡(nanoIR)

原理與特點

原子力紅外光譜顯微鏡(AFM-IR)其原理，是利用AFM的探針檢測針尖處受到紅外雷射光源的照射，而與其接觸的樣品表面，因吸收特定波長的紅外光而導致其接觸表面產生了熱膨脹。目前商品化的儀器架構如圖1所示，其中儀器的主要組成分別為AFM測量系統(懸臂以及雷射偵測器)以及脈衝可調式紅外雷射光源。

圖1.AFM-IR的儀器架構，分為AFM測量系統以及脈衝可調式紅外雷射光源

AFM-IR之所以可以通過測定懸臂力學振幅行為之變化，來獲得探針處樣品表面對特定波長紅外光的吸收情況，是因為二者之間存在一定的對應關係，可根據以下原理計算進行簡單的分析：
(1) 首先，當紅外雷射光源與樣品表面進行相互作用時，樣品表面吸收的能量，可以用坡印廷向量(P)進行表示：

(2) 根據傅立葉熱傳導定律，由紅外光吸收所導致的光熱效應產生的最大升溫(ΔTmax)可以表示為：

(3) 樣品表面的升溫導致了熱膨脹(u)，其可以表示為：

(4) 因此，從上面所做的類比方程式推導中，我們可以得到，樣品表面的熱膨脹(u)與紅外光的吸收所造成的最大升溫(ΔTmax)成正比。
另一方面，我們希望利用AFM的懸臂探針來檢測樣品表面的熱膨脹，懸臂的運動可以用Euler-Bernoulli方程式來進行描述：

其中q為在探針處由熱膨脹對懸臂施加的結構荷重，EI為彎曲剛度(E為楊氏模量，I 為懸臂的截面慣量)，ρ為密度，S為截面面積，γ為阻尼。可以證明，懸臂運動產生的訊號與樣品表面熱膨脹的程度滿足一定的關係。對於不同的官能團，紅外吸收的特徵波數不同，從而產生的熱膨脹變化也具有一定差異，因此我們可以透過測定AFM懸臂的運動狀態變化，來表示探針接觸的樣品表面區域的紅外吸收情況，進而分析出樣品表面的化學官能基團或成分在空間上的分佈。