红外成像技术新革命！光学光热红外光谱技术，开启纳米表面分析新纪元

发布日期：2025-06-12

日本国立材料研究所Yasuhiko Fujita教授团队成功将短银纳米线引入O-PTIR光学光热红外光谱技术，突破性地实现了20 nm级表面化学成分的无损检测，为超薄层材料分析提供极具突破性的洞察力。这一创新性进展为材料科学、生命科学等领域的研究提供了全新工具。

研发团队核心科学家Yasuhiko Fujita教授表示：“就像为红外光装上纳米天线，让探测‘触角’精准触及分子界面。”

技术突破：从微米级到纳米级的跨越

传统红外显微镜受限于光学衍射极限，空间分辨率仅达微米级，无法捕捉关键界面化学反应。基于O-PTIR技术的非接触亚微米分辨红外拉曼同步测量系统mIRage，通过可见光检测红外吸收引起的非接触热膨胀，不仅突破了红外光学衍射极限，还适用于空气、水、玻璃等常规环境，是真正非接触、亚微米分辨、深度聚焦的红外表面分析利器。

基于O-PTIR技术的非接触亚微米分辨红外拉曼同步测量系统mIRage

在该项研究中，研究人员将通过湿化学法制备并经超声破碎优化至 1.5–3.2 μm 的短银纳米线引入 O-PTIR 系统，作为中红外共振等离子天线，在样品表面构建法布里-珀罗谐振结构，通过表面增强红外吸收（SEIRA）效应，实现对20 nm甚至更薄聚合物表面的成分识别与成像。

创新亮点：

✅ 精准调谐共振：纳米线长度与红外波长智能匹配（长度↑→共振波数↓），实现了10倍以上的信号增强，打破传统MIP灵敏度瓶颈，且增强区域<40 nm，实现了真正的表面级检测。

(a)模拟银纳米线（长度L=2.5 mm，直径d=100 nm）的电场强度谱和(b) m=1、3和5处对应的电场分布图。 (c)和(d)模拟(c)和实验(d)得到的电场强度与波数和纳米线长度的关系图

✅ 偏振定向激发：平行偏振光激发纵向电子振荡，产生局域强近场（垂直偏振无响应），适配任意样品表面，无需特殊衬底或接触操作；

✅ 宽谱覆盖能力：多长度纳米线协同工作，实现1000–1800 cm⁻¹全指纹区信号均匀增强。

(a)使用谐振短银纳米线天线的表面增强光学-中红外光热（MIP）（OPTIR）显微系统示意图。(b)在银纳米线(L=2.1μm)/low-e玻璃上获得的光学MIP光谱，红外偏振设置为与纳米线长轴平行（蓝色）和垂直（红色）。(c)当纳米线长度(L)为L=1.5～3.2μm时，在low-e玻璃上的银纳米线的MIP光谱。 红外偏振被设置为平行于纳米线的长轴。

性能飞跃：20 nm级深度分辨率的突破

研究中，实验人员将短银纳米线直接旋涂于不同厚度的聚苯乙烯（PS）薄膜表面，发现在仅40 nm薄膜厚度下，O-PTIR系统原本无法分辨PS特征峰，但在银纳米线增强下，1492 cm⁻¹芳香基C=C拉伸峰清晰可见。进一步研究表明，增强因子（EF）随膜厚下降显著上升，证实局部增强电场仅集中于<40 nm尺度表层，实现了真正意义上的“表面红外”分析。

(a)-(c)不同聚苯乙烯（PS）厚度((a) 40 nm, （b) 160 nm, (c) 1000 nm）的玻璃上聚苯乙烯（PS）薄膜的光学MIP光谱，（蓝色）和（黑色）缩短银纳米线。 1492、1450和1050 cm^-1为苯基C=C拉伸（PS）、CH弯曲（PS）和Si-O拉伸（Glass）振动。 (d)和(e)增强因子（/nanowire//without）随PS厚度在1492 cm^-1和1050 cm^-1时的变化曲线。 图中的误差条表示n = 3个测量值的标准差

应用实例——聚酰亚胺表面层探测

聚酰亚胺（PI）广泛用于半导体封装、柔性显示等领域，其表面改性常影响器件性能。研究人员利用mIRage系统成功探测碱处理形成的<20 nm厚度的聚酰亚胺水解层（PAA），创新性的在无需真空或复杂制样条件下，用红外光学方法揭示该层的化学变化，包括1640 cm⁻¹酰胺I和1540 cm⁻¹酰胺II吸收峰。

(a)KOH处理前（t=0，左）和处理后（t=400 min，右）聚酰亚胺（PI）薄膜的截面光学显微镜图像。 原PI膜厚度为25mm。 KOH处理导致形成一层均匀的聚酰胺酸（PAA），如箭头所示。(b)PAA（顶部）和整齐PI的本体ATR-FTIR光谱。 1776和1713 cm^-1分别为PI的对称（同相）和反对称（异相）亚胺C=O拉伸。 1642和1548 cm^-1分别为PAA的酰胺C=O拉伸和NH弯曲和CN拉伸的组合。 对于PI和PAA， 1595和1500 cm^-1分配给苯环拉伸。(c)和(d)不含(c)和含(d)纳米银线的PI膜在KOH处理前（t=0 min）和后（t=1,5 min）的MIP（OPTIR）光谱。(d)中显示的是“有纳米线”的减光谱，其中“没有纳米线”的光谱是从频率平均的“有纳米线”光谱中减，以消除探针绿光聚焦光斑内非纳米线区域产生的远场分量。

O-PTIR×银纳米线平台：重新定义红外表面分析标准

关键优势：

• 表面灵敏度提升达10倍，深度分辨率<20 nm；

• 无需接触，无需真空，适用于任意平整表面；

• 远场光谱，全谱测试；

• 单根纳米线即可触发强共振响应，兼容高通量分析。

应用方向：

• 表面功能膜层成分分析（纳米涂层、功能聚合物等）

• 高灵敏度界面材料检测（半导体封装、微电子器件）

• 生命科学样品表面探测（如细胞膜、病毒包膜）

非接触亚微米分辨红外拉曼同步测量系统—mIRage

（光学光热红外光谱成像技术O-PTIR）

其他应用领域（部分）

1.  环境微塑料

微塑料颗粒（~600 nm）的O-PTIR光谱及成像分析

(引自Microscopy Today, 2022, 17, 3, 76-85)

2. 高分子材料

1210 cm^-1处采集的PP/PTFE的O-PTIR光谱和显微图像

(引自Materials & Design, 211 (2021), 17, 110157)

3. 半导体

薄膜晶体管显示器中污染物的O-PTIR分析

器件表面缺陷的红外和拉曼光谱同步（同时间、同位置）分析

(引自Microscopy Today, 2020, 28, 3, 26-36)

4. 地球化学

无损石油包裹体测试

（引自Analytical chemistry：Molecular Fractionation of Ancient Organic Compounds in Deeply Buried Halite Crystals，doi.org/10.1021/acs.analchem.4c02956）

5. 生命科学

脑组织的明场显微图像、O-PTIR光谱及成像分析

6. 文物鉴定

柯罗19世纪绘画作品中锌皂异质性的O-PTIR显微光谱及成像分析

(引自Anal. Chem. 2022, 94, 7, 3103–3110)

样机体验：

为满足国内日益增长的新型红外表征需求，更好地为国内科研工作者提供专业技术支持和服务，Quantum Design中国北京样机实验室引进了非接触亚微米分辨红外拉曼同步测量系统—mIRage，为您提供样品测试、样机体验等机会，欢迎您通过电话：010-85120277/78、邮箱：info@qd-china.com、点击此处或扫描下方二维码联系我们，探索纳米表面分析的新可能。

参考文献：

[1]. Surface-enhanced optical-mid-infrared photothermal microscopy using shortened colloidal silver nanowires: a noble approach for mid-infrared surface sensing. nanoscale-horizons. 10.1039/d4nh00106k