Motivation

Herkömmliche Fernfeld-Infrarotmikroskope sind in ihrer räumlichen Auflösung durch die Beugungsgrenze begrenzt, die eine Auflösung von weniger als einigen Mikrometern verhindert. Dies verhindert die Analyse von Objekten unterhalb dieser Größe, wie die meisten intrazellulären Strukturen, Grenzflächen, Kristalle und Proteine, um nur einige zu nennen. Um dieses Problem zu umgehen, wurde eine Technik namens AFM-IR entwickelt, die die Rasterkraftmikroskopie (AFM) mit der Infrarotspektroskopie (IR) kombiniert. Bei dieser Technik liefert eine gepulste IR-Laserquelle, die auf den Bereich unterhalb des AFM-Cantilevers gerichtet ist, IR-Strahlung, die von der Probe absorbiert werden kann. Die daraus resultierende thermische Ausdehnung wird von dem hochempfindlichen AFM-Cantilever erfasst. Die Detektion erfolgt somit im Nahfeld und umgeht die Beugungsgrenze. AFM-IR kann Auflösungen von bis zu 20 nm im Kontaktmodus und 10 nm im Tapping-Modus erreichen.  

Forschungsbereiche

Neue Anwendungen

In unserer Arbeit wenden wir AFM-IR auf ein breites Spektrum von Proben/Forschungsbereichen an:  

  1. In den letzten Jahren haben wir einen Ansatz zur intrazellulären Proteindetektion in Pilzen durch die Kombination von AFM-IR, Fluoreszenzmikroskopie und chemometrischen Modellen entwickelt.  Hier kann AFM-IR direkt, ohne Notwendigkeit von Färbereaktionen oder "Staining" Zellbestandteile detektieren.
  2. Bei der Anwendung auf polymere Materialien zeigt AFM-IR die Hauptkomponenten, die Phasenverteilung und Verunreinigungen. Wir haben ein Protokoll für die AFM-IR-Untersuchung von Polymeren im Klopfmodus entwickelt. Kürzlich haben wir AFM-IR eingesetzt, um ein recyceltes Polyolefin-Gemisch zu untersuchen. AFM-IR Daten helfen Polymer- und Materialwissenschaftlern ihre Materialien auf der Nanometerebene zu verstehen und dadurch bessere Polymere zu designen und höhere Recyclingraten zu erlangen.
  3. Weitere aktuelle Interessengebiete sind Energiematerialien und Pflanzengewebe.

Neue AFM-IR Methoden

zeit arbeiten wir an der Entwicklung von Instrumenten, die einfachere Messungen in Flüssigkeiten ermöglichen, sowie an einem tieferen Verständnis der Eigenschaften der Technik durch die Ermittlung einer Point Spread Function. 

 

ForscherInnen

Georg Ramer

Catarina Santos

Ufuk Yilmaz

Yide Zhang

Elisabeth Holub

Pressespiegel

"Forscher entwickelten Mikroskop, das Proteine in Zellen hochpräzise lokalisiert", öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster (derstandard.at)

"Das Protein-Mikroskop", öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster (Verband Biologie, Biowissenschaften & Biomedizin in Deutschland)

Publikationen

M. Wang et al., “High Throughput Nanoimaging of Thermal Conductivity and Interfacial Thermal Conductance,” Nano Lett., vol. 22, no. 11, pp. 4325–4332, Jun. 2022, doi: 10.1021/acs.nanolett.2c00337, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster.

A. C. V. D. dos Santos, B. Lendl, and G. Ramer, “Systematic analysis and nanoscale chemical imaging of polymers using photothermal-induced resonance (AFM-IR) infrared spectroscopy,” Polymer Testing, vol. 106, p. 107443, Feb. 2022, doi: 10.1016/j.polymertesting.2021.107443, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster.

M. Weiss et al., “Elemental mapping of fluorine by means of molecular laser induced breakdown spectroscopy,” Analytica Chimica Acta, vol. 1195, p. 339422, Feb. 2022, doi: 10.1016/j.aca.2021.339422, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster.

A. C. V. D. dos Santos, D. Tranchida, B. Lendl, and G. Ramer, “Nanoscale chemical characterization of a post-consumer recycled polyolefin blend using tapping mode AFM-IR,” Analyst, vol. 147, no. 16, pp. 3741–3747, 2022, doi: 10.1039/D2AN00823H, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster.

M. Winzely et al., “AFM investigation of APAC (antiplatelet and anticoagulant heparin proteoglycan),” Anal Bioanal Chem, Nov. 2021, doi: 10.1007/s00216-021-03765-y, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster.

A. C. V. D. dos Santos et al., “Nanoscale Infrared Spectroscopy and Chemometrics Enable Detection of Intracellular Protein Distribution,” Anal. Chem., Dec. 2020, doi: 10.1021/acs.analchem.0c02228, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster.

G. Ramer et al., “High-Q dark hyperbolic phonon-polaritons in hexagonal boron nitride nanostructures,” Nanophotonics, vol. 9, no. 6, May 2020, doi: 10.1515/nanoph-2020-0048, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster.

X. Ma et al., “Revealing the Distribution of Metal Carboxylates in Oil Paint from the Micro‐ to Nanoscale,” Angew. Chem., vol. 131, no. 34, pp. 11778–11782, Aug. 2019, doi: 10.1002/ange.201903553, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster.