Kết hợp kính hiển vi Raman với kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) là một trong những bước tiến quan trọng trong phân tích vật liệu hiện đại, cho phép đồng thời thu nhận thông tin về thành phần hóa học phân tử và tính chất hình thái – cơ – điện – cơ học của bề mặt vật liệu ở cấp độ nano. Oxford Instruments – một trong những công ty hàng đầu thế giới về thiết bị phân tích – đã phát triển các giải pháp tích hợp mạnh mẽ giữa AFM và Raman, giúp nâng cao độ chính xác, độ nhạy và giá trị phân tích đa chiều.
Danh mục sản phẩm của Oxford Instruments cung cấp cho các nhà nghiên cứu một loạt các giải pháp phân tích vật liệu đa dạng, trong đó một số có thể được kết hợp với nhau để thu được cái nhìn toàn diện hơn so với khi sử dụng các kỹ thuật đơn lẻ.
Một ví dụ tiêu biểu về các phương pháp bổ trợ là chụp ảnh Raman, do Oxford Instruments WITec tiên phong phát triển, được sử dụng phối hợp với kính hiển vi lực nguyên tử (AFM), đến từ Oxford Instruments Asylum Research – những người đi đầu trong lĩnh vực này.
Bản ghi chú kỹ thuật này sẽ mô tả sự tương thích và lợi ích của các thiết bị liên quan cùng với hệ tọa độ di động của Oxford Instruments trong việc phân tích mẫu vật liệu polymer polystyrene (PS) – polycaprolactone (PCL).
(a) Hệ tọa độ dựa trên hình ảnh video của TrueOrigin – sử dụng các điểm mốc vật lý hoặc đặc điểm nhận diện trên mẫu, được phần mềm nhận diện thông qua hình ảnh video.
(b) Hệ tọa độ của Ergo Advanced Automation – dựa trên phép biến đổi giữa hai bộ tọa độ gồm ba điểm: một bộ so với tâm bàn máy và một bộ so với các điểm mốc tham chiếu (fiducial markers).
Mẫu, Công cụ và Phương pháp tiếp cận tương quan
Để minh họa những lợi ích độc đáo của việc kết hợp hình ảnh Raman tương quan và phân tích AFM, một mẫu hỗn hợp polymer gồm polystyrene (PS) và polycaprolactone (PCL) đã được lựa chọn. Mẫu này được chuẩn bị bằng phương pháp spin-coating, một kỹ thuật thường tạo ra các “đảo” của các pha polymer khác nhau.
Hình ảnh Raman cho phép xác định thành phần hóa học và trực quan hóa sự phân bố của các thành phần này, trong khi AFM có thể mô tả hình thái bề mặt và tính chất cơ học của mẫu.
Việc đo hình ảnh Raman được thực hiện bằng hệ thống alpha300 sử dụng tia laser kích thích 532 nm, máy quang phổ UHTS 600 kết hợp với camera CCD sau chiếu sáng của Oxford Instruments Andor Newton, thấu kính hiển vi, cùng với phần mềm điều khiển đo và đánh giá dữ liệu được tích hợp TrueOrigin.
Hình ảnh của kính hiển vi lực nguyên tử AFM được thực hiện bằng thiết bị Jupiter và phần mềm Ergo. Kính hiển vi AFM vận hành ở chế độ AM-FM (Biến độ biên độ – Biến độ tần số), còn được gọi là lập bản đồ viscoelastic, một trong nhiều tùy chọn đặc trưng cơ học nano thuộc bộ công cụ NanomechPro.
Chế độ AM-FM là một kỹ thuật lưỡng thức, kết hợp giữa sự ổn định, dễ sử dụng, nhẹ nhàng và độ phân giải cao của chế độ AC (gõ nhẹ) với độ nhạy của hình ảnh chế độ dao động cao hơn. Trong nghiên cứu này, đầu dò Olympus AC160TS-R3 (tần số cộng hưởng f = 300 kHz, độ cứng k = 26 N/m) được sử dụng trong môi trường không khí, với diện tích quét 10 µm (toàn cảnh) và 1 µm (phóng to) ở tốc độ quét 1 Hz.
Việc liên kết hình ảnh giữa Raman và AFM được thực hiện bằng ảnh chụp màn hình, cụ thể là các hình ảnh phóng to các điểm đánh dấu TrueOrigin (quan sát qua quang học của kính hiển vi, Hình 2a) và bản đồ Ergo (hiển thị tất cả các điểm đánh dấu và vị trí người dùng trên bàn dịch chuyển, Hình 2b). Các hình ảnh này có thể được tải vào hộp thoại TrueOrigin để căn chỉnh các điểm đánh dấu và định vị khu vực quan tâm (ROI) chung.
Việc so sánh trực tiếp giữa hình ảnh địa hình (topography) và hình ảnh Raman trong Hình 3 cho thấy khả năng xác định chính xác các đặc điểm có kích thước dưới micron, ngay cả sau khi mẫu đã được di chuyển giữa các thiết bị khác nhau.
Như thể hiện trong Hình 3a, hai pha polymer PS và PCL có thể được phân biệt rõ ràng dựa trên phổ Raman thông qua phương pháp phân tích TrueComponent. Với quy trình căn chỉnh đơn giản đã mô tả trước đó, việc thu nhận hình ảnh hình thái bề mặt bằng AFM có thể được thực hiện trên cùng một vùng quan tâm (ROI).
Hình 3b minh họa rằng không chỉ có thể nhận diện rõ ràng hai pha PS và PCL thông qua các kênh khác nhau như:
- Pha (phase)
- Tần số (frequency)
- Sự tiêu tán (dissipation)
…mà còn có thể thu được các đặc tính vật liệu quan trọng, chẳng hạn như mô đun đàn hồi (Young’s modulus).
Đối với đặc tính này, chế độ AM-FM cho thấy rõ ràng rằng mô đun đàn hồi lưu trữ (storage modulus) của PS (màu nâu sáng) cao hơn so với PCL (màu nâu đậm).
Ngoài ra, nhờ vào độ phân giải không gian cao và tác động nhẹ nhàng của chế độ AC, có thể quan sát được cấu trúc sợi mảnh (fibrillar) tinh tế của PCL trong nhiều kênh ảnh khác nhau.
Theo cách này, địa hình và bản đồ viscoelastic từ AFM được nâng cao giá trị thông qua khả năng xác định hóa học và trực quan hóa mà kỹ thuật Raman mang lại.
