荧光淬灭显微镜

荧光淬灭显微镜:成像二维材料

 
Alane Lim 和 Jiaxing Huang*
材料科学与工程系   
Northwestern University, Evanston, IL 60208, USA
*Email: jiaxing-huang@northwestern.edu


 介绍

人们在过去几年中开发的荧光淬灭显微镜(FQM)1–3使得快速、廉价和高保真地实现二维(2D)材料可视化成为了可能(例如石墨烯基片材(Aldrich货号763713794341777684)和MoS2(Aldrich货号234842 和 69860)。石墨烯和其他新兴的2D材料具有新颖的性能和令人兴奋的应用,4在近年来引起了研究人员相当大的兴趣4,但是对这些材料进行表征仍然是一个不小的挑战。在传统荧光显微镜中,通过荧光标记可以实现成像,即通过激发使得目标在黑暗背景下变亮。然而,当感兴趣的物体是如石墨和石墨烯基片材一类的强荧光猝灭剂时,该方法就变得不怎么有效了。1,5,6基于FQM的技术使用了相反的方法,在目标及其周边地区上覆盖一层荧光层,激发时,石墨烯基片材在明亮背景下显得黑暗。二维材料的长程荧光淬灭能力1–3,5也使得区分重叠层、皱纹和褶皱成为可能,因为它们会比单层显得更暗。因此,FQM能够产生具有对比度和层分辨率的清晰图像,和从原子力显微镜(AFM)和扫描电子显微镜(SEM)中获得的图像在一个水平上。FQM的另一个优势是其在不同格式下的灵活性:能够在任意衬底和溶液中实现二维片材成像。
 

 FQM二维材料成像的基本原理

石墨烯基片材通过偶极-偶极相互作用或短程电子/电荷转移介导的长程能量转移来实现染料分子荧光猝灭。电荷转移机制需要轨道重叠,因此被限制在分子有接触的距离内。相比之下,偶极-偶极相互作用可以通过空的甚至已被占用的空间发生,具有更长的距离7。虽然这两种机制都会导致荧光淬灭,但是只有属于Forster共振能量转移(FRET)的长程机制才适用于FQM,因为其能够在不同数量的层之间形成对比。1–3,8在FQM测量中,信号对比度是通过感兴趣样品和基底之间的荧光猝灭差所产生的(对于所有材料来说,这一点都是通用的)。由于FQM的横向分辨率具有衍射极限,因此在使用标准光学显微镜进行测量时,FQM特别适用于微米级横向尺寸的物体成像,如石墨烯片材、氧化石墨烯和其他2D材料片材。
 

 FQM的方法和步骤

FQM样品可以通过将染色后的聚合物层旋涂到基底上来实现方便制备(图1A)。通过加入聚合物来产生均匀的薄膜,在其上分散荧光染料以实现成像。由于石墨烯基片材具有宽带淬灭能力,因此FQM不受光照波长的限制,可以使用各种荧光材料。因此,基于其在不同溶剂中的可加工性以及它们形成薄膜的能力,我们可以使用大量的染料/聚合物组合。例如,荧光素(Sigma 货号46955)/聚乙烯吡咯烷酮(Aldrich货号234257856568437190)(FL / PVP),其可以在水或乙醇中进行处理,以及4-(二氰基亚甲基)-2-甲基- 6-(4-二甲基氨基苯乙烯基)-4H-吡喃(Aldrich货号410497)/聚(甲基丙烯酸甲酯)(Aldrich货号182230445746等)(DCM / PMMA),其可以在氯仿(Sigma-Aldrich货号437581等)、甲苯(Siga-Aldrich货号179418等)和茴香醚(Sigma-Aldrich货号123226 和 296295)中进行处理。荧光层可以位于样品的顶部或下方。染料/聚合物层的厚度会影响FQM图像的对比度。我们已经发现,当染料层厚度在几十纳米范围内,会生成最高质量的FQM图像,实现高对比度,可以分辨不同层数。图1B是通过荧光显微镜的目镜用数码相机拍摄的FQM图像,样品是沉积在玻璃盖玻片上的氧化石墨烯(GO)片材。此图像代表FQM下的裸眼视图。请注意,如果基底本身具有荧光性,那么也可以利用这种自发荧光来直接进行FQM,无需任何额外的染料层。
 

通过在沉积在任意基底上的样品上施加一层染料涂层就可以方便地进行FQM。 B)通过数字照相机直接从显微镜目镜获得的玻璃盖玻片GO片材裸眼视图,其可以显示不同层数之间的鲜明对比。

图1. A)通过在沉积在任意基底上的样品上施加一层染料涂层就可以方便地进行FQM。 B)通过数字照相机直接从显微镜目镜获得的玻璃盖玻片GO片材裸眼视图,其可以显示不同层数之间的鲜明对比。可以清楚地看到皱纹、褶皱和重叠。染料层是FL / PVP。转载自参考文献1,美国化学学会版权

与三种最常用的二维材料成像显微镜方法——光学显微镜、原子力显微镜(AFM)和扫描电子显微镜(SEM)的反射模式相比,FQM具有显著的优势。以上这些技术都局限于沉积在特定基底上的二维片材。只有使用沉积在特定类型硅晶片上的样品,反射模式光学显微镜才能产生足够的对比度。同时,AFM是一种非常低通量的测量方法,只能在分子光滑基底上对小样品区域进行成像。 SEM要求将片材沉积在导电基底上,并且只能在真空下进行。相比之下,与AFM和反射显微镜相比,FQM可以接受很大的表面粗糙度,并可用于各种基底(包括金属、玻璃和塑料)。虽然之前人们发现,石墨烯和相关2D材料在玻璃或塑料基板上难以成像,但FQM最终实现了利用普通化学品和实验室用品来对这些2D片材进行快速显微镜检查。



图2. 通过(A)旋涂和(B)LB组装在盖玻片上沉积的GO片材(Aldrich货号763705)的FQM图像。通过(C)透射和(D)FQM模式获得的悬浮在荧光素溶液中的GO片材的光学显微镜图像。 E)显示在Cu箔上生长的CVD石墨烯薄片的FQM图像。 F)FQM可以很容易地区分具有不同程度石墨化的石墨烯基片材。在(G)反射和(H)FQM模式下获得的SiO2 / Si衬底上CVD生长的MoS2薄片的光学显微镜图像。最薄的片材在FQM图像中的清晰度最好。 C-D)经美国化学学会版权许可,自参考文献1转载。 F-H)经John Wiley&Sons,Inc. 许可,自参考文献3转载。
 

 FQM的能力

由于其具有易用性和低成本,FQM已被许多研究小组用于石墨烯基片材的表征。 FQM特别适用于样品或薄膜形态的快速检查,而这以前是需要使用SEM分析来完成的任务。由于FQM能够获得与SEM同水准的高质量图像(其所用的基底便宜得多,比如盖玻片),所以FQM可以替代SEM用于许多微米尺寸片材的常规成像。事实上,在西北大学,FQM已被纳入本科实验室模块之一,学生们使用这一技术来确定石墨烯基片材的加工技术将如何影响最终的薄膜微观结构。图2A-B分别列出了通过旋涂和Langmuir-Blodgett(LB)组装9沉积在玻璃盖玻片上的GO片材的FQM图像。除了覆盖率的明显差异之外,旋涂样品比LB样品含有显着更高比例的小GO片材。这是由于GO的尺寸依赖两亲性所决定的。10–12较小的片材具有较高的电荷密度,并且亲水性更强,这使得它们在LB组装期间不太可能停留在水面上。FQM还可以在水中直接实现GO片材的可视化。图2D是FQM图像,其清楚地显示了悬浮在荧光素水溶液中的GO片材,而其在透射模式下几乎不可见(图2C)。这种能力可以实时观察在去湿过程中毛细管作用是如何控制GO片材的,从而激发了我们通过气溶胶合成路线发现像皱缩纸球一样的石墨烯。8,13如前所述,FQM只要求在样品和底物之间具有可检测到的荧光淬灭能力的差异即可。因此,FQM甚至可以观察沉积在金属表面上的石墨烯,即使金属表面本身就是强烈的猝灭剂也不例外。比如,图2E显示了通过化学气相沉积(CVD)在Cu箔(Aldrich货号773697)上生长的石墨烯片材。3FQM的另一个能力是它可以非常容易地在具有不同石墨化程度的石墨烯样品之间产生对比度。图2F中的FQM图像显示了在GO和还原GO(r-GO)之间存在着非常强烈的对比,r-GO的石墨化程度更强,因为r-GO比GO的荧光猝灭能力更强。通过在石墨烯片材上书写绝缘sp3畴,可以形成石墨烯图案或电路,该能力对此类材料的可视化非常有用。14最近,FQM还被扩展到了MoS2片材的可视化(图2G-H)。3

也有人担心用于FQM的染料/聚合物涂层可能会引入额外的加工步骤,形成可能的样品污染源。然而,对于大多数常规样品测试需求来说,这不是问题,因为大多数样品在显微镜之后不需要进一步实验。即使在需要对同一样品进行进一步实验的应用中,FQM也可以很容易地整合到现有的处理步骤中,不会带来额外的困难,甚至可以实现新的功能。例如,人们通常将一层PMMA施加到CVD生长的石墨烯样品上,以将其从金属箔基底上去除,这也可以用于形成FQM荧光层。类似地,器件制造通常涉及用光刻胶或电子束抗蚀剂聚合物层涂覆样品,其也可以用于FQM目的。事实上,在片材专用投影光刻中,可以首先选择薄片,然后在荧光显微镜下对相同的薄片进行光刻,2最后,由于染料分散在聚合物层中,所以只有非常有限数量的染料分子会与2D片材发生接触。至少在FL / PVP系统中,荧光层可以方便地用水和乙醇洗掉,不会干扰和污染底层片材。1
 

 参考文献

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