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Articulo de referencia

Microscopio óptico de barrido de campo cercano

Diagrama que ilustra la óptica de campo cercano , con la difracción de la luz proveniente de la sonda de fibra NSOM, mostrando la longitud de onda de la luz y el campo cercano. ...

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Diagrama que ilustra la óptica de campo cercano , con la difracción de la luz proveniente de la sonda de fibra NSOM, mostrando la longitud de onda de la luz y el campo cercano. [ 1 ]
Comparación de mapas de fotoluminiscencia registrados a partir de una lámina de disulfuro de molibdeno utilizando NSOM con una sonda campanilla (arriba) y microscopía confocal convencional (abajo). Barras de escala: 1 μm. [ 2 ]

La microscopía óptica de barrido de campo cercano ( NSOM ) o microscopía óptica de barrido de campo cercano ( SNOM ) es una técnica de microscopía para la investigación de nanoestructuras que supera el límite de resolución de campo lejano al explotar las propiedades de las ondas evanescentes . En SNOM, la luz láser de excitación se enfoca a través de una apertura con un diámetro menor que la longitud de onda de excitación, lo que resulta en un campo evanescente (o campo cercano) en el lado opuesto de la apertura. [ 3 ] Cuando la muestra se escanea a una pequeña distancia por debajo de la apertura, la resolución óptica de la luz transmitida o reflejada está limitada únicamente por el diámetro de la apertura. En particular, se ha demostrado una resolución lateral de 6 nm [ 4 ] y una resolución vertical de 2 a 5 nm. [ 5 ] [ 6 ]  

Al igual que en la microscopía óptica, el mecanismo de contraste se puede adaptar fácilmente para estudiar diferentes propiedades, como el índice de refracción , la estructura química y la tensión local. Mediante esta técnica también se pueden estudiar propiedades dinámicas a escala sublongitudinal.

NSOM/SNOM es una forma de microscopía de sonda de barrido .

Historia

A Edward Hutchinson Synge se le atribuye la concepción y el desarrollo de la idea de un instrumento de imagen que generaría imágenes mediante la excitación y recolección de la difracción en el campo cercano . Su idea original, propuesta en 1928, se basaba en el uso de luz intensa casi plana proveniente de un arco bajo presión detrás de una película metálica delgada y opaca con un pequeño orificio de aproximadamente 100  nm. El orificio debía permanecer dentro de los 100  nm de la superficie, y la información se recolectaría mediante escaneo punto por punto. Previó que la iluminación y el movimiento del detector serían las mayores dificultades técnicas. [ 7 ] [ 8 ] John A. O'Keefe también desarrolló teorías similares en 1956. Pensó que el movimiento del orificio o del detector cuando está tan cerca de la muestra sería el problema más probable que podría impedir la realización de dicho instrumento. [ 9 ] [ 10 ] Fueron Ash y Nicholls en el University College London quienes, en 1972, rompieron por primera vez el límite de difracción de Abbe usando radiación de microondas con una longitud de onda de 3 cm. Se resolvió una rejilla de línea con una resolución de λ 0 /60. [ 11 ] Una década después, Dieter Pohl presentó una patente sobre un microscopio óptico de campo cercano , [ 12 ] seguido en 1984 por el primer artículo que usó radiación visible para escaneo de campo cercano. [ 13 ] El microscopio óptico de campo cercano (NFO) implicaba una apertura sublongitudinal en el ápice de una punta transparente afilada recubierta de metal, y un mecanismo de retroalimentación para mantener una distancia constante de unos pocos nanómetros entre la muestra y la sonda. Lewis et al. también eran conscientes del potencial de un microscopio NFO en ese momento. [ 14 ] Informaron los primeros resultados en 1986 que confirmaban la superresolución. [ 15 ] [ 16 ] En ambos experimentos, se pudieron reconocer detalles de tamaño inferior a 50 nm (aproximadamente λ 0 /10).  

Teoría

Según la teoría de Abbe sobre la formación de imágenes, desarrollada en 1873, la capacidad de resolución de un componente óptico está limitada, en última instancia, por la dispersión de cada punto de la imagen debido a la difracción. A menos que la apertura del componente óptico sea lo suficientemente grande como para captar toda la luz difractada, los detalles de la imagen no corresponderán exactamente al objeto. Por lo tanto, la resolución mínima (d) del componente óptico está limitada por el tamaño de su apertura y se expresa mediante el criterio de Rayleigh :

d=0,61λ0norteA{\displaystyle d=0.61{\frac {\lambda _{0}}{N\!A}}\;\!}

Aquí, λ₀ es la longitud de onda en el vacío; NA es la apertura numérica del componente óptico (máximo 1,3–1,4 para objetivos modernos con un factor de magnificación muy alto). Por lo tanto, el límite de resolución suele estar alrededor de λ₀ / 2 para la microscopía óptica convencional. [ 17 ]

Este tratamiento solo considera la luz difractada en el campo lejano que se propaga sin restricciones. La microscopía de campo cercano (NSOM) utiliza campos evanescentes o no propagantes que existen únicamente cerca de la superficie del objeto. Estos campos transportan la información espacial de alta frecuencia sobre el objeto y tienen intensidades que disminuyen exponencialmente con la distancia. Por ello, el detector debe colocarse muy cerca de la muestra en la zona de campo cercano, típicamente a unos pocos nanómetros. En consecuencia, la microscopía de campo cercano sigue siendo principalmente una técnica de inspección de superficie. El detector se desplaza sobre la muestra mediante una platina piezoeléctrica . El escaneo puede realizarse a una altura constante o con altura regulada mediante un mecanismo de retroalimentación. [ 18 ]

Modos de funcionamiento

Funcionamiento con y sin apertura

Esquema de a) punta típica recubierta de metal y b) punta afilada sin recubrimiento. [ 19 ]

Existen microscopios ópticos de campo cercano (NSOM) que pueden funcionar en el llamado modo de apertura y otros NSOM que funcionan en modo sin apertura. Como se muestra en la ilustración, las puntas utilizadas en el modo sin apertura son muy afiladas y no tienen recubrimiento metálico.

Aunque las puntas con apertura presentan numerosos problemas (calentamiento, artefactos, contraste, sensibilidad, topología e interferencias, entre otros), el modo con apertura sigue siendo el más popular. Esto se debe principalmente a que el modo sin apertura es aún más complejo de configurar y operar, y su funcionamiento no se comprende del todo. Existen cinco modos principales de operación para el microscopio de campo cercano con apertura (NSOM) y cuatro para el NSOM sin apertura. Los principales se ilustran en la siguiente figura.

Modos de operación abiertos: a) iluminación, b) recolección, c) recolección de iluminación, d) reflexión y e) recolección de reflexión. [ 20 ]
Modos de operación sin apertura: a) tunelización de fotones (PSTM) mediante una punta transparente afilada, b) PSTM mediante una punta opaca afilada sobre una superficie lisa, y c) microscopía interferométrica de barrido sin apertura con doble modulación. [ 19 ]

Algunos tipos de operación NSOM utilizan una sonda de campana , que tiene forma de pirámide cuadrada con dos caras recubiertas de metal. Dicha sonda tiene una alta eficiencia de recolección de señal (>90%) y no tiene corte de frecuencia. [ 21 ] Otra alternativa son los esquemas de "punta activa", donde la punta está funcionalizada con fuentes de luz activas como un colorante fluorescente [ 22 ] o incluso un diodo emisor de luz que permite la excitación de fluorescencia. [ 23 ]

Las ventajas de las configuraciones NSOM con y sin apertura se pueden combinar en un diseño de sonda híbrida, que contiene una punta metálica unida al lateral de una fibra óptica cónica. En el rango visible (de 400  nm a 900  nm), aproximadamente el 50 % de la luz incidente se puede enfocar en el ápice de la punta, que tiene un  radio de unos 5 nm. Esta sonda híbrida puede transmitir la luz de excitación a través de la fibra para realizar espectroscopia Raman potenciada por punta (TERS) en el ápice de la punta y recoger las señales Raman a través de la misma fibra. Se ha demostrado la técnica STM-NSOM-TERS de fibra de entrada y salida sin lentes. [ 24 ]

Mecanismos de retroalimentación

Los mecanismos de retroalimentación se utilizan habitualmente para obtener imágenes de alta resolución y sin artefactos, ya que la punta debe posicionarse a pocos nanómetros de las superficies. Algunos de estos mecanismos son la retroalimentación de fuerza constante y la retroalimentación de fuerza de corte.

El modo de retroalimentación de fuerza constante es similar al mecanismo de retroalimentación utilizado en la microscopía de fuerza atómica (AFM). Los experimentos pueden realizarse en modo de contacto, contacto intermitente y sin contacto.

En el modo de retroalimentación de fuerza cortante, se monta un diapasón junto a la punta y se le hace oscilar a su frecuencia de resonancia. La amplitud está estrechamente relacionada con la distancia entre la punta y la superficie, y por lo tanto se utiliza como mecanismo de retroalimentación. [ 18 ]

Contraste

Es posible aprovechar las diversas técnicas de contraste disponibles para la microscopía óptica mediante NSOM, pero con una resolución mucho mayor. Al utilizar el cambio en la polarización de la luz o la intensidad de la luz en función de la longitud de onda incidente, es posible emplear técnicas de mejora del contraste como la tinción , la fluorescencia , el contraste de fase y el contraste de interferencia diferencial . También es posible proporcionar contraste utilizando el cambio en el índice de refracción, la reflectividad, la tensión local y las propiedades magnéticas, entre otras. [ 18 ] [ 19 ]

Instrumentación y configuración estándar

Diagrama de bloques de una configuración NSOM de reflexión sin apertura hacia la fibra con control de distancia por fuerza de corte y polarización cruzada; 1: divisor de haz y polarizadores cruzados; 2: disposición de la fuerza de corte; 3: soporte de la muestra en una platina piezoeléctrica. [ 20 ]

Los componentes principales de una configuración NSOM son la fuente de luz, el mecanismo de retroalimentación, la punta de escaneo, el detector y la platina piezoeléctrica para la muestra. La fuente de luz suele ser un láser enfocado en una fibra óptica a través de un polarizador , un divisor de haz y un acoplador. El polarizador y el divisor de haz sirven para eliminar la luz parásita de la luz reflejada. La punta de escaneo, según el modo de operación, suele ser una fibra óptica estirada o tensada, recubierta de metal excepto en la punta, o simplemente un voladizo AFM estándar con un orificio en el centro de la punta piramidal. Se pueden utilizar detectores ópticos estándar, como fotodiodos de avalancha , tubos fotomultiplicadores (PMT) o CCD . Las técnicas NSOM altamente especializadas, como la NSOM Raman , tienen requisitos de detector mucho más estrictos. [ 19 ]

Espectroscopia de campo cercano

Como su nombre lo indica, la información se recopila mediante técnicas espectroscópicas en lugar de imágenes en el régimen de campo cercano. Mediante la espectroscopia de campo cercano (NFS), se puede realizar un análisis espectroscópico con resolución sublongitudinal. La microscopía óptica de campo cercano Raman (SNOM) y la microscopía óptica de campo cercano de fluorescencia (SNOM) son dos de las técnicas NFS más populares, ya que permiten la identificación de características a nanoescala con contraste químico. A continuación, se describen algunas de las técnicas espectroscópicas de campo cercano más comunes.

La espectroscopia Raman NSOM local directa se basa en la espectroscopia Raman. La espectroscopia Raman NSOM con apertura se ve limitada por puntas muy calientes y romas, y por largos tiempos de adquisición. Sin embargo, la espectroscopia NSOM sin apertura permite alcanzar altos factores de eficiencia de dispersión Raman (alrededor de 40). Los artefactos topológicos dificultan la aplicación de esta técnica en superficies rugosas.

La espectroscopia Raman potenciada por punta (TERS) es una variante de la espectroscopia Raman potenciada por superficie (SERS). Esta técnica se puede utilizar en una configuración NSOM de fuerza de cizallamiento sin apertura, o mediante una punta de AFM recubierta de oro o plata. Se observa una potenciación significativa de la señal Raman bajo la punta del AFM. Esta técnica se ha utilizado para obtener variaciones locales en los espectros Raman bajo un nanotubo de pared simple. Para la detección de la señal Raman, es necesario utilizar un espectrómetro optoacústico de alta sensibilidad.

La microscopía óptica de campo cercano por fluorescencia (NSOM) es una técnica muy popular y sensible que utiliza la fluorescencia para la obtención de imágenes de campo cercano, y resulta especialmente adecuada para aplicaciones biológicas. La técnica de elección en este caso es la emisión sin apertura hacia la fibra en modo de fuerza de cizallamiento constante. Esta técnica emplea colorantes a base de merocianina incrustados en una resina apropiada. Se utilizan filtros de borde para eliminar toda la luz láser primaria. Con esta técnica se puede alcanzar una resolución de hasta 10  nm.

La espectrometría infrarroja de campo cercano y la microscopía dieléctrica de campo cercano [ 19 ] utilizan sondas de campo cercano para combinar la microscopía submicrométrica con la espectroscopía IR localizada. [ 25 ]

El método nano-FTIR [ 26 ]  es una espectroscopia de banda ancha a nanoescala que combina NSOM sin apertura con iluminación de banda ancha y detección FTIR para obtener un espectro infrarrojo completo en cada ubicación espacial. Se ha demostrado con nano-FTIR sensibilidad a un único complejo molecular y resolución a nanoescala de hasta 10 nm. [ 27 ]

La técnica de nanofocalización permite crear una fuente de luz "blanca" a escala nanométrica en el ápice de la punta, la cual puede utilizarse para iluminar una muestra en campo cercano para análisis espectroscópico. Se obtienen imágenes de las transiciones ópticas interbanda en nanotubos de carbono de pared simple individuales, y se ha reportado una resolución espacial de alrededor de 6 nm. [ 28 ]

Artefactos

La microscopía óptica de campo cercano (NSOM) puede presentar artefactos que no se deben al modo de contraste previsto. Las causas más comunes de artefactos en NSOM son la rotura de la punta durante el escaneo, el contraste en franjas, el contraste óptico desplazado, la concentración local de luz en el campo lejano y los artefactos topográficos.

En la NSOM sin apertura, también conocida como SNOM de tipo dispersivo o s-SNOM, muchos de estos artefactos se eliminan o pueden evitarse mediante la aplicación de la técnica adecuada. [ 29 ]

Limitaciones

Una limitación es su corta distancia de trabajo y su escasa profundidad de campo . Normalmente se limita a estudios de superficie; sin embargo, puede utilizarse para investigaciones subsuperficiales dentro de la profundidad de campo correspondiente. En el modo de fuerza de corte y otras operaciones de contacto, no resulta adecuado para el estudio de materiales blandos. Requiere largos tiempos de escaneo para áreas de muestra grandes y para obtener imágenes de alta resolución.

Una limitación adicional es la orientación predominante del estado de polarización de la luz de interrogación en el campo cercano de la punta de escaneo. Las puntas de escaneo metálicas orientan naturalmente el estado de polarización perpendicularmente a la superficie de la muestra. Otras técnicas, como la microespectroscopia de terahercios anisotrópica, utilizan polarimetría en el plano para estudiar propiedades físicas inaccesibles para los microscopios ópticos de escaneo de campo cercano, incluyendo la dependencia espacial de las vibraciones intramoleculares en moléculas anisotrópicas.

Véase también

Referencias

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