近场光学显微镜的应用实例和未来发展趋势

    近年来，范德瓦尔斯（vdW）材料中的表面极化激元(SP)研究，例如等离极化激元、声子极化激元、激子极化激元以及其他形式极化激元等，受到了广大科研工作者的关注，成为了低维材料领域纳米光学研究的热点。其中，范德瓦尔斯原子层状晶体存在独特的激子极化激元，可诱导可见光到太赫兹广阔电磁频谱范围内的光学波导。同时，具有较强的激子共振可以实现非热刺激（包括静电门控和光激发）的光波导调控。

    前期的众多研究工作表明，扫描近场光学显微镜（SNOM）已经被广泛用于稳态波导的可视化表征，非常适合评估范德瓦尔斯半导体的各向异性和介电张量。 如上所述，范德瓦尔斯材料中具有异常强烈的激子共振，这些激子共振能产生吸收和折射光谱特征，这些特征同样被编码在波导模式的复波矢量qr中，鉴于范德瓦尔斯半导体在近红外和可见光范围内对ab-平面的光学极化率有重大影响，因此引起了人们的研究兴趣。

    2020年7月，美国哥伦比亚大学Aaron J. Sternbach和D.N. Basov教授等研究者在Nature Communications上发表了题为：”Femtosecond exciton dynamics in WSe₂ optical waveguides”的研究文章。研究者以范德瓦尔斯半导体中的WSe₂材料为例，利用德国neaspec公司的纳米空间分辨超快光谱和成像系统，通过飞秒激光激发研究了WSe₂材料中光波导在空间和时间中的电场分布，并成功提取了飞秒光激发后光学常数的时间演化关系。同时，研究者也通过监视波导模式的相速度，探测了WSe2材料中受激非相干的A-exciton漂白和相干的光学斯塔克（Stark）位移。                                                                原文导读：

①    在纳米空间分辨超快光谱和成像（tr-SNOM）实验中（图1，a），研究者首先将Probe探测光（蓝色）照到原子力显微镜（AFM）探针JD的顶点上，从探针JD顶点（光束A）散射回的光被离轴抛物面镜（OAPM）收集并发送到检测器。同时，WSe₂材料的中的波导被激发并传播到样品边缘后，进而波导被散射到自由空间（光束B）。第二个Pump泵通道（红色）可均匀地扰动样本并改变波导的传播。 通过在WSe₂/SiO₂界面处的近场tr-SNOM的振幅图像（图1b）可明显观察到约120 nm厚WSe₂材料边缘（白色虚线）处形成的特征周期条纹—光波导电场分布。研究者进一步通过定量分析数据，分别获取了稳态和光激发态下，WSe₂中波导的光波导的相速度q1,r和q1,p。

图1：纳米空间分辨超快光谱和成像系统对WSe₂材料中光波导的纳米成像结果。

a:实验示意图（蓝色为Probe光，红色为Pump光）；b：近场纳米光学成像 c: 在稳态下，WSe₂边缘的近场光学振幅图像；d: 光激发态下，延迟时间 Δt=1ps的WSe₂边缘的近场光学振幅图像；e: 分别对c、d进行截面分析，获取定量数据。Probe探测能量，E=1.45 eV

②    研究者通过变化Probe探测能量范围（1.46–1.70 eV）及其理论计算成功获取了WSe₂晶体稳态下的色散关系和理论数据显示A-exciton所对应的能量。

图2：WSe₂晶体稳态动力学的时空纳米成像研究。

a: 不同Probe能量的近场光学振幅；b: 傅里叶变换（FT）分析; c:  Lorentz拟合的WSe₂块体材料介电常数面内组成；d: 基于Lorentz模型理论计算的能量动量分布（吸收光谱）。Probe探测能量，E 1.46–1.70 eV。

③    为了进一步研究光激发下WSe₂中波导的色散和动力学，研究者进一步在90 nm的WSe₂材料上，通过探测能量E = 1.61 eV，泵浦能量E = 1.56 eV，泵浦功率1.5 mW的实验条件进行了一列的纳米空间分辨超快光谱和理论研究。研究结果表明（图3a,b），研究者成功获取到了不同延迟时间Δt与δq2和δq1的关系。结果表明：光激发后的DY个ps内，虚部q2（图3a）突然下降（δq2<0）并迅速恢复。另一方面，理论计算结果（图3，c）显示了在A-exciton附近（黑色虚线箭头），初始能量Ex处，稳态（黑色虚线）和激发态A-exciton能量Ex’（蓝色箭头）分别的色散关系。

    为了弄清各种瞬态机制，微分色散关系被研究者引入。首先，研究者定义了微分关系：δqj=qj,p – qj,r，（j=1,2 分别代表波矢的实部和虚部，p, pump激发态，r 稳态）。研究者的理论及实验微分色散关系结果（图3 d、e）成功显示了光诱导转变中A-exciton的动力学行为。结果表明：A-exciton附近微分色散的特征是由两个伴随效应引起的：（i）仅在Δt=0时观察到的A-exciton的7 meV蓝移； （ii）A-exciton的漂白（定义为光谱频谱展宽和/或振荡强度降低（见图3d）。 趋势（i）在1 ps内恢复，与YZ耗散的动力学一致（图3a）。因此，研究者得出结论，A-exciton共振的瞬态蓝移是由于相干的光诱导过程所引起。 趋势（ii）持续时间更长，因此归因于非相干激子动力学。

图3：WSe₂中波导模的微分色散和动力学研究。

a: δq2与Δt曲线；b: δq1与Δt曲线;  c: 平衡和非平衡条件下洛伦兹模型计算的色散关系；d: 理论微分色散关系；e: 实验微分色散关系

    综上所述，波导的瞬态纳米超快成像使我们能够以亚皮秒（ps）时间分辨率来量化光诱导变化的WSe2光学特性。研究者在WSe2上成功观察到了光诱导相速度的大幅变化，这表明所观察到的效应可能在范德瓦尔斯半导体中普遍存在。此外，研究者的研究结果表明，我们可以按需调谐范德瓦尔斯半导体的光学双折射行为。另一方面，研究者的工作开创性地发展了利用tr-SNOM探测超快激子动力学的工作，并为利用波导作为定量光谱学工具研究纳米级光诱导动力学铺平了道路。研究者认为这种超快泵浦探测方法的高空间和时间分辨率，可能同样适用于新奇拓扑材料中的边缘模式和边缘效应的研究。

    neaspec公司利用十数年在近场及纳米红外领域的技术积累，开发出的全新纳米空间分辨超快光谱和成像系统，其Pump激发光可兼容可见到近红外的多组激光器，Probe探测光可选红外（650-2200 cm^-1）或太赫兹（0.5-2 T）波段，实现了在超高空间分辨（20 nm）和超高时间分辨（50 fs）上对被测物质的同时表征，可广泛用于二维拓扑材料、范德瓦尔斯（vdW）材料、量子材料的超快动力学研究。

参考文献：

[1]. Aaron J. Sternbach et.al. Femtosecond exciton dynamics in WSe2 optical waveguides, Nature Communications , 11, 3567 (2020)；https://www.nature.com/articles/s41467-020-17335-w

ACE HILIC法开发平台和工作实例

图17显示了HILIC方法开发的流程图。
一般方法是：收集分析物相关的信息（如果已知的话），针对三个ACE HILIC相（用三款不同的ACE HILIC色谱柱在不同的pH洗脱液条件下）执行梯度或等度HILIC筛选实验（取决于样本分析物的亲水性范围），然后再优化色谱法以达到可接受的HILIC法。
表1中列出了ACE HILIC筛选条件。

这些设计旨在探索广泛的选择性范围，以及为达到所需分离提供一个良好的起点。

图17
ACE HILIC 方法开发流程图

表1
ACE HILIC筛选实验的条件

ACE HILIC色谱柱保存方法

使用之后，ACE HILIC色谱柱应使用体积比为7:3的乙腈和水进行冲洗，清除掉所有的缓冲盐。

然后，使用的异丙醇、以更低的流速进行冲洗，以便贮存。应往回拧紧色谱柱端盖（拧紧色谱柱端盖），并将色谱柱放回盒内。

每次分析运行之后，除非第二天要使用，否则建议采用密闭法（按长期保存的方法）清洗色谱柱，然后用异丙醇冲洗。

实例1 – 咖啡茵和相关化合物

方法开发中所需的咖啡茵和四种相关化合物（可可碱、茶碱、次黄嘌呤和黄嘌呤）这些化合物都是极性的中性物质，其中负log P值表示合理的亲水性（log P为负值明确的表明其亲水性），因此适用于HILIC（图18）。

图18
咖啡茵和相关物质的结构和log P数据

咖啡茵和相关化合物在pH为3-6的情况下不可电离，因此洗脱剂的pH几乎不会直接影响分子。

为此，选择pH 3.0和4.7。

固定相会受洗脱剂pH变化的影响，这可能是有利的一面。

固定相的电离变化将影响粒子周围的水合层，这会影响分析物分散到相中（分配在固定相上）或形成氢键的程度。

因此，在pH3.0和pH4.7的情况下对三个固定相进行筛选，结果如图19中所示。
新的ACE HILIC色谱柱使用60倍柱体积相互平衡（平衡），以在粒子周围形成水合层。表1中显示了流动相、梯度和温度。
筛选结果显示：三个固定相与两个pH值之间观察到一些选择性差异（三个固定相在两个pH值下的筛选结果可以看出彼此间具有选择性的差异）。

基于筛选数据的Z有效分离是针对pH为3.0下的（pH为3.0下的）ACE HILIC-N相。

这些数据选择（选定这些条件）用于进一步优化。

图19
ACE HILIC色谱柱的梯度筛选

条件如表1中所述，275nm条件下的检测除外。进样25mg/mL的咖啡茵混合物2μL（使用pH3.0和pH4.7的甲酸铵，以0.5%w/w的比例混合相关物质和MeCN/H2O（90:10 v/v））
样本：
1) 咖啡茵

2) 茶碱
3) 可可碱
4) 黄嘌呤
5) 次黄嘌呤

较早洗脱峰的保留窗口（时间段）非常窄，这表示：等度HILIC可用于分离分析物。（等度方式的HILIC可以被用于分离这些化合物）10mM甲酸铵，pH3.0（溶于MeCN/H2O中）（94:6 v/v）被选为等度条件（图20）。

在这些条件下，峰4和5要保留得更多（好），但峰2和3仍未解析出（被分离）。
根据梯度运行的结果，乙腈含量更高似乎不会提高峰2和3的解析度（高的乙腈含量没有提高2与3峰的分离度），所以梯度HILIC分析得到改善（所以梯度分析是对混合物分离有更合适的，温度将被研究），从而开发出Z终方法，如图21所示。

图20
ACE HILIC-N相中咖啡茵和相关化合物的等度分析

ACE HILIC-N相中咖啡茵和相关化合物的等度分析
色谱柱：ACE 5 HILIC-N，
150 x 4.6 mm
流动相：10 mM甲酸铵，pH3.0（溶于MeCN/H2O中）（94:6 v/v）
流速：1.5 mL/min
温度：25 °C
检测：UV, 275 nm
进样：2 μL
样本：
1) 咖啡茵

2) 茶碱
3) 可可碱
4) 黄嘌呤
5) 次黄嘌呤

温度的降低会提高茶碱与可可碱之间的解析度（分离度），因此，Z终方法（图21）被认为适合其用途。

图21
Z终开发方法：

色谱柱：ACE 5 HILIC-N，150 x 4.6 mm
流动相：A = 10mM甲酸铵（pH3.0）溶于MeCN/H2O中（96:4 v/v）中 B = 10mM甲酸铵（pH3.0）溶于MeCN/H2O（1:1 v/v）中
梯度：0-B在15分钟内，B持续5分钟，下一次进样维持在起始条件20分钟
流速：1.5 mL/min
温度：15 °C
检测：275 nm
进样：2 μL

实例2 – 肌酸和肌酐

肌酸（图22）是使用甘氨酸和精氨酸合成的氨基酸。

它在为体内细胞提供能量方面起着重要作用（在体内主要用于为细胞供能），并形成（生成）副产品肌酐。测定血液中的肌酐，确定肾功能是否正常，其中肌酐水平的增加表示肾可能不会完全过滤废物。（升高表明肾的过滤废物的功能有所降低）

图22
结构和log P肌酸和肌酐数据

图23
使用pH为3.0、4.7和6.0的甲酸铵对ACE HILIC范围的等度筛选对比
样本：
1) 肌酐
2) 肌酸

在三种pH值条件下，利用等度条件对三个HILIC固定相的两种分析物进行筛选。

结果表明：肌酐在三个ACE HILIC相中被适当地保留，但由于过度保留的原因，肌酸在合理的时间内没有洗脱。

根据图17中的流程图，过度保留窗口表示梯度（宽时间段表明梯度方法）可能更适宜。

图24
ACE HILIC-A相下的Z终方法

ACE HILIC-A在pH3.0下选择，进行梯度分析。

标准梯度在10分钟内析出两种目标分析物，并且解析度很高（分离度很高）（数据未显示）。因此，这使得梯度时间进一步减少（这种情况下可以使梯度运行时间进一步减少），从而缩短了整体运行时间。

Z终方法如图24中所示。

色谱柱：150 x 4.6 mm, 5 μm
流动相：
A：2 mM甲酸铵（pH3.0）溶于MeCN/H2O（90:10 v/v）中
B: 2 mM甲酸铵（pH3.0）溶于MeCN/H2O（50:50 v/v）中
梯度：5-55%B，在10分钟内
流速：1.5 mL/min
检测：230 nm
进样：5 μL
样本：
1) 肌酐
2) 肌酸

结论

HILIC是一种用于多用途的极性分析物色谱分析法（对于极性化合物来说是一种通用的色谱分析模式）。

这种方法比较复杂，但如果遵循简单规则，则可实现可再现的HILIC方法（HILIC方法是可以重现性的）。

三个ACE HILIC相（固定相）设计用于HILIC方法开发期间研究选择性，并尽可能快地提供实现所需分离的选项。

ACE HILIC方法验证协议（规程）已成功用于开发一系列的HILIC方法，应为HILIC方法开发活动提供一种结构化的方法。