[论文解读] Nanoscale optical and structural characterisation of silk

Meguya Ryu, Reo Honda+11 more|arXiv (Cornell University)|Feb 7, 2019

Silk-based biomaterials and applications被引用 3

一句话总结

本研究利用纳米薄（100 nm）纵向切片，实现了在丝绸的高光谱红外（IR）成像中亚10 nm的空间分辨率，从而可直接测量纳米尺度的光学各向异性。研究证实，仅1–2%的透射率变化即可可靠检测到酰胺带中因分子取向引起的光学各向异性，验证了丝绸在纳米尺度下的结构与光学性质保持完整。

ABSTRACT

Background: Nanoscale composition of silk defining its unique properties via a hierarchical structural anisotropy has to be analysed at the highest spatial resolution of tens-of-nanometers corresponding to the size of fibrils made of b-sheets, which are the crystalline building blocks of silk. Results: Nanoscale optical and structural properties of silk have been measured from 100-nm thick longitudinal slices of silk fibers with ~10 nm resolution, the highest so far. Optical sub-wavelength resolution in hyperspectral mapping of absorbance and molecular orientation were carried out for comparison at IR wavelengths 2-10 micrometers using synchrotron radiation. Conclusion: Reliable distinction of transmission changes by only 1-2% due to anisotropy of amide bands was obtained from nano-thin slices of silk.

研究动机与目标

• 实现丝绸在纳米尺度的空间分辨率，特别是在β-折叠纤维束层面的光学与结构表征。
• 探究亚波长分辨率是否能可靠检测因酰胺带分子取向引起的各向异性吸收。
• 验证超薄（100 nm）切片是否能保持丝蛋白等软生物聚合物的本征光学与结构特性。
• 比较远场与近场红外测量在纳米尺度下对吸收与双折射的评估表现。
• 确定纳米切片是否能消除块体或较厚样品中普遍存在的光学平均效应，从而实现对本征光学性质的直接测量。

提出的方法

• 使用超薄切片机制备厚度为100 nm的丝绸纤维纵向横截面，以实现最小化的光学平均效应，获得纳米尺度厚度。
• 采用基于同步辐射的近场扫描光学显微镜（SNOM），利用约10 nm的探针分辨率，在2–10 µm波段内进行高光谱红外成像。
• 在红外波长范围内进行高光谱吸收与延迟测量，通过双折射度Δ" = k(κ∥ − κ⊥)d评估分子取向各向异性。
• 将SNOM（近场）与远场FTIR/ATR-FTIR技术测得的吸收光谱进行比较，验证不同测量模式间的一致性。
• 使用公式T∥/T⊥ = exp(−2Δ")量化平行与垂直偏振态之间的透射率差异，将双折射度与可测量的透射率变化关联起来。
• 分析酰胺I、II和A带，评估其吸收与双折射随取向变化的特性，关联其与结构各向异性的关系。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在丝绸的高光谱红外成像中实现亚10 nm的空间分辨率，以分辨纳米尺度的结构与光学各向异性？
• RQ2 在100 nm厚的丝绸切片中，吸收各向异性（双折射度）的大小是多少？其在纳米尺度下是否可被可靠测量？
• RQ3 丝绸的超薄切片是否能保持其本征光学与结构特性？
• RQ4 在光谱特征与对分子取向的敏感性方面，近场（SNOM）与远场红外测量有何异同？
• RQ5 由于分子各向异性导致的透射率变化（如T∥/T⊥）在多大程度上处于当前纳米尺度红外技术的可检测范围内？

主要发现

• 本研究利用SNOM实现了约10 nm的空间分辨率，为迄今报道的丝绸纳米尺度光学表征中最高的空间分辨率。
• 成功可靠地测量了由分子取向引起的吸收各向异性，平行与垂直偏振态之间的透射率变化仅为1–2%。
• 对于酰胺I带，Δ" ≃ 0.027，导致透射率比T∥/T⊥ ≈ 97.4%，证实了可测量但微弱的各向异性。
• 对于酰胺A带，Δ" ≃ 0.014，导致T∥/T⊥ ≈ 98.6%，表明存在极小但可检测的双折射度。
• 远场与近场吸收光谱在定量上具有可比性，验证了SNOM在纳米切片上测量的可靠性。
• 丝绸的结构与光学性质，包括双折射率（Δn ≈ 4×10⁻³）与吸收度，在100 nm厚的切片中得以保持，证实样品制备未引入显著伪影。