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 rompe el límite de resolución del campo lejano al explotar las propiedades de las ondas evanescentes . En SNOM, la luz del láser de excitación se enfoca a través de una apertura con un diámetro menor que la longitud de onda de excitación, lo que da como resultado un campo evanescente (o campo cercano) en el lado lejano 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. Las propiedades dinámicas también se pueden estudiar en una escala inferior a la longitud de onda utilizando esta técnica.
NSOM/SNOM es una forma de microscopía de sonda de barrido .
A Edward Hutchinson Synge se le atribuye el mérito de concebir y desarrollar la idea de un instrumento de obtención de imágenes que generaría imágenes excitando y recogiendo difracción en el campo cercano . Su idea original, propuesta en 1928, se basaba en el uso de luz intensa casi plana procedente de un arco bajo presión detrás de una película metálica fina y opaca con un pequeño orificio de unos 100 nm. El orificio debía permanecer a 100 nm de la superficie y la información debía recopilarse 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 tal un instrumento. [9] [10] Fueron Ash y Nicholls del University College de Londres quienes, en 1972, rompieron por primera vez el límite de difracción de Abbe utilizando radiación de microondas con una longitud de onda de 3 cm. Se resolvió una rejilla de líneas con una resolución de λ 0/60 . [11] Una década más tarde, Dieter Pohl presentó una patente sobre un microscopio óptico de campo cercano , [12] seguida en 1984 por el primer artículo que utilizaba radiación visible para el escaneo de campo cercano. [13] El microscopio óptico de campo cercano (NFO) implicaba una apertura por debajo de la longitud de onda en el vértice de una punta transparente puntiaguda recubierta de metal y un mecanismo de retroalimentación para mantener una distancia constante de unos pocos nanómetros entre la muestra y la sonda. Lewis y cols. 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 ).
Según la teoría de la formación de imágenes de Abbe, 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 recoger toda la luz difractada, los aspectos más finos de la imagen no se corresponderán exactamente con el objeto. La resolución mínima (d) del componente óptico está, por tanto, limitada por su tamaño de apertura y expresada por el criterio de Rayleigh :
Aquí, λ 0 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 aumento muy alto). Por tanto, el límite de resolución suele ser de alrededor de λ 0 /2 para la microscopía óptica convencional. [17]
Este tratamiento tiene en cuenta únicamente la luz difractada en el campo lejano que se propaga sin restricciones. NSOM utiliza campos evanescentes o no propagantes que existen sólo cerca de la superficie del objeto. Estos campos transportan información espacial de alta frecuencia sobre el objeto y tienen intensidades que disminuyen exponencialmente con la distancia del objeto. Debido a esto, el detector debe colocarse muy cerca de la muestra en la zona del campo cercano, normalmente a unos pocos nanómetros. Como resultado, la microscopía de campo cercano sigue siendo principalmente una técnica de inspección de superficies. Luego, el detector se traza a través de la muestra utilizando una etapa piezoeléctrica . El escaneo se puede realizar a una altura constante o con altura regulada mediante un mecanismo de retroalimentación. [18]
Existen NSOM que pueden funcionar en el llamado modo de apertura y NSOM para funcionar en un modo sin apertura. Como se ilustra, las puntas utilizadas en el modo sin apertura son muy afiladas y no tienen una capa metálica.
Aunque hay muchos problemas asociados con las puntas con apertura (calentamiento, artefactos, contraste, sensibilidad, topología e interferencia, entre otros), el modo de apertura sigue siendo más popular. Esto se debe principalmente a que el modo sin apertura es aún más complejo de configurar y operar, y no se comprende tan bien. Hay cinco modos principales de operación NSOM con apertura y cuatro modos principales de operación NSOM sin apertura. Los principales se ilustran en la siguiente figura.
Algunos tipos de operación NSOM utilizan una sonda campanile , que tiene forma de pirámide cuadrada con dos facetas recubiertas con un metal. Una sonda de este tipo 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 se funcionaliza con fuentes de luz activas como un tinte fluorescente [22] o incluso un diodo emisor de luz que permite la excitación de la fluorescencia. [23]
Las ventajas de las configuraciones NSOM con apertura y sin apertura se pueden combinar en un diseño de sonda híbrida, que contiene una punta metálica unida al costado de una fibra óptica cónica. En el rango visible (400 nm a 900 nm), aproximadamente el 50% de la luz incidente se puede enfocar en el ápice de la punta, que tiene alrededor de 5 nm de radio. Esta sonda híbrida puede suministrar luz de excitación a través de la fibra para realizar espectroscopia Raman mejorada con punta (TERS) en el ápice de la punta y recopilar las señales Raman a través de la misma fibra. Se ha demostrado el STM-NSOM-TERS de fibra de entrada y salida de fibra sin lentes. [24]
Los mecanismos de retroalimentación generalmente se utilizan para lograr imágenes de alta resolución y sin artefactos, ya que la punta debe colocarse a unos 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 se pueden realizar en modo de contacto, contacto intermitente y sin contacto.
En el modo de retroalimentación de fuerza de corte, se monta un diapasón junto a la punta y se lo hace oscilar a su frecuencia de resonancia. La amplitud está estrechamente relacionada con la distancia punta-superficie y, por tanto, se utiliza como mecanismo de retroalimentación. [18]
Es posible aprovechar las diversas técnicas de contraste disponibles para la microscopía óptica a través de 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 utilizar técnicas de mejora del contraste como tinción , fluorescencia , contraste de fase y 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 otros. [18] [19]
Los componentes principales de una configuración NSOM son la fuente de luz, el mecanismo de retroalimentación, la punta de escaneo, el detector y la etapa de muestra piezoeléctrica. 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 servirían para eliminar la luz parásita de la luz reflejada que regresa. La punta de escaneo, dependiendo del modo de operación, suele ser una fibra óptica estirada o estirada recubierta con 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, Raman NSOM, por ejemplo, tienen requisitos de detector mucho más estrictos. [19]
Como su nombre lo indica, la información se recopila por medios espectroscópicos en lugar de obtener imágenes en el régimen de campo cercano. A través de la espectroscopia de campo cercano (NFS), se pueden realizar sondas espectroscópicas con una resolución inferior a la longitud de onda. Raman SNOM y fluorescencia SNOM son dos de las técnicas NFS más populares, ya que permiten la identificación de características nanométricas con contraste químico. Algunas de las técnicas espectroscópicas de campo cercano más comunes se detallan a continuación.
La NSOM Raman local directa se basa en la espectroscopia Raman. La apertura Raman NSOM está limitada por puntas muy calientes y desafiladas, y por largos tiempos de recolección. Sin embargo, se puede utilizar NSOM sin apertura para lograr factores de eficiencia de dispersión Raman altos (alrededor de 40). Los artefactos topológicos dificultan la implementación de esta técnica en superficies rugosas.
La espectroscopia Raman mejorada por punta (TERS) es una rama de la espectroscopia Raman mejorada por superficie (SERS). Esta técnica se puede utilizar en una configuración NSOM de fuerza de corte sin apertura o mediante el uso de una punta AFM recubierta de oro o plata. Se descubre que la señal Raman aumenta significativamente bajo la punta del AFM. Esta técnica se ha utilizado para generar variaciones locales en los espectros Raman bajo un nanotubo de pared simple. Para la detección de la señal Raman se debe utilizar un espectrómetro optoacústico de alta sensibilidad.
La fluorescencia NSOM es una técnica muy popular y sensible que utiliza la fluorescencia para obtener imágenes de campo cercano y es especialmente adecuada para aplicaciones biológicas. La técnica elegida aquí es la emisión de fibra sin apertura en modo de fuerza de corte constante. Esta técnica utiliza tintes a base de merocianina incrustados en una resina adecuada. Los filtros de borde se utilizan para eliminar toda la luz láser primaria. Con esta técnica se puede lograr una resolución tan baja como 10 nm. [ cita necesaria ]
La espectrometría infrarroja de campo cercano y la microscopía dieléctrica de campo cercano [19] utilizan sondas de campo cercano para combinar la microscopía submicrónica con la espectroscopia IR localizada. [25]
El método nano-FTIR [26] es una espectroscopia a nanoescala de banda ancha que combina NSOM sin apertura con iluminación de banda ancha y detección FTIR para obtener un espectro infrarrojo completo en cada ubicación espacial. Con nano-FTIR se ha demostrado sensibilidad a un único complejo molecular y resolución a nanoescala de hasta 10 nm. [27]
La técnica de nanoenfoque puede crear una fuente de luz "blanca" a escala nanométrica en el ápice de la punta, que puede usarse para iluminar una muestra en el campo cercano para análisis espectroscópico. Se obtienen imágenes de las transiciones ópticas entre bandas en nanotubos de carbono individuales de pared simple y se ha informado una resolución espacial de alrededor de 6 nm. [28]
NSOM puede ser vulnerable a artefactos que no provienen del modo de contraste previsto. La raíz más común de los artefactos en NSOM es la rotura de la punta durante el escaneo, el contraste rayado, el contraste óptico desplazado, la concentración local de luz de campo lejano y los artefactos topográficos.
En NSOM sin apertura, también conocido como SNOM de tipo dispersión o s-SNOM, muchos de estos artefactos se eliminan o pueden evitarse mediante la aplicación adecuada de la técnica. [29]
Una limitación es la distancia de trabajo muy corta y la profundidad de campo extremadamente reducida . Normalmente se limita a estudios de superficie; sin embargo, se puede aplicar para investigaciones del subsuelo dentro de la profundidad de campo correspondiente. En el modo de fuerza cortante y otras operaciones de contacto, no es propicio para estudiar materiales blandos. Tiene tiempos de escaneo prolongados para áreas de muestra grandes para obtener imágenes de alta resolución. [ cita necesaria ]
Una limitación adicional es la orientación predominante del estado de polarización de la luz de interrogación en el campo cercano de la punta de exploración. Las puntas de escaneo metálicas orientan naturalmente el estado de polarización perpendicular a la superficie de la muestra. Otras técnicas, como la microespectroscopia anisotrópica de terahercios, utilizan la polarimetría en el plano para estudiar propiedades físicas inaccesibles a los microscopios ópticos de barrido de campo cercano, incluida la dependencia espacial de las vibraciones intramoleculares en moléculas anisotrópicas.
