原子力显微镜-全内反射红外光谱同步获取装置及方法

技术领域

本发明涉及红外光谱技术领域，特别是涉及一种原子力显微镜-全内反射红外光谱同步获取装置及方法。

背景技术

红外光谱技术利用样品对红外光的吸收，可以检测样品内部的特征官能团。当红外光的波长在中红外波段范围时，其频率可以耦合样品分子中共价键的伸缩、弯曲振动，因此红外光谱技术对于样品的内部结构具有较强的解析能力。

红外光谱技术包括全内反射红外光谱技术和原子力显微镜红外光谱技术。全内反射红外光谱技术通过将样品固定在红外透明材料的表面，调节入射角，使红外激光在红外透明材料-空气界面处发生全内反射，利用全内反射产生的消逝场对样品分子的特征官能团进行激发，收集全内反射后的激光，并与原始激光背景强度进行比对，可以得到样品的全内反射红外光谱。原子力显微镜红外光谱技术在近年来得到了长足发展，该技术通过搭建红外激光光路，将一束调制红外激光照射到原子力显微镜的样品表面，通过可见激光的诱导，实现原子力显微镜探针和红外激光的耦合，得到原子力显微镜红外光谱。原子力显微镜红外光谱技术使用原子力显微镜探针作为光谱的检测器，突破了红外成像的衍射极限，将红外成像的分辨率从微米级提升至纳米级，目前常用的原子力显微镜红外光谱技术有上入射和下入射两种模式，其中上入射模式可以结合镀金原子力显微镜探针和镀金样品衬底实现原子力显微镜红外光谱的增强，以达到较高的信噪比；下入射模式通过红外激光在红外透明材料-空气界面处发生全内反射时产生的消逝场激发样品，通常使用镀金原子力显微镜探针以提升信噪比。

针对全内反射红外光谱技术，由于红外激光的波长较长(一般为5-15微米)，受到衍射极限的影响，其红外成像分辨率被限制在了微米级。针对该缺点，原子力显微镜红外光谱技术实现了样品的纳米级红外成像，将红外成像分辨率提升了两个数量级。但是由于原子力显微镜红外光谱技术使用原子力显微镜探针作为红外激光的检测器，其检测原理高度依赖于样品的热膨胀系数，因此需要样品的全内反射红外光谱作为对照，以确保采集的原子力显微镜红外光谱的可靠性。然而实际过程中，难以实现全内反射红外光谱和原子力显微镜红外光谱的同时、原位(同位置)采集，最终导致两种红外光谱的同步性难以得到保障。

发明内容

本发明的目的是提供一种原子力显微镜-全内反射红外光谱同步获取装置及方法，可同步获取原子力显微镜红外光谱和全内反射红外光谱，实现原子力显微镜红外光谱和全内反射红外光谱的同时、原位采集。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种原子力显微镜-全内反射红外光谱同步获取装置，所述同步获取装置包括红外激光光源、可见激光光源、合束镜、入射调节组件、三棱镜、原子力显微镜、光热探测器和处理器；所述三棱镜的样品侧面上放置有样品；所述原子力显微镜的原子力显微镜探针的针尖与所述样品相接触；

所述合束镜用于将所述红外激光光源发出的红外激光和所述可见激光光源发出的可见激光进行合束，使所述红外激光和所述可见激光共线，得到共线激光，并将所述共线激光入射至所述入射调节组件；所述共线激光包括所述红外激光和所述可见激光；

所述入射调节组件用于反射所述共线激光，使所述共线激光垂直经过所述三棱镜的入射侧面聚焦到所述样品侧面上，且使所述共线激光的焦点位于所述针尖的正下方；

所述原子力显微镜用于在所述共线激光聚焦到所述样品侧面上后，生成所述原子力显微镜探针的微悬臂的微悬臂偏转信号；所述微悬臂偏转信号为所述微悬臂的偏转随时间的变化曲线；

所述光热探测器用于接收经所述三棱镜的出射侧面出射的反射激光，生成反射激光强度信号；所述反射激光为所述共线激光在所述样品侧面发生全内反射后产生的激光；所述反射激光强度信号为所述反射激光的激光强度随时间的变化曲线；

所述处理器分别与所述原子力显微镜和所述光热探测器通信连接；所述处理器用于对所述微悬臂偏转信号和所述反射激光强度信号进行处理，得到原子力显微镜红外光谱和全内反射红外光谱。

在一些实施例中，所述同步获取装置还包括：第一反射镜、第一可变光阑、翻转组件和第二可变光阑；

所述第一反射镜位于所述红外激光光源和所述合束镜之间；所述第一反射镜用于将所述红外激光反射至所述合束镜；

所述合束镜用于将所述红外激光和所述可见激光进行合束，得到合束激光，并将所述合束激光入射至所述第一可变光阑；

所述第一可变光阑和所述第二可变光阑的孔径均处于最小状态；所述第一可变光阑用于将所述合束激光传输至所述翻转组件；

所述翻转组件用于将所述合束激光反射至所述第二可变光阑；

所述第二可变光阑用于将所述合束激光传输至所述光热探测器；

所述光热探测器用于接收所述合束激光，确定所述合束激光中的红外激光的第一功率和可见激光的第二功率；

所述处理器用于根据所述第一功率和所述第二功率调节所述第一反射镜的位置和角度，直至所述第一功率和所述第二功率均达到最大值。

在一些实施例中，所述翻转组件包括翻转镜架和安装于所述翻转镜架上的第二反射镜；所述处理器与所述翻转镜架控制连接；当需要调节所述第一反射镜的位置和角度时，则控制所述翻转镜架处于打开状态，使所述合束激光反射至所述第二可变光阑；当需要得到所述原子力显微镜红外光谱和所述全内反射红外光谱时，则控制所述翻转镜架处于关闭状态，使所述共线激光入射至所述入射调节组件。

在一些实施例中，所述入射调节组件包括三轴位移台和安装在所述三轴位移台上的离轴抛物面镜；所述离轴抛物面镜用于反射所述共线激光；

所述处理器与所述三轴位移台控制连接；所述处理器用于控制所述三轴位移台的运动，以使所述共线激光经所述离轴抛物面镜反射后，垂直经过所述入射侧面聚焦到所述样品侧面上，且使所述共线激光的焦点位于所述针尖的正下方。

在一些实施例中，所述样品侧面上有金纳米粒子；所述金纳米粒子为将氯金酸的水溶液滴加在所述样品侧面上后原位生长得到的。

在一些实施例中，所述样品侧面和所述入射侧面的夹角与所述样品侧面和所述出射侧面的夹角相同。

在一些实施例中，所述同步获取装置还包括位于所述第一可变光阑和所述翻转组件之间的依次进行光路连接的若干个第三反射镜。

一种原子力显微镜-全内反射红外光谱同步获取方法，控制上述的同步获取装置进行工作，所述同步获取方法包括：

获取原子力显微镜生成的微悬臂偏转信号和光热探测器生成的反射激光强度信号；所述微悬臂偏转信号为微悬臂的偏转随时间的变化曲线；所述反射激光强度信号为反射激光的激光强度随时间的变化曲线；

利用红外激光光源的背景信号分别对所述微悬臂偏转信号和所述反射激光强度信号进行处理，得到原子力显微镜红外光谱和全内反射红外光谱；所述背景信号为红外激光的激光强度随波数的变化曲线。

在一些实施例中，所述利用红外激光光源的背景信号分别对所述微悬臂偏转信号和所述反射激光强度信号进行处理，得到原子力显微镜红外光谱和全内反射红外光谱具体包括：

利用参考信号对所述微悬臂偏转信号进行解调，得到微悬臂振幅信号；所述参考信号为所述红外激光光源产生的与所述红外激光光源的脉冲重复频率的频率相同的信号；所述微悬臂振幅信号为所述微悬臂的振幅随时间的变化曲线；

将所述微悬臂振幅信号转换为微悬臂振幅波数信号；所述微悬臂振幅波数信号为所述微悬臂的振幅随波数的变化曲线；

将所述微悬臂振幅波数信号除以所述背景信号，得到原子力显微镜红外光谱；

将所述反射激光强度信号转换为反射激光强度波数信号；所述反射激光强度波数信号为所述反射激光的激光强度随波数的变化曲线；

将所述反射激光强度波数信号除以所述背景信号，得到全内反射红外光谱。

在一些实施例中，所述红外激光光源的脉冲重复频率的确定方法包括：

在无红外激光照射样品的条件下，获取原子力显微镜生成的微悬臂偏转背景信号；对所述微悬臂偏转背景信号进行FFT变换，得到原子力显微镜探针和样品的共振频率；将所述共振频率设置为所述红外激光光源的脉冲重复频率。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明用于提供一种原子力显微镜-全内反射红外光谱同步获取装置及方法，合束镜将红外激光和可见激光进行合束，使红外激光和可见激光共线，得到共线激光，入射调节组件反射共线激光，使共线激光垂直经过三棱镜的入射侧面聚焦到样品侧面上，且使共线激光的焦点位于针尖的正下方，完成共线激光和原子力显微镜探针的空间位置耦合，原子力显微镜生成原子力显微镜探针的微悬臂的微悬臂偏转信号，光热探测器接收经三棱镜的出射侧面出射的反射激光，生成反射激光强度信号，处理器对微悬臂偏转信号和反射激光强度信号进行处理，同时得到原子力显微镜红外光谱和全内反射红外光谱，从而可同步获取原子力显微镜红外光谱和全内反射红外光谱，实现原子力显微镜红外光谱和全内反射红外光谱的同时、原位采集。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1所提供的同步获取装置用于同步获取两种红外光谱时的光路结构示意图；

图2为本发明实施例1所提供的合束镜的光路示意图；

图3为本发明实施例1所提供的同步获取装置用于调节共线状态时的光路结构示意图；

图4为本发明实施例2所提供的同步获取方法的方法流程图；

图5为本发明实施例2所提供的同步获取装置的信号传输路径示意图；

图6为本发明实施例2所提供的同步获取装置的数据处理流程示意图；

图7为本发明实施例2所提供的旋涂聚苯乙烯超薄膜的微悬臂振幅波数信号和背景信号的对比示意图；

图8为本发明实施例2所提供的旋涂聚苯乙烯超薄膜的原子力显微镜红外光谱的示意图；

图9为本发明实施例2所提供的旋涂聚苯乙烯超薄膜的反射激光强度波数信号和背景信号的对比示意图；

图10为本发明实施例2所提供的旋涂聚苯乙烯超薄膜的全内反射红外光谱的示意图；

图11为本发明实施例2所提供的旋涂聚苯乙烯超薄膜的原子力显微镜-全内反射联用红外光谱的示意图；

图12为本发明实施例2所提供的旋涂聚肉桂酸乙烯醇酯薄膜的微悬臂振幅波数信号和背景信号的对比示意图；

图13为本发明实施例2所提供的旋涂聚肉桂酸乙烯醇酯薄膜的原子力显微镜红外光谱的示意图；

图14为本发明实施例2所提供的旋涂聚肉桂酸乙烯醇酯薄膜的反射激光强度波数信号和背景信号的对比示意图；

图15为本发明实施例2所提供的旋涂聚肉桂酸乙烯醇酯薄膜的全内反射红外光谱的示意图；

图16为本发明实施例2所提供的旋涂聚肉桂酸乙烯醇酯薄膜经紫外处理前后的原子力显微镜红外光谱的对比示意图；

图17为本发明实施例2所提供的浇筑聚苯乙烯-聚甲基丙烯酸甲酯共混薄膜的纳米红外成像图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种原子力显微镜-全内反射红外光谱同步获取装置及方法，可同步获取原子力显微镜红外光谱和全内反射红外光谱，实现原子力显微镜红外光谱和全内反射红外光谱的同时、原位采集。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1：

本实施例用于提供一种原子力显微镜-全内反射红外光谱同步获取装置，如图1所示，所述同步获取装置包括红外激光光源(也可称为红外激光器或电光调制器)、可见激光光源、合束镜、入射调节组件、三棱镜、原子力显微镜、光热探测器和处理器。

由于肉眼无法观察到红外激光，因此无法直接通过光学显微镜将红外激光和原子力显微镜探针进行空间位置的耦合，故本实施例进一步引入肉眼可以观察到的可见激光，将其作为引导激光，先将可见激光与红外激光调节至共线的状态，然后观察可见激光与原子力显微镜探针是否实现了空间位置的耦合，当可见激光与原子力显微镜探针实现空间位置的耦合时，红外激光也与原子力显微镜探针完成了空间位置的耦合。

为了达到上述目的，本实施例同时设置有红外激光光源和可见激光光源，红外激光光源用于发出红外激光，可见激光光源用于发出可见激光。可选的，本实施例使用量子级联激光器作为红外激光光源，使用光电二极管作为可见激光光源，图1中的实线为红外激光传输路径，虚线为可见激光传输路径。此外，为了将两束激光(即红外激光和可见激光)调节至共线状态，本实施例引入合束镜，合束镜可采用表面镀膜的硒化锌窗口片，其光路示意图如图2所示，合束镜相较于水平面倾斜45度放置，合束镜的一个侧面上镀有反射膜，将该镀有反射膜的侧面称为反射面，合束镜的另外一个侧面上镀有透射膜，将该镀有透射膜的侧面称为透射面，红外激光光源发出的红外激光照射在透射面上，可见激光光源发出的可见激光照射在反射面上，通过合束镜可实现45°入射的5-12μm的红外激光的全透射，同时实现45°入射的635nm的可见激光的全反射，通过合束镜即可对红外激光和可见激光进行合束，得到合束激光。但如果想要保证经过合束镜的红外激光和可见激光共线，则需要进一步调整红外激光在合束镜上的入射位置，通过入射位置的调整，使得经过合束镜的红外激光和可见激光共线，得到共线激光。

本实施例通过在合束镜后引入两个可变光阑确定红外激光和可见激光的共线状态，即若在两个可变光阑同时关闭至最小状态(具体指两个可变光阑的孔径处于最小状态，此时红外激光和可见激光的光斑大于该处于最小状态的孔径)时，光热探测器仍然可以检测到最大的红外激光功率和可见激光功率，则证明经过合束镜后的两束激光(即红外激光和可见激光)的中心均经过两个可变光阑的中心，此时通过合束镜能够实现红外激光和可见激光的共线，即经过合束镜后，红外激光和可见激光处于共线状态。基于这一构思，本实施例在设计同步获取装置时，考虑到通过移动红外激光光源来调整红外激光在合束镜上的入射位置这一方式难以实现，故在红外激光光源和合束镜之间设置若干个第一反射镜，通过调整第一反射镜的位置和角度来调整红外激光在合束镜上的入射位置，同时考虑到同步获取装置的最终目的是为了同步获取原子力显微镜红外光谱和全内反射红外光谱，需要将红外激光和可见激光引入至样品上，而在判断共线状态时需要将红外激光和可见激光引入至光热探测器，故本实施例设置有翻转组件，经过合束镜共束后的红外激光和可见激光的光路由翻转组件控制照射光热探测器或样品。

基于此，为了实现上述共线状态的调整过程，如图3所示，本实施例的同步获取装置包括第一反射镜、第一可变光阑、翻转组件和第二可变光阑，第一反射镜位于红外激光光源和合束镜之间，第一反射镜用于将红外激光反射至合束镜。本实施例的第一反射镜可为一个或多个，图3示意出包括两个第一反射镜的情形，此时，红外激光光源发出的红外激光经第一个第一反射镜反射至第二个第一反射镜上，第二个第一反射镜再将红外激光反射至合束镜上，可见激光光源发出的可见激光直接入射至合束镜上，合束镜对红外激光和可见激光进行合束，得到合束激光。在从合束激光传输至光热探测器的光路上依次设置第一可变光阑、翻转组件和第二可变光阑，第一可变光阑和第二可变光阑的孔径均处于最小状态。合束镜将合束激光入射至第一可变光阑，第一可变光阑用于将合束激光传输至翻转组件。在共线状态的调节过程中，翻转组件处于打开状态，此时翻转组件用于将合束激光反射至第二可变光阑。第二可变光阑用于将合束激光传输至光热探测器。光热探测器用于接收合束激光，确定合束激光中的红外激光的第一功率和可见激光的第二功率。处理器用于根据第一功率和第二功率调节第一反射镜的位置和角度，直至第一功率和第二功率均达到最大值，第一反射镜的位置和角度可以手动调节，也可以在第一反射镜上安装驱动组件(比如压电陶瓷)，通过控制驱动组件自动调节第一反射镜的位置和角度。在后续获取原子力显微镜红外光谱和全内反射红外光谱时，则令第一反射镜的位置和角度保持在第一功率和第二功率均达到最大值时第一反射镜的位置和角度，此时，红外激光光源发出的红外激光经过第一反射镜入射到合束镜时，合束镜能够对红外激光和可见激光进行合束，使得红外激光和可见激光共线，得到共线激光。

本实施例的翻转组件可以包括翻转镜架和安装于翻转镜架上的第二反射镜，处理器与翻转镜架控制连接。当需要调节第一反射镜的位置和角度时，即需要使红外激光和可见激光入射至光热探测器时，则控制翻转镜架处于打开状态，在第二反射镜的作用下，将合束激光反射至第二可变光阑；当需要得到原子力显微镜红外光谱和全内反射红外光谱时，即需要使红外激光和可见激光入射至样品时，则控制翻转镜架处于关闭状态，此时第二反射镜不再起反射作用，使共线激光直接入射至入射调节组件。

在通过调节第一反射镜的位置和角度使得经过合束镜的红外激光和可见激光能够处于共线状态后，便可以令同步获取装置开始正式工作，此时翻转组件处于关闭状态，在关闭翻转组件的条件下，激光光路不再照射光热探测器，而是经过入射调节组件聚焦在三棱镜上。合束镜用于将红外激光光源发出的红外激光和可见激光光源发出的可见激光进行合束，使红外激光和可见激光共线，得到共线激光，并将共线激光入射至入射调节组件，共线激光包括红外激光和可见激光。

入射调节组件用于反射共线激光，使共线激光垂直经过三棱镜的入射侧面聚焦到样品侧面上，此时共线激光聚焦后的焦点刚好位于样品侧面上，且使共线激光的焦点位于针尖的正下方，从而通过入射调节组件调节可见激光和原子力显微镜探针的相对位置，完成空间位置耦合，由于可见激光和红外激光共线，从而同时完成红外激光和原子力显微镜探针的空间位置耦合，借助于空间位置耦合实现获得的原子力显微镜红外光谱和全内反射红外光谱的原位采集。需要说明的是，由于原子力显微镜探针尺寸很小，只有数十微米，因此需要借助光学显微镜完成共线激光的光斑和探针的对准操作，同时可以通过光学显微镜观察光斑状态，确定共线激光的聚焦水平(焦点是否刚好位于三棱镜的样品侧面)，故本实施例需要人工在光学显微镜下观察，以根据观察结果来驱动入射调节组件，从而在显微镜下通过入射调节组件调节可见激光和原子力显微镜探针的相对位置，使共线激光垂直经过三棱镜的入射侧面聚焦到样品侧面上，且使共线激光的焦点位于针尖的正下方，完成空间位置耦合。

具体的，本实施例的入射调节组件包括三轴位移台和安装在三轴位移台上的离轴抛物面镜，三轴位移台可为45°三轴位移台，离轴抛物面镜用于反射共线激光，离轴抛物面镜由45°三轴位移台控制，可进行激光焦点的平移与沿光轴方向的运动。处理器与三轴位移台控制连接，处理器用于控制三轴位移台的运动，以使共线激光经离轴抛物面镜反射后，垂直经过入射侧面聚焦到样品侧面上，且使共线激光的焦点位于针尖的正下方，完成红外激光与原子力显微镜探针的空间位置耦合。

当入射调节组件使共线激光垂直经过三棱镜的入射侧面聚焦到样品侧面上，且使共线激光的焦点位于针尖的正下方时，由于三棱镜的样品侧面上放置有样品，共线激光会在三棱镜-空气界面处发生全内反射，产生消逝场和反射激光，产生的消逝场会激发样品，使样品产生振动，产生的反射激光会经三棱镜的出射侧面出射，照射到光热探测器上。本实施例的三棱镜可以采用硒化锌三角棱镜、硫化锌三角棱镜或者锗三角棱镜，优选使用硒化锌三角棱镜。

原子力显微镜的原子力显微镜探针的针尖与样品相接触，原子力显微镜探针由微悬臂和针尖组成，用以检测样品表面形貌变化和振动，此时，原子力显微镜用于在共线激光聚焦到样品侧面上后，即产生的消逝场激发样品使样品产生振动后，生成原子力显微镜探针的微悬臂的微悬臂偏转信号，微悬臂偏转信号为微悬臂的偏转随时间的变化曲线。具体的，微悬臂偏转信号的生成过程可以包括：原子力显微镜的检测激光照射在微悬臂的上表面上，经微悬臂上表面的反射照射在四象限检测器上，检测激光可为红色可见光。在样品产生振动时，微悬臂会发生偏转，此时，微悬臂会将检测激光反射至四象限检测器的不同位置，原子力显微镜基于检测激光在四象限检测器的不同位置来生成微悬臂偏转信号。

光热探测器用于接收经三棱镜的出射侧面出射的反射激光，生成反射激光强度信号，反射激光为共线激光在样品侧面发生全内反射后产生的激光，反射激光强度信号为反射激光的激光强度随时间的变化曲线。

处理器分别与原子力显微镜和光热探测器通信连接，处理器用于对微悬臂偏转信号和反射激光强度信号进行处理，得到原子力显微镜红外光谱和全内反射红外光谱。具体的，利用全内反射所产生的消逝场激发样品发生振动，通过原子力显微镜生成微悬臂偏转信号，通过解调和红外激光波长扫描后，与红外激光光源的背景信号做除法运算，即可得到样品的原子力显微镜红外光谱，同时，将光热探测器接收反射激光生成的反射激光强度信号，通过红外激光波长扫描后，与红外激光光源的背景信号做除法运算，背景信号由光热检测器测量得到，即可得到样品的全内反射红外光谱，从而可实现原子力显微镜红外光谱和全内反射红外光谱的同步采集。

优选的，样品侧面和入射侧面的夹角与样品侧面和出射侧面的夹角相同，此时能够使得共线激光垂直经过入射侧面照射到样品侧面上，并使得反射激光垂直经过出射侧面照射到光热探测器上，从而使得光热探测器生成的反射激光强度信号的质量更好，且该三棱镜的形状更加便于制备。更为优选的，本实施例的三棱镜可以采用等边三角形或者等腰直角三角形，在采用等边三角形时，样品侧面、入射侧面和出射侧面可以任意设置，在采用等腰直角三角形时，以90度角对应的侧面作为样品侧面，其他两个侧面一个作为入射侧面，一个作为出射侧面，此时由一离轴抛物面镜将共线激光垂直经入射侧面聚焦在硒化锌三角棱镜的斜面(样品侧面)上，可见激光和红外激光在硒化锌三角棱镜的斜面处发生全内反射后，垂直经出射侧面射出并照射在光热探测器上。

本实施例的三棱镜的样品侧面上有金纳米粒子，金纳米粒子为将氯金酸的水溶液滴加在样品侧面上后原位生长得到的，通过设置金纳米粒子，能够达到放大红外信号的作用。

可选的，本实施例的同步获取装置还包括位于第一可变光阑和翻转组件之间的依次进行光路连接的若干个第三反射镜，图3中示意出包括3个第三反射镜的情况，3个第三反射镜均起到反射功能，3个第三反射镜相互配合，用于将共线激光反射至入射调节组件，或者将合束激光反射至翻转组件。

本实施例提出了一种原子力显微镜-全内反射红外光谱同步获取装置，直接结合了下入射式原子力显微镜红外光谱技术和全内反射红外光谱技术，组建了新的光路系统，实现了红外激光和原子力显微镜探针的位置耦合，并在光路终点添加了光热探测器以采集反射激光，实现原子力显微镜红外光谱和全内反射红外光谱的同步采集，解决了同步获取聚合物样品红外标准谱(全内反射红外光谱)和纳米红外谱(原子力显微镜红外光谱)的难题。

实施例2：

本实施例用于提供一种原子力显微镜-全内反射红外光谱同步获取方法，控制实施例1所述的同步获取装置进行工作，如图4所示，所述同步获取方法包括：

S1：获取原子力显微镜生成的微悬臂偏转信号和光热探测器生成的反射激光强度信号；所述微悬臂偏转信号为微悬臂的偏转随时间的变化曲线；所述反射激光强度信号为反射激光的激光强度随时间的变化曲线；

S2：利用红外激光光源的背景信号分别对所述微悬臂偏转信号和所述反射激光强度信号进行处理，得到原子力显微镜红外光谱和全内反射红外光谱；所述背景信号为红外激光的激光强度随波数的变化曲线。

其中，利用红外激光光源的背景信号分别对微悬臂偏转信号和反射激光强度信号进行处理，得到原子力显微镜红外光谱和全内反射红外光谱可以包括：

(1)利用参考信号对微悬臂偏转信号进行解调，得到微悬臂振幅信号，参考信号为红外激光光源产生的与红外激光光源的脉冲重复频率的频率相同的信号，微悬臂振幅信号为微悬臂的振幅随时间的变化曲线。

其中，红外激光光源的脉冲重复频率的确定方法包括：在无红外激光照射样品的条件下，获取原子力显微镜生成的微悬臂偏转背景信号，此时的微悬臂偏转背景信号为样品在空气分子的作用下产生振动导致微悬臂偏转所产生的微悬臂偏转信号，对微悬臂偏转背景信号进行FFT变换，得到频域信号，选取频域信号中共振峰(即峰值点)所对应的频率作为原子力显微镜探针和样品的共振频率，并将共振频率设置为红外激光光源的脉冲重复频率，在同步获取装置正式工作时，红外激光光源即采用该脉冲重复频率工作，从而能够达到放大信号的目的。FFT变换是一种DFT的高效算法，称为快速傅立叶变换(fastFouriertransform)，用于将时域信号转化为频域信号。

(2)将微悬臂振幅信号转换为微悬臂振幅波数信号，微悬臂振幅波数信号为微悬臂的振幅随波数的变化曲线。将微悬臂振幅波数信号除以背景信号，得到原子力显微镜红外光谱。

由于红外激光光源为窄带光源，其出射波数随时间线性变化，故可得到红外激光光源的波数-时间曲线(即波数随时间的变化曲线)，将微悬臂振幅信号的时间与波数随时间的变化曲线进行时间对齐，即可生成微悬臂的振幅随波数的变化曲线(也即样品的振动幅度随红外激光发射波数的变化曲线)，以将微悬臂振幅信号转换为微悬臂振幅波数信号。将得到的微悬臂振幅波数信号对背景信号做除法，以依据各波数的红外激光的辐射强度对微悬臂振幅波数信号进行增益调节，得到样品的原子力显微镜红外光谱。

(3)将反射激光强度信号转换为反射激光强度波数信号，反射激光强度波数信号为反射激光的激光强度随波数的变化曲线。将反射激光强度波数信号除以背景信号，得到全内反射红外光谱。

由于红外激光光源为窄带光源，其出射波数随时间线性变化，故可得到红外激光光源的波数-时间曲线(即波数随时间的变化曲线)，将反射激光强度信号的时间与波数随时间的变化曲线进行时间对齐，即可生成反射激光的激光强度随波数的变化曲线，以将反射激光强度信号转换为反射激光强度波数信号。将得到的反射激光强度波数信号对背景信号做除法，以依据各波数的红外激光的辐射强度对反射激光强度波数信号进行增益调节，得到样品的全内反射红外光谱。

本实施例的处理器可以包括锁相放大器和主机，此时同步获取装置的信号传输路径如图5所示，数据处理流程如图6所示。原子力显微镜将微悬臂偏转背景信号传输给锁相放大器，锁相放大器通过FFT变换将原子力显微镜探针和样品的共振频率计算出来，并传输至红外激光光源，红外激光光源将共振频率设置为红外激光的脉冲重复频率，以此在同步获取装置的正式工作过程中产生红外激光，并同时产生一与脉冲重复频率相同频率的参考信号，并将参考信号传输至锁相放大器。锁相放大器再依据接收到的参考信号对原子力显微镜采集的微悬臂偏转信号进行解调，得到微悬臂在脉冲重复频率下的振幅，生成微悬臂振幅信号，锁相放大器将计算得到的微悬臂振幅信号传递给主机，主机通过红外激光光源的出射波数(波数是指波长的倒数)绘制振幅-波数曲线(即微悬臂振幅波数信号)，再将微悬臂振幅波数信号对背景信号做除法，以依据各波数的辐射强度对微悬臂振幅波数信号进行增益调节，即可得到样品的原子力显微镜红外光谱。同时，光热探测器(即光热检测器)将实时接收到的反射激光的激光强度(即反射激光强度信号)传输至锁相放大器，并由锁相放大器将反射激光强度信号输出至主机，主机通过红外激光光源的出射波数绘制激光强度-波数曲线(即反射激光强度波数信号)，再将反射激光强度波数信号对背景信号做除法，以依据各波数的辐射强度对反射激光强度波数信号进行增益调节，得到样品的全内反射红外光谱。最终将两数据(原子力显微镜红外光谱和全内反射红外光谱)比对，即可得到检测结果。

其中，背景信号的获取方式为：由光热探测器收集红外激光光源发出的红外激光，并记录于软件中，得到背景信号。

为验证同步获取装置的工作状态，在此使用几组标准样品对同步获取装置的功能进行检验：

(1)旋涂聚苯乙烯超薄膜

由于聚合物超薄膜的红外吸收强度极其微弱，需要合适的信号放大手段。通过在用于全内反射的硒化锌三角棱镜的样品侧面生长金纳米粒子，可以达到放大红外信号的作用，本实施例使用氯金酸的水溶液滴加在硒化锌三角棱镜的样品侧面可以原位生长金纳米粒子。经试验，溶液浓度为5mM(也可写作5mmol/L(毫mol/L)，mol/L为浓度单位，简写为M)，修饰时间(即氯金酸的水溶液浸泡硒化锌三角棱镜的样品侧面的时间)为40s的条件可以使红外信号达到最佳的信噪比水平。

选择厚度为35nm的旋涂聚苯乙烯超薄膜作为样品，进行光谱数据采集。将微悬臂振幅-波数曲线(微悬臂振幅波数信号)和背景信号展示在同一谱图中，如图7所示，图7中的实线为微悬臂振幅波数信号，虚线为背景信号。将微悬臂振幅波数信号和背景信号做除法运算，以对光谱进行增益调节，得到旋涂聚苯乙烯超薄膜的原子力显微镜红外光谱，如图8所示。通过图8可以观察到1452cm

将反射激光强度波数信号和背景信号展示在同一激光强度-波数图谱中，如图9所示，图9中的实线为反射激光强度波数信号，虚线为背景信号。将反射激光强度波数信号和背景信号做除法运算，以对光谱进行增益调节，得到旋涂聚苯乙烯超薄膜的全内反射红外光谱，如图10所示。通过图10可以观察到1452cm

将原子力显微镜红外光谱和全内反射红外光谱进行叠加展示，如图11所示，可以观察到相同的吸收峰，证明本技术拥有对于聚合物超薄膜的红外检测能力。

(2)旋涂聚肉桂酸乙烯醇酯薄膜

选择厚度为100nm的聚肉桂酸乙烯醇酯薄膜作为样品，进行光谱采集。将微悬臂振幅-波数曲线(微悬臂振幅波数信号)和背景信号展示在同一谱图中，如图12所示，图12中实线为微悬臂振幅波数信号，虚线为背景信号。将微悬臂振幅波数信号和背景信号做除法运算，以对光谱进行增益调节，得到旋涂聚肉桂酸乙烯醇酯薄膜的原子力显微镜红外光谱，如图13所示。通过图13可以观察到979cm

将反射激光强度波数信号和背景信号展示在同一激光强度-波数图谱中，如图14所示，图14中实线为反射激光强度波数信号，虚线为背景信号。将反射激光强度波数信号和背景信号做除法运算，以对光谱进行增益调节，得到旋涂聚肉桂酸乙烯醇酯薄膜的全内反射红外光谱，如图15所示。通过图15可以观察到979cm

对旋涂聚肉桂酸乙烯醇酯薄膜进行254nm紫外光照，以诱导其内部发生化学交联反应，重新进行原子力显微镜红外光谱的测试，得到光谱数据如图16所示，可以观察到对应C＝C双键1636cm

(3)浇筑聚苯乙烯-聚甲基丙烯酸甲酯共混薄膜

对于原子力显微镜红外光谱系统，可以实现纳米级红外成像，为验证该功能，以乙酸乙酯为溶剂，用浇筑的方式制备聚苯乙烯-聚甲基丙烯酸甲酯共混薄膜。在薄膜表面分别以1728cm

对于原子力显微镜红外光谱，由于使用了原子力显微镜探针作为检测器，在实际样品测试中往往需要使用传统红外光谱法进行样品状态的确认。而对于较为敏感的样品(如具有光引发反应能力的样品)，这种非原位的检测方式难以确保实验的准确性。因此需要一种联用技术，可以在获取原子力显微镜红外光谱的同时，收集样品的全内反射红外光谱。因此，本实施例通过原子力显微镜-全内反射红外光谱的同步获取装置的设计及光路设计，结合自主编写的数据处理方式，可以实现单一样品两种红外光谱的原位、同时获取。另外，本实施例使用氯金酸溶液处理硒化锌棱镜，以增强原子力显微镜红外光谱的信号强度和信噪比，即通过使用金纳米粒子，成功增强了样品的红外吸收信号强度，使得本技术可以应用于聚合物超薄膜的红外检测，使得本技术对于光电器件等领域常用的聚合物薄膜样品均具有合适的检测能力。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。