IR microscopy basics

Grundlagen des FT-IR-Imaging

Wir erklären Ihnen in aller Kürze die Grundlagen der FT-IR-Bildgebung und gehen auf die verschiedenen Möglichkeiten ein, chemische Bilder mittels FT-IR-Spektroskopie aufzunehmen und zu interpretieren.

FT-IR Imaging Basiswissen

Was ist ein FT-IR-Bild (-Image)?

Im Gegensatz zum kontrastarmen visuellen Bild im Hintergrund hebt das chemische Bild den Unterschied zwischen Kontamination und Probe deutlich hervor.

Ein chemisches Bild enthält eine Menge molekularer Informationen in jedem seiner Pixel. Im Fall der Infrarot (IR)-Bildgebung bedeutet dies, dass jedes Pixel ein komplettes IR-Spektrum enthält. Infolgedessen visualisiert das erzeugte Bild die chemischen Eigenschaften der untersuchten Probe, basierend auf den Infrarotdaten.

Diese Spektraldaten können dann auf vielfältige Weise zur Beantwortung bestimmter analytischer Fragestellungen genutzt werden. Eine übliche Anwendung ist z. B. die Erstellung von Falschfarbenbildern (siehe rechts), um die Eigenschaften einer Probe hervorzuheben. Kurz gesagt: Ein FT-IR-Bild liefert eine klare Darstellung der chemischen Zusammensetzung der Probe.

In der Regel wird ein FT-IR-Mikroskop verwendet, um diese Bilder zu erhalten, und es gibt kaum Einschränkungen hinsichtlich der verwendeten IR-Methodik. Somit können IR-Bilder mit in Transmission, Reflexion und ATR erzeugt werden.

Wie erstellt man ein FT-IR-Image?

Real-time footage of FPA imaging performed on a 1 x 1 mm biological tissue sample. Measurement speed is >900 spectra per second.

Der einfachste Weg, ein FTIR-Bild zu erzeugen, ist die Durchführung einzelner IR-Messungen mit definierten Abständen auf einer Probe. Durch das Verbinden der gewonnenen IR-Spektren mit den erfassten Koordinaten (Ortsdaten) lassen sich rudimentäre Fragestellungen wie über die Homogenität einer Beschichtung beantworten. Dies wird als Single Point Mapping bezeichnet.

Um chemische FT-IR-Bilder effektiver und vor allem schneller zu erstellen, sind jedoch spezielle Infrarot-Detektoren erforderlich. Grundsätzlich gibt es dabei zwei Ansätze: Zeilenarray- oder Focal-Plane-Array-Detektoren.

Während Zeilenarray-Detektoren (auch Line-Array genannt) eine eher billige Hybridlösung sind, sind FPA-Detektoren absolut Stand der Technik. Sie nehmen hochauflösende Bilder mit definiertem Pixelformat, z. B. 64 x 64 Pixel, in einem einzigen Schnappschuss auf. Ein solches "One-Shot-Bild" würde also aus mehr als 4000 IR-Spektren bestehen.

Damit lassen sich in der IR-Mikroskopie räumliche Auflösungen bis zur physikalischen Beugungsgrenze des infraroten Lichts erreichen !

Der Unterschied zwischen FPA- und Zeilen-Detektoren

Bei Line-Array-Messungen werden Einzelelement-Detektoren in Reihe angeordnet
(z. B. 1 x 8) und geben bei der Messung eine Linie von Spektren wieder (Linearscans). Diese Spektrallinien werden dann nach der Aufnahme "zusammengefügt", um ein chemisches Bild zu erhalten. Dadurch liefert ein Linienarray zwar schnellere Ergebnisse als Einzelpunktmessungen, aber es gibt große Kompromisse bei der spektralen Qualität und der Datenverarbeitung. Darüber hinaus ist die ATR-Bildgebung bestenfalls unzuverlässig und nur mit unpraktischem Zubehör durchführbar.

FPA-Detektoren hingegen bestehen aus einem 2D-Array von IR-Detektoren
(z.B. 32x32, 64x64, 128x128, etc.). Auf diese Weise erfassen sie ein echtes chemisches Bild der Probe mit jeder Messung auf einmal und ohne Stitching. Letztlich hat ein Focal-Plane-Array-Detektor keine der oben genannten Einschränkungen in Bezug auf Datenbehandlung oder spektraler Qualität. Die Daten werden in perfekter Ausrichtung mit dem visuellen Bild aufgezeichnet, unabhängig von der Probenstruktur und mit überlegener Geschwindigkeit und auch ATR experimente sind einfach durchzuführen.

Das Bild unten zeigt das Funktionsprinzip von Einzelelement- vs. Zeilenarray- vs. Focal-Plane-Array-Detektoren. Wie Sie sehen können, sind Einzelelement- und Zeilenarray-Ansätze aufeinanderfolgende Methoden, die Schritt für Schritt die Bilddaten erfassen.

Diese Abbildung verdeutlicht das Prinzip der verschiedenen Bildgebungsverfahren. Links sehen Sie das Verfahren mit Einzelpunktdetektoren, in der Mitte das eines Linienarraydetektors und rechts das echte chemische Bild eines FPA-Detektors.

Über die Vorteile eines FPA-Detektors bei FT-IR-Imaging

FPA-Detektor, der für die Untersuchung einer Gewebeprobe verwendet wird. In diesem Fall wird der Darm einer Maus auf die Verteilung von Proteinen, Kohlenhydraten und Lipiden untersucht.
  • Höchste Abbildungsleistung: Gleichzeitige Aufnahme von >1024 Spektren in jedem Messmodus mit beeindruckender räumlicher Auflösung.
  • Unerreichtes Auflösungsvermögen im Vergleich zu Einzelpunkt- oder Line-Array-Messungen.
  • Analysieren Sie sehr große Probenflächen dank der Kombination aus FPA-Imaging und hohem Automatisierungsgrad.
  • FPA-Imaging erzeugt sofort chemische Bilder in höchster Auflösung

Die FPA-Technologie übertrifft natürlich die Geschwindigkeit und räumliche Auflösung von Linienarray- und Einzelpunktmessungen. Die Anwendbarkeit ist unbegrenzt, die gewonnenen Spektraldaten immer von höchster Qualität und die Messzeiten so kurz wie technisch möglich.

FT-IR Imaging FAQ

Häufig gestellte Fragen zum FT-IR-Imaging

1. Was ist chemische Bildgebung?

Die chemische Bildgebung ist eine Methode zur räumlichen Auflösung der chemischen Eigenschaften einer Probe in 2D- oder 3D-Bildern. Mit dieser Technik ist es möglich, Informationen über die Materialeigenschaften, die Struktur und die Herkunft der untersuchten Proben zu erhalten.

2. Was ist FT-IR-Imaging?

Die FT-IR-Bildgebung ist eine Möglichkeit, besagte ortsaufgelöste chemische Bilder zu erzeugen. Jedes Pixel dieser Bilder besteht aus einem ganzen IR-Spektrum. Durch die Interpretation der einzelnen Spektren können interessante Probenbereiche erkannt und ausgewertet werden.

3. Wie erstellt man FT-IR-Bilder?

Gängige Methoden sind sequentielle Einzelpunkt- oder Linienarraymessungen sowie die direkte Aufnahme von 2D-Bildern mit einem Focal-Plane-Array (FPA)-Detektor. Während FPA-Detektoren die überlegene Lösung darstellen, sind hochautomatisierte Einzelpunktmessungen eine wirtschaftliche Alternative.

4. Wie funktioniert ein FPA-Detektor?

Das Prinzip eines FPA-Detektors ist analog zu dem einer Digitalkamera. Anstelle von sichtbarem Licht wird jedoch ein definiertes Array von Pixeln mit Infrarotlicht beleuchtet, wobei jedes Detektorpixel ein unabhängiges, räumlich aufgelöstes IR-Spektrum aufnimmt.

5. Benötigen FPA-Detektoren Aperturen?

Nein, ein FPA-Detektor benötigt keine Aperturen. Jedes Pixel des Detektors fungiert als Apertur und nimmt somit direkt eine räumlich aufgelöste IR-Information auf. Dies ermöglicht wesentlich schnellere und höher aufgelöste Messungen im Vergleich zu anderen Detektortechniken.

6. Ist es möglich, die räumliche Auflösung eines FPAs einzustellen?

Die räumliche Auflösung eines FPA-Detektors hängt von der Größe der einzelnen Detektorpixel ab. Benachbarte Pixel können jedoch zu einem "größeren Pixel" zusammengefasst werden, wodurch sich die räumliche Auflösung verringert und gleichzeitig die spektrale Qualität verbessert wird.

7. Gibt es verschiedene FPA-Größen?

FPA-Detektoren sind in verschiedenen Array-Größen erhältlich. Die Größe sollte entsprechend dem optischen System (Mikroskop) gewählt werden. So ist z.B. der LUMOS II für ein 32x32 Pixel Array optimiert, während der HYPERION 3000 für ein 64x64 oder 128x128 Pixel Array ausgelegt ist. Mit letzterem ist es möglich, eine beeindruckende Anzahl von mehr als 16.000 ortsaufgelösten Spektren in einem Scan aufzunehmen.

8. Ist ein größerer FPA besser?

Nein, denn die Größe des FPA-Detektors hängt ausschließlich von der optimalen Ausleuchtung durch das Mikroskop ab. Eine homogene Ausleuchtung des Detektorarrays ist also besonders wichtig, um eine gleichbleibend hohe spektrale Empfindlichkeit sowohl in der Mitte als auch an den Rändern des Detektors zu gewährleisten.

9. Wann hat ein größerer FPA Vorteile?

Je größer die Detektorfläche des FPA ist, desto mehr Spektren werden gleichzeitig aufgenommen. Da die räumliche Auflösung unabhängig von der Arraygröße ist, bedeutet dies, dass ein 128x128 FPA-Detektor in einer einzigen Messung eine 16-mal größere Fläche abdeckt als ein 32x32-Detektorarray. Ein größerer FPA ist schlussendlich schneller in der Messung.

10. Kann FPA mit jeder Messtechnik kombiniert werden?

Ja. FPA-Detektoren bieten Vorteile bei Transmission, Reflexion und abgeschwächter Totalreflexion (ATR). Besonders in Verbindung mit der ATR-Technik erreicht dieser Detektortyp eine außergewöhnlich hohe räumliche Auflösung.

11. Warum wird die Auflösung von FPA-Messungen in ATR erhöht?

Die Kombination aus einer hochbrechenden Festkörperlinse (Germanium-ATR-Kristall) und einem "aperturfreien" FPA-Detektor erhöht die Ortsauflösung im Vergleich zu Transmissionsmessungen um den Faktor 4. Dieser Effekt wird auch als Immersionslinse bezeichnet.

12. Sind FPA-Messungen auf alle Proben anwendbar?

Da FPA-Messungen mit allen Messtechniken kombiniert werden können, können prinzipiell alle Arten von Proben auf diese Weise analysiert werden. Gase, Flüssigkeiten und andere flüchtige Substanzen können aufgrund ihrer kinetischen Eigenschaften nicht mikroskopisch analysiert werden.

13. Was sind typische Anwendungen eines FPA?

Typische Anwendungen sind in allen Bereichen der Industrie und Forschung zu finden. Angefangen bei der Analyse von Mikroplastik, Partikeln und Verunreinigungen über die Charakterisierung komplexer chemischer Strukturen, wie z.B. biologisches Gewebe, pharmazeutische Produkte bis hin zu Mehrschichtlaminaten und Lacken. Kurzum, überall dort, wo eine sehr hohe Ortsauflösung und die Analyse großer Probenflächen unabdingbar sind, kommt diese Detektortechnologie zum Einsatz.