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Grundlagen der FT-IR Mikroskopie

Wir erklären Ihnen die Grundlagen der Infrarot (IR)-Mikroskopie und konzentrieren uns auf die wesentlichen Fragen zu Detektoren, Mapping und FT-IR-Imaging.

Grundlagen der FT-IR-Mikroskopie

Was ist Infrarot-Mikroskopie bzw. µ-FT-IR? Gibt es einen Unterschied?

Über die Infrarot (IR)-Mikroskopie

Infrarot- oder FT-IR-Mikroskopie ist die spannende Kombination aus konventioneller Lichtmikroskopie und einer umfassenden chemischen Identifikation durch FT-IR-Spektroskopie.

Zwar sind beide Techniken für sich genommen schon recht mächtig, bieten zusammen jedoch die Möglichkeit auch winzige Objekte chemisch zu untersuchen. Die IR-Mikroskopie kombiniert somit spektrale Daten mit räumlicher Auflösung .

Allerdings gilt es dabei einige technische Hürden zu überwinden, da die traditionelle Lichtmikroskopie Glaslinsen verwendet, die einen großen Anteil IR-Strahlung blockieren und nicht frei passieren lassen.

Daher müssen spezielle Objektive mit IR-transparenten Materialien oder Cassegrain-Objektive verwendet werden.

Über FT-IR-Mikroskopie und Probenvorbereitung

µ-FT-IR wird typischerweise eingesetzt um Partikel und kleinste Produktschäden, Gewebeschnitte, Laminate, Beschichtungen auf Metalloberflächen oder Einkristalle zu untersuchen.

Generell können dabei die gleichen Methoden wie auch bei makroskopischen IR-Messungen eingesetzt werden: Transmission, Reflexion und ATR.

Für Messungen in Transmission oder Reflexion müssen die Proben jedoch hauchdünn sein (<15 µm) oder als KBr-Pellets vorliegen. Dies kann eine starke Herausforderung bei der Probenpräparation sein.

Wie schon in der Makro-IR-Spektroskopie bietet ATR auch in der Mikroskopie entscheidende Vorteile, die diese zerstörungsfreie Analysemethode zum Standard gemacht haben.

Über ATR in der IR-Mikroskopie

ATR steht für abgeschwächte Totalreflexion und wird angewendet, indem ein Kristall mit einer sehr feinen Spitze auf die Probe gedrückt wird. Das eingestrahlte Licht passiert den Kristall und interagiert durch diesen mit der darunter liegenden Probe, wodurch ein IR-Spektrum entsteht.

ATR liefert qualitativ hochwertige FT-IR-Daten von fast allen Probentypen - und das ohne vorherige bzw. aufwändige Präparationsschritte. Darüber hinaus bietet es zudem einen Vorteil in Bezug auf die mögliche räumliche Auflösung.

Der Germaniumkristall wirkt wie eine feste Immersionslinse und verbessert die räumliche Auflösung um den Faktor 4 im Vergleich zu Transmissions- und Reflexionsmessungen. Auf diese Weise analysieren Sie problemlos Proben, die nur wenige Mikrometer groß sind.

Detektorauswahl in der FT-IR-Mikroskopie

Comparative Analysis of different IR detecotrs. TE-MCT and LN-MCT show an almost identical signal-to-noise ratio at 30 µm aperture and 1 min measurement time.

Üblicherweise wird in der IR-Mikroskopie also ein Punkt auf der Probe ausgewählt, visuell anvisiert und dann gemessen. Dies nennt man auch "Point-and-Shoot"-Methode und ist der übliche Ansatz für einfache µ-FT-IR-Anwendungen. Wie Sie sich vorstellen können, ist es umso schwieriger, ein schönes Infrarotspektrum zu erhalten, je kleiner bestimmte Teilchen sind.

Das ist genau der Grund, warum für diese Untersuchungen hochempfindliche Detektoren verwendet werden müssen. Unter diesen gibt es sogenannte Einzelelement- und Imaging-Detektoren. Da sich diese Seite mit der Mikroskopie beschäftigt, werden wir uns auf Ein-Element-Detektoren konzentrieren, also: DLaTGS, TE-MCT und LN-MCT.

Wenn Sie möchten, können Sie aber auch zuerst ihre Grundlagen auffrischen.

Modern FT-IR microscopes like the LUMOS II can fit up to three detectors in the same instrument.

Detektoren aus deuteriertem Triglycinsulfat (DTGS) weisen den effektivsten bekannten pyroelektrischen Effekt auf und sind daher vielseitige Detektoren, die keine externe Kühlung benötigen, um qualitativ hochwertige Spektren zu erzeugen. Sobald jedoch die Aperturen und die Proben kleiner werden und dadurch immer weniger Licht den Detektor erreicht, nimmt die Qualität der Spektren schnell ab.

Unterhalb von einer Apertur-/Proben-Größe von 50 µm ist es am besten, einen gekühlten Quecksilber-Cadmium-Tellurid (MCT)-Detektor zu wählen, der eine erhöhte Empfindlichkeit auch bei schwachem Licht bietet. Hervorzuheben sind dabei thermoelektrisch gekühlte (TE-)MCTs, die kontinuierlich gekühlt werden und somit kaum Wartung benötigen und sich langsam zur Standardlösung in der Mikroskopie entwickeln.

Für kleinste Proben mit einer Größe von weniger als 10 µm sind jedoch mit flüssigem Stickstoff gekühlte (LN-)MCTs die beste Option. Diese benötigen aber natürlich eine gewisse Zeit zum Abkühlen und/oder müssen bei längerem Gebrauch mit flüssigem Stickstoff nachgefüllt werden. Was noch fehlt, ist die letzte, aber leistungsfähigste Möglichkeit, FT-IR-Mikroskopie durchzuführen:

Focal-Plane-Array (FPA)-Bildgebung bzw. -Imaging.

Das Wichtigste zu FT-IR Imaging (-Bildgebung)

Für hochdetaillierte chemische Analysen mit bester räumlicher Auflösung, führt kein Weg an FPA-Detektoren (Focal Plane Array) vorbei: Im Vergleich zu eher leistungsschwachen Hybrid-Lösungen (Line Array bzw. Zeilendetektoren) zeichnen sich FPAs dadurch aus, dass Sie mit einer einzigen Messung in wenigen Sekunden ein vollständiges Infrarotbild des gewählten Sichtfeldes erstellen (nicht unähnlich einer Digitalkamera).

In diesen sogenannten chemischen oder FT-IR-Bildern enthält jedes Pixel ein komplettes Infrarotspektrum. Das heißt, sie nehmen tausende IR-Spektren mit einer einzigen Messung auf (je nach FPA-Größe). Durch die Interpretation dieser räumlich aufgelösten FT-IR-Daten kann dann die Beschaffenheit der Probe genau beurteilt werden.

Abgesehen von der guten Spektrenqualität und der extrem hohen räumlichen Auflösung (insbesondere bei ATR), hat die Verwendung von FPA-Detektoren noch weitere Vorteile. Im Vergleich zu Hybrid-Detektoren (Line-Array) sind sie schneller, präziser und mit einem Laser kalibriert. Sie wollen mehr über FT-IR-Imaging erfahren?

Anwendungen der FT-IR-Mikroskopie

Die Infrarotmikroskopie ist immer dann die Methode der Wahl, wenn kleinste Partikel und Proben nicht nur visuell, sondern auch chemische identifiziert werden sollen.

Die effizienteste Vorgehensweise ist, dass Sie Ihre Probe (z.B. eine Oberfläche, die Verunreinigungen aufweist) direkt einer µ-ATR-Analyse unterziehen. Das ist einfach und schnell und funktioniert sogar bei Partikeln, die in komplexe Matrices eingebettet sind, wie z. B. MIkroplastik in Flusssedimenten. Dieser Ansatz wird hauptsächlich in der Fehler- und Schadensanalyse gewählt.

Wenn Wasser- oder Luftproben untersucht werden, ist es am besten, spezielle Filtermaterialien zu verwenden, die aus einem Material bestehen, das das IR-Licht ungehindert passieren lässt, da Standardmaterialien (z. B. Nitrocellulose) einen erheblichen Teil des IR-Strahls absorbieren. Solche Filter werden dann mittels Transmissions-IR analysiert. Dies wird insbesondere in der Partikelanalyse eingesetzt

FT-IR Mikroskopie Videos & Tutorials

Anwendung der FT-IR-Mikroskopie in ihrem traditionellen Anwendungsfall: Fehleranalyse.
Analyse eines Polymer-Mehrschichtlaminats mittels FT-IR-Mikroskopie.
Gewebedarstellung mit einem FPA-Detektor.

FAQ FT-IR Mikroskopie

Häufig gestellte Fragen zur FT-IR-Mikroskopie

1. Was ist FT-IR-Mikroskopie?

Sie ist die Anwendung einer FT-IR-Messung auf eine mikroskopische Probe. Daher kombiniert sie die traditionelle Mikroskopie und die chemische Analyse in einem Werkzeug. Sie wird idealerweise in der Fehleranalyse und Materialwissenschaft eingesetzt.

2. Warum braucht ein FT-IR-Mikroskop Blenden/Aperturen?

Da in der IR-Mikroskopie sehr empfindliche Detektoren verwendet werden, ist es wichtig, eine Übersättigung (zu viel IR-Licht) des IR-Detektors zu vermeiden.

Außerdem ermöglichen es Aperturen, den Messfleck an die Größe der Probe anzupassen, um ein viel besseres Spektrum zu erfassen. Stellen Sie sich eine 10 µm große Polyethylen-Flocke vor, die in eine PET-Matrix eingebettet ist.

Würde man in diesem Fall eine 30-µm-Blende anstelle einer zur Probe passenden 10-µm-Blende verwenden, würde das resultierende Spektrum viel mehr Beitrag der PET-Matrix als der PE-Kontamination enthalten.

3. Was ist das kleinste Objekt, das mit µ-FT-IR-Mikroskopie analysieren kann?

Das hängt vom verwendeten Mikroskop, Detektor und Messverfahren ab. Aber ein HYPERION, ausgestattet mit einem FPA-Detektor und unter Verwendung der ATR-Mikroskopie, kann Objekte an der Beugungsgrenze des IR-Lichts, also ≤ 1 µm, analysieren.

4. Warum erhöht ein Germanium-ATR-Kristall die Auflösung?

Germanium hat (im Vergleich zu vielen anderen ATR-Materialien) einen sehr hohen Brechungsindex. Da es in direktem Kontakt mit der Probe steht, wirkt es dadurch wie eine feste Immersionslinse. Dies erhöht die räumliche Auflösung um den Faktor 4 (Brechungsindex) im Vergleich zu Standard-Transmissionsmessungen.

5. Was ist FT-IR-Imaging?

FT-IR-Imaging 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.