LUMOS II

FT-IR Imaging und Mikroskopie

Chemische Bildgebung im Allgemeinen ist ein äußerst effektives Werkzeug, um eine sehr detaillierte und räumlich aufgelöste chemische Analyse durchzuführen. Dabei werden die spektroskopischen Eigenschaften der Probe als sogenanntes chemisches Bild dargestellt.
Jeder Pixel dieses chemischen Bildes besteht dabei aus einem kompletten FT-IR-Spektrum. Durch die Interpretation dieser Spektraldaten als Falschfarbenbild können einzelne Probeneigenschaften hervorgehoben oder die chemische Zusammensetzung betont und visualisiert werden.
Es gibt verschiedene Möglichkeiten diese Bilder zu erzeugen. Einzelpunkt- und Line-Array-Messungen (Zeilendetektoren) ermöglichen es zwar chemische Bilder zu erzeugen, aber stehen in Ihrer Brillanz und Leistungsfähigkeit deutlich hinter Focal-Plane-Array-Detektoren (FPA) zurück.

FTIR Imaging LUMOS II

Warum ist die FPA anderen Methoden überlegen?

Grundsätzlich haben Sie die Möglichkeit, aufeinanderfolgende Einzelpunktmessungen mit geringem Abstand zwischen den Messpunkten durchzuführen. Dadurch wird eine chemische Karte Ihrer Probe erstellt, was in vielen Anwendungsfällen ausreichend ist. Für die Analyse größerer Probenbereiche erfordert diese Methode jedoch viel Zeit. Glücklicherweise minimiert das vollautomatische LUMOS II den Aufwand solcher Messungen signifikant. Im Vergleich zu FPA- und Einzelelementmessungen sind Zeilendetektoren eher eine Hybridlösung. Bei dieser Art der Messung sind Einzelelementdetektoren in Reihe geschaltet (z.B. 1 x 8) und zeichnen gleichzeitig eine Linie an Spektren auf (lineare Abtastung). Diese "Spektrallinien" werden nach der Aufnahme zusammengefügt, um allmählich ein chemisches Bild zu erhalten. FPA-Detektoren hingegen erzeugen bei jeder Messung ein echtes chemisches Bild der Probe. Anschließend können diese FPA-Bilder zusammengeführt werden, um sehr große Probenbereiche abzubilden.

FPA Imaging LUMOS II
Diese Grafik verdeutlicht das Prinzip der verschiedenen Bildgebungsverfahren. Auf der linken Seite sehen Sie das Vorgehen mit Einzelpunktdetektoren, in der Mitte das eines Line-Array-Detektors und auf der rechten Seite das echte chemische Bild eines FPA-Detektors.

Obwohl Zeilendetektoren im Vergleich zu Einzelpunktmessungen schneller Ergebnisse liefern, gibt es große Kompromisse bei der spektralen Qualität sowie der Handhabung. ATR-Bildgebung ist beispielsweise unzuverlässig und nur mit unpraktischen Zubehören möglich. Dies bedeutet, dass in solchen Fällen chemische und visuelle Bilder niemals richtig zueinander ausgerichtet werden können. Dies kann zum Verlust kritischer Probeninformationen oder schlimmstenfalls Fehlinterpretationen führen. Je nach Eigenschaften und Struktur sind Proben in manchen Fällen nicht für das oben genannten Scanverfahren geeignet. Ein Focal-Plane-Array-Detektor weist keine der oben genannten Einschränkungen auf. Mittels FPA werden chemische Bilder erzeugt, indem immense Datenmengen mit einer einzigen Messung mit höchster Geschwindigkeit aufgezeichnet (1024 Spektren mit dem LUMOS II) werden. Die spektroskopischen Daten sind dabei perfekt auf das visuelle Bild abgestimmt und die Vermessung mit dem FPA ist zudem wesentlich unabhängiger von der Beschaffenheit der Probe.

Echtzeitaufnahmen der FPA-Bildgebung, die an einer biologischen Gewebeprobe von 1 x 1 mm durchgeführt wurden. Die Messgeschwindigkeit beträgt> 900 Spektren pro Sekunde.

Vorteile der FPA-Bildgebung:

  • Hochleistung bei Bildgebung: Erfassen Sie  über 1024 Spektren gleichzeitig in allen Messmodi mit beeindruckender Ortsauflösung.
  • Überlegenes Auflösungsvermögen  verglichen mit Einzelpunkt- und Line‑Array-Messungen.
  • Analysieren Sie sehr große Probenbereiche dank der Kombination aus FPA-Bildgebung und hohem Automatisierungsgrad.
  • Erzeugen Sie chemische Bilder in höchster Auflösung in kürzester Zeit.
  • Fügen Sie bis zu zwei zusätzliche Detektoren hinzu und bewahren Sie sich analytische Vielseitigkeit.

Jahrzehnte der Erfahrung in FT-IR-Spektroskopie und -Bildgebung ermöglichen es Bruker nur die besten Analysegeräte bereitzustellen. Einfache Software, intelligente Hardware und clevere Automatisierung geben Ihnen den entscheidenden Vorteil bei chemischer Bildgebung.

Die Schlussfolgerung:

Kein Wunder, dass die FPA-Technologie die Geschwindigkeit und räumliche Auflösung von Einzelpunkt- und Line-Array-Messungen übertrifft. Die Anwendbarkeit ist fast unbegrenzt, die gewonnenen Spektraldaten immer von höchster Qualität und die Messzeiten extrem kurz.

1. Was ist chemische Bildgebung oder Chemical Imaging?

Chemische Bildgebung oder Chemical Imaging ist eine Methode zur ortsaufgelösten Darstellung der chemischen Eigenschaften einer Probe in 2D oder 3D Bildern. Durch diese Technik lassen sich Einsichten zu Materialeigenschaften, Struktur und Herkunft der untersuchten Proben treffen.


2. Was ist FT-IR-Imaging?

FT-IR-Imaging ist eine Möglichkeit diese ortsaufgelösten chemischen Bilder zu erstellen. Dabei besteht jedes Pixel dieser Bilder aus einem ganzen IR Spektrum. Durch Interpretation der Einzelspektren lassen sich so interessante Regionen auf der Probe aufspüren und interpretieren.


3. Welche Möglichkeiten gibt es FT-IR-Bilder zu erstellen?

Gängige Methoden sind sequentielle Einzelpunkt- bzw. Line-Array-Messungen, sowie die direkte Aufnahme von 2D-Bildern durch Focal-Plane-Array (FPA) Detektoren. FPA-Detektoren stellen hier den ultimativen Lösungsansatz dar, wobei hochautomatisierte Einzelpunktmessungen eine gute und günstige Alternative sind.


4. Wie funktioniert ein FPA-Detektor?

Das Funktionsprinzip eines FPA Detektors ist analog zu dem einer digitalen Kamera. Eine definierte Pixel-Anordnung (Array) wird durch Infrarotlicht bestrahlt, wobei jeder Detektorpixel ein eigenständiges IR-Spektrum ortsaufgelöst aufzeichnet.


5. Benötigt ein FPA-Detektor Blenden?

Nein, ein FPA Detektor benötigt keinerlei Blenden. Jeder einzelne Pixel des Detektors hat die Funktion einer Blende und zeichnet somit ein ortsaufgelöstes IR Spektrum auf. Somit lassen sich sehr viel schneller und auch hochaufgelöster Rastermessungen durchführen, als bei anderen Detektortechniken.


6. Kann man die Auflösung eines FPA anpassen?

Die Ortsauflösung eines FPA Detektors ist abhängig von der Größe der einzelnen Detektorpixeln, jedoch lassen sich benachbarte Pixel zu einem „größeren Pixel“ zusammenfassen und somit die Ortsauflösung herabsetzen, aber auch die spektrale Qualität verbessern.


7. Gibt es verschiedene FPA-Größen?

FPA-Detektoren gibt es mit unterschiedlichen Array-Größen, welche speziell für das optische System (Mikroskop) ausgewählt werden sollten. Das LUMOS II ist beispielsweise für einen 32x32 Pixel-Array optimiert, während das HYPERION 3000 für einen 64x64 oder 128x128 Pixel-Array ausgelegt ist. Mit letzterem ist es möglich eine beeindruckte Zahl von mehr als 16.000 Spektren ortsaufgelöst aufzunehmen.


8. Ist ein Größerer FPA besser?

Nein, da die Größe des FPA-Detektors sich ausschließlich nach der optimalen Ausleuchtung in dem zu implementierenden Mikroskop richtet. Eine homogene Ausleuchtung des Detektorarrays ist wichtig, um sowohl im Zentrum als auch an der Rändern eine gleichbleibend hohe spektrale Empfindlichkeit zu gewährleisten.


9. Wann birgt ein größerer FPA Vorteile?

Je größer das FPA-Detektorareal ist, desto mehr Spektren werden simultan aufgezeichnet. Die Ortsauflösung ist dabei unabhängig von der Array-Größe. Dies bedeutet, dass ein 128x128 FPA-Detektor in einer Messung ein 16-fach größeres Areal abdeckt, als ein 32x32 Detektor-Array in der gleichen Zeit.


10. Funktioniert FPA mit jeder Messtechnik?

FPA Detektoren lassen sich mit jeder Messtechnik kombinieren und bietet Vorteile in Transmission, Reflexion und abgeschwächter Totalreflexion (ATR). Speziell mit der ATR-Technik erzielt diese Detektorart jedoch eine außergewöhnlich hohe Ortsauflösung.


11. Wieso ist die Auflösung bei FPA-Messungen in ATR erhöht?

Durch die Kombination aus einer hochbrechenden Festkörperlinse (Germanium ATR-Kristall) und einem „Blenden-freien“ FPA Detektor lässt sich eine außerordentlich hohe Ortsauflösung erzielen, die um den Faktor 4 im Vergleich zu Transmissionsmessungen erhöht ist.


12. Sind FPA-Messungen auf alle Proben anwendbar?

Da FPA Messungen mit allen Messtechniken kombinierbar sind, lassen sich im Prinzip auch alle Arten von Proben auf diese Weise analysieren. Gase, Flüssigkeiten und andere flüchtige Substanzen sind aufgrund ihrer kinetischen Eigenschaften nicht sinnvoll mikroskopisch zu analysieren.


13. Was sind typische Anwendungen eines FPA?

Typische Anwendungen lassen sich in allen Bereichen von Industrie und Forschung finden. Angefangen bei der Analyse von Mikroplastik, Partikeln und Kontaminationen über die Charakterisierung komplexer chemischer Strukturen, wie biologischem Gewebe, pharmazeutischen Produkten bis hin zu mehrschichtigen Laminaten und Lacken. Kurzum: überall dort wo eine sehr hohe Ortsauflösung und die Analyse großer Probenbereiche unabdingbar ist, findet diese Detektortechnik Anwendung.