Guide de la microscopie IRTF

La technique qui permet à la microscopie infrarouge d'analyser et d'identifier les échantillons est la même que celle utilisée en spectroscopie IRTF. Tout d’abord, la lumière infrarouge éclaire l’échantillon et interagit avec lui. Cette lumière IR est ensuite détectée pour créer le spectre IRTF, qui ressemble à une « empreinte chimique » de l’échantillon. Les informations contenues dans le spectre peuvent être utilisées pour identifier, caractériser et quantifier les différentes substances présentes dans l'échantillon.

Selon l'échantillon, l'analyse IRTF peut être réalisée de plusieurs manières :

• Transmission
• Réflexion
• Réflexion Totale Atténuée (ATR)

Pour la transmission, la lumière IR traverse complètement l’échantillon et est ensuite détectée. Pour utiliser la transmission en microscopie IRTF, les échantillons doivent généralement être préparés d'une certaine manière, par ex. finement coupé par un microtome. La réflexion est utilisée pour analyser des échantillons solides où la lumière IR est réfléchie sur la surface de l'échantillon puis détectée. Il peut également analyser des échantillons très fins placés sur un substrat réfléchissant, tel que des tissus ou des revêtements fins.

Comme la réflexion et la transmission souffrent toutes deux de certaines limitations de préparation des échantillons, une autre technique est devenue standard en microscopie IRTF : la réflexion totale atténuée, ou ATR. L'ATR dirige la lumière infrarouge à travers un cristal, généralement en Germanium, qui appuie sur l'échantillon.

La lumière infrarouge interagit avec les premiers microns de l’échantillon, puis retourne à travers le cristal pour être détectée. L'ATR est la technique de mesure la plus largement utilisée car elle peut mesurer une grande variété de types d'échantillons, nécessite peu ou pas de préparation d'échantillon et offre une excellente résolution lorsqu'elle est utilisée en microscopie.

Un microscope IRTF est beaucoup plus complexe optiquement que le simple spectromètre IRTF. IL faut combiner un microscope et cette puissante technique d’identification chimique.

Pour combiner le spectromètre IRTF et le microscope, la lumière visible et la lumière IR doivent pouvoir se déplacer à travers le microscope pour éclairer l'échantillon. Cependant, cela crée un défi dès le début. En effet, la microscopie optique utilise généralement du verre pour de nombreux composants du microscope, tels que les lames d'échantillon et les objectifs. Cependant, la lumière infrarouge ne peut pas traverser le verre !

Il existe deux options pour contourner cet obstacle. Premièrement, les lentilles et les composants du microscope peuvent être constitués de matériaux que la lumière infrarouge peut facilement traverser. Cependant, la solution la plus courante consiste à utiliser une série de miroirs, généralement en aluminium, pour diriger la lumière autour du microscope. Des miroirs soigneusement disposés peuvent même être utilisés pour créer des objectifs, appelés objectifs Cassegrain. 

Avec une optique appropriée, la lumière visible peut atteindre l’échantillon et la partie microscope de l’instrument fonctionne comme prévu. Tout en regardant l'échantillon à l'aide du microscope, une région de l'échantillon est sélectionnée pour l'analyse IRTF. Par ATR, transmission ou réflexion, la lumière IR interagit avec l'échantillon dans la région d'intérêt puis est envoyée à un détecteur. Mais avant que la lumière IR n’atteigne le détecteur, elle est envoyée à travers une ouverture pour garantir que seule la lumière IR correspondant à la région d’intérêt atteint le détecteur pour analyse.

Une fois que la lumière IR atteint le détecteur, le spectre IRTF est créé. Cela donne une multitude d’informations chimiques sur l’échantillon dans la région d’intérêt. Un logiciel informatique peut même identifier automatiquement la composition chimique de l’échantillon dans la région sélectionnée.

Il existe plusieurs options de détecteurs qui peuvent être utilisées pour la microscopie IRTF, qui se répartissent en deux catégories de base : les détecteurs à élément unique et les détecteurs d'imagerie. Les détecteurs à élément unique sont utilisés pour étudier des zones spécifiques d'un échantillon, tandis que les détecteurs d'imagerie sont utilisés pour créer des images chimiques. L’imagerie chimique est un sujet qui mérite son propre article, nous nous concentrerons donc ici sur les détecteurs à élément unique.

Il existe trois types de détecteurs à élément unique couramment utilisés dans un microscope IR :

DLaTGS

TE-MCT

LN-MCT

Les détecteurs de sulfate de triglycine dopé au lanthane α-alanine deutéré (DLaTGS) sont des détecteurs extrêmement polyvalents qui ne nécessitent pas de refroidissement pour fonctionner, ce qui les rend très faciles à utiliser. Cependant, ils ne peuvent pas créer de spectres de haute qualité pour des échantillons extrêmement petits ou lorsqu’une très petite ouverture est utilisée.

Pour analyser des régions plus petites ou des échantillons plus petits, inférieurs à 100 µm, un détecteur au tellurure de mercure et de cadmium refroidi thermoélectriquement (TE-MCT) peut être utilisé. Ce type de détecteur est continuellement refroidi par un élément Peltier, ne nécessitant aucun entretien ni cryogène.

Pour analyser les plus petits échantillons d'une taille de 10 µm ou moins, les MCT refroidis à l'azote liquide (LN-MCT) sont la meilleure option. Cependant, le détecteur peut mettre un certain temps à refroidir suffisamment pour pouvoir être utilisé après avoir été rempli d'azote liquide. Ces détecteurs nécessitent également le plus de travail d'entretien, car l'azote liquide doit être continuellement réapprovisionné lorsque le microscope est utilisé pendant des périodes prolongées.

Les diaphragmes sont un élément important en microscopie IRTF car elles nous permettent d'analyser sélectivement la lumière IR qui a interagi avec la région de l'échantillon qui nous intéresse. Il existe deux styles de diaphragmes qui peuvent être utilisés pour éliminer la lumière IR indésirable. avant la détection : diaphragmes à trou calibré et diaphragmes couteaux.

Diaphragmes à trous calibrés est l’option la plus simple et la moins chère. Il se compose d'une roue avec des diaphragmes circulaires de différentes tailles. La molette est simplement tournée pour sélectionner la taille de diaphragme la mieux adaptée à cette expérience. Les diaphragmes en forme de couteaux sont plus chères, mais beaucoup plus précises

Diaphragmes couteaux se compose d'un diaphragme rectangulaire composé de quatre lames pouvant chacune être déplacée indépendamment. Ces lames sont utilisées pour sélectionner exactement la zone d'intérêt sur l'échantillon.

Les diaphragmes en forme de couteaux présentent ici l'avantage de sélectionner des régions d'intérêt avec précision pour laisser uniquement la lumière IR correspondant à cette région atteindre le détecteur. Les diaphragmes de trous calibrés ne peuvent laisser passer qu'approximativement la lumière correspondant à la région d'intérêt, car la forme de l'ouverture ne peut pas être contrôlée.

Pour autant, il faut noter qu'en utilisant un diaphragme, nous "renvoyons" la lumière IR. Cela signifie que l’application d’une très petite ouverture de diaphragme (par exemple 50 µm) nécessitera un détecteur très sensible. Bien entendu, la durée de la mesure peut être augmentée dans certains cas, mais le résultat peut varier.

Une fois que la lumière IR atteint le détecteur, le spectre IRTF est créé. Cela donne une multitude d’informations chimiques sur l’échantillon dans la région d’intérêt. Un logiciel informatique peut même identifier automatiquement la composition chimique de l’échantillon dans la région sélectionnée..  

Pour créer ces images infrarouges, des détecteurs d’imagerie spéciaux sont utilisés pour garantir que l’image est créée efficacement et avec une haute résolution. Il existe deux types de détecteurs d'imagerie : le détecteur à matrice de points focaux (FPA) ou le détecteur à matrice de lignes. Ces détecteurs peuvent tous deux capturer simultanément de nombreux spectres IRTF dans le champ de vision.

Cependant, les détecteurs FPA présentent l’avantage en matière d’imagerie chimique car ils sont plus rapides, plus précis et peuvent être calibrés par laser.. 

La microscopie IRTF est extrêmement utile pour toute application impliquant l’analyse d’un échantillon petit, mince ou nécessitant des mesures précises. Cela en fait la technique de choix pour étudier les particules, les films et les revêtements, que ce soit pour le contrôle qualité, l'analyse des défaillances, l'analyse des concurrents ou la recherche. 

L’analyse des particules est nécessaire dans de nombreuses industries pour vérifier la présence de contaminants, et constitue également un élément clé de la recherche environnementale visant à étudier la pollution. Les chercheurs en environnement s’efforcent actuellement de comprendre la composition des particules microplastiques présentes dans notre eau, notre sol et notre air afin de mieux comprendre les impacts de ce type de pollution. La microscopie IRTF est une technique importante pour étudier les microplastiques, car elle peut déterminer rapidement la composition chimique des petites particules dans presque tous les types d'échantillons..

La microscopie IRTF est également une technique importante pour effectuer une analyse multicouche afin de déterminer à la fois la composition et l'épaisseur des couches. Cela se fait couramment dans l'industrie des polymères, par exemple, où les matériaux multicouches et composites doivent être analysés pour garantir que les matériaux sont fabriqués selon les spécifications et sont exempts de défauts..  

De même, la microscopie IR excelle dans l’analyse des revêtements minces. Dans l'industrie, les produits tels que les revêtements anticorrosion sur les métaux, les couches adhésives sur les emballages ou les revêtements diamantés sur les forets doivent tous être vérifiés pour leur uniformité et leur contamination..

Il existe ensuite des domaines comme la médecine légale qui utilisent la microscopie IRTF pour analyser un large éventail d’échantillons, car même les plus petits détails peuvent être importants dans ce domaine. Les plus petites fibres et particules doivent être identifiées pour être utilisées comme preuve. Une analyse multicouche doit être effectuée pour identifier des échantillons de peinture afin de résoudre les cas de délit de fuite. Des échantillons plus importants peuvent même être étudiés pour détecter les contrefaçons. 

Les applications de la microscopie IRTF s'appliquent à un large éventail d'industries. Et bien sûr, une fois l’imagerie chimique ajoutée, la variété des applications devient encore plus diversifiée pour inclure des applications telles que la numérisation de grands échantillons à la recherche de défauts, l’imagerie de grands échantillons de tissus ou de comprimés pharmaceutiques entiers en même temps.

1. Qu'est ce que la Microscopie IRTF ?

Il s’agit de l’application d’une mesure IRTF à un échantillon microscopique. Par conséquent, il combine la microscopie traditionnelle et l’analyse chimique en un seul outil. Il est idéalement utilisé dans l'analyse des défaillances et la science des matériaux.

2. Pourquoi un microscope IRTF nécessite de diaphragme ?

Comme en microscopie IR on utilise des détecteurs très sensibles, il est important d'éviter de saturer le détecteur IR. De plus, les diaphragmes permettent d'adapter le point de mesure à la taille de l'échantillon pour acquérir un spectre bien meilleur. Imaginez une inclusion de polyéthylène de 10 µm intégré dans une matrice PET. Si dans ce cas vous utilisiez un diaphragme de 30 µm au lieu d'une diaphragme de 10 µm, le spectre résultant contiendrait beaucoup plus de contribution de la matrice PET que de la contamination PE.

3. Quel est le plus petit objet que la microscopie IRTF peut analyser?

Cela dépend du microscope, du détecteur et de la technique de mesure utilisée. Mais un HYPERION, équipé d'un détecteur FPA et utilisant la microscopie ATR peut analyser des objets à la limite de diffraction de la lumière IR, donc ≤ 1 µm..

3. Pourquoi un cristal Germanium-ATR augmente-t-il la résolution?

Le Germanium possède (par rapport à de nombreux autres matériaux ATR) un indice de réfraction très élevé. Comme elle est en contact direct avec l’échantillon, elle agit comme une lentille solide à immersion. Cela augmente la résolution spatiale d'un facteur 4 (indice de réfraction) par rapport aux mesures de transmission standard..

4. Qu'est-ce que l'imagerie IRTF?

L’imagerie IRTF est un moyen de créer lesdites images chimiques à résolution spatiale. Chaque pixel de ces images est constitué d'un spectre IR complet. En interprétant les spectres individuels, des régions d'échantillon intéressantes peuvent être détectées et évaluées.