Podstawy mikroskopii podczerwieni

Przewodnik po obrazowaniu FT-IR

Pokrótce wyjaśniamy podstawy obrazowania FT-IR i skupiamy się na różnych sposobach rejestrowania i interpretowania obrazów chemicznych za pomocą spektroskopii FT-IR.

Podstawowe informacje o obrazowaniu FT-IR

Co to jest obraz FT-IR?

W przeciwieństwie do obrazu wizualnego o niskim kontraście, obraz chemiczny wyraźnie podkreśla różnicę między zanieczyszczeniem a próbką.

Obraz chemiczny zawiera wiele informacji molekularnych w każdym z swoich pikseli. W przypadku obrazowania w podczerwieni (IR) oznacza to całe widmo IR. W rezultacie utworzony obraz wizualizuje właściwości chemiczne badanej próbki na podstawie danych IR..

Pozyskane dane spektralne można następnie wykorzystać na wiele sposobów, aby odpowiedzieć na określone pytania analityczne. Standardowym podejściem jest tworzenie obrazów w kolorach nierzyczywistych w celu podkreślenia i scharakteryzowania właściwości próbki. Krótko mówiąc, obraz FT-IR zapewnia wyraźną reprezentację składu chemicznego próbki.

Zwykle do uzyskania tych obrazów stosuje się mikroskop FT-IR i nie ma ograniczeń co do stosowanej techniki IR. Możesz znaleźć obrazy IR uzyskane przy użyciu techniki ATR, refleksji i transmisji.

Jak powstaje obraz FT-IR?

Wideo prezentujące obrazowanie FPA w czasie rzeczywistym podczas pomiaru próbki tkanki biologicznej o wymiarach 1 x 1 mm. Prędkość pomiaru wynosi >900 widm na sekundę.

Najprostszym sposobem wygenerowania obrazu FTIR jest wykonanie pojedynczych pomiarów w podczerwieni w zdefiniowanych na próbce punktach pomiarowych. Łącząc podczerwień z danymi przestrzennymi można znaleźć odpowiedź na podstawowe pytania takie jak homogeniczność powłoki. Jest to tak zwane mapowanie pojedynczego punktu.

Jednak w celu skuteczniejszego tworzenia obrazów chemicznych FT-IR potrzebne są specjalne detektory podczerwieni. Zasadniczo istnieją dwa podejścia: detektory liniowe lub detektory ogniskowej matrycy.

Detektory liniowe są raczej tanimi rozwiązaniami hybrydowymi, natomiast detektory FPA to najnowocześniejsze rozwiązanie. Detektory te wykonują obrazy w wysokiej rozdzielczości o określonym formacie pikseli, np. 64x64 pikseli w jednym pomiarze. Oznacza to, że pojedynczy obraz skład się z ponad 4000 widm IR!

Pozwala to na osiągnięcie rozdzielczości przestrzennej w mikroskopii IR na fizycznej granicy dyfrakcji światła podczerwonego!

Informacje o detektorach podczerwieni

W przypadku pomiarów liniowych detektory jednoelementowe są rozmieszczone szeregowo
(np. 1 x 8) i rejestrują jednocześnie linię widm (skanowanie liniowe). Te linie widm są następnie "zszywane" w celu uzyskania obrazu chemicznego. Chociaż pomiary liniowe mogą zapewnić szybsze wyniki niż pomiary punktowe, istnieją poważne ustępstwa w jakości spektralnej i obsłudze danych. Ponadto obrazowanie ATR jest w najlepszym przypadku zawodne i możliwe do wykonania tylko z niepraktycznymi akcesoriami.

Detektory FPA składają się z kolei z dwuwymiarowego układu detektorów podczerwieni (np. 32x32, 64x64, 128x128 itp.). Dzięki temu zbierany jest prawdziwy obraz chemiczny próbki przy każdym pomiarze, bez "zszywania". Sprawia to, że detektor ogniskowej matrycy nie ma żadnych wymienionych powyżej ograniczeń. Dane rejestrowane są w doskonałej zgodności z obrazem wizualnym, niezależnie od struktury próbki i z najwyższą prędkością.

Poniższy rysunek przedstawia zasadę działania detektorów jednoelementowych, liniowych i detektorów ogniskowej matrycy. Jak widać, metody punktowe i liniowe to metody, które krok po kroku zbierają dane obrazowania.

Powyższy rysunek wyjaśnia zasadę różnych technik obrazowania. Po lewej stronie widać procedurę z wykorzystaniem detektora punktowego, w środku w użyciem detektora liniowego, a po prawej prawdziwy obraz chemiczny uzyskany za pomocą detektora FPA.

Zalety detektorów FPA w obrazowaniu FTIR

Detektor FPA używany do badania próbki tkanki. W tym przypadku jelito myszy bada się pod kątem dystrybucji białek, węglowodanów i lipidów.
  • Najwyższa wydajność obrazowania: jednoczesna rejestracja 1024 widm w każdym trybie pomiaru z imponującą rozdzielczością przestrzenną.
  • Niezrównana zdolność rozdzielcza w porównaniu do pomiarów jednopunktowych lub liniowych.
  • Możiwość analizy bardzo dużych fragmentów próbek poprze połączenie obrazowania FPA i wysokiego stopnia automatyzacji.
  • Obrazowanie FPA tworzy obrazy chemiczne w najwyższej rozdzielczości w jak najkrótszym czasie.
  • Dodaj do dwóch dodatkowych detektorów, aby zachować wszechstronność analityczną i wybierz spośród szerokiej gamy dostępnych detektorów.

Pomiary z wykorzystaniem detektorów FPA w naturalny sposób przewyższają pomiary punktowe i liniowe pod względem szybkości i rozdzielczości przestrzennej. Możliwość zastosowania jest nieograniczona, uzyskane dane spektralne są zawsze najwyższej jakości, a czasy pomiarów możliwie jak najkrótsze.

Obrazowanie FT-IR — często zadawane pytania

FAQ

Często zadawane pytania dotyczące obrazowania FT-IR

1. Co to jest obrazowanie chemiczne?

Obrazowanie chemiczne to metoda przestrzennego określania właściwości chemicznych próbki na obrazach 2D lub 3D. Dzięki tej technice możliwe jest uzyskanie informacji o właściwościach materiału, strukturze i pochodzeniu badanych próbek.

2. Co to jest obrazowanie FT-IR?

Obrazowanie FT-IR jest jednym ze sposobów tworzenia wspomnianych obrazów chemicznych. Każdy piksel tych obrazów składa się z pełnego widma IR. Interpretując poszczególne widma, można wykryć i badać interesujące obszary próbki.

3. Jak tworzyć obrazy FT-IR?

Klasyczne metody to pomiary sekwencyjne jednopunktowe lub liniowe, a także bezpośrednie rejestrowanie obrazów 2D za pomocą detektora ogniskowej matrycy FPA (Focal-plane array ). Detektory FPA oferują nieograniczone możliwości, natomiast wysoce zautomatyzowane pomiary jednopunktowe są ekonomiczną alternatywą.

4. Jak działa detektor FPA?

Zasada działania detektora FPA jest analogiczna do zasady działania aparatu cyfrowego. W przypadku detektorów FPA określony układ pikseli oświetlany światłem podczerwonym, przy czym każdy piksel detektora rejestruje niezależne, przestrzennie rozdzielone widmo IR.

5. Czy detektory FPA wymagają przysłon?

Nie, detektor FPA nie wymaga żadnych przysłon. Każdy piksel detektora działa jak przysłona i tym samym rejestruje bezpośrednio przestrzenne dane IR. Pozwala to na znacznie szybsze pomiary o wyższej rozdzielczości w porównaniu z innymi detektorami.

6. Czy możliwe jest dostosowanie rozdzielczości przestrzennej FPA?

Rozdzielczość przestrzenna detektora FPA zależy od wielkości poszczególnych pikseli detektora. Jednak sąsiednie piksele można łączyć w celu utworzenia „większego piksela”, co powoduje zmniejszenie rozdzielczości przestrzennej oraz poprawia jakość spektralną.

7. Czy istnieją różne rozmiary FPA?

Detektory FPA są dostępne w różnych rozmiarach matryc. Rozmiar należy dobrać zgodnie z układem optycznym (mikroskopem). Na przykład LUMOS II jest zoptymalizowany pod kątem wykorzystania macierzy 32x32 pikseli, podczas gdy HYPERION 3000 wykorzystuje macierze 64x64 lub 128x128 pikseli. Dzięki temu ostatniemu możliwe jest zarejestrowanie imponującej liczby ponad 16 000 przestrzennie rozdzielonych widm w jednym skanie.

8. Czy większy detektor FPA jest lepszy?

Nie, ponieważ rozmiar detektora FPA zależy wyłącznie od optymalnego oświetlenia zapewnianego przez mikroskop. Jednorodne oświetlenie matrycy detektorów jest ważne, aby zapewnić niezmiennie wysoką czułość spektralną zarówno w centrum, jak i na krawędziach detektora.

9. Kiedy warto wybrać większy detektor FPA?

Im większy obszar detektora FPA, tym więcej widm jest rejestrowanych jednocześnie. Ponieważ rozdzielczość przestrzenna jest niezależna od rozmiaru matrycy, oznacza to, że detektor FPA 128x128  pozwala analizować 16 razy większą powierzchnie próbki niż matryca detektorów 32x32 w jednym pomiarze.

10. Czy FPA można łączyć z dowolną techniką pomiarową?

Tak, można. Detektory FPA oferują swoje zalety w zakresie transmisji, odbicia i osłabionego całkowitego wewnętrznego odbicia (ATR). Szczególnie w połączeniu z techniką ATR, detektor FPA osiąga wyjątkowo wysoką rozdzielczość przestrzenną.

 

11. Dlaczego zwiększa się rozdzielczość pomiarów FPA w ATR?

Połączenie wysoko refrakcyjnej soczewki półprzewodnikowej (germanowy kryształ ATR) i „pozbawionego apertury” detektora FPA zwiększa rozdzielczość przestrzenną czterokrotnie w porównaniu z pomiarami w transmisji. Ten efekt jest również nazywany soczewką immersyjną.

12. Czy pomiary FPA mają zastosowanie do wszystkich próbek?

Ponieważ pomiary FPA można łączyć ze wszystkimi technikami pomiarowymi, można w ten sposób analizować wszystkie typy próbek. Gazy, ciecze i inne substancje lotne nie mogą być analizowane mikroskopowo ze względu na ich właściwości kinetyczne.

13. Jakie są typowe zastosowania FPA?

Klasyczne zastosowania można znaleźć we wszystkich obszarach przemysłu i prac badawczych. Począwszy od analizy mikroplastiku, cząsteczek i zanieczyszczeń, poprzez charakteryzację złożonych struktur chemicznych, takich jak tkanki biologiczne, produkty farmaceutyczne, aż po wielowarstwowe laminaty i lakiery. Krótko mówiąc, ten rodzaj detektora jest wykorzystywana wszędzie tam, gdzie niezbędna jest bardzo wysoka rozdzielczość przestrzenna i analiza dużych powierzchni próbek.