Przewodnik po obrazowaniu FT-IR

Obraz FT-IR to rodzaj obrazu chemicznego tworzonego przez mikroskop FT-IR. Obrazy chemiczne łączą cyfrowe dane topograficzne próbki uzyskane za pomocą mikroskopu z informacjami chemicznymi uzyskanymi za pomocą spektroskopii. Pozwala to na wizualizację składu chemicznego próbki.

Obrazowanie FT-IR jest wyjątkowo przydatną techniką do analizy dystrybucij związków w próbce lub do pomocy w zrozumieniu struktury próbki. Technika ta ma szeroki zakres zastosowań, niezależnie od tego, czy chodzi o badania, medycynę, kontrolę jakości czy analizę błędów.

Podstawową techniką obrazowania FT-IR jest spektroskopia FT-IR, technika analizy chemicznej, która wykrywa, w jaki sposób różne związki oddziałują z promieniowaniem podczerwonym. Różne związki mają unikalne interakcje z promieniowaniem podczerwonym, więc widmo FT-IR, które powstaje w wyniku spektroskopii FT-IR, działa jak "chemiczny odcisk palca" do identyfikacji składników w próbce.

Mikroskopy FT-IR używane do tworzenia obrazów FT-IR łączą tradycyjny mikroskop ze spektroskopią FT-IR. Pierwszym krokiem do stworzenia obrazu chemicznego jest uzyskanie cyfrowego obrazu próbki za pomocą mikroskopu. Następnie wybierany jest obszar próbki do analizy. Następnie dane IR są zbierane w całym obszarze zainteresowania, tak aby każdy punkt na próbce odpowiadał widmu IR. 

W zależności od próbki istnieje kilka technik pomiarowych, które można wykorzystać do gromadzenia tych danych: transmisja, odbicie lub całkowite osłabione wewnętrzne odbicie (ATR). Każda technika pomiarowa może być wykorzystana do analizy próbki za pomocą mikroskopu FT-IR.

Teraz, gdy każdy punkt w obszarze zainteresowania odpowiada widmu FT-IR, wszystkie te widma można przeanalizować, aby zobaczyć, jakie związki są obecne w próbce. Można to zrobić ręcznie lub automatycznie za pomocą oprogramowania, lub nawet algorytmów sztucznej inteligencji. Po analizie każdemu związkowi przypisywany jest inny kolor. Następnie każdy piksel na obrazie można pokolorować zgodnie z tym, który związek jest obecny w tym punkcie, aby utworzyć obraz chemiczny (3).

Aby utworzyć obrazy chemiczne, promieniowanie podczerwone musi zostać wykryte po interakcji z próbką w celu utworzenia widma. Istnieje kilka opcji detektorów dla mikroskopów FT-IR. Typowym wyborem jest detektor jednoelementowy, który może uzyskać widmo IR w jednym punkcie próbki. Oczywiście można teraz ustawić wiele punktów w pobliżu próbki, aby utworzyć obraz.

Jednak analiza całego obszaru próbki w ten sposób zajęłaby bardzo dużo czasu, co jest atrakcyjne tylko wtedy, gdy koszty pracy są niskie. Jeśli czas to pieniądz, zamiast tego w obrazowaniu FT-IR stosuje się specjalne detektory obrazujące. Istnieją dwa rodzaje detektorów obrazujących: detektory linijkowe lub detektory ogniskowej matrycy (FPA).

Detektory linijkowe są nieco tańszym rozwiązaniem do pseudo-obrazowania. Detektory te składają się z kilku detektorów jednoelementowych ułożonych w linii, dzięki czemu można uzyskać wiele widm jednocześnie. Próbka jest następnie skanowana linia po linii, a linie widm są łączone w celu utworzenia obrazu chemicznego.

Detektory FPA to najnowocześniejsza technologia detektorów do obrazowania FT-IR. Detektory te składają się z układu detektorów podczerwieni rozmieszczonych w matrycy (np. detektory 64 x 64). Przy tak dużej liczbie detektorów można uchwycić tysiące widm na jednym zdjęciu, prawie jak w aparacie cyfrowym. Jeżeli stosowane jest źródło termiczne, detektory te są chłodzone ciekłym azotem, jeżeli jako źródło stosowany jest laser IR, stosowane są niechłodzone mikrobolometry FPA.

Detektory FPA znacznie przekraczają możliwości detektorów liniowych i detektorów jednoelementowych. Obrazy chemiczne nawet dużych obszarów można generować szybko i z doskonałą rozdzielczością, co oznacza, że obrazy o najwyższej rozdzielczości można utworzyć w najkrótszym czasie.

FT-IR and IR laser imaging are generally applicable whenever there is a need to visualize the distribution of chemical compounds in a sample. This is commonly used in industry to check products for uniformity or contamination.  

Checking a product for uniformity is particularly important in the pharmaceutical industry. Various drugs that come in tablet form ought to be completely uniform, so that there are no “hotspots” of the active ingredient. Afterall, many tablets can be broken in half to split the dose, so it would be problematic if the active ingredient was only in half of tablet. IR imaging can quickly scan the entire tablet and the chemical image is an easy way to see the distribution of the active ingredient to ensure it is evenly distributed.

Examining finished products for contaminants is an important aspect of quality control in many industries. IR imaging has the advantage here since it can quickly scan large work pieces. For example, large silicon wafers produced in the semiconductor industry can be imaged in just a few minutes with an FPA detector to see if there are any impurities in the wafer. Even after the wafer has had electronics soldered to it, IR microscopy can still be used for failure analysis on even the hard-to-reach areas of the chip.  

Beyond these standard quality control and failure analysis applications, creating highly detailed chemical images is useful in many fields to visualize and characterize the structure of a sample, from forensics, to paleontology, to art restoration, to medicine.  

One particularly exciting application of IR imaging is tissue imaging, especially using IR lasers. With an FPA detector, even large sections of a tissue sample can be imaged in just a few minutes. These images can clearly show the distribution of carbohydrates, proteins, and lipids in the tissue. This could be extremely beneficial to the medical field, where patient tissue samples can be rapidly screened for disease or cancerous cells. IR imaging is much faster than other methods to screen tissues, so this technique has the potential to speed up the process disease and cancer detection significantly, providing quick answers to patients. 

1. Czym 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. Czym jest obrazowanie FT-IR?

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

3. Jak tworzy się obrazy FT-IR?

Typowymi metodami są sekwencyjne pomiary jednopunktowe lub liniowe, a także bezpośrednie pozyskiwanie obrazów 2D za pomocą detektora ogniskowej matrycy (FPA). Choć detektory FPA stanowią doskonałe rozwiązanie, wysoce zautomatyzowane pomiary jednopunktowe stanowią ekonomiczną alternatywę.

4. Jak działa detektor FPA?

Zasada działania detektora FPA jest analogiczna do zasady działania aparatu cyfrowego. Jednak zamiast światła widzialnego określony układ pikseli jest oświetlany promieniowaniem podczerwonym, przy czym każdy piksel detektora rejestruje niezależne, przestrzennie rozdzielone widmo podczerwieni.

5. Czy detektory FPA wymagają przysłon?

Nie, detektor FPA nie wymaga żadnych przysłon. Każdy piksel detektora pełni funkcję przysłony i w ten sposób bezpośrednio rejestruje przestrzenną informację w podczerwieni. Pozwala to na znacznie szybsze pomiary i wyższą rozdzielczość w porównaniu z innymi technikami detektorowymi.

6. Czy można dostosować rozdzielczość przestrzenną FPA?

Rozdzielczość przestrzenna detektora FPA zależy od wielkości poszczególnych pikseli detektora. Jednakże sąsiednie piksele można połączyć w „większy piksel”, co powoduje zmniejszenie rozdzielczości przestrzennej, co również poprawia jakość widmową.

7. Czy są różne rozmiary FPA?

Detektory FPA są dostępne w różnych rozmiarach matryc. Rozmiar należy dobrać odpowiednio do układu optycznego (mikroskopu). Na przykład LUMOS II jest zoptymalizowany pod kątem matrycy 32x32 piksele, podczas gdy HYPERION II jest zaprojektowany pod kątem matrycy 64x64 lub 128x128 pikseli. Dzięki temu drugiemu możliwe jest zarejestrowanie w jednym skanie imponującej liczby ponad 16 000 przestrzennie rozdzielonych widm.

8. Czy większy FPA jest lepszy?

Nie, ponieważ wielkość detektora FPA zależy  od optymalnego oświetlenia zapewnianego przez mikroskop. Jednorodne oświetlenie układu detektorów jest ważne, aby zapewnić niezmiennie wysoką czułość widmową zarówno w środku, jak i na krawędziach detektora.

9. Kiedy większy FPA ma przewagę?

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

10. Czy FPA można połączyć z dowolną techniką pomiarową?

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

11. Dlaczego zwiększa się rozdzielczość pomiarów FPA w ATR?

Połączenie wysokorefrakcyjnej soczewki półprzewodnikowej (germanowy kryształ ATR) i „bezprzysłonowego” detektora FPA zwiększa rozdzielczość przestrzenną 4-krotnie w porównaniu z pomiarami w transmisji. Efekt ten nazywany jest również soczewką immersyjną.

12. Czy pomiary FPA mają zastosowanie do wszystkich próbek?

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

13. Jakie są typowe zastosowania FPA?

Typowe zastosowania można znaleźć we wszystkich obszarach przemysłu i badań. Począwszy od analizy mikroplastików, cząstek i zanieczyszczeń, poprzez charakterystykę złożonych struktur chemicznych, takich jak tkanki biologiczne, produkty farmaceutyczne, aż po wielowarstwowe laminaty i lakiery. Krótko mówiąc, tę technologię detektorów stosuje się wszędzie tam, gdzie niezbędna jest bardzo wysoka rozdzielczość przestrzenna i analiza dużych obszarów próbek.