Podstawy spektroskopii IR

Przewodnik po mikroskopii FT-IR

Pokrótce wyjaśniamy podstawy mikroskopii podczerwieni (IR) i skupiamy się na podstawowych pytaniach dotyczących detektorów, mapowania i obrazowania FT-IR.

Podstawy mikroskopii FT-IR

Wprowadzenie

Co to jest mikroskopia podczerwieni lub μ-FT-IR? Czy jest jakaś różnica?

Informacje o mikroskopii podczerwieni (IR)

Mikroskopia podczerwieni (FT-IR) to połączenie konwencjonalnej mikroskopii optycznej i unikalnej identyfikacji chemicznej za pomocą spektroskopii FT-IR.

Każda z powyższych technik jest już potężnym narzędziem analitycznym , ale razem oferują możliwość chemicznego zbadania najmniejszych obiektów, łącząc charakterystykę spektralną z rozdzielczością przestrzenną.

To powiedziawszy, należy wspomnieć, że istnieją jednak pewne przeszkody techniczne, ponieważ klasyczna mikroskopia optyczna wykorzystuje soczewki szklane, które nie są transparentne dla światła podczerwonego, co jest niezbędne do analizy próbek metodą spektroskopii w podczerwieni.

W związku z tym należy stosować specjalne soczewki wykorzystujące materiały przezroczyste na podczerwieni lub obiektywy Cassegrain.

Techniki pomiaru w mikroskopii FT-IR

Typowymi przykładami zastosowania μ-FT-IR jest analiza cząstek, analiza błędów w produkcie gotowym, analiza powłok na powierzchniach metalowych, badania monokryształów i wiele innych.

Generalnie w mikroskopii IR można stosować te same metody, co w przypadku próbek makroskopowych, tj. transmisja, refleksja i ATR.

Jednak do pomiarów w transmisji lub transflekcji próbki muszą być bardzo cienkie (<15 µm) lub być przygotowane w postaci  pastylek KBr, co może być sporym wyzwaniem podczas przygotowywania próbek.

Podobnie jak w spektroskopii, ATR oferuje wiele zalet w mikroskopii, dzięki czemu ta nieniszcząca metoda analizy stała się standardem.

Informacje o ATR w mikroskopii

ATR to technika osłabionego całkowitego wewnętrznego odbicia, w której pomiar odbywa się przez dociśnięcie kryształu z bardzo cienką końcówką do próbki. Światło podczerwone przechodzi przez kryształ i oddziałuje z próbką znajdującą się pod nim, dając widmo IR.

Należy zauważyć, że technika ATR generuje wysokiej jakości dane FT-IR dla prawie każdego typu próbki bez jej wcześniejszego przygotowania. Co więcej, technika ta charakteryzuje się lepszą rozdzielczością przestrzenną w porównaniu z innymi technikami. 

Kryształ germanowy działa jak soczewka immersyjna, poprawiając rozdzielczość przestrzenną 4-krotnie w porównaniu z pomiarami transmisji i refleksji. W ten sposób można łatwo analizować próbki o wielkości kilku mikronów.

Więcej szczegółów

Informacje o detektorach w mikroskopii FT-IR

Porównanie różnych detektorów IR. TE-MCT i LN-MCT mają niemal identyczny stosunek sygnału do szumu przy przysłonie 30 μm i czasie pomiaru równym 1 min..

Powyżej opisaliśmy podstawy wykorzystania µ-IR w trybie „point-and-shoot” i jest to klasyczny sposób pomiaru dla prostych zastosowań lub badań naukowych. Jak można sobie łatwo wyobrazić, im mniejsze cząsteczki, tym trudniej jest uzyskać ładne widmo w podczerwieni.

Z tego powodu do bardziej wymagających zastosowań używa się bardziej czułych detektorów wśród, których można wyróżnić detektory jednoelementowe i do obrazowania. Z racji tego, że ta strona dotyczy mikroskopii, skupimy się na detektorach jednoelementowych, stąd: DLaTGS, TE-MCT i LN-MCT.

Chcesz uzyskać więcej podstawowych informacji na temat spektroskopii FT-IR?

Nowoczesne mikroskopy FT-IR, takie jak LUMOS II, mogą zmieścić do trzech detektorów w tym samym urządzeniu.

Detektory DLaTGS (Deuterated Lanthanum α Alanine doped TriGlycine Sulphat) charakteryzują się najskuteczniejszym znanym efektem piroelektrycznym i są najpowszechniej używanymi detektorami, które nie wymagają zewnętrznego chłodzenia w celu uzyskania widm o dobrej jakości. Jednak, gdy tylko przysłona i próbki stają się coraz mniejsze, a do detektora dociera mniej światła, jakość widm szybko pogarsza się.

Dla próbek mniejszych niż 50 μm najlepszym wyborem jest zewnętrznie chłodzony detektor MCT (detektor rtęciowo-kadmowo-tellurkowy), który charakteryzuje się większą czułością. Zastosowanie chłodzonego termoelektrycznie detektora MCT stało się standardowym rozwiązaniem, ponieważ zapewnione jest stałe chłodzenie i nie wymaga konserwacji.

W przypadku próbek mniejszych niż 10 μm najlepszym rozwiązaniem jest chłodzony ciekłym azotem detektor MCT (LN-MCT). Tego rodzaju detektory wymagają czasu na schłodzenie i/lub mogą wymagać dolewania ciekłego azotu podczas pomiarów długoterminowych. To, o czym wciąż nie wspomnieliśmy to ostatni, lecz najpotężniejszy sposób na wykonanie pomiaru μ-FT-IR:

Obrazowanie przy użycia detektora FPA (detektora ogniskowej matrycy).

Więcej szczegółów

Informacje o obrazowaniu FT-IR

W przypadku bardziej szczegółowych analiz chemicznych w rozdzielczości przestrzennej, najlepszym wyborem jest detektor ogniskowej matrycy (FPA). W porównaniu do raczej tanich rozwiązań wykorzystujących detektory liniowe, detektor FPA charakteryzuje się tym, że otrzymuje się obraz FTIR wybranego fragmentu próbki poprzez pojedyńczy pomiar trwajacy kilka sekund  (podobnie jak w aparacie cyfrowym).

W tych tak zwanych obrazach chemicznych lub FTIR każdy piksel zawiera pełne widmo podczerwieni. Interpretując te dane FT-IR, można precyzyjnie określić naturę próbki! Zaletą stosowania detektorów FPA jest nie tylko bardzo wysoka rozdzielczość (szczególnie w przypadku pomiarów ATR). W porównaniu z pomiarami z detektorem liniowym są szybsze, bardziej precyzyjne i kalibrowane laserowo.

Aby uzyskać więcej informacji na temat obrazowania FT-IR utworzyliśmy osobną stronę.

Poznawanie szczegółów

Zastosowanie mikroskopii FT-IR

Niezależnie od tego, czy mówimy o mikroplastiku, czy o czystości technicznej, mikroskopia IR jest pierwszą metodą do wykrywania najmniejszych cząstek nie tylko wizualnie, ale także poprzez późniejszą identyfikację chemiczną.

Zasadniczo istnieją dwa podejścia. Pierwszą i najprostszą jest bezpośrednie poddanie próbki (np. powierzchni wykazującej zanieczyszczenie) analizie μ-ATR. Ta czysta i szybka metoda sprawdzi się nawet w przypadku cząstek osadzonych w złożonych matrycach, takich jak plastik zawarty w osadzie rzecznym. Jest to stosowane głównie w analizie awarii i przyczyn źródłowych.

Do badania próbek wody lub powietrza należy użyć specjalnych filtrów, które są transparentne dla światła podczerwonego, ponieważ filtry wykonane np. z nitrocelulozy zaabsorbują znaczną część promieniowania IR. Takie filtry analizuje się potem przy użyciu techniki transmisyjnej IR. Taki sposób analizy jest szczególnie stosowany w analizie cząsteczek.

Mikroskopia FT-IR - filmy i poradniki

Klasyczne zastosowanie mikroskopii FT-Ia: analiza błędów.
Analiza polimerowego laminatu wielowarstwowego za pomocą mikroskopii FT-IR.
Obrazowanie tkanek za pomocą detektora FPA.

FT-IR Mikroskopia — często zadawane pytania

FAQ

Często zadawane pytania dotyczące mikroskopii FT-IR

1. Co to jest mikroskopia FT-IR?

Jest to wykorzystanie techniki FT-IR do analizy próbek mikroskopowych, poprzez połączenie tradycyjnej mikroskopii i analizy chemicznnej w jedno narzędzie. Idealnie sprawdza się w analizie błędów oraz w badaniach nad materiałami.

2. Dlaczego w mikroskopii FT-IR wymagane są przysłony?

W związku z faktem, iż w mikroskopii IR stosuje się bardzo czułe detektory, ważne jest, aby unikać przesycenia detektora IR. Dodatkowo przysłony pozwalają na dopasowanie miejsca pomiarowego do wielkości próbki w celu uzyskania znacznie lepszego widma. Wyobraźmy sobie płatek polietylenu o grubości 10 µm osadzony w matrycy PET. Gdyby w takim przypadku użyć przysłony 30 µm zamiast dopasowanej 10 µm, otrzymane widmo zawierałoby znacznie większy udział matrycy PET niż zanieczyszczenia PE.

3. Jaki jest najmniejszy obiekt, który może analizować za pomocą  mikroskopu FT-IR?

Zależy to od zastosowanego mikroskopu, detektora i techniki pomiarowej. Za pomocą mikroskopu HYPERION, wyposażonego w detektor FPA i przy wykorzystaniu techniki μ-ATR można analizować obiekty na granicy dyfrakcji światła podczerwonego, a zatem ≤ 1 μm.

3. Dlaczego germanowy kryształ ATR zwiększa rozdzielczość?

German ma (w porównaniu z wieloma innymi materiałami ATR) bardzo wysoki współczynnik załamania światła. Kryształ jest w bezpośrednim kontakcie z próbką, co oznacza, że działa jak stała soczewka immersyjna. Zwiększa to rozdzielczość przestrzenną czterokrotnie (współczynnik załamania światła) w porównaniu do standardowych pomiarów w transmisji.

4. Co to jest obrazowanie FT-IR?

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