Основы спектроскопии

Руководство по ИК Фурье микроскопии

В данной части мы кратко объясняем основы инфракрасной (ИК) микроскопии и делаем упор на основных вопросах о детекторах, картировании и получении ИК изображений.

Основы микроскопии FT-IR

Приступим

Что такое ИК Фурье микроскопия и µ-ИК Фурье спектрометрия (µ-FT-IR)? Это разные методы?

О инфракрасной (ИК) микроскопии

Инфракрасная или ИК-Фурье-микроскопия - это поразительная комбинация традиционной световой микроскопии и уникальной химической идентификации с помощью ИК-Фурье спектроскопии.

По отдельности оба метода уже достаточно эффективны, но вместе они дают возможность исследовать химический состав мельчайших объектов, сочетая спектральные данные с высоким пространственным разрешением.

При этом существуют некоторые технологические ограничения, так как в обычной оптической микроскопии используются стеклянные линзы, которые не позволят ИК-излучению проходить свободно, что необходимо для анализа образцов с помощью инфракрасной спектрометрии.

Таким образом, необходимо использовать специальные линзы из прозрачных для ИК-излучения материалов или Кассегреновские объективы.

Пробоподготовка в ИК Фурье микроскопии

Типичными примерами применения µ-ИК Фурье спектрометрии являются частицы и мельчайшие повреждения продукта, покрытия на металлических поверхностях, исследования монокристаллов и многое другое.

В целом, в ИК микроскопии используются те же приемы для измерений, что и для макроскопических образцов, то есть пропускание, отражение и НПВО.

Однако для измерений пропускания или трансфекции образцы должны быть очень тонкими (<15 мкм) или быть доступными в виде таблеток KBr, что может быть довольно сложной задачей во время подготовки образцов.

Как и в спектроскопии, метод НПВО предоставляет преимущества в микроскопии, которые сделали самым используемым этот метод неразрушающего анализа.

НПВО в микроскопии

НПВО или Нарушенное Полное Внутреннее Отражение является контактным методом и реализуется при плотном контакте кристалла в виде очень тонкой иглы с образцом. Инфракрасный свет проходит через кристалл и взаимодействует с образцом под ним, позволяя регистрировать ИК-спектры. 

Следует отметить, что НПВО позволяет проводить только качественный анализ, но практически любого типа образцов без предварительной пробоподготовки. Кроме этого, метод НПВО дает преимущество, в случаях когда пространственное разрешение играет важную роль. 

Кристалл германия действует как сплошная иммерсионная линза, улучшая пространственное разрешение в 4 раза по сравнению с измерениями пропускания и отражения. Таким образом, вы легко  можете анализировать образцы размером до нескольких микрон.

Детали

Детекторы для проведения ИК микроскопических измерений

Сравнительный анализ различных ИК-детекотеров. TE-MCT и LN-MCT показывают почти идентичное соотношение сигнала к шуму при диафрагме 30 мкм и 1 мин времени измерения.

Выше описаны основы использования ИК микроскопии в качестве метода «наведи и снимай», что является общий подходом как  для простых приложений так и для решения исследовательских задач. Как вы понимаете, чем меньше размер исследуемого объекта, тем сложнее получить хороший инфракрасный спектр. 

Именно поэтому для такого рода приложений используются высокочувствительные детекторы. Среди них есть так называемые одноэлементные и матричные детекторы. 

Поскольку эта страница посвящена микроскопии, мы сосредоточимся на одноэлементных детекторах, таких как: DLaTGS, TE-MCT и LN-MCT.

Современные микроскопы FT-IR, такие как LUMOS II, могут поместить до трех детекторов в один и тот же инструмент.

Детектор на основе легированного лантаном дейтерированного триглиценсульфата, допированного L-аланином (DLaTGS) демонстрируют наиболее эффективный из известных пироэлектрический эффект и является универсальным детектором, которому не требуется внешнее охлаждение для получения высококачественных спектров. 

Однако, в случае использования микроскопа, апертура (и образцы) становятся меньше и как следствие уменьшается энергия излучения достигающая детектора, что приводит к резкому ухудшению качества спектров. Образцы с размерами менее 50 мкм требуют выбора охлаждаемый детектор на основе теллурида кадмия и ртути (MCT), который обеспечивает болеевысокую чувствительность в условиях низкой освещенности. Использование MCT с термоэлектрическим охлаждением стало стандартным решением, благодаря непрерывному, равномерному охлаждению и отсутствию требований к техническому обслуживанию. 

Однако, для исследования образцов размером менее 10 мкм лучшим вариантом детектора являются охлаждаемые жидким азотом MCT (LN-MCT) детекторы, которые, требуют некоторое время для охлаждения и/или могут потребовать повторного заполнения жидким азотом при длительном использовании. Последние по прежнему не имеют альтернатив для проведения эффективных высокоточных измерений на ИК Фурье микроскопах:

ИК визуализация с использованием детектора с матрицей в фокальной плоскости (FPA).

Детали

ИК Фурье визуализация

Если вы хотите провести высокодетализированный химический анализ с высоким пространственным разрешением, не существует альтернативы использованию детекторов с матрицей в фокальной плоскости (FPA). По сравнению с довольно дешевыми решениями с использованием линейных матричных детекторов, FPA отличаются тем, что вы создаете инфракрасное изображение выбранного участка образца за одно измерение за несколько секунд (как в цифровой камере).

На таких, так называемых химических изображениях или ИК изображениях каждый пиксель содержит полный инфракрасный спектр. Интерпретируя эти ИК спектры, можно точно оценить природу образца! Преимущество использования детекторов FPA заключается в чрезвычайно высоком пространственном разрешении (особенно для измерений в режиме НПВОR). По сравнению с измерениями, проводимыми на линейных матрицах, детекторы с матрицей в фокальной плоскости (FPA) работают быстрее, точнее и калибруются с помощью лазера.

Для получения дополнительной информации о FT-IR изображениях мы создали отдельную страницу.

Детали

Применение ИК Фурье микроскопии

Будь то микропластик или чистота технических изделий, Инфракрасная микроскопия является предпочтительным методом не только обнаружения мельчайших частиц визуально, но и последующей химической идентификации.

Существует два основных подхода. Первый и самый простой - взять образец (например, поверхность, имеющую загрязнение) и непосредственно подвергнуть его анализу µ-НПВО. Этот простой и быстрый метод будет работать даже с частицами, заключенными в сложные матрицы, такие как пластик, содержащийся в речных отложениях. Такой подход в основном применяется при определении первопричин возникновения брака.

Когда исследуются образцы воды или воздуха не наличие загрязнений, лучше всего использовать специальные фильтрующие материалы, которые состоят из материалов прозрачных в ИК диапазоне, поскольку стандартные материалы (например, нитроцеллюлоза) будут поглощать значительную часть инфракрасного излучения. После осаждения частиц такие фильтры анализируются с помощью ИК-микроскопии. Данный подход особенно часто используется при анализе микрочастиц.

Видео и учебные пособия по ИК Фурье микроскопии

Применение микроскопии FT-IR в традиционном случае использования: анализ отказов.
Анализ полимерного многослойного ламината с использованием микроскопии FT-IR.
Ткань изображения с помощью детектора FPA.

FAQ по ИК Фурье микроскопии

Напоследок

Часто задаваемые вопросы о микроскопии FT-IR

1. Что представляет собой ИК микроскопия?

Это применение метода ИК Фурье спектрометрии к микрообразцам.Таким образом, данный метод объединяет традиционную микроскопию и химический анализ в одном устройстве. Он идеально подходит для исследований в материаловедении и при определении первопричин возникновения брака.

2. Для чего в ИК микроскопии используются апертуры?

Поскольку в ИК-микроскопии используются очень чувствительные детекторы, важно избегать насыщения ИК-детектора. Кроме того, апертуры позволяют подогнать размер области измерения к размеру образца, чтобы получить максимально информативный спектр. Представьте себе частицы полиэтилена толщиной 10 мкм, находящиеся в матрице из ПЭТ. Если при анализе данного образца вы будете использовать апертуру 30 мкм вместо апертуры 10 мкм, результирующий спектр будет содержать гораздо больший вклад матрицы ПЭТ, чем загрязнения ПЭ.

3. Какой минимальный размер образца может быть проанализирован методом ИК микроскопии?

Ответ на данный вопрос зависит от микроскопа, который применяется для анализа, детектора и режима измерения. Однако  HYPERION, оснащенный Матричным FPA детектором и НПВО-объективом, позволяет анализировать объекты на дифракционном пределе инфракрасного излучения, таким образом минимальный размер образца может составлять  ≤ 1 мкм.

3. Каковы причины увеличения пространственного разрешения при использовании Германиевого НПВО кристалла?

Германий имеет (по сравнению со многими другими НПВО материалами) очень высокий показатель преломления. Поскольку он находится в непосредственном контакте с образцом, он действует как сплошная иммерсионная линза. Что увеличивает пространственное разрешение в 4 раза (пересчет на показатель преломления) по сравнению со стандартными измерениями в режиме пропускания.

4. Что представляет собой ИК визуализация?

ИК-Фурье-спектрометрия является одним из способов создания так называемых химических изображений с высоким пространственным разрешением. Каждый пиксель этих изображений содержит отдельный ИК-спектр. Интерпретируя е спектры, можно обнаружить и оценить интересующие исследователя области образца.