红外显微镜基础知识

傅立叶变换红外(F-IR)成像指南

我们简要解释FT-IR成像的基本原理,并重点介绍通过FT-IR光谱测量记录和解释化学图像的不同方法。

FT-IR 成像基础知识

什么是 FT-IR 成像?

与背景中低对比度的视觉图像不同,化学图像清楚地强调了污染和样品的区别。

化学成像通常是一种非常有效的工具,可以根据样品的光谱特性进行非常详细的、空间分辨的化学分析。然后,样品的光谱特性就会以所谓的化学图像的形式呈现出来。

化学图像的每个像素由整个 FT-IR 光谱组成。通过对该光谱数据的解释,可以渲染伪彩色图像以强调和表征样品的属性,如化学结构或组成。

有几种方法可以创建所述图像。单点和线阵列测量可以生成化学图像,但焦平面阵列 (Focal Plane Array) (FPA) 技术 在光谱亮度和性能方面更胜一筹。

如何创建 FT-IR 映像?

视频片段中的实时FPA成像是在1 x 1 mm的生物组织样本上进行的。测量速度> 900光谱/秒。

生成 FTIR 图像的最简单方法是在样品上按规定的距离进行单次红外测量。通过将红外与空间数据相结合,甚至可以回答诸如涂层均匀性等基本问题。这称为单点映射。

然而,为了更有效地创建化学FT-IR图像,需要特殊的红外探测器。基本上有两种方法:线阵列或焦平面阵列探测器。

虽然线阵列探测器是一种相当便宜的混合解决方案,但 FPA 探测器是最先进的。它们一次拍摄一次,可拍摄定义像素格式的高分辨率图像,例如 64 x 64 像素。因此,这样的一张图像将包括4000多个红外光谱!

这允许在红外显微镜中实现的空间分辨率,达到红外光的物理衍射极限!

关于红外成像探测器

对于 线阵列 测量,单元件探测器按顺序排列(例如 1 x 8),并同时报告一行光谱(线性扫描)。这些光谱在记录后被"缝合",以获得化学图像。尽管线数组提供的结果可能比单点测量更快,但光谱质量和数据处理方面存在重大权衡。此外,ATR 成像充其量不可靠,并且只能使用不切实际的附件。

FPA探测器,另一方面是由2D阵列的红外探测器组成(例如 32x32、64x64、128x128 等)。这样,他们在每次测量时都能一次性采集样本的真实化学图像,而且无缝连接。最终,焦平面阵列探测器没有上述限制。无论样品结构如何,数据都以出色的速度得到与视觉图像一样的完美。

下图显示了单个像素点与线阵列与焦平面阵列探测器的工作原理。如您所见,单个像素点和线像素点一步步收集映像数据的连续方法组成面阵列。

此图阐明了不同成像技术原理。在左侧,您可以看到单点探测器的过程,中间是线阵列探测器,在右侧看到 FPA 探测器的真实化学图像。

FPA 探测器在 FTIR 成像中的优势

用于组织样本调查的 FPA 探测器。在这种情况下,对小鼠的肠道进行蛋白质、碳水化合物和脂质的分布调查。
  • 超高的成像性能:在每种测量模式下以非凡的空间分辨率同时采集1024个光谱。
  • 与单点或线阵列测量相比,出类拔萃的分辨率。
  • 凭借FPA成像和高自动化测量系统,可以分析非常大的样品区域。
  • FPA成像可在极短的时间内生成超高清的化学图像。
  • 可与另两种检测器共存,测量时可任意选择。保持了分析方法的多样性。

FPA 技术自然超过线阵列和单点测量的速度和空间分辨率。它的适用性是无限的,获得的光谱数据始终具有最高的质量,并且测量时间在技术上尽可能短。

FT-IR 成像常见问题解答

最后一根稻草

有关 FT-IR 成像的常见问题

1. 什么是化学成像?

化学成像是一种在空间上解析2D或3D图像中样品的化学性质的方法。通过这种技术,可以获取有关被检查样品的材料属性、结构和来源的信息。

2. 什么是 FT-IR 成像?

T-IR 成像是创建空间解析化学图像的一种方式。这些图像的每个像素都由整个红外光谱组成。通过解释单个光谱,可以检测和评估有趣的样本区域。

3. 如何创建 FT-IR 图像?

常用方法是连续的单点或线阵列测量,以及通过焦平面阵列 (FPA) 探测器直接采集 2D 图像。虽然 FPA 探测器提供了卓越的解决方案,但高度自动化的单点测量是经济型的替代方案。

4. FPA 探测器是如何工作的?

FPA 探测器的原理类似于数码相机。但是,定义的像素阵列不是可见光,而是由红外光照亮,每个探测器像素记录一个独立的空间解析红外光谱。

5. FPA 探测器是否需要孔径?

否,FPA 探测器不需要任何孔径。探测器的每个像素都充当光圈,从而直接记录空间红外信息。与其他探测器技术相比,这样可以更快、更高分辨率进行测量。

6. 是否可能调整 FPA 的空间分辨率?

FPA 探测器的空间分辨率取决于单个探测器像素的大小。但是,相邻像素可以组合成"更大的像素",从而减少空间分辨率,同时提高光谱质量。

7. 是否有不同的 FPA 尺寸?

FPA 探测器提供不同阵列尺寸。应根据光学系统(显微镜)选择尺寸。例如,LUMOS II 针对 32x32 像素阵列进行了优化,而 HYPERION 3000 专为 64x64 或 128x128 像素阵列而设计。使用后者,可以记录一次扫描中超过 16,000 个空间解析光谱的令人印象深刻的数字。

8. 较大的 FPA 是否更好?

否,因为 FPA 探测器的大小完全取决于显微镜提供的最佳照明。探测器阵列的均匀照明对于确保探测器中心和边缘的光谱灵敏度始终高非常重要。

9. 较大的 FPA 何时有优势?

FPA 探测器区域越大,同时记录的光谱也越大。由于空间分辨率与阵列大小无关,这意味着 128x128 FPA 探测器在单个测量中覆盖的区域比 32x32 探测器阵列大 16 倍。

10. FPA 能否与任何测量技术相结合?

是的, 他们可以。FPA 探测器在传输、反射和衰减总反射 (ATR) 方面具有优势。特别是当与 ATR 技术一起使用时,这种类型的探测器可以实现极高的空间分辨率。

11. 为什么 ATR 中 FPA 测量的分辨率增加?

与传输测量相比,高折射固态透镜(ATR 晶体)和"无孔径"FPA 探测器的组合可使空间分辨率提高 4。这种效果也称为浸入式镜头。

12. FPA 测量是否适用于所有样品?

由于 FPA 测量可以结合所有测量技术,因此原则上可以这样分析所有类型的样品。气体、液体和其他挥发性物质由于其动力学特性,无法进行微观分析。

13. FPA 的典型应用是什么?

典型应用可存在于所有行业和研究领域。从分析微塑料、颗粒和污染开始,对复杂的化学结构(如生物组织、制药产品,如多层层压板和漆)进行表征。简而言之,这种探测器技术在空间分辨率非常高的地方使用,对大型样品区域的分析是必不可少的。