Спектроскопия с использованием оптического микроскопа

Инструмент с дефисом — это инструмент, который сочетает в себе возможности двух разных технологий для формирования новой аналитической техники с новыми возможностями. Спектрофотометр микроскопа является одним из таких инструментов с дефисом; это гибрид, который сочетает в себе увеличительную силу оптического микроскопа с аналитическими возможностями спектрофотометра УФ-видимого-ближнего ИК-диапазона. Таким образом, спектрофотометры микроскопа можно использовать для измерения молекулярных спектров микроскопических областей образца от глубокого ультрафиолетового до ближнего инфракрасного диапазона. Они могут быть настроены для многих различных типов спектроскопии и, как таковые, используются для измерения поглощения, отражения и даже спектров излучения, таких как флуоресценция и фотолюминесценция, образцов микронного размера. С добавлением специализированных алгоритмов спектрофотометр микроскопа также можно использовать для измерения толщины тонких пленок или в качестве колориметра для микроскопических образцов.

Есть много причин для использования микроскопа-спектрофотометра. Наиболее очевидным является то, что спектры могут быть получены с площади образца меньше микрона. Кроме того, для этих инструментов требуется лишь небольшое количество образцов в твердой или жидкой форме. Еще одним преимуществом является то, что для многих образцов требуется очень небольшая подготовка или вообще не требуется никакой подготовки. А сравнение цветов с помощью спектроскопии, как правило, более точное с помощью спектрофотометров, потому что эти приборы имеют более широкий спектральный диапазон, могут вносить поправки на изменения освещения и могут измерять интенсивность каждой полосы длин волн света.

До появления микроспектроскопии единственным способом анализа многих типов микроскопических образцов было использование микрохимического анализа, а затем какого-либо визуального исследования. К сожалению, эти методы имеют тенденцию быть разрушительными, требуют большого количества образцов и страдают от неточностей зрительной системы человека. Спектрофотометр микроскопа позволяет избежать этих проблем и может «видеть» за пределами диапазона человеческого глаза и обнаруживать изменения, которые в противном случае не были бы очевидны.

Конструкция спектрофотометра микроскопа

Спектрофотометр микроскопа объединяет оптический или световой микроскоп со спектрофотометром УФ-видимого-ближнего ИК-диапазона (рис. 1). Микроскоп — это устройство, предназначенное для увеличения изображения мелких объектов для их изучения. Спектрофотометр — это прибор, который измеряет интенсивность каждой длины волны света от ультрафиолетового до видимого и ближнего инфракрасного диапазонов. С правильно настроенным спектрофотометром микроскопа можно получить спектры поглощения, отражения и излучения с областями отбора проб в субмикронном масштабе.

Чтобы охватить такой широкий спектральный диапазон с хорошим качеством изображения и спектра, специально разработанный микроскоп интегрируется со спектрофотометром. Стандартные оптические микроскопы имеют ограниченный спектральный диапазон, охватывающий только часть видимой области, из-за материалов, используемых для оптики, а также самих источников света. В спектрофотометре современного микроскопа используется изготовленный на заказ микроскоп с оптической конструкцией и источниками света, оптимизированными для глубокого УФ и БИК.

Сам спектрофотометр также должен быть предназначен для микроспектроскопии, чтобы получать хорошие спектральные результаты. Это означает, что спектрофотометр должен быть высокочувствительным, сохраняя при этом приемлемое спектральное разрешение. Стабильность также является проблемой, поскольку спектрофотометр микроскопа является однолучевым инструментом, и перед измерением образца необходимо получить эталонные спектры. Прибор также должен иметь широкий динамический диапазон, поскольку при измерении одного и того же образца часто происходит переключение с микроспектроскопии пропускания или отражения на спектроскопию флуоресценции. Это позволяет получать различные типы спектральной информации из одного и того же места на микроскопическом образце.

Интеграция спектрофотометра с микроскопом имеет решающее значение. Хотя микроскоп и спектрофотометр должны быть оптимизированы для микроспектроскопии, ключом к работе микроскопа-спектрофотометра является аппаратное обеспечение, позволяющее им работать вместе. Этот интерфейс имеет несколько основных требований. Самое главное, он должен направлять электромагнитную энергию, собранную микроскопом, от образца к спектрофотометру. Однако пользователь должен иметь возможность визуализировать область измерения образца, а также видеть окружающий образец. Это достигается за счет того, что входная апертура спектрофотометра находится в той же фокальной плоскости, что и изображение образца. Затем образец можно перемещать с помощью предметного столика микроскопа, как это обычно делается с микроскопом, до тех пор, пока изображение входной апертуры не окажется над измеряемой площадью. На рис. 2 черный квадрат в центре изображения — входная апертура спектрофотометра. Все это делается в режиме реального времени, так что спектроскопия микроскопических образцов выполняется быстро и легко.

Как показано на рисунке 3, оптика микроскопа фокусирует свет на образце. Затем электромагнитная энергия собирается с образца объективом микроскопа. Свет от объектива фокусируется на зеркальное входное отверстие спектрофотометра. Большая часть света отражается от поверхности входного отверстия на камеру. Апертура спектрофотометра также отображается камерой, поэтому на образце она отображается в виде черного квадрата (рис. 2). Это позволяет легко и быстро настроить спектрофотометр микроскопа. Свет, проходящий через входное отверстие, попадает в спектрофотометр, где измеряется спектр.

Микроскоп может быть сконфигурирован с различными схемами освещения в зависимости от типа проводимого эксперимента. Падающее освещение белым светом позволяет проводить микроспектроскопию отражения от глубокого УФ до ближнего ИК. Падающее освещение также можно использовать для флуоресцентной или фотолюминесцентной микроспектроскопии. Кроме того, возможна просвечивающая микроспектроскопия с белым светом, сфокусированным на образец через конденсор микроскопа.

Применение микроспектроскопии

Первые спектрофотометры для микроскопов были разработаны в 1940-х годах, и с тех пор было разработано множество различных приложений. Спектрофотометры-микроскопы, способные получать спектры микроскопических участков образца, используются повсеместно, от университетских лабораторий до производственных линий, для контроля качества и анализа отказов.

Криминалистика. Анализ судебно-медицинских доказательств был одним из наиболее важных применений микроскопических спектрофотометров с начала 1980-х годов. Наибольшие усилия были предприняты при анализе следов, особенно текстильных волокон и кусочков краски. При работе с волокнами спектрофотометры-микроскопы используются для измерения поглощения УФ-видимого-БИК и спектров флуоресценции отдельных волокон. Частицы краски обычно разрезают, а затем измеряют спектр поглощения каждого слоя, чтобы можно было сравнить известные и исследуемые образцы с высокой степенью различения.

Плоские дисплеи. Современные плоские дисплеи состоят из миллионов разноцветных пикселей. По мере развития технологии пиксели становятся все меньше и плотнее расположены на все больших поверхностях. В самых современных дисплеях используются различные технологии, такие как квантовые точки и органические светоизлучающие диоды, для создания пикселей разных цветов в микроскопическом масштабе. Спектрофотометр микроскопа используется для разработки этих материалов в качестве жизнеспособных источников света и, в конечном счете, в качестве дисплеев 3,4. Спектрофотометр микроскопа также используется в производственном процессе, чтобы гарантировать, что как цвет, так и интенсивность пикселей одинаковы по всему дисплею, что обеспечивает яркие и равномерно освещенные изображения по всему дисплею.

Энергия. Угольные и нефтематеринские породы содержат витринит и другие мацералы. Микроскопы-спектрофотометры используются для оценки термической зрелости5 и, следовательно, содержания энергии в угле, коксе и нефтематеринских породах. Это делается путем измерения абсолютной отражательной способности витринита на полированном образце. В зависимости от коэффициента отражения можно определить термическую зрелость образца.

Нанотехнологии. Микроскоп-спектрофотометр также развивает нанотехнологии и материаловедение благодаря своей способности измерять спектры пропускания, отражения и излучения в микроскопических областях образцов. Одной из быстрорастущих областей применения является разработка и использование поверхностного плазмонного резонанса (ППР)6,7,8.

Поверхностные плазмоны возбуждаются при освещении плоской металлической поверхности или наноразмерных металлических частиц светом (рис. 4). Изменения оптических характеристик этих материалов происходят при взаимодействии этих наночастиц или поверхностей с другими материалами. Таким образом, проводится большая работа по разработке новых материалов, демонстрирующих некоторую форму плазмонного резонанса, а также по созданию устройств, демонстрирующих эти явления. К последним относятся биосенсоры и датчики микрофлюидных устройств различных типов. Спектрофотометр микроскопа измеряет, как спектры материалов SPR изменяются в различных условиях, что дает исследователю возможность охарактеризовать новый материал, а затем «настроить» этот материал для получения конкретных оптических эффектов.

Заключение

Спектрофотометр микроскопа — это метод, который сочетает в себе оптический микроскоп и спектрофотометр, чтобы можно было получать спектры микроскопических участков образца. Такие приборы способны измерять спектры поглощения и отражения от глубокого УФ до видимого и ближнего инфракрасного диапазонов. Спектрофотометр микроскопа также может измерять спектры флуоресценции и других типов излучения. Эти устройства нашли применение во многих областях, включая судебную экспертизу, измерение толщины полупроводниковых и оптических пленок, биотехнологии и последние достижения в области материаловедения.

Ссылки

1. С. Уолбридж-Джонс, Микроспектрофотометрия для измерения цвета текстильных волокон, Идентификация текстильных волокон , Woodhead Publishing, 2009 г., страницы 165–180,
2. Стандартное руководство по микроспектрофотометрии в криминалистическом анализе красок, Американское общество по тестированию и материалам.
3. Бучнев О., Подоляк Н. и Федотов В. А. (2018). Метапиксель, заполненный жидким кристаллом, с переключаемыми асимметричными коэффициентами отражения и пропускания . J. Molecular Liquids, 267, 411–414.
4. Резаи С. Д., Хонг Нг Р. Дж., Донг З., Хо Дж., Коай Э. Х., Рамакришна С. и Ян Дж. К. (2019). Пластонные цветовые палитры с широкой гаммой и постоянным субволновым разрешением . ACS nano, 13 (3), 3580–3588.
5. «Методы петрографического анализа углей. Часть 5:Метод микроскопического определения отражательной способности витринита», ISO 7404-5, Международная организация по стандартизации, 2009 г.
6. Нг, Р.Дж.Х., Кришнан, Р.В., Донг, З., Хо, Дж., Лю, Х., Руан, К., Пей, К.Л. и Ян, Дж. К. (2019). Микротеги для искусства:скрытые видимые и инфракрасные изображения с помощью щелевых плазмонов в нативном оксиде алюминия . Optical Materials Express, 9 (2), 788–801.
7. Алали, М., Ю, Ю., Сюй, К., Нг, Р.Дж., Донг, З., Ван, Л., Диначали, С.С., Хонг, М. и Ян, Дж.К. (2016). Наложение цветов в расслаивающихся плазмонных сверхрешетках . Nanoscale, 8 (42), 18228-18234.
8. Цзян М., Сью С.Ю., Чан Дж.Ю., Дэн Дж., Ву К.Ю.С., Джин Л., Ян Дж.К., Тенг Дж., Даннер А. и Цю К.В., (2020 г. ). Узорный резист на плоском серебре, обеспечивающий насыщенные плазмонные цвета со спектральной шириной линии менее 20 нм . Материалы Сегодня, 35, 99–105.

Эта статья была написана доктором Полом Мартином, президентом CRAIC Technologies (Сан-Димас, Калифорния). Для получения дополнительной информации свяжитесь с доктором Мартином по этому адресу электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра или посетите здесь .