Микроскопически-интегрированная спектроскопия: точный УФ-Vis-NIR анализ микромасштабных образцов

Гифенированный инструмент — это тот, который соединяет возможности двух разных технологий для формирования новой аналитической техники с новыми способностями. Микроскопический спектрофотометр — один такой гифенированный инструмент; это гибрид, объединяющий увеличительную силу оптического микроскопа с аналитическими компетенциями УФ-видимого-НИК диапазона спектрофотометра. Как таковые, микроскопические спектрофотометры могут использоваться для измерения молекулярных спектров микроскопических областей образца от глубокого ультрафиолета до ближнего инфракрасного региона. Они могут быть сконфигурированы для многих разных типов спектроскопии и, как таковые, используются для измерения абсорбции, рефлексии и даже эмиссионных спектров, таких как флуоресценция и фотолюминесценция, микрон-размерных образцов. С добавлением специализированных алгоритмов микроскопический спектрофотометр также может использоваться для измерения толщины тонких пленок или действовать как колориметр для микроскопических образцов.

Существует много причин использовать микроскопический спектрофотометр. Самое очевидное — спектры могут быть получены от области образца меньше микрона. Дополнительно, эти инструменты требуют только малых количеств образцов в твердой или жидкой форме. Еще одно преимущество — очень мало или никакой подготовки не требуется для многих образцов. И цветовые сравнения спектроскопией склонны быть более точными со спектрофотометрами, потому что эти инструменты имеют более широкий спектральный диапазон, могут корректировать вариации освещения и могут измерять интенсивность каждой полосы длины волны света.

До прихода микроспектроскопии единственным способом анализа многих типов микроскопических образцов было использование микро-химического тестирования и затем какого-то визуального осмотра. К сожалению, эти методы склонны быть деструктивными, требовать много образцов и страдать от неточностей человеческой визуальной системы. Микроскопический спектрофотометр избегает этих проблем и может "видеть" за пределами диапазона человеческого глаза и обнаруживать вариации, которые не были бы иначе очевидны.

Дизайн микроскопического спектрофотометра

Микроскопический спектрофотометр интегрирует оптический или световой микроскоп с УФ-видимого-НИК диапазоном спектрофотометра (Рисунок 1). Микроскоп — устройство, спроектированное для увеличения изображения маленьких объектов для их изучения. Спектрофотометр — инструмент, измеряющий интенсивность каждой длины волны света от ультрафиолета через видимый и ближний инфракрасный регионы. С правильно сконфигурированным микроскопическим спектрофотометром можно получить абсорбционные, рефлексивные и эмиссионные спектры с областью сэмплирования на субмикронном масштабе.

Для покрытия такого широкого спектрального диапазона с хорошим качеством изображения и спектральным качеством, кастомный микроскоп строится и интегрируется со спектрофотометром. Стандартные оптические микроскопы имеют ограниченный спектральный диапазон, покрывающий только часть видимого региона из-за материалов, используемых для оптики, так же как и сами источники света. Современный микроскопический спектрофотометр использует кастомно-построенный микроскоп с оптическим дизайном и источниками света, оптимизированными для глубокого УФ через НИК.

Спектрофотометр сам по себе также должен быть спроектирован для микроспектроскопии для получения хороших спектральных результатов. Это означает, что спектрофотометр должен быть высокочувствительным, сохраняя приемлемое спектральное разрешение. Стабильность также проблема, поскольку микроскопический спектрофотометр — однолучевой инструмент и референсные спектры должны быть получены до измерения образца. Инструмент также должен иметь высокий динамический диапазон, поскольку часто переключаются от передаточной или рефлексивной микроспектроскопии к флуоресцентной спектроскопии при измерении того же образца. Это позволяет получить разные типы спектральной информации от точно того же места на микроскопическом образце.

Интеграция спектрофотометра с микроскопом критически важна. Пока микроскоп и спектрофотометр должны быть оптимизированы для микроспектроскопии, ключ к операции микроскопического спектрофотометра — это аппаратное обеспечение, позволяющее им работать вместе. Этот интерфейс имеет несколько базовых требований. Самое важное, он должен канализировать электромагнитную энергию, собранную микроскопом от образца, в спектрофотометр. Однако пользователь должен иметь возможность визуализировать область измерения образца, но также видеть окружающий образец. Это делается путем размещения входной апертуры спектрофотометра в той же фокальной плоскости, что и изображение образца. Образец может затем двигаться с микроскопической стадией, как обычно делается с микроскопом, пока изображение входной апертуры не окажется над областью для измерения. На Рисунке 2 черный квадрат в центре изображения — это входная апертура спектрофотометра. Все это делается в реальном времени, так что спектроскопия микроскопических образцов быстрая и легкая.

Как показано на Рисунке 3, оптика микроскопа фокусирует свет на образец. Электромагнитная энергия затем собирается от образца микроскопическим объективом. Свет от объектива фокусируется на зеркальную входную апертуру спектрофотометра. Большинство света отражается от поверхности входной апертуры на камеру. Апертура спектрофотометра также изображенияется камерой, так что она появляется как черный квадрат на образце (Рисунок 2). Это позволяет легкое и быстрое выравнивание микроскопического спектрофотометра. Свет, проходящий через входную апертуру, затем проходит в спектрофотометр, где измеряется спектр.

Микроскоп может быть сконфигурирован с разными схемами освещения в зависимости от типа эксперимента, выполняемого. Инцидентное освещение белым светом позволяет рефлексивную микроспектроскопию от глубокого УФ до ближнего ИК. Инцидентное освещение также может использоваться для флуоресцентной или фотолюминесцентной микроспектроскопии. Кроме того, передаточная микроспектроскопия возможна с белым светом, сфокусированным на образце через микроскопический конденсатор.

Приложения микроспектроскопии

Первые микроскопические спектрофотометры были разработаны в 1940-х и с тех пор разработано множество разных приложений. Со способностью получать спектры микроскопических областей образца, микроскопические спектрофотометры используются везде — от университетских лабораторий до производственных линий для контроля качества и анализа отказов.

Судебная наука. Анализ судебных доказательств был одним из самых важных приложений для микроскопических спектрофотометров с начала 1980-х. Наибольшие усилия были в анализе следов доказательств, специально текстильных волокон и осколков краски1, 2. Как их названия подсказывают, эти типы образцов обычно микроскопические и, будучи доказательствами, не должны быть повреждены или уничтожены тестированием. С волокнами микроскопические спектрофотометры используются для измерения УФ-видимого-НИК абсорбции и флуоресценции спектров отдельных волокон. Осколки краски обычно поперечно секаются и затем абсорбционный спектр каждого слоя измеряется так, что известные и оспариваемые образцы могут сравниваться с высокой степенью дискриминации.

Плоские панельные дисплеи. Современные плоские панельные дисплеи состоят из миллионов многоцветных пикселей. По мере прогресса технологии пикселей становятся все меньше и более плотно упакованы по все большим поверхностям. Самые современные дисплеи используют разные технологии, такие как квантовые точки и органические светодиоды, для создания пикселей разных цветов на микроскопическом масштабе. Микроскопический спектрофотометр используется для помощи в разработке этих материалов как жизнеспособных источников света и в конечном счете как дисплеи 3,4. Микроскопический спектрофотометр также используется в производственном процессе для обеспечения того, что и цвет, и интенсивность пикселей последовательны по всему дисплею, тем самым обеспечивая яркие и равномерно освещенные изображения по всему дисплею.

Энергетика. Уголь и нефтеносная порода содержат витринит и другие мацералы. Микроскопические спектрофотометры используются для оценки термической зрелости5, и поэтому энергетического содержания, угля, кокса и нефтеносной породы. Это делается путем измерения абсолютной рефлективности витринита на полированном образце. В зависимости от рефлективности, термическая зрелость образца может быть определена.

Нанотехнологии. Микроскопический спектрофотометр также продвигает нанотехнологии и материаловедение, основанные на их способности измерять передачу, рефлексию и эмиссию спектров микроскопических областей образца. Один быстрорастущий область приложений — в разработке и использовании поверхностного плазмонного резонанса (SPR)6,7,8.

Поверхностные плазмоны возбуждаются освещением плоской металлической поверхности или наномасштабных металлических частиц светом (Рисунок 4). Изменения в оптические характеристики этих материалов происходят, когда эти наночастицы или поверхности взаимодействуют с другими материалами. Как таковые, много работы делается для разработки новых материалов, демонстрирующих какую-то форму плазмонного резонанса, но также для построения устройств, характеризующихся этими явлениями. Последние включают биосенсоры и микролидные датчики устройств различных типов. Микроскопический спектрофотометр измеряет, как спектры SPR материалов меняются под разными условиями, давая исследователю способность охарактеризовать новый материал, затем "настроить" тот материал для специфических оптических эффектов.

Заключение

Микроскопический спектрофотометр — гифенированная техника, объединяющая оптический микроскоп со спектрофотометром для получения спектров микроскопических областей образца. Такие инструменты способны на абсорбционные и рефлексивные спектры от глубокого УФ через видимый и в ближний инфракрасный регионы. Микроскопический спектрофотометр также может измерять флуоресценцию и другие типы эмиссионных спектров. Эти устройства нашли применение во многих областях, включая судебную науку, измерение толщины полупроводниковых и оптических пленок, биотехнологию и передовые материалы.

Ссылки

1. S. Walbridge-Jones, Microspectrophotometry for textile fiber color measurement, Identification of Textile Fibers, Woodhead Publishing, 2009, Pages 165-180,
2. Standard Guide for Microspectrophotometry in Forensic Paint Analysis, American Society of Testing and Materials.
3. Buchnev, O., Podoliak, N., & Fedotov, V. A. (2018). Liquid crystal-filled meta-pixel with switchable asymmetric reflectance and transmittance. J. Molecular Liquids, 267, 411-414.
4. Rezaei, S. D., Hong Ng , R. J., Dong, Z., Ho, J., Koay, E. H., Ramakrishna, S., & Yang, J. K. (2019). Wide-gamut plasmonic color palettes with constant subwavelength resolution. ACS nano, 13 (3), 3580-3588.
5. "Methods for the petrographic analysis of coals – Part 5: Method of determining microscopically the reflectance of vitrinite", ISO 7404-5, International Organization for Standardization, 2009.
6. Ng, R.J.H., Krishnan, R.V., Dong, Z., Ho, J., Liu, H., Ruan, Q., Pey, K.L. and Yang, J.K (2019). Micro-tags for art: covert visible and infrared images using gap plasmons in native aluminum oxide. Optical Materials Express, 9 (2), 788-801.
7. Alali, M., Yu, Y., Xu, K., Ng, R.J., Dong, Z., Wang, L., Dinachali, S.S., Hong, M. and Yang, J.K. (2016). Stacking of colors in exfoliable plasmonic superlattices. Nanoscale, 8 (42), 18228-18234.
8. Jiang, M., Siew, S.Y., Chan, J.Y., Deng, J., Wu, Q.Y.S., Jin, L., Yang, J.K., Teng, J., Danner, A. and Qiu, C.W., (2020). Patterned resist on flat silver achieving saturated plasmonic colors with sub-20-nm spectral linewidth. Materials Today, 35, 99-105.

Эту статью написал д-р Пол Мартин, президент, CRAIC Technologies (Сан-Димас, CA). Для дополнительной информации свяжитесь с д-ром Мартином по адресу This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it., или посетите здесь .