Spectroscopie met behulp van een optische microscoop

Een koppelteken is een instrument dat de mogelijkheden van twee verschillende technologieën combineert om een ​​nieuwe analytische techniek met nieuwe mogelijkheden te vormen. De microscoopspectrofotometer is zo'n instrument met een koppelteken; het is een hybride die het vergrotende vermogen van een optische microscoop combineert met de analytische vaardigheden van een UV-zichtbare NIR-spectrofotometer. Als zodanig kunnen microscoopspectrofotometers worden gebruikt om de moleculaire spectra van microscopische monstergebieden te meten van het diepe ultraviolet tot het nabije infraroodgebied. Ze kunnen worden geconfigureerd voor veel verschillende soorten spectroscopie en worden als zodanig gebruikt voor het meten van absorptie, reflectie en zelfs emissiespectra, zoals fluorescentie en fotoluminescentie, van monsters van micronformaat. Met de toevoeging van gespecialiseerde algoritmen kan de microscoopspectrofotometer ook worden gebruikt om de dikte van dunne films te meten of als colorimeter voor microscopische monsters te fungeren.

Er zijn veel redenen om de microscoopspectrofotometer te gebruiken. Het meest voor de hand liggende is dat spectra kunnen worden verkregen uit een monstergebied kleiner dan een micron. Bovendien vereisen deze instrumenten slechts kleine hoeveelheden monsters in vaste of vloeibare vorm. Een ander voordeel is dat voor veel monsters weinig of geen voorbereiding nodig is. En kleurvergelijkingen door spectroscopie zijn doorgaans nauwkeuriger met spectrofotometers omdat deze instrumenten een breder spectraal bereik hebben, lichtvariaties kunnen corrigeren en de intensiteit van elke golflengteband van licht kunnen meten.

Vóór de komst van microspectroscopie was de enige manier om veel soorten microscopische monsters te analyseren het gebruik van microchemische tests en vervolgens een soort van visueel onderzoek. Helaas zijn deze methoden meestal destructief, vereisen ze veel monsters en lijden ze onder de onnauwkeurigheden van het menselijke visuele systeem. De microscoopspectrofotometer vermijdt deze problemen en kan buiten het bereik van het menselijk oog "zien" en variaties detecteren die anders niet duidelijk zouden zijn.

Ontwerp microscoopspectrofotometer

De microscoop spectrofotometer integreert een optische of lichte Microscoop met een UV-zichtbaar-NIR bereik spectrofotometer (Figuur 1). De microscoop is een apparaat dat is ontworpen om een ​​afbeelding van kleine objecten te vergroten zodat ze kunnen worden bestudeerd. De spectrofotometer is een instrument dat de intensiteit van elke golflengte van licht meet van het ultraviolet tot de zichtbare en nabij-infraroodgebieden. Met een correct geconfigureerde microscoopspectrofotometer kan men absorptie-, reflectie- en emissiespectra verkrijgen met bemonsteringsgebieden op de submicronschaal.

Om zo'n breed spectraal bereik te dekken met een goede beeld- en spectrale kwaliteit, wordt een speciaal ontworpen microscoop gebouwd en geïntegreerd met de spectrofotometer. Standaard optische microscopen hebben een beperkt spectraal bereik dat slechts een deel van het zichtbare gebied beslaat vanwege de materialen die worden gebruikt voor de optica en de lichtbronnen zelf. De moderne microscoopspectrofotometer maakt gebruik van een op maat gemaakte microscoop met een optisch ontwerp en lichtbronnen die zijn geoptimaliseerd voor de diepe UV via de NIR.

De spectrofotometer zelf moet ook worden ontworpen voor microspectroscopie om goede spectrale resultaten te verkrijgen. Dit betekent dat de spectrofotometer zeer gevoelig moet zijn en toch een acceptabele spectrale resolutie moet behouden. Stabiliteit is ook een probleem, aangezien de microscoopspectrofotometer een instrument met een enkele bundel is en referentiespectra moeten worden verkregen voordat het monster wordt gemeten. Het instrument moet ook een hoog dynamisch bereik hebben, aangezien men bij het meten van hetzelfde monster vaak overschakelt van transmissie- of reflectiemicrospectroscopie naar fluorescentiespectroscopie. Hierdoor kunt u verschillende soorten spectrale informatie verkrijgen van exact dezelfde locatie op het microscopische monster.

Integratie van de spectrofotometer met de microscoop is van cruciaal belang. Hoewel de microscoop en spectrofotometer beide moeten worden geoptimaliseerd voor microspectroscopie, is de sleutel tot de werking van een microscoopspectrofotometer de hardware waarmee ze kunnen samenwerken. Deze interface heeft verschillende basisvereisten. Het belangrijkste is dat het de door de microscoop verzamelde elektromagnetische energie van het monster naar de spectrofotometer moet kanaliseren. De gebruiker moet echter het meetgebied van het monster kunnen visualiseren, maar ook het omringende monster kunnen zien. Dit wordt gedaan door de ingangsopening van de spectrofotometer in hetzelfde brandvlak te plaatsen als het monsterbeeld. Het monster kan dan met de microscooptafel worden bewogen, zoals men normaal zou doen met een microscoop, totdat het beeld van de ingangsopening zich boven het te meten gebied bevindt. In figuur 2 is het zwarte vierkant in het midden van de afbeelding de ingangsopening van de spectrofotometer. Dit alles gebeurt in realtime, zodat de spectroscopie van microscoopmonsters snel en eenvoudig is.

Zoals weergegeven in figuur 3, focust de microscoopoptiek licht op het monster. De elektromagnetische energie wordt vervolgens door het microscoopobjectief uit het monster verzameld. Het licht van het objectief wordt gefocusseerd op de gespiegelde ingangsopening van de spectrofotometer. Het grootste deel van het licht wordt gereflecteerd vanaf het oppervlak van de ingangsopening op de camera. Het diafragma van de spectrofotometer wordt ook door de camera afgebeeld, zodat het als een zwart vierkant op het monster verschijnt (Figuur 2). Dit zorgt voor een gemakkelijke en snelle uitlijning van de microscoop spectrofotometer. Het licht dat door de ingangsopening gaat, gaat vervolgens naar de spectrofotometer waar een spectrum wordt gemeten.

De microscoop kan worden geconfigureerd met verschillende verlichtingsschema's, afhankelijk van het type experiment dat moet worden uitgevoerd. Invallende verlichting met wit licht zorgt voor reflectiemicrospectroscopie van de diepe UV tot de nabije IR. Incidentverlichting kan ook worden gebruikt voor fluorescentie- of fotoluminescentiemicrospectroscopie. Bovendien is transmissiemicrospectroscopie mogelijk met wit licht dat via de microscoopcondensor op het monster wordt gericht.

Toepassingen van microspectroscopie

De eerste microscoopspectrofotometers werden ontwikkeld in de jaren 40 en sindsdien zijn er tal van verschillende toepassingen ontwikkeld. Met de mogelijkheid om spectra van microscopische monstergebieden te verkrijgen, worden microscoopspectrofotometers overal gebruikt, van universitaire laboratoria tot productielijnen voor kwaliteitscontrole en storingsanalyse.

Forensische wetenschap. De analyse van forensisch bewijs is sinds het begin van de jaren tachtig een van de belangrijkste toepassingen voor microscoopspectrofotometers. De grootste inspanning werd geleverd bij de analyse van sporen, met name textielvezels en verfschilfers1, 2. Zoals de namen al doen vermoeden, zijn dit soort monsters meestal microscopisch klein en mogen ze, als bewijs, niet door tests worden beschadigd of vernietigd. Met vezels worden microscoopspectrofotometers gebruikt om de UV-zichtbare NIR-absorptie- en fluorescentiespectra van individuele vezels te meten. Verfchips worden meestal doorgesneden en vervolgens wordt het absorptiespectrum van elke laag gemeten, zodat bekende en bevraagde monsters kunnen worden vergeleken met een hoge mate van discriminatie.

Flatscreen-beeldschermen. Moderne platte beeldschermen bestaan ​​uit miljoenen veelkleurige pixels. Naarmate de technologie vorderde, worden de pixels steeds kleiner en dichter op elkaar gepakt over steeds grotere oppervlakken. De modernste beeldschermen gebruiken verschillende technologieën, zoals kwantumdots en organische lichtdioden, om pixels van verschillende kleuren op microscopische schaal te creëren. De microscoopspectrofotometer wordt gebruikt om deze materialen te helpen ontwikkelen als levensvatbare lichtbronnen en uiteindelijk als displays 3,4. De microscoopspectrofotometer wordt ook gebruikt in het productieproces om ervoor te zorgen dat zowel de kleur als de intensiteit van de pixels consistent zijn over het hele scherm, waardoor heldere en gelijkmatig verlichte beelden over het scherm worden gegarandeerd.

Energie. Steenkool en aardoliebronnen bevatten vitriniet en andere maceralen. Microscoopspectrofotometers worden gebruikt om de thermische rijpheid5, en dus de energie-inhoud, van steenkool, cokes en aardoliebrongesteente te beoordelen. Dit wordt gedaan door de absolute reflectiviteit van vitriniet op een gepolijst monster te meten. Afhankelijk van de reflectiviteit kan de thermische rijpheid van het monster worden bepaald.

Nanotechnologie. De microscoopspectrofotometer bevordert ook de nanotechnologie en materiaalwetenschap op basis van hun vermogen om microscopische monstergebieden van transmissie-, reflectie- en emissiespectra te meten. Een snel groeiend toepassingsgebied is de ontwikkeling en het gebruik van oppervlakteplasmonresonantie (SPR)6,7,8.

Oppervlakteplasmonen worden geëxciteerd door een plat metalen oppervlak of metalen deeltjes op nanoschaal met licht te verlichten (Figuur 4). Veranderingen in de optische eigenschappen van deze materialen treden op wanneer deze nanodeeltjes of oppervlakken interageren met andere materialen. Als zodanig wordt er veel werk verzet om nieuwe materialen te ontwikkelen die een of andere vorm van plasmonresonantie vertonen, maar ook om apparaten te bouwen die deze verschijnselen vertonen. De laatste omvat biosensoren en microfluïdische apparaatsensoren van verschillende typen. De microscoopspectrofotometer meet hoe de spectra van de SPR-materialen veranderen onder verschillende omstandigheden, waardoor de onderzoeker een nieuw materiaal kan karakteriseren en dat materiaal vervolgens kan "afstemmen" voor specifieke optische effecten.

Conclusie

De microscoopspectrofotometer is een techniek met koppeltekens die de optische microscoop combineert met een spectrofotometer, zodat men spectra van microscopische monstergebieden kan verwerven. Dergelijke instrumenten zijn in staat tot absorptie- en reflectiespectra van de diepe UV door de zichtbare en in de nabij-infraroodgebieden. De microscoopspectrofotometer kan ook fluorescentie en andere soorten emissiespectra meten. Deze apparaten zijn op veel gebieden gebruikt, waaronder forensische wetenschap, halfgeleider- en optische filmdiktemeting, biotechnologie en de nieuwste materiaalwetenschap.

Referenties

1. S. Walbridge-Jones, Microspectrofotometrie voor kleurmeting van textielvezels, identificatie van textielvezels , Woodhead Publishing, 2009, pagina's 165-180,
2. Standaardgids voor microspectrofotometrie in forensische verfanalyse, American Society of Testing and Materials.
3. Buchnev, O., Podoliak, N., &Fedotov, V.A. (2018). Vloeibare kristallen gevulde meta-pixel met schakelbare asymmetrische reflectie en transmissie . J. Moleculaire vloeistoffen, 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 plasmonische kleurenpaletten met constante subgolflengte resolutie . ACS nano, 13 (3), 3580-3588.
5. "Methoden voor de petrografische analyse van kolen - Deel 5:Methode voor het microscopisch bepalen van de reflectie van vitrinite", ISO 7404-5, Internationale Organisatie voor Standaardisatie, 2009.
6. Ng, RJH, Krishnan, R.V., Dong, Z., Ho, J., Liu, H., Ruan, Q., Pey, KL. en Yang, JK (2019). Microtags voor kunst:verborgen zichtbare en infraroodbeelden met behulp van gap-plasmons in natuurlijk aluminiumoxide . 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. en Yang, J.K. (2016). Opstapeling van kleuren in exfolieerbare plasmonische superroosters . Nanoschaal, 8 (42), 18228-18234.
8. Jiang, M., Siew, SY, Chan, J.Y., Deng, J., Wu, Q.Y.S., Jin, L., Yang, JK, Teng, J., Danner, A. en Qiu, CW, (2020 ). Gedessineerde resist op plat zilver voor verzadigde plasmonische kleuren met een spectrale lijnbreedte van minder dan 20 nm . Materialen vandaag, 35, 99-105.

Dit artikel is geschreven door Dr. Paul Martin, President, CRAIC Technologies (San Dimas, CA). Neem voor meer informatie contact op met Dr. Martin via Dit e-mailadres wordt beveiligd tegen spambots. U heeft Javascript nodig om het te kunnen zien., of bezoek hier .