Spektroskopie mit einem optischen Mikroskop

Ein Instrument mit Bindestrich ist eines, das die Fähigkeiten zweier unterschiedlicher Technologien kombiniert, um eine neue Analysetechnik mit neuartigen Fähigkeiten zu bilden. Das Mikroskop-Spektrophotometer ist ein solches Instrument mit Bindestrich; Es ist ein Hybrid, der die Vergrößerungsleistung eines optischen Mikroskops mit den analytischen Fähigkeiten eines Spektrophotometers im UV-sichtbaren-NIR-Bereich kombiniert. Daher können Mikroskop-Spektrophotometer verwendet werden, um die Molekülspektren mikroskopischer Probenbereiche vom tiefen Ultraviolett bis zum nahen Infrarotbereich zu messen. Sie können für viele verschiedene Arten der Spektroskopie konfiguriert werden und werden daher zur Messung von Absorptions-, Reflexions- und sogar Emissionsspektren wie Fluoreszenz und Photolumineszenz von mikrometergroßen Proben verwendet. Mit dem Hinzufügen spezialisierter Algorithmen kann das Mikroskop-Spektralfotometer auch zur Messung der Dicke dünner Filme oder als Kolorimeter für mikroskopische Proben verwendet werden.

Es gibt viele Gründe, das Mikroskop-Spektrophotometer zu verwenden. Am offensichtlichsten ist, dass Spektren von einer Probenfläche erfasst werden können, die kleiner als ein Mikrometer ist. Außerdem benötigen diese Instrumente nur kleine Probenmengen in fester oder flüssiger Form. Ein weiterer Vorteil ist, dass für viele Proben nur sehr wenig oder gar keine Vorbereitung erforderlich ist. Und Farbvergleiche durch Spektroskopie sind mit Spektralfotometern tendenziell genauer, da diese Instrumente einen breiteren Spektralbereich haben, Beleuchtungsschwankungen korrigieren und die Intensität jedes Lichtwellenlängenbands messen können.

Vor dem Aufkommen der Mikrospektroskopie bestand die einzige Möglichkeit, viele Arten von mikroskopischen Proben zu analysieren, darin, mikrochemische Tests und dann eine Art visuelle Untersuchung durchzuführen. Leider neigen diese Methoden dazu, destruktiv zu sein, erfordern viele Proben und leiden unter den Ungenauigkeiten des menschlichen Sehsystems. Das Mikroskop-Spektralfotometer vermeidet diese Probleme und kann über den Bereich des menschlichen Auges hinaus „sehen“ und Abweichungen erkennen, die sonst nicht erkennbar wären.

Mikroskop-Spektrophotometer-Design

Das Mikroskop-Spektralfotometer integriert ein optisches oder Lichtmikroskop mit einem Spektralfotometer im UV-sichtbaren-NIR-Bereich (Abbildung 1). Das Mikroskop ist ein Gerät, das entwickelt wurde, um ein Bild von kleinen Objekten zu vergrößern, damit sie untersucht werden können. Das Spektrophotometer ist ein Instrument, das die Intensität jeder Lichtwellenlänge vom ultravioletten bis zum sichtbaren und nahen Infrarotbereich misst. Mit einem richtig konfigurierten Mikroskop-Spektrophotometer ist man in der Lage, Absorptions-, Reflexions- und Emissionsspektren mit Abtastbereichen im Submikrometerbereich zu erfassen.

Um einen so breiten Spektralbereich mit guter Bild- und Spektralqualität abzudecken, wird ein kundenspezifisches Mikroskop gebaut und in das Spektralfotometer integriert. Optische Standardmikroskope haben einen begrenzten Spektralbereich, der nur einen Teil des sichtbaren Bereichs abdeckt, aufgrund der Materialien, die für die Optik sowie die Lichtquellen selbst verwendet werden. Das moderne Mikroskop-Spektralfotometer verwendet ein speziell angefertigtes Mikroskop mit einem optischen Design und Lichtquellen, die für das tiefe UV bis zum NIR optimiert sind.

Auch das Spektralphotometer selbst muss für die Mikrospektroskopie ausgelegt sein, um gute spektrale Ergebnisse zu erhalten. Das bedeutet, dass das Spektrophotometer hochempfindlich sein muss, während es dennoch eine akzeptable spektrale Auflösung beibehält. Die Stabilität ist ebenfalls ein Problem, da das Mikroskop-Spektrophotometer ein Einzelstrahlinstrument ist und vor dem Messen der Probe Referenzspektren erhalten werden müssen. Das Instrument muss auch einen hohen Dynamikbereich haben, da häufig von Transmissions- oder Reflexions-Mikrospektroskopie auf Fluoreszenz-Spektroskopie umgeschaltet wird, wenn dieselbe Probe gemessen wird. Auf diese Weise können Sie verschiedene Arten von Spektralinformationen von genau derselben Stelle auf der mikroskopischen Probe erhalten.

Die Integration des Spektrophotometers mit dem Mikroskop ist von entscheidender Bedeutung. Während das Mikroskop und das Spektralfotometer beide für die Mikrospektroskopie optimiert werden müssen, ist der Schlüssel zum Betrieb eines Mikroskop-Spektralfotometers die Hardware, die es ihnen ermöglicht, zusammenzuarbeiten. Diese Schnittstelle hat mehrere grundlegende Anforderungen. Vor allem muss es die vom Mikroskop gesammelte elektromagnetische Energie von der Probe in das Spektrophotometer leiten. Der Benutzer muss jedoch in der Lage sein, den Probenmessbereich zu visualisieren, aber auch die umgebende Probe zu sehen. Dies wird dadurch erreicht, dass die Eintrittsöffnung des Spektrofotometers auf der gleichen Brennebene wie das Probenbild liegt. Die Probe kann dann mit dem Mikroskoptisch bewegt werden, wie man es normalerweise mit einem Mikroskop tun würde, bis das Bild der Eintrittsöffnung über dem zu messenden Bereich liegt. In Abbildung 2 ist das schwarze Quadrat in der Bildmitte die Eintrittsöffnung des Spektralfotometers. All dies geschieht in Echtzeit, sodass die Spektroskopie von Mikroskopproben schnell und einfach ist.

Wie in Abbildung 3 gezeigt, fokussiert die Optik des Mikroskops Licht auf die Probe. Die elektromagnetische Energie wird dann durch das Mikroskopobjektiv von der Probe gesammelt. Das Licht des Objektivs wird auf die verspiegelte Eintrittsöffnung des Spektralphotometers fokussiert. Der Großteil des Lichts wird von der Oberfläche der Eintrittsblende auf die Kamera reflektiert. Die Blende des Spektralfotometers wird ebenfalls von der Kamera abgebildet, sodass sie als schwarzes Quadrat auf der Probe erscheint (Abbildung 2). Dies ermöglicht eine einfache und schnelle Ausrichtung des Mikroskop-Spektrophotometers. Das Licht, das durch die Eintrittsöffnung tritt, gelangt dann in das Spektralfotometer, wo ein Spektrum gemessen wird.

Das Mikroskop kann je nach Art des durchzuführenden Experiments mit unterschiedlichen Beleuchtungsschemata konfiguriert werden. Auflichtbeleuchtung mit weißem Licht ermöglicht Reflexionsmikrospektroskopie vom tiefen UV bis zum nahen IR. Auflichtbeleuchtung kann auch für die Fluoreszenz- oder Photolumineszenz-Mikrospektroskopie verwendet werden. Darüber hinaus ist Transmissionsmikroskopie möglich, wobei weißes Licht durch den Mikroskopkondensor auf die Probe fokussiert wird.

Anwendungen der Mikrospektroskopie

Die ersten Mikroskop-Spektralphotometer wurden in den 1940er Jahren entwickelt und seitdem wurden eine Vielzahl verschiedener Anwendungen entwickelt. Mit der Fähigkeit, Spektren von mikroskopisch kleinen Probenbereichen zu erfassen, werden Mikroskop-Spektralphotometer überall eingesetzt, von Universitätslabors bis hin zu Produktionslinien zur Qualitätskontrolle und Fehleranalyse.

Forensische Wissenschaft. Die Analyse von forensischen Beweismitteln ist seit den frühen 1980er Jahren eine der wichtigsten Anwendungen für Mikroskop-Spektralphotometer. Der größte Aufwand galt der Analyse von Spuren, insbesondere von Textilfasern und Farbspänen1, 2. Wie der Name schon sagt, sind diese Arten von Proben normalerweise mikroskopisch klein und sollten als Beweismittel nicht durch Tests beschädigt oder zerstört werden. Bei Fasern werden Mikroskop-Spektrophotometer verwendet, um die UV-sichtbare-NIR-Absorptions- und Fluoreszenzspektren einzelner Fasern zu messen. Lacksplitter werden normalerweise quergeschnitten und dann wird das Absorptionsspektrum jeder Schicht gemessen, so dass bekannte und fragliche Proben mit einem hohen Grad an Unterscheidung verglichen werden können.

Flachbildschirme. Moderne Flachbildschirme bestehen aus Millionen mehrfarbiger Pixel. Mit fortschreitender Technologie werden die Pixel immer kleiner und dichter auf immer größeren Flächen gepackt. Die modernsten Displays verwenden verschiedene Technologien, wie Quantenpunkte und organische Leuchtdioden, um Pixel unterschiedlicher Farbe im mikroskopischen Maßstab zu erzeugen. Das Mikroskop-Spektrophotometer wird verwendet, um zu helfen, diese Materialien als brauchbare Lichtquellen und schließlich als Displays 3,4 zu entwickeln. Das Mikroskop-Spektralfotometer wird auch im Produktionsprozess verwendet, um sicherzustellen, dass sowohl die Farbe als auch die Intensität der Pixel über das gesamte Display hinweg konsistent sind, wodurch helle und gleichmäßig beleuchtete Bilder über das gesamte Display gewährleistet werden.

Energie. Kohle und Erdölquellgestein enthalten Vitrinit und andere Mazerale. Mikroskopische Spektralphotometer werden verwendet, um die thermische Reife5 und damit den Energiegehalt von Kohle, Koks und Erdölausgangsgestein zu bewerten. Dazu wird das absolute Reflexionsvermögen von Vitrinit an einer polierten Probe gemessen. Abhängig vom Reflexionsvermögen kann die thermische Reife der Probe bestimmt werden.

Nanotechnologie. Das Mikroskop-Spektrophotometer treibt auch die Nanotechnologie und die Materialwissenschaft voran, basierend auf ihrer Fähigkeit, Transmissions-, Reflexions- und Emissionsspektren mikroskopischer Probenbereiche zu messen. Ein schnell wachsendes Anwendungsgebiet ist die Entwicklung und Nutzung der Oberflächenplasmonenresonanz (SPR)6,7,8.

Oberflächenplasmonen werden angeregt, indem eine planare metallische Oberfläche oder nanoskalige metallische Partikel mit Licht beleuchtet werden (Abbildung 4). Änderungen der optischen Eigenschaften dieser Materialien treten auf, wenn diese Nanopartikel oder Oberflächen mit anderen Materialien interagieren. Daher wird viel Arbeit geleistet, um neue Materialien zu entwickeln, die eine Form von Plasmonenresonanz aufweisen, aber auch um Geräte zu bauen, die diese Phänomene aufweisen. Letzteres umfasst Biosensoren und mikrofluidische Vorrichtungssensoren verschiedener Typen. Das Mikroskop-Spektrophotometer misst, wie sich die Spektren der SPR-Materialien unter verschiedenen Bedingungen ändern, was dem Forscher die Möglichkeit gibt, ein neues Material zu charakterisieren und dieses Material dann auf bestimmte optische Effekte „abzustimmen“.

Schlussfolgerung

Das Mikroskop-Spektrophotometer ist eine Technik mit Bindestrich, die das optische Mikroskop mit einem Spektrophotometer kombiniert, so dass man Spektren von mikroskopischen Probenbereichen erfassen kann. Solche Instrumente sind in der Lage, Absorptions- und Reflexionsspektren vom tiefen UV über den sichtbaren bis in den nahen Infrarotbereich aufzunehmen. Das Mikroskop-Spektrophotometer kann auch Fluoreszenz- und andere Arten von Emissionsspektren messen. Diese Geräte haben in vielen Bereichen Verwendung gefunden, darunter Forensik, Halbleiter- und optische Schichtdickenmessung, Biotechnologie und die neuesten Materialwissenschaften.

Referenzen

1. S. Walbridge-Jones, Mikrospektrophotometrie zur Farbmessung von Textilfasern, Identifikation von Textilfasern , Woodhead Publishing, 2009, Seiten 165–180,
2. Standardhandbuch für Mikrospektrophotometrie in der forensischen Farbanalyse, American Society of Testing and Materials.
3. Buchnev, O., Podoliak, N., &Fedotov, V. A. (2018). Flüssigkristallgefülltes Metapixel mit umschaltbarer asymmetrischer Reflexion und Transmission . 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). Breite plasmonische Farbpaletten mit konstanter Auflösung im Subwellenlängenbereich . ACS nano, 13 (3), 3580–3588.
5. „Verfahren zur petrografischen Analyse von Kohlen – Teil 5:Verfahren zur mikroskopischen Bestimmung des Reflexionsgrads von Vitrinit“, ISO 7404-5, Internationale Organisation für Normung, 2009.
6. Ng, R.J.H., Krishnan, R.V., Dong, Z., Ho, J., Liu, H., Ruan, Q., Pey, K.L. und Yang, JK (2019). Mikro-Tags für die Kunst:verdeckte sichtbare und infrarote Bilder unter Verwendung von Gap-Plasmonen in nativem Aluminiumoxid . 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. und Yang, J.K. (2016). Stapelung von Farben in abblätterbaren plasmonischen Übergittern . 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. und Qiu, C.W., (2020 ). Gemusterter Resist auf flachem Silber, der gesättigte plasmonische Farben mit einer spektralen Linienbreite von weniger als 20 nm erzielt . Materials Today, 35, 99-105.

Dieser Artikel wurde von Dr. Paul Martin, President, CRAIC Technologies (San Dimas, CA) verfasst. Wenden Sie sich für weitere Informationen an Dr. Martin unter Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! JavaScript muss aktiviert werden, damit sie angezeigt werden kann. oder besuchen Sie hier .