Nové možnosti infračervených mikroskopů ve vědě a průmyslu

Optická mikroskopie patří celosvětově mezi nejčastěji využívané analytické techniky. Kombinací těchto mikroskopů s infračervenou (FTIR) spektroskopií je možné získat kromě zvětšení pozorovaného objektu také důležitou informaci o jeho chemickém složení. Kombinací obou technik tedy dostáváme FTIR mikroskop – velmi užitečný nástroj pro mikroanalýzu a identifikaci objektů jako jsou mikročástice, defekty, nehomogenity v materiálu a podobně. Následující odstavce shrnou nejčastější využití FTIR mikroskopie ve vědě a průmyslu a také odhalí nejnovější technologie používané v této instrumentaci. Jako příklad pro prezentování nejnovějších technologií poslouží FTIR mikroskop LUMOS II od německého výrobce Bruker Optics (na obr. 1).

Kde je FTIR mikroskopii možné využít?

Jak již bylo řečeno, FTIR mikroskopie je velmi užitečným nástrojem pro analýzu mikro objektů. FTIR mikroskopy jsou přístroje, které používají jeden společný objektiv na viditelné záření (pro zvětšení objektu) a také na infračervené záření (měření IČ spekter). Při zvěstní objektu je tedy možné také naměřit infračervené spektrum z vybrané oblasti s prostorovým rozlišením až 5 µm (resp. 0.5 µm – viz odstavec Imaging). Infračervené spektrum v sobě nese chemickou informaci a je unikátní pro každou látku – díky tomu a také díky existujícím databázím infračervených spekter je možné např. identifikovat neznámé částice, nebo se dívat na rozložení chemických látek v prostoru, což s sebou přináší využití techniky FTIR mikroskopie v následujících oblastech:

a) Analýza vrstevnatých materiálů

Optik Instruments: Nové možnosti infračervených mikroskopů ve vědě a průmyslu: a) Analýza vrstevnatých materiálů.

• Výrobci nátěrových hmot, laminátů, fólií, obalových materiálů, lepidel, lakovny ..
• Restaurátoři – analýza uměleckých obrazů a jiných historických předmětů
• Kriminalisté – analýza autolaků

b) Analýza mikro objektů

Optik Instruments: Nové možnosti infračervených mikroskopů ve vědě a průmyslu: b) Analýza mikro objektů.

• Výrobci v oblasti farmaceutického, chemického, plastařského, textilního, strojírenského a elektronického průmyslu – kontrola kvality, kontrola čistoty povrchů a identifikace kontaminantů 
• Kriminalisté, restaurátoři – analýza vláken a částic
• Výzkum a vývoj – tam kde je potřeba měřit mikro objekty (např. analýza mikroplastů viz obr. 1)

c) Plošná měření

Optik Instruments: Nové možnosti infračervených mikroskopů ve vědě a průmyslu: c) Plošná měření.

• Analýza tloušťky a homogenity vrstev (např. DLC, nitridových či jiných) 
• Farmacie – sledování distribuce API atd.
• Výzkum a vývoj – tam kde je potřeba sledovat chemické složení v prostoru – např. tkáňové inženýrství, materiálové inženýrství aj.

Optik Instruments: Nové možnosti infračervených mikroskopů ve vědě a průmyslu: Obr. 1 – Analýza mikroplastů pomocí FTIR mikroskopu LUMOS II (Bruker Optics).

V jednoduchosti je síla

Výše zmíněný výčet rozhodně není konečný a ukazuje, jak široce je FTIR mikroskopie uplatňována. Tomuto faktu napomáhá také skutečnost, že instrumentace je v dnešní době cenově dostupnější a proces mikroanalýzy je maximálně zjednodušený. Uvedeme-li konkrétní příklad – u FTIR mikroskopu LUMOS II z roku 2019 jsou už všechny komponenty plně automatizované, takže obsluha přístroje může měřit velice snadno. Uživatel jen umístí vzorek, joystickem najede na oblast zájmu, stiskem tlačítka vytvoří mikroskopický snímek oblasti a několika kliknutím myši vybere oblasti pro měření IČ spekter. Pak už pracuje pouze automatizovaný systém, který se sám přepne do infračerveného módu, změří pozadí (background) a následně proměří všechny oblasti zájmu pomocí automatizovaného posuvu stolku. Uživateli už se po doměření zobrazí vyhodnocovací okno s četnými nástroji pro vyhodnocování naměřených spekter (jednoduchá identifikace, vykreslení distribuce látek apod. – viz obr. 2). Díky této jednoduchosti může v dnešní době s přístrojem pracovat v podstatě kdokoliv. Pochopitelně je možné libovolné kroky provádět manuálně a plně je přizpůsobit konkrétním analytickým požadavkům náročnějších uživatelů. Samozřejmostí je také práce v souladu s SVP/SLP, lékopisy a CFR část 11, což jsou nezbytné předpoklady pro využití ve farmacii.

Optik Instruments: Nové možnosti infračervených mikroskopů ve vědě a průmyslu: Obr. 2 – Chemická mapa tablety a ukázka IČ spekter z obou obalových vrstev (červená a zelená) a z vnitřku tablety (modrá).

Imaging – Revoluce v mapování větších ploch

Revoluční technologii v oblasti FTIR analýzy větších ploch přináší technologie tzv. plošného FPA detektoru (Focal Plane Array). Tato technologie nahrazuje klasicky používaný detektor s jedním elementem celým polem detektorů, kterých může být až 16.534. Tím pádem je možná akvizice dat s extrémní rychlostí – místo mapování bod-po-bodu je měřena celá oblast zároveň (tzv. imaging, obr. 3). Je tedy měřeno až 16.534 spekter jedním měřením. V takovém případě je kromě enormní časové úspory dosaženo také o řád lepšího prostorového rozlišení, než v případě klasického mapování – tj. až na 0.5 µm (pod difrakčním limitem záření). FPA technologie je bez nadsázky revolucí v oblasti FTIR mikroanalýzy. Její využití je extrémně výhodné všude tam, kde je důležité analyzovat větší plochy s vysokým prostorovým rozlišením (např. mikroplasty, příčné řezy vícevrstvých materiálů, farmacie atd.)

Optik Instruments: Nové možnosti infračervených mikroskopů ve vědě a průmyslu: Obr. 3 – Schématická ukázka rozdílu mezi FTIR mapováním a FTIR imagingem.

Drobnosti dotváří celek

Nelze ještě nezmínit další technologické inovace, kterými disponuje nový mikroskop LUMOS II. Mezi ně patří:

• All-in-one objektiv, který umožňuje měření v transmisi, reflexi i ATR. To znamená, že stačí jeden objektiv na jakýkoliv mód IČ měření. 
• Automatizovaná apertura – jde o systém clonek které automatizovaně oříznou světelný svazek. To je důležité pro vymezení plochy, ze které chceme snímat IČ spektrum. U LUMOSU II se toto oříznutí děje plně automatizovaně dle nastavení plochy pro měření v softwaru.
• ATR krystal se senzorem přítlaku zabudovaný v hlavním objektivu – krystal automatizovaně vyjede do měřící polohy a dosáhne optimálního tlaku na vzorek, tím je minimalizováno riziko jeho poškození při manipulaci s krystalem nebo nadměrným přitlačením vzorku.
• Možnost až 3 detektorů na jednom zařízení – jeden plošný a dva jedno-elementové detektory s automatizovaným přepínáním.
• Termoelektricky chlazený MCT detektor – citlivý detektor, který nevyžaduje chlazení kapalným dusíkem (dusík byl doposud pro FTIR mikroskopii nezbytností). Díky tomu je možné provádět citlivou mikroanalýzu i v laboratořích, které zásobníkem na kapalný dusík nedisponují.
• Možnost rozšíření mikroskopu o boční nástavec pro jednoduchá IČ měření makroskopických vzorků.
• Velký vzorkovací prostor – vlastnost, kterou docení především zkušení mikroskopici. Možnost analyzovat vzorky s výškou až 40 mm (bez jakéhokoliv seřezávání vzorku nebo redukce jeho rozměrů) představuje veliký komfort. Ukázka na obr. 4.

Optik Instruments: Nové možnosti infračervených mikroskopů ve vědě a průmyslu: Obr. 4 – Ukázka velkého vzorkovacího prostoru mikroskopu – analýza velryby pomocí FTIR mikroskopu LUMOS II.

Tyto dílčí inovace vytváří velmi funkční celek, jakým nový FTIR mikroskop LUMOS II bez pochyby je. Otevírají nové možností využití FTIR mikroskopie na zcela nových pracovištích a ke zcela novým účelům. Pokud jste našli inspiraci k využití této instrumentace i u Vás na pracovišti, pak tento článek splnil svůj účel.