Cross-Sectional and Depth-Profiling Analysis of Multilayer Films Using the AIRsight Infrared Raman Microscope

Význam tématu

Analýza vrstevnatých polymerních fólií je zásadní pro vývoj i kontrolu kvality obalových materiálů v potravinářství a farmacii. Schopnost rychle a spolehlivě určit složení, tloušťky a rozmístění jednotlivých vrstev rozhoduje o funkčnosti fólie (bariéry proti kyslíku, pevnost, tepelná odolnost, optické vlastnosti). Kombinované infračervené a Ramanovo mikroskopické mapování poskytuje chemické zobrazení vrstev bez zbytečných zásahů do vzorku a zkracuje dobu charakterizace.

Cíle a přehled studie / článku

Účelem aplikace bylo předvést možnosti přístroje AIRsight (integrované infračervené a Ramanovo mikroskopické řešení) při analýze vícevrstvé obalové fólie. Studie porovnává přístupy: průřezová analýza pomocí FTIR mapování a Raman mapování na mikrotomu připravených průřezech a Ramanovo depth-profiling bez přípravy průřezu. Cílem bylo identifikovat materiály vrstev, změřit jejich tloušťky a ověřit přítomnost tenkých mezivrstvových složek (např. adhezivních pryskyřic).

Použitá metodika a instrumentace

Metodika:

• Příprava průřezů: mikrotomem (HistoCore AUTOCUT R, Leica) na tloušťku 10 µm.
• Infračervené (FTIR) mapování v transmisním režimu: rozlišení 8 cm⁻¹, 64 scannů, apertura 10 × 10 µm, krok 5 µm vertikálně × 10 µm horizontálně, oblast mapování 100 × 150 µm, detektor T2SL; chemické obrazy vytvořeny pomocí stupně spektrální podobnosti.
• Ramanovo mapování průřezu: objektiv 50× (laser 785 nm), expozice 1 s, laserový průměr 5 µm, krok 5 µm × 10 µm, oblast ~90 × 150 µm; chemické obrazy generovány podle výšky specifických pásů (např. 1020–980 cm⁻¹ pro alkyd).
• Raman depth-profiling bez průřezu: objektiv 100×, laserový průměr 3 µm, hloubkové rozlišení ~7.5 µm, krok hloubky 3 µm, horizontální krok 10 µm, oblast ~140 × 150 µm; mapování dokončeno přibližně za 20 minut.

Použitá instrumentace:

• Infrared: IRTracer-100 (Shimadzu).
• Infrared/Raman mikroskop: AIRsight (Shimadzu).
• Mikrotom: HistoCore AUTOCUT R (Leica Microsystems).
• Detektory: T2SL (IR), CCD (Raman).

Hlavní výsledky a diskuse

Identifikace materiálů a tloušťky vrstev:

• Průřezové měření tlouštěk (z mikroto­mového řezu): čtyři výrazné vrstvy označené jako 1: 14 µm, 2: 100 µm, 3: 14 µm, 4: 14 µm.
• FTIR mapování určilo první vrstvu jako PET, druhou a čtvrtou jako nylon a třetí jako polypropylen (PP). Při hranách vznikaly smíšené spektra indikující velmi tenké mezivrstvy nebo přechodové oblasti.

Vylepšené prostorové rozlišení Ramanovy metody:

• Ramanovo mapování průřezu potvrdilo PET, nylon a PP a navíc odhalilo přítomnost velmi tenkých alkydových pryskyřic v mezivrstvách (pravděpodobně adheziva), které nebyly jednoznačně rozlišitelné ve FTIR mapách kvůli nižšímu laterálnímu rozlišení IR a režimu měření.
• Spektrální signál alkydové vrstvy byl lokalizován zejména u rozhraní vrstev (identifikace na základě pásu ~1000 cm⁻¹ / 1020–980 cm⁻¹).

Raman depth-profiling bez přípravy průřezu:

• Depth-profiling detekovalo pátou vrstvu PET, která chyběla v mikrotomicky připraveném průřezu (pravděpodobné ztráty při krájení).
• Alkydová mezivrstva byla detekovatelná jen mezi některými rozhraními (např. mezi 1.–2. a 2.–3. vrstvou), což odráží omezení hloubkového rozlišení Ramanovy konfokální techniky a degradaci rozlišení se zvyšující se hloubkou kvůli rozptylu a absorpci.

Komplementarita technik:

• FTIR je výhodnější pro materiály s výraznou fluorescencí při Ramanově excitaci; poskytuje robustní chemické mapy v transmisi, ale s nižším laterálním rozlišením.
• Raman má vyšší laterální rozlišení a citlivost na tenké vrstvy a adheziva, může provádět depth‑profiling bez destruktivní přípravy, avšak jeho axiální (hloubkové) rozlišení je omezené a citlivost k fluorescence a rozptylu s hloubkou klesá.

Přínosy a praktické využití metody

Výhody kombinovaného přístupu:

• Možnost zaznamenat IR i Raman spektra na stejné pozici bez přesouvaní vzorku zrychluje workflow a zvyšuje přesnost korelace dat.
• Raman depth‑profiling poskytuje rychlou charakterizaci vrstev bez časově náročné přípravy průřezů, což je přínosné pro screening a vývoj formulací.
• Chemické obrazy usnadňují vizualizaci rozmístění materiálů a tenkých mezivrstvových složek, což je užitečné pro R&D i QC v potravinářském a farmaceutickém balení.

Praktická omezení a doporučení:

• Mikrotomické řezání může odstranit velmi tenké povrchové vrstvy — porovnat průřezovou a depth‑profiling analýzu pro úplný obraz.
• Při analýze tenkých adhezivních vrstev je vhodné kombinovat obě techniky a použít objektivy s vyšším zvětšením pro lepší laterální rozlišení.
• U fluorescenčních polymerů je preferované IR měření nebo úprava Raman podmínek (jiné excitační vlnové délky, SERS, nižší výkon laseru).

Budoucí trendy a možnosti využití

Očekávané směry vývoje a aplikace:

• Zvýšení hloubkového a laterálního rozlišení Ramanových depth‑profilů prostřednictvím vylepšených konfokálních optik, adaptivní optiky a pokročilých detektorů.
• Integrace více analytických modulů (např. SERS, PL/fluorescenční mapování, mikroskopie odrazu) pro komplexnější multimodální charakterizaci fólií.
• Automatizace zpracování dat a nasazení strojového učení pro dekonvoluci smíšených spekter a rychlou klasifikaci vrstev v produkčním prostředí (on‑line nebo at‑line QC).
• Rychlejší mapování díky lepším skenerům a paralelizaci sběru dat umožní širší průmyslové nasazení při kontrole kvality velkých ploch.
• Vývoj postupů minimalizujících ztráty tenkých vrstev při přípravě průřezů a standardizace protokolů pro porovnání průřezových a depth‑profiling dat.

Závěr

Kombinované použití AIRsight infračerveného/Raman mikroskopu umožňuje komplexní, rychlou a neinvazivní charakterizaci vícevrstvých polymerních fólií. FTIR poskytuje spolehlivou identifikaci komponent i při fluorescenci, zatímco Raman (mapování i depth‑profiling) doplňuje informace o tenkých mezivrstvách a umožňuje analýzu bez přípravy průřezu. Pro plné pochopení architektury fólie je nejefektivnější kombinovat obě techniky a zohlednit omezení axiálního rozlišení Ramanových hloubkových měření. Takový přístup podporuje efektivní vývoj nových obalových systémů a robustní kontrolu kvality.

Reference

1. Belle JM, Stokes DL, Vo‑Dinh T. Direct Characterization of the Phthalic Acid Isomers in Mixtures Using Surface‑Enhanced Raman Scattering. Analytical Chemistry. 1990;62:1349.
2. Nishikura S, Iwasaki S. Cross‑Sectional and Depth‑Profiling Analysis of Multilayer Films Using the AIRsight Infrared Raman Microscope. Shimadzu Application News. First Edition Apr 2026.