Combinando a tecnologia FTIR e QCL através da plataforma Hyperion II para maior inovação em microscopia IR.

A luz vem em várias formas e abrange um amplo espectro de comprimentos de onda. O ato de ver envolve a interação da matéria e da luz. A lente em um olho humano refrata a luz visível para ser focada na retina e fornece visão, mas nem toda luz pode ser vista. A luz infravermelha (IR) consiste em radiação eletromagnética com comprimentos de onda maiores que a luz visível, tornando-a invisível ao olho humano. A microscopia geralmente descreve o uso de microscópios para visualizar amostras muito pequenas para serem vistas a olho nu. A microscopia IR estuda a interação da matéria com a luz IR e é comumente utilizada para análise química e geração de imagens de amostras.

ESPECTROSCOPIA FTIR

Um sistema de microscopia IR é composto por três componentes principais: um microscópio óptico, um detector de infravermelho e um espectrômetro de infravermelho com transformada de Fourier (FTIR). O FTIR permite a espectroscopia IR onde um feixe colimado de luz IR é direcionado para a amostra.

A amostra absorve essa luz em frequências específicas que correspondem aos grupos funcionais que a compõem e indicam sua composição química. O FTIR fornece esses dados como um espectro IR exibindo as magnitudes de absorção em várias frequências. O detector IR e o microscópio óptico trabalham em conjunto para resolver espacialmente essa análise química em diferentes regiões da amostra.

A microscopia IR é uma ferramenta poderosa para análise química e detecção de impurezas, prestando-se a diversas aplicações nas áreas forense, análise ambiental, diagnóstico médico, caracterização de materiais, análise biológica e mineralogia, para citar alguns. A microscopia FTIR é acompanhada por seu quinhão de vantagens, incluindo:

  • Coleta e análise de dados quase em tempo real
  • Facilidade de uso em quase todas as amostras sólidas
  • Análise de amostra não destrutiva e sem alteração
  • Altas relações sinal-ruído com tempos de varredura curtos em todas as frequências
  • Amplos intervalos de varredura (normalmente de pelo menos 4.000 a 600 cm-1) com alta precisão de comprimento de onda (melhor que 0,005 cm-1)
  • Extensa redução de luz difusa 

No entanto, apesar dessas vantagens, a microscopia FTIR também tem suas limitações:

  • Redução de sinal via divergência de feixe
  • Absorção atmosférica devido à dispersão de água e IR de partículas
  • Limitado a cerca de 1 minuto por análise para áreas de interesse próximas ao limite de difração, tornando a geração de imagens de amostras de grandes áreas muito lentas para serem práticas

ESPECTROSCOPIA DE LASER EM CASCATA QUÂNTICA (QCL)

O FTIR observa as respostas da amostra para todos os comprimentos de onda na faixa de IR simultaneamente. Para análise de imagem de alta resolução espacial via microscopia FTIR, isso pode se traduzir em varreduras de várias horas para amostras de grande área. Supondo que um grande número de amostras tenha que ser analisado em um laboratório típico, a abordagem de microscopia FTIR inevitavelmente levaria a um enorme acúmulo de amostras.

Uma abordagem alternativa para a eficiência está disponível na microscopia de imagem a laser infravermelho (ILIM), onde as respostas da amostra são analisadas correspondendo a comprimentos de onda IR individuais e específicos. O ILIM é facilitado pelo uso de lasers de cascata quântica (QCL), lasers semicondutores que emitem luz nas regiões de infravermelho médio a distante do espectro eletromagnético, e também é chamado de espectroscopia QCL. Ao focar em comprimentos de onda de faixa de IR específicos e ideais, a espectroscopia QCL permite a geração de imagens de alto contraste a uma taxa muito mais rápida. Para uma área de amostra de cerca de cem milímetros quadrados, o FTIR levaria duas horas e meia, enquanto o QCL atingiria o mesmo em cerca de 25 segundos.

No entanto, apesar de toda a sua vantagem de velocidade e varreduras rápidas, o QCL examina apenas partes específicas do espectro IR. Essa vantagem diminui quando mais informações espectrais, além de um intervalo específico, são necessárias. Portanto, a solução ideal seria uma combinação de tecnologia FTIR e QCL.

APRESENTANDO O HYPERION II

Combinando microscopia FTIR e ILIM em um único dispositivo, o Hyperion II oferece uma abordagem inovadora para microscopia IR. Apresentando QCLs e um caminho de feixe otimizado para imagens a laser IR rápidas, o sistema Hyperion II pode ser equipado com diferentes acessórios para ampliação variável, estágios com temperatura controlada e estendendo a faixa espectral geral de UV ao IR distante (250 nm - 100 cm-1). Capitalizando simultaneamente a velocidade e a sensibilidade do QCL (brilho muito maior do que as fontes SiC tradicionais) e da microscopia FTIR, o sistema Hyperion II oferece coleta rápida de dados espectrais em todo o domínio espectral (baseado em fonte SiC) para determinar os números de onda de interesse para imagem química (baseada em QCL) de amostras de tamanhos variados.

O uso do emissor térmico de banda larga SiC com baixa densidade de potência espectral e características de emissão incoerente em FTIR significa que os artefatos de coerência são insignificantes para a microscopia IR tradicional. Em contraste, as fontes de alto brilho baseadas em laser utilizadas na espectroscopia QCL resultam em coerência significativa. Como resultado, artefatos de coerência são frequentemente observados em imagens de amostra coletadas utilizando fontes baseadas em laser.

Para fornecer a redução da coerência espacial, o Hyperion II incorpora um design de espelho otimizado e patenteado que resulta em imagens sem artefatos que não requerem pós-processamento digital de imagens, um processo demorado que também pode introduzir artefatos. Isso é possível por meio de iluminação a laser efetiva, homogênea e ampliada, resultando em uma combinação de imagens hiperespectral baseadas em QCL de alta qualidade e visualização IR ao vivo, permitindo a análise de amostras no IR em comprimentos de onda únicos, em tempo real e em taxas de quadros de vídeo padrão. Isso é crucial para examinar grandes áreas de amostra em muito pouco tempo.

Como tal, o Hyperion II facilita um espaço de trabalho inovador onde o usuário pode alternar com flexibilidade entre a espectroscopia FTIR e QCL, capitalizando seus pontos fortes enquanto trabalha em suas limitações de forma complementar.

ESTUDOS DE CASO EM ANÁLISE DE TECIDOS BIOLÓGICOS E OUTRAS APLICAÇÕES IMPORTANTES

Uma aplicação relacionável da vida real que demonstra o escopo do sistema Hyperion II envolve a análise de tecidos biológicos. A análise de amostras de tecido por microscopia IR pode ser importante na caracterização de tecidos suspeitos de estarem doentes. Como a microscopia IR é altamente específica, a identificação e classificação de uma doença podem ser prontamente realizadas usando imagens rápidas. O uso de imagens IR pode eliminar a necessidade de coloração de amostras e contra-coloração, e agilizar bastante a análise patológica do tecido. Além disso, a microscopia IR pode ser mais eficaz no monitoramento da eficiência metabólica da ingestão de drogas. Muitos fármacos ativos exibem fluorescência sob iluminação UV, onde a iluminação de fluorescência pode ser usada para ver onde o fármaco foi metabolizado. O efeito subsequente no tecido pode então ser bem caracterizado usando imagens de microscopia IR do tecido. Normalmente, essas drogas fluorescentes e marcadores de drogas estão em uma concentração tão baixa que são indetectáveis ​​por microscopia IR, mas prontamente observadas por meio de imagens de fluorescência.

Outro exemplo importante é a análise de microplásticos, que se refere a partículas de polímeros de diâmetros inferiores a 5 mm frequentemente encontradas em fontes de água como leitos de rios, gelo ártico, fertilizantes naturais e solos. Os microplásticos também chegaram à água potável, com os esforços atuais para combater a contaminação por microplásticos do meio ambiente e da cadeia alimentar humana, uma grande iniciativa.

A detecção de microplásticos é vital nos esforços para investigar e analisar o impacto dessas partículas. A análise química de amostras líquidas usando microscopia IR, especificamente FTIR, tem sido o padrão há vários anos. O Hyperion II incorpora FTIR e ILIM em um único dispositivo, oferecendo todos os três modos de medição: transmissão, reflexão e ATR. Isso ajuda efetivamente a dimensionar a abordagem FTIR para casos em que populações de amostras maiores são comuns, como na análise de microplásticos.

Nesse contexto, a flexibilidade de alternar entre os modos FTIR e QCL permite ao usuário gerar mapas químicos detalhados de amostras líquidas em substratos transparentes ao IR. Isso pode ser alcançado em uma faixa espectral contínua ou varreduras de varredura em faixas espectrais discretas ao amostrar microplásticos específicos. Dessa forma, o Hyperion II permite que o usuário equilibre efetivamente entre imagens QCL de banda estreita e alta velocidade e imagens FTIR de banda larga. Juntas, essa combinação permite ao usuário identificar regiões de interesse, realizar medições e extrair parâmetros de caracterização relevantes, como identidade, tamanho e número de partículas microplásticas.

As vantagens do Hyperion II também se traduzem em soluções em aplicações como análise de comprimidos farmacêuticos, identificação de materiais, ciências forenses e muitas outras. O clustering K-means adaptável habilitado pelo software OPUS auxilia na avaliação autônoma de dados brutos de imagens químicas. Isso é de grande utilidade na análise de tecidos biológicos, onde espectros da ordem de milhões podem ser analisados ​​em poucos minutos. Complementadas pela tecnologia de redução de coerência do Hyperion II, essas imagens estão livres de artefatos de coerência indesejados, manchas e franjas sem a necessidade de pós-processamento extensivo.

Da mesma forma, o Hyperion II supera as limitações em imagens full mid-IR, que são essenciais para identificar de forma confiável pigmentos inorgânicos e materiais de enchimento (cujos espectros ocorrem abaixo da faixa de 1000 cm-1) para análise de lascas de pintura de automóveis, especialmente em carros atropelados. acidentes. Aqui, a imagem FTIR de banda larga do Hyperion II pode ser usada para identificar de forma inequívoca as lascas de pintura do carro, enquanto o modo QCL pode fornecer uma análise de contraste aumentada, facilitando a avaliação de várias camadas e a determinação da causa de um acidente.

A facilidade de flexibilidade entre o uso de espectroscopia QCL e FTIR também é evidente na triagem de alto rendimento da contaminação da superfície em metais. Um caso representativo considera a identificação de resíduos de óleo de silicone em um relógio de bolso. Como o metal não possui assinatura IR, sua superfície reflete facilmente a luz IR. A presença de impurezas e resíduos seria então observada pela absorção de luz IR na luz refletida. Armado com esse conhecimento, a espectroscopia QCL pode ser usada para pesquisar seletivamente bandas específicas na amostra e identificar as manchas correspondentes. Com um simples clique, o usuário pode alternar para o modo FTIR e obter um espectro de infravermelho médio completo na área contaminante e confirmar a natureza do resíduo.

UMA NOVA FRONTEIRA EM MICROSCOPIA IR

A combinação da tecnologia FTIR e QCL permite a coleta de imagens químicas de alta resolução para faixas espectrais bem definidas em velocidades incríveis. A plataforma Hyperion II destaca um único dispositivo emparelhando recursos FTIR e QCL em uma solução abrangente e inovadora para imagens e análises químicas detalhadas, estabelecendo um novo padrão para microscopia IR.