Spektroskopi Terintegrasi Mikroskop: Analisis UV-Vis-NIR Tepat untuk Sampel Skala Mikro

Instrumen hifenated adalah yang menggabungkan kemampuan dua teknologi berbeda untuk membentuk teknik analitik baru dengan kemampuan baru. Mikroskop spektrofotometer adalah salah satu instrumen hifenated seperti itu; ini adalah hibrida yang menggabungkan kekuatan pembesar mikroskop optik dengan kemampuan analitik spektrofotometer rentang UV-visible-NIR. Sebagai hasilnya, mikroskop spektrofotometer dapat digunakan untuk mengukur spektral molekuler area sampel mikroskopik dari ultraviolet dalam hingga daerah inframerah dekat. Mereka dapat dikonfigurasi untuk banyak jenis spektroskopi yang berbeda dan, sebagai hasilnya, digunakan untuk mengukur spektral absorpsi, refleksi, dan bahkan emisi, seperti fluoresens dan fotoluminesensi, dari sampel berukuran mikron. Dengan penambahan algoritma khusus, mikroskop spektrofotometer juga dapat digunakan untuk mengukur ketebalan tipis atau bertindak sebagai colorimeter untuk sampel mikroskopik.

Ada banyak alasan untuk menggunakan mikroskop spektrofotometer. Yang paling jelas adalah spektral dapat diperoleh dari area sampel lebih kecil dari satu mikron. Selain itu, instrumen ini hanya membutuhkan jumlah sampel yang sedikit dalam bentuk padat atau cair. Keuntungan lain adalah persiapan yang sangat sedikit atau tidak diperlukan untuk banyak sampel. Dan perbandingan warna dengan spektroskopi cenderung lebih akurat dengan spektrofotometer karena instrumen ini memiliki rentang spektral yang lebih luas, dapat mengoreksi variasi pencahayaan, dan dapat mengukur intensitas setiap pita panjang gelombang cahaya.

Sebelum hadirnya mikrospektroskopi, satu-satunya cara untuk menganalisis banyak jenis sampel mikroskopik adalah dengan menggunakan pengujian mikro-kimia dan kemudian某种 pemeriksaan visual. Sayangnya, metode ini cenderung destruktif, membutuhkan banyak sampel, dan menderita ketidakakuratan sistem visual manusia. Mikroskop spektrofotometer menghindari masalah ini dan dapat "melihat" di luar rentang mata manusia dan mendeteksi variasi yang tidak akan terlihat sebaliknya.

Desain Mikroskop Spektrofotometer

Mikroskop spektrofotometer mengintegrasikan mikroskop optik atau cahaya dengan spektrofotometer rentang UV-visible-NIR (Gambar 1). Mikroskop adalah perangkat yang dirancang untuk memperbesar citra objek kecil untuk memungkinkan studi. Spektrofotometer adalah instrumen yang mengukur intensitas setiap panjang gelombang cahaya dari ultraviolet melalui daerah visible dan inframerah dekat. Dengan mikroskop spektrofotometer yang dikonfigurasi dengan baik, seseorang dapat memperoleh spektral absorpsi, refleksi, dan emisi dengan area pengambilan skala submikron.

Untuk mencakup rentang spektral yang begitu luas dengan kualitas citra dan spektral yang baik, mikroskop khusus dibangun dan diintegrasikan dengan spektrofotometer. Mikroskop optik standar memiliki rentang spektral yang terbatas yang hanya mencakup sebagian daerah visible karena bahan yang digunakan untuk optik serta sumber cahaya itu sendiri. Mikroskop spektrofotometer modern menggunakan mikroskop custom-built dengan desain optik dan sumber cahaya yang dioptimalkan untuk ultraviolet dalam melalui inframerah dekat.

Spektrofotometer itu sendiri juga harus dirancang untuk mikrospektroskopi untuk mendapatkan hasil spektral yang baik. Ini berarti spektrofotometer harus sangat sensitif sambil tetap mempertahankan resolusi spektral yang dapat diterima. Stabilitas juga merupakan masalah karena mikroskop spektrofotometer adalah instrumen single beam dan spektral referensi harus diperoleh sebelum mengukur sampel. Instrumen juga harus memiliki rentang dinamis tinggi karena seseorang sering beralih dari mikrospektroskopi transmisi atau refleksi ke spektroskopi fluoresensi saat mengukur sampel yang sama. Ini memungkinkan Anda untuk mendapatkan berbagai jenis informasi spektral dari lokasi yang sama persis pada sampel mikroskopik.

Integrasi spektrofotometer dengan mikroskop sangat penting. Sementara mikroskop dan spektrofotometer keduanya harus dioptimalkan untuk mikrospektroskopi, kunci operasi mikroskop spektrofotometer adalah perangkat keras yang memungkinkan mereka bekerja bersama. Antarmuka ini memiliki beberapa persyaratan dasar. Yang terpenting, itu harus menyalurkan energi elektromagnetik yang dikumpulkan oleh mikroskop dari sampel ke dalam spektrofotometer. Namun, pengguna harus dapat memvisualisasikan area pengukuran sampel, tetapi juga melihat sampel di sekitarnya. Ini dilakukan dengan menempatkan pintu masuk spektrofotometer pada bidang fokus yang sama dengan citra sampel. Sampel kemudian dapat dipindahkan dengan panggung mikroskop, seperti yang biasanya dilakukan dengan mikroskop, hingga citra pintu masuk berada di atas area yang akan diukur. Dalam Gambar 2, persegi hitam di tengah citra adalah pintu masuk spektrofotometer. Semua ini dilakukan secara real-time sehingga spektroskopi sampel mikroskop cepat dan mudah.

Seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 3, optik mikro fokuskan cahaya pada sampel. Energi elektromagnetik kemudian dikumpulkan dari sampel oleh obyek mikro. Cahaya dari obyek difokuskan pada pintu masuk cermin spektrofotometer. Mayoritas cahaya diflekt dari permukaan pintu masuk ke kamera. Pintu masuk spektrofotometer juga diimag oleh kamera sehingga muncul sebagai persegi hitam pada sampel (Gambar 2). Ini memungkinkan penyelarasan yang mudah dan cepat mikroskop spektrofotometer. Cahaya yang melewati pintu masuk kemudian melewati ke dalam spektrofotometer di mana spektral diukur.

Mikroskop dapat dikonfigurasi dengan skema iluminasi yang berbeda tergantung pada jenis eksperimen yang akan dilakukan. Iluminasi insiden dengan cahaya putih memungkinkan mikrospektroskopi refleksi dari ultraviolet dalam hingga inframerah dekat. Iluminasi insiden juga dapat digunakan untuk mikrospektroskopi fluoresensi atau fotoluminesensi. Selain itu, mikrospektroskopi transmisi mungkin dengan cahaya putih difokuskan pada sampel melalui kondensor mikroskop.

Aplikasi Mikrospektroskopi

Mikroskop spektrofotometer pertama dikembangkan pada tahun 1940 dan sejak itu, berbagai aplikasi berbeda telah dikembangkan. Dengan kemampuan untuk memperoleh spektral area sampel mikroskopik, mikroskop spektrofotometer digunakan di mana-mana dari laboratorium universitas hingga lini produksi untuk kontrol kualitas dan analisis kegagalan.

Ilmu Forensik. Analisis bukti forensik telah menjadi salah satu aplikasi terpenting untuk mikroskop spektrofotometer sejak awal tahun 1980. Upaya terbesar ada dalam analisis bukti jejak, khususnya serat tekstil dan chip cat1, 2. Seperti yang namanya saran, jenis sampel ini biasanya mikroskopik dan, sebagai bukti, tidak boleh rusak atau hancur oleh pengujian. Dengan serat, mikroskop spektrofotometer digunakan untuk mengukur spektral UV-visible-NIR absorpsi dan fluoresensi serat individu. Chip cat biasanya dipotong melintang dan kemudian spektral absorpsi setiap lapisan diukur sehingga sampel yang diketahui dan dipertanyakan dapat dibandingkan dengan tingkat diskriminasi tinggi.

Layar Panel Datar. Layar panel datar modern terdiri dari jutaan piksel multicolor. Seiring kemajuan teknologi, piksel menjadi semakin kecil dan lebih rapat di seluruh permukaan yang semakin besar. Layar paling modern menggunakan teknologi yang berbeda, seperti titik kuantum dan emitor cahaya organik, untuk menciptakan piksel dengan warna berbeda pada skala mikroskopik. Mikroskop spektrofotometer digunakan untuk membantu mengembangkan bahan ini sebagai sumber cahaya yang viable dan akhirnya sebagai layar 3,4. Mikroskop spektrofotometer juga digunakan dalam proses produksi untuk memastikan bahwa baik warna maupun intensitas piksel konsisten di seluruh layar, sehingga memastikan citra yang terang dan terang secara merata di seluruh layar.

Energi. Batu bara dan batuan sumber petroleum mengandung vitrinite dan makeral lainnya. Mikroskop spektrofotometer digunakan untuk menilai maturitas termal5, dan oleh karena itu konten energi, batu bara, kokas, dan batuan sumber petroleum. Ini dilakukan dengan mengukur refleksi absolut vitrinite pada sampel yang dipoles. Bergantung pada refleksi, maturitas termal sampel dapat ditentukan.

Nanoteknologi. Mikroskop spektrofotometer juga mengajukan nanoteknologi dan ilmu bahan berdasarkan kemampuan mereka untuk mengukur spektral transmisi, refleksi, dan emisi area sampel mikroskopik. Salah satu area aplikasi yang tumbuh pesat adalah dalam pengembangan dan penggunaan resonansi permukaan plasmon (SPR)6,7,8.

Permukaan plasmon diangsihkan dengan menyinari permukaan logam datar atau partikel logam skala nano dengan cahaya (Gambar 4). Perubahan karakteristik optik bahan ini terjadi ketika partikel nano atau permukaan ini berinteraksi dengan bahan lain. Sebagai hasilnya, banyak pekerjaan yang dilakukan untuk mengembangkan bahan baru yang menunjukkan bentuk resonansi plasmon, tetapi juga untuk membangun perangkat yang menampilkan fenomena ini. Yang terakhir termasuk biosensor dan sensor perangkat mikrofluidik berbagai jenis. Mikroskop spektrofotometer mengukur bagaimana spektral bahan SPR berubah di bawah kondisi yang berbeda, memberikan peneliti kemampuan untuk mengkarakterisasi bahan baru, kemudian "menyesuaikan" bahan tersebut untuk efek optik tertentu.

Kesimpulan

Mikroskop spektrofotometer adalah teknik hifenated yang menggabungkan mikroskop optik dengan spektrofotometer sehingga seseorang dapat memperoleh spektral area sampel mikroskopik. Instrumen seperti itu mampu memberikan spektral absorpsi dan refleksi dari ultraviolet dalam melalui visible dan hingga inframerah dekat. Mikroskop spektrofotometer juga dapat mengukur fluoresensi dan jenis spektral emisi lainnya. Perangkat ini telah menemukan penggunaan di banyak bidang termasuk ilmu forensik, pengukuran ketebalan film semikonduktor dan optik, bioteknologi, dan yang terbaru dalam ilmu bahan.

Referensi

1. S. Walbridge-Jones, Microspectrophotometry for textile fiber color measurement, Identification of Textile Fibers, Woodhead Publishing, 2009, Pages 165-180,
2. Standard Guide for Microspectrophotometry in Forensic Paint Analysis, American Society of Testing and Materials.
3. Buchnev, O., Podoliak, N., & Fedotov, V. A. (2018). Liquid crystal-filled meta-pixel with switchable asymmetric reflectance and transmittance. 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). Wide-gamut plasmonic color palettes with constant subwavelength resolution. ACS nano, 13 (3), 3580-3588.
5. “Methods for the petrographic analysis of coals – Part 5: Method of determining microscopically the reflectance of vitrinite”, ISO 7404-5, International Organization for Standardization, 2009.
6. Ng, R.J.H., Krishnan, R.V., Dong, Z., Ho, J., Liu, H., Ruan, Q., Pey, K.L. and Yang, J.K (2019). Micro-tags for art: covert visible and infrared images using gap plasmons in native aluminum oxide. 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. and Yang, J.K. (2016). Stacking of colors in exfoliable plasmonic superlattices. 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. and Qiu, C.W., (2020). Patterned resist on flat silver achieving saturated plasmonic colors with sub-20-nm spectral linewidth. Materials Today, 35, 99-105.

Artikel ini ditulis oleh Dr. Paul Martin, President, CRAIC Technologies (San Dimas, CA). Untuk informasi lebih lanjut, hubungi Dr. Martin di This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it., atau kunjungi sini .