Wie ein UV

In diesem Artikel werden die grundlegenden Designkonzepte eines Mikroskopspektrometers im UV-sichtbaren NIR-Bereich in verschiedenen Konfigurationen erläutert. Dazu gehören Konfigurationen zur Erfassung von Absorptions-, Reflexions-, Fluoreszenz- und Raman-Spektren mikroskopischer Proben. Eine kurze Zusammenfassung einiger Einsatzmöglichkeiten des Mikroskop-Spektrometers ist ebenfalls enthalten.

Das Mikroskop-Spektrometer ist ein Instrument mit Bindestrich, das die Vergrößerungsleistung eines Mikroskops mit den analytischen Fähigkeiten verschiedener Arten von Spektrometern kombiniert. Daher werden diese Instrumente zur Erfassung von Spektren, Farbräumen und sogar dünnen Filmdicken von Probenbereichen im Mikrometerbereich verwendet.

Aufgrund der Flexibilität, die ihrem Design innewohnt, kann das Mikroskop-Spektrometer auf viele verschiedene Arten konfiguriert und zur Messung von Absorptions-, Reflexions-, Raman- und sogar Emissionsspektren wie Fluoreszenz und Photolumineszenz von Probenbereichen im Submikrometerbereich verwendet werden. Durch die Hinzufügung spezieller Algorithmen kann das Mikroskop-Spektrometer auch zur Messung der Dicke dünner Filme oder als Kolorimeter für mikroskopische Proben verwendet werden.

Es gibt viele Gründe, Werkzeuge zu verwenden, die Spektren mikroskopischer Probenbereiche erfassen können. Für diese Instrumente sind nur geringe Probenmengen in fester oder flüssiger Form erforderlich. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass für viele Proben nur eine sehr geringe oder gar keine Vorbereitung erforderlich ist. Außerdem sind Farbvergleiche durch Spektroskopie tendenziell genauer, da diese Instrumente über einen breiteren Spektralbereich verfügen, Beleuchtungsschwankungen korrigieren und die Intensität jedes Wellenlängenbandes des Lichts messen können.

Vor dem Aufkommen der Mikrospektroskopie bestand die einzige Möglichkeit zur Analyse vieler Arten mikroskopischer Proben in der Verwendung mikrochemischer Tests und anschließender visueller Untersuchung. Leider ist diese Prüfung oft destruktiv, erfordert ein beträchtliches Probenvolumen und leidet unter den Ungenauigkeiten des menschlichen visuellen Systems. Das Mikroskop-Spektrometer vermeidet diese Probleme und führt zu einer verbesserten Genauigkeit und Geschwindigkeit der Analyse. Mikroskop-Spektrometer können auch über den Bereich des menschlichen Auges hinaus „sehen“ und so Variationen unterscheiden, die visuell nicht erkennbar wären.

Das Mikroskop-Spektrometer integriert Spektrometer im UV-sichtbaren NIR-Bereich mit einem optischen Mikroskop, das sowohl für Spektroskopie als auch für Bildgebung konzipiert ist (siehe Abbildung 1). Das Mikroskop muss über einen funktionsfähigen Spektralbereich vom tiefen Ultraviolett bis zum nahen Infrarot verfügen und gleichzeitig eine gute Spektral- und Bildqualität gewährleisten. Standardmikroskope können nicht verwendet werden, da sie aufgrund ihres optischen Designs und der in solchen Geräten verwendeten Lichtquellen nur einen Teil des sichtbaren Spektrums abdecken.

Ein Mikroskopspektrometer im UV-sichtbaren NIR-Bereich hingegen verwendet ein speziell angefertigtes Mikroskop mit einer Optik und Lichtquellen, die für den tiefen UV- bis NIR-Bereich optimiert sind. Das Mikroskop besteht aus luftmontierten Linsen aus Quarzglas und anderen Materialien sowie ultraviolettverstärkten Spiegeln, die so montiert sind, dass sie eine Probe gleichmäßig beleuchten und gleichzeitig in allen Bereichen des vorgesehenen Spektralbereichs des Instruments ein scharfes Bild erzeugen. Abhängig von der Art der durchzuführenden Spektroskopie erfolgt die Beleuchtung entweder durch Mischen der Leistung einer Deuteriumlampe mit der einer Halogenlampe, durch den Einsatz von Bogenlampen oder sogar Lasern. Der Vorteil beim Aufbau eines solchen UV-sichtbaren NIR-Mikroskops besteht darin, dass sowohl die Bildqualität im gesamten UV-, sichtbaren und NIR-Bereich als auch die spektrale Qualität optimiert werden können, wenn das Mikroskop sowohl in seine Bildgebungs- als auch in seine Spektroskopiekomponenten integriert ist .

Auch das Spektrometer selbst muss für die Mikrospektroskopie ausgelegt sein, um gute spektrale Ergebnisse zu erhalten. Das bedeutet, dass das Spektrometer hochempfindlich sein und dennoch eine akzeptable spektrale Auflösung und ein akzeptables Signal-Rausch-Verhältnis aufweisen muss. Auch die Stabilität ist ein Problem, da es sich bei dem Mikroskop-Spektrometer um ein Einstrahlinstrument handelt und vor der Messung der Probe Referenzspektren ermittelt werden müssen. Das Instrument muss außerdem über einen hohen Dynamikbereich verfügen, da häufig von der Transmissions- oder Reflexionsmikrospektroskopie zur Fluoreszenzmikrospektroskopie gewechselt wird. Dies ermöglicht es dem Benutzer, verschiedene Arten von Spektralinformationen von genau derselben Stelle der mikroskopischen Probe zu erhalten.

Die Integration des Spektrophotometers in das Mikroskop ist von entscheidender Bedeutung. Während sowohl das Mikroskop als auch das Spektrophotometer für die Mikrospektroskopie optimiert sein müssen, ist der Schlüssel zum Betrieb eines Mikroskopspektrophotometers die Hardware, die ihre Zusammenarbeit ermöglicht. Für diese Schnittstelle gelten mehrere grundlegende Anforderungen. Am wichtigsten ist, dass es die elektromagnetische Energie, die das Mikroskop von der Probe sammelt, in das Spektralphotometer leiten muss.

Der Benutzer muss jedoch in der Lage sein, sowohl den Probenmessbereich als auch die Umgebung zu visualisieren. Dies wird dadurch erreicht, dass sich die Eintrittsapertur des Spektrophotometers in derselben Brennebene wie das Probenbild befindet. Die Probe kann dann mit dem Mikroskoptisch bewegt werden, wie man es normalerweise mit einem Mikroskop tun würde, bis sich das Bild der Eintrittsapertur über dem zu messenden Bereich befindet. Das schwarze Quadrat in der Bildmitte ist die Eintrittsapertur des Spektralfotometers. Dies geschieht alles in Echtzeit, so dass die Spektroskopie von Mikroskopproben schnell und einfach vonstatten geht.

Die Aufgabe des UV-Visible-NIR-Mikroskops besteht darin, die Probe zu beleuchten und dann die von der Probe gesammelte elektromagnetische Energie in das Spektrometer zu leiten. Dazu muss der Benutzer sowohl den zu messenden Bereich als auch die umgebende Probe sehen können. Dies wird dadurch erreicht, dass sich die Eintrittsapertur des Spektrometers in derselben Brennebene wie das Probenbild befindet. Somit zeigt ein Videobild der beiden zusätzlich zum umgebenden Sichtfeld der Probe die Apertur scharf über der Probe. Im Betrieb wird der Probentisch bewegt, bis sich das Bild der Eintrittsöffnung über dem zu messenden Bereich der Probe befindet. Wenn die Blende über dem interessierenden Probenbereich platziert wird, wird das Spektrum gemessen. Selbstverständlich können auch Bilder der gemessenen Probe mit eingesetzter Blende aufgenommen werden. Bei vielen Forschungsanwendungen wird dieser Proben-Apertur-Ausrichtungsvorgang manuell durchgeführt. Bei Industriebetrieben wird dieser Vorgang häufig automatisiert.

Der optische Weg eines Mikroskop-Spektrometers ist komplexer als die Bedienung. Siehe Abbildung 2. Die Optik des Mikroskops fokussiert das Licht auf die Probe. Photonen interagieren mit Molekülen in der Probe und die elektromagnetische Energie der Probe wird vom Mikroskopobjektiv gesammelt und auf die Eintrittsöffnung des Spektrometers fokussiert. Ein Großteil des Lichts wird von einer Digitalkamera abgebildet, so dass der Benutzer sowohl die Probe als auch die Eintrittsöffnung des Spektrophotometers übereinander sehen kann, sodass er genau sehen kann, was er misst. Die elektromagnetische Energie, die durch die Eintrittsöffnung gelangt, gelangt in das Spektrometer und es wird ein Spektrum gesammelt. Abhängig von der Art des durchzuführenden Experiments kann das Mikroskop mit verschiedenen Beleuchtungsschemata konfiguriert werden: Weißes Licht ermöglicht Reflexionsmikrospektroskopie vom tiefen UV bis zum NIR. Die Auflichtbeleuchtung kann auch für die Fluoreszenz- oder Photolumineszenz-Mikrospektroskopie verwendet werden, indem ein filterbasierter Monochromator mit einer Bogenlampenquelle oder einem Laser aus einer Reihe von Lasern verwendet wird.

Bei der Transmissionsmikrospektroskopie wird weißes Licht durch den Kondensor des Mikroskops auf die Probe fokussiert. Wie bereits erwähnt, reichen die optischen Materialien und die Lichtquellen, aus denen das Mikroskop besteht, dafür, dass der Spektralbereich sowohl für die Bildgebung als auch für die Spektroskopie bis hinunter zu 200 nm reicht und in den nahen Infrarotbereich bis 2500 nm reicht. Im Vergleich dazu verfügt ein modernes optisches Mikroskop je nach Konfiguration über einen sehr begrenzten Spektralbereich von nur 450 bis 700 nm. Daher ist ein maßgeschneidertes Mikroskop erforderlich, wenn der Benutzer ultraviolette oder naheinfrarote Spektren benötigt.

Raman-Mikrospektroskopie kann auch mit dem Mikroskopspektrometer durchgeführt werden. Das Raman-Modul integriert einen Laser, ein Raman-Spektrometer und eine Optik zur Beleuchtung der Probe und Sammlung des Raman-Streulichts. Siehe Abbildung 3. Auch dieses Modul ist auf einfache Bedienung ausgelegt und bietet dem Benutzer gleichzeitig konfokale Raman-Spektroskopiefunktionen. Bei Verwendung beleuchtet der Laser des Raman-Moduls die Probe. Das Raman-Streulicht wird von den Mikroskopobjektiven aus der Probe gesammelt und erneut auf die Eintrittsöffnung des Raman-Spektrometers abgebildet. Anschließend wird ein Raman-Spektrum von einem bestimmten Probenbereich aufgenommen.

Das Mikroskopspektrometer wird in vielen verschiedenen Bereichen und Anwendungen eingesetzt. In den Materialwissenschaften werden diese Instrumente zur Entwicklung und Charakterisierung neuartiger Materialien eingesetzt. Die Display-Industrie verwendet sie, um einzelne Pixel hinsichtlich der Farbkonsistenz zu charakterisieren (siehe Abbildung 4).

In Halbleitern werden sie zur Messung der Dicke dünner Filme verwendet (siehe Abbildung 5). Der Biologe verwendet Mikroskopspektrometer, um das Sehvermögen zu untersuchen, und der Forensiker verwendet sie, um Spurenelemente wie Textilfasern und Farbsplitter zu charakterisieren.

Das Mikroskop-Spektrometer ist ein Gerät, das ein optisches Mikroskop mit einem Spektrometer kombiniert, um Spektren mikroskopischer Probenbereiche zu erfassen. Solche Instrumente sind in der Lage, Absorptions- und Reflexionsspektren vom tiefen Ultraviolett über den sichtbaren bis hin zum nahen Infrarotbereich aufzunehmen. Das Mikroskopspektrometer kann auch Fluoreszenz-, Photolumineszenz- und Raman-Spektren messen. Diese Geräte werden in vielen Bereichen eingesetzt, unter anderem in der Forensik, bei der Messung der Dicke von Halbleiter- und optischen Dünnschichten, der Biotechnologie und der Forschung in den Materialwissenschaften auf dem neuesten Stand.

Dieser Artikel wurde von Paul Martin, Präsident von CRAIC Technologies, verfasst. Weitere Informationen finden Sie hier oder senden Sie ihm eine E-Mail, Paul. Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt. Sie müssen JavaScript aktivieren, damit Sie es sehen können.

Dieser Artikel erschien erstmals in der Januarausgabe 2023 des Photonics & Imaging Technology Magazine.

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