Guía sobre imagen FT-IR

Una imagen FT-IR es un tipo de imagen química creada por un microscopio FT-IR. Las imágenes químicas combinan los datos digitales de la superficie de una muestra obtenida con un microscopio con información química obtenida mediante espectroscopia. Esto nos permite visualizar la composición química de una muestra.

Las imágenes FT-IR son una técnica excepcionalmente útil para analizar la distribución de compuestos en una muestra o para ayudar a comprender la estructura de una muestra. Esta técnica tiene aplicaciones de amplio alcance, ya sea en investigación, medicina, control de calidad o análisis de fallos.

La técnica fundamental detrás de las imágenes FT-IR es la espectroscopía FT-IR, una técnica de análisis químico que detecta cómo interactúan diferentes compuestos con la luz infrarroja. Los diferentes compuestos tienen interacciones únicas con la luz infrarroja, por lo que el espectro FT-IR que se crea a partir de la espectroscopía FT-IR actúa como una "huella química" para identificar los componentes de una muestra.

Los microscopios FT-IR utilizados para crear imágenes FT-IR combinan un microscopio tradicional con espectroscopía FT-IR. El primer paso para crear una imagen química es obtener primero una imagen digital de la muestra usando el microscopio. Después se selecciona una región de la muestra para su análisis. Luego, los datos de IR se recopilan en toda esa región de interés, de modo que cada punto de la muestra corresponda a un espectro de IR.

Dependiendo de la muestra, existen varias técnicas de medición que se pueden utilizar para recopilar esos datos: transmisión, reflexión o reflectancia total atenuada (ATR). Se puede utilizar cualquier técnica de medición para analizar la muestra con el microscopio FT-IR.

Ahora que cada punto de la región de interés corresponde a un espectro FT-IR, todos esos espectros se pueden analizar para ver qué compuestos están presentes en la muestra. Esto se puede hacer de forma manual o automática mediante software o incluso algoritmos de inteligencia artificial. Después del análisis, a cada compuesto se le asigna un color diferente. Luego, cada píxel de la imagen se puede colorear según el compuesto que esté presente en ese punto para crear la imagen química (3). 

Para crear imágenes químicas, se debe detectar la luz IR después de interactuar con la muestra para crear el espectro. Existen varias opciones de detectores para microscopios FT-IR. La opción típica es un detector de un solo elemento, que puede obtener un espectro IR en un punto de la muestra. Por supuesto, se pueden establecer muchos puntos muy próximos en la muestra para crear una imagen.

Sin embargo, analizar una región completa de la muestra de esta manera llevaría mucho tiempo, lo que sólo resulta atractivo si el costo de la mano de obra es bajo. Si el tiempo es dinero, en su lugar se utilizan detectores de imágenes especiales en las imágenes FT-IR. Hay dos tipos de detectores de imágenes: detectores de matriz lineal o detectores de matriz de plano focal (FPA).

Los detectores de matriz lineal son una solución de pseudoimagen algo más económica. Estos detectores están formados por varios detectores de un solo elemento dispuestos en línea, por lo que se pueden obtener múltiples espectros simultáneamente. Luego, la muestra se escanea línea por línea y las líneas de los espectros se unen para crear la imagen química.

Los detectores FPA son la tecnología de detección de última generación para imágenes FT-IR. Estos detectores están formados por una serie de detectores de infrarrojos dispuestos en un cuadrado (por ejemplo, detectores de 64 x 64). Con tantos detectores, se pueden capturar miles de espectros en una sola toma, casi como una cámara digital. Si se utiliza una fuente térmica, estos detectores están enfriados con nitrógeno líquido, si se utiliza un láser IR como fuente, se utilizan microbolómetros FPA no refrigerados.

Los detectores FPA superan con creces las capacidades de los detectores de matriz lineal y de un solo elemento. Se pueden generar rápidamente imágenes químicas incluso de áreas grandes, con una resolución excelente, lo que significa que se pueden crear imágenes de la más alta definición en el menor tiempo posible.

Las imágenes láser FT-IR e IR generalmente se aplican siempre que sea necesario visualizar la distribución de compuestos químicos en una muestra. Esto se usa comúnmente en la industria para verificar la uniformidad o contaminación de los productos.

Verificar la uniformidad de un producto es particularmente importante en la industria farmacéutica. Los diferentes medicamentos que vienen en forma de comprimidos deben ser completamente uniformes, para que no haya "puntos críticos" del principio activo. Después de todo, muchos comprimidos se pueden partir por la mitad para dividir la dosis, por lo que sería problemático si el principio activo estuviera solo en la mitad del  comprimido. Las imágenes IR pueden escanear rápidamente toda el comprimido y la imagen química es una manera fácil de ver la distribución del principio activo para garantizar que esté distribuido uniformemente.

Examinar los productos terminados en busca de contaminantes es un aspecto importante del control de calidad en muchas industrias. Las imágenes por infrarrojos tienen la ventaja aquí, ya que pueden escanear rápidamente muestras grandes. Por ejemplo, se pueden obtener imágenes de grandes obleas de silicio producidas en la industria de los semiconductores en tan solo unos minutos con un detector FPA, y ver si hay impurezas en la oblea. Incluso después de que se hayan soldado los componentes electrónicos de la oblea, la microscopía IR aún se puede utilizar para analizar fallos incluso en las áreas del chip de difícil acceso.

Más allá de estas aplicaciones estándar de control de calidad y análisis de fallos, la creación de imágenes químicas muy detalladas es útil en muchos campos para visualizar y caracterizar la estructura de una muestra, desde medicina forense hasta paleontología, restauración de arte y medicina.

Una aplicación particularmente interesante de las imágenes por infrarrojos es la obtención de imágenes de tejidos, especialmente utilizando láseres de infrarrojos. Con un detector FPA, se pueden obtener imágenes incluso de grandes secciones de una muestra de tejido en tan solo unos minutos. Estas imágenes pueden mostrar claramente la distribución de carbohidratos, proteínas y lípidos en el tejido. Esto podría ser extremadamente beneficioso para el campo médico, donde las muestras de tejido de los pacientes pueden analizarse rápidamente para detectar enfermedades o células cancerosas. Las imágenes por infrarrojos son mucho más rápidas que otros métodos para examinar tejidos, por lo que esta técnica tiene el potencial de acelerar significativamente el proceso de detección de enfermedades y cáncer, proporcionando respuestas rápidas a los pacientes.

1. ¿Qué es la imagen química?

La obtención de imágenes químicas es un método para resolver espacialmente las propiedades químicas de una muestra en imágenes 2D o 3D. Con esta técnica es posible obtener información sobre las propiedades del material, la estructura y el origen de las muestras examinadas.

2. ¿ Qué es la imagen FT-IR?

Las imágenes FT-IR son una forma de crear dichas imágenes químicas resueltas espacialmente. Cada píxel de estas imágenes consta de un espectro IR completo. Al interpretar los espectros individuales, se pueden detectar y evaluar regiones de muestra interesantes.

3. ¿Cómo se crean las imágenes FT-IR?

Los métodos comunes son mediciones secuenciales de un solo punto o de matriz lineal, así como la adquisición directa de imágenes 2D mediante un detector de matriz de plano focal (FPA). Si bien los detectores FPA ofrecen una solución superior, las mediciones de un solo punto altamente automatizadas son una alternativa económica.

4. ¿Cómo funciona un detector FPA?

El principio de un detector FPA es análogo al de una cámara digital. Sin embargo, en lugar de luz visible, se ilumina una matriz definida de píxeles con luz infrarroja, y cada píxel del detector registra un espectro IR independiente y resuelto espacialmente.

5. ¿Necesitan aperturas los detectores FPA?

No, un detector FPA no requiere ninguna apertura. Cada píxel del detector funciona como una apertura y, por tanto, registra directamente una información espacial IR. Esto permite mediciones mucho más rápidas y de mayor resolución en comparación con otras técnicas de detección.

6. ¿Es posible ajustar la resolución espacial de un FPA?

La resolución espacial de un detector FPA depende del tamaño de los píxeles individuales del detector. Sin embargo, los píxeles adyacentes se pueden combinar para formar un "píxel más grande" y así se reduce la resolución espacial, mejorando también la calidad espectral.

7. ¿Hay distintos tamaños de FPA?

Los detectores FPA están disponibles en diferentes tamaños de matriz. El tamaño debe seleccionarse según el sistema óptico (microscopio). Por ejemplo, el LUMOS II está optimizado para una matriz de 32x32 píxeles, mientras que HYPERION 3000 está diseñado para matrices de 64x64 o 128x128 píxeles. Con este último es posible registrar la impresionante cantidad de más de 16.000 espectros resueltos espacialmente en un solo escaneo.

8. ¿Es mejor un FPA más grande?

No, porque el tamaño del detector FPA depende exclusivamente de la iluminación óptima que proporciona el microscopio. Una iluminación homogénea del conjunto de detectores es importante para garantizar una sensibilidad espectral constantemente alta tanto en el centro como en los bordes del detector.

9. ¿En qué casos tiene ventajas un FPA más grande?

Cuanto mayor sea el área del detector FPA, más espectros se registrarán simultáneamente. Dado que la resolución espacial es independiente del tamaño de la matriz, esto significa que un detector FPA de 128x128 cubre un área 16 veces mayor que una matriz de detectores de 32x32 en una sola medición.

10. ¿Se puede combinar el FPA con otras técnicas de medición?

Sí, se puede. Los detectores FPA ofrecen ventajas en transmisión, reflexión y reflexión total atenuada (ATR). Especialmente cuando se utiliza con tecnología ATR, este tipo de detector alcanza una resolución espacial excepcionalmente alta.

11. ¿Por qué se incrementa la resolución del FPA en mediciones ATR?

La combinación de una lente de estado sólido de alta refracción (cristal ATR de germanio) y un detector FPA "sin apertura" aumenta la resolución espacial en un factor de 4 en comparación con las mediciones de transmisión. Este efecto también se llama lente de inmersión.

12. ¿Se pueden aplicar las medidas FPA a todo tipo de muestras?

Dado que las mediciones de FPA se pueden combinar con todas las técnicas de medición, en principio se pueden analizar de esta manera todos los tipos de muestras. Los gases, líquidos y otras sustancias volátiles no se pueden analizar microscópicamente debido a sus propiedades cinéticas.

13. ¿Cuáles son las aplicaciones típicas de un FPA?

Se pueden encontrar aplicaciones típicas en todos los ámbitos de la industria y la investigación. Desde el análisis de microplásticos, partículas y contaminaciones pasando por la caracterización de estructuras químicas complejas, como tejidos biológicos, productos farmacéuticos hasta laminados multicapa y lacas. En resumen, esta tecnología de detección se utiliza allí donde es indispensable una resolución espacial muy alta y el análisis de grandes áreas de muestra.