Guía sobre microscopía FT-IR

La técnica que permite a la microscopía infrarroja para analizar e identificar muestras es la misma que ocurre en la espectroscopía FT-IR. Primero, la luz IR incide sobre la muestra e interactúa con ella. Luego, esa luz IR se detecta para crear el espectro FT-IR, que es como una "huella dactilar química" de la muestra.

La información contenida en el espectro se puede utilizar para identificar, caracterizar y cuantificar las diferentes sustancias que se encuentran en la muestra.

Dependiendo de la muestra, el análisis FT-IR se puede realizar de varias formas:

Transmisión

Reflexión

Reflectancia total atenuada (ATR)

En transmisión, la luz IR atraviesa completamente la muestra y luego se detecta. Para utilizar la transmisión en microscopía FT-IR, las muestras normalmente deben prepararse de cierta manera, p. ej. cortando finamente con un microtomo. La reflectancia se utiliza para analizar muestras sólidas donde la luz IR se refleja en la superficie de la muestra y luego se detecta. También se puede analizar muestras muy finas que se encuentran sobre un sustrato reflectante, como tejidos o revestimientos finos.

Como tanto la reflectancia como la transmisión sufren ciertas limitaciones en la preparación de muestras, otra técnica se ha convertido en estándar en la microscopía FT-IR: la reflectancia total atenuada o ATR. Con ATR se dirige la luz IR a través de un cristal, generalmente hecho de germanio, que presiona la muestra.

La luz IR interactúa con las primeras micras de la muestra y luego viaja de regreso a través del cristal para ser detectada. ATR es la técnica de medición más utilizada, ya que puede medir una amplia variedad de tipos de muestras, requiere poca o ninguna preparación de la muestra y proporciona una resolución excelente cuando se usa en microscopía.

Un microscopio FT-IR tiene más funciones dentro del instrumento que solo el espectrómetro FT-IR. Entonces, analicemos cómo podemos combinar exactamente un microscopio y esta poderosa técnica de identificación química.

Para combinar el espectrómetro FT-IR y el microscopio, tanto la luz visible como la luz IR deben poder moverse a través del microscopio para iluminar la muestra. Sin embargo, esto supone un desafío desde el principio. Esto se debe a que la microscopía óptica suele utilizar vidrio para muchos de los componentes del microscopio, como los portaobjetos de muestra y las lentes del objetivo. ¡Sin embargo, la luz IR no puede atravesar el vidrio!

Hay dos opciones para superar este obstáculo. Primero, las lentes y los componentes del microscopio pueden estar hechos de materiales a través de los cuales la luz IR pueda pasar fácilmente. Sin embargo, la solución más común es utilizar una serie de espejos, normalmente hechos de aluminio, para dirigir la luz alrededor del microscopio. Incluso se pueden utilizar espejos cuidadosamente dispuestos para crear objetivos denominados Cassegrain.

Con la óptica correcta, la luz visible puede llegar a la muestra y la parte del microscopio funciona como un microscopio óptico normal. Mientras se observa la muestra con el microscopio, se selecciona una región de la muestra para el análisis FT-IR. Utilizando ATR, transmisión o reflexión, la luz IR interactúa con la muestra en la región de interés y luego se envía a un detector. Pero antes de que la luz IR llegue al detector, se envía a través de una abertura para garantizar que solo la luz IR correspondiente a la región de interés llegue al detector para su análisis.

Una vez que la luz IR llega al detector, se crea el espectro FT-IR. Esto proporciona una gran cantidad de información química sobre la muestra en la región de interés. El software informático puede incluso identificar automáticamente la composición química de la muestra en la región seleccionada.

Hay varias opciones de detectores que se pueden utilizar para microscopía FT-IR, que se dividen en dos categorías básicas: detectores de un solo elemento y detectores de imágenes. Los detectores de un solo elemento se utilizan para investigar áreas específicas de una muestra, mientras que los detectores de imágenes se utilizan para crear imágenes químicas. Las imágenes químicas son un tema que merece su propio artículo, por lo que aquí nos centraremos en los detectores de un solo elemento.

Hay tres tipos de detectores de un solo elemento que se utilizan habitualmente en un microscopio de infrarrojos:

DLaTGS

TE-MCT

LN-MCT

Los detectores de sulfato de triglicina deuterado dopado con lantano y α-alanina (DLaTGS) son detectores extremadamente versátiles que no requieren refrigeración para funcionar, lo que los hace muy fáciles de usar. Sin embargo, no pueden crear espectros de alta calidad para muestras extremadamente pequeñas o cuando se utiliza una apertura muy pequeña.

Para analizar regiones o muestras más pequeñas, por debajo de 100 µm, se puede utilizar un detector de telururo de mercurio y cadmio (TE-MCT) enfriado termoeléctricamente. Este tipo de detector se enfría continuamente mediante un elemento Peltier, por lo que no requiere mantenimiento ni criógeno.

Para analizar las muestras más pequeñas, de 10 µm o menos, los MCT enfriados con nitrógeno líquido (LN-MCT) son la mejor opción. Sin embargo, el detector puede tardar algún tiempo en enfriarse lo suficiente para su uso después de llenarlo con nitrógeno líquido. Estos detectores también requieren más trabajo para su mantenimiento, ya que el nitrógeno líquido debe reponerse cada cierto tiempo cuando el microscopio se utiliza durante períodos prolongados.

Las aperturas son un componente importante dentro del microscopio FT-IR, ya que nos permiten analizar selectivamente la luz IR que interactuó con la región de la muestra que nos interesa. Hay dos estilos de apertura que se pueden usar para eliminar la luz IR no deseada. antes de la detección: aperturas tipo "pinhole" y aperturas de cuchilla.

La apertura "pinhole" es la opción más sencilla y económica. Consiste en una rueda con aperturas circulares de varios tamaños. Simplemente se gira la rueda para seleccionar el tamaño de apertura que mejor se adapte a ese experimento. Las aperturas de cuchilla son más caras, pero mucho más precisas.

Las aperturas de cuchilla consisten en una apertura rectangular con cuatro hojas que se pueden mover cada una de forma independiente. Estas cuchillas se utilizan para seleccionar exactamente el área de interés de la muestra.

Las aperturas de cuchilla tienen la ventaja aquí de que la región de interés se puede seleccionar con precisión para permitir que solo la luz IR correspondiente a esa región llegue al detector. Las aperturas de tipo "pinhole" sólo pueden dejar pasar aproximadamente la luz que corresponde a la región de interés, ya que la forma de la apertura no se puede controlar.

Por todo ello hay que tener en cuenta que al utilizar una apertura estamos "desperdiciando" parte de la luz IR. Eso significa que aplicar una apertura muy pequeña (por ejemplo, 50 µm) requerirá un detector muy sensible. Por supuesto, el tiempo de medición se puede aumentar en algunos casos, pero el resultado variará.

Una vez que la luz IR llega al detector, se crea el espectro FT-IR. Esto proporciona una gran cantidad de información química sobre la muestra en la región de interés. El software informático puede incluso identificar automáticamente la composición química de la muestra en la región seleccionada.

Para crear estas imágenes infrarrojas, se utilizan detectores de imagen especiales para garantizar que la imagen se cree de manera eficiente y con alta resolución. Hay dos tipos de detectores de imágenes: detector de matriz de plano focal (FPA) o detector de matriz lineal. Estos detectores pueden capturar muchos espectros FT-IR dentro del campo de visión al mismo tiempo. Sin embargo, los detectores FPA tienen la ventaja en la obtención de imágenes químicas, ya que son más rápidos, más precisos y pueden calibrarse mediante láser.

La microscopía FT-IR es extremadamente útil para cualquier aplicación que implique analizar una muestra pequeña, delgada o que requiera mediciones precisas. Esto la convierte en la técnica elegida para investigar partículas, películas y recubrimientos, ya sea para control de calidad, análisis de fallas, análisis de la competencia o investigación.

El análisis de partículas es necesario en muchas industrias para detectar contaminantes, y también es una parte clave de la investigación ambiental para investigar la contaminación. Actualmente, los investigadores ambientales se apresuran a comprender la composición de las partículas microplásticas que se encuentran en nuestra agua, suelo y aire para comprender mejor los impactos de este tipo de contaminación. La microscopía FT-IR es una técnica importante para estudiar microplásticos, ya que puede determinar rápidamente la composición química de partículas pequeñas en casi cualquier tipo de muestra.

La microscopía FT-IR también es una técnica importante para realizar análisis multicapa para determinar tanto la composición como el espesor de las capas. Esto se hace habitualmente en la industria de los polímeros, por ejemplo, donde los materiales compuestos y multicapa deben analizarse para garantizar que los materiales se fabriquen según las especificaciones y estén libres de defectos.

De manera similar, la microscopía IR sobresale en el análisis de recubrimientos finos. En la industria, es necesario comprobar la uniformidad y la contaminación de productos como revestimientos anticorrosivos en metales, capas adhesivas en embalajes o revestimientos de diamante en brocas.

Luego están campos como el forense, que utiliza la microscopía FT-IR para analizar una amplia gama de muestras, ya que incluso el más mínimo detalle puede ser importante en este campo. Se deben identificar las fibras y partículas más pequeñas para utilizarlas como evidencia. Se debe realizar un análisis multicapa para identificar muestras de pintura para resolver casos de atropello y fuga. Incluso se pueden investigar muestras más grandes para detectar falsificaciones.

Las aplicaciones de la microscopía FT-IR se aplican a una amplia gama de industrias. Y, por supuesto, una vez que se agregan las imágenes químicas, la variedad de aplicaciones se vuelve aún más diversa e incluye aplicaciones como escanear muestras grandes en busca de defectos, obtener imágenes de muestras de tejido grandes o tabletas farmacéuticas enteras a la vez.

1. ¿Qué es la microscopía FT-IR?

Es la aplicación de una medición FT-IR a una muestra microscópica. Por lo tanto, combina la microscopía tradicional y el análisis químico en una sola herramienta. Se utiliza idealmente en análisis de fallas y ciencia de materiales.

2. ¿Por qué un microscopio FT-IR necesita aperturas?

Como en la microscopía IR se utilizan detectores muy sensibles, es importante evitar saturar el detector IR. Además, las aperturas permiten ajustar el punto de medición al tamaño de la muestra para adquirir un espectro mucho mejor. Imagine una escama de polietileno de 10 µm incrustada dentro de una matriz de PET. Si en ese caso se utilizara una apertura de 30 µm en lugar de una adecuada de 10 µm, el espectro resultante contendría mucha más contribución de la matriz de PET que de la contaminación de PE.

3. ¿Cuál es el objeto más pequeño que puede analizar la microscopía FT-IR?

Esto depende del microscopio, detector y técnica de medición utilizados. Pero un HYPERIONII, equipado con un detector FPA y utilizando microscopía ATR, puede analizar objetos en el límite de difracción de la luz IR, es decir ≤ 1 µm.

3. ¿Por qué el cristal ATR de germanio incrementa la resolución?

El germanio tiene (en comparación con muchos otros materiales ATR) un índice de refracción muy alto. Al estar en contacto directo con la muestra, actúa como una lente de inmersión sólida. Esto aumenta la resolución espacial en un factor de 4 (índice de refracción) en comparación con las mediciones de transmisión estándar.

4. ¿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.