Nová FTIR-QCL technologie: Revoluce v infračerveném zobrazování

Představte si, že jste celý život zvyklí počítat na prstech ruky, najednou vám někdo představí kalkulačku a za dva roky už máte na stole nejmodernější počítač z dnešní doby. Asi takové přirovnání mě napadá použít v souvislosti s novou technologií, která jde od letošního roku na trh. Když jsme před dvěma lety představovali revoluční infračervený mikroskop LUMOS II, který je díky speciálnímu plošnému FPA detektoru schopen velmi rychlého zobrazování s vysokým prostorovým rozlišením, ani ve snu nás nenapadlo, že tato vysoko nasazená laťka bude do dvou let znovu překonána, a navíc tak markantním rozdílem!

S rokem 2022 přichází na trh i unikátní mikroskop HYPERION II (obr. 1), který jako jediný přináší kombinaci technik optické mikroskopie, QCL mikroskopie a FTIR spektroskopie. Díky této kombinaci je nyní možné provádět chemické zobrazování v infračervené oblasti s extrémně vysokou rychlosti (vč. LIVE chemického zobrazování) a s řádově vyšším prostorovým rozlišením (0.2 µm). Pokud se o této revoluční instrumentaci chcete dozvědět více, pokračujte ve čtení následujících odstavců.

Obr. 1 – FTIR-QCL mikroskop HYPERION II (Bruker)

Proč je chemické zobrazování tak důležité?

Techniky chemického zobrazování jsou široce využívány napříč různými odvětvími vědy, průmyslu, ale také v lékařství a dalších důležitých oblastech našeho života. Používají se všude tam, kde nás zajímá, jak jsou látky rozloženy v prostoru. I na první pohled homogenní materiál může být tvořen několika složkami, a to bez prostorově rozlišené chemické informace z každého bodu tohoto materiálu prostě není možné zjistit. Takové informace mohou být důležité např. v následujících odvětvích:

Lékařství/biologie/tkáňové inženýrství – např. sledování poškozených nebo umělých tkání a analýza jejich chemické struktury
Materiálové inženýrství – studium speciálních materiálů a jejich chemismu a optických vlastností, sledování tenkých vrstev, funkcionalizovaných povrchů, distribuce plniv, rozložení složek v kompozitních materiálech atd.
Farmacie – sledování distribuce látek v léčivu (homogenita tablet a podobně).
Environmentální studia – detekce a identifikace mikroplastů v životním prostředí.
Průmysl – detekce a identifikace kontaminací na dílech, kontrola čistých prostor, analýza tenkých vrstev (rozložení a tloušťky), polovodičů a mnohé další.

Jak funguje FTIR mikroskopie a jaké má limity?

Infračervené zobrazování je jednou z technik chemického mapování a používá se pro ni infračervený mikroskop. Ten využívá klasickou optickou mikroskopii, s pomocí, které zdokumentuje vzhled vzorku. Poté přichází na řadu infračervená soustava, která je do mikroskopu také zakomponovaná. S pomocí ní měříme ve zvolených bodech infračervené spektrum, které je nositelem chemické informace. Na základě tvaru spektra, výšky charakteristických pásů, nebo podobnosti spekter se příslušný pixel vybarví příslušnou barvou, a tak vzniká chemická mapa (viz obr. 2).

Obr. 2 – Schéma FTIR mikroskopu

Infračervená mikroskopie má řadu výhod - zejména poměrně snadné vzorkování, širokou využitelnost pro většinu látek, nedestruktivnost, nízké provozní náklady aj. Avšak ve srovnání s některými zobrazovacími technikami nedosahuje příliš vysoké rychlosti měření (5 spekter/s), takže při sledování větších ploch je časově náročnější nebo nepoužitelná. Dále může uživatele limitovat i prostorové rozlišení, které typicky končí někde na 5-10 µm/pixel.

Jak bylo řečeno v úvodním odstavci, mikroskop LUMOS II (Bruker, 2019) dokázal díky plošnému FPA (Focal-Plane-Array) detektoru tyto hranice posunout dále, konkrétně na rychlost přes 900 spekter/s a prostorové rozlišení 1.25 µm/pixel, což byl opravdu veliký skok kupředu, ale u náročnějších aplikací pro mapování velkých ploch (řádově cm²) to stále nemusí být dostatečné.

Co je to QCL-FTIR technologie?

Revoluci přináší QCL FTIR mikroskop HYPERION II, který využívá jak technologii QCL, tak technologii FTIR. Jak to funguje?

FTIR využívá klasický infračervený zdroj – globar. Toto záření je po interakci se vzorkem detekováno speciálními citlivými detektory pro infračervenou oblast záření (nejčastěji dusíkem chlazený MCT - Mercury-Cadmium-Tellurid). Tyto detektory mají zpravidla pouze 1 detektorový element – tedy dokážou najedou změřit pouze jeden bod, jeden pixel v mapě – a nyní už Vám asi dochází důvod pomalejšího měření u klasických FTIR mikroskopů.

QCL technologie nevyužívá jako zdroj infračerveného záření žhavenou keramiku (globar) se spojitým emisním spektrem, ale kvantový kaskádový laser (QCL) s nastavitelnou vlnovou délkou. Jde o poměrně novou a stále nákladnou technologii. QCL dokáže emitovat infračervené záření o jedné vlnové délce s násobně vyšší intenzitou (viz obr. 3). Díky takto vysoké intenzitě lze využít zcela nové detekční systémy, jako například plošný bolometr (FPA bolometr), který dokáže měřit 90.000 spekter najednou s rozlišením až 0.2 µm! Chcete se dívat na chemickou mapu v reálném čase? Pouze popojíždět vzorkem a sledovat distribuci chemismu? Můžete. Chcete mapovat velké plochy? Můžete. Už nejste ničím limitovaní. S touto technologií dokážete analyzovat makro-vzorky v mikro-měřítku.

Obr. 3 – Schéma konvenčního FTIR zdroje (nahoře) a QCL zdroje záření

Hyperion II navíc nabízí možnost přepínat mezi jednobodovým MCT a super rychlým FPA bolometrem v jednom zařízení. Proč? S klasickým MCT detektorem je možné rychle měřit v širokém spektrálním rozsahu, ale lze jen pomalu mapovat. S QCL je to přesně naopak – široký spektrální rozsah znamená přepínaní vlnové délky na laseru, což brzdí měření, naopak při jedné vlnové délce QCL umožní extrémně rychlé mapování. Možná už jsem Vám tedy odpověděl, proč je taková kombinace výhodná – jednotlivé složky lze proměřit klasickým MCT detektorem, aby se zjistilo, při jaké vlnové délce se spektra nejvíce odlišují. Při této vlnové délce už potom pohodlně a velmi rychle provedete QCL imaging. Snadné, rychlé, komplementární …

Revoluce v číslech

Věřím, že i Vy máte nejraději praktické příklady – proto jsem si pro Vás připravil ukázku analýzy a pár dat v číslech. Představme si, že chceme zmapovat tenký řez tkání o rozměrech 14.7 x 5.9 mm (obr. 4) a zajímá nás široká spektrální oblast v rozmezí 1800-950 cm-1. Pokud bychom volili přístup konvenční infračervené mikroskopie (MCT detektor), bude se měřící čas blížit nekonečnu, nemá smysl měření začínat! V případě, že zvolíme LUMOS II s FPA technologií dostáváme se na měřící časy kolem 113 minut. S QCL technologií nám tento rozsah zabere 8 minut! Pokud by nás zajímala pouze distribuce konkrétní funkční skupiny ve tkáni, čas měření celé plochy při jedné vlnové délce by nás v QCL módu vyšel na neuvěřitelných 20 vteřin!

Obr. 4 – Chemická mapa řezu tkání o rozměrech 14.7 x 5.9 mm, vytvořená za 8 minut

Zcela nové oblasti využití

HYPERION II přináší zcela nové využití infračervené mikroskopie nejen tam, kde je potřeba analyzovat velké plochy a dosáhnout sub-µm prostorového rozlišení, ale také tam, kde je potřeba sledovat procesy v reálném čase. HYERION II umožňuje nově live sledování pohybu živých mikroorganizmů (např. kvašení v mikro-bio-reaktorech) nebo sledování dynamických procesů v materiálech v mikroměřítku. Aplikační možnosti jsou nepřeberné a věřím, že každý si najde svůj způsob, jak by se tato technologie dala uplatnit.

Závěrem

Myslím, že čísla hovoří jasně a dáte mi za pravdu, že jsme skutečně svědky revoluce v FTIR zobrazování. HYPERION II přináší o 2-3 řády vyšší rychlost měření a o 1-2 řády vyšší prostorové rozlišení ve srovnání s konvenční infračervenou mikroskopií, jak ji známe doposud. Těšíme se na první instalace a nové aplikace pro tak unikátní instrumentaci, jakou mikroskop HYPERION II bez pochyby je.