Spectroscopie à l'aide d'un microscope optique

Un instrument à trait d'union est un instrument qui associe les capacités de deux technologies différentes pour former une nouvelle technique analytique dotée de nouvelles capacités. Le spectrophotomètre de microscope est l'un de ces instruments à trait d'union; c'est un hybride qui combine la puissance de grossissement d'un microscope optique avec les compétences analytiques d'un spectrophotomètre UV-visible-NIR. En tant que tels, les spectrophotomètres de microscope peuvent être utilisés pour mesurer les spectres moléculaires de zones d'échantillons microscopiques allant de l'ultraviolet profond au proche infrarouge. Ils peuvent être configurés pour de nombreux types de spectroscopie différents et, en tant que tels, sont utilisés pour mesurer l'absorbance, la réflectance et même les spectres d'émission, tels que la fluorescence et la photoluminescence, d'échantillons de taille micrométrique. Avec l'ajout d'algorithmes spécialisés, le spectrophotomètre de microscope peut également être utilisé pour mesurer l'épaisseur de couches minces ou agir comme colorimètre pour des échantillons microscopiques.

Il existe de nombreuses raisons d'utiliser le spectrophotomètre de microscope. La plus évidente est que les spectres peuvent être acquis à partir d'une zone d'échantillon inférieure à un micron. De plus, ces instruments ne nécessitent que de petites quantités d'échantillons sous forme solide ou liquide. Un autre avantage est que très peu ou pas de préparation est nécessaire pour de nombreux échantillons. Et les comparaisons de couleurs par spectroscopie ont tendance à être plus précises avec les spectrophotomètres car ces instruments ont une plage spectrale plus large, peuvent corriger les variations d'éclairage et peuvent mesurer l'intensité de chaque bande de longueur d'onde de lumière.

Avant l'avènement de la microspectroscopie, la seule façon d'analyser de nombreux types d'échantillons microscopiques était d'utiliser des tests microchimiques, puis une sorte d'examen visuel. Malheureusement, ces méthodes ont tendance à être destructives, nécessitent beaucoup d'échantillons et souffrent des imprécisions du système visuel humain. Le spectrophotomètre de microscope évite ces problèmes et peut "voir" au-delà de la portée de l'œil humain et détecter des variations qui ne seraient pas apparentes autrement.

Conception du spectrophotomètre de microscope

Le spectrophotomètre microscope intègre un microscope optique ou optique avec un spectrophotomètre de gamme UV-visible-NIR (Figure 1). Le microscope est un appareil conçu pour agrandir une image de petits objets afin de permettre leur étude. Le spectrophotomètre est un instrument qui mesure l'intensité de chaque longueur d'onde de la lumière de l'ultraviolet aux régions visible et proche infrarouge. Avec un spectrophotomètre de microscope correctement configuré, on peut acquérir des spectres d'absorbance, de réflectance et d'émission avec des zones d'échantillonnage à l'échelle submicronique.

Afin de couvrir une gamme spectrale aussi large avec une bonne qualité d'image et spectrale, un microscope conçu sur mesure est construit et intégré au spectrophotomètre. Les microscopes optiques standards ont une plage spectrale limitée ne couvrant qu'une partie de la région visible en raison des matériaux utilisés pour l'optique ainsi que des sources lumineuses elles-mêmes. Le spectrophotomètre de microscope moderne utilise un microscope sur mesure avec une conception optique et des sources de lumière optimisées pour les UV profonds à travers le NIR.

Le spectrophotomètre lui-même doit également être conçu pour la microspectroscopie afin d'obtenir de bons résultats spectraux. Cela signifie que le spectrophotomètre doit être très sensible tout en conservant une résolution spectrale acceptable. La stabilité est également un problème puisque le spectrophotomètre de microscope est un instrument à faisceau unique et des spectres de référence doivent être obtenus avant de mesurer l'échantillon. L'instrument doit également avoir une plage dynamique élevée car on passe fréquemment de la microspectroscopie de transmission ou de réflectance à la spectroscopie de fluorescence lors de la mesure du même échantillon. Cela vous permet d'obtenir différents types d'informations spectrales exactement au même endroit sur l'échantillon microscopique.

L'intégration du spectrophotomètre au microscope est d'une importance cruciale. Alors que le microscope et le spectrophotomètre doivent tous deux être optimisés pour la microspectroscopie, la clé du fonctionnement d'un spectrophotomètre de microscope est le matériel qui leur permet de travailler ensemble. Cette interface a plusieurs exigences de base. Plus important encore, il doit canaliser l'énergie électromagnétique collectée par le microscope depuis l'échantillon vers le spectrophotomètre. Cependant, l'utilisateur doit pouvoir visualiser la zone de mesure de l'échantillon, mais aussi voir l'échantillon environnant. Cela se fait en ayant l'ouverture d'entrée du spectrophotomètre au même plan focal que l'image de l'échantillon. L'échantillon peut ensuite être déplacé avec la platine du microscope, comme on le ferait normalement avec un microscope, jusqu'à ce que l'image de l'ouverture d'entrée soit au-dessus de la zone à mesurer. Dans la figure 2, le carré noir au centre de l'image est l'ouverture d'entrée du spectrophotomètre. Tout cela est fait en temps réel pour que la spectroscopie des échantillons de microscope soit rapide et facile.

Comme le montre la figure 3, l'optique du microscope focalise la lumière sur l'échantillon. L'énergie électromagnétique est ensuite collectée à partir de l'échantillon par l'objectif du microscope. La lumière de l'objectif est focalisée sur l'ouverture d'entrée en miroir du spectrophotomètre. La majorité de la lumière est réfléchie par la surface de l'ouverture d'entrée sur la caméra. L'ouverture du spectrophotomètre est également imagée par la caméra de sorte qu'elle apparaît comme un carré noir sur l'échantillon (Figure 2). Cela permet un alignement facile et rapide du spectrophotomètre du microscope. La lumière qui traverse l'ouverture d'entrée passe ensuite dans le spectrophotomètre où un spectre est mesuré.

Le microscope peut être configuré avec différents schémas d'éclairage en fonction du type d'expérience à réaliser. L'éclairage incident avec de la lumière blanche permet la microspectroscopie de réflectance de l'UV profond au proche IR. L'éclairage incident peut également être utilisé pour la microspectroscopie de fluorescence ou de photoluminescence. De plus, la microspectroscopie à transmission est possible avec une lumière blanche focalisée sur l'échantillon à travers le condenseur du microscope.

Applications de la microspectroscopie

Les premiers spectrophotomètres de microscope ont été développés dans les années 1940 et depuis lors, une multitude d'applications différentes ont été développées. Avec la capacité d'acquérir des spectres de zones d'échantillons microscopiques, les spectrophotomètres de microscope sont utilisés partout, des laboratoires universitaires aux lignes de production pour le contrôle qualité et l'analyse des défaillances.

Science médico-légale. L'analyse des preuves médico-légales est l'une des applications les plus importantes des spectrophotomètres de microscope depuis le début des années 1980. Le plus gros effort a été l'analyse des traces de preuves, en particulier les fibres textiles et les éclats de peinture1, 2. Comme leur nom l'indique, ces types d'échantillons sont généralement microscopiques et, étant des preuves, ne doivent pas être endommagés ou détruits par les tests. Avec les fibres, des spectrophotomètres de microscope sont utilisés pour mesurer les spectres d'absorbance et de fluorescence UV-visible-NIR de fibres individuelles. Les éclats de peinture sont généralement coupés en coupe, puis le spectre d'absorbance de chaque couche est mesuré afin que les échantillons connus et interrogés puissent être comparés avec un degré élevé de discrimination.

Écrans plats. Les écrans plats modernes se composent de millions de pixels multicolores. Au fur et à mesure que la technologie progresse, les pixels deviennent de plus en plus petits et de plus en plus serrés sur des surfaces de plus en plus grandes. Les écrans les plus modernes utilisent différentes technologies, telles que les points quantiques et les diodes électroluminescentes organiques, pour créer des pixels de différentes couleurs à l'échelle microscopique. Le spectrophotomètre microscope est utilisé pour aider à développer ces matériaux en tant que sources de lumière viables et, finalement, en tant qu'écrans 3,4. Le spectrophotomètre de microscope est également utilisé dans le processus de production pour garantir que la couleur et l'intensité des pixels sont cohérentes sur l'ensemble de l'écran, garantissant ainsi des images lumineuses et uniformément éclairées sur l'écran.

Énergie. La roche mère du charbon et du pétrole contient de la vitrinite et d'autres macéraux. Les spectrophotomètres à microscope sont utilisés pour évaluer la maturité thermique5, et donc le contenu énergétique, du charbon, du coke et de la roche mère du pétrole. Cela se fait en mesurant la réflectivité absolue de la vitrinite sur un échantillon poli. En fonction de la réflectivité, la maturité thermique de l'échantillon peut être déterminée.

Nanotechnologie. Le spectrophotomètre de microscope fait également progresser la nanotechnologie et la science des matériaux en fonction de leur capacité à mesurer les zones d'échantillons microscopiques des spectres de transmission, de réflectance et d'émission. Un domaine d'application en croissance rapide est le développement et l'utilisation de la résonance plasmonique de surface (SPR)6,7,8.

Les plasmons de surface sont excités en éclairant une surface métallique plane ou des particules métalliques à l'échelle nanométrique avec de la lumière (Figure 4). Des changements dans les caractéristiques optiques de ces matériaux se produisent lorsque ces nanoparticules ou surfaces interagissent avec d'autres matériaux. En tant que tel, de nombreux travaux sont en cours pour développer de nouveaux matériaux qui présentent une certaine forme de résonance plasmon, mais aussi pour construire des dispositifs qui présentent ces phénomènes. Ce dernier comprend des biocapteurs et des capteurs de dispositifs microfluidiques de divers types. Le spectrophotomètre de microscope mesure comment les spectres des matériaux SPR changent dans différentes conditions, donnant au chercheur la possibilité de caractériser un nouveau matériau, puis de « régler » ce matériau pour des effets optiques spécifiques.

Conclusion

Le spectrophotomètre de microscope est une technique à trait d'union qui combine le microscope optique avec un spectrophotomètre afin que l'on puisse acquérir des spectres de zones d'échantillons microscopiques. De tels instruments sont capables de mesurer des spectres d'absorbance et de réflectance depuis l'UV profond jusqu'au visible et dans le proche infrarouge. Le spectrophotomètre de microscope peut également mesurer la fluorescence et d'autres types de spectres d'émission. Ces appareils ont trouvé des utilisations dans de nombreux domaines, notamment la science médico-légale, la mesure de l'épaisseur des semi-conducteurs et des films optiques, la biotechnologie et les dernières avancées en science des matériaux.

Références

1. S. Walbridge-Jones, Microspectrophotométrie pour la mesure de la couleur des fibres textiles, Identification des fibres textiles , Éditions Woodhead, 2009, Pages 165-180,
2. Guide standard pour la microspectrophotométrie dans l'analyse médico-légale des peintures, American Society of Testing and Materials.
3. Buchnev, O., Podoliak, N. et Fedotov, V. A. (2018). Métapixel rempli de cristaux liquides avec réflexion et transmission asymétriques commutables . J. Liquides moléculaires, 267, 411-414.
4. Rezaei, S. D., Hong Ng, R. J., Dong, Z., Ho, J., Koay, E. H., Ramakrishna, S. et Yang, J. K. (2019). Palettes de couleurs plasmoniques à large gamme avec une résolution de sous-longueur d'onde constante . ACS nano, 13 (3), 3580-3588.
5. "Méthodes d'analyse pétrographique des charbons - Partie 5 :Méthode de détermination microscopique de la réflectance de la vitrinite", ISO 7404-5, Organisation internationale de normalisation, 2009.
6. Ng, R.J.H., Krishnan, R.V., Dong, Z., Ho, J., Liu, H., Ruan, Q., Pey, K.L. et Yang, JK (2019). Micro-étiquettes pour l'art :images secrètes visibles et infrarouges utilisant des plasmons à espacement dans de l'oxyde d'aluminium natif . 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. et Yang, J.K. (2016). Empilement de couleurs dans des super-réseaux plasmoniques exfoliables . 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. et Qiu, C.W., (2020 ). Réserve à motifs sur argent plat pour obtenir des couleurs plasmoniques saturées avec une largeur de raie spectrale inférieure à 20 nm . Matériaux aujourd'hui, 35, 99-105.

Cet article a été rédigé par le Dr Paul Martin, président, CRAIC Technologies (San Dimas, CA). Pour plus d'informations, contactez le Dr Martin à Cette adresse e-mail est protégée contre les robots spammeurs. Vous devez activer le JavaScript pour la voir., ou visitez ici .