광학 현미경을 사용한 분광법

하이픈으로 연결된 도구는 두 가지 다른 기술의 기능을 혼합하여 새로운 능력을 가진 새로운 분석 기술을 형성하는 도구입니다. 현미경 분광 광도계는 이러한 하이픈으로 연결된 기기 중 하나입니다. 이것은 광학 현미경의 확대 능력과 UV-가시광선-NIR 범위 분광 광도계의 분석 능력을 결합한 하이브리드입니다. 이와 같이 현미경 분광 광도계는 심자외선에서 근적외선 영역에 이르는 미세한 샘플 영역의 분자 스펙트럼을 측정하는 데 사용할 수 있습니다. 이들은 다양한 유형의 분광학에 대해 구성할 수 있으며, 그 자체로 마이크론 크기 샘플의 흡광도, 반사율 및 심지어 형광 및 광발광과 같은 방출 스펙트럼을 측정하는 데 사용됩니다. 특수 알고리즘을 추가하면 현미경 분광 광도계를 사용하여 박막의 두께를 측정하거나 미세한 샘플의 색도계 역할을 할 수도 있습니다.

현미경 분광 광도계를 사용하는 데에는 여러 가지 이유가 있습니다. 가장 분명한 것은 미크론보다 작은 샘플 영역에서 스펙트럼을 얻을 수 있다는 것입니다. 또한 이러한 기기에는 고체 또는 액체 형태의 소량의 샘플만 필요합니다. 또 다른 장점은 많은 샘플에 대해 준비가 거의 또는 전혀 필요하지 않다는 것입니다. 그리고 분광광도계는 스펙트럼 범위가 더 넓고 조명 변화를 보정할 수 있으며 빛의 각 파장 대역의 강도를 측정할 수 있기 때문에 분광법에 의한 색상 비교는 분광광도계에서 더 정확한 경향이 있습니다.

현미경 분광법이 출현하기 전에는 여러 유형의 현미경 샘플을 분석하는 유일한 방법은 미세 화학 테스트를 사용한 다음 일종의 육안 검사를 사용하는 것이었습니다. 불행히도 이러한 방법은 파괴적인 경향이 있고 많은 샘플이 필요하며 인간 시각 시스템의 부정확성으로 인해 어려움을 겪습니다. 현미경 분광 광도계는 이러한 문제를 피하고 인간의 눈 범위를 넘어 "볼" 수 있고 그렇지 않으면 분명하지 않을 변화를 감지할 수 있습니다.

현미경 분광 광도계 디자인

현미경 분광 광도계는 광학 또는 광학 현미경을 UV-가시광선 NIR 범위 분광 광도계와 통합합니다(그림 1). 현미경은 작은 물체의 이미지를 확대하여 연구할 수 있도록 설계된 장치입니다. 분광 광도계는 자외선에서 가시광선 및 근적외선 영역까지의 빛의 각 파장의 강도를 측정하는 기기입니다. 적절하게 구성된 현미경 분광 광도계를 사용하면 서브미크론 규모의 샘플링 영역에서 흡광도, 반사율 및 방출 스펙트럼을 얻을 수 있습니다.

이러한 넓은 스펙트럼 범위를 좋은 이미지와 스펙트럼 품질로 다루기 위해 맞춤형으로 설계된 현미경이 제작되어 분광 광도계와 통합되었습니다. 표준 광학 현미경은 광학에 사용되는 재료와 광원 자체로 인해 가시 영역의 일부만 포함하는 스펙트럼 범위가 제한되어 있습니다. 최신 현미경 분광 광도계는 광학 설계와 NIR을 통한 깊은 UV에 최적화된 광원을 갖춘 맞춤형 현미경을 사용합니다.

좋은 스펙트럼 결과를 얻으려면 분광 광도계 자체도 현미경 분광법에 맞게 설계해야 합니다. 이는 분광 광도계가 허용 가능한 분광 분해능을 유지하면서 매우 민감해야 함을 의미합니다. 현미경 분광 광도계는 단일 빔 기기이고 샘플을 측정하기 전에 참조 스펙트럼을 얻어야 하기 때문에 안정성도 문제입니다. 동일한 샘플을 측정할 때 투과 또는 반사 현미경 분광법에서 형광 분광법으로 자주 전환하기 때문에 기기는 또한 높은 동적 범위를 가져야 합니다. 이를 통해 현미경 샘플의 정확히 동일한 위치에서 다양한 유형의 스펙트럼 정보를 얻을 수 있습니다.

분광 광도계와 현미경의 통합은 매우 중요합니다. 현미경과 분광 광도계는 모두 미세 분광법에 최적화되어야 하지만 현미경 분광 광도계 작동의 핵심은 함께 작동할 수 있는 하드웨어입니다. 이 인터페이스에는 몇 가지 기본 요구 사항이 있습니다. 가장 중요한 것은 시료에서 현미경으로 수집된 전자기 에너지를 분광 광도계로 전달해야 한다는 것입니다. 그러나 사용자는 샘플 측정 영역을 시각화할 수 있어야 하지만 주변 샘플도 볼 수 있어야 합니다. 이것은 샘플 이미지와 동일한 초점 평면에서 분광 광도계의 입구 조리개를 가짐으로써 수행됩니다. 그런 다음 입구 구멍의 이미지가 측정 영역 위에 올 때까지 일반적으로 현미경으로 하는 것처럼 현미경 스테이지와 함께 샘플을 이동할 수 있습니다. 그림 2에서 이미지 중앙의 검은색 사각형은 분광 광도계의 입구 조리개입니다. 이 모든 것이 실시간으로 수행되므로 현미경 샘플의 분광법이 빠르고 쉽습니다.

그림 3에서 볼 수 있듯이 현미경 광학 장치는 샘플에 빛을 집중시킵니다. 그런 다음 전자기 에너지는 현미경 대물렌즈에 의해 샘플에서 수집됩니다. 대물렌즈의 빛은 분광광도계의 미러된 입구 조리개에 초점을 맞춥니다. 대부분의 빛은 입구 조리개 표면에서 카메라로 반사됩니다. 분광 광도계 조리개는 또한 샘플에 검은색 사각형으로 나타나도록 카메라에 의해 이미지화됩니다(그림 2). 이를 통해 현미경 분광 광도계를 쉽고 빠르게 정렬할 수 있습니다. 입구 조리개를 통과한 빛은 스펙트럼이 측정되는 분광 광도계로 전달됩니다.

현미경은 수행할 실험 유형에 따라 다른 조명 방식으로 구성할 수 있습니다. 백색광을 이용한 입사 조명은 깊은 UV에서 근적외선까지 반사율 현미경 분광법을 허용합니다. 입사 조명은 형광 또는 광발광 현미경 분광법에도 사용할 수 있습니다. 또한, 현미경 집광기를 통해 시료에 백색광을 집속하여 투과현미경 분광법이 가능합니다.

현미경의 응용

최초의 현미경 분광 광도계는 1940년대에 개발되었으며 그 이후로 다양한 응용 분야가 개발되었습니다. 미세한 샘플 영역의 스펙트럼을 획득할 수 있는 기능을 갖춘 현미경 분광 광도계는 대학 실험실에서 품질 관리 및 고장 분석을 위한 생산 라인에 이르기까지 모든 곳에서 사용됩니다.

법의학. 법의학 증거 분석은 1980년대 초반부터 현미경 분광 광도계의 가장 중요한 응용 분야 중 하나였습니다. 가장 큰 노력은 미량 증거, 특히 섬유 섬유 및 페인트 조각1, 2의 분석에 있었습니다. 이름에서 알 수 있듯이 이러한 유형의 샘플은 일반적으로 미시적이며 증거로서 테스트에 의해 손상되거나 파괴되어서는 안 됩니다. 섬유의 경우 현미경 분광광도계를 사용하여 개별 섬유의 UV-가시광-NIR 흡광도 및 형광 스펙트럼을 측정합니다. 페인트 조각은 일반적으로 단면을 찍은 다음 각 층의 흡광도 스펙트럼을 측정하여 알려진 샘플과 의심되는 샘플을 높은 수준의 식별력과 비교할 수 있도록 합니다.

평면 패널 디스플레이. 현대의 평면 패널 디스플레이는 수백만 개의 멀티 컬러 픽셀로 구성됩니다. 기술이 발전함에 따라 픽셀은 점점 더 작아지고 더 큰 표면에 걸쳐 더 촘촘하게 채워집니다. 가장 현대적인 디스플레이는 양자점 및 유기 발광 다이오드와 같은 다양한 기술을 사용하여 미세한 규모에서 다양한 색상의 픽셀을 생성합니다. 현미경 분광 광도계는 이러한 재료를 실행 가능한 광원 및 궁극적으로 디스플레이 3,4로 개발하는 데 사용됩니다. 현미경 분광 광도계는 또한 전체 디스플레이에서 픽셀의 색상과 강도가 일정하도록 하여 디스플레이 전체에서 밝고 균일하게 조명된 이미지를 보장하기 위해 생산 공정에서 사용됩니다.

에너지. 석탄 및 석유 공급원 암석에는 유리질 및 기타 마세랄이 포함되어 있습니다. 현미경 분광 광도계는 석탄, 코크스 및 석유 공급원 암석의 열적 성숙도5 및 이에 따른 에너지 함량을 등급화하는 데 사용됩니다. 이것은 연마된 샘플에서 vitrinite의 절대 반사율을 측정하여 수행됩니다. 반사율에 따라 샘플의 열적 성숙도가 결정될 수 있습니다.

나노기술. 현미경 분광 광도계는 투과, 반사 및 방출 스펙트럼 현미경 샘플 영역을 측정하는 능력을 기반으로 나노 기술 및 재료 과학을 발전시키고 있습니다. 빠르게 성장하는 응용 분야 중 하나는 표면 플라즈몬 공명(SPR)6,7,8의 개발 및 사용입니다.

표면 플라즈몬은 평면 금속 표면 또는 나노크기 금속 입자를 빛으로 비추면 여기됩니다(그림 4). 이러한 물질의 광학 특성 변화는 이러한 나노 입자 또는 표면이 다른 물질과 상호 작용할 때 발생합니다. 따라서 어떤 형태의 플라즈몬 공명을 나타내는 새로운 재료를 개발하고 이러한 현상을 특징으로 하는 장치를 만들기 위해 많은 작업이 수행되고 있습니다. 후자는 다양한 유형의 바이오 센서 및 미세 유체 장치 센서를 포함합니다. 현미경 분광 광도계는 SPR 재료의 스펙트럼이 다양한 조건에서 어떻게 변하는지 측정하여 연구원이 새로운 재료를 특성화한 다음 특정 광학 효과를 위해 해당 재료를 "조정"할 수 있는 능력을 제공합니다.

결론

현미경 분광 광도계는 현미경 샘플 영역의 스펙트럼을 얻을 수 있도록 광학 현미경과 분광 광도계를 결합한 하이픈 연결 기술입니다. 이러한 기기는 깊은 UV에서 가시광선을 거쳐 근적외선 영역까지 흡광도와 반사도 스펙트럼이 가능합니다. 현미경 분광 광도계는 형광 및 기타 유형의 방출 스펙트럼도 측정할 수 있습니다. 이러한 장치는 법의학, 반도체 및 광학 필름 두께 측정, 생명 공학 및 최신 재료 과학을 포함한 많은 분야에서 사용되었습니다.

참조

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이 기사는 CRAIC Technologies(San Dimas, CA)의 사장인 Dr. Paul Martin이 작성했습니다. 자세한 내용은 이 이메일 주소는 스팸봇으로부터 보호되고 있습니다.에서 Martin 박사에게 문의하세요. 보려면 JavaScript를 활성화해야 합니다. 또는 여기를 방문하십시오. .