半岛综合体育官方APP下载德甲自1975年以来光谱学
瑞士万通广告

高光谱中红外ellipsometric测量闪烁的眼睛

2020年4月16日|文章
发表在半岛综合体育官方APP下载德甲光谱学欧洲/世界bdapp官方下载安卓版卷。
32
问题
2
(
2020年
)
全文PDF
高光谱中红外ellipsometric测量闪烁的眼睛

卡斯滕•辛瑞奇Christoph Kratz和安德烈亚斯Furchner

Leibniz-Institut毛皮Analytische Wissenschaften -账户-汽车集团。,Department Berlin, Schwarzschildstr. 8, 12489 Berlin, Germany
联系人
(电子邮件保护)(Orcid iD的象征0000-0002-6580-7791)
(电子邮件保护)(Orcid iD的象征0000-0002-5448-7956)

介绍

快速、非接触式、destruction-free高光谱红外(IR)技术,使测量短时间内大面积映射高度相关的研究和产业环境、生物医学、材料和空间应用程序。激光方法提供高吞吐量光学以及高光谱、空间和时间分辨率,因此特别感兴趣的分析过程中,实验室和现场应用。

在本文中,我们关注了最近出台的,快速、激光薄膜分析高光谱方法不仅在中指纹的范围。偏振单发设计、相位和振幅信息同时记录折射和吸收指数相关。可协调的,脉冲量子级联激光器(QCL)使幽灵似地高度解决(< 0.5厘米1)ellipsometric映射≤120µm的横向分辨率。高QCL调谐速度提供时间测量单点µs / ms范围,和大样本的快速高光谱映射区域(50×50毫米2)。单发的方法确保鲁棒性对pulse-to-pulse强度变化和湿度等环境条件的变化。高光谱和时间相位和振幅图像方便的化学识别特定物质通过其振动指纹,而且解释关于膜厚度,分子结构、组成和这些参数的同质性。

激光红外成像

中红外(MIR)成像超越经典的傅里叶变换红外(ir)技术最近显示承诺为材料科学的发展,1 - 8医疗诊断和生物样品的研究。9 - 11红外光谱的应用明显扩大和加强等现代技术进步upconversion-based高光谱成像,4、9高光谱nanospectroscop半岛综合体育官方APP下载德甲y,1 - 3、5 - 7、10频率梳技术,12visible-diffraction有限光学光热光谱分析红外多光谱成像,11和QCL-based单发分化依赖高光谱的概念。7、8、13

红外成像作为一种线性光学技术可以揭示振动和结构样本信息。非接触式,label-free无损,红外成像还可以在不同环境条件下进行。检测系统的最新进展,光学支架,才华横溢的米尔光源的使用打开门新红外光谱的可能性对横向和时间分辨率,结构分析,以及成像功能。特别的参与QCL来源允许一个人克服经典傅立叶变换红外光谱的限制在远场和近场IR-related技术。半岛综合体育官方APP下载德甲典型的应用程序时间分辨13和高光谱红外椭圆光度法8(Sentech仪器),光照AFM-IR2(例如,从力量/ Anasys) visible-diffraction有限的光谱半岛综合体育官方APP下载德甲11(如。,optical photothermal infrared (O-PTIR) spectroscopy from Photothermal Spectroscopy Corp.], and scattering near-field IR spectroscopy1、5(例如,从Neaspec和力量)。

在本文中,我们专注于米尔激光偏振成像(即。,hyperspectral ellipsometry) as a new method to simultaneously reveal vibrational, structural and thickness information.8、13

高光谱单发椭圆对称的方法

发达高光谱红外激光偏振计了一个四通道振幅分割的概念14使同时单发振幅和相位测量的激光重复频率。时间的测量单个的点(像素)可能与sub-decisecond分辨率光谱和毫秒级的分辨率10µs单一波长。快速高光谱幅度和相位成像是通过横向样本映射。相比古典红外ellipsometric使用红外成像,测量时间与这个新的激光ellipsometric技术大大减少。

旋光计(Sentech仪器)由一个倾斜的高度,调整样本映射阶段(50毫米×50毫米)和自准直仪单元定义样本对齐。脉冲外腔QCL (MIRcat 2100、日光解决方案)被作为一个才华横溢,broadband-tuneable辐射源。一个定制的分光镜光学和指导激光分为四个平行检测通道,每个配备了两极分化单元(KRS-5电线起偏振镜,Specac)和一个光伏InAsSb检测器(p13894 - 211,滨松)。一个定制的gated-integrator电子同步polarisation-state分析器的四个通道,从而使单发ellipsometric测量。

通过选择特定的偏振器设置和额外的光元素的情况下,可以调整四个检测通道。这种灵活的方法允许一个衡量各种偏振参数,例如,ellipsometric振幅(tanΨ)阶段(Δ)或特定Mueller-Matrix元素相关样本的偏振特性(例如,圆形/线性二向色性和双折射)。15日,7

在这个贡献,我们专注于单发ellipsometric的角度测量ΨΔ。使用不同的偏振器设置α在一年的四个检测通道,单发椭圆计措施Ψ和Δ强度我α根据:

\ [\ cos 2 \ψ= {{{I_{90 ^ \保监会}}- {I_{0 ^ \保监会}}}\ / {{I_{90 ^ \保监会}}+ {I_{0 ^ \保监会}}}},\;\;\;\;\;\罪2 \ Psi \ \, \因为\δ= {{{I_{45 ^ \保监会}}- {I_{135 ^ \保监会}}}\ / {{I_{45 ^ \保监会}}+ {I_{135 ^ \保监会}}}}\](1)

进一步的技术细节关于设备和测量协议可以在引用8和13所示。

Ψellipsometric角度和Δ入射角的函数ψ0波长λ,底物的光学常数(N年代),环境介质(N0)和层(Nj),以及个人的层厚度dj,

谭\ [\ \ Psi \ cdot {{\ rm {e}} ^{\δ}}= {{{r_p}}在{{r_s}}} \ = F \离开({{\ varphi _0}, \λ,{N_S}, {N_0}, {N_j}, {d_j}} \) \] (2)

j= 0,1,2,…层数,rp和r年代是p- - -年代极端复杂的反射系数。光学常数N=n+本土知识(N:复杂的折射率;n:折射率;k相关:吸收指数)复介电函数ε=ε1+我ε2通过N=√ε。

测量Ψ和Δ收益率互补信息样本的光学和结构特性,从而提供深入的样本分析的一种手段。各种路线可能评估组织基线和material-specific振动频段的高光谱红外ellipsometric数据,包括直接光谱解释,光学建模和多变量分析。

高光谱红外椭圆光度法

单发高光谱红外偏振成像的一个示例提供ellipsometric参数依赖波长和三个时空坐标。关于数据的解释,振动特征乐队如羧基、CHx和酰胺乐队16的脂质、蛋白质和聚合物产量详细见解电影的属性。13这样的数据,因此,使空前全面、横向分析分子结构,解决化学、交互、光学各向异性、组成、形态、膜厚度及变化。

在下面,我们给出两个例子:一个异构同步相位和振幅映射的表面和一个个人的时间调查样本点在外部温度刺激。

高光谱成像技术的异构薄膜

第一个示例是一个drop-cast薄膜的肉豆蔻酸(CH(缅甸)3(CH2)12在金衬底羧基)。13均匀,150 nm厚膜部分化学改性用氢氧化钠溶解在乙醇的水滴,导致地区纯米娅,中间区域和地区complexed-like米娅。高光谱测量的电影呈现在图1中,显示的图像和光谱得到的多维数据立方体。

图1

图1所示。高光谱红外椭圆对称的部分化学改性,drop-cast米娅的电影。在不同的波长)的相位和振幅的对比。b)化学对比纯和米娅复合体。c)谭Ψ行扫描跨异构样品表面和模范ellipsometric光谱。允许转载引用8(©2019,美国光学学会)。

图1显示了互补的阶段在不同的红外波长和振幅对比图像。这些图片很容易识别不同厚度的地区(主要在cosΔ)和/或化学结构(主要在谭Ψ)。化学对比图像如图1 b显示了带两个振动的振幅差异标记为1706厘米1(与C = O羧基纯米娅的振动),1379厘米1(与缅甸复合体),从而使直接的视觉域分离的纯和米娅复合体。

光谱tanΨ行扫描沿着红线在图1 b呈现在图1 c,突显出独特的振动特性不同的样本地区。比较光谱强度的变化显示,地区纯米娅非常均匀,而在表面覆盖包裹米娅表现出明显的异质性。纯和混合域由一个地区较低的覆盖率。

详细的振动分析,例如,ν(C = O)乐队可以阐明分子相互作用和取向在这样复杂的异构样本。除了这些光谱解释、偏振方法可以(如上所述参考15)”提供一系列的对比机制除了传统的非偏振辐射强度,包括线性去极化,圆形的去极化,交叉极化,定向双折射和二色性。”产生的高对比度成像ellipsometric测量可能有巨大的应用潜力和描述复杂的表面(例如,癌症组织分类识别、质量和形态控制的材料)。在这方面,高光谱数据分析基于神经网络、多变量分析和/或光学模型可能是一个有前途的工具获得详细了解样品的结构和化学特异性。

高稳定性有关的令人不安的环境吸收,7红外激光椭圆计的功能使访问多个新的红外光谱成像应用程序的分析结构,各向异性电影和生物样品。有趣的系统调查与设备范围从functionalised表面和涂料、聚合物和蛋白质材料,矿物质,以及太阳能电池,oled和其他光电设备和传感器。

时间分辨的研究薄膜相变

单点的光谱可以监视在100 ms,甚至单一波长10µs一样迅速。红外激光偏振计,因此,推动新的可能性的时间分辨测量非循环过程通过灵活的测量时间范围从µs小时。这一点是如图2所示,显示了temperature-resolved调查150 nm厚的热相变米娅电影约55°C。13振幅和相位图像如图2 b显示ν(C = O)乐队发展(参看光谱图1 C)。特征频带组件由于不同交互C = O组可以被识别。强交互组件(模式1)在固相在50°C,和弱相互作用(模式2)发生在更高的波数主要发生在液相60°C。

图2。时间分辨红外激光椭圆对称solid-to-liquid相变的脂肪酸薄膜加热/冷却。米娅的)化学结构。b)ν(C = O)乐队在缓慢加热振幅和相位。c)振荡器振幅谱模式1和2上的图像。允许转载引用13(©2019,美国光学学会)。d) cm模式1的单波长监测在快速冷却。

图2 C显示的时间发展两个ν(C = O)乐队在缓慢加热组件从图2 b。图2 d显示相应的单波长监测模式1在快速冷却的时间分辨率200µs。虽然两模式1和2存在低于相变,只发现上面模式2。这些观察到的变化揭示了分子相互作用和thermo-induced相变之间的紧密关系。

这些测量结果证明,新的红外偏振计覆盖多个时间尺度从µs到分钟。结果突出时间的技术的适用性和敏感性分析的非循环,不可逆过程和反应。我们看到强大的应用过程和质量控制,而且在流变学、放松和相关研究。由于椭圆计的小光斑尺寸(0.03毫米2),较低的样本数量和金额也可以学习。

目前,我们正在耦合微流体流动细胞17仪器以图像和分析处理功能,传感器和生物相容性的表面在固液界面处。设置将允许传感分子吸附,结构转型和内部和分子间的相互作用的研究问毫升样品。

激光应用实验室将开放账户柏林(预计2020年底)操作和提供一个高光谱红外激光椭圆计。

资金

Europaischer昏聩毛皮regionale Entwicklung (EFRE) (1.8/13);北威州的大幅减退Ministerium毛皮创新,科学和des兰德斯;Regierender Burgermeister·冯·柏林- Senatskanzlei科学和大幅减退;Bundesministerium毛皮陶冶和大幅减退。

引用

  1. J.M.特金,s . Berweger交流琼斯和M.B. Raschke,“Nano-optical成像和光谱的秩序、阶段和复杂的固体域”,半岛综合体育官方APP下载德甲放置。61年,745 - 842 (2012)。https://doi.org/10.1080/00018732.2012.737982
  2. a . Dazzi和C.B.多嘴的人,“AFM-IR:在纳米技术和应用红外光谱和化学成像”,半岛综合体育官方APP下载德甲化学。牧师。117年,5146 - 5173 (2017)。https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.6b00448
  3. a·胡贝尔到访d, f . Keilmann Wittborn和r·希伦布兰德”同时红外材料识别和电导率映射由纳米级近场显微镜”,放置板牙。19日,2209 - 2212 (2007)。https://doi.org/10.1002/adma.200602303
  4. s . Junaid j . Tomko议员Semtsiv, j . Kischkat地下水面Masselink,彼得森c和p . Tidemand-Lichtenberg,“基于中红外上转换光谱成像”,选择实验。26日,2203 - 2211 (2018)。https://doi.org/10.1364/OE.26.002203
  5. Amenabar,保利,m . Goikoetxea w . Nuansing柏克校园p, r·希伦布兰德,“基于中红外上转换光谱成像”,Commun Nat。8日,14402 (2017)。https://doi.org/10.1038/ncomms14402
  6. k . Hinrichs和t . Shaykhutdinov偏振相关原子力microscopy-infrared光谱学(AFM-IR):红外nanopolarimetric分析结构和半岛综合体育官方APP下载德甲各向异性薄膜和表面”,达成。Spectrosc。72年,817 - 832 (2018)。https://doi.org/10.1177/0003702818763604
  7. k . Hinrichs t . Shaykhutdinov c . Kratz和a . Furchner”辉煌的中红外椭圆光度法和薄膜的偏振测定:对实验室的应用程序基于激光技术”,j .休假。科学。抛光工艺。B37岁的060801 (2019)。https://doi.org/10.半岛app应用下载1116/1.5122869
  8. a . Furchner c . Kratz Rappich和k . Hinrichs“单发相位振幅成像高光谱红外激光偏振测定薄膜”,选择列托人。44岁的4893 - 4896 (2019)。https://doi.org/10.1364/OL.44.004893
  9. m .爱马仕r . Brandstrup莫里斯近日,l . Huot l .孟s Junaid j . Tomko广义相对论劳埃德,地下水面Masselink, p . Tidemand-Lichtenberg彼得森c . f .帕隆博和n .石头,不仅“中高光谱成像技术对label-free组织病理学和细胞学”,j .选择。20.023002 (2018)。https://doi.org/10.1088/2040-8986/aaa36b
  10. d . Perez-Guaita k中时m .古怪的c . Doerig j . Garcia-Bustos埃斯皮诺萨,d . McNaughton p Heraud和开国元勋之一B.R.安贝德卡对木材、“多光谱原子力microscopy-infrared nano-imaging疟疾感染的红细胞”,肛交。化学。90年,3140 - 3148 (2018)。https://doi.org/10.1021/acs.analchem.7b04318
  11. 李c, d . Zhang, c . Zhang M.N. Slipchenko, g . Eakins介绍和J.-X。程,“Depth-resolved中红外光热光谱分析活细胞成像和生物与亚微米空间分辨率”,科学。睡觉。2,e1600521 (2016)。https://doi.org/10.1126/sciadv.1600521
  12. K.L. Vodopyanov, e . Sorokin it Sorokina P.G. Schunemann,不仅“中基于次谐波频率梳源生成4.4 - -5.4µm砷化镓光参量振荡器”,选择列托人。36岁,2275 - 2277 (2011)。https://doi.org/10.1364/OL.36.002275
  13. a . Furchner c Kratz和k . Hinrichs次秒级红外broadband-laser单发相位振幅偏振测定薄膜”,选择列托人。44岁的4387 - 4390 (2019)。https://doi.org/10.1364/OL.44.004387
  14. r·阿赞“多通道时间分辨测量入射偏振状态检测器”,薄固体电影234年,371 - 374 (1993)。https://doi.org/10.1016/0040 - 6090 (93) 90288 - z
  15. 气和科学博士Elson”,高清晰度穆勒偏振内窥镜组织描述”,科学。代表。6,25853 (2016)。https://doi.org/10.1038/srep25953
  16. 答:巴斯,红外光谱的蛋白质,半岛综合体育官方APP下载德甲Biochim。Biophys。学报1767年,1073 - 1101 (2007)。https://doi.org/10.1016/j.bbabio.2007.06.004
  17. c . Kratz a . Furchner T.W.H.欧茨,d . Janasek和k . Hinrichs“只感应红外bioanalytics”,ACS的传感器3,299 - 303 (2018)。https://doi.org/10.1021/acssensors.7b00902
本文率
没有票
技术:
成像
偏振测定

Baidu
map