Chemische Bildgebung

Chemische Bildgebung (als quantitativ - Chemische Kartierung) ist die analytische Fähigkeit, ein visuelles Bild der Komponentenverteilung aus der gleichzeitigen Messung von Spektren und räumlichen Zeitinformationen zu erstellen.[1][2] Hyperspektrale Bildgebung misst zusammenhängende Spektralbänder im Gegensatz zu Multispektrale Bildgebung die Spektralbänder mit Abstand misst.[3]

Die Hauptidee - Für die chemische Bildgebung kann der Analyst zum Zeitpunkt der Zeit so viele Datenspektrum an einer bestimmten chemischen Komponente annehmen. Dies ist nützlich für die chemische Identifizierung und Quantifizierung. Alternativ Auswahl einer Bildebene in einem bestimmten Datenspektrum (PCA - Multivariable Daten der Wellenlänge, der räumlichen Position zum Zeitpunkt) können die räumliche Verteilung von Probenkomponenten abbilden, vorausgesetzt, ihre Spektralsignaturen sind im ausgewählten Datenspektrum unterschiedlich.

Software Für die chemische Bildgebung ist am spezifischsten und unterschieden von chemischen Methoden wie z. Chemometrie.

Die Bildgebungsinstrumentierung hat drei Komponenten: eine Strahlungsquelle zum Beleuchtung der Probe, ein spektral selektives Element und normalerweise ein Detektorarray (der Kamera), um die Bilder zu sammeln. Das Datenformat wird als a genannt Hypercube. Der Datensatz kann als visualisiert werden Datenwürfel, ein dreidimensionaler Datenblock von zwei räumlichen Abmessungen (x und y) mit einer Reihe von Wellenlängen (Lambda) bilden die dritte (spektrale) Achse. Das Hypercube kann visuell und mathematisch als eine Reihe von spektral aufgelösten Bildern (jede Bildebene, die dem Bild bei einer Wellenlänge entspricht) oder einer Reihe räumlich aufgelöstes Spektren behandelt werden.

Geschichte

In den frühen neunziger Jahren entstanden im Handel erhältliche laborbasierte chemische Bildgebungssysteme (Lit. 1-5). Zusätzlich zu wirtschaftlichen Faktoren wie dem Bedarf an ausgefeilten Elektronik und extrem High-End-Computern bestand eine erhebliche Barriere für die Kommerzialisierung der Infrarot-Bildgebung darin, dass das zum Lesen von IR-Bildern benötigte Focal Ebene-Array (FPA) nicht leicht als kommerzielle Gegenstände verfügbar war. Als Hochgeschwindigkeitselektronik und anspruchsvolle Computer alltäglicher wurden und Infrarotkameras leicht kommerziell erhältlich wurden, wurden laborchemische Bildgebungssysteme eingeführt.

Die chemische Bildgebung wurde zunächst für neuartige Forschung in spezialisierten Labors verwendet und wurde in weniger als einem Jahrzehnt für allgemeine Forschung und Entwicklung, Qualitätssicherung (QA) und Qualitätskontrolle (QC) zu einer alltäglicheren Analysetechnik. Die schnelle Akzeptanz der Technologie in einer Vielzahl von Branchen (Pharmazeutikum, Polymeren, Halbleiter, Sicherheit, Forensik und Landwirtschaft) liegt in der Fülle von Information, die sowohl chemische Zusammensetzung als auch Morphologie charakterisieren. Die parallele Natur chemischer Bildgebungsdaten ermöglicht es, mehrere Proben gleichzeitig für Anwendungen zu analysieren, die eine hohe Durchsatzanalyse erfordern, zusätzlich zur Charakterisierung einer einzelnen Probe.

Anwendungen

Hyperspektrale Bildgebung wird am häufigsten entweder auf Festkörper- oder Gel -Proben angewendet und verfügt über Anwendungen in Chemie, Biologie,[4][5][6][7][8][9] Medizin,[10][11] Apotheke[12][13] (Siehe auch zum Beispiel: Lebensmittelwissenschaft, Biotechnologie,[14][15] Landwirtschaft und Industrie. Die chemische Bildgebung von NIR, IR und Raman wird auch als bezeichnet hyperspektralspektroskopisch, spektral oder Multispektrale Bildgebung (siehe auch Mikrospektroskopie). Es werden jedoch auch andere ultra-sensitive und selektive Bildgebungstechniken verwendet, bei denen entweder UV-sichbare oder Fluoreszenzmikrospektroskopie beteiligt sind. Viele Bildgebungstechniken können verwendet werden, um Proben aller Größen aus dem Einzelmolekül zu analysieren[16][17] auf die zelluläre Ebene in Biologie und Medizin,,[18][19][20] und Bilder von planetarischen Systemen in der Astronomie, aber unterschiedliche Instrumente werden für Beobachtungen auf solchen sehr unterschiedlichen Systemen eingesetzt.

Jedes Material, das von chemischen Gradienten für die Funktionalität abhängt, kann nach einer analytischen Technik zu untersuchen sein, die räumliche und chemische Charakterisierung koppelt. Um solche Materialien effizient und effektiv zu entwerfen und herzustellen, muss das „Was“ und das „Wo“ beide gemessen werden. Die Nachfrage nach dieser Art der Analyse nimmt zu, wenn hergestellte Materialien komplexer werden. Chemische Bildgebungstechniken sind entscheidend für das Verständnis moderner Produktionsprodukte. In einigen Fällen ist eine nicht zerstörerische Technik, sodass Proben für weitere Tests erhalten bleiben.

Viele Materialien, sowohl hergestellte als auch natürlich vorkommende Materialien, leiten ihre Funktionalität aus der räumlichen Verteilung von Probenkomponenten ab. Beispielsweise können pharmazeutische Formulierungen für erweiterte Freisetzungen durch Verwendung einer Beschichtung erreicht werden, die als Barriereschicht wirkt. Die Freisetzung des Wirkstoffs wird durch das Vorhandensein dieser Barriere kontrolliert, und Unvollkommenheiten in der Beschichtung wie Diskontinuitäten können zu einer veränderten Leistung führen. In der Semi-Leitungs-Industrie können Unregelmäßigkeiten oder Verunreinigungen in Siliziumwaffeln oder gedruckten Mikrokreiskreisen zum Versagen dieser Komponenten führen. Die Funktionalität biologischer Systeme hängt auch von chemischen Gradienten ab - eine einzelne Zell-, Gewebe- und sogar die gesamte Organe aufgrund der sehr spezifischen Anordnung von Komponenten. Es wurde gezeigt, dass selbst kleine Veränderungen in der chemischen Zusammensetzung und Verteilung ein früher Indikator für eine Krankheit sein können.

Prinzipien

Die chemische Bildgebung teilt die Grundlagen der Schwingungsspektroskopie -Techniken, liefert jedoch zusätzliche Informationen über den gleichzeitigen Erwerb von räumlich aufgelösten Spektren. Es kombiniert die Vorteile der digitalen Bildgebung mit den Attributen spektroskopischer Messungen. Knapp, Schwingungsspektroskopie misst die Wechselwirkung von Licht mit Materie. Photonen, die mit einer Probe interagieren, werden entweder absorbiert oder verstreut; Photonen mit spezifischer Energie werden absorbiert, und das Absorptionsmuster liefert Informationen oder einen Fingerabdruck auf den in der Probe vorhandenen Molekülen.

Andererseits kann in einem der folgenden Modi die chemische Bildgebung im Hinblick auf die Beobachtungsaufnahme durchgeführt werden: (optisch) Absorption, Emission (Fluoreszenz), (optisch) Übertragung oder Streuung (Raman). Derzeit besteht ein Konsens, dass die Fluoreszenz (Emission) und Raman Streuung Modi sind die empfindlichsten und leistungsstärksten, aber auch die teuersten.

Bei einer Übertragungsmessung durchläuft die Strahlung eine Probe und wird durch einen Detektor gemessen, der auf der anderen Seite der Probe platziert ist. Die von der eingehende Strahlung auf das Molekül (en) übertragene Energie kann als Differenz zwischen der Menge der Photonen berechnet werden, die von der Quelle emittiert wurden, und der vom Detektor gemessenen Menge. In einer diffusen Reflexionsmessung wird die gleiche Energiedifferenzmessung durchgeführt, die Quelle und der Detektor befinden sich jedoch auf derselben Seite der Probe, und die gemessenen Photonen haben sich eher von der beleuchteten Seite der Probe wiedergegeben als durch die Probe als durchgesetzt es. Die Energie kann bei einer oder mehreren Wellenlängen gemessen werden; Wenn eine Reihe von Messungen durchgeführt wird, wird die Antwortkurve als a genannt Spektrum.

Ein Schlüsselelement beim Erwerb von Spektren ist, dass die Strahlung irgendwie ausgewählt werden muss - entweder vor oder nach der Interaktion mit der Probe. Die Wellenlängenauswahl kann mit einem festen Filter, einem abstimmbaren Filter, einem Spektrographen, einem Interferometer oder anderen Geräten erreicht werden. Für einen Festfilteransatz ist es nicht effizient, eine erhebliche Anzahl von Wellenlängen zu erfassen, und normalerweise werden multispektrale Daten gesammelt. Interferometerbasierte chemische Bildgebung erfordert, dass ganze Spektralbereiche gesammelt werden und daher dazu führen hyperspektral Daten. Abstimmbare Filter haben die Flexibilität, entweder Multi- oder hyperspektral Daten, abhängig von den analytischen Anforderungen.

Spektren werden typischerweise mit einem gemessen Bildgebungsspektrometerbasierend auf einem Fokusflugzeugarray.

Terminologie

Einige Wörter, die in der Spektroskopie, optischer Mikroskopie und Fotografie häufig sind oder deren Umfang für ihre Verwendung in der chemischen Bildgebung modifiziert wurde. Dazu gehören: Auflösung, Sichtfeld und Vergrößerung. Es gibt zwei Arten der Auflösung in der chemischen Bildgebung. Die spektrale Auflösung bezieht sich auf die Fähigkeit, kleine Energieunterschiede zu beheben. Es gilt für die Spektralachse. Das räumliche Auflösung ist der minimale Abstand zwischen zwei Objekten, die erforderlich sind, damit sie als unterschiedliche Objekte erkannt werden. Die räumliche Auflösung wird von der beeinflusst Sichtfeld, ein physikalisches Maß für die Größe des durch die Analyse untersuchten Bereichs. In der Bildgebung ist das Sichtfeld ein Produkt der Vergrößerung und der Anzahl der Pixel im Detektorarray. Die Vergrößerung ist ein Verhältnis des physikalischen Bereichs des Detektorarrays geteilt durch den Bereich des Sichtfelds. Höhere Vergrößerungen für das gleiche Detektorbild Eine kleinere Fläche der Probe.

Arten von Schwingungs -Chemikalien -Bildgebungsinstrumenten

Chemische Bildgebung wurde für das mittlere Infrarot in der Nähe implementiert.Infrarot-Spektroskopie und Raman -Spektroskopie. Wie bei ihren Kollegen der Bulk -Spektroskopie hat jede Bildgebungstechnik bestimmte Stärken und Schwächen und eignet sich am besten, um unterschiedliche Bedürfnisse zu erfüllen.

Chemische Bildgebung mit mittlerer Infrarot

Eine Reihe von Steinen mit einem gescannt Exemplar LWIR-C hyperspektral Imaggeber im thermischen Infrarotbereich reichen von 7,7 μm bis 12,4 μm. Mineralien wie Quarz und Feldspat Spektren sind eindeutig erkennbar.[21]

Mid-Infrared (MIR) -Spektroskopie-Sonden grundlegende molekulare Schwingungen, die im Spektralbereich 2.500-25.000 nm entstehen. Implementierungen der kommerziellen Bildgebung in der Region MIR Hyperspektralbilder oder Fourier -Transformationsinfrarot (Ft-ir) Interferometer, abhängig von der Anwendung. Die MIR-Absorptionsbanden sind in der Regel relativ eng und gut aufgelöst. Eine direkte spektrale Interpretation ist häufig von einem erfahrenen Spektroskopisten möglich. Die miR -Spektroskopie kann subtile Veränderungen in Chemie und Struktur unterscheiden und wird häufig zur Identifizierung unbekannter Materialien verwendet. Die Absorptionen in diesem Spektralbereich sind relativ stark; Aus diesem Grund ist die Stichprobenpräsentation wichtig, um die Menge an Material zu begrenzen, die mit der eingehenden Strahlung in der miR -Region interagieren. Daten können im Reflexions-, Übertragungs- oder Emissionsmodus gesammelt werden. Wasser ist ein sehr starker Absorber für die miR -Strahlung, und nasse Proben erfordern häufig fortschrittliche Probenahmebereiche (wie z. abgeschwächte Gesamtreflexion). Zu den kommerziellen Instrumenten gehören Point- und Line -Mapping und Bildgebung. Chemische Bildgebung der mittleren Infrarot kann auch mit räumlicher Auflösung auf Nanometerspiegel verwendet werden Infrarotspektroskopie auf Atomkraftmikroskop-Basis (AFM-IR).

Remote chemische Bildgebung einer gleichzeitigen Freisetzung von SF6 und nh3 bei 1,5 km mit dem Telops Hyper-Cam-Bildgebungsspektrometer[22]

Für Arten von Mir -Mikroskop siehe Mikroskopie#Infrarotmikroskopie.

Atmosphärische Fenster Im Infrarotspektrum werden auch die chemische Bildgebung aus der Ferne durchführen. In diesen spektralen Regionen die atmosphärischen Gase (hauptsächlich Wasser und CO2) Präsentieren Sie eine geringe Absorption und lassen Sie die Infrarotbeobachtung über Kilometerabstände. Zielmoleküle können dann unter Verwendung der oben beschriebenen selektiven Absorptions-/Emissionsprozesse betrachtet werden. Ein Beispiel für die chemische Bildgebung einer gleichzeitigen Freisetzung von SF6 und nh3 wird im Bild gezeigt.

Chemische Bildgebung der Nahinfrarot

Die Analytische Region in der Nähe von Infrarot (NIR) umfasst den Bereich von 780 nm bis 2.500 nm. Die in diesem Spektralbereich beobachteten Absorptionsbanden ergeben sich aus Obertönen und Kombinationsbändern von O-H-, N-H-, C-H- und S-H-Dehnungs- und Biegevibrationen. Die Absorption ist ein bis zwei Größenordnungen im NIR im Vergleich zum miR; Dieses Phänomen beseitigt die Notwendigkeit einer umfassenden Probenvorbereitung. Dicke und dünne Proben können ohne Probenvorbereitung analysiert werden. Es ist möglich, durch einige Verpackungsmaterialien NIR -chemische Bilder zu erwerben, und die Technik kann verwendet werden, um hydratisierte Proben innerhalb von Grenzen zu untersuchen. Intakte Proben können in der Transmission oder im diffusen Reflexionsvermögen abgebildet werden.

Die Linien für Oberton- und Kombinationsbänder sind in der Regel viel breiter und überlappender als für die grundlegenden Banden, die in der MIR zu sehen sind. Oft werden multivariate Methoden verwendet, um spektrale Signaturen von Probenkomponenten zu trennen. Die chemische NIR-Bildgebung ist besonders nützlich, um schnelle, reproduzierbare und nicht zerstörerische Analysen bekannter Materialien durchzuführen.[23][24] NIR -Bildgebungsinstrumente basieren normalerweise auf einem Hyperspektralkamera, ein einstellbarer Filter oder ein FT-IR-Interferometer. Eine externe Lichtquelle wird immer benötigt, z. B. Sonne (Außenscans, Fernerkundung) oder eine Halogenlampe (Labor, industrielle Messungen).

Raman Chemische Bildgebung

Der Spektralbereich der Raman Shift Chemical Bildgebungsspanne von ungefähr 50 bis 4.000 cm–1; Der tatsächliche Spektralbereich, über den eine bestimmte Raman -Messung durchgeführt wird, ist eine Funktion der Laseranregungsfrequenz. Das Grundprinzip dahinter Raman -Spektroskopie unterscheidet sich von miR und nir darin, dass die x-Achse des Raman-Spektrums als Funktion der Energieverschiebung gemessen wird (in cm–1) relativ zur Frequenz des als Strahlungsquelle verwendeten Lasers. Kurz gesagt, das Raman -Spektrum entsteht aus der inelastischen Streuung von einfallenden Photonen, was eine Änderung der Polarisierbarkeit durch Vibration erfordert, im Gegensatz zur Infrarotabsorption, was eine Änderung des Dipolmoments mit Schwingung erfordert. Das Endergebnis sind spektrale Informationen, die ähnlich sind und in vielen Fällen zum MIR ergänzt werden. Der Raman -Effekt ist schwach - nur etwa jeder von 107 Photonen, die in die Probe eintreten, unterliegt Raman -Streuung. Sowohl organische als auch anorganische Materialien besitzen ein Raman -Spektrum; Sie produzieren im Allgemeinen scharfe Bänder, die chemisch spezifisch sind. Fluoreszenz ist ein konkurrierendes Phänomen und kann je nach Probe das Raman -Signal sowohl für die Schüttungsspektroskopie als auch für die Bildgebung implementiert.

Die chemische Bildgebung von Raman erfordert wenig oder gar keine Probenvorbereitung. Es kann jedoch verwendet werden, um die interessierende Oberfläche zu enthüllen, wobei darauf geachtet wird, dass eine Oberfläche so flach wie möglich ist. Die für eine bestimmten Messung erforderlichen Bedingungen diktieren den Invasivitätsniveau der Technik, und die Proben, die empfindlich gegenüber Hochleistungslaserstrahlung reagieren, können während der Analyse beschädigt werden. Es ist relativ unempfindlich gegenüber dem Vorhandensein von Wasser in der Probe und ist daher nützlich für die Bildgebungsproben, die Wasser wie biologisches Material enthalten.

Fluoreszenzbildgebung (Ultraviolett, sichtbar und in der Nähe von Infrarotregionen)

Emission Die Mikrospektroskopie ist eine empfindliche Technik mit Anregung und Emission, die von den ultravioletten, sichtbaren und NIR -Regionen reicht. Daher hat es zahlreiche biomedizinische, biotechnologische und landwirtschaftliche Anwendungen. Es gibt mehrere leistungsstarke, hochspezifische und empfindliche Fluoreszenztechniken, die derzeit verwendet oder immer noch entwickelt werden. Unter den ersteren sind Flim, FRAP, FRET und FLIM-FRET; Unter den letzteren befinden sich die NIR-Fluoreszenz- und Sondensensitivität, die die NIR-Fluoreszenzmikrospektroskopie- und Nanospektroskopie-Techniken erhöht (siehe "Weitere Leser"). Fluoreszenzemissionsmikrospektroskopie und Bildgebung werden häufig auch verwendet, um Proteinkristalle zu lokalisieren[25] In Lösung zur Charakterisierung von Metamaterialien und Biotechnologiegeräten.

Probenahme und Proben

Der Wert der Bildgebung liegt in der Fähigkeit, räumliche Heterogenitäten in Festkörper- oder Gel-/Gel-ähnlichen Proben aufzulösen. Die Bildgebung einer Flüssigkeit oder sogar einer Suspension hat nur eine begrenzte Verwendung, da eine konstante Probenbewegung den durchschnittlichen räumlichen Informationen dient Geschwindigkeit. Hochdurchsatzexperimente (z. B. Bildgebungs-Multi-Well-Platten) von flüssigen Proben können jedoch wertvolle Informationen liefern. In diesem Fall kann der parallele Erwerb von Tausenden von Spektren verwendet werden, um Unterschiede zwischen Proben zu vergleichen, anstatt die häufigere Umsetzung der Untersuchung der räumlichen Heterogenität innerhalb einer einzelnen Probe.

In ähnlicher Weise gibt es keinen Nutzen bei der Bildgebung einer wirklich homogenen Probe, da ein einzelnes Punktspektrometer die gleichen spektralen Informationen erzeugt. Natürlich hängt die Definition der Homogenität von der räumlichen Auflösung des verwendeten Bildgebungssystems ab. Für die MIR-Bildgebung, bei der Wellenlängen von 3 bis 10 Mikrometern erstrecken, können Objekte in der Größenordnung von 5 Mikrometern theoretisch aufgelöst werden. Die untersuchten Bereiche sind durch aktuelle experimentelle Implementierungen begrenzt, da das Interferometer beleuchtet wird. Die Raman -Bildgebung kann möglicherweise Partikel mit einer Größe von weniger als 1 Mikrometer auflösen, aber der Stichbereich, der beleuchtet werden kann, ist stark begrenzt. Bei der Raman -Bildgebung gilt es als unpraktisch, große Bereiche und folglich große Proben abzubilden. FT-NIR-Chemikalie-/Hyperspektralbildgebung löst normalerweise nur größere Objekte (> 10 Mikrometer) auf und eignet sich besser für große Proben, da Beleuchtungsquellen leicht verfügbar sind. Es wurde jedoch kürzlich berichtet[10] Darüber hinaus wurde berichtet, dass FCS-Experimente mit zwei Photonen eine Auflösung von 15 Nanometern auf Biomembran-Dünnfilmen mit einem speziellen Zufalls-Photon-Counting-Setup erreicht haben.

Erkennungsgrenze

Das Konzept der Nachweisgrenze für die chemische Bildgebung unterscheidet sich stark von der Schüttgutspektroskopie, da es von der Probe selbst abhängt. Da ein Massenspektrum einen Durchschnitt der vorhandenen Materialien darstellt, werden die spektralen Signaturen von Spurenkomponenten einfach durch Verdünnung überwältigt. Bei der Bildgebung hat jedes Pixel ein entsprechendes Spektrum. Wenn sich die physikalische Größe der Verunreinigung in der Größenordnung der auf der Probe abgebildeten Pixelgröße befindet, ist seine spektrale Signatur wahrscheinlich nachweisbar. Wenn die Spurenkomponente jedoch homogen (relativ zur Pixelbildgröße) in einer Probe dispergiert ist, ist sie nicht nachweisbar. Daher werden Nachweisgrenzen chemischer Bildgebungstechniken stark durch die Partikelgröße, die chemische und räumliche Heterogenität der Probe und die räumliche Auflösung des Bildes beeinflusst.

Datenanalyse

Datenanalysemethoden für chemische Bildgebungsdatensätze verwenden typischerweise mathematische Algorithmen, die bei der Einzelpunktspektroskopie oder zur Bildanalyse gemeinsam sind. Die Argumentation ist, dass das von jedem Detektor erfasste Spektrum einem einzelnen Punktspektrum entspricht; Daher Vorverarbeitung, Chemometrie und Mustererkennungstechniken werden mit dem ähnlichen Ziel verwendet, um chemische und physikalische Effekte zu trennen und eine qualitative oder quantitative Charakterisierung einzelner Probenkomponenten durchzuführen. In der räumlichen Dimension entspricht jedes chemische Bild einer digitalen Bild- und Standardbildanalyse, und eine robuste statistische Analyse kann zur Merkmalextraktion verwendet werden.

Software

Siehe auch

Verweise

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  • Flim | Fluoreszenzlebensdauer-Bildgebungsmikroskopie: Fluoreszenz, chemische Bildgebung von Fluorophor, konfokale Emissionsmikrospektroskopie, Bund, Kreuzkorrelationsfluoreszenzmikrospektroskopie.
  • FLIM -Anwendungen: "Flim ist in der Lage, zwischen Fluoreszenz, die von verschiedenen Fluorophoren ausgeht, und die autoflorierenden Moleküle in einer Probe automatisieren, auch wenn ihre Emissionsspektren ähnlich sind Ionenkonzentrationen ohne umfangreiche Kalibrierungsverfahren (z. B. Calciumgrün) und Informationen über die lokale Umgebung eines Fluorophors zu erhalten, die auf Änderungen in seiner Lebensdauer basieren. " FLIM wird auch häufig in mikrospektroskopischen/chemischen Bildgebung oder mikroskopischen Studien verwendet, um räumliche und temporale Protein-Protein-Wechselwirkungen, Eigenschaften von Membranen und Wechselwirkungen mit Nukleinsäuren in lebenden Zellen zu überwachen.
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