Mikroskop FT-IR Hyperion 3000 został uzupełniony o ostatni element, detektor matrycowy Focal Plane Array (128x128 pikseli) i jest już dostępny do pomiarów testowych dla użytkowników. Mikroskop docelowo po podpięciu pod wiązkę synchrotronową będzie stanowił jedną z dwóch stacji końcowych linii CIRI. Zachęcamy przyszłych użytkowników do kontaktu z zespołem linii w celu przeprowadzenia pomiarów testowych.

Hyperion 3000 i potencjalne zastosowania

Linia CIRI (Chemical InfraRed Imaging Beamline), która umożliwia wykorzystanie do badań promieniowania podczerwonego w szerokim zakresie spektralnym, będzie posiadała dwa stanowiska badawcze – mikroskop do obrazowania FT-IR oraz mikroskop AFM-IR/s-SNOM. Pomimo tego, że linia jest aktualnie w budowie, a jej uruchomienie planowane jest na 2023 rok, już teraz pojawiła się możliwość skorzystania z jednej ze stacji końcowych. W laboratorium badawczym przy linii CIRI został zainstalowany mikroskop FT-IR Hyperion 3000 ze spektrometrem Vertex 80v (Bruker Optics), którego obszar zastosowań jest niezwykle szeroki, zaczynając od badań materiałowych, polimerów, związków chemicznych, kryminalistykę po konserwację dzieł sztuki czy nauki przyrodnicze. Dzięki modułowej konstrukcji  mikroskopu można go dostosowywać do specyficznych wymagań każdego eksperymentu.

Kierownik linii FT-IR, dr hab. Tomasz Wróbel, tak opowiada o zastosowaniach mikroskopu: „Mikrospektroskopia FT-IR umożliwia jednoczesną analizę składu chemicznego i struktury próbki w skali mikrometrycznej, co znacznie ułatwia i przyśpiesza zaawansowane badania w wielu dziedzinach nauki. Jednym z możliwych zastosowań takiego mikroskopu jest wykonywanie pomiarów całych biopsji tkanek prawidłowych i nowotworowych w celu dalszej analizy chemometrycznej i dokonania klasyfikacji”.

Pierwsze pomiary testowe biopsji, innych próbek pochodzenia biologicznego oraz polimerów na mikroskopie zostały przeprowadzone przez zespół badawczy linii, a wyniki są bardzo obiecujące.

Jest to jeden z czterech mikroskopów tej klasy w Polsce. Dodatkowo źródło synchrotronowe zapewni wysoką jasność promieniowania podczerwonego pokrywającego zakres od bliskiej do dalekiej podczerwieni, co czyni mikrospektroskopię FT-IR ze źródłem synchrotronowym instrumentem badawczym wyjątkowym w skali światowej. Wysoką jakość widma zapewnia świetny stosunek sygnału do szumu.

O zastosowaniach mikroskopu m.in. w badaniach dział sztuki opowiada dr inż. Karolina Kosowska z linii CIRI, inżynier materiałowa „Rozdzielczość na poziomie paru mikrometrów umożliwia geochemiczną analizę materii organicznych i nieorganicznych w łupkach, czy wizualizację rozmieszczenia i jednoczesną analizę chemiczną barwników użytych przez malarzy do stworzenia obrazu kilkaset lat temu”.

Naukowców zainteresowanych możliwościami wykorzystania mikroskopu FT-IR w swoich badaniach i wykonaniem badań w Centrum SOLARIS zapraszamy do kontaktu z zespołem linii. 

Poniżej przedstawiamy kilka przykładów publikacji w oparciu o spektroskopię FT-IR. 

1. Mikrospektroskopia FT-IR i analiza chemometryczna do klasyfikacji typów tkanek w biopsjach

"Translation of an esophagus histopathological FT-IR imaging model to a fast quantum cascade laser modality." - https://doi.org/10.1002/jbio.202000122

Rysunek 1. Wyniki predykcji metody Random Forest dla trzech klas tkanek: dojrzałego nabłonka, nabłonka zmienionego nowotworowo oraz zbiorczej klasy innych tkanek, dla odparafinowanych biopsji przełyku mierzonych pod mikroskopem FT-IR w trybie transmisji. Po prawej stronie przedstawione predykcje biopsji nowotworowej i zdrowej wraz z odpowiadającymi jej wybarwionymi H&E odpowiednikami.

Teoretyczne podstawy spektroskopii oscylacyjnej można skrócić do zdania, że oscylacje wiązań chemicznych są zdolne do absorpcji promieniowania z zakresu podczerwieni o charakterystycznych dla nich długości fali. Specyficzne dla każdej molekuły widma spektroskopowe pozwalają na chemiczną identyfikację materiału w danym punkcie pomiarowym, a nawet jego architektury. 

Rysunek 2. Schemat występowania pasm od przykładowych wiązań na widmie FT-IR. Źródło: M.J. Jafari „Application of Vibrational Spectroscopy in Organic Electronics” 2017.

2. Orientacja makromolekuł w biopsji

Macromolecular Orientation in Biological Tissues Using a Four-Polarization Method in FT-IR Imaging - doi: 10.1021/acs.analchem.0c02591

Spatially resolved macromolecular orientation in biological tissues using FT-IR imaging - https://doi.org/10.1016/j.clispe.2021.100013

Zaawansowane metody obrazowania większych obszarów próbki z wykorzystaniem między innymi światła spolaryzowanego liniowo pozwalają na wyznaczanie orientacji molekuł w przestrzeni dwu-, a nawet trójwymiarowej. W podanych publikacjach przedstawiano możliwości zastosowania metody „czterech polaryzacji” do wyznaczenia orientacji włókien kolagenowych w biopsjach oraz organizacji makromolekuł w sferulitach polimerowych w przestrzeni trójwymiarowej.

Rysunek 3. Igłowa biopsja trzustki pod mikroskopem, stopień organizacji makromolekuł na podstawie funkcji orientacji Hermansa oraz wizualizacja kąta azymutalnego dla wybranych pasm (amid III jest równoległy do osi głównego łańcucha kolagenu, a amid I prostopadły).

3. Obrazowanie 3D orientacji molekuł w polimerze

Super-resolved 3D mapping of molecular orientation with vibrational techniques - doi: 10.26434/chemrxiv-2021-1hd81-v3

Rysunek 4. Orientacja w przestrzeni trójwymiarowej drgań w cząsteczce polikaprolaktamu. Draganie νas(C-O-C) jest równoległe do głównego łańcucha molekuły, ν(C=O) prostopadłe.

4. Mapowanie i obrazowanie próbek

Metody mapowania i obrazowania pozwalają na wizualizację próbek z użyciem kolejnych długości fali z wybranym interwałem (rozdzielczość spektralna). W ten sposób otrzymuje się trójwymiarowy zestaw danych (dwa wymiary przestrzenne) i jeden wymiar spektralny. Rezultatem jest stos płaszczyzn obrazu (dwuwymiarowych plastrów) w funkcji długości fali. Mapowanie i obrazowanie pozwalają na odkrycie w próbce trendów zmian, co byłoby niemożliwe, używając analizy punktowej.

Rysunek 5. Schemat trójwymiarowej macierzy danych spektralnych. 

Mapowanie polega na sukcesywnym zbieraniu kolejnych punktów wzdłuż wyznaczonej linii lub dwuwymiarowej siatki punktów. Standardowo do zbierania sygnału używa się detektora MCT z tellurku rtęciowo-kadmowego, a obszar zainteresowania zawęża się aperturą. Metoda obrazowania pozwala na jednoczesne zbieranie wielu widm z różnych punktów z użyciem detektora ogniskowej matrycy (FPA). Zastosowanie macierzy detektorów znacznie skraca czas pomiaru. W przypadku detektora 128x128 w tym samym momencie zbierana jest informacja z ponad szesnastu tysięcy punktów. Wielkość piksela, którego nie należy mylić z rozdzielczością, zależy od całkowitego powiększenia i fizycznego rozmiaru detektora.

Na pierwszej stacji końcowej linii CIRI użytkownicy mają możliwość obrazowania różnego rodzaju próbek z rozmiarem piksela sięgającym nawet 1.1 μm.

Autorzy: Karolina Kosowska, Kinga Wróbel, Tomasz Wróbel