Ứng dụng Kính hiển vi Hồng ngoại trong định danh mẫu sợi

Ứng dụng Kính hiển vi Hồng ngoại trong định danh mẫu sợi

Giới thiệu

Việc xác định sợi có tầm quan trọng cao trong khoa học pháp y vì nó có thể cung cấp bằng chứng dấu vết trong một vụ án hình sự. Một sợi tìm thấy tại hiện trường vụ án có thể cung cấp thông tin về tội phạm, ví dụ như về quần áo hoặc những nơi cụ thể mà tội phạm đã đến. Hơn nữa, sợi có thể được so sánh với các vật phẩm tương tự thu được từ nghi phạm và cung cấp mối liên hệ với vụ án.

Trong ngành dệt may, việc xác định từng sợi trong mẫu dệt may là một phần của quy trình kiểm soát chất lượng, ví dụ như để theo dõi sợi polyme không mong muốn được sử dụng trong quá trình kéo sợi. Ngoài ra, đối với những người bảo quản hiện vật dệt may, khả năng phân biệt giữa các sợi có nguồn gốc từ các vật liệu tự nhiên khác nhau (ví dụ như bông, sisal, vỏ, lụa và len) rất hữu ích để lựa chọn phương pháp xử lý phù hợp.

Kính hiển vi hồng ngoại (FT-IR Microscopy) là một công cụ mãnh mẽ để xác định thành phần hóa học của sợi tự nhiên và tổng hợp, cả hữu cơ và vô cơ. Nhờ độ phân giải cao nên chỉ cần một sợi duy nhất là đủ để thực hiện phân tích. Kính hiển vi hồng ngoại đo nhưng không phá hủy mẫu, nên các kỹ thuật phân tích khác có thể được áp dụng sau đó. Hơn nữa, kính hiển vi hồng ngoại cung cấp kết quả khách quan, và trong hầu hết các trường hợp thì việc phân tích sẽ nhanh hơn, dễ hơn và đôi khi có tính chọn lọc hơn so với các phương pháp cổ điển. Do những lợi ích đa dạng này, phương pháp kính hiển vi hồng ngoại được ASTM International mô tả là phương pháp tiêu chuẩn để phân tích pháp y mẫu sợi (ASTM E2224-10) và để xác định sợi trong hàng dệt may (ASTM D276-12).

Kỹ thuật ATR-(Attenuated Total Reflectance) giúp việc chuẩn bị mẫu trở nên tối thiểu để thực hiện phép đo kính hiển vi hồng ngoại. Chỉ cần cố định sợi trên một nền phẳng như tấm kim loại để tránh chuyển động của sợi trong quá trình đánh giá hình ảnh và xác định vị trí đo. Bài viết này sẽ giới thiệu các phép đo của các sợi tự nhiên và tổng hợp khác nhau bằng kính hiển vi hồng ngoại hoàn toàn tự động LUMOS II.

Hình 1. Kính hiển vi hồng ngoại LUMOS II có thể được dùng trong phân tích mẫu sợi

Thiết bị

Các phép đo sợi được trình bày được thực hiện bằng kính hiển vi hồng ngoại độc lập LUMOS II. Nó mang đến khả năng:

• Phân tích tự động hóa hoàn toàn và dễ sử dụng
• Khả năng hiển thị mẫu và hiệu suất quang phổ hồng ngoại có chất lượng cao
• Vật kính 8x cho các chế độ đo ATR, truyền quang và phản xạ và khả năng chụp ảnh hiển thị chất lượng cao
• Tất cả các thay đổi cần thiết của cài đặt phần cứng cũng như toàn bộ quy trình đo IR bao gồm các phép đo nền đều được thực hiện hoàn toàn tự động – ngay cả ở chế độ ATR, chế độ thông dụng để đo sợi
• Để cung cấp khả năng tiếp xúc hoàn hảo với các mẫu từ mềm đến rất cứng, thiết bị ATR cung cấp ba bước áp suất và được trang bị cảm biến áp suất bên trong vật thể ATR rất chính xác

Nhờ không gian làm việc lớn và khả năng tiếp cận bàn mẫu không bị cản trở nên việc định vị mẫu cực kỳ thuận tiện. Ngoài ra, để có hiệu suất và sự tiện lợi tối đa, LUMOS II có trang bị thêm:

• Tinh thể Germanium ATR có động cơ với điều khiển áp suất bên trong
• Trường nhìn lớn: 1,5 x 1,2 mm
• Tự động thay đổi khẩu độ số giữa chế độ IR và Vis để đạt được độ sâu trường ảnh cao khi kiểm tra hình ảnh mẫu, nhưng cũng có độ nhạy cao nhất khi phân tích IR
• Đèn LED ánh sáng trắng độc lập chiếu sáng trong truyền và phản xạ
• Camera CMOS nhanh với zoom 4x
• Bệ mẫu có động cơ (tùy chọn), độ chính xác vị trí 0,1 µm
• Phụ kiện macro tùy chọn cho phép sử dụng tất cả các mô-đun lấy mẫu QuickSnap từ máy quang phổ FT-IR ALPHA II

Quy trình đo mẫu sợi

Trước khi đo, mẫu sợi được cố định trên một tấm kim loại bằng băng dính. Để phân tích, tấm kim loại được đặt trên bệ mẫu của kính hiển vi hồng ngoại. LUMOS II với các phần cứng đã được cơ giới hóa kết hợp với phần mềm OPUS giúp hướng dẫn người dùng rất hiệu quả trong suốt quá trình thu thập dữ liệu. Tất cả các thay đổi về thiết lập phần cứng đều được thực hiện bằng phần mềm điều khiển. Giao diện người dùng luôn hiển thị cho người vận hành các chức năng phù hợp cho bước hiện tại.

Hình 2. Quan sát hình ảnh mẫu sợi dùng phần mềm trên LUMOS II. Hình ảnh thực của mẫu được thể hiện ở giữa, và hình ảnh được chụp và lưu lại thì hiển thị ở bên phải.

Hình 2 cho thấy giao diện người dùng trong quá trình quan sát mẫu sợi, và có thể chụp ảnh mẫu bằng máy ảnh kỹ thuật số. Thanh chức năng ở bên trái cung cấp các chức năng hữu ích cho bước này, như cài đặt bộ phân cực để tăng cường độ tương phản. Cửa sổ giữa hiện hình ảnh mẫu được xem trực tiếp từ máy ảnh, và phần tổng quan ở bên phải thể hiện các ảnh đã được chụp và lưu lại.

Hình 3 bên dưới thể hiện các vị trí đo trên mẫu sợi. Có thể thay đổi kích thước và xoay các hình chữ nhật màu đỏ để cài đặt khẩu độ tự động theo kích thước mẫu riêng cho vị trí đo. Để luôn cung cấp phổ nền tối ưu cho các vị trí mẫu có kích thước khẩu độ khác nhau, LUMOS II cung cấp chế độ mà khi khẩu độ thay đổi thì phổ nền mới sẽ được đo lại. Trong chế độ ATR, tinh thể ATR sẽ di chuyển đến vị trí tiêu điểm nhờ bộ truyền động được điều khiển bằng áp điện để thực hiện việc đo nền mẫu.

Hình 3. Xác định vị trí đo và điều chỉnh kích thước và hình dạng khẩu độ đo (được biểu thị qua hình chữ nhật màu đỏ)

Ví dụ phân tích mẫu sợi nhân tạo

Hình 4 bên dưới biểu thị 5 mẫu sợi với hình dạng khá giống nhau được chuẩn bị trên một bàn mẫu đen. Dù bên ngoài nhìn khá giống, nhưng dữ liệu hồng ngoại bên phải của hình 4 chứng mình được chỉ có 2 mẫu sợi có cùng nguồn gốc polyme. Các mẫu sợi sau đó được định danh một cách dễ dàng nhờ sử dụng kho dữ liệu thư viện chuyên dụng của Bruker (Bruker Synthetic Fibers Library), xem hình 5.

Hình 4. Sợi tổng hợp được chuẩn bị trên đĩa lấy mẫu (trái) và phổ hồng ngoại tương ứng (phải). Tìm kiếm trong thư viện quang phổ cho phép dễ dàng xác định thành phần hóa học của sợi. Mặc dù hình thức bên ngoài rất giống nhau, nhưng chỉ có hai sợi được làm từ cùng một loại polyme

Hình 5. Phổ sợi đo được (màu đỏ) được xác định rõ ràng là Nylon bằng cách tìm kiếm trong thư viện phổ Sợi tổng hợp Bruker: Bảy kết quả đầu tiên trong danh sách có nguồn gốc từ các tham chiếu sợi Nylon nguyên chất. Phổ của kết quả 1 (màu xanh lam) và kết quả 4 (màu xanh lục) được hiển thị để so sánh

Ví dụ phân tích mẫu sợi tự nhiên

Kết quả đo mẫu có hai sợi chéo được hiển thị trong hình 6 trong cửa sổ Chemical Imaging của phần mềm OPUS. “Overview” phía trên bên trái cho phép lựa chọn các hình ảnh hiển vi có sẵn. Việc phóng to và điều hướng trên hình ảnh đã chọn được thực hiện bằng hình chữ nhật màu đỏ. “Selection view” phía trên bên phải hiển thị vùng đã phóng to với các vị trí đo, và bao gồm khẩu độ đã sử dụng và chú thích. Theo màu của các vị trí đo, phổ mẫu được hiển thị trong “Spectra view” cùng với phổ tham chiếu, ví dụ như từ các thư viện quang phổ. Phổ IR cho thấy rõ ràng rằng sợi dưới (phổ màu xanh) được làm từ len (phổ tham chiếu màu đen) trong khi sợi trên (phổ màu đỏ) được làm từ bông (phổ tham chiếu màu cam).

Hình 6. Phổ màu xanh bắt nguồn từ sợi dưới, phổ màu đỏ bắt nguồn từ sợi trên. Để so sánh, phổ tham chiếu được hiển thị (màu đen: len, màu cam: cotton).

Ví dụ phân tích hình ảnh từ mẫu tóc của người

Kính hiển vi IR thậm chí còn cho phép phát hiện và hiển thị được các biến thể hóa học trên bề mặt của một sợi đơn. Ví dụ bên dưới cho thấy phép đo một sợi tóc người đã được tẩy một phần. Để mở rộng phạm vi đo và để ngăn ngừa biến dạng mẫu do tiếp xúc với tinh thể ATR, tóc đã được làm phẳng bằng cách sử dụng cell nén làm bằng kim cương trước khi đo.

Phép đo dạng line map được thực hiện dọc theo tóc bao phủ phần tóc đã tẩy và phần tóc chưa tẩy (mọc dài ra). Quá trình tẩy ảnh hưởng đến vùng dấu vân tay của phổ IR, ví dụ các band ở 1180 cm^-1 và 1040 cm^-1 có sự tăng trong cường độ tín hiệu. Hình 7 cho thấy hình ảnh hóa học dựa trên kết quả tích phân tín hiệu ở band 1040 cm^-1, và được chồng lên hình ảnh trực quan của tóc. Với cường độ tích phân tại mỗi vị trí đo được mã hóa màu sắc và kích thước, hình ảnh cho thấy rõ sự khác biệt về mặt hóa học giữa tóc đã tẩy và chưa tẩy.

Hình 7. Đo line map trên tóc người bao phủ các vùng tẩy và không tẩy. Các hình chữ nhật màu đỏ biểu thị độ phân giải của phép đo. Hình ảnh hóa học được chồng lên hình ảnh chụp được giúp trực quan hóa sự khác biệt giữa tóc tẩy và không tẩy dựa trên band IR ở khoảng 1040 cm^-1

Kết luận

Kính hiển vi IR là một kỹ thuật đã được ban bố để định danh hóa học của sợi tổng hợp và sợi tự nhiên. Khả năng chụp ảnh của phương pháp kính hiển vi IR thậm chí còn cho phép thấy được sự khác biệt về hóa học trên các sợi đơn lẻ với độ phân giải cao. Với kính hiển vi IR độc lập hoàn toàn tự động LUMOS II, việc phân tích sợi có thể được thực hiện mà không cần chuyên môn quá nhiều về quang phổ IR. Quy trình làm việc được hướng dẫn bằng phần mềm trực quan cho phép ngay cả những người chưa được đào tạo cũng có thể nhanh chóng thực hiện phép đo và đánh giá dữ liệu quang phổ.