CN112771370A - 用于制备红外显微镜薄样本的牺牲性夹具 - Google Patents
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Abstract
公开了一种制备用于通过ATR物镜观察的样品(53)的方法和用于保持样品(53)的设备(50)。ATR物镜贴着样品(53)的平面ATR反射表面。所述方法包括将样品(53)夹在材料的第一和第二支撑层(51、52)之间，并切割第一和第二支撑层(51、52)和样品(53)，以产生切割平面表面，该切割平面表面具有在平面中位于第一和第二支撑层(51、52)之间的切割样品(53)。切割平面表面放置成与ATR物镜接触，其中样品(53)靠在ATR反射表面上。
Description
背景技术
量子级联激光器提供了一种可调谐的中红外(MIR)光源，可用于光谱测量和成像。许多感兴趣的化学成分具有在光谱的MIR区域激发的分子振动，所述区域的波长在5至25微米之间。因此，测量样品上不同位置的MIR光吸收可以提供关于作为样品位置的函数的样品化学性质的有用信息。
一类成像光谱仪根据样品上的位置和MIR照射光的波长来测量从样品直接反射的光。反射的光量取决于样品的化学和物理属性，因为光既可能因样品中的吸收(反映样本的化学组成)而损失，也可能因散射(取决于样本表面的物理状态)而损失。因此，将直接反射吸收产生的光谱与文库中已知的化学吸收光谱进行比较是一项重大挑战。
利用衰减全反射(ATR)照射样本的系统避免了样本对入射光散射造成的问题。然而，样品的表面必须基本上是平坦的，因为与样本相互作用的电场只延伸到ATR物镜反射表面以下几微米。许多感兴趣的样品都不在这个公差范围内。此外，许多样品不太适合平面化。
发明内容
本发明包括一种制备用于通过ATR物镜观察的样品的方法和用于保持样品的设备。该ATR物镜的特征在于ATR反射表面，所述方法包括将样品夹在材料的第一和第二支撑层之间，并切割第一和第二支撑层和样品，以产生切割平面表面，该切割平面表面具有在平面中位于第一和第二支撑层之间的切割样品。
在本发明的一个方面，切割平面表面放置成与ATR物镜接触，其中样品靠在ATR反射表面上。
在本发明的另一方面，在虎钳结构中压靠样品的第一和第二支撑层包括相对于彼此移动的第一和第二虎钳构件。
在本发明的另一方面，第一和第二支撑层分别是第一和第二虎钳构件的一部分。
在本发明的另一方面，第一和第二支撑层在切割第一和第二支撑层的过程中被夹紧在一起。
在本发明的另一方面，第一和第二支撑层包括聚乙烯。
在本发明的另一方面，第一和第二支撑层与样本相比可压缩性更高。
在本发明的另一方面，第一和第二支撑层与第一和第二虎钳构件是分开的。
根据本发明的设备包括：第一和第二支撑构件，所述第一和第二支撑构件具有表面，所述表面适于接收样本并在第一和第二支撑构件被压在一起时固定样本；第一和第二虎钳构件，适于将第一和第二支撑构件压在一起，使得第一和第二支撑构件延伸到第一和第二支撑构件的外部，使得第一和第二支撑构件和样本可以切割以形成平面，其中切割样本和切割支撑构件呈现在公共平面中，而不切割第一和第二虎钳构件；和用于将第一和第二虎钳构件压在一起的机构。
在本发明的另一方面，第一和第二支撑构件是第一和第二虎钳构件的延伸部。
在本发明的另一方面，第一和第二支撑构件与第一和第二虎钳构件是分开的。
在本发明的另一方面，第一和第二支撑构件由支撑材料构成，第一和第二虎钳构件由虎钳材料制成，虎钳材料不同于支撑材料。
在本发明的另一方面，支撑材料比虎钳材料更容易切割。
在本发明的另一方面，第一和第二支撑构件与样本相比可压缩性更高。
在本发明的另一方面，第一和第二支撑构件包括聚乙烯。
附图说明
图1示出了一个附着在样本上的简单的ATR光学系统。
图2示出了可以实施本发明的扫描ATR系统。
图3A-3C示出了根据本发明的样本夹具的一个实施方案。
图4A说明了当柔性样品被夹住时遇到的问题，其中一部分样品在夹具边缘的上方。
图4B示出了作为止动件的夹具。
图5示出了根据本发明的样本架的另一个实施方案。
图6A和图6B示出了可用于本发明的夹紧机构的另一个实施方案。
图7是固定在两个牺牲层之间的样本的俯视图，牺牲层由比样本可压缩性更高的材料构成。
具体实施方式
在成像ATR扫描系统的背景下，可以更容易地理解本发明提供其优点的方式；然而，从下面的讨论中将变得明显的是，本发明可以有利地用于许多不同的系统中。
参考图1，其示出了一个附着在样本上的简单的ATR光学系统。图1是界面晶体的截面图，该界面晶体有助于在反射几何模式下测量样品27对光的吸收。晶体21具有高折射率。光束26通过端口22进入晶体21，并以大于临界角的角度撞击小平面23。光束从小平面23全反射，并通过端口24离开晶体。在光束从小平面23反射的点处，与光束相关联的电场延伸到晶体外部，如25所示。如果小平面23下的介质吸收在光束26的波长处的光，则倏逝场将与介质相互作用，并且能量将从光束传递到介质。在这种情况下，离开晶体21的光束中的能量将减少。作为波长的函数的输入和输出光束之间的强度差是匹配高品质透射光谱的光谱，并且可以容易地用于匹配各种化合物的常规光谱。
虽然上述类型的界面晶体在测量样品上一个点的MIR光谱时很有用，但如果需要样本上一个区域的图像，特别是如果样本表面不光滑，这就带来了挑战。
2018年1月9日发布的美国专利9,863,877教导了一种ATR测量系统，其中输入光束的相互作用点可以在样本上快速扫描，而不需要移动晶体。现在参考图2，其示出了可以实施本发明的扫描ATR系统60。来自激光器61的光18被分束器62分成两束。第一光束被导向检测器63a，该检测器测量激光脉冲的强度。第二光束被导向位置调制器64，该位置调制器调节光束在离轴抛物面反射器65上的照射点。照射的位置决定了来自抛物面反射器65的光撞击第二离轴抛物面反射器66的位置。抛物面反射器66重新准直光束，并设置光束的直径以匹配ATR物镜67的输入孔径。进入ATR物镜67的光束的倾斜度由抛物面反射器65上的照射点决定。由ATR物镜67反射回来的光沿着入射光的路径折回，并且该光的一部分被分束器62引导到检测器63b中。控制器69然后可以确定在来自ATR物镜67的反射中损失的光量，从而确定样品27吸收的光量。为了对样品27上的另一个小区域成像，控制器69操作三轴载物台68。扫描的区域由用户使用用户接口74来确定。
许多感兴趣的样本具有不规则的表面。由此产生的高度变化通常远大于ATR物镜反射面处的电场深度。如上所述，ATR物镜反射面以下的电场深度为几微米。因此，除非表面变化小于几微米，或者样品是可压缩的，否则当物镜与样本接触时，通常存在无法预先预测的孤立接触点。因此，提供一种用于在使样本与反射表面接触之前规划样本表面的系统将是有利的。规划许多感兴趣的样本带来了挑战，尤其是在样本很小且脆弱或灵活的情况下。
现在参考图3A-3C，其示出了根据本发明的样本夹具的一个实施方案。图3A是在将样本53插入夹具50之前夹具50的剖视图。夹具50包括固定区段51和通过拧紧螺纹构件57相对于区段51移动的活动区段52。实际上，样本53被放置在区段51和52之间，以便延伸到区段51和52的顶部之上，如图3B所示。然后将这两个部分夹紧在一起，使得样本53保持在区段51和52之间。选择区段51和52的材料，使得该材料可以通过研磨或类似工艺容易地切割或去除。在样本已经被夹在两个区段之间之后，沿着线54移除区段的顶部。去除后，样本与区段51和52的顶面齐平，并夹在它们之间。
为了利用ATR光谱，样品必须放置在非常靠近ATR物镜反射表面的地方，或者与ATR物镜直接接触。这一要求给易碎、脆弱、非常柔性的样品带来了问题。现在参考图4A，其说明了当柔性样品被夹住时遇到的问题，其中一部分样品在夹具边缘的上方。当ATR物镜71与样品接触时，反射表面和样品之间的力会导致样品弯曲，如73所示，或者实际上断裂。相反，用本发明的夹具制备的样品与夹具的顶面齐平。因此，夹具的顶面作为一个止动件，允许ATR物镜接触样品，但限制了施加到样品上的力，因为夹具本身提供了一个止动件，如图4B所示。
在上述实施方案中，牺牲了夹紧机构的一部分，以提供准备好与ATR物镜接触的齐平安装的样品。在这种布置中牺牲的材料量可能很大。此外，夹紧机构的主体必须由具有显著结构刚性的材料制成，这在切割材料以制备样品时会带来挑战。
现在参考图5，其示出了根据本发明的样本架的另一个实施方案。样本架80与夹具50的不同之处在于，样品85被夹在两个牺牲层83和84之间，这两个牺牲层通过螺母87与机械体81和82分开，因此，可以由不同于机械体的材料构成，而不会显著降低机械体的结构强度。
牺牲层只需要在牺牲层和样品被切割时具有足够的刚性来支撑样品85，并且在ATR物镜与样品接触时将切割的样品保持在适当的位置。此外，夹紧机构的剩余部分没有被牺牲，因此，样品制备的成本显著降低。
在一个实施方案中，制作牺牲层的材料被选择为在样品确实吸收的波长下在MIR中具有尽可能小的吸收。从ATR物镜的反射表面反射的光所产生的电场横向和纵向延伸。因此，在靠近样品边缘的区域，如果不选择材料来避免这种吸收，牺牲支撑层可能会吸收大量的光。
在一个示例性实施方案中，牺牲层由低密度聚乙烯构成。所讨论的材料和厚度允许用切片机切割样品和牺牲材料。此外，该材料在MIR中的吸收非常小，并且该材料确实具有的吸收带很容易与感兴趣的样本中发现的大多数材料区分开来。相比之下，环氧树脂具有很强的红外吸收率，因此会污染样本和牺牲层之间界面附近的测量。
低密度聚乙烯比其他材料有许多优点。首先，该材料足够柔软，使得牺牲层的剩余边缘不会损坏ATR光谱中通常使用的ATR晶体。锗和硒化锌晶体非常脆弱，因此，如果被环氧树脂、金属层和包埋树脂等硬材料挤压，很容易损坏。在本发明的一个方面，牺牲材料比样本可压缩性更高，因此，样本将更好地与ATR晶体接触，因为样本上方的任何剩余材料都将被压缩，因此不会阻止样本与ATR晶体接触。
具有比样本可压缩性更高的牺牲层也有利于样本相对于牺牲层的固定。当牺牲层被压缩时，牺牲层将倾向于在样本周围弯曲，因此，在夹紧后，抑制样本相对于牺牲层的任何移动。
牺牲层材料和ATR晶体之间的接触不应在晶体上留下残留物或迁移到样本中。应该注意的是，蜡和可固化包埋树脂都存在这个问题。低密度聚乙烯没有这个问题。此外，样本不容易从灌封化合物中取出，而样本可以与聚乙烯牺牲层分离。
上述实施方案利用特定的夹紧机构，用于在切割牺牲层之前将样本夹在牺牲层之间。然而，也可以使用其他夹紧装置。现在参考图6A和图6B，其示出了可用于本发明的夹紧机构的另一个实施方案。在该实施方案中，夹住样本93的牺牲层91和92由94和95所示的两个弹簧夹保持就位。在应用夹具94和95之前，通过将牺牲层和样品放置在虎钳机构中，可以将牺牲层围绕样品压在一起。
如上所述，使用比样本可压缩性更高的牺牲层是有利的。现在参考图7，其是固定在两个牺牲层之间的样本93的俯视图，牺牲层由比样本可压缩性更高的材料构成。在本发明的这一方面，牺牲层101和102围绕样本93变形，因此抑制了样本93相对于牺牲层101和102的任何侧向运动。
已经提供了本发明的上述实施方案以示出本发明的各个方面。然而，应当理解，在不同的具体实施方案中示出的本发明的不同方面可以被组合以提供本发明的其他实施方案。另外，根据前面的描述和附图，对本发明的各种修改将变得显而易见。因此，本发明仅受所附权利要求书的范围限制。
Claims (15)
1.一种制备样品的方法，所述样品用于通过以ATR反射表面为特征的ATR物镜进行观察，所述方法包括：
将所述样品夹在第一和第二材料支撑层之间；以及
切割所述第一和第二支撑层和所述样品，以产生切割平面表面，该切割平面表面具有在平面中位于所述第一和第二支撑层之间的切割样品。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述切割平面表面放置成与ATR物镜接触，所述样品靠在所述ATR反射表面上。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一和第二支撑层在虎钳结构中被压靠在所述样品上，所述虎钳结构包括相对于彼此移动的第一和第二虎钳构件。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述第一和第二支撑层分别是所述第一和第二虎钳构件的一部分。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一和第二支撑层在所述第一和第二支撑层的所述切割过程中被夹紧在一起。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一和第二支撑层包括聚乙烯。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一和第二支撑层与所述样品相比可压缩性更高。
8.根据权利要求3所述的方法，其中所述第一和第二支撑层与所述第一和第二虎钳构件是分开的。
9.一种设备，其包括：
第一和第二支撑构件，所述第一和第二支撑构件具有表面，所述表面适于接收样本并在所述第一和第二支撑构件被压在一起时固定所述样本；第一和第二虎钳构件，适于将所述第一和第二支撑构件压在一起，使得所述第一和第二支撑构件延伸到所述第一和第二支撑构件的外部，使得所述第一和第二支撑构件和所述样本可以切割以形成平面，其中切割样本和第一和第二切割支撑构件呈现在公共平面中，而不切割所述第一和第二虎钳构件；和
用于将所述第一和第二虎钳构件压在一起的机构。
10.根据权利要求9所述的设备，其中所述第一和第二支撑构件是所述第一和第二虎钳构件的延伸部。
11.根据权利要求9所述的设备，其中所述第一和第二支撑构件与所述第一和第二虎钳构件是分开的。
12.根据权利要求11所述的设备，其中所述第一和第二支撑构件由支撑材料构成，并且所述第一和第二虎钳构件由虎钳材料制成，所述虎钳材料不同于所述支撑材料。
13.根据权利要求12所述的设备，其中所述支撑材料比所述虎钳材料更容易切割。
14.根据权利要求9所述的设备，其中所述第一和第二支撑构件与所述样本相比可压缩性更高。
15.根据权利要求9所述的设备，其中所述第一和第二支撑构件包括聚乙烯。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |