盤點:紅外成像系統進展

　　隨著檢測器和數據處理系統的發展，傅立葉變換顯微紅外光譜技術在短短的二十幾年間從單純的顯微鏡與紅外光譜聯用，發展到了紅外成像系統。

　　將傅立葉變換紅外光譜儀中的紅外光束引入顯微鏡光路，可以獲得在顯微鏡下觀察到微小尺寸樣品的光學影像及相應成分的紅外光譜信息。由於紅外光的波長較長，紅外顯微鏡的空間解析度一般在6um左右。若採用單點檢測器收集紅外光譜，則為傅立葉變換顯微紅外光譜儀;若採用陣列檢測器收集紅外光譜，則為傅立葉變換紅外成像系統。紅外圖像系統的出現大大提高了樣品的檢測速度，目前在刑偵學、生物學、醫學、化學、材料科學和礦物學等諸多領域都得到了廣泛的應用。

　　無論是顯微紅外光譜儀或是紅外成像系統，使用者最關心的還是儀器的性能指標，也就是顯微模式下紅外光譜的信噪比及空間解析度，另外，如何從紅外光譜圖像中提取有用的信息，也是大家所關心的，下面將綜合這幾點，介紹紅外成像系統的進展。

　　一、信噪比

　　在紅外顯微鏡和紅外成像系統測試中，通過特殊設計的光學系統將測量光束直徑縮小到微米甚至亞微米量級，從而可測試尺寸非常小的樣品或者是大尺寸樣品中非常小的區域，顯然此時光通量遠遠小於常規紅外光譜儀，若要獲得高的信噪比，對整體光學系統的光路系統要求相應也有很大的很高，通常需要多個光學聚焦鏡(卡塞格林鏡)聯合使用，才能保證紅外光同軸，且能量損失最小，如圖1所示為PerkinElmer公司紅外光譜成像系統中的三卡塞格林鏡光學系統。

　　紅外光先從光源到達卡塞格林鏡1，該鏡為聚焦鏡，將光束聚焦，經過樣品，到達卡塞格林鏡2，即物鏡上，在此光路圖中，最重要的卡塞格林鏡為3號鏡，即到達檢測器前，將紅外光譜的信號再次聚焦，保證能量最大。

　　高的光通量，才能保證高的信噪比，所以紅外光譜成像系統中三卡塞格林鏡的光路設計在一定程度上決定了其較高的信噪比。

圖1 PerkinElmer公司紅外圖像系統中的三卡塞格林鏡光學系統

　　如前所述，在紅外顯微鏡和紅外成像系統的光通量遠低於常規紅外光譜儀，且掃描速度較快，常規紅外檢測器不能滿足要求，無論是單點還是圖像分析，均需要使用液氮冷卻的MCT檢測器以保證在快速測量時的高信噪比。此處需要說明，雖然測試速度比較慢，但是單點檢測器的信噪比更高、測量光譜範圍更寬。

　　紅外成像系統所用檢測器基本上可以分為兩種，一是焦平面陣列檢測器，另一種是線陣列檢測器。焦平面陣列檢測器包括兩類，第一類主要是由紅外顯微鏡和大面積焦平面陣列檢測器(凝視型，以64*64和128*128為主)組成，凝視型同時以步進掃描技術(Step Scan)作支撐;第二類主要是由紅外顯微鏡和小面積焦平面陣列檢測器(非凝視型，以16*16和32*32為主)組成，非凝視型不需要步進掃描技術作支撐，而是採用了快速掃描(Rapid Scan)的技術。由於焦平面陣列檢測器源於美國軍方的技術，美國國防部對此類產品向中國大陸的出口進行了限制，目前仍存在禁運的問題。因此，國內市場上常見的紅外光譜儀器公司如PerkinElmer、Thermo Fisher Scientific、JASCO等則提供雙排跳躍式線陣列檢測器(2*16或2*8)或線陣檢測器(1*16)，再結合快速掃描功能，實現紅外光譜成像質量和速度的雙重提高。目前各儀器廠商陣列檢測器的信噪比從150/1~800/1不等。

　　二、空間解析度

　　空間解析度是指被測試的樣品採用顯微紅外「見到」的最小測試面積。採用紅外顯微光譜儀器的可見光顯微系統對樣品進行觀察，選擇感興趣的測試區域，然後將其劃分成若干個採樣微區，通常將這些採樣微區稱為「像素(pixel)」。像素的尺寸是由儀器測試能力與樣品表徵要求共同決定的。較小的像素尺寸可以提高測試結果的空間解析度，但是光譜信噪比會降低，測量相同面積的區域時所需時間也要增加。

　　由於紅外光波長較長，易產生衍射現象，不能像可見顯微鏡將樣品放大至1um甚至更小，一般常規的紅外圖像系統空間解析度極限在6um左右，所獲得的紅外指紋圖譜為6*6um區域的信息集合。

　　若要提高紅外光譜成像系統的空間解析度，可以考慮選擇衰減全反射(ATR模式)。由於常規紅外光譜透射或反射成像時物鏡與樣品之間的介質為空氣，而ATR模式中物鏡與樣品之間的折射率更高的內反射晶體為介質，因而光束半徑可以更小，即成像測試時的空間解析度更高。例如，鍺的折射率是空氣的4倍，因此以鍺作為內反射晶體時，ATR模式的空間解析度比常規透射或反射模式高4倍左右。所以，在儀器廠家的宣傳中可見ATR模式空間解析度為1.56um的說法，應特別注意，此時為其名義空間解析度，或稱像素空間解析度，而非實際真正的空間解析度。

　　ATR模式包括ATR單點物鏡與ATR成像附件兩種測量方式。如圖2所示，如果使用ATR單點物鏡進行成像分析，每次只能測量與內反射晶體接觸的一個像素，然後使晶體與樣品脫離，移動樣品使內反射晶體接觸下一個像素並進行測量，直到獲得所有像素的光譜。很明顯的問題是，內反射晶體與樣品接觸後很容易被汙染，影響後續像素測試結果的準確性，而且所有像素逐個測量的方式非常耗時。如果使用ATR成像附件，內反射晶體與所測樣品一起固定在樣品臺上，二者之間沒有相對位移，避免了晶體汙染造成的測量誤差。樣品臺同步移動內反射晶體與所測樣品，改變紅外光束在內反射晶體上的入射位置，完成所有像素的測量。由於可以使用陣列檢測器，ATR成像的測試速度也非常快。但是，受到內反射晶體尺寸的影響，ATR成像的測試面積比較小(目前儀器上通常配備的反射晶體的直徑為500um，最大可以定製直徑為2 mm的晶體，但應同時考慮檢測器、軟體等因素)。此外， ATR單點物鏡與ATR成像附件有個共同的問題：該方法只能測量距離內反射晶體表面幾個微米深的樣品部分;在樣品表面與內部不一致時，該方法獲得的一般只是表面信息。

圖2 ATR紅外光譜成像的兩種測量方式。左：ATR單點物鏡;右：ATR成像附件。

　　2013年，Neaspec公司推出了nano-FTIR光譜儀，利用其獨有的散射型近場光學技術發展出來的納米傅立葉變換紅外光譜技術，使得納米級化學鑑定和成像成為可能。nano-FTIR光譜儀的工作原理如圖3所示，將一束寬帶中紅外雷射耦合進入近場顯微鏡(NeaSNOM)，對原子力顯微鏡(AFM)針尖進行照明， 通過一套包含分束器、參考鏡和探測器在內的傅立葉變換光譜儀對反向散射光分析，即可獲得針尖下方20 nm區域內的紅外光譜，使得紅外光譜成像系統的的空間解析度突破了微米的界限。該類型儀器綜合了AFM的高空間解析度，和FTIR的高化學敏感度，實現了對有機、無機材料的納米級化學分辨。

圖3 Nano-FTIR光譜儀的工作原理

　　圖4所示為在不使用任何模型矯正的條件下，nano-FTIR獲得的近場吸收光譜，由圖中可見，其分子指紋特徵與使用傳統FTIR光譜儀獲得的分子指紋特徵吻合度極高，這在基礎研究和實際應用方面都具有重要意義，因為研究者可以將nano-FTIR光譜與已經廣泛建立的傳統FTIR光譜資料庫中的數據進行對比，從而實現快速準確的進行納米尺度下的材料化學分析。對化學成分的高敏感度與超高的空間解析度的結合，使得nano-FTIR成為納米分析的獨特工具。

圖4 Nano-FTIR所獲得的光譜圖與傳統紅外光譜圖的比較

　　但目前昂貴的價格，較為複雜的操作(需要與AFM聯合使用)，以及紅外光譜波段的限制(每次掃描的波數範圍有限)，光譜解析度有待提高等，仍是該類儀器需要克服的難題，同時也是未來發展的方向。

　　三、紅外光譜成像的信息提取

　　使用合適的信息提取方法，從像素光譜中獲得所需要的信息，是紅外光譜成像技術應用的關鍵。成像所測量的數據為若干個像素的紅外光譜，這些像素具有特定的空間位置，一般用橫坐標和縱坐標來表示。如果按照測量時的空間位置進行排列，像素光譜數據需要表示為一個r*c*n維的矩陣，因此需要使用適當的數據處理方法，對上述矩陣進行降維。若將每張像素光譜均轉換為反映特定信息的單一數值之後，再按照像素的空間位置將這些數值排列成一個r*c維的矩陣，然後以二維或三維圖形表示出來，就得到了反映特定信息的數據採集區域的化學圖像。

　　常見的降維手段包括：像素光譜平均強度圖像，該方法可以反映測試區域內樣品數量較多的位置;像素光譜圖像特徵峰強度或面積圖像，該方法可以反映測試區域樣品中特徵官能團的分布情況;使用模式識別方法對像素光譜進行分類，根據像素光譜所屬類別將成像區域分割為不同部分，對各個部分的典型像素光譜進行解析，可以了解一些成分的分布情況等。

　　本課題組近期也提出了兩種新的振動光譜成像數據信息提取方法。 「主成分載荷乘積聚類分析-交替最小二乘法」 可用於沒有參考信息時的樣品化學成分非靶向解析; 「偏最小二乘投影-相關係數法」，則主要用於已知目標成分的靶向檢測，對微量成分的識別能力更強。若有興趣可查閱相關文獻，此處不多加描述。

　　(撰稿人：清華大學 周群)

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