FTIR是一種行之有年,被廣泛用於各類分子鑑定的技術(FTIR分析原理),例如鑑定藥物純度與結構、聚合物結構、環境汙染物、油品品質與生物液體中蛋白質、溫室氣體、環境空氣監測、材料化學、鋰電池材料等。 FTIR雖被廣泛用於物質鑑定,但由於硬體設計限制,僅能用於公厘(mm)至公分(cm)尺寸等級的樣品。若想應用在如塑膠微粒之類的微米等級(μm)樣品上,由於探測器與樣品間的尺度差異過大,若強行分析,只能測到大量的背景訊號與非常微弱的樣品訊號,就如同隨手拿一把短尺去測量頭髮寬度一樣,得不到有意義的數據。因此科學家們開發了將顯微鏡與FTIR合而為一的顯微FTIR,讓紅外線能聚焦在微小樣品上進行FTIR分析。此外,搭配特殊的成像探測器,還可以像拍照一樣,獲得樣品的FTIR圖像,就如下方圖片所示,不同顏色的部位即代表不同組成的化合物。

圖1:紅外成像顯微鏡可以輕鬆分析複雜生物結構,並以一目了然的圖像方式呈現
顯微FTIR的應用領域
無論在產業或學術領域上,只要有微小物質鑑定需求,顯微FTIR技術都能派上用場。
- 顯微FTIR技術可以對聚合物薄膜進行多層分析,如電池隔離膜、螢幕偏光膜、醫用薄膜與包材等。這類薄膜由非常薄的不同聚合物層製成,每一層的成分和厚度均需嚴格符合規格且無缺陷,利用顯微FTIR技術,你可以從薄膜的側面一層一層進行分析,確保其成分與厚度皆正確。
- 顯微FTIR技術可用於金屬上的防腐蝕塗層、包裝袋上的黏合層均勻度、鑽頭上的鑽石塗層厚度、電子元件或PCB板塗層的檢查。
- 顯微FTIR技術可以研究汙染物、塑膠微粒等微小汙染物,在環境分析應用中特別有用。
- 顯微FTIR技術可用於鑑別產品上的微小瑕疵點或故障點,進而判斷問題成因。
- 顯微FTIR技術可用於刑事鑑定上的微小顆粒或物質分析,例如鑑定細小纖維的組成。
顯微FTIR的硬體設計選擇
根據不同的使用需求與情境,使用者須挑選適合的光圈設計與FTIR探測器,才能得到有意義的數據。
1. 光圈設計:
光圈設計攸關紅外線透過的量,且理想上透過光圈後的紅外線必須要完全打在樣品上,以確保獲得的光譜確實來自感興趣的樣品點位。想像一下,現在要確認PET基質內的10µm聚乙烯薄片是否正確鑲入,若使用的光圈直徑為30µm,分析圖譜將不只會測得10µm聚乙烯薄片的訊號,也會同時測得PET基質訊號而干擾到圖譜的呈現,因此選擇正確的光圈孔徑攸關分析數據的品質,以下是目前主流的兩種孔徑切換方式:
- 針孔光圈(Pinhole aperture):
最簡單且便宜的選擇。由一個帶有各種尺寸光圈的圓盤組成,只需轉動圓盤即可選擇最適合該實驗的光圈尺寸,確保光圈只涵蓋到目標物。
- 刀口光圈(Knife edge aperture):
相較針孔,刀口光圈的成本高,但可以提供更精確的量測,這種光圈由一個矩形開口和四個刀片組成,每個刀片都可以各自獨立移動,能精準調整到適當的光圈大小,甚至可以全自動調整光圈大小,得到最精準的分析光譜。

圖2:左為針孔光圈、右為刀口光圈
因此,越小的樣品會需要越小的光圈,而光圈越小,能穿過光圈的紅外線勢必越少,訊號也會更弱,所以需要靈敏度更高的FTIR探測器。
2. 顯微FTIR探測器:
顯微FTIR的探測器也有多種選擇,主要可分為兩個基本類別:單元探測器與成像探測器。
- 單元探測器(Single element detectors):
一般用於顯微FTIR分析的探測器,依照樣品尺寸不同,由大到小排序可分為:- (1) DLaTGS探測器:
- 此種探測器具有高效的熱釋電效率(Pyroelectric effect),不需要外部冷卻就能產生高品質光譜,但隨著樣品變小,到達探測器的光越少,光譜品質便會迅速下降。
(2) TE-MCT探測器:
若樣品尺度低於50μm,最好選擇使用了熱電冷卻技術的MCT(碲化汞)探測器,以提供更好的靈敏度。
(3) LN-MCT探測器:
若樣品尺寸低於10μm,則建議選擇液態氮冷卻MCT(LN-MCT),可提供最強大的偵測能力。
- 成像探測器(Imaging detectors):
利用顯微FTIR所產生的光譜資訊繪製成圖,可幫助了解樣品中的化合物分布或結構,廣泛用於醫學、品質控制與故障分析,例如在醫學上進行組織樣品的鑑定,顯示碳水化合物、蛋白質、脂質等分布,藉此快速篩查疾病或變異癌細胞;在製藥行業,成像技術可以快速掃描整片錠劑,查看活性成分的分布狀況;在半導體業則可用於快速掃描大型矽晶圓,查看晶圓中是否有任何微米級雜質。

圖3:顯微FTIR能將樣品的光譜資訊轉化成人眼可見的視覺資訊
- 成像探測器又可分為三種類別:
- (1) 單點式繪圖(Single point mapping):
- 最基本的成像方式,藉由大量收集樣品每個點上的紅外線光譜,便能拼接成完整的化學圖像。這種作法的缺點非常直觀──成像速度緩慢。若考慮到時間成本,則建議使用下方兩種成像專用探測器。
- (2) 線陣列探測器(Line array):
- 這種探測器會將多個單點式探測器整合排列成一條線,一次分析便能得到多個光譜,藉由逐行掃描樣品,就能將光譜拼接成一張圖。
- (3) 焦平面陣列探測器(常稱作FPA,Focal plane array):
- FPA探測器是用於FTIR成像的最先進探測器技術。這些探測器由排列成正方形的紅外探測器陣列組成(例如64 x 64探測器)。有了這麼多的探測器,一次分析便能獲取數千個光譜,幾乎就像數位相機一樣。FPA探測器的成像能力遠遠超過其他的探測器,即使是大面積的化學圖像也可以快速生成,具有出色的解析度,因此可以在最短的時間內產生最高清晰度的圖像。

圖4:成像探測器的三種類別
- 以下影片使用了LUMOS II FTIR紅外成像顯微鏡來示範如何運用FTIR成像分析組織樣本。影片中使用小麥組織樣本,展示測量樣品的蛋白質、脂肪和碳水化合物分布的過程,內容包括準備樣品、選擇檢測模式和校正背景。
結語
顯微FTIR技術適用於分析細小、纖薄或需要精確測量的樣品,是研究顆粒、薄膜、塗層或有成像需求的首選技術。它廣泛應用於品質控制、故障分析或學術研究,如塑膠微粒成分研究、多層膜的厚度與成分確認、金屬防蝕塗層均一性與純度檢查、大型生物組織成像、錠劑中活性成分分布研究及大型樣品缺陷研究等。
即便是在刑事鑑定領域,顯微FTIR也具有相當大的優勢,畢竟在這個領域上,再微小的纖維、顆粒或痕跡都可能具有重大意義,例如用於車禍肇事逃逸,顯微FTIR能鑑定殘留於車輛外殼上的外來車漆殘留。
若一般FTIR已經無法滿足您對樣品分析上的極致追求,FTIR紅外成像顯微鏡會是您更好的選擇,如果顯微FTIR還是無法滿足您追求的極限,那結合了QCL量子串聯雷射的FTIR紅外雷射成像顯微鏡可以提供最高靈敏度、信噪比、掃描速度與解析度,是顯微FTIR領域的先驅與創新者。
欲了解更多的儀器資訊與實驗細節,歡迎來電洽詢02-2728-2767或來信與我們聯繫
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