談過FTIR原理後，今天來談談FTIR的量測技術。FTIR指的是以傅立葉轉換法進行數據收集運算的紅外線光譜儀，如果要在更進一步細分下去，其實FTIR還可以分為三種不同的量測方式：穿透式、反射式與ATR(衰減全反射)，這些技術都基於FTIR基本原理去獲取數據，但紅外線光譜產生並不相同，因此適用的樣品也略為不同，本次分享的內容會先從這三種技術說起，讓各位可以更加瞭解FTIR光譜儀的細節，了解開如何選擇適合您樣品的量測技術，另外再加碼分享近年來更加新穎的應用：顯微FTIR與FTIR成像技術。
一、穿透式FTIR
穿透式技術是最原始的紅外線量測技術。當紅外線穿透樣品，樣品會吸收部分紅外線，剩餘的紅外線穿過樣品並被探測器接收，並藉由軟體轉換為穿透式紅外線光譜，運作邏輯十分簡單易懂。
圖1：穿透式FTIR
雖然運作邏輯簡單，但實際操作起來未必如此方便。舉例，若樣品因為太厚，穿過樣品後剩下的紅外線會過少，會讓圖譜品質變差；或是樣品為粉末狀，紅外線可能無法穩定穿過樣品，影響實驗再現性。為了避免這些測量問題，樣品需要處理過才能分析，像是切薄、打錠或稀釋等，根據樣品型態不同，處理方式也會不同，以下為幾種常見的樣品型態與處理方式：
- 固體樣品：將樣品切成薄片放到KBr視窗上進行FTIR掃描；若樣品本身夠薄(<15 μm)，像是聚合物薄膜、金屬表面的塗層或生物組織等，紅外線可透過樣品直接分析；若樣品是粉末狀，常見的做法則是將樣品粉末與KBr混和，利用打錠機把樣品打成薄透的圓片，再利用FTIR進行分析。
- 液體樣品：將樣品滴在偵測視窗上便可直接量測；若直接量測的訊號過強，則使用不吸收紅外線的試劑(如CCl4)稀釋後，再用FTIR量測。
- 氣體樣品：需將氣體樣品灌進適當的氣體槽(gas cell)中，以FTIR量測訊號。
簡單來說，穿透式FTIR常需要事先處理樣品，而這些處理方式往往是破壞性的，所以在現今的應用上，穿透式FTIR僅用於特定的領域，例如檢查聚合物薄膜、蛋白質或是水中的油分等，也被廣泛應用在法醫領域，用來分析組織樣品或塑膠微粒。
二、ATR FTIR
ATR全名為Attenuated Total Reflection，也稱為衰減式全反射，由於不需要樣品前處理，已經成為現在FTIR測量技術的主流。在進行ATR檢測時，樣品被置於晶體頂端(通常由鑽石、鍺或硒化鋅製成)，當紅外線穿過晶體並接觸到樣品時，一部分的紅外線被樣品吸收，剩下的紅外線被反射並再次通過晶體，最後抵達到探測器上。
圖2：ATR FTIR
在這種技術中，只有一小部分的紅外線會輕微穿透過樣品並迅速衰減(稱為evanescent field或evanescent wave)，所以紅外線與樣品會有幾微米的交互作用，不像穿透式紅外線那樣完全穿過樣品，所以ATR進行紅外線光譜分析時幾乎不需要樣品前處理，使這種分析技術執行起來非常簡單，不論是液體、粉體、糊狀物等，幾乎所有類型的樣品都可以使用，而且ATR在實驗後很容易清潔，只要軟布跟一點酒精就夠了。
圖3：ATR FTIR的衰減原理
ATR晶體材料選擇方式
ATR非常萬用，但必須根據樣品的特性選擇適當晶體，常用的晶體有三種：鑽石、鍺以及硒化鋅。
圖4：ATR晶體材料特性比較
- 鑽石ATR：通用型的晶體，具硬度高且具高化學惰性，幾乎適用於任何樣品，而且還非常耐用，若使用高壓型ATR組件，鑽石更是唯一的晶體選擇，但若樣品的折射率高於鑽石，像是填充了碳黑的橡膠，則必須選擇其他類型的晶體。
- 鍺ATR：折射率比鑽石高上許多，適用於其他晶體無法分析的樣品，且鍺擅長分析吸收性強的深色物質，再加上浸沒透鏡效應(immersion lens effect)的影響，可以提高解析度，所以鍺ATR被廣泛用於顯微FTIR設備上；由於鍺ATR的穿透深度較短，所以相當適合用於樣品表面的薄層分析，例如聚合物薄膜塗層，但鍺仍有些缺點，首先是它的光譜範圍較窄，使得分析範圍受限，它也容易被較硬的樣品劃傷或壓凹。
- 硒化鋅ATR：跟鑽石類似，同樣被廣泛應用於各種分析上，但價格比鑽石便宜許多，缺點是耐用性不如鑽石，不只硬度較低，較易損壞，耐化性也有差，僅能在pH值5-9之間進行操作；若樣品pH值大於9，硒化鋅晶體會損壞，若樣品pH值小於4，則會與硒化鋅晶體起化學反應，生成有毒且易燃的SeH2氣體。
其他ATR晶體配件
另一種可以考慮使用的晶體配件是多重反射配件，由硒化鋅製成的長方形ATR晶體，可以讓紅外線進行多次反射，這表示可以增加樣品吸收的紅外線量，對於紅外線吸收能力低或濃度較低的樣品來說，此配件可提供更高品質的紅外線圖譜。
圖5：ATR多重反射配件
三、反射式FTIR
若探測器接收的是被樣品反射(reflection)的紅外線，得到的圖譜則是反射式紅外線光譜。由於這種測量方式僅檢測從樣品表面反射的紅外線，所以能用於分析紅外線無法穿透，或是無法使用ATR技術分析的固體樣品。
圖6：反射式FTIR
根據紅外線與樣品反射的形式，反射式紅外線光譜分為三種類型：
圖7：反射式FTIR分為三種類型
反射-吸收式(reflection-absorption)：
又被稱為「transflectance」，運作方式與穿透式紅外線光譜很相似，但樣品只會有薄薄的一層，底下必須放有具反射性的基質(例如金屬)，讓紅外線得以反射，這種分析方式常用於其他光譜技術難以分析的樣品，像是塗層或組織等，因此廣泛用於材料科學、表面科學和生物化學等領域。
鏡面反射式(specular reflection)：
樣品本身必須是光滑的，讓紅外線可以直接反射，以避免出現散射而影響數據，這種技術常用於更薄的金屬表面鍍膜、矽晶圓表面分析、珠寶或藝術品的檢查。
漫反射式(diffusion reflection)：
漫反射式的FTIR光譜又被稱為DRIFTS (Diffuse reflectance infrared Fourier transform spectroscopy)，是一種特殊的反射採樣技術，樣品製備難度較高，因此執行起來較為困難，但在分析土壤、混凝土或催化劑等固體樣品時，可以產出出色的定量結果。
四、顯微FTIR
圖8：FTIR顯微紅外線光譜儀
也被稱為Micro-FTIR、μ-FT-IR或顯微紅外線光譜儀。顧名思義，這是一台融合顯微鏡與FTIR的設備，可對微小的物質進行化學鑑定，也能將光譜資訊與空間分辨率結合，常用於故障分析、品質控制或是材料科學領域，典型的應用例子是塑膠微粒鑑別、微小產品瑕疵(例如PCB板上的微小汙染點)、金屬表面塗層研究或單晶研究等。
圖9：顯微FTIR應用於汙染或瑕疵研究
基本上，顯微FTIR的形式一樣可以分為穿透、反射以及ATR，但考慮到操作的便利性與適用性，ATR技術在顯微FTIR上一樣是較具優勢的，常用到的ATR晶體為鍺晶體，與穿透式及反射式FTIR相比，鍺ATR可以提供四倍的空間解析度(spatial resolution)，可以輕鬆分析小至幾微米的樣品。
顯微FTIR的探測器選擇
必須根據樣品尺寸的不同，選擇不同的探測器。
- 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，其光譜品質便會迅速下降。
- 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。
- 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。
五、FTIR成像
FTIR成像是一種非常有效的工具，可根據樣品的光譜特性進行非常詳細且高分辨率的化學分析，並以圖像的方式呈現出來，整個圖像會由FTIR光譜組成，並以顏色進行渲染，方便判斷組成。以下圖為例，此圖像利用顏色，可清楚區分出樣品與樣品上的污染物：
圖10：FTIR成像
FTIR成像是如何產生的？
最簡單方法是在樣品上，依特定距離進行紅外線量測，通過大量的量測並與空間數據結合後，就可以產生FTIR圖像，這種做法稱為Single Point Mapping。若要更有效率地產生FTIR圖像，則需要特殊的紅外線感測器，基本上有兩種選擇：線陣列探測器(line array detector)與焦平面陣列探測器(常稱為FPA探測器，focal plan array detector)。
圖11：FTIR常見的三種成像方式
與其他探測器相比，FPA探測器是更先進的技術，只需要拍攝一次，便能得到大量的FTIR數據，舉例，若設定拍攝像素為64 x 64 pixels，則一次拍攝便能得到4000多個紅外線光譜。下方影片中展示的是即時FPA成像，樣品為1 x 1mm的生物組織，量測速度>900張光譜/秒：
所以FPA探測器可以提供最高品質且快速的FTIR成像，其他兩種探測器則是較為經濟的取代方案。
FTIR成像可應用於哪些領域或樣品？
以FPA探測器為例，無論是穿透式、反射式、還是ATR，都可以完美結合，因此原則上可適用於所有樣品，但氣體、液體與揮發性物質，由於其動力學特性，無法進行微觀分析。更具體來說，這種成像技術常應用於塑膠微粒、顆粒或汙染，也可用於複雜化學結構的分析，像是生物組織、藥物產品、多層薄膜與漆的研究；簡單來說，由於FTIR成像的空間解析度高，對於大區域的樣品分析來說，無可取代。
下圖為小鼠腸道的組織分析，量測其蛋白質、碳水化合物與脂肪的分佈調查：
圖12：FTIR成像應用於小鼠腸道的組織分析
結語
根據實驗需求，FTIR具有三種量測技術：穿透式、反射式與ATR(衰減全反射)；由於不需樣品前處理且方便清潔，ATR已經是現在FTIR的主流量測技術，但在特殊領域中(例如氣體樣品、或藝術品分析等)，穿透式與反射式仍佔了一席之地。
顯微FTIR與FTIR成像是近年來被關注的議題，將顯微鏡與FTIR結合所創造出來的顯微FTIR，就算樣品小於10μm，仍可以進行FTIR分析，無論是現在世人關注的塑膠微粒汙染研究，或者是先進材料上的細小瑕疵，都可以藉由顯微FTIR進行精準鑑定；不只如此，若將FTIR與FPA焦平面陣列探測器結合，更能以每秒900張圖譜以上的速度進行FTIR成像，並將分析結果轉化成清晰的化學圖像，大面積的樣品分析來說是一大利器。
