傅立叶变换红外显微镜指南

红外显微镜为分析和鉴定样品而采用的方法与FT-IR光谱仪所用的方法相同。首先，将红外光照射在样品上并与其相互作用。然后对这一红外光进行检测，并生成FT-IR光谱，这好比样品的“化学指纹”。光谱中包含的信息可用于鉴定、表征和量化样品中的不同物质。

根据样品的不同，FT-IR分析可通过几种不同的方式进行：

• 透射
• 反射
• 衰减全反射（ATR）

在透射法中，将红外光完全穿过样品，然后对其进行检测。要在FT-IR显微镜中使用透射模式，通常需要以特定方式制备样品，例如，用切片机切成薄片。反射法则用于分析固体样品，在反射分析中，将红外光从样品表面进行反射，然后对这一红外光进行检测。反射法还可分析放置于反射衬底上的极薄样品，例如，薄壁组织或涂层。

由于反射和透射均受到样品制备方面的特定限制，FT-IR显微镜采用了另一种技术作为其标准技术：衰减全反射（ATR）。ATR可引导红外光穿过一个晶体，该晶体通常由锗制成，并压在样品上。

红外光与样品几微米表层相互作用，然后穿过晶体返回，并予以检测。ATR是最广泛使用的检测方法，因为它可用于检测各种类型的样品，几乎不需要制备样品，并且在显微镜中使用时，可达到出色的分辨率。

相比于FT-IR光谱仪，FT-IR显微镜内部的运作机制更复杂。下面，我们来看看，FT-IR显微镜是如何将显微镜与这种强大的化学鉴定技术相结合的。

要将FT-IR光谱仪与显微镜相结合，必须确保可见光和红外光都能穿过显微镜并照射到样品上。然而，这从一开始就面临挑战。这是因为光学显微镜中的许多组件通常由玻璃制成，例如，样品载玻片和物镜，但红外光无法透过玻璃！

有两种方法可绕过这一障碍。首先，可选择由易透红外光的材料制成的显微镜透镜及组件。然而，更常见的解决方案是使用一系列通常由铝制成的反射镜，用于在显微镜周围引导光线。这些精心布置的镜子甚至可用来制作物镜，称为卡塞格林物镜。

使用正确的光学器件，让可见光到达样品，以确保红外显微镜的显微镜部分正常工作。在使用显微镜观察样品时，选择样品的一个区域进行FT-IR分析。通过ATR、透射或反射，使红外光与样品感兴趣区相互作用，然后将其发送到探测器。但在红外光到达探测器之前，它需要先通过光圈，以确保仅感兴趣区对应的红外光到达探测器进行分析。

一旦红外光到达探测器，红外显微镜即会生成FT-IR光谱。该光谱可提供有关样品感兴趣区的大量化学信息。其计算机软件甚至可自动鉴定样品所选区域的化学成分。

FT-IR显微镜可使用的探测器有多种，主要分为两个基本类别：单元素探测器和成像探测器。单元素探测器用于研究样品中的特定区域，而成像探测器用于创建化学图像。化学成像探测器需要以单独的篇幅予以介绍，在此，我们主要来了解单元素探测器。

红外显微镜常用的单元素探测器有三种：

• DLaTGS
• TE-MCT
• LN-MCT

氘代镧α-丙氨酸掺杂硫酸三甘氨酸（DLaTGS）探测器是一种用途极其广泛的探测器，无需冷却即可工作，因而非常易于使用。然而，它们无法为微小样品（或者在使用极小光圈时）创建高质量的光谱。

要分析100µm以下的较小区域或较小样品，可使用热电冷却碲化汞镉（TE-MCT）探测器。这种探测器由珀尔帖元件持续冷却，无需进行维护或使用制冷剂。

要分析尺寸为10µm或以下的极小样品，液氮冷却MCTs（LN-MCTs）探测器是最佳选择。然而，探测器在灌注液氮后，可能需要一段时间冷却到足够水平才能使用。这些探测器需要进行大量维护，因为在长时间使用显微镜时，需要不断地补充液氮。

光圈是FT-IR显微镜的一个重要组成部分，可帮助我们选择性地分析与样品感兴趣区发生相互作用的红外光。有两种光圈可用于在检测前去除不需要的红外光：针孔光圈和刀口光圈。

针孔光圈是最简单、最便宜的选择。它是一个转轮，其中有各种大小的圆孔。只需转动转轮即可选择具体实验所需的合适尺寸的光圈。相比之下，刀口光圈更贵，但精确度高得多。

刀口光圈是一个矩形开口，带有四个刀片，每个刀片均可独立移动。这些刀片用于准确地选择样品感兴趣区。

刀口光圈具有优势，因为使用它可精确地选择感兴趣区，以确保只有该区域对应的红外光到达探测器。针孔光圈只能近似地让光穿过对应的感兴趣区，因为光圈的形状无法控制。

尽管如此，仍须注意的是，使用光圈会“摒弃”红外光。这意味着，在使用极小光圈（例如，50µm）时，需要使用非常灵敏的探测器。当然，在某些情况下，检测用时可能会增加，但结果会有所不同。

一旦红外光到达探测器，FT-IR显微镜即会生成FT-IR光谱。该光谱可提供有关样品感兴趣区的大量化学信息。其计算机软件甚至可自动鉴定样品所选区域的化学成分。

为创建这些红外图像，可使用专门的成像探测器，以确保以高分辨率、高效地创建图像。成像探测器分为两种类型：焦平面阵列探测器（FPA）和线阵列探测器。这些探测器能够一次性捕捉视场内的多个FT-IR光谱。然而，FPA探测器在化学成像中具有优势，因为它们更快、更精确，并且可通过激光器进行校准。

如果在任何应用中，需要对小的、薄的或者需精确检测的样品进行分析，FT-IR显微镜均可发挥极大用处。它已成为研究颗粒物、薄膜和涂层的首选技术——无论这些样品是用于质量控制、故障分析、竞争对手分析还是研究。

在许多行业中，分析颗粒物是检查污染的必要条件，也是与调查污染相关的环境研究的主要工作。目前，环境研究人员正在竞相了解在水、土壤和空气中发现的微塑料颗粒的成分，以更好地了解这种污染的影响。FT-IR显微技术是研究微塑料的一项重要技术，因为它能够快速测定几乎任何类型样品中的小颗粒的化学组成。

此外，FT-IR显微技术也是进行多层分析（以确定层的组成和厚度）的重要技术。这项分析在聚合物工业中比较常见，例如，在需要对多层和复合材料进行分析的情况下（以确保材料符合规格且不存在缺陷）。

同样，红外显微镜还擅长分析薄涂层。在工业中，对于金属上的防腐涂层、包装上的粘合层或钻头上的金刚石涂层等产品，都必须检查其均匀性和污染情况。

此外，司法鉴定领域也需要使用FT-IR显微镜来分析各种各样的样品，因为在该领域，即使是最微小的细节也具有重要性。一些细小的纤维和颗粒必须经过鉴定才能用作证据。又如，为解决肇事逃逸案件，必须进行多层分析，以鉴定油漆样品。某些情况下，甚至需要对较大样品进行研究，以检测伪造品。

FT-IR显微镜的应用范围很广。当然，若与化学成像功能相结合，其应用种类就变得更加多样化——包括扫描大样品的缺陷、对大组织样品或整片药物进行快速成像等应用。

1.什么是FT-IR显微镜？

FT-IR显微镜是用于对显微样品进行FT-IR检测的工具，它融传统显微镜与化学分析功能为一体，非常适合用于故障分析和材料科学。

2. 为何FT-IR显微镜需要光圈？

由于红外显微镜采用了非常灵敏的探测器，因而必须避免红外探测器饱和。此外，光圈可根据样品大小来调节检测点，以获得更好的光谱。想象一下，对于PET基质中嵌入的一块10µm聚乙烯薄片，如果使用30µm光圈而非匹配的10µm光圈，则所得光谱中PET基质的占比将远大于PE污染物的占比。

3. FT-IR显微镜能分析的最小物体是什么？

这取决于所使用的显微镜、探测器和检测技术。但配备FPA探测器并使用ATR显微镜的HYPERION可以红外光的衍射极限，对物体进行分析，因而支持≤1µm的物体。

4. 为何ATR锗晶体可提高分辨率？

锗具有（与其他许多ATR材料相比）非常高的折射率。由于它与样品直接接触，因而起到固体浸没透镜的作用。与标准透射检测相比，它将空间分辨率提高了四倍（折射率）。

5.什么是FT-IR成像？

FT-IR成像是创建所述空间分辨化学图像的一种方式。这些图像的每个像素都由一个完整的红外光谱组成。通过解析各个光谱，可完成对样品感兴趣区的检测和评估。