空間解析度-FTIR顯微鏡應用的考量因素

目錄 介紹 實驗細節 結果 結論 文章來源 介紹 空間解析度可以定義為「區分彼此非常接近之物體的解析能力」，但空間解析度的表達方式會依領域、情境及應用而有所不同。即使在FTIR顯微鏡領域中，空間解析度也有不同的定義方式。各種定義方法的細節及其優缺點超出本應用文章的範圍，因此在此不再進一步討論。 從實際應用的角度來看，與空間解析度相關最重要的考量，並不是如何測量空間解析度，而是其空間解析度是否足以滿足預期的應用需求。在考量FTIR顯微鏡與空間解析度時，有一些基本原理需要加以注意。首先，繞射極限（diffraction limit）通常被視為空間解析度所能達到的下限。 繞射極限 ＝ 0.63 ×（波長） ÷ ［（折射率）×（物鏡的數值孔徑）］。 從實際應用的角度來看，計算公式本身的重要性較低，更重要的是理解公式中所涉及的各項因素。折射率的考量在使用ATR測量時相當重要，但對於在空氣中進行的測量則不適用。繞射極限與空間解析度都與波長有關，因此會隨著紅外光譜範圍的不同而變化。 在FTIR顯微鏡中，光束尺寸通常遠大於所需要的空間解析度，因此會使用光圈，或者根據陣列式偵測器中像素尺寸所形成的有效光圈，來定義樣品上由單一光譜所代表的最小區域。雖然縮小光圈可以提供更好的空間解析度，但當光圈變得越小時，到達偵測器的紅外的光通量也會隨之減少。這意味著訊號會變弱，並造成訊雜比（signal-to-noise）的降低，而這一點在考量空間解析度時，有時會被忽略。分析的最終目的取決於所產生的光譜資訊，以及分析是單點測量。此時光譜可能用於鑑定或定量，還是用於紅外線成像。在紅外線成像中，影像的形成取決於能否偵測並利用樣品不同位置所收集光譜之間具有意義的差異。因此，在討論空間解析度時，光譜資料的品質確實必須納入考量。 繞射在空間解析度方面也扮演另一個角色。前面提到的繞射極限是針對樣品而言，但光路中的光學元件（例如光柵、物鏡等）同樣會產生繞射。這些額外的繞射會限制實際空間解析度能夠多接近理論上的極限。由於有許多因素會影響空間解析度，因此與其透過計算來取得空間解析度，更常見的做法是以實驗方式進行測量。然而，由於測量空間解析度的方法不同，以及空間解析度的定義有所差異，這件事並不總是如想像中那麼直接。光譜純度（spectral purity）經常被用來作為空間解析度的衡量指標。 理想的情況是，能夠取得完全不包含周圍材料任何特徵的樣品光譜。但對於小尺寸樣品而言，通常很難完全達到這樣的理想條件，因此問題就變成：樣品光譜中，究竟可以容許多少來自周圍材料的光譜特徵？在紅外線成像中，這可以視為影像的對比度（contrast），而且通常可以進行調整。這也是為什麼了解空間解析度究竟是如何定義的非常重要，如此才能取得正確且有意義的結果。對於特定的應用而言，這項因素的重要程度則取決於該應用的最終目的。 本應用文章將展示空間解析度如何影響從USAF 1951解析度測試靶所取得的影像，以及一些實際紅外線樣品的代表性範例。 實驗細節 本說明中的紅外線數據是使用Thermo Scientific™ Nicolet™ RaptIR™ FTIR顯微鏡所收集。此處所呈現的紅外線數據皆採用穿透模式進行收集。USAF 1951 解析度測試靶以及聚苯乙烯球截面的影像，使用5 μm × 5 μm的光圈以及1 μm的步進距離進行收集。1 μm的步進距離搭配過取樣可以提供更好的影像解析度，並呈現更多影像細節；然而，每一個光譜的空間解析度最終仍受到5 μm × 5 μm光圈的限制。 多層聚合物複合材料截面的數據則採用類似的參數進行收集，但使用5 μm × 10 μm的光圈，且將光圈較長的一邊沿著聚合物中的各層方向排列。本應用文章中的拉曼影像則是使用 Thermo Scientific™ DXR3xi Raman Imaging Microscope 拉曼成像顯微鏡所收集，使用 532 nm雷射，以及100X或50X物鏡。 結果 其中一項最常見的測試，是使用 USAF 1951 解析度測試靶（resolution target）。此測試靶由不同尺寸、等間距排列的線條組成，呈螺旋狀排列。每一個群組（group）包含六個物件（element），其線對解析度（line pairs）的計算方式如下： 解析度（lp/mm）＝ 2^[Group + (Element − 1) / 6] 單條線寬度（μm）＝ [1 / (2 × 線對解析度（lp/mm）)] × 1000 雖然這是一種廣泛使用的測試樣品，但也必須注意，USAF 1951 測試靶並不能代表大多數FTIR顯微鏡的實際樣品。這些線條本身並沒有特殊的紅外光譜，只是阻擋紅外光的穿透，因此理想情況下，其變化應該是在100 %穿透率與 0 %穿透率這兩個極端值之間。 然而，當線條尺寸變得更小時，實際測量結果無法完全達到這兩個理想極限，而什麼程度的峰與谷之間的差異可以被視為具有顯著區別，也成為解析度判定的一部分。圖1顯示了USAF測試靶中第6群的物件1、3 和 6的紅外影像。這些紅外影像是根據3990 cm⁻¹的吸收度所得到。在每張影像下方，則繪製了沿著垂直線穿過各組線條中央位置所測得的穿透率百分比。可以清楚解析出即使在線寬小於5 μm的情況下，仍然可以分辨出3條線。然而，對於線寬4.38 μm的線條而言，定義峰與谷的數值範圍明顯變小，而且這些線條的實際形狀也無法被清楚地呈現。這個例子說明，即使線寬只有 4.38 μm，仍然有可能「解析」出個別線條；但是，影像並不一定能真實呈現這些線條實際的尺寸與形狀。 圖1. USAF 1951解析度測試靶第6群（Group 6）中的（A）物件6（線寬 4.38 μm）、（B）物件3（線寬 6.20 μm）以及（C）物件1（線寬 7.81 μm）的紅外影像。紅外影像是根據3990 cm⁻¹的吸光度所取得。使用5 μm × 5 μm 孔徑（aperture），步進距離為1 μm。 另一種評估空間解析度的方法是進行刀口測試（knife edge test）。在此實驗中，從 100 %穿透率到0 %穿透率的區域收集光譜，並觀察從完全穿透到完全阻擋之間的轉變，以評估其轉變寬度（transition width），也就是空間解析度。此類實驗的結果如圖2所示。圖中將穿透率百分比繪製為掃描位置的函數。 圖2. 使用USAF 1951解析度測試靶進行刀口測試（knife edge measurement）。使用5 μm × 5 μm光圈，步進距離為1 μm。圖中繪製穿透率百分比（percent transmission）與掃描步距（map steps，單位：μm）的關係。紅色線分別代表90%與10%穿透率，綠色線則分別代表20%與80%穿透率。 可以看到，其轉變相當陡峭，而轉變寬度會高度依賴所選擇的判定範圍。當以 10% 與 90% 穿透率作為判定範圍時，轉變寬度為 10 μm；而當使用20 %與 80 %穿透率時，轉變寬度則降至6 μm。因此，測試判定範圍的定義方式會影響最終的測試結果。雖然這些測試可以提供一些對預期空間解析度的概念，但它們並不能真正代表實際樣品。為了進一步說明空間解析度，我們另外分析了兩種樣品。 第一種樣品是將小型聚苯乙烯球（直徑約 10 μm）嵌入環氧樹脂中，然後使用切片機進行橫截面切割。這代表在聚合物薄膜中可能遇到的缺陷或污染物。第二個範例是一種多層聚合物複合材料，分析重點是觀察該樣品中的一層薄層。這些樣品也使用拉曼顯微鏡進行分析，作為對結果的第二種驗證方式。 圖3顯示聚苯乙烯球橫截面所取得的可見光影像及FTIR峰面積影像。FTIR面積影像是根據聚苯乙烯特徵峰的峰面積（3013–3034 cm⁻¹）所建立（見圖4）。環氧樹脂與聚苯乙烯的紅外光譜非常相似，這也說明了高品質光譜對 FTIR 成像的重要性。具備寬廣的光譜範圍以及高品質的數據，對於找出光譜中可用來產生具有意義之紅外影像的重要差異非常重要。 圖3. 使用15X紅外物鏡取得的、嵌入環氧樹脂中直徑約10 μm聚苯乙烯球橫截面的可見光影像與紅外影像。紅外峰面積影像是根據聚苯乙烯特徵峰 3013–3034 cm⁻¹ 的峰面積所建立。使用5 μm × 5 μm光圈，掃描步距為 1 μm。 圖4. 樣品中聚苯乙烯（紅色）與環氧樹脂（藍色）區域的代表性紅外光譜。插圖顯示用於產生圖3紅外影像的峰面積範圍（3013–3034 cm⁻¹）。 雖然可以直接從影像中量測球體橫截面的約略直徑（10 μm），但將峰面積數值（以最大值的百分比表示）繪製成沿著穿過球體橫截面的直線之位置函數，也相當具有參考價值（圖 5）。其半高寬（FWHH）約為10 μm。為了進一步驗證結果，也使用100X物鏡以更高的空間解析度對相同樣品進行拉曼成像；圖 6 顯示其結果與紅外線分析結果具有非常良好的一致性。 圖5. 將聚苯乙烯球橫截面沿直徑方向的直線進行掃描，繪製峰面積（以最大值的百分比表示）與步距（μm）之間的關係圖。紅線表示半高位置（50%）。FWHH（半高寬）＝10 μm。 圖6. 嵌入環氧樹脂中的聚苯乙烯球橫截面影像。可見光影像與拉曼峰面積影像皆使用100X 物鏡取得；拉曼峰面積影像是根據聚苯乙烯特徵峰992–1011 cm⁻¹ 所建立。測量條件：532 nm雷射、10 mW、影像像素尺寸 0.5 μm、25 μm針孔（pinhole）。 FTIR 顯微鏡較常見的應用之一，是分析多層聚合物複合材料。由於其中某些層可能非常薄，因此空間解析度可能會成為一項重要的考量。為了說明這一點，本研究分析了一個相對較薄的聚氨酯（polyurethane）層，其厚度約為 6 μm，位於尼龍（nylon）與聚乙烯（polyethylene）層之間。圖7顯示此多層聚合物複合材料橫截面的可見光影像，以及分別針對聚氨酯層與其兩側相鄰層所取得的 FTIR 峰面積影像。用於產生聚氨酯紅外影像的峰面積範圍為 1302–1330 cm⁻¹，如圖8所示。 圖7. 多層聚合物複合材料橫截面的可見光影像。圖中標示的區域使用5 μm × 10 μm光圈（aperture）及1 μm掃描步距進行分析。拉曼峰面積影像（a–c）顯示聚氨酯層（b）以及其兩側相鄰的兩個層（a）尼龍與（c）聚乙烯的位置。 圖8. 三個材料層的代表性紅外光譜（紅色－聚氨酯、綠色－聚乙烯、藍色－尼龍）。插圖顯示用於產生圖7中聚氨酯紅外峰面積影像的峰面積範圍。 雖然可以直接從紅外影像中估算聚氨酯層的厚度，但另一種方法是將峰面積數值（以最大值的百分比表示）繪製成地圖位置的函數，並沿著垂直於聚合物層排列方向的直線進行分析（圖 9）。 圖9. 將峰面積（以最大值的百分比表示）繪製成步距（μm）的函數，測量方向為垂直於聚合物各層排列方向的直線。紅線表示半高位置（50%）。FWHH（半高寬）＝ 8 μm。 FWHH（半高全寬）可用來表示聚氨酯峰的寬度，其測得值約為 8 μm。這與利用拉曼影像（圖 10）所得到的 6 μm 數值相當接近。 圖10. 多層聚合物複合材料的橫截面影像。可見光影像與拉曼峰面積影像皆使用50X 物鏡取得；拉曼峰面積影像是根據聚氨酯特徵峰 1602–1626 cm⁻¹ 所建立。測量條件：532 nm 雷射、10 mW、影像像素尺寸 1 μm、25 μm 針孔（pinhole）。 結論 空間解析度是考量FTIR顯微鏡應用時的重要因素之一。了解空間解析度的基本概念相當有幫助，因為空間解析度通常有不同的定義方式，而且其重要程度也會因不同應用的需求而有所差異。雖然某些空間解析度測試具有其參考價值，但這些測試很少能真正代表實際的FTIR樣品，因此在評估空間解析度時，也應搭配更具代表性的實際樣品進行考量。 通常，一項FTIR應用是否成功，取決於如何平衡各項因素，以達到最佳的分析結果。若為了追求更高的空間解析度，而犧牲了光譜品質，未必是最佳的取捨。尤其是在FTIR成像中，光譜數據的品質可能比空間解析度更加重要，因為高品質的光譜數據是產生高品質且具有意義之紅外影像的關鍵。 本應用文章所呈現的結果顯示，見圖11，Nicolet RaptIR FTIR Microscope能夠在空間上區分間距小於 5 μm的物體，並且能在空間解析度與光譜品質之間取得良好的平衡。因此，Nicolet RaptIR FTIR Microscope非常適合用於各種不同的FTIR顯微鏡應用。 圖11. Nicolet RaptIR傅立葉轉換紅外光光譜儀 文章來源 https://www.scribd.com/document/1062683893/Thermo-IS50-%E6%8A%80%E8%A1%93%E6%96%87%E4%BB%B6-FTIR-%E9%A1%AF%E5%BE%AE%E9%8F%A1%E7%9A%84%E7%A9%BA%E9%96%93%E8%A7%A3%E6%9E%90%E5%BA%A6%E8%80%83%E9%87%8F

淺談顯微紅外光譜儀(Micro-FTIR)及分析技術

傅立葉轉換紅外顯微光譜儀(Micro-FTIR)分析已廣泛應用於司法鑑定中各類物證材料樣品的定性和定量分析。

目錄 分析理論 分析用途 優點 靈敏度高 能進行局部分析 樣品製備簡單 光路調節簡單 保持樣品形態 分析理論 分子中存在多種類型的振動模式，其中一些振動模式可以引起分子偶極距發生變化，當這類振動的頻率和紅外光頻率相同時，分子能夠吸收紅外光的能量，形成紅外吸收光譜(IR)。不同的化合物因其分子結構不同，紅外吸收光譜的特徵峰不同，如同人類的指紋，沒有兩個是完全吻合的。因此，在鑑定高分子材料時，紅外光譜FTIR技術被認爲是非常有效的方法。 圖1.分子振動模組類別 以一束紅外光照射樣品，樣品所含的分子將會吸收一部分光能，並轉變爲分子的振動能和轉動能。藉助於儀器將吸收值與相應的波數作圖，即可獲得該試樣的紅外吸收光譜，紅外光譜中的每一個特徵吸收譜帶都包含了樣品分子中官能基和化學鍵結的訊息。不同物質有著不同的紅外光譜，將樣品的紅外光譜和已知的紅外光譜進行比較從而鑑別材料。 圖2.Thermo光譜儀家族 顯微紅外分析就是將紅外光譜與顯微鏡結合在一起的分析方法，它利用不同材料(主要是有機物)對紅外光譜不同吸收的原理，分析材料的化合物成分，再結合顯微鏡可使可見光與紅外光同光路，只要在可見的視野範圍下，就可以尋找要分析微量的有機汙染物區域。如果沒有顯微鏡的技術搭配，通常紅外光譜只能分析樣品量較多的樣品，也較難進行樣品的局部區域偵測。在很多情況下，只要微量的汙染就可能導致PCB焊盤或引線腳的可焊性不良，若沒有搭載顯微鏡技術的紅外光譜是很難解決這類問題的。顯微紅外分析的主要用途就是分析被焊面或焊點表面的有機汙染物，分析腐蝕或可焊性不良的原因。 圖3.PCB焊盤汙染檢測案例 分析用途 結構鑑定、定量分析和化學動力學研究等，它的解析能夠提供許多關於官能團的訊息，利用紅外吸收峰的位置與強度，可以用來鑑別未知物的結構組成或確定其化學成分；而吸收譜帶的吸收強度與官能基的含量的多寡有關，可用於進行定量分析和純度鑑定。 傅立葉轉換顯微紅外光譜儀(Micro-FTIR)分析是一種重要的現代分析手段和方法，已廣泛應用於司法鑑定中各類物證材料(包括有機、無機物證材料)樣品的定性和定量分析，不僅能準確的確定物證材料的各種化學成分，還可以採用對比分析的方法，快速有效地得到直接的取證結果。在分析測試工作中，應用紅外光譜分析技術，並結合顯微鏡或層析、熱重分析等技術，運用於毒品走私、炸藥爆炸、僞造假幣、書畫防僞、保全鑑定等刑事領域樣品進行分析鑑定，並提供準確數據和分析結論等科學依據。 圖4.模式選擇 分析優點 儀靈敏度高 (1)靈敏度高，樣品量至10微克以下，如此量少就足以獲得很好的紅外光譜圖。 能進行局部分析 (2)能進行局部分析，其顯微鏡測量孔徑可到8微米或更小，在顯微鏡觀察下，可方便地根據需要選擇樣品不同區域進行分析。對非勻相樣品可在顯微鏡下直接測量樣品上各區域的紅外光譜圖。 樣品製備簡單 (3)樣品製備簡單，對不透光樣品可直接測定反射式量測方法。 光路調節簡單 (4)顯微鏡光路調節簡單，顯微觀察與紅外光譜分析是同一光路，容易實現顯微鏡對樣品待分析部位定位。 保持樣品形態 (5)分析過程中可保持樣品原有形態和晶型，樣品不被破壞。 全部商品一覽