红外线热成像系统进展
2014-08-02
随着检测器和数据处理系统的发展，傅里叶变换显微红外光谱技术在短短的二十几年间从单纯的显微镜与红外光谱联用，发展到了红外成像系统。
将傅里叶变换红外光谱仪中的红外光束引入显微镜光路，可以获得在显微镜下观察到微小尺寸样品的光学影像及相应成分的红外光谱信息。由于红外光的波长较长，红外显微镜的空间分辨率一般在6 mm左右。若采用单点检测器收集红外光谱，则为傅里叶变换显微红外光谱仪;若采用阵列检测器收集红外光谱，则为傅里叶变换红外成像系统。红外图像系统的出现大大提高了样品的检测速度，目前在刑侦学、生物学、医学、化学、材料科学和矿物学等诸多领域都得到了广泛的应用。
无论是显微红外光谱仪或是红外成像系统，使用者最关心的还是仪器的性能指标，也就是显微模式下红外光谱的信噪比及空间分辨率，另外，如何从红外光谱图像中提取有用的信息，也是大家所关心的，下面将综合这几点，介绍红外成像系统的进展。
一、信噪比
在红外显微镜和红外成像系统测试中，通过特殊设计的光学系统将测量光束直径缩小到微米甚至亚微米量级，从而可测试尺寸非常小的样品或者是大尺寸样品中非常小的区域，显然此时光通量远远小于常规红外光谱仪，若要获得高的信噪比，对整体光学系统的光路系统要求相应也有很大的很高，通常需要多个光学聚焦镜(卡塞格林镜)联合使用，才能保证红外光同轴，且能量损失最小，如图1所示为PerkinElmer公司红外光谱成像系统中的三卡塞格林镜光学系统。
红外光先从光源到达卡塞格林镜1，该镜为聚焦镜，将光束聚焦，经过样品，到达卡塞格林镜2，即物镜上，在此光路图中，最重要的卡塞格林镜为3号镜，即到达检测器前，将红外光谱的信号再次聚焦，保证能量最大。
高的光通量，才能保证高的信噪比，所以红外光谱成像系统中三卡塞格林镜的光路设计在一定程度上决定了其较高的信噪比。
图1 PerkinElmer公司红外图像系统中的三卡塞格林镜光学系统
如前所述，在红外显微镜和红外成像系统的光通量远低于常规红外光谱仪，且扫描速度较快，常规红外检测器不能满足要求，无论是单点还是图像分析，均需要使用液氮冷却的MCT检测器以保证在快速测量时的高信噪比。此处需要说明，虽然测试速度比较慢，但是单点检测器的信噪比更高、测量光谱范围更宽。
红外成像系统所用检测器基本上可以分为两种，一是焦平面阵列检测器，另一种是线阵列检测器。焦平面阵列检测器包括两类，第一类主要是由红外显微镜和大面积焦平面阵列检测器(凝视型，以64´64和128´128为主)组成，凝视型同时以步进扫描技术(Step Scan)作支撑;第二类主要是由红外显微镜和小面积焦平面阵列检测器(非凝视型，以16´16和32´32为主)组成，非凝视型不需要步进扫描技术作支撑，而是采用了快速扫描(Rapid Scan)的技术。由于焦平面阵列检测器源于美国军方的技术，美国国防部对此类产品向中国大陆的出口进行了限制，目前仍存在禁运的问题。因此，国内市场上常见的红外光谱仪器公司如PerkinElmer、Thermo Fisher Scientific、JASCO等则提供双排跳跃式线阵列检测器(2´16或2´8)或线阵检测器(1´16)，再结合快速扫描功能，实现红外光谱成像质量和速度的双重提高。目前各仪器厂商阵列检测器的信噪比从150/1~800/1不等。
二、空间分辨率
空间分辨率是指被测试的样品采用显微红外“见到”的最小测试面积。采用红外显微光谱仪器的可见光显微系统对样品进行观察，选择感兴趣的测试区域，然后将其划分成若干个采样微区，通常将这些采样微区称为“像素(pixel)”。像素的尺寸是由仪器测试能力与样品表征要求共同决定的。较小的像素尺寸可以提高测试结果的空间分辨率，但是光谱信噪比会降低，测量相同面积的区域时所需时间也要增加。
由于红外光波长较长，易产生衍射现象，不能像可见显微镜将样品放大至1 mm甚至更小，一般常规的红外图像系统空间分辨率极限在6 mm左右，所获得的红外指纹图谱为6´6 mm区域的信息集合。
若要提高红外光谱成像系统的空间分辨率，可以考虑选择衰减全反射(ATR模式)。由于常规红外光谱透射或反射成像时物镜与样品之间的介质为空气，而ATR模式中物镜与样品之间的折射率更高的内反射晶体为介质，因而光束半径可以更小，即成像测试时的空间分辨率更高。例如，锗的折射率是空气的4倍，因此以锗作为内反射晶体时，ATR模式的空间分辨率比常规透射或反射模式高4倍左右。所以，在仪器厂家的宣传中可见ATR模式空间分辨率为1.56 mm的说法，应特别注意，此时为其名义空间分辨率，或称像素空间分辨率，而非实际真正的空间分辨率。
ATR模式包括ATR单点物镜与ATR成像附件两种测量方式。如图2所示，如果使用ATR单点物镜进行成像分析，每次只能测量与内反射晶体接触的一个像素，然后使晶体与样品脱离，移动样品使内反射晶体接触下一个像素并进行测量，直到获得所有像素的光谱。很明显的问题是，内反射晶体与样品接触后很容易被污染，影响后续像素测试结果的准确性，而且所有像素逐个测量的方式非常耗时。如果使用ATR成像附件，内反射晶体与所测样品一起固定在样品台上，二者之间没有相对位移，避免了晶体污染造成的测量误差。样品台同步移动内反射晶体与所测样品，改变红外光束在内反射晶体上的入射位置，完成所有像素的测量。由于可以使用阵列检测器，ATR成像的测试速度也非常快。但是，受到内反射晶体尺寸的影响，ATR成像的测试面积比较小(目前仪器上通常配备的反射晶体的直径为500 mm，最大可以定制直径为2 mm的晶体，但应同时考虑检测器、软件等因素)。此外，ATR单点物镜与ATR成像附件有个共同的问题：该方法只能测量距离内反射晶体表面几个微米深的样品部分;在样品表面与内部不一致时，该方法获得的一般只是表面信息。
图2 ATR红外光谱成像的两种测量方式。左：ATR单点物镜;右：ATR成像附件。
2013年，Neaspec公司推出了nano-FTIR光谱仪，利用其独有的散射型近场光学技术发展出来的纳米傅里叶变换红外光谱技术，使得纳米级化学鉴定和成像成为可能。nano-FTIR光谱仪的工作原理如图3所示，将一束宽带中红外激光耦合进入近场显微镜(NeaSNOM)，对原子力显微镜(AFM)针尖进行照明， 通过一套包含分束器、参考镜和探测器在内的傅里叶变换光谱仪对反向散射光分析，即可获得针尖下方20 nm区域内的红外光谱，使得红外光谱成像系统的的空间分辨率突破了微米的界限。该类型仪器综合了AFM的高空间分辨率，和FTIR的高化学敏感度，实现了对有机、无机材料的纳米级化学分辨。
图3 Nano-FTIR光谱仪的工作原理
图4所示为在不使用任何模型矫正的条件下，nano-FTIR获得的近场吸收光谱，由图中可见，其分子指纹特征与使用传统FTIR光谱仪获得的分子指纹特征吻合度极高，这在基础研究和实际应用方面都具有重要意义，因为研究者可以将nano-FTIR光谱与已经广泛建立的传统FTIR光谱数据库中的数据进行对比，从而实现快速准确的进行纳米尺度下的材料化学分析。对化学成分的高敏感度与超高的空间分辨率的结合，使得nano-FTIR成为纳米分析的独特工具。
图4 Nano-FTIR所获得的光谱图与传统红外光谱图的比较
但目前昂贵的价格(大于300万元)，较为复杂的操作(需要与AFM联合使用)，以及红外光谱波段的限制(每次扫描的波数范围有限)，光谱分辨率有待提高等，仍是该类仪器需要克服的难题，同时也是未来发展的方向。
三、红外光谱成像的信息提取
使用合适的信息提取方法，从像素光谱中获得所需要的信息，是红外光谱成像技术应用的关键。成像所测量的数据为若干个像素的红外光谱，这些像素具有特定的空间位置，一般用横坐标和纵坐标来表示。如果按照测量时的空间位置进行排列，像素光谱数据需要表示为一个r´c´n维的矩阵，因此需要使用适当的数据处理方法，对上述矩阵进行降维。若将每张像素光谱均转换为反映特定信息的单一数值之后，再按照像素的空间位置将这些数值排列成一个r´c维的矩阵，然后以二维或三维图形表示出来，就得到了反映特定信息的数据采集区域的化学图像。
常见的降维手段包括：像素光谱平均强度图像，该方法可以反映测试区域内样品数量较多的位置;像素光谱图像特征峰强度或面积图像，该方法可以反映测试区域样品中特征官能团的分布情况;使用模式识别方法对像素光谱进行分类，根据像素光谱所属类别将成像区域分割为不同部分，对各个部分的典型像素光谱进行解析，可以了解一些成分的分布情况等。
