傅立叶变换红外（F-IR）成像指南

FT-IR图像是由FT-IR显微镜生成的一种化学图像。化学图像将通过显微镜获得的样品数字地形数据与通过光谱仪获得的化学信息相结合，让我们得以直观地看到样品的化学成分。

FT-IR成像是一种非常有用的技术，可用于分析样品中化合物的分布情况，或者有助于了解样品的结构。这项技术在研究、医学、质量控制还是故障分析等领域有着广泛的应用。

FT-IR成像背后的基础技术是FT-IR光谱技术，这是一种用于检测不同化合物如何与红外光相互作用的化学分析技术。不同的化合物与红外光的相互作用各有不同，因此，由FT-IR光谱仪生成的FT-IR光谱可作为样品的“化学指纹”来鉴定样品成分。

用于生成FT-IR图像的FT-IR显微镜将传统显微镜与FT-IR光谱仪相结合。要创建化学图像，第一步是使用显微镜获得样品的数字图像。接着，选择样品中的某个要分析的区域（感兴趣区）。然后，收集整个感兴趣区的红外数据，使样品上的每个点分别对应一个红外光谱。

根据样品的不同，可选择不同的检测方法来收集这些数据：透射、反射或衰减全反射（ATR）。FT-IR显微镜可使用各种检测方法来分析样品。

现在，感兴趣区中的每个点分别对应一个FT-IR光谱，FT-IR显微镜可对所有这些光谱进行分析，以了解样品中存在哪些化合物。此分析可手动完成，也可通过使用计算机软件甚至人工智能算法自动完成。分析完成后，每种化合物分别被赋予不同的颜色。然后，可根据每个点所存在的化合物类型，对图像上的每个像素进行着色，以生成化学图像（3）。

为创建化学图像，必须在红外光与样品相互作用之后，对该红外光进行检测，以生成光谱。FT-IR显微镜可使用的探测器有多种。通常选择的是单元素探测器，它可在样品上的每个点分别捕捉一个红外光谱。当然，此时，您可在整个样品上设置许多个邻近的点，以生成图像。

然而，如果对样品的整个区域进行分析，将非常耗时，只有当劳动力成本较低时才可行。如果时间就是金钱，那么在FT-IR成像中会使用专门的成像探测器。成像探测器分为两种类型：线阵列探测器和焦平面阵列（FPA）探测器。

线阵列探测器是一种成本较低的伪成像解决方案。这些探测器由多个排成一行的单元素探测器组成，因而可同时获得多个光谱。然后逐行扫描样品，将光谱线拼接在一起，形成化学图像。

FPA探测器是用于FT-IR成像的顶尖探测器技术。这些探测器由一组排列成正方形的红外探测器阵列（例如，64 x 64个探测器）组成。由于探测器数量较多，一次拍摄即可捕捉到数千个光谱，几乎如同数码相机。如果使用热源，则这些探测器采用液氮冷却；如果使用红外激光器作为光源，则采用非制冷FPA微测辐射热计。

在功能方面，FPA探测器远超过线阵列探测器和单元素探测器。前者能够以出色的分辨率生成大面积的化学图像，也就是在最短的时间内生成最高清晰度的图像。

FT-IR成像和红外激光成像普遍适用于一切需要观察样品中化合物分布情况的应用，例如，需要检查产品是否均匀或是否存在污染的工业应用。

在制药行业，检查产品的均匀性尤为重要。各种片剂形式的药物应当达到完全均匀，以消除活性成分的“热点”。毕竟，许多药片可以掰成两半来拆分剂量，因此，如果活性成分只存在于药片的某一半，则会出现问题。红外成像可快速扫描整个药品，并且通过化学图像可轻松地观察活性成分的分布情况，以确保其分布均匀。

在许多行业中，检查成品是否有污染是质量控制的一个重要方面。红外成像在这一应用中具有优势，因为它能够快速扫描大型工件。例如，使用FPA探测器，只需几分钟即可对半导体行业生产的大硅片进行成像，以便查看硅片中是否有杂质。即使在硅片上焊接了电子器件之后，仍可以使用红外显微镜，对芯片难以触及的区域进行故障分析。

除了这些标准的质量控制和故障分析应用之外，在其他许多领域——从物证鉴定到古生物学，从文保修复到医学，通过创建高精度的化学图像来直观呈现和表征样品的结构都是非常有用的。 

红外成像的一个特别令人兴奋的应用是组织成像，尤其是使用红外激光器进行组织成像。使用FPA探测器，只需几分钟即可对组织样本的大切片进行成像。这些图像能清晰地显示碳水化合物、蛋白质和脂质在该组织中的分布。在医学领域，此方法非常有用，因为它可以快速筛查患者组织样本中的病灶或癌细胞。相比于其他方法，红外成像能够更快地完成组织筛查，从而有望显著加快病灶和癌症检测过程，更及时地为患者提供治疗方案。

1.什么是化学成像？

化学成像是一种通过二维或三维图像，对样品的化学性质进行空间解析的方法。使用这项技术可获得有关材料特性、结构和样品来源的信息。

2.什么是FT-IR成像？

FT-IR成像是创建上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。

3.如何创建FT-IR图像？

常见的方法是连续的单点或线阵列检测，以及通过焦平面阵列（FPA）探测器直接获取二维图像。虽然相比之下，FPA探测器提供了更优的解决方案，但高度自动化的单点检测是一种更经济的选择。

4.FPA探测器是如何工作的？

FPA探测器的原理与数码相机的原理类似。然而，前者使用的是红外光而非可见光来照射一组预定义的像素阵列，并由每个探测器像素分别记录一个独立的空间分辨红外光谱。

5. FPA探测器是否需要光圈？

不需要，FPA探测器不需要任何光圈。探测器的每个像素起到光圈的作用，从而直接记录空间红外信息。与其他探测器技术相比，FPA探测器能够实现更快、更高分辨率的检测。

6. FPA探测器的空间分辨率是否可调节？

FPA探测器的空间分辨率取决于单个探测器像素的大小。然而，多个相邻的像素可组合起来形成一个“更大的像素”，从而使空间分辨率降低，光谱质量提高。

7. FPA探测器是否分为不同尺寸？

FPA探测器分为不同的阵列尺寸。用户需要根据光学系统（显微镜）来选择相应尺寸。例如，LUMOS II针对32x32像素阵列进行了优化，而HYPERION 3000则针对64x64或128x128像素阵列而设计。使用后者，可在一次扫描中记录多达16000个以上的空间分辨光谱。

8.FPA探测器的尺寸是否越大越好？

不是，因为所需FPA探测器的尺寸完全取决于显微镜提供的最佳照明。探测器阵列保持均匀照明是非常重要的，因为这样可确保探测器的中心和边缘都具有一致的高光谱灵敏度。

9. 大尺寸FPA探测器在何种情况下具有优势？

FPA探测器的面积越大，一次性记录的光谱数量就越多。由于空间分辨率与阵列尺寸无关，因此，在单次检测中，128x128 FPA探测器覆盖的面积是32x32探测器阵列的16倍。

10.FPA探测器能否与其他检测技术结合使用？

可以。FPA探测器在透射、反射和衰减全反射（ATR）方面具有优势。尤其是在与ATR技术结合使用时，此类探测器可达到超高的空间分辨率.。

11. 为何在ATR中，FPA检测的分辨率提高了？

与透射检测相比，通过将高折射固态透镜（ATR锗晶体）与“无光圈”FPA探测器相组合，可将空间分辨率提高四倍。此效应也被称为浸没透镜。

12. FPA检测是否适用于所有样品？

由于FPA检测可与其他任何检测技术相结合，因此原则上，所有类型的样品均可通过这种方式进行分析。相比之下，气体、液体和其他挥发性物质由于其动力学性质而无法进行显微镜分析。

13. FPA探测器的典型应用有哪些？


典型应用覆盖所有工业和研究领域。例如，对微塑料、颗粒和污染物进行分析，对生物组织、医药产品以及多层层压材料和油漆等复杂的化学结构进行表征。简言之，这种探测器技术适用于所有需要达到极高空间分辨率，以及需要对较大样品区域进行分析的应用。