同步辐射红外光谱影像技术应用和发展.PDF

科學研究 同步輻射紅外光譜影像技術應用與發展 紅外光譜是利用單一分子所產生的數種甚至數十種的特徵吸收光譜作為判斷物種的化學分析方法， 並採用分子本身的特徵吸收光譜亦即所謂的分子指紋（molecular fingerprint）所組成的頻譜資料庫 作為基礎，進而達到確認化學成份的目的。同步輻射紅外顯微術（infrared micro-spectroscopy, IMS） 實驗站是利用偏轉磁鐵光源建立的紅外光束線實驗站，提供可達中紅外光區繞射極限之空間解析的 光譜影像（spectral image）分析，並提供基礎科學、醫學診斷（medical diagnosis）及半導體製程 應用的光譜與光譜影像分析。 李耀昌、陳慶曰（研究組、光束線組） 光譜的紅外光區涵蓋了波數12800－10 cm-1或波 device ，CCD ）的發明與後續發展，且利用超大型積 長0.78 µm －1000 µm的輻射。從應用及儀器的觀點， 體電路（very large scale integration ，VLSI ）的技術， 紅外光譜可區分成近紅外（near-infrared ）、中紅外 使得600 ×600 pixel陣列以上的電荷耦合元件已廣泛 (middle-infrared)與遠紅外（far-infrared ）輻射。現今 地使用於商業用途[1] 。而此一技術已成功地轉植到紅 於分析上主要是在中紅外光區，範圍在4000 －400 外共焦面陣列（infrared focal plane array ，IRFPA ）偵 cm-1 ，亦即25 －2.5 µm ，如表一所示。利用中紅外吸 測 器 上 ， 亦 即 將 二 維 的 紅 外 偵 測 器 與 多 工 器 收光譜技術可獲得物質分子的幾何結構、鍵結種類與 （multiplexer ）讀出電路製造在同一晶片上。 化學反應性，並可應用在物質成份的定性或定量分析。 由於近年紅外共焦面陣列技術的進步，提供了紅 且由於大部份物質分子之振動基礎躍遷（fundamental 外影像技術更大的發展空間，使紅外影像從原本國防 transition ）譜線落於中紅外光區，所以中紅外光吸收 上及實驗室的應用，逐漸擴展到產業中材料的品質控 光譜提供了物質分子獨特的指紋光譜，因此可藉由特 制及生醫檢測的應用，本文將介紹目前紅外光譜影像 徵光譜區分所有物質分子。但對於具有相同特徵光譜 系統的基本原理、儀器組成、技術應用及未來的發展。 之光學異構物及同核雙原子分子而言，是無法藉由此 技術予以辨識。 基本原理 何謂光譜影像？或是稱為化學影像，由於每個化 表一 紅外光譜區 學成份都有其特徵光譜，藉由這些特徵吸收或放光信 號的強弱即可定量或定性物質分子，同時量測分佈於 波長範圍 波數範圍 頻率範圍 區 域 ( λ), µm ( ν), cm-1 ( ｖ), Hz 樣品上不同區域的物質分子的特徵光譜。化學影像和 近紅外 0.78 － 2.5 12800 － 4000 3.8 ×1014 － 1.2 ×1014 一般的光學影像如白光影像及雷射影像不同，一般光 學影像為物理影像，這和幾何形狀、顏色及偏光有關， 中紅外 2.5 － 50 4000 － 200 2 ×1014 － 6.0 ×1012 因此一般的光學影像是無法分辨不同物質的成