紅外ATR法的測量原理分析

發布日期：2023-05-30      瀏覽次數：2803

紅外ATR法的測量原理分析

1. 概述
   無創膽固春測量裝置和葡萄糖濃度測量裝置是使用ATR（全反射衰減法）測量皮膚紅外吸收強度并估計血液中膽固春和葡萄糖濃度的設備。 人體皮膚主要是蛋白質（角蛋白），也含有大量的水分。 為了從中獲得膽固春和葡萄糖濃度，有必要獲得具有高信噪比的紅外吸收強度。 ATR方法適合這種測量方法。 此外，為了制造與光源光學系統的光學系統和光譜儀相匹配的高效率ATR測量裝置，需要檢查棱鏡的折射率，入射角，厚度，長度等，并進行與之匹配的光學設計。

2. ATR 

   2.1 倏逝波的測量原理
   如圖所示，折射率較低的樣品粘附在具有高折射率的梯形棱鏡上，當光線從棱鏡邊緣入射時，光在一定角度（臨界角）以上反射，不會離開棱鏡。 然而，當反射時，光會在棱鏡表面上產生消逝的波，并且僅在一定距離處滲出。 ATR測量（衰減全反射）試圖利用這種倏逝波獲得樣品的吸收光譜。

   

   光穿透樣品的深度取決于入射角（θ），棱鏡和樣品的折射率（n1，n2），關系由以下方程表示，與光的波長成正比，與棱鏡的折射率成反比。

   

   2.2 紅外ATR測量方法 將ATR法
   應用于紅外吸收光譜測量具有多種特點。 與其他表面分析方法相比，它更簡單，吸收強度取決于波長，并且可以通過改變入射角和棱鏡的折射率來調節光線穿透樣品的深度。 為了充分利用ATR方法并正確分析被測的ATR譜圖，有必要了解這些ATR特性。
   定量檢查樣品的滲透深度。 通常，穿透深度dp由光強度為棱鏡表面強度的1/e的距離定義。 為了調整穿透深度，可以改變入射角或使用具有不同折射率的棱鏡。 例如，如果要使穿透深度變淺，請增加入射角并使用折射率較大的棱鏡。 此外，穿透深度取決于波長，ATR光譜的吸收強度隨著到達長波長側（低波數側）而變強。 因此，ATR光譜的基線趨于向下，但是如果ATR光譜通過波長的倒數（1/λ）進行校正，則可以將其校正為具有與透射光譜相似的峰值強度比的光譜。

   下表顯示了透明棱鏡在紅外區域中的折射率以及在每個入射角為45度和60度時引起樣品全反射的上限折射率。
   此外，當樣品的折射率設置為1.5并且入射角設置為45度時，計算每個棱鏡的每個波長處對樣品的穿透深度。

   

   影響ATR光譜峰值強度的因素包括棱鏡與樣品之間的粘附以及與樣品的接觸面積。 如果棱鏡和樣品之間有空氣層，樣品與光之間的相互作用就會減弱，因為棱鏡滲出的光不容易到達樣品。 測量時，必須盡可能提高粘附程度。 此外，在樣品被過度吸收的情況下，可以通過調節壓住樣品的力來調節峰的強度。 關于樣品的大小，與棱鏡的接觸面積越大，反射次數越多，從而使吸收強度變強。
   ATR方法針對的樣品主要是具有光滑平面的薄膜和固體樣品，但也可以測量粉末樣品和液體樣品。

   2.3 ATR測量裝置
   ATR測量裝置由具有高折射率的ATR棱鏡和反射鏡的組合組成。 圖2顯示了市售ATR測量設備（島津株式會社制造的ATR-8000）的外觀，圖3顯示了其光學系統。 該設備可以分三個階段改變入射到樣品的光角度：30°、45° 和 60°。 通常，通過將測量設置為3°來執行測量，并且樣品與棱鏡的兩側緊密接觸。
   作為ATR棱鏡，除KRS-45外，還可以使用鍺、硒化鋅等。