近紅外光譜及其成像原理

NIR 光譜或近紅外分光光度法 (NIRS) 是一種吸收光譜方法，通過(guò)測(cè)量化合物或溶液吸收的近紅外輻射量來(lái)幫助確定化合物或溶液的化學(xué)成分。本文簡(jiǎn)單介紹了近紅外光譜及其成像原理。

近紅外光譜

顧名思義，近紅外光譜在近紅外電磁光譜中工作。近紅外輻射波比可見(jiàn)光稍長(zhǎng)，覆蓋700nm至2500nm的光譜。與中波長(zhǎng)和長(zhǎng)波長(zhǎng)紅外輻射相比，近紅外光譜不是熱光譜。換句話說(shuō)，近紅外輻射與您從明火或太陽(yáng)中感受到的熱量無(wú)關(guān)。

因此，近紅外輻射不是用于熱成像(想想鐵血戰(zhàn)士穿過(guò)中美洲雨林跟蹤阿諾德·施瓦辛格)，而是出現(xiàn)在光纖、電視遙控器，當(dāng)然還有近紅外光譜中。

近紅外光譜成像原理

不同分光光度法(包括近紅外光譜法)背后的主要原理是比爾-朗伯定律。根據(jù)該定律，溶液中某種化合物的濃度決定了該溶液吸收多少光(無(wú)論是可見(jiàn)光還是紅外光)。濃度越高，吸收特定波長(zhǎng)的輻射就越多。然而，近紅外光譜法與其他光譜法的不同之處在于吸收背后的機(jī)制。

例如，在紫外-可見(jiàn)光譜中，化合物對(duì)可見(jiàn)光的吸收是根據(jù)構(gòu)成化合物的電子對(duì)電磁輻射的吸收來(lái)測(cè)量的。

當(dāng)電子吸收輻射時(shí)，它進(jìn)入所謂的激發(fā)態(tài)，在該態(tài)中它“充電”的能量比其正常(“基”)狀態(tài)更多。然而，電子不會(huì)長(zhǎng)時(shí)間保持興奮狀態(tài)，并會(huì)在不久后衰變到基態(tài)，釋放出與它們吸收的等量的能量。這個(gè)過(guò)程也稱為電子躍遷。

由于不同化學(xué)元素的電子需要不同的能量才能進(jìn)入激發(fā)態(tài)，因此紫外-可見(jiàn)光譜可以通過(guò)測(cè)量該能量來(lái)確定其性質(zhì)。近紅外輻射與物質(zhì)具有獨(dú)特的相互作用，NIRS 的工作原理有所不同。近紅外輻射不是激發(fā)化學(xué)元素原子內(nèi)的電子，而是影響整個(gè)分子。更具體地說(shuō)，它影響分子的振動(dòng)運(yùn)動(dòng)——使分子內(nèi)的原子粘在一起的鍵。

當(dāng)暴露于近紅外輻射時(shí)，分子吸收電磁光子并啟動(dòng)稱為振動(dòng)轉(zhuǎn)變的過(guò)程——拉伸、收縮、彎曲、來(lái)回?fù)u擺等。由于這種機(jī)制，近紅外光譜通常被稱為振動(dòng)吸收光譜。

但這種分子振動(dòng)如何幫助通過(guò)近紅外光譜確定物質(zhì)的化學(xué)成分呢?這與分子在振動(dòng)躍遷狀態(tài)下的行為有關(guān)。根據(jù)構(gòu)成分子的化學(xué)元素，分子將具有特定的振動(dòng)模式。讓我們以水分子為例。水分子由兩個(gè)部分帶正電的氫原子和一個(gè)部分帶負(fù)電的氧原子組成。當(dāng)暴露于特定頻率的紅外輻射時(shí)，水分子也會(huì)被以下更高能量振動(dòng)模式激發(fā)：不對(duì)稱拉伸，其中一個(gè)氫鍵收縮，而另一個(gè)氫鍵延伸對(duì)稱拉伸，在此期間兩個(gè)氫鍵收縮或拉伸剪式彎曲，在此過(guò)程中兩個(gè)氫原子相互來(lái)回?cái)[動(dòng)，就好像它們被剪刀刺穿一樣。確定分子在暴露于紅外輻射時(shí)進(jìn)入哪種振動(dòng)模式，以及將分子激發(fā)到更高振動(dòng)狀態(tài)所需的輻射頻率，是 NIRS 背后的工作原理。

水分子由兩個(gè)氫原子和一個(gè)氧原子組成。因此，它通過(guò)氫鍵結(jié)合在一起，在 NIRS 過(guò)程中氫鍵會(huì)成為近紅外波的目標(biāo)。