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，通過測量化合物或溶液吸收的近紅外輻射量來幫助確定化合物或溶液的化學(xué)成分。本文簡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光稍長，覆蓋700nm至2500nm的光譜。與中波長和長波長紅外輻射相比，近紅外光譜不是熱光譜。換句話說，近紅外輻射與您從明火或太陽中感受到的熱量無關(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(無論是可見光還是紅外光)。濃度越高，吸收特定波長的輻射就越多。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-可見光譜中，化合物對可見光的吸收是根據(jù)構(gòu)成化合物的電子對電磁輻射的吸收來測量的。

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-可見光譜可以通過測量該能量來確定其性質(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，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)變的過程——拉伸、收縮、彎曲、來回?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)：不對稱拉伸，其中一個(gè)氫鍵收縮，而另一個(gè)氫鍵延伸對稱拉伸，在此期間兩個(gè)氫鍵收縮或拉伸剪式彎曲，在此過程中兩個(gè)氫原子相互來回?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，它通過氫鍵結(jié)合在一起，在 NIRS 過程中氫鍵會(huì)成為近紅外波的目標(biāo)。