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紅外ATR法的測量原理分析
概述
無創(chuàng)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(qiáng)度并估計(jì)血液中膽固春和葡萄糖濃度的設(shè)備。 人體皮膚主要是蛋白質(zhì)（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(qiáng)度。 ATR方法適合這種測量方法。 此外，為了制造與光源光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)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(jìn)行與之匹配的光學(xué)設(shè)計(jì)。
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(dāng)光線從棱鏡邊緣入射時(shí)，光在一定角度（臨界角）以上反射，不會(huì)離開棱鏡。 然而，當(dāng)反射時(shí)，光會(huì)在棱鏡表面上產(chǎn)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(guān)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(yīng)用于紅外吸收光譜測量具有多種特點(diǎn)。 與其他表面分析方法相比，它更簡單，吸收強(qiáng)度取決于波長，并且可以通過改變?nèi)肷浣呛屠忡R的折射率來調(diào)節(jié)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(qiáng)度為棱鏡表面強(qiáng)度的1/e的距離定義。 為了調(diào)整穿透深度，可以改變?nèi)肷浣腔蚴褂镁哂胁煌凵渎实睦忡R。 例如，如果要使穿透深度變淺，請?jiān)黾尤肷浣遣⑹褂谜凵渎瘦^大的棱鏡。 此外，穿透深度取決于波長，ATR光譜的吸收強(qiáng)度隨著到達(dá)長波長側(cè)（低波數(shù)側(cè)）而變強(qiáng)。 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(shù)（1/λ）進(jìn)行校正，則可以將其校正為具有與透射光譜相似的峰值強(qiáng)度比的光譜。
下表顯示了透明棱鏡在紅外區(qū)域中的折射率以及在每個(gè)入射角為45度和60度時(shí)引起樣品全反射的上限折射率。
此外，當(dāng)樣品的折射率設(shè)置為1.5并且入射角設(shè)置為45度時(shí)，計(jì)算每個(gè)棱鏡的每個(gè)波長處對樣品的穿透深度。
影響ATR光譜峰值強(qiáng)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(huì)減弱，因?yàn)槔忡R滲出的光不容易到達(dá)樣品。 測量時(shí)，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(diào)節(jié)壓住樣品的力來調(diào)節(jié)峰的強(qiáng)度。 關(guān)于樣品的大小，與棱鏡的接觸面積越大，反射次數(shù)越多，從而使吸收強(qiáng)度變強(qiáng)。
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(shè)備（島津株式會(huì)社制造的ATR-8000）的外觀，圖3顯示了其光學(xué)系統(tǒng)。 該設(shè)備可以分三個(gè)階段改變?nèi)肷涞綐悠返墓饨嵌龋?0°、45° 和 60°。 通常，通過將測量設(shè)置為3°來執(zhí)行測量，并且樣品與棱鏡的兩側(cè)緊密接觸。
作為ATR棱鏡，除KRS-45外，還可以使用鍺、硒化鋅等。
