常用光谱测量模式与计算原理

概述

在光纤光谱仪的日常使用中，最常见的两种测量模式是透射测量和反射测量。两种模式的核心数学原理完全一致——均是通过暗背景扣除和参比归一化，将探测器原始计数值转换为具有物理意义的透射率 / 反射率和吸光度。本文详细介绍两种光路模式的公式推导、光路搭建方法和标准操作步骤。

一、核心公式推导

无论透射还是反射光路，计算都基于同一组公式体系，区别仅在于物理量名称的替换。

1.1 透射率 / 反射率公式

$$T = \frac{Sample - Dark}{Reference - Dark} \quad \text{或} \quad R = \frac{Sample - Dark}{Reference - Dark}$$

其中：

1.2 吸光度公式

对透射率 / 反射率公式取对数变换，得到吸光度：

$$A = \lg\frac{1}{T} = -\lg T = \lg\frac{Reference - Dark}{Sample - Dark}$$

由公式可知，要获得准确的吸光度值，需要依次测量 Dark → Reference → Sample 三组数据，且三者在相同的积分时间和平均次数条件下采集。

核心原则：暗背景和参比应在每次测量序列开始时重新采集，以消除光源漂移和环境温度变化的影响。测量过程中保持所有参数（积分时间、平均次数）一致。

二、透射光路

2.1 定义与适用场景

透射光路是入射光穿过样品后被光谱仪接收的光路，用于测量样品对入射光的吸收特性。

常见应用场景： - 液体样品：比色皿或流通池中的溶液 - 固体透射：滤光片、贴膜、玻璃等平整透明/半透明固体

2.2 液体透射（比色皿支架）

光路示意：光源 → 比色皿（含样品液）→ 光纤 → 光谱仪

操作步骤：

1. 打开光源，放置空比色皿（或含参比液的比色皿），调整积分时间使最大光谱强度落在 50,000–55,000 counts 之间
2. 关闭光源，点击【暗背景】存储 Dark
3. 打开光源，点击【白参考】存储 Reference
4. 切换到透射率模式，此时有效波段范围内显示的透射率值为 100%
5. 放置盛有样品液的比色皿，在透射率模式下实时观察透射率分布曲线
6. 点击【保存】存储当前时刻透射率值
7. 切换到吸光度模式观察吸光度曲线，点击【保存】存储

2.3 液体透射（浸入式探头）

当不方便取样至比色皿时（如在线过程监测），可使用浸入式探头直接插入溶液。

操作步骤：

1. 打开光源，将探头浸入参比液（如纯净水），调整积分时间至 50,000–55,000 counts
2. 关闭光源 → 【暗背景】
3. 打开光源 → 【白参考】
4. 切换到透射率模式确认显示 100%
5. 将探头浸入样品液，观察并保存透射率和吸光度曲线

2.4 固体透射

适用于薄膜、滤光片等不需要比色皿的固体样品。

操作步骤：

1. 打开光源，调整积分时间至 50,000–55,000 counts
2. 关闭光源 → 【暗背景】
3. 打开光源 → 【白参考】（空气作为参比）
4. 切换到透射率模式确认 100%
5. 将固体样品置于光路中，观察并保存数据

三、反射光路

3.1 定义与适用场景

反射光路是入射光照射到样品表面后，反射光被光谱仪接收的光路，用于测量样品表面对入射光的反射特性。

常见应用场景： - 规则固体：陶瓷、金属、塑料片材 - 粉末样品：压块后的粉末 - 涂层、纺织品等不透明材料

3.2 反射探头光路

光路示意：光源 → Y 型反射探头（发射光纤 → 样品 → 接收光纤）→ 光谱仪

操作步骤：

1. 打开光源，将探头对准标准白板（Spectralon 或 BaSO₄），调整积分时间至 50,000–55,000 counts
2. 关闭光源 → 【暗背景】
3. 打开光源 → 【白参考】
4. 切换到反射率模式，确认显示 100%
5. 将探头对准待测样品，观察并保存反射率和吸光度曲线

3.3 反射率与吸光度的关系

在反射测量中，吸光度常用于近红外定量分析（如谷物水分、蛋白质检测）：

$$A_R = \lg\frac{1}{R} = \lg\frac{Reference - Dark}{Sample - Dark}$$

反射光谱配合化学计量学方法，可实现对固体样品中多种成分的同时快速预测。

四、关键注意事项

本文由谱研互联整理编写