光谱学的应用

光谱学的应用摘要：当物质受到光（电磁波）的照射，会发生光的吸收、反射或透射等现象，此时有些物质自身也会发光（或荧光）。光的这些现象与物质的成分、结构理化特性等有着密切的关系，分析这些关系的学科成为光谱学（即光谱分析）。而与传统工艺相比，由于其测试简单，测试速度快，测试范围可以不断拓展等优点已被广泛应用于石化、农业、食品、工业控制、医学等多个领域。关键字：受到光的照射、自身会发光、密切联系、光谱学、应用正文：复合光经过色散系统分光后，按波长（或频率）的大小依次排列的图案称为光谱。光谱的产生是由于物质的分子、原子或离子受到外部能量的作用后，其内部的运动状态会发生变化，即能级变化。变化的能量以电磁辐射的形式释放或吸收，因此，光谱可分为发射光谱和吸收光谱两大类。光谱法是以辐射能和物质组成和结构之间的内在联系及表现形式——光谱的测量为基础。光谱法的特征性质和仪器方法如下：（1）辐射的发射：原子发射光谱法、原子荧光光谱法、X射线荧光光谱法、分子荧光光谱法、分子磷光光谱法、化学发光法、电子能浦法、俄歇电子能谱法；（2）辐射的吸收：原子吸收光谱法、紫外——可见分光光度法、红外光谱法、X射线吸收光谱法、核磁共振谱法、电子自旋共振波谱法、光声光谱法；（3）辐射的散射：拉曼光谱法；随着光谱学的不断发展，越来越多的光谱技术以及仪器被应用与实际的生产中。例如高光谱成像技术和实用近红外光谱分析技术。一：高光谱成像技术是基于非常多窄短波的影像数据技术，其在遥感探测领域有非常突出的应用，是当前遥感领域的前沿技术之一。高光谱成像技术的定义是在多光谱成像的基础上，在光谱覆盖范围内的数十或数百条光谱波段对目标物体连续成像。在获得物体空间特征成像的同时，也获得被测物体的光谱信息。优势在于采集到的图像信息量丰富，识别度较高和数据描述模型多。由于物体的反射光谱具有“指纹”效应，不同物不同光谱，同物一定同谱的原理来分辨不同的物质信息。而根据成像光谱仪的扫描方式不同，其工作原理也不尽相同,作为光学成像仪成像的一个例子,这里简述一下焦平面探测器推扫成像原理。1：系统工作原理焦平面探测器推扫成像原理。地面物体的反射光通过物镜成像在狭缝平面,狭缝作为光栏使穿轨方向地面物体条带的像通过,挡掉其他部分光。地面目标物的辐射能通过指向镜,由物镜收集并通过狭缝增强准直照射到色散元件上,经色散元件在垂直条带方向按光谱色散,用会聚镜会聚成像在传感器使用的二维CCD面阵列探测元件被分布在光谱仪的焦平面上。焦平面的水平方向平行于狭缝,称空间维,每一行水平光敏元上是地物条带一个光谱波段的像;焦平面的垂直方向是色散方向,称光谱维,每一列光敏元上是地物条带一个空间采样视场(像元)光谱色散的像。这样,面阵探测器每帧图像数据就是一个穿轨方向地物条带的光谱数据,加上航天器的运动,以一定速率连续记录光谱图像,就得到地面二维图像及图像中各像元的光谱数据,即图像立方体。2：光谱成像仪数据获取系统构成光谱成像仪由光学系统、信号前端处理盒、数据采集记录系统三部分组成数据的回放及预处理通过专用软件在高性能的微机上完成。软件具有如下功能:数据备份;快速回放;数据规整和格式转换;图像分割截取;标准格式的图像数据生成等。3：成像光谱仪的应用成像光谱仪的应用范围遍及化学、物理学、生物学、医学等多个领域,对于纯定性到高度定量的化学分析和测定分子结构都有很大应用价值。光谱成像仪在土地利用、农作物生长、分类,病虫害检测,海洋水色测量,城市规划、石油勘探、地芯地貌及军事目标识别等方面也有很广泛和深远的应用前景。（1）在农林业上的应用在农林业上的应用很多,如农作物长势分析、作物类别鉴定、病虫害防治分析、产量评估、林业资源调查、伐林造林、森林草场调查、土地沙化土壤侵蚀等。在农业、林业中的应用高光谱成像仪可以用来研究品种因素对小麦品质的影响程度以及品种因素与品质指标之间的相关性还可以得出环境条件下籽粒的白质含量与湿面筋含量、沉降值、吸水率、形成时间和稳定时间之间存在的相关性,并利用不同品种、不同肥水条件下的作物关键生育时期的生化参量与光谱指数进行分析,预测预报籽粒品质。还有农业作物长势监测主要利用红外波段和近红外波段的遥感信息,得到的植被指数(NDVI)与作物的叶面积指数和生物量正相关，利用NDVI过程曲线,特别是后期的变化速率预测冬小麦产量的效果很好,精度较高。（2）环境监测环境监测主要应用在1.石化工业:如对油品、塑料、添加剂、催化剂等中的元素分析等,还可对其有害元素含量是否超标进行分析监测;2.生态环保:污水或水中有害金属分析,植物中残余无机元素的分析;3.建筑、建材工业:结合城市地物和人工目标的检识等,对水泥、玻璃及耐火材料分析。4.检测土壤中的金属污染可应用于考古的土质探测分析，分辨各朝代的土壤。5.矿石种类分析，对岩矿进行分类、填图和地质勘探，快速实时的分类岩心。6.检测水体泥沙含量，检测赤潮和水体富营养化。7.检测病虫害和植被覆盖面积。8.洪涝灾害预测。（3）其他方面在刑事侦查方面可以分析鉴定数字和签字的修改和涂覆，鉴别文件的真伪，以及对指纹、血迹的鉴定。在药品成分检测方面可以分析出药品的配比，混合均匀性等。在艺术品鉴定中可以对油画，国画，壁画等艺术品的真伪鉴别，分析画作成分以利于文物修复等。在医疗诊断中可以对器官、手臂、足部等生物体的检测，快速准确的发现表皮病变，例如牙病、舌苔的检查等。二：实用近红外光谱分析技术1：原理近红外光谱主要是由于分子振动的非谐振性使分子振动从基态向高能级跃迁时产生的，记录的主要是含氢基团X-H（X=C、N、O）振动的倍频和合频吸收。不同基团（如甲基、亚甲基、苯环等）或同一基团在不同化学环境中的近红外吸收波长与强度都有明显差别，NIR光谱具有丰富的结构和组成信息，非常适合用于碳氢有机物质的组成与性质的测量。2：仪器的构造近红外光谱仪器不管按何种方式设计，一般由光源、分光系统、载样器件、检测器和数据处理以及记录仪（或打印机）等几部分构成。3：仪器的主要类型从技术的角度出发，近红外光谱仪器有多种分类形式，具体如下。（1）、从使用的光源看，既有发出宽谱带卤钨光源的仪器，也有采用多个产生窄谱带发光二极管组合作光源构成的仪器。（2）、从样品光谱信息的获得看，有简单的在一个或几个波长下测定的专用型滤光片型仪器，也有在近红外波长范围内测定全谱信息的研究型仪器。（3）、从光谱测定的波长范围看，由于采用不同检测器和分光器件，有的专用于短波近红外区域，有的则适合用于长波近红外区域。（4）、从检测器对分析光的响应看，有单通道和多通道两种类型，多通道型又有采用CCD（电荷耦合器件）和PDA（二极管阵列器件）的近红外光谱仪。（5）、从仪器的分光器件看，可分为4种主要类型：滤光片、光栅分光、傅立叶变换（麦克尔逊干涉仪）和声光调制滤光器。4：近红外光谱分析技术的应用（1）在食品工业方面：NIR技术不仅作为常规方法用于食品的品质分析，而且已用于食品加工过程中组成变化的监控和动力学行为的研究，如用NIR评价微型磨面机在磨面过程中化学成分的变化；在奶酪加工过程中优化采样时间，研究不同来源的奶酪的化学及物理动力学行为；通过测定颜色变化来确定农产品的新鲜度，成熟度，了解食品的安全性；通过检测水分含量的变化来控制烤制食品的质量，检测苹果、葡萄，梨、草莓等果汁加工过程中可溶性和总固形物的含量变化。（2）在农业方面：近红外光谱最早成功的用于农产品的品质分析，进而扩展到污染物的测定，烟草、咖啡的分类、农产品产地来源鉴别，还用于检测可耕土壤的物理和化学变化，光导纤维探头的出现，NIR技术可直接用于粮食或水果传送带上进行产品分捡。（3）在化工、纺织、化妆品及药品分析方面由于光学、计算机科学技术、化学光度理论方法等各种科学技术的不断发展，近红外光谱技术的研究内容增多，其应用从农产品的实用技能扩展到其它许多领域。如石油化工高分子化工和基本有机化工、纺织工业和制药工业等领域。欧洲药典使用的用于定性纤维素醚的浸润化学方法既费时又昂贵，而近红外光谱加快了赋形剂的定性时间，即使对于不同生产商或不同物理特陛的大量样品来说，近红外光谱都能很快地检测出纤维素醚。结论：由于光谱分析技术具有分析快、精度高、结果稳定、无破坏等优点，已在化工、农业、医学等领域得到越来越广泛的应用。基于光谱分析原理的遥感技术，作为现代信息技术的重要支柱，其应用领域在不断被扩大，并且与人类的日常生活的关系也越来越紧密。参考文献：1：冯放.现代近红外光谱分析技术及其应用.生命科学仪器，2007，第5卷10月刊2：王燕岭.近红外光谱技术基础理论与应用综述.生命科学仪器.2004,4月3：洪新华，姚凯.成像光谱仪的原理与应用.河南科技学院学报（自然科学版）.2006，第33卷第2期4：李民赞，韩东秀，王秀.光谱分析技术及其应用.北京：科学出版社.2006,2-4