漫反射的基本原理和应用
漫反射的基本原理和应用
漫反射是一种重要的光谱分析技术，广泛应用于材料科学、化学、环境监测等领域。本文将详细介绍漫反射的基本原理、测量方法及其在不同领域的具体应用。
基本原理
当红外光束照射到样品表面时，入射光束会以多种方式与颗粒物发生相互作用。一是光在样品表面发生镜反射且不穿过样品颗粒，称之为反射光。二是光进入样品颗粒内部，在样品颗粒之间辗转反射逐渐减弱，或者穿过一个或多个样品颗粒并随后再折回散射，最终从样品表面各个方向射出来，组成漫反射光。漫反射光与样品内分子发生相互作用，具有吸收—衰减的特性，负载样品的结构和组成信息，可以用于光谱分析。而漫反射装置就是要尽可能的把这些漫反射光收集起来送入检测器，得到较好的光谱信号。
常见的漫反射附件
常规漫反射附件（如图 1）。
该附件用于分析各种固体粉末样品，常用药物、无机矿物的定性和定量分析。荧飒光学提供的常规漫反射附件性价比高，不仅能够匹配荧飒光学的 FOLI10-R 和 FOLI20 系列傅里叶红外光谱仪，还能够与其它厂商的红外光谱仪进行匹配。高温、高压、低温反射附件（如图 2）。
具有特殊设计的样品仓，可以用于材料的热力学性质、反应过程、反应机理等相关研究。下图为荧飒光学为科研用户提供的原位漫反射红外及附件。上置漫反射附件（如图 3）。
用户只需将样品放置在附件上方即可测量，非常适合不同大小样品表面涂层的非破坏分析，比如珠宝、矿石的测量。
漫反射光谱的测量及注意事项
- 样品制样
利用漫反射附件测试红外光谱不需要对样品进行特别处理，有些粉末状样品可以直接测试，不能直接测试的固体样品可以和漫反射介质（如 KBr）混合研磨，将固体样品均匀地分散在漫反射介质中测试。样品的浓度可以从 0.1% 到纯样品之间变化。
在前面讲到当红外光束照射到样品上时会产生镜反射光和漫反射光。因为镜反射光包含有样品信息，其到达检测器对测试是一种干扰，当镜反射光占比较强时，还会引起光谱畸变，出现倒峰。镜面反射的强度与样品的浓度、颗粒大小以及折射率相关。浓度越大，镜面反射越严重，高浓度会使谱带变宽，甚至于出现全吸收，因此对于强红外吸收样品，测试时的浓度应尽量低。样品的颗粒越大，越容易产生镜面反射，通常建议漫反射样品的颗粒度在 2―5 微米之间，颗粒度小，镜反射占比越小，漫反射占比高，灵敏度越高。样品的折射率越高，镜面反射占比会越高，谱带会变得越宽。在制样时还需要注意的是，为了让入射光尽可能多的进入到样品内部，将样品放入样品杯中时应该保持为疏松的状态，不要将粉末压紧压实。 对于液体样品，一般可以将液体滴在漫反射介质粉末表面进行测试。
- 光谱的测量
漫反射光谱测量的是样品的漫反射率 R，其定义如下：
R = I/I0 x 100%
其中 I 为样品的散射光强度；I0 为背景散射光强度，用漫反射率表示漫反射光谱时，光谱形状与透射光谱形状相同。与之对应的吸光度光谱则以 lg(1/R)表示，即漫反射吸光度 A = lg(1/R)。需要注意的是漫反射光谱的吸光度与样品的含量(浓度)不符合朗伯-比尔定律，即样品浓度与光谱强度不成线性关系，其主要原因在于存在镜面反射。若要使样品浓度与光谱强度成线性关系，需要尽可能的消除镜面反射。
中红外漫反射用于定量分析时，应满足以下条件：一是高质量的漫反射光谱，样品和漫反射介质的颗粒越细越均匀越好；二是样品需要较低浓度，样品与漫反射介质质量比约为 1%左右。三是样品杯中的样品厚度至少需要 3mm，且样品表面应该平整。四是需要将漫反射率转化为 Kubelka-Munk 函数 f(R∞)，转化为 K-M 函数可减小或消除任何与波长有关的镜面反射效应。漫反射率和样品浓度的关系可表达为：
f(R∞) = (1- R∞)2/2R∞ = K/S
其中 R∞代表样品无限厚时的反射率(实际几毫米就够了)，K 为样品的吸光系数，S 为样品的散射系数。当样品的浓度不高时，吸收系数 K 和样品的浓度成正比 K = Ac，A 为摩尔吸光系数。此时 f(R∞) = K/S = Ac/S。 当散射系数 S 保持不变时，f(R∞)与样品浓度成正比，即经过转化得到的 K-M 函数 f(R∞) 与样品浓度符合朗伯-比尔定律。
漫反射光谱的应用
原位催化反应。原位漫射光谱是研究气-固催化反应的良好工具，如低温水煤气变换反应、二氧化碳合成甲醇、一氧化碳催化氧化、烷烃类的氧化。
食品、药品以及环境定量检测。无需对样品进行前处理，简单快速，不用消耗试剂，可以实现非破坏和无污染检测，使得漫反射红外光谱法在食品、药品以及环境定量分析方面的应用日益广泛。
土壤检测。通过官能团类型分析，评估土壤中的有机材料；预测土壤中有机无机化合物的含量。
珠宝玉石检测。可以快速、非破坏性检测珠宝的品质。