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红外ATR法的测量原理分析
概述
无创胆固春测量装置和葡萄糖浓度测量装置是使用ATR（全反射衰减法）测量皮肤红外吸收强度并估计血液中胆固春和葡萄糖浓度的设备。 人体皮肤主要是蛋白质（角蛋白），也含有大量的水分。 为了从中获得胆固春和葡萄糖浓度，有必要获得具有高信噪比的红外吸收强度。 ATR方法适合这种测量方法。 此外，为了制造与光源光学系统的光学系统和光谱仪相匹配的高效率ATR测量装置，需要检查棱镜的折射率，入射角，厚度，长度等，并进行与之匹配的光学设计。
ATR
2.1 倏逝波的测量原理
如图所示，折射率较低的样品粘附在具有高折射率的梯形棱镜上，当光线从棱镜边缘入射时，光在一定角度（临界角）以上反射，不会离开棱镜。 然而，当反射时，光会在棱镜表面上产生消逝的波，并且仅在一定距离处渗出。 ATR测量（衰减全反射）试图利用这种倏逝波获得样品的吸收光谱。
光穿透样品的深度取决于入射角（θ），棱镜和样品的折射率（n1，n2），关系由以下方程表示，与光的波长成正比，与棱镜的折射率成反比。
2.2 红外ATR测量方法 将ATR法
应用于红外吸收光谱测量具有多种特点。 与其他表面分析方法相比，它更简单，吸收强度取决于波长，并且可以通过改变入射角和棱镜的折射率来调节光线穿透样品的深度。 为了充分利用ATR方法并正确分析被测的ATR谱图，有必要了解这些ATR特性。
定量检查样品的渗透深度。 通常，穿透深度dp由光强度为棱镜表面强度的1/e的距离定义。 为了调整穿透深度，可以改变入射角或使用具有不同折射率的棱镜。 例如，如果要使穿透深度变浅，请增加入射角并使用折射率较大的棱镜。 此外，穿透深度取决于波长，ATR光谱的吸收强度随着到达长波长侧（低波数侧）而变强。 因此，ATR光谱的基线趋于向下，但是如果ATR光谱通过波长的倒数（1/λ）进行校正，则可以将其校正为具有与透射光谱相似的峰值强度比的光谱。
下表显示了透明棱镜在红外区域中的折射率以及在每个入射角为45度和60度时引起样品全反射的上限折射率。
此外，当样品的折射率设置为1.5并且入射角设置为45度时，计算每个棱镜的每个波长处对样品的穿透深度。
影响ATR光谱峰值强度的因素包括棱镜与样品之间的粘附以及与样品的接触面积。 如果棱镜和样品之间有空气层，样品与光之间的相互作用就会减弱，因为棱镜渗出的光不容易到达样品。 测量时，必须尽可能提高粘附程度。 此外，在样品被过度吸收的情况下，可以通过调节压住样品的力来调节峰的强度。 关于样品的大小，与棱镜的接触面积越大，反射次数越多，从而使吸收强度变强。
ATR方法针对的样品主要是具有光滑平面的薄膜和固体样品，但也可以测量粉末样品和液体样品。
2.3 ATR测量装置
ATR测量装置由具有高折射率的ATR棱镜和反射镜的组合组成。 图2显示了市售ATR测量设备（岛津株式会社制造的ATR-8000）的外观，图3显示了其光学系统。 该设备可以分三个阶段改变入射到样品的光角度：30°、45° 和 60°。 通常，通过将测量设置为3°来执行测量，并且样品与棱镜的两侧紧密接触。
作为ATR棱镜，除KRS-45外，还可以使用锗、硒化锌等。
