圖為超表面與氣體分子相互作用示意圖（來源：SUTD）
中紅外波段是電磁光譜中有趣的部分，它由人眼無法看到的顏色組成的。許多化學(xué)分子在紅外光照射時(shí)會(huì)產(chǎn)生共振。這種紅外共振可以用來識(shí)別分子或采集分子的“指紋”特征圖譜。因此，紅外波段對大氣污染監(jiān)測、爆炸物和麻醉毒品的檢測、食品質(zhì)量檢測等一系列應(yīng)用都很有幫助。然而，紅外光學(xué)組件體積往往比較大，且價(jià)格昂貴、不可調(diào)諧。
據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，來自新加坡科技與設(shè)計(jì)大學(xué)（Singapore University of Technology and Design，SUTD）與大連理工大學(xué)（DUT）、新加坡同步輻射光源（SSLS）的研究者們聯(lián)合研究，證明了常見于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備的可調(diào)相變材料，可用于調(diào)諧微尺寸紅外透射“超表面”濾光器的響應(yīng)。濾光器可在中紅外光譜的寬波段上進(jìn)行調(diào)諧，在該波段中許多污染氣體會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)。
SUTD的首席研究員、助理教授Robert Simpson說：“這些紅外濾光器非常小，甚至可以集成到智能手機(jī)中。幫助用戶實(shí)現(xiàn)多種測量應(yīng)用，例如，測量用來炸食物的油的質(zhì)量、呼吸的空氣質(zhì)量，或者通過測量從人體排出的體液來檢查身體健康狀況”。
這項(xiàng)研究成果發(fā)表于《Advanced Optical Materials》期刊，該期刊以發(fā)表突破性跨學(xué)科研究而聞名，其關(guān)注的研究領(lǐng)域是光物質(zhì)的相互作用。
近紅外光譜主要是由于分子振動(dòng)的非諧振性使分子振動(dòng)從基態(tài)向高能級躍遷時(shí)產(chǎn)生的，記錄的主要是含氫基團(tuán)Ｘ－Ｈ（Ｘ＝Ｃ、Ｎ、Ｏ）振動(dòng)的倍頻和合頻吸收。
不同基團(tuán)（如甲基、亞甲基，苯環(huán)等）或同一基團(tuán)在不同化學(xué)環(huán)境中的近紅外吸收波長與強(qiáng)度都有明顯差別；
NIR光譜具有豐富的結(jié)構(gòu)和組成信息，非常適適用于碳?xì)溆袡C(jī)物質(zhì)的組成與性質(zhì)丈量。
但在NIR區(qū)域，吸收強(qiáng)度弱，靈敏度相對較低，吸收帶較寬且重疊嚴(yán)重。
因此，依靠傳統(tǒng)的建立工作曲線方法進(jìn)行定量分析是十分困難的，化學(xué)計(jì)量學(xué)的發(fā)展為這一題目的解決奠定了數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。
其工作原理是，假如樣品的組成相同，則其光譜也相同，反之亦然。假如我們建立了光譜與待測參數(shù)之間的對應(yīng)關(guān)系（稱為分析模型）；
那么，只要測得樣品的光譜，通過光譜和上述對應(yīng)關(guān)系，就能很快得到所需要的質(zhì)量參數(shù)數(shù)據(jù)。分析方法包括校正和猜測兩個(gè)過程：
（1）在校正過程中，收集一定量有代表性的樣品（一般需要80個(gè)樣品以上），在丈量其光譜圖的同時(shí)；
根據(jù)需要使用有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)分析方法進(jìn)行丈量，得到樣品的各種質(zhì)量參數(shù)，稱之為參考數(shù)據(jù)。
通過化學(xué)計(jì)量學(xué)對光譜進(jìn)行處理，并將其與參考數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，這樣在光譜圖和其參考數(shù)據(jù)之間建立起逐一對應(yīng)映射關(guān)系，通常稱之為模型。
固然建立模型所使用的樣本數(shù)目很有限，但通過化學(xué)計(jì)量學(xué)處理得到的模型應(yīng)具有較強(qiáng)的普適性。
對于建立模型所使用的校正方法視樣品光譜與待分析的性質(zhì)關(guān)系不同而異，常用的有多元線性回回，主成分回回，偏最小二乘，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和拓?fù)浞椒ǖ取?/p>
顯然，模型所適用的范圍越寬越好，但是模型的范圍大小與建立模型所使用的校正方法有關(guān)，與待測的性質(zhì)數(shù)占有關(guān)，還與丈量所要求達(dá)到的分析精度范圍有關(guān)。
實(shí)際應(yīng)用中，建立模型都是通過化學(xué)計(jì)量學(xué)軟件實(shí)現(xiàn)的，并且有嚴(yán)格的規(guī)范（如ASTM-6500標(biāo)準(zhǔn)）。
（2）在猜測過程中，首先使用近紅外光譜儀測定待測樣品的光譜圖，通過軟件自動(dòng)對模型庫進(jìn)行檢索，選擇正確模型計(jì)算待測質(zhì)量參數(shù)。
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