将定向反射从漫反射光谱中消去的遮断设施的制作方法

专利名称:将定向反射从漫反射光谱中消去的遮断设施的制作方法
本发明涉及一种取得漫反射光谱的方法和设施，在该方法和设施中，漫反射光谱的定向反射分量基本上被消去了，所以由定向反射所引起的在漫反射光谱中的误差也被消去了。
众所周知，特定的化合物具有特定的光谱图象。用以得到表示特定化合物的光谱的方法之一是透射光谱。透射光谱可以通过将一个已知强度和已知频率的能量流透过一个至少部份可透的样品并记录各种入射波长下透过样品的能量密度来实现。这种方法对于有已知的透射光谱的很多化合物很适用。最新的用以得到红外光谱的技术应用了干涉仪和计算机，该技术称之为付立叶变换红外光谱，该技术被证明具有超过以前的取得红外光谱方法的明显的优越性。一般说来，对于由粉末细粒或小尺寸的颗粒所组成的化合物，特别是当粉末颗粒在通常厚度对入射能流频率是不透明时，并不能得到透射光谱。这种情况下的一种解决方法是将粉末细粒和颗粒嵌入一个在入射能流频率范围内无频谱特性的基质内，这种方法能很好地工作也仅仅是当合适的基质材料被找到时，和当基质内包含了用以产生有意义的样品频谱的足够多的粉末颗粒或细粒的样品时，该样品还不至于不透明到把所有的入射能量全吸收了。
与粉状和颗粒状样品相联的难题的另一个解决方法是去得到样品的漫反射光谱，漫反射光谱的得到是通过将一个入射能流引向一样品表面，将从样品反射出来的漫反射能量收集起来并将此能流导入一检测器。漫反射能量被定义为是从样本表面下面反射出来的能量。从样品漫反射出来的漫反射能量没有一个偏爱的方向，亦即漫反射能离开样品表面是一个半球形的图案。漫反射能量所有的频谱特性可以独特地表示样品化合物并与由透射手段所得到的频谱是相对应的。
然而，除了漫反射外，与样品表面背向的能量流形成了定向反射。与从样品表面下面反射出来的漫反射能量相反，定向反射是取决于被样品表面反射的入射能量的。定向反射遵从斯涅尔定理，该定理说入射能流的入射角等于反射角。换一句话说，定向反射的能流有与从镜面反射的光同样的性质。因此，假如粉末样品表面的晶体的取向对于入射能流形成了一个与样品平面平行的均匀反射面，那么入射能流将根据斯涅尔定律反射离开样品表面。然而，粉末样品表面的由各个晶粒所组成的反射面多少有点随意取向，因此，该反射面将在漫反射的整个半球内散射入射能流。我们的实验和他人的实验都表明尽管一些入射能流几乎常常在所有反射角上作定向反射，样品表面晶体仍常常可以排列形成一个主要的反射方向。关于粉末样品的频谱分析的详细讨论可见于格里菲思(Gniffiths)等的《红外和喇曼光谱学的进展》一书，第9卷第2章(海登出版社，伦敦，1981)，在此作为参考。
传统的漫反射光谱应用了库比尔卡-芒克函数。该函数说明在漫反射光谱中吸收作用的强度是与能产生光谱特性的化合物的浓度成线性关系。该函数包含了一个在吸收系数，散射系数及从样品得到的漫反射与从无吸收的粉末参考物的漫反射的比之间的关系。这个函数假定样品有一个无限的光学深度，亦即有这样的一个深度，在此深度时往样品底部再添加更多的样品材料已不会改变漫反流能的总量。在理论上，库比尔卡-芒克函数可使一漫反射谱去与一通过透射手段得到的谱相比。很多化合物的透射光谱是已知的，因此，把一个已有透射频谱的化合物从漫反射谱中处分出来的能力将使得漫反射频能用来精确地判断在粉末样品所存在的而用直接透射频谱又显不出来的微量元素。漫反射频谱应用的一个特例是在药片的质量控制上省去了将药片研成粉末和装入一无吸收的基质内。此外，可以相信，这是可能的，把通常用于吸收光谱分析中光谱分析例行程序用到漫反射测量来，以确定样品中的微量元素和精确地得到它们在样品中的浓度。
吸收特性的强度和组分浓度之间的库比尔克-芒克线性关系，在包含有定向反射的实验情况下被打破了。定向反射将漫反射谱变得复杂以致难以理解。由定向反射所产生的频谱是一复杂的非线性函数，该函数取决于波长，颗粒尺寸，样品中所包含的特殊材料的折射率，以及在表面材料有无吸收带和吸收带的强度。此外，一个漫反射样本的光谱可以通过简单地改变样品的位向或仅仅刷刷样品的表面而改变，充其量，定向反射用另一种非线性关系改变了库比尔克-芒克关系。在某一些情况下，例如一无机材料在红外能流之下，定向反射更为严重，并产生光谱带的完全颠倒，被称之为剩余射线带(reststrahlen bands)或改型了的光谱峰(derivative shaped spectral peaks)。定向反射使漫反射光谱的定性分析变得极为复杂和错误难免。在很多情况下，被定向反射改变了的漫反射的定性解释对于样品的成分和浓度产生错误的信息。因此，为了得到精确的和有用的资料，很希望从漫反射谱中消去定向反射分量。
正如上面已提及的，定向反射的行为就像一个带有入射能流的镜子，无透过地根据斯涅尔定理从粉状表面反射回来。任何定向反射成份都将以一个比漫反射成份所具有的扩张角为小的展开角理想地离开样品。不过粉末状的和颗粒状的表面遵从单个颗粒的斯涅尔定理，总的集合表面的反射性质可以是相当不同的。然而，可以用表面准备技术来定向表面颗粒以使得斯涅尔定理相当近似地得以遵从。所以原则上，在某一收集角内包含的只有纯漫反射频谱，和把收集镜转离对称收集角将有可能消去从样品反射出来的定向成份。
我们的实验表明了定向反射确实在由斯涅尔定理所表示出的方向上有主要的取向，然而一些定向反射能流可在所有的反射角被找到。定向分量在所给定的角度上的大小是样品槽被填充和制备的方式的函数。检测粉末样品的标准实践包括在制取频谱以前压出一条与粉末表面相垂直的直边。这种表面制作方法看来对于晶粒的排位取向很有作用并增加了从成分相同的样品得到可类比的漫反射谱的可能性。然而，对表面晶粒的排位取向也增加了到达没有把定向反射限制在一特定角的检测器的能量。因此，在这种方法可能改善了重复性的同时，固有的误差又产生了。
把样品表面粗糙化可以减少射向检测器的定向反射的总量。粗糙化的方法可以是用一驼毛刷子刷样品表面或放一段有粘着力的带轻轻地与样品面接触，然后将带段移去。然而，将样品表面粗糙到相同的程度是困难的，而且这也不能完全消去定向成分。确实，一个晶粒随机取向的完全粗糙平面在所有反射角上都产生定向反射，而没有所知的主要方向。
用于消除漫反射光谱中的定向分量的另一种方法是减少在没有光谱特征(在入射能流波长)和没有变形定向反射性质的衬底基质中的具有定向反射的样品，这种方法的局限性在于找到在给出的能量范围内既没有吸收又没有反射性质的惰性衬底基质材料。这种方法常常要破坏样品以便它能被混合在衬底材料中。
上述的讨论说明了公认需要一些消去漫反射谱中的定向反射的手段。我们发现在取得一些无机化合物的漫反射谱时特别需要消去由定向反射所产生的误差。这是由于一些无机化合物并不适用通过透射手段的红外分析，而且由于它们固有的反射性质所引起的漫反射谱的极大误差，也不能用前面提及的方法来分析。更一般地说，迄今为止，对于任何与由表面晶粒取向所产生的随机误差无关的，具有定向反射性质的样品，仍没有一种简单的方法去快速地和经济地得到一个无畸变的漫反射谱。
本发明的目的是得到从具有反射特性的样品的漫反射谱中消去定向反射的方法和仪器。总言之，该方法包括将能流引向样品表面;在样品表面放置一将定向反射能从漫反射能中分离出来的阻断元件以便漫反射能可被分开收集起来。该仪器包括一个提供输入能流的装置;一个将入射到参考样品的能流和从参考样品出来的能流聚焦和收集起来的装置和一个将所有定向反射能量从由样品收集起来的能量中消去的装置。更具体地说，本发明利用一个薄刀片作为阻断元件(也可称作阻断器)，与样品表面接触并置于表面与入射能流的相交处，用以从漫反射能流中基本消去定向反射成份。
图纸的简单说明
图1是一个图解式侧面图，说明光入射到一个漫反射和定向反射样品时的光路。
图2是图1中的聚焦椭圆面的仰视图。
图3图解地说明了一个与图1所示的装置连同工作的根据本发明的定向遮断器。
图4A和图4B是图3装置所用的与样品的表面相接触的遮断元件的侧边横截面图。
图5表示了插入样品表面下的遮断器片的横截面图。
图6A和B表示了本发明的一个替代方案。
图7表示了图3所示的遮断器的另一实施例。
图8A和B表示了用于图3所描述的装置的遮断器的又一个实施例。
图9和图10是地沙的光谱图比较，表示了利用本发明的遮断器，由定向反射所产生的偏差被消去了。
图11提供了硅的漫反射光谱的比较，说明根据本发明的遮断器在减少漫反射谱中的定向成份中起的作用。
图12给出了对于铝粉末的与图11相类似的比较。
图13给出了对于细方解石粉末的与图11相似的光谱图。
图14给出了一个对于乙基醌的在有和没有本发明的遮断器时所得的光谱的比较，说明了对于缺乏大量定向反射的化合物的光谱，本发明的遮断器并没有实质性的作用。
图1显示了从样品散射出来的漫反射现象，由光源2发射的输入流被聚焦椭圆面镜反射后进入样品5。在发明中应用得最多的能量流是红外光，但其他波长的能流也是可用的。反射能流弹离样品5而到达椭圆面镜的输出侧6才进入聚焦7，聚焦7对在检测器8上。至多，输入能流的一半能达到椭圆面镜的输出侧，因为样品的漫反射光布遍所有角度。
假如样品5用一个镜子取代，则所有的反射能流将落在图2所示的区域10内。因此，在理想条件下，从样品反射出来的定向反射光将遵从斯涅尔定理和落到区域10上，但实际上，由于样品表面晶粒的随机取向，定向反射能流落在椭圆面镜6的区域10和12两者之上。
在图3A中，根据本发明的遮断器20是放在盛于容器9中的样品5的上面。在本发明的较佳实施例中，该遮断器是一有直边的金属片，其他任何对入射能流不透明的材料也都可以满足。该遮断器的材料应是在入射流的能量范围内没有反射光谱特性的。这个必要条件在红外区域的入射流时可用镀金物的遮断器来得以满足，因为金在红外区域是全折射的。一个在外层涂上一层对入射能流能全吸收的金属的遮断器同样也可以使用。
遮断器20相对于样品5和相对于由聚焦椭圆面镜3反射来的入射流1而放，以便通过对从样品表面反射的能流以物理遮断的方法把被样品5反射的能流的定向分量消去。任何使得遮断器保持位置的方法都可以应用，一个较好的方法是将遮断器安装在一个铰链式臂上，该铰链式臂可允许遮断器在工作时移动到工作位置和在要更变样品时从该位置转出来。这是非常重要的使得遮断器接触样品的表面以防止被定向反射的入射辐射通过遮断器下面的漏缝到达椭圆面输出侧6。遮断器还应该与表面分开小于入射能流波长的几分之一的距离。假如遮断器需要防止从遮断器的底边泄漏过来的定向反射了的入射能流，则金属遮断器和样品表面的物理接触将有利于消去沿着样品表面传播的可能成为定向反射光的组成部份的光波。
遮断器和样品表面的相交线应是样品上的被聚焦椭圆面镜3反射了的入射能流的焦点，正如图3B所示，遮断器将入射流的图象聚焦面在样品5的平面上分开了。
为了得到最大的效率和最接近于库比尔克-芒克关系的近似值，遮断器的边缘应为样品中光学深度的若干分之一，这样的一个片可以当作为薄遮断器。在运动能量在样品中反射前只穿过一短距离的情况下，一个厚的遮断器，当其应用于一个具有较浅的光学深度时，对其效率会产生灾难性的结果，因为只能穿透较浅深度的入射能流的大部份被样品所漫射。这种现象如图4A所示。光线15表示从聚焦入射流1来的能流射线，该射线穿入样品5并被漫反射。正如由图所示的那样，只有一小部份能流从遮断器的外侧逸出。一个厚的遮断器也会导致光谱失真，该失真是由那部份在从遮断器外侧逸出之前，曾一次被样品反射到遮断器的底边，再一次被遮断器反射到样品的能量所产生的，正如图4A中的光线16所表示的那部份。被遮断器的表面如此反射的能流将带来遮断器本身的反射光谱特性，从而使得输出光谱失真。因此，遮断器的刀片边应做得尽可能地薄，如图4B所示，减少遮断器光谱的影响，允许大部份的漫反射能流15从遮断器的外侧逸出，以尽可能增大遮断器的效率。
要达到效率还要求遮断器不要插入样品的表面内。如图5A所示，遮断器插入样品将使得从浅处反射的能流17阻断，它的效果相当于使用一厚遮断器。然而在实际上，有时需要用遮断器去断开样品表面以保证像图5B中射线18所示的定向反射能流不会从遮断器底下沿遮断器的某些点透过。
将遮断器插入样品表面的这种需要可以通过在将遮断器和样品置位以前将样品弄平滑的方法来消去。实现这一点的一种装置显示于图6A和6B。由透射材料25所制成的平窗户有两个平面26和27，它们放在与遮断器20毗邻的两边上。该平窗户放在样品之上使得面27轻压和接触样品表面5以使得任何表面不规则变得平滑并消去定向反射通过遮断器底部的泄漏。
图7A和图7B显示了本发明的另一个实施例。入射流30被一个聚焦抛物面镜32向下转向基本以一垂直角度投到样品上。进入表面的被漫反射了的能量离开样品并被收集镜33收集起来。在这实施例中，遮断器40被假设为锥形的，锥形的顶有一个直径等于入射流直径的出入孔，定向反射光离开样品表面和离开本系统，要么是直接反射到入射抛物面镜32上，要么是通过在遮断器壁上的多次反射，从而将所有的定向反射光从输出流45中消去了。
图8显示了本发明的又一个实施例。遮断器50有三个面。面52和54是直面。面56是一个做成弧形的以与聚焦到样品表面的入射流的边缘形状相匹配。这个弧形的优越性在于利用这种形状的入射流使得整个入射流达到了样品表面，这将比图3所示的一半入射流被反射的遮断器有得到更大效率的潜在可能性。
一般说来，对遮断器理想的光学排列有一对称的设计，其中没有尝试过以光学方法以外的方法来排除定向反射能。因此，在图1中，被椭面镜输出侧6所接收的所有能流都将被引向聚焦7。遮断器被证明对于除去反射能流的定向成份是如此有效，以致现在已不再需要去区分被图2中的区域10和12所接收的光了。实验证明，在利用遮断装置去得到漫反射谱时，其效率是一个主要的考虑。一些样品，特别是细的粉末样品，入射流的穿透深度不会超过几个波长。从这样的一种样品中反射的能量的大部份为定向反射。因此，要想在一个合理的时间期限内得到一光谱需要检测器以最大的效率工作，并利用所有从样品漫反射出来的能流时效率才能提高。
可以相信，遮断器将产生输出频谱的按照库比尔卡-芒克公式的线性关系，因为现有的理论仍认为，漫反射光谱对于库比尔卡-芒克关系的偏离仅由或主要由定向反射所引起的。
图9至图14是各种各样的材料在有遮断器时和没有遮断器时所得到的红外漫反射谱的比较。图9是平滑的地沙用漫反射得到的红外光谱的比较。曲线a是在没有遮断器时利用图2中的整个椭圆面镜输出侧6而测得的光谱。曲线b是将椭圆面镜6中的区域10盖掉时测得的光谱，曲线C是将椭圆面镜6中的区域12盖掉时测得的光谱。在这三种情况下测得的漫反射谱都存在偏差。曲线d是显示了将样品表面弄毛以后定向反射的戏剧性的减少。
图10显示了图9中的使用整个椭圆面镜输出侧6所得的漫反射谱和利用了遮断装置的情况下测得的漫反射谱的比较。图9中的通过弄毛表面而得的曲线d明显地具有较少的定向反射误差。然而，在图10中的谱e包括了比曲线d更少的偏差。这个现象最受人注意的是比较标之以100的光谱特征的峰值，光谱特征100表示在曲线中含有最大的定向成份，即使是曲线d也包含这个偏差的一些要素，而在曲线e中光谱特征100已完全不见了。因此，光谱特征100是由定向反射引进慢反射谱中的偏差性质的一个例子。注意在图10中的光谱特征101似乎是一个频带倒置或剩余射线带的例子。
图11给出了另一个硅的红外光谱的比较。上面的曲线表示有定向分量的光谱线，下面曲线表示利用遮断器时的所得光谱。再次请注意利用遮断装置时，频谱特征105整个地消失了。
相似地，图12给出了铝的光谱比较。请注意在利用遮断装置所得的漫反射谱中定向反射特征150消失了。
图13给出了细粉末方解石的慢反射光谱比较，在这两个光谱中整个波长上的能量分布显然是不同的。
上面的图说明了在红外漫反射光谱中定向反射误差的普遍存在，而这个误差可以通过利用遮断装置而得以消除。
并非所有的漫反射化合物都产生偏差。图14是含有乙基醌材料的光谱比较。这种溶液，如同大多数其他有机化合物一样，由于它的有红外频带无强烈的谐振现象所以并不显示出由于定向反射而产生的偏差。因此，遮断器并不能明显地改变通过无遮断的漫反射谱所得到的光谱。
根据本发明的遮断装置的工作已通过红外光谱分析的例子给于说明正如已提及的那样，遮断器在无机化合物的红外漫反射光谱分析中特别有用。然而，上面的描述已使得普通技术人员有能力将遮断装置的原则应用到任何场合，在那种场合下，一种具有明显的量子力学波动性的粒子能流入射到材料表面，而该材料又能从表面和表面底下对入射流进行反射。因此，在这里寻求保护的本发明不应当解释成局限于所描述的特定形式，因为那些是作启发说明而不是作为限制的。无需偏离本发明的精神，普通技术人员可以作出各种变化和修改，因此，上面的详细描述应被视作例子性的，而不限制在权利要求
中给出的发明的精神和范围。
权利要求
1、一用于得到漫反射光谱的装置，包括有一将入射能流引向样品的装置和一将从样品漫反射的能流收集起来的装置，其特征在于，一遮断装置放在样品上或邻接于样品以基本上消去从样品中定向反射出来的能流。
2、根据权利要求
1的装置，其特征在于，将入流能流引向样品的装置包括一个将入射能流聚焦在样品的装置;用于收集从样品漫反射能流的装置包括一个将反射能流聚焦到检测器装置上的装置。
3、根据权利要求
1的装置，其特征在于，收集从样品反射的能量的装置包括一个检测装置，检测装置接收包括样品的反射光谱的能量及产生样品反射光谱中能量分布的偏差的定向反射能量;通过遮断由样品定向反射的能量，一遮断装置基本上消去了检测器所收到的反射光谱的偏差。
4、根据权利要求
2的装置，其特征在于，入射能流包含有红外辐射;检测装置是用于得到样品的漫反射谱的。
5、根据权利要求
2的装置，其特征在于，在样品上或邻接于样品的遮断装置并不插入样品的表面。
6、根据权利要求
2的装置，其特征在于，所说的遮断装置与样品离开小于入射能流的一个波长的距离。
7、根据权利要求
2的装置，其特征在于，所说的遮断装置有一个厚度，该厚度应不大于入射能流在样品中的平均穿透。
8、根据权利要求
2的装置，其特征在于，所说的遮断装置是一直边物体，其长度要大于入射能流的边长。
9、根据权利要求
2的装置，其特征在于，所说的遮断装置是圆锥形状的;将入射能流引向样品的装置的放置是使得入射能流通过遮断装置的孔而垂直入射到样品上。
10、根据权利要求
2的装置，其特征在于，遮断装置是弧形的，该弧形与入射到样品表面上的能流的至少一半形状相吻合。
11、根据权利要求
3的装置，其特征在于，遮断装置与样品有一距离，在该距离时，从样品来的定向反射能流被消去，而非定向反射能不被消去;一检测器是用来从样品反射出的非定向能的至少一部份中得到漫反射光谱的。
12、根据权利要求
3的装置，其特征在于，被检测装置收到的反射光谱中偏差的基本消除使得光谱中至少一部分能量与在样品中产生吸收特征的物质组分浓度线性变化。
13、根据权利要求
3的装置，其特征在于，被检测装置接收到的反射光谱中偏差的基本消除产生一可再现的光谱，该光谱显示出样品中的包含的物质的组成或浓度的特性。
14、一个将漫反射能量留作观察而将被入射样品所反射的定向反射遮断的方法，其特征在于，将一个遮断元件放置于样品之上或邻接于样品，以使得从样品来的定向反射能流和从样品来的漫反射能流相分开，并把从样品来的漫反射能量收集起来。
15、根据权利要求
14的方法，其特征在于，将能量引向样品包括将能流聚焦于样品表面;遮断元件的放置包括将遮断装置的一边放置于离开样品表面不大于入射能流波长的一个波长的距离上;漫反射能的收集包括将漫反射能聚焦到检测器上。
16、根据权利要求
14的方法，其特征在于，检测器是用于得到样品的漫反射谱的。
17、根据权利要求
16的方法，其特征在于，入射能流是红外波段的。
18、根据权利要求
15的方法，其特征在于，遮断元件在样品表面上或邻接于样品的放置不能将它的边插入样品。
19、根据权利要求
15的方法，其特征在于，遮断元件的放置取决于收集装置的预定位置;而收集装置的放置决定了样品的放置。
专利摘要
通过利用一个物理遮断定向反射能流的装置和方法可以得到没有被定向反射所引起的偏差的漫反射光谱。该装置包括一个遮断器，该遮断器在聚焦于样品的入射能流区域与样品表面保持基本接触。利用遮断器将原来反射到检测器的定向反射能流物理遮断了。进入样品的入射流的一部分被漫反射。漫反射能的一部分通过遮断器底部，并被收集及聚焦到探测器上。遮断器被发现在无机化合物的红外光谱分析中有特别的应用，尤其是对粉末结构的化合物。
文档编号G01N21/35GK86101254SQ86101254
公开日1986年10月22日 申请日期1986年2月25日
发明者罗伯特·G·梅塞施米特, 唐纳德·W·斯延格 申请人:光谱技术公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan