基于红外短脉冲激发的液相红外光谱测量方法和装置与流程

1.本发明涉及液相测量技术领域，尤其是指一种基于红外短脉冲激发的液相红外光谱测量方法和装置。


背景技术：

2.中红外光谱测量是一种使用中红外光进行光谱测量的方法，中红外光一般是波长在3微米—12微米的光波，在此波长下的基频振动是红外活性振动中吸收振动最强的，所以中红外光最适宜进行红外光谱的定性和定量分析。
3.现有技术中红外光谱测量的应用虽然广泛，但是因水的吸收背景等问题，中红外光谱测量被限制于干样测量，难以运用到液体成分中进行光谱测量。


技术实现要素：

4.为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中的不足，提供一种基于红外短脉冲激发的液相红外光谱测量方法和装置，可以通过短脉冲的中红外光实现对液体样品的中红外光谱测量。
5.为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于红外短脉冲激发的液相红外光谱测量方法，包括：
6.设置待测液相的样品测量平面，使用探测光入射所述样品测量平面，使用光电探测器实时接收所述探测光经所述样品测量平面反射的光信号并转换为电信号；
7.将短脉冲的中红外光入射所述样品测量平面，所述样品测量平面处的待测液相吸收中红外光产生局部反应并在样品测量平面两侧形成光学性质差异，所述反应包括光热反应、光声反应，根据中红外光入射前后的电信号变化得到待测液相对入射的中红外光的吸收强弱；
8.改变中红外光的入射波长，结合待测液相对入射的中红外光的吸收强弱得到待测液相的中红外光谱。
9.本发明还提供了一种基于红外短脉冲激发的液相红外光谱测量装置，包括：
10.样品池，所述样品池内放置待测液相，所述样品池包括一个平面，所述平面带有反射作用并对红外透光；
11.光发生模块，用于产生探测光和不同波长的中红外光，所述中红外光为短脉冲光；所述探测光从所述平面入射样品池，各个波长的所述中红外光分别分阶段从所述平面入射样品池，所述平面处的待测液相吸收中红外光产生局部反应并在所述平面两侧形成光学性质差异，所述反应包括光热反应、光声反应；
12.信号采集模块，包括光电探测器，所述光电探测器实时接收所述探测光经所述平面反射的光信号并转化为电信号；
13.数据处理模块，根据不同波长的所述中红外光入射前后的电信号变化得到待测液相对不同波长的中红外光的吸收强弱，根据待测液相对不同波长的中红外光的吸收强弱得
到待测液相的中红外光谱。
14.在本发明的一个实施例中，所述样品池的水平底面为带有反射作用并对红外透光的平面。
15.在本发明的一个实施例中，所述数据处理模块包括：
16.信号处理电路，对所述电信号进行预处理；
17.数据采集电路，对预处理后的电信号进行采样并转化为数字信号；
18.上位机，根据不同波长的所述中红外光入射前后的所述数字信号的变化得到待测液相对不同波长的中红外光的吸收强弱，根据待测液相对不同波长的中红外光的吸收强弱得到待测液相的中红外光谱。
19.在本发明的一个实施例中，还包括与所述样品池结构相同的对照样品池，所述对照样品池内需测量的组分含量为空，所述探测光和不同波长的中红外光在入射所述样品池的同时入射所述对照样品池，所述光电探测器分别接收所述探测光经所述样品池的平面反射的光信号和经所述对照样品池的平面反射的光信号并转化为电信号；
20.根据不同波长的所述中红外光入射所述样品池前后的电信号变化得到待测液相的中红外光谱，根据不同波长的所述中红外光入射所述对照样品池前后的电信号变化得到测量背景的中红外光谱；
21.对所述待测液相的中红外光谱和测量背景的中红外光谱进行差分分析，得到待测液相的最终的中红外光谱。
22.在本发明的一个实施例中，还包括分光模块，所述分光模块包括：
23.分光镜，设于所述中红外光的发射口，用于将所述中红外光分为两束；
24.反射镜，用于改变被所述分光镜分成两束的中红外光的传播方向，使两束中红外光分别射向所述样品池和对照样品池；
25.透镜，用于使入射所述样品池和对照样品池的两束中红外光聚光。
26.在本发明的一个实施例中，还包括全反射模块，所述探测光和不同波长的中红外光经过所述全反射模块入射所述样品池；
27.所述全反射模块设于所述平面的一侧，位于所述样品池外，用于提高探测光的反射率和局部反应对反射光的影响，从而提高测量的灵敏度。
28.在本发明的一个实施例中，所述全反射模块为梯形结构，梯形的长底边靠近所述平面设置，不同波长的中红外光经过梯形的短底边入射所述样品池；
29.所述探测光从梯形的一条斜边射入，经所述平面反射后经梯形的另一条斜边射出，所述光电探测器实时接收经斜边射出的光信号并转化为电信号。
30.本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现所述基于红外短脉冲激发的液相红外光谱测量方法。
31.本发明还提供了一种设备，包括存储器、处理器和存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述基于红外短脉冲激发的液相红外光谱测量方法。
32.本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
33.本发明通过短脉冲的中红外光激发待测液相产生的光热、声效应得到待测液相的中红外光谱，实现了对液体样品的中红外光谱测量，可以广泛应用在化学物质鉴定、定量分
析浓度等场景中。
附图说明
34.为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中：
35.图1是本发明方法的流程图。
36.图2是采集到的待测液相的中红外光谱的示意图。
37.图3是本发明装置的结构示意图。
38.图4是本发明中装置增加对照样品池的结构示意图。
39.图5是本发明实施例中对采集到的中红外光谱进行差分信号分析的示意图。
40.图6是本发明中装置增加全反射模块的结构示意图。
具体实施方式
41.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
42.实施例一
43.参照图1所示，本发明公开了一种基于红外短脉冲激发的液相红外光谱测量方法，包括以下步骤：
44.步骤1：设置待测液相(均匀的溶液为一个相，称为液相)的样品测量平面，使用探测光入射所述样品测量平面，使用光电探测器(photodetector，pd)实时接收所述探测光经所述样品测量平面反射的光信号并转换为电信号；本实施例中探测光可以为可见光。
45.步骤2：将短脉冲的中红外(mid infrared，mir)光入射所述样品测量平面，所述样品测量平面处的待测液相吸收中红外光的能量产生局部光热、光声等反应并在测量平面两侧形成光学性质差异，根据中红外光入射前后的电信号变化得到待测液相对入射的中红外光的吸收强弱。
46.步骤3：改变中红外光的入射波长，结合待测液相对入射的中红外光的吸收强弱得到待测液相的中红外光谱。
47.本发明的原理具体为：样品测量平面处的待测液相吸收中红外光时产生瞬时的热量和局部升温，且当中红外光的脉冲宽度较短时，样品测量平面处的待测液相产生的瞬时热量不足以热扩散形式弛豫(弛豫指的是在某一个渐变物理过程中，从某一个状态逐渐地恢复到平衡态的过程)，此时部分能量将通过光声效应(指当物质受到周期性强度调制的光照射时，产生机械波的现象)产生局域的膨胀导致超声波的产生。上述现象发生时，局部的热量和声波效应将改变界面两侧如折射率等的光学性质。
48.因此，从侧面入射的探测光照射至中红外光与样品作用处发生反射、并当上述的热和声效应产生时，光电探测器可以感受样品测量平面两侧的光学性质的变化并转换为光电探测器上的信号变化，如强度变化、或是反射光方向偏折变化后落在探测器上强度的变化等。通过上述测量信号的强弱变化，即可推断样品测量平面处的待测液相对此时入射中红外波长的吸收强弱。中红外光谱是物质对不同红外波长吸收变化的曲线，根据不同的分子振动频率直接得到；因此，通过改变入射中红外光的波长，即可得到待测液相的中红外光
谱。
49.本实施例中可以得到的待测液相的中红外光谱如图2所示，图2中的中红外光谱曲线体现探测信号强度随分子振动频率变化的关系；ω表示波数，单位为cm-1
。
50.实施例二
51.如图3所示，本实施例中公开了一种基于红外短脉冲激发的液相红外光谱测量装置，包括样品池、光发生模块、信号采集模块和数据处理模块。
52.样品池内放置待测液相，所述样品池包括一个平面，所述平面带有反射作用并对红外透光。所述样品池的水平底面为带有反射作用并对红外透光的平面。将样品池设置为底面为带有反射作用并对红外透光的底部光学装置，可以使测量部位的液相处于相对静止状态，减少外界对测量部位液相的影响，提高光信号测量的准确性。带有反射作用并对红外透光的材料可以为氟化钙(caf2)、氟化钡(baf2)等。
53.光发生模块用于产生探测光和不同波长的中红外光，所述中红外光为短脉冲光；所述探测光从所述平面入射样品池，各个波长的所述中红外光分别分阶段从所述平面入射样品池，所述平面处的待测液相吸收中红外光的能量产生局部光热、光声等反应并在所述平面两侧形成光学性质差异；
54.信号采集模块包括光电探测器，所述光电探测器实时接收所述探测光经所述平面反射的光信号并转化为电信号；
55.数据处理模块根据不同波长的所述中红外光入射前后的电信号变化得到待测液相对不同波长的中红外光的吸收强弱，根据待测液相对不同波长的中红外光的吸收强弱得到待测液相的中红外光谱。
56.本实施例中，数据处理模块包括信号处理电路、数据采集(data acquisition，daq)电路和上位机。信号处理电路对所述电信号进行预处理，预处理包括放大、低通滤波、高通滤波、带通滤波等操作。数据采集电路对预处理后的电信号进行采样并转化为数字信号。上位机根据不同波长的所述中红外光入射前后的所述数字信号的变化得到待测液相对不同波长的中红外光的吸收强弱，根据待测液相对不同波长的中红外光的吸收强弱得到待测液相的中红外光谱。上位机可以为pc机。
57.如图4所示，本实施例中的基于红外短脉冲激发的液相红外光谱测量装置还包括与所述样品池结构相同的对照样品池，所述对照样品池内需测量的组分含量为空，本实施例中对照样品池内的参考液体可以仅为纯水；所述探测光和不同波长的中红外光在入射所述样品池的同时入射所述对照样品池，所述光电探测器分别接收所述探测光经所述样品池的平面反射的光信号和经所述对照样品池的平面反射的光信号并转化为电信号。根据不同波长的所述中红外光入射所述样品池前后的电信号变化得到待测液相的中红外光谱，根据不同波长的所述中红外光入射所述对照样品池前后的电信号变化得到测量背景的中红外光谱。对所述待测液相的中红外光谱和测量背景的中红外光谱进行差分分析，得到待测液相的最终的中红外光谱。图5中第一张图为示例的采集到的待测液相的中红外光谱，第二张图为采集到的测量背景的中红外光谱，第三张图为根据前两张差分得到的待测液相的最终的中红外光谱，差分分析可以是对两张图直接进行差分、即最终的中红外光谱＝待测液相的中红外光谱
–
测量背景的中红外光谱，以此来消除测量中存在的水背景的问题。
58.本实施例中的基于红外短脉冲激发的液相红外光谱测量装置还包括分光模块，所
述分光模块包括分光镜、反射镜和透镜。分光镜设于所述中红外光的发射口，用于将所述中红外光分为两束。反射镜用于改变被所述分光镜分成两束的中红外光的传播方向，使两束中红外光分别射向所述样品池和对照样品池。透镜用于使入射所述样品池和对照样品池的两束中红外光聚光。
59.如图6所示，本实施例中的基于红外短脉冲激发的液相红外光谱测量装置还包括全反射模块，所述探测光和不同波长的中红外光经过所述全反射模块入射所述样品池；所述全反射模块设于所述平面的一侧，位于所述样品池外，本实施例中即设置在样品池的底部，用于提高探测光的反射率和光热、光声等反应对反射光的影响，从而提高测量的灵敏度。
60.所述全反射模块为梯形结构，梯形的长底边靠近所述平面设置，不同波长的中红外光经过梯形的短底边入射所述样品池；所述探测光从梯形的一条斜边射入，经所述平面反射后经梯形的另一条斜边射出，所述光电探测器实时接收经斜边射出的光信号并转化为电信号。中红外光从梯形短边正入射，探测光从梯形斜边入射，在样品池底面发生全反射现象。全反射是一种临界状态，一旦中红外光入射样品池，样品池底面的待测液相发生了化学性质变化，就会破环全反射条件，此时光电探测器接收到的光信号变化很大，从而提高了测量的灵敏度。全反射模块的形状可以根据需求进行调整，可以为椭圆、矩形、菱形等其他形状。
61.实施例三
62.本实施例中公开了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现实施例一中的基于红外短脉冲激发的液相红外光谱测量方法。
63.实施例四
64.本实施例中公开了一种设备，包括存储器、处理器和存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现实施例一中的基于红外短脉冲激发的液相红外光谱测量方法。
65.本发明通过短脉冲的中红外光激发待测液相产生的光热、声效应得到待测液相的中红外光谱，实现了对液体样品的中红外光谱测量，可以广泛应用在化学物质鉴定、定量分析浓度等场景中。
66.本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
67.本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
68.这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特
定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
69.这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
70.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

技术特征：
1.一种基于红外短脉冲激发的液相红外光谱测量方法，其特征在于，包括：设置待测液相的样品测量平面，使用探测光入射所述样品测量平面，使用光电探测器实时接收所述探测光经所述样品测量平面反射的光信号并转换为电信号；将短脉冲的中红外光入射所述样品测量平面，所述样品测量平面处的待测液相吸收中红外光产生局部反应并在样品测量平面两侧形成光学性质差异，所述反应包括光热反应、光声反应，根据中红外光入射前后的电信号变化得到待测液相对入射的中红外光的吸收强弱；改变中红外光的入射波长，结合待测液相对入射的中红外光的吸收强弱得到待测液相的中红外光谱。2.一种基于红外短脉冲激发的液相红外光谱测量装置，其特征在于，包括：样品池，所述样品池内放置待测液相，所述样品池包括一个平面，所述平面带有反射作用并对红外透光；光发生模块，用于产生探测光和不同波长的中红外光，所述中红外光为短脉冲光；所述探测光从所述平面入射样品池，各个波长的所述中红外光分别分阶段从所述平面入射样品池，所述平面处的待测液相吸收中红外光产生局部反应并在所述平面两侧形成光学性质差异，所述反应包括光热反应、光声反应；信号采集模块，包括光电探测器，所述光电探测器实时接收所述探测光经所述平面反射的光信号并转化为电信号；数据处理模块，根据不同波长的所述中红外光入射前后的电信号变化得到待测液相对不同波长的中红外光的吸收强弱，根据待测液相对不同波长的中红外光的吸收强弱得到待测液相的中红外光谱。3.根据权利要求2所述的基于红外短脉冲激发的液相红外光谱测量装置，其特征在于：所述样品池的水平底面为带有反射作用并对红外透光的平面。4.根据权利要求2所述的基于红外短脉冲激发的液相红外光谱测量装置，其特征在于，所述数据处理模块包括：信号处理电路，对所述电信号进行预处理；数据采集电路，对预处理后的电信号进行采样并转化为数字信号；上位机，根据不同波长的所述中红外光入射前后的所述数字信号的变化得到待测液相对不同波长的中红外光的吸收强弱，根据待测液相对不同波长的中红外光的吸收强弱得到待测液相的中红外光谱。5.根据权利要求2-4任一项所述的基于红外短脉冲激发的液相红外光谱测量装置，其特征在于：还包括与所述样品池结构相同的对照样品池，所述对照样品池内需测量的组分含量为空，所述探测光和不同波长的中红外光在入射所述样品池的同时入射所述对照样品池，所述光电探测器分别接收所述探测光经所述样品池的平面反射的光信号和经所述对照样品池的平面反射的光信号并转化为电信号；根据不同波长的所述中红外光入射所述样品池前后的电信号变化得到待测液相的中红外光谱，根据不同波长的所述中红外光入射所述对照样品池前后的电信号变化得到测量背景的中红外光谱；对所述待测液相的中红外光谱和测量背景的中红外光谱进行差分分析，得到待测液相
的最终的中红外光谱。6.根据权利要求5所述的基于红外短脉冲激发的液相红外光谱测量装置，其特征在于：还包括分光模块，所述分光模块包括：分光镜，设于所述中红外光的发射口，用于将所述中红外光分为两束；反射镜，用于改变被所述分光镜分成两束的中红外光的传播方向，使两束中红外光分别射向所述样品池和对照样品池；透镜，用于使入射所述样品池和对照样品池的两束中红外光聚光。7.根据权利要求2-4任一项所述的基于红外短脉冲激发的液相红外光谱测量装置，其特征在于：还包括全反射模块，所述探测光和不同波长的中红外光经过所述全反射模块入射所述样品池；所述全反射模块设于所述平面的一侧，位于所述样品池外，用于提高探测光的反射率和局部反应对反射光的影响，从而提高测量的灵敏度。8.根据权利要求7所述的基于红外短脉冲激发的液相红外光谱测量装置，其特征在于：所述全反射模块为梯形结构，梯形的长底边靠近所述平面设置，不同波长的中红外光经过梯形的短底边入射所述样品池；所述探测光从梯形的一条斜边射入，经所述平面反射后经梯形的另一条斜边射出，所述光电探测器实时接收经斜边射出的光信号并转化为电信号。9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于：该计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1所述的基于红外短脉冲激发的液相红外光谱测量方法。10.一种设备，其特征在于：包括存储器、处理器和存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1所述的基于红外短脉冲激发的液相红外光谱测量方法。

技术总结
本发明涉及液相测量技术领域，公开一种基于红外短脉冲激发的液相红外光谱测量方法和装置，方法包括：设置待测液相的样品测量平面，使用探测光入射样品测量平面，使用光电探测器实时接收探测光经样品测量平面反射的光信号并转换为电信号；将短脉冲的中红外光入射样品测量平面，样品测量平面处的待测液相吸收中红外光产生局部光热、光声等反应并在平面两侧形成光学性质差异，根据中红外光入射前后的电信号变化得到待测液相对中红外光的吸收强弱；改变中红外光的入射波长，结合待测液相对中红外光的吸收强弱得到待测液相的中红外光谱；装置包括样品池和实现方法各步骤的模块。本发明可以通过短脉冲的中红外光实现对液体样品的中红外光谱测量。红外光谱测量。红外光谱测量。


技术研发人员：兰璐
受保护的技术使用者：振电（苏州）医疗科技有限公司
技术研发日：2023.04.20
技术公布日：2023/7/25