3.6　红外发射光谱与吸收光谱的测量

本书最为关注的是发射光谱与吸收光谱。如发射光谱用于辐射源特性的研究，它以加热炉（一般用黑体炉）或放电的方法来激发原子或离子发光，以双光路测量系统测得。其法向光谱发射率双光路测量系统见图3-5，它以黑体炉与待测样品（在样品炉中）作两光束对比，以两光束的输出信号比的形式记录，在纸上直接画出发射率随波数的变化曲线，以此为基准而得出比发射率。这两光束交替投射到单色仪的入射狭缝，分光后被探测器转变为电信号，由电子放大系统放大。采用双光路还易消除大气中CO₂与水蒸气对吸收的影响。

图3-5　法向光谱发射率双光路测量系统

但对生物与生命材料、人体皮肤、草药、植物材料、发酵材料、热敏性材料等，在图3-5的样品炉中加热到高温会使材料分解，测出的光谱曲线不准确。因而必须用爱因斯坦的光子理论，即用一束光照射样品，得到常温下的傅里叶变换红外吸收光谱。

图3-6为Nicolet-8700 FT-IR傅里叶变换红外光谱仪外观（美），图3-6（a）为立体外观图，图3-6（b）为拿去上盖的立体图。如可测人体皮肤的光谱特性等。这是按照爱因斯坦的光量子论进行测试的仪器。其中，右前部是光子发射区，左前部为测试信号接收区，两部分中间为放置样品池区，仪器的后半部分为信号放大、处理的傅里叶变换区。该仪器可测试气体、液体、块体与粉末样品。因没有高温黑体炉，不发射高温电磁波而是发射0.2～40μm的光子束，即按照爱因斯坦的光子理论进行样品的测量，没有高温，因此，对生物与生命材料、人体皮肤、草药、植物材料、发酵材料等均能测试。

图3-6　Nicolet-8700　FT-IR傅里叶变换红外光谱仪外观（美）

傅里叶变换红外光谱仪是20世纪70年代发展起来的新一代红外光谱仪，它具有以下特点：一是扫描速度快，可以在1s内测得多张红外谱图；二是光通量大，可以检测透射率较低的样品，可以检测气体、固体、液体、薄膜和金属镀层等不同样品；三是分辨率高，便于观察气态分子的精细结构；四是测定光谱范围宽，广泛应用于有机化学、高分子化学、无机化学、化工、催化、石油、材料、生物、医药、环境等领域。我国的遥感卫星能预报地球环境状态以及观测月球或其他星球表面的组成与结构，也是基于上述原理。

人体皮肤的光谱特性按光量子论测试，即按图3-6测试，测得人体皮肤的反射率和光谱波长的关系，图3-7是笔者用自己左手食指的皮肤，在UV-210A双光束扫描分光光度计（日本岛津）上利用积分球进行的皮肤反射率的测定。图3-7的数据谱特性测试，即按维恩位移定律，设人体温度为36℃，则人体热力学温度T为36+273=309（K），则波长为2897.6÷309=9.38（μm），是图3-7中的直线段。由于吸收率=1-反射率，因此，根据图3-7得到以下结论。

图3-7　人体皮肤的反射率和光谱波长的关系

人体在长波段的吸收率为：白色皮肤人体此时的吸收率为（100-5）×100%=95%；黑色皮肤人体此时的吸收率为（100-5）×100%=95%。

由此可见，黑色皮肤的人与白色皮肤的人，在长波段的吸收率是一致的，均为95%。人体在短波段的吸收率为：白色皮肤在波长0.7μm时，吸收率为（100-65）×100%=35%；黑色皮肤在波长0.9μm时，吸收率为（100-40）×100%=60%。　

因此，人体白色皮肤与黑色皮肤在短波段的吸收率分别为35%与60%。