浑浊散射介质中被测成分线性吸光度提取与模型转换研究

摘要：

近红外漫反射光谱法可用于物质成分定性、定量分析,具有快速、无损检测等优点,在食品、制药、环境监测、生命科学等领域有广泛应用.采用近红外漫反射光谱对浑浊散射介质进行成分定量分析时,由于光散射作用,介质吸光度随测量距离不再呈线性变化,不同测量距离下测量模型也很难转换.从扩散方程出发,提出了从漫射光谱中提取线性吸光度的方法,获得了与测量距离无关的介质光学参数——有效衰减系数的光谱,该光谱可反映介质吸收变化,并用于物质成分测量.具体采用了双位置差分法,可在线性吸光度的范围内任意选取两个光源-探测器距离测量,通过差分获得与测量位置无关的有效衰减系数光谱,其中测量距离可依据波段灵活地进行选择.另外,经理论推导可知,差分运算的同时还大大削减了光子扩散对测量的影响,有利于不同散射特性的介质间光谱模型的相互借鉴.经理论计算、蒙特卡洛模拟和实验验证,在1000～1360 nm波段,该方法适用于强散射的浑浊水溶液.对散射系数处于较大范围(28.53～87.47 cm-1)的intralipid水溶液进行了测试,获得了线性吸光度的光源-探测器距离范围.进一步以葡萄糖为被测成分为例,获得了葡萄糖在intralipid水溶液中的有效衰减系数光谱.采用测量距离连续可调的漫反射光谱测量系统进行了实验,测量范围位于0～0.3 cm,测试了3种典型的介质(3％,5％,10％Intralipid水溶液).结果 可知,3种介质中葡萄糖光谱呈现一致性,它们之间的测量模型可以方便地进行线性转换.研究对象intralipid水溶液常作为生物组织的仿体,其光学参数也覆盖了常见的牛奶、果汁等被测浑浊溶液,因此测量结果具有广泛的适应性.综上,该研究实现了对浑浊水溶液中物质成分线性吸光度的提取,该方法不仅使得测量位置的选择更加灵活方便,还有利于实现不同散射介质间模型的线性转换,特别适用于介质成分复杂多变的场合下的测量应用,如对人体组织、牛奶或食品中的成分测量等.

关键词：近红外光谱法、散射介质、扩散方程、蒙特卡洛模拟、线性吸光度、有效衰减系数

所属期刊栏目：39

分类号：O433.1(光学)

资助基金：国家自然科学基金项目81471698,81401454

在线出版日期：2020-05-13（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）

页数：共7页

页码：3711-3717