基于傅里叶红外光谱仪的远红外陶瓷粉法向发射率检测方法

康炜

贵州省医疗器械检测中心 （贵州贵阳 550004）

红外线发出的红外波能产生热效应，其中尤以8～15 μm波段的远红外波更为重要，其与人体放射的波段一致，作用于人体组织，可加速细胞分子运动，局部生热，升高皮肤组织温度，扩张毛细血管，使血液流速加快，改善血液循环和微循环，增强人体新陈代谢，加速组织的再生能力和组织细胞活力，加速炎性产物及代谢产物的吸收，具有活血化瘀、通络止痛的作用。现阶段利用红外线开发的产品有很多，加有远红外陶瓷粉的远红外贴就是其中之一，但贴敷类远红外线医疗产品的远红外检测方法目前无国家和行业标准，现从远红外陶瓷粉法向发射率检测方法的研究入手，在现行企业质量技术要求的基础上，通过比对研究完善相应的检测手段，使其能够更全面地检测验证贴敷类远红外线产品的安全性和有效性，提供科学有效的参考数据，为建立远红外线产品的质量标准打下基础。

1 远红外陶瓷粉作用机制

远红外陶瓷粉是一种由无机化合物、矿石粉末和微量金属元素等多物质烧制而成的混合物，其是由众多原子及离子组成的大分子物质，组成复杂，容易促成红外线的发射，具有红外辐射兼吸收热量的特性，正是因为这两种性能的存在才让远红外贴使用时，患者皮肤有先凉后热的感觉，当远红外陶瓷粉吸收局部皮肤的热能后会释放出8～15 μm波段的远红外光线，与人体的内循环振动频率一致，从而活化人体组织细胞，加速细胞分子运动而使皮肤发热，快速透过皮肤表面作用于患处，影响制痛介质合成速度，消除疼痛感，从而达到迅速止痛的目的，因而以远红外陶瓷粉为主要成分的贴敷类远红外线医疗产品可有效刺激患处穴位，通过发出远红外波激活药贴本身的功能和疗效[1]。

2 实验背景及原理

本检测方法以法向发射率作为远红外陶瓷粉远红外功能的评价指标，所谓法向发射率是指同一测量仪器在同一温度下测出的材料体表面法线方向辐射功率与绝对黑体法线方向辐射功率之间的比值，是衡量材料辐射能力的重要热物性指标和参数，其与材料本身组分、表面温度、表面粗糙程度、表面杂质、表面涂层以及波长范围等多种因素有关[2]。对于远红外陶瓷粉法向发射率，组分、粉体颗粒大小的影响相对较大。有研究表明，在远红外陶瓷粉组分中加入一定量的稀土氧化物和过渡金属氧化物，会促成远红外陶瓷粉体材料的晶格振动活性增强，这些氧化物具有催化激活效果，可显著提高远红外陶瓷粉的法向发射率。而当远红外陶瓷粉化学组分相同时，粉体颗粒越细，其法向发射率越大[3]。温度的变化对远红外陶瓷粉法向发射率也有一定的影响，但在常温下法向发射率结果相对稳定，上下浮动不大。法向发射率是监管部门衡量贴敷类医疗产品是否有效的重要指标，如何快速有效地对此类产品的法向发射率进行检测显得极其重要[4]。进行材料发射率测量的方法有很多，如多波长法、辐射能量法、量热法等，它们的方法原理和工作特点各不相同，量热法温度范围较广，仪器设备简单但无法完成光谱和定向发射率的测量，多波长法测试速度快但精度不高，因此从使用效果、发展方向以及测量难易度的角度分析，基于傅里叶红外光谱能量比较法的材料发射率测试系统领先于其他的测量技术[5]。

根据普朗克定律或斯忒潘玻尔兹曼定律，傅里叶红外光谱法是将光程差为函数的干涉图变换成以波长为函数的光谱图，经过测量傅里叶变换后的光谱图，对样品进行测定和研究。傅里叶红外光谱仪光源发出的光被分束器分为两束后，两束光会形成光程差，从而产生干涉，干涉光经过分束器后进入样品舱，照射样品后含有样品信息的干涉光到达检测器，各种频率的光信号利用干涉图记录放置于红外光路中的样品的相关信息，然后通过计算机对信号进行傅里叶变换处理，最终得到光谱图并利用该光谱鉴定样品材料或进行定量分析。

与传统的光栅式、棱镜式、渐变滤光片式等一些色散型光谱分析仪相比，傅里叶红外光谱仪在性能方面主要具有如下优点：扫描速度较快，频道多样化；辐射光通量高；分辨力、信噪比、灵敏度高；可测量的光谱范围较大；具有较强的抗干扰辐射的能力，因此成为测量远红外波长范围及法向发射率最给力的光谱检测工具[6]。

本实验使用傅里叶变换红外光谱仪和三腔黑体炉，通过分别测量标准绝对黑体辐射源（背景）及待测材料在相同温度下的相对辐射能量光谱分布曲线（相对辐射能谱），实现对远红外陶瓷粉的法向发射率的测量。

测量系统原理见图1。

图1 测量系统原理

3 实验方法及结果分析

3.1 系统组成

本实验所采用的是Thermo Fisher公司生产的傅里叶红外光谱仪（Nicolet6700）。其主要技术指标为，光谱范围：7800～350 cm-1（相当于1.3～28.0 μm）；光谱分辨力：优于0.09 cm-1；波数精度：＜0.01 cm-1；信噪比：高于50 000：1；扫描速度：65张谱/s，16 cm-1分辨力。

作为标准的辐射源黑体炉，是傅里叶红外光谱仪系统中比较重要的仪器，其技术指标和参数直接决定了整个系统的测量结果，本系统中采用的黑体为武汉凯尔文光电技术有限公司的JQG-150高精度型三腔黑体炉，其技术指标为，温度范围：环温+5.00～150.00 ℃；样品加热腔：Φ40 mm×2；三腔孔径：标准辐射源Φ20 mm；温度分辨力：0.01 ℃；测温精度：±（0.3%FS+0.30）℃；有效发射率：0.97±0.02；温度稳定性：±（0.01～0.03）℃/h。

3.2 实验方法

（1）将远红外陶瓷粉压成片状试样，即直径为40 mm左右，厚度均匀的圆形。（2）将试样放在烘箱中，分别设定温度为37 ℃、50 ℃和100 ℃，烘2 h。（3）进行远红外波长和法向发射率检测时，一般使用低温检测器。在低温检测器中加入液氮，开启傅里叶红外光谱仪，进入采集菜单的实验设置，进入诊断观察红外信号是否正常，按准直进行光路自动校准，待计算机和仪器通讯正常后开始实验。（4）将试样放入黑体炉内，试样与黑体在同一控温的环境下，保持温度一致；分别升温至37 ℃、50 ℃和100 ℃，首先测量黑体作为背景，待温度稳定后分别测出3个不同温度试样的法向发射率曲线，依据该试样，得出波长范围。（5）通过计算机发射率曲线的数据处理，计算出试样8～15 μm波段的法向发射率。

3.3 结果分析

本实验测试常温状态下远红外陶瓷粉在8～15 μm波长范围的法向发射率，验证其稳定性。通常意义下的常温是指20～35 ℃，但是作为利用光热达成转换效应的远红外线，其常温的范围应定在25～150 ℃，因而我们选择3个比较有代表性的温度：37 ℃（近人体皮肤温度）、50 ℃（常温范围内比较靠近中间值的温度）和100 ℃（部分远红外产品检测时的温度，如纺织品检测、现行的药贴企业质量技术要求等）进行测试，实验结果见图2。

图2 同一试样在37 ℃ 、50 ℃和100 ℃时的法向发射率

图谱结果显示在37 ℃、50 ℃和100 ℃时法向发射率分别为88.6%、89.0%、89.5%，温度的变化对法向发射率有一定的影响，但常温状态下发射率结果相对稳定，经验证该实验方法可靠，完善了贴敷类远红外线医疗产品的检测方法，为全面地检测验证贴敷类远红外线产品的安全性和有效性，提供了依据。

4 讨论

通常，不透明非金属材料都具有较高的发射率和吸收率，而反射率相对较低，因此我们将发射率作为远红外陶瓷粉远红外性能的重要评价指标，进而衡量远红外贴敷类医疗产品功能是否真实有效。本次检测方法的探究主要是通过波长范围和温度的变化测试对材料发射率的影响，测试结果图2显示波长范围对于红外陶瓷粉热辐射特性影响较小，波长增加时发射率略有增加。而温度的变化对红外陶瓷粉法向发射率的影响较波长更大，但常温状态下发射率结果相对稳定。

本实验基于傅里叶红外光谱仪测试系统在不同温度下测试远红外陶瓷粉远红外线波长和法向发射率，实验结果表明该方法结果稳定，检测方法具有可操作性和可重复性，与检验要求相适宜，可为贴敷类远红外线医疗产品的远红外线波长和法向发射率的检测方法提供科学有效的参考。