1、精選優質文檔-傾情為你奉上光譜儀的發展歷史與現狀【摘要】光譜分析方法作為一種重要的分析手段，在科研、生產、質量控制等方面發揮了重要作用。本文主要從光譜儀原理、光譜儀基本特性、發展歷程、重要發明（UVS、AAS）以及未來展望等幾個方面進行簡要的闡述。【關鍵詞】 光譜儀原理、基本特性、發展歷程、UVS、AAS1.光譜儀基本原理光譜儀器是進行光譜研究和物質結構分析，利用光學色散原理及現代先進電子技術設計的光電儀器。它的基本作用是測量被研究光（所研究物質反射、吸收、散射或受激發的熒光等）的光譜特性，包括波長、強度等譜線特征1。因此，光譜儀器應具有以下功能： （1）分光：把被研究光按一定波長或波數的發布

2、規律在一定空間內分開。 （2）感光：將光信號轉換成易于測量的電信號，相應測量出各波長光的強度，得到光能量按波長的發布規律。 （3）繪譜線圖：把分開的光波及其強度按波長或波數的發布規律記錄保存或顯示對應光譜圖。 要具備上述功能，一般光譜儀器都可分成四部分組成:光源和照明系統，分光系統，探測接收系統和傳輸存儲顯示系統。根據光譜儀器的工作原理可以分成兩大類：一類是基于空間色散和干涉分光的經典光譜儀；另一類是基于調制原理分光的新型光譜儀。經典光譜儀結構圖光源和照明系統可以是研究的對象，也可以作為研究的工具照射被研究的物質。一般來說，在研究物質的發射光譜如氣體火焰、交直流電弧以及電火花等激發試樣時，光源

3、就是研究的對象；而在研究吸收光譜、拉曼光譜或熒光光譜時，光源則作為照明工具（如汞燈、紅外干燥燈、烏燈、氙燈、LED、激光器等等）。為了盡可能多地會聚光源照射的光強度，并傳遞給后面的分光系統，就需要專門設計照明系統2。 分光系統是任何光譜儀的核心部分，它一般是由準直系統、色散系統、成像系統三部分組成，主要作用是將照射來的光在一定空間內按照一定波長規律分開。如圖2-1所示，準直系統一般由入射狹縫和準直物鏡組成，入射狹縫位于準直物鏡的焦平面上。光源和照明系統發出的光通過狹縫照射到準直物鏡，變成平行光束投射到色散系統上。色散系統的作用是將入射的單束復合光分解為多束單色光。多束單色光經過成像物鏡按照波長

4、的順序成像在透鏡焦平面上；這樣，單束的復合光經過分光系統后成功變成了多束單色光的像。目前主要的色散系統主要有物質色散（如棱鏡）、多縫衍射（如光柵）和多光束干涉（如干涉儀） 探測接收系統的作用是將成像系統焦平面上接收的光譜能量轉換成易于測量的電信號，并測量出對應光譜組成部分的波長和強度，從而獲得被研究物質的特性參數如物質的組成成分及其含量以及物質的溫度、星體的運動速度等等。目前光譜儀器的接收系統可以分為目視系統、攝譜系統和光電系統。經典光譜儀器根據設計需要可以選擇其中一種，但干涉調制光譜儀器只能采用光電接收系統。傳輸存儲顯示系統是將探測接收系統測量出來的電信號經過初步處理后存儲或通過高速傳輸接口

5、上傳給上位機，在上位機上對光譜數據進行進一步數據處理及顯示等。2.光譜儀基本特性光譜儀器的基本特性主要包括：工作光譜范圍、色散率、分辨率、光強度以及工作效率等五個方面。（1）工作光譜范圍指使用光譜儀器所能記錄的光譜范圍。它主要決定于儀器中光學零件的光譜透射率或反射率、以及所采用的探測系統的光譜靈敏度界限。例如，玻璃棱鏡光譜儀的工作光譜范圍為400nm1000nm(實際可達到2.5um)，大于1000nm的波長范圍應該用紅外晶體材料制造光學零件，小于400nm的波長范圍要用石英或熒石來制造光學零件。改變光柵表面反射膜層的光譜反射率，反射式光柵可以用在整個光學光譜區。光電倍增管的光譜靈敏度界限只能

6、達到850nm左右，紅外波段則需要用熱電元件作為接收器。（2）色散率對于經典的光譜儀器，色散率表明從光譜儀器色散系統中射出的不同波長的光線在空間分開的程度，或者會聚到焦平面上時彼此分開的距離。前者可用角色散率表述，后者用線色散率表述。角色散率表明兩個不同波長的光線彼此分開的角距離，定義為d/ d。d為兩個不同波長的光線經色散系統后的偏向角之差，d為兩個光線的波長差。角色散率的單位是rad / nm。角色散率的大小主要決定于色散系統的幾何尺寸和它在儀器中的安放位置。線色散率表明不同波長的兩條譜線在成像系統焦平面上彼此分開的距離，定義為dl/ d。dl為兩條不同波長的譜線之間的距離，d為兩條譜線的

7、波長差。（3）分辨率分辨率是表明光譜儀分開波長極相近的兩條譜線的能力，其需要同時考慮譜線寬度、強度和色散率。光譜儀的理論分辨率為色散元件的角色散率和有效孔徑色散作用面上寬度D的乘積。（4）光度特性光度特性是表示光譜儀器傳遞光能量的本領，即表明輻射光源的光譜亮度和光譜儀器直接測得的光度數值之間的關系。被光譜儀器測得的光度數值因接收器的性質不同而分成兩類：一類是接收光的照度E；另一類是接收光能量。感光板所接收的是照度數值，所以攝譜儀的光度特性用“照度光強度”表示；光電元件和眼睛所接收的是射入的總能量數值，所以光電光譜儀和看譜儀的光度特性用“光通量的光強度”表示。（5）工作效率光譜儀器的工作效率是它

8、記錄光譜的精度和速度的綜合指標。這里所指的精度包括記錄光譜波長的精度和光譜強度的精度，它和儀器的光強度、色散率、分辨率等因素有關。記錄光譜的速度是指從開動儀器到獲得最后的測量或分析結果的時間。對于攝譜儀而言，這段時間可能是幾小時，而近代的光電光譜儀只需幾分種，甚至是幾秒種。3.光譜儀像差簡析在光譜儀器中也存在著光學系統中的常見像差（球、彗、像、場、畸、色差），在此我們只作簡單的定性分析。（1）球差光譜儀器的相對孔徑一般比較小，因此只要考慮初級球差即可。球差的存在使光譜線擴散，使邊緣不清晰。球差越大，輪廓擴散越大，譜線寬度越大，這將會直接影響分辨率。因此光譜儀成像系統的球差必須認真校正。一般地，

9、軸外球差是不須考慮的。（2）彗差彗差不僅與光闌的孔徑平方成正比，而且與物點離軸距離成正比。彗差存在使成像失去對稱性，物點變成了彗星狀斑點，使光譜線單邊擴散，出現一邊清晰另一邊模糊的現象。彗差對輪廓線嚴重的影響降低了儀器的分辨率，還使得譜線輪廓線的極大值發生位移，有時還會產生鬼線（假譜線）。因此，要盡量消除彗差。（3）像散和場曲光譜儀成像系統中像散會影響譜線高度分布的強度均勻性。狹縫上每點構成的像看成一條線段，像散會使譜線輪廓擴散，場曲由像面決定，光譜儀中取的是弧矢焦線的成像面，那么場曲也由它決定。不同波長的單色光的焦距不同，會導致像面彎曲。因此，光譜儀的場曲還和色差有關。值得注意的是像面的彎曲

10、和譜線的彎曲不是一個概念，譜線的彎曲是發生在像面內的。（4）畸變畸變是像面內的一種缺陷，與視場孔徑的三次方成正比。畸變并不破壞像面的清晰度，只改變像的相似性。光譜儀的狹縫寬度很窄，所以畸變只能造成譜線在像面內彎曲。這種彎曲比其他原因造成的譜線彎曲要小的多，往往不需要考慮。（5）色差前面我們討論的五種初級像差只考慮單色光情況。如果白光通過光學系統，根據透明材料的色散原理，白光必定要分解為光譜。由于材料對波長具有選擇性，所以復色光通過系統后由于折射率不同會會聚在像面的不同位置，也就產生了色差（軸向色差）。從波動光學分析，認為不同波長將構成各自的波面，而其高斯像面和理想倍率均不同。其次，我們知道各種

11、單色光像差系數也是隨著波長變化的，因此這也會產生相應的色差。光譜儀利用的光譜波段較寬，色差很大，設計時一定要根據工作光譜區加以校正。3光譜儀發展階段1859末，基爾霍夫等人用火焰燈燃燒食鹽，得到了鈉的吸收光譜，這被認為是光譜儀器制造工業發展的第一階段的開始。這階段的主要工作是研制了后來在實驗室光譜儀器中使用的色散系統的基本型式。這個階段的光譜分析僅是定性分析法。從那時起，光譜儀器不斷完善照相暗箱代替了望遠鏡而后又被較復雜的接收記錄裝置所代替，然而光譜儀器的原理圖仍和基爾霍夫的第一臺光譜儀相同。到上世紀的三十年代，在科學研究中已獲得了光譜分析的極為豐富的資料。將實驗室范圍內累積起來的經驗運用于工

12、業部門和地質隊的勘探之中的時期開始來到了。實驗室光譜儀器結構裝置(非常精細的、具有高分辨率的、但不可靠和型號不一的)逐步向較為單一的、可取的和便于工業部門使用的批量生產的光譜儀器過渡。創造出在實驗室、工廠和野外條件下進行光譜定量分析的批量生產的光譜儀器和裝置象征著光譜儀器制造工業發展第二階段的開始。工業分析用光譜儀器的研制，首先是發射光譜分析儀器，以保證機器制造和冶金工業的發展，然后是電子振動和精細振動的光譜吸收分析儀器，以保證化學和與化學相近的工業的發展。在化學工業中，光譜學很久未能得到應用。這是由于分子光譜理論的發展比較遲緩，因而相應儀器的制造也就遲后一些時間。現在光譜儀器制造工業發展到了

13、新的第三階段，它的特點是測量自動化和測量精度高。對儀器的部件，從照明部分開始到自動記錄器為止，要選擇得使整臺儀器與所提出的技術指標很好適應，同時根據獲得的信息進行光譜儀器特性的計算。可以預期，新型光譜儀器的研究和完善，將解決光電記錄光譜儀器的最優化問題。4.光譜儀發明與應用光譜儀器種類十分繁多，總共有幾十種分類，其中UVS（紫外分光光度計）與AAS（原子吸收光譜儀）是最經典的光譜儀器，也是使用最多、覆蓋最廣的光譜儀器，同時還是最普及、最基礎、最常規的光譜儀器。從儀器學理論、儀器結構以及儀器的應用來看，UVS和AAS在光譜儀器中最具代表性。因此可以列舉這兩種光譜儀對光譜儀器的發明與應用進行簡單的

14、論述3。4.1 UVS儀器簡介與應用紫外分光光度計，就是根據物質的吸收光譜研究物質的成分、結構和物質間相互作用的有效手段。紫外分光光度計可以在紫外可見光區任意選擇不同波長的光。物質的吸收光譜就是物質中的分子和原子吸收了入射光中的某些特定波長的光能量，相應地發生了分子振動能級躍遷和電子能級躍遷的結果。由于各種物質具有各自不同的分子 、原子和不同的分子空間結構，其吸收光能量的情況也就不會相同，因此，每種物質就有其特有的、固定的吸收光譜曲線，可根據吸收光譜上的某些特征波長處的吸光度的高低判別或測定該物質的含量。紫外分光光度計儀器圖成熟的商品UVS儀器在1945年問世，發展很快，到如今UVS已是光機電

15、計算機四位一體的技術密集的高科技產品。目前世界上最高檔的UVS是美國PE公司推出的Lambda950系列和Varian公司的Cary6000i，其雜散光（SL）與噪聲(N)的指標均處于領先水平。UVS的應用領域十分寬廣，是制藥、醫療衛生、化學化工、環保、地質、機械、冶金、室友、糧食、生命科學、材料科學、計量科學、農業科學、林業科學、漁業科學等領域中的科研、教學、生產工作中，使用最多、覆蓋面最廣的分析儀器。在糧食系統上，UVS可以測量維生素、微量元素、對人體有毒有害元素；在藥檢方面，藥典中規定許多藥品用UVS測試，UVS是藥廠、藥檢的必備儀器；在石油領域，可用UVS檢測位于紫外去的芳烴雜質；生命

16、科學領域，其可以檢測蛋白（吸收峰289nm）、核酸（吸收峰260nm）、氨基酸（吸收峰230nm）、糖類（吸收峰218nm）、多糖（吸收峰206nm）4。4.2 AAS儀器簡介與應用原子吸收光譜儀工作原理主要為：從光源輻射出具有待測元素特征譜線的光，通過試樣蒸氣時被蒸氣中待測元素基態原子所吸收，由輻射特征譜線光被減弱的程度來測定試樣中待測元素的含量。原子吸收是指呈氣態的原子對由同類原子輻射出的特征譜線所具有的吸收現象。當輻射投射到原子蒸氣上時，如果輻射波長相應的能量等于原子由基態躍遷到激發態所需要的能量時，則會引起原子對輻射的吸收，產生吸收光譜。基態原子吸收了能量，最外層的電子產生躍遷，從低能

17、態躍遷到激發態。原子吸收光譜根據郎伯比爾定律來確定樣品中化合物的含量。已知所需樣品元素的吸收光譜和吸光度，以及每種元素都將優先吸收特定波長的光，因為每種元素需要消耗一定的能量使其從基態變成激發態。檢測過程中，基態原子吸收特征輻射，通過測定基態原子對特征輻射的吸收程度，從而測量待測元素含量。原子吸收光譜儀器圖AAS的成熟商品儀器1961年問世（PE公司）。目前國外有近百家廠商生產AAS，其中最高檔的是Varian的AA280、PE的AA800和Jena的contrAA。目前國內有20多家廠商生產AAS;在國產AAS中，火焰法大多都較好，能滿足使用要求，甚至優于國外同類同檔次的AAS。如北京瑞利公

18、司的210、北京普析公司的990和上海精科公司的4530等都很好。石墨爐AAS也不錯，北京普析公司的990、北京瑞利公司的210等石墨爐AAS都很好。特別是，橫向加熱石墨爐AAS，全世界只有6家能批量生產成熟的商品石墨爐AAS。北京普析公司就是6家之一。AAS的應用發展很快。隨著生命科學、材料科學、環境科學、糧食科學的大發展，許多科學家預言:35年內，AAS儀器和應用將大發展。人類的生活、生存環境受到很大威脅，最大的威脅是農殘和重金屬元素兩大致癌物質。目前，國內外對重金屬元素的檢測大多數都采用AAS。AAS的應用已完成由無機向有機化學的過渡，已經成為生命科學研究中的座上賓。在醫療、衛生和衛生防

19、疫等領域非常重視AAS，在農業、地質、冶金、商檢、食品、藥品、水質、環境監測等領域正發揮很大的作用，新的應用方法、應用領域還在不斷涌現和擴大。5.光譜儀展望微型、微量、快速、專用是目前光譜儀器主要發展方向5。所謂微型，主要是指光譜儀器體積小，便于攜式、便于現場檢測，特別是野外檢測。所謂微量，主要是指能夠滿足微量或超微量分析的要求，特別是在生物技術領域尤顯重要。所謂快速，主要是指應急分析檢測，特別是在食品藥品、疾病控制等領域的應急檢測。所謂專用，主要是指功能專一，但儀器的可靠性要好。可靠性是光譜儀器發展的關鍵、核心和靈魂評價光譜儀器的優劣，不單是看儀器的外表和軟件，而主要是看儀器分析測試數據的準

20、確性。所以，人們特別重視影響分析誤差的性能技術指標。光譜儀器發展時，應特別注意普及與提高的關系，應以普及為主。例如:目前國際上雜散光最優秀的UVS，對我們一般高校實驗室的使用者沒有意義。一般分析測試工作時，UVS的雜散光為0. 05%就可完全滿足分析誤差要求。但是目前國際上最高級的UVS的雜散光為8X10-7，這對一般人豪無意義，僅可以展示生產廠商的技術水平,這對于我們一般性的研究并沒有太大的幫助。目前有人籠統講進口儀器總比國產儀器好。這并不對，不是外國分析儀器都比中國的好，過去，計劃經濟時代，中國分析儀器全方位差，現在不是，只是特別高檔的儀器比進口儀器差。如:高檔激光拉曼、高檔ICP、高檔色質聯用、高檔