光谱仪的发展历史与现状


    
    摘光谱分析方法作种重分析手段科研生产质量控制等方面发挥重作文光谱仪原理光谱仪基特性发展历程重发明(UVSAAS)未展等方面进行简阐述
    关键词 光谱仪原理基特性发展历程UVSAAS
    1光谱仪基原理
    光谱仪器进行光谱研究物质结构分析利光学色散原理现代先进电子技术设计光电仪器基作测量研究光(研究物质反射吸收散射受激发荧光等)光谱特性包括波长强度等谱线特征[1]光谱仪器应具功:
    (1)分光:研究光定波长波数发布规律定空间分开
    (2)感光:光信号转换成易测量电信号相应测量出波长光强度光量波长发布规律
    (3)绘谱线图:分开光波强度波长波数发布规律记录保存显示应光谱图
    具备述功般光谱仪器分成四部分组成光源明系统分光系统探测接收系统传输存储显示系统
    根光谱仪器工作原理分成两类:类基空间色散干涉分光典光谱仪类基调制原理分光新型光谱仪

    典光谱仪结构图
    光源明系统研究象作研究工具射研究物质般说研究物质发射光谱气体火焰交直流电弧电火花等激发试样时光源研究象研究吸收光谱拉曼光谱荧光光谱时光源作明工具(汞灯红外干燥灯乌灯氙灯LED激光器等等)会聚光源射光强度传递面分光系统需专门设计明系统[2]
    分光系统光谱仪核心部分般准直系统色散系统成系统三部分组成作射光定空间定波长规律分开图21示准直系统般入射狭缝准直物镜组成入射狭缝位准直物镜焦面光源明系统发出光通狭缝射准直物镜变成行光束投射色散系统色散系统作入射单束复合光分解束单色光束单色光成物镜波长序成透镜焦面样单束复合光分光系统成功变成束单色光目前色散系统物质色散(棱镜)缝衍射(光栅)光束干涉(干涉仪)
    探测接收系统作成系统焦面接收光谱量转换成易测量电信号测量出应光谱组成部分波长强度获研究物质特性参数物质组成成分含量物质温度星体运动速度等等目前光谱仪器接收系统分目视系统摄谱系统光电系统典光谱仪器根设计需选择中种干涉调制光谱仪器采光电接收系统
    传输存储显示系统探测接收系统测量出电信号初步处理存储通高速传输接口传位机位机光谱数进行进步数处理显示等
    2光谱仪基特性
    光谱仪器基特性包括:工作光谱范围色散率分辨率光强度工作效率等五方面
    (1)工作光谱范围
    指光谱仪器记录光谱范围决定仪器中光学零件光谱透射率反射率采探测系统光谱灵敏度界限例玻璃棱镜光谱仪工作光谱范围400nm—1000nm(实际达25um)1000nm波长范围应该红外晶体材料制造光学零件400nm波长范围石英荧石制造光学零件改变光栅表面反射膜层光谱反射率反射式光栅整光学光谱区光电倍增光谱灵敏度界限达850nm左右红外波段需热电元件作接收器
    (2)色散率
    典光谱仪器色散率表明光谱仪器色散系统中射出波长光线空间分开程度者会聚焦面时彼分开距离前者角色散率表述者线色散率表述
    角色散率表明两波长光线彼分开角距离定义dθ dλdθ两波长光线色散系统偏角差dλ两光线波长差角色散率单位rad nm}角色散率决定色散系统尺寸仪器中安放位置
    线色散率表明波长两条谱线成系统焦面彼分开距离定义dl dλdl两条波长谱线间距离dλ两条谱线波长差
    (3)分辨率
    分辨率表明光谱仪分开波长极相两条谱线力需时考虑谱线宽度强度色散率光谱仪理分辨率色散元件角色散率效孔径色散作面宽度D积
    (4)光度特性
    光度特性表示光谱仪器传递光量领表明辐射光源光谱亮度光谱仪器直接测光度数值间关系
    光谱仪器测光度数值接收器性质分成两类:类接收光度E类接收光量φ感光板接收度数值摄谱仪光度特性度光强度表示光电元件眼睛接收射入总量数值光电光谱仪谱仪光度特性光通量光强度表示
    (5)工作效率
    光谱仪器工作效率记录光谱精度速度综合指标里指精度包括记录光谱波长精度光谱强度精度仪器光强度色散率分辨率等素关
    记录光谱速度指开动仪器获测量分析结果时间摄谱仪言段时间时代光电光谱仪需分种甚秒种
    3光谱仪差简析
    光谱仪器中存着光学系统中常见差(球彗场畸色差)作简单定性分析
    (1)球差
    光谱仪器相孔径般较考虑初级球差球差存光谱线扩散边缘清晰球差越轮廓扩散越谱线宽度越会直接影响分辨率光谱仪成系统球差必须认真校正般轴外球差须考虑
    (2)彗差
    彗差仅光阑孔径方成正物点离轴距离成正彗差存成失称性物点变成彗星状斑点光谱线单边扩散出现边清晰边模糊现象彗差轮廓线严重影响降低仪器分辨率谱线轮廓线极值发生位移时会产生鬼线(假谱线)量消彗差
    (3)散场曲
    光谱仪成系统中散会影响谱线高度分布强度均匀性狭缝点构成成条线段散会谱线轮廓扩散场曲面决定光谱仪中取弧矢焦线成面场曲决定波长单色光焦距会导致面弯曲光谱仪场曲色差关值注意面弯曲谱线弯曲概念谱线弯曲发生面
    (4)畸变
    畸变面种缺陷视场孔径三次方成正畸变破坏面清晰度改变相似性光谱仪狭缝宽度窄畸变造成谱线面弯曲种弯曲原造成谱线弯曲需考虑
    (5)色差
    前面讨五种初级差考虑单色光情况果白光通光学系统根透明材料色散原理白光必定分解光谱材料波长具选择性复色光通系统折射率会会聚面位置产生色差(轴色差)波动光学分析认波长构成波面高斯面理想倍率均次知道种单色光差系数着波长变化会产生相应色差光谱仪利光谱波段较宽色差设计时定根工作光谱区加校正
    3.光谱仪发展阶段
    1859末基尔霍夫等火焰灯燃烧食盐钠吸收光谱认光谱仪器制造工业发展第阶段开始阶段工作研制实验室光谱仪器中色散系统基型式阶段光谱分析仅定性分析法
    时起光谱仪器断完善相暗箱代远镜较复杂接收记录装置代然光谱仪器原理图基尔霍夫第台光谱仪相
    世纪三十年代科学研究中已获光谱分析极丰富资料实验室范围累积起验运工业部门质队勘探中时期开始实验室光谱仪器结构装置(非常精细具高分辨率型号)逐步较单取便工业部门批量生产光谱仪器渡创造出实验室工厂野外条件进行光谱定量分析批量生产光谱仪器装置象征着光谱仪器制造工业发展第二阶段开始
    工业分析光谱仪器研制首先发射光谱分析仪器保证机器制造冶金工业发展然电子振动精细振动光谱吸收分析仪器保证化学化学相工业发展化学工业中光谱学久未应分子光谱理发展较迟缓相应仪器制造迟时间
    现光谱仪器制造工业发展新第三阶段特点测量动化测量精度高仪器部件明部分开始动记录器止选择整台仪器提出技术指标适应时根获信息进行光谱仪器特性计算预期新型光谱仪器研究完善解决光电记录光谱仪器优化问题
    4光谱仪发明应
    光谱仪器种类十分繁总十种分类中UVS(紫外分光光度计)AAS(原子吸收光谱仪)典光谱仪器覆盖广光谱仪器时普基础常规光谱仪器仪器学理仪器结构仪器应UVSAAS光谱仪器中具代表性列举两种光谱仪光谱仪器发明应进行简单述[3]
    41 UVS仪器简介应
    紫外分光光度计根物质吸收光谱研究物质成分结构物质间相互作效手段紫外分光光度计紫外见光区意选择波长光物质吸收光谱物质中分子原子吸收入射光中某特定波长光量相应发生分子振动级跃迁电子级跃迁结果种物质具分子 原子分子空间结构吸收光量情况会相种物质特固定吸收光谱曲线根吸收光谱某特征波长处吸光度高低判测定该物质含量

    紫外分光光度计仪器图
    成熟商品UVS仪器1945年问世发展快UVS已光机电计算机四位体技术密集高科技产品目前世界高档UVS美国PE公司推出Lambda950系列Varian公司Cary6000i杂散光(SL)噪声(N)指标均处领先水
    UVS应领域十分宽广制药医疗卫生化学化工环保质机械冶金室友粮食生命科学材料科学计量科学农业科学林业科学渔业科学等领域中科研教学生产工作中覆盖面广分析仪器
    粮食系统UVS测量维生素微量元素体毒害元素药检方面药典中规定许药品UVS测试UVS药厂药检必备仪器石油领域UVS检测位紫外芳烃杂质生命科学领域检测蛋白(吸收峰289nm)核酸(吸收峰260nm)氨基酸(吸收峰230nm)糖类(吸收峰218nm)糖(吸收峰206nm)[4]
    42 AAS仪器简介应
    原子吸收光谱仪工作原理:光源辐射出具测元素特征谱线光通试样蒸气时蒸气中测元素基态原子吸收辐射特征谱线光减弱程度测定试样中测元素含量
    原子吸收指呈气态原子类原子辐射出特征谱线具吸收现象辐射投射原子蒸气时果辐射波长相应量等原子基态跃迁激发态需量时会引起原子辐射吸收产生吸收光谱基态原子吸收量外层电子产生跃迁低态跃迁激发态
    原子吸收光谱根郎伯—尔定律确定样品中化合物含量已知需样品元素吸收光谱摩尔吸光度种元素优先吸收特定波长光种元素需消耗定量基态变成激发态检测程中基态原子吸收特征辐射通测定基态原子特征辐射吸收程度测量测元素含量

    原子吸收光谱仪器图
    AAS成熟商品仪器1961年问世(PE公司)目前国外百家厂商生产AAS中高档VarianAA280PEAA800JenacontrAA目前国20家厂商生产AAS国产AAS中火焰法较满足求甚优国外类档次AAS北京瑞利公司210北京普析公司990海精科公司4530等石墨炉AAS错北京普析公司990北京瑞利公司210等石墨炉AAS特横加热石墨炉AAS全世界6家批量生产成熟商品石墨炉AAS北京普析公司6家
    AAS应发展快着生命科学材料科学环境科学粮食科学发展许科学家预言3~5年AAS仪器应发展类生活生存环境受威胁威胁农残重金属元素两致癌物质目前国外重金属元素检测数采AAS
    AAS应已完成机机化学渡已成生命科学研究中座宾医疗卫生卫生防疫等领域非常重视AAS农业质冶金商检食品药品水质环境监测等领域正发挥作新应方法应领域断涌现扩
    5光谱仪展
    微型微量快速专目前光谱仪器发展方[5]谓微型指光谱仪器体积便携式便现场检测特野外检测谓微量指够满足微量超微量分析求特生物技术领域尤显重谓快速指应急分析检测特食品药品疾病控制等领域应急检测谓专指功专仪器性
    性光谱仪器发展关键核心灵魂评价光谱仪器优劣单仪器外表软件仪器分析测试数准确性特重视影响分析误差性技术指标
    光谱仪器发展时应特注意普提高关系应普例目前国际杂散光优秀UVS般高校实验室者没意义般分析测试工作时UVS杂散光0 05完全满足分析误差求目前国际高级UVS杂散光8X107般豪意义仅展示生产厂商技术水般性研究没太帮助
    目前笼统讲进口仪器总国产仪器外国分析仪器中国计划济时代中国分析仪器全方位差现特高档仪器进口仪器差高档激光拉曼高档ICP高档色质联高档核磁振等高档仪器市场常规基础光谱仪器外国赚中国钱特高档仪器普常规基础仪器
    说国产常规分析仪器国外没差距更排外目前国产光谱仪器工艺附件软件等方面国外发达国家相明显差距应成绩破误区
    民族高度国产仪器目前中国四基础仪器(UVS AAS GC HPLC)市场外国占份额常规分析仪器50左右外国仪器HPLC中国占20左右非常反常设计者制造者者应破误区迷信进口应该学仪器学理迷信源懂理信仪器学理高度实事求国产仪器进口仪器走出进口仪器总国产仪器误区应胆满足求国产仪器样赶超分析仪器仪器分析国际先进水























    参考文献
    [1]袁春杨智雄余春超郑建雷正刚严敏 长波红外高光谱成光谱仪辐射定标[J] 红外技术201505431434
    [2]王春雨李洋孙英杰 红外光谱仪研究[J] 工程试验2012046567
    [3]李昌厚 光谱仪器应发展展[J] 分析仪器2010069396
    [4]张华赵新颖王覃周晓晶高峡 光谱仪器分析实验室力建设应[J] 光谱仪器分析2009Z1264267
    [5]范世福 光谱技术光谱仪器期发展[J] 现代科学仪器2006051419

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    文档贡献者

    阳***田

    贡献于2024-02-02

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