光谱仪器家族

1§12－3光谱仪器家族一、看谱仪光栅式看谱仪光学系统如图12－3－1。试样发出和反射的光经准直物镜6变平行光，经光栅分光，再经6聚焦成像，被显微放大在目镜11附近，可供观察。观察者可直接观察到视场光栏9处的彩色图谱。看谱分析是一种目视发射光谱分析方法。用看谱仪进行光谱分析的基本原理是：激发光源、电弧或火花发生器使被分析物质和电极之间产生电弧或火花，被分析的物质及组成电极的物质，被激发射出光来，被激发光进入看谱仪后，按波长次序排列形成光谱。不同元素所形成的光谱互不相同，观察区分不同元素在光谱上的区别，即可测定被测物的化学成份。当光谱中出现某一种元素的特征谱线时，即表明试样中有这种元素的存在。利用谱线的亮度，可确定该元素含量的多少。看谱仪能进行快速定性和半定量分析，签别黑色金属和有色金属牌号、确定元素种类。广泛用于分析钢铁、铜、铝等金属。WX-5型便携式看谱仪，波长范围:390－700nm分辨本领0.05-0.11nm。目视可分开下列线对Fe613.66nm和613.77nm；Fe487.13nm和487.21nm；Mn476.59nm和476.64nm。看谱仪能在查获假冒伪劣钢材中起到关键作用，例如有一种无铭牌钢材经看谱仪检测，钢材中必须含有的化学元素锰的含量远远达不到国家标准，被质监局判定为劣质钢材。图12-3-1看谱仪2.保护玻璃10显微物镜3.反射棱镜4.聚焦镜5.狭缝6.准直物镜7.光栅89.视场光栏11目镜1.光源、试样212.3.2摄谱仪发射光谱分析除用看谱仪外，还常用摄谱仪。摄谱仪比看谱仪有较高的精度,是用照相方法把光谱信号记录在照相底板上的仪器。若按使用的色散元件可将摄谱仪分为棱镜摄谱仪、光栅摄谱仪。1.棱镜式摄谱仪德国蔡司公司Q－24型中型棱镜式摄谱仪如图12－3-2所示，采用600的科纽棱镜作为色散原件。光谱成像面F与光轴成23030’，谱面有一定的弯曲。自光源发出的光，经聚光镜会聚于可调狭缝S上，调节狭缝以获得一束宽度、光强适当的光，此光经准直透镜后成平行光射到棱镜上，再经棱镜折射色散，由另一聚光镜成像于接收系统。中型棱镜式摄谱仪可在200－600nm的紫外和可见光区工作，可得到2000条以上各种元素的光谱线。是元素成分分析所必不可少的仪器之一。2.光栅式摄谱仪FO1O2GMS紫红O图12-3-3光栅摄谱仪我国生产的WPG-100型光栅摄谱仪，采用垂直对称式艾伯特-法斯梯系统。物镜图12-3-2棱镜式摄谱仪θmin=45059’L2SL1PF底片23030’3焦距为1m,光栅线密度为1200线/mm，工作波长200-800nm。如图12-20所示，S为入射狭缝，M为平面反射镜，O是准直兼聚焦物镜，O1、O2为二个长方形光阑。G为安装在转台上的光栅，通过转台可调整谱面的位置。F为摄谱平面。一般又根据倒线色散率的大小不同，将两类摄谱仪分为大、中、小型摄谱仪，它们的倒线色散率分别为：0.1～0.8nm/mm、0.8～2nm/mm和2～10nm/mm。采用何种类型的摄谱仪需根据具体的工作对象而定。一般来说，采用中型摄谱仪就能满足大多数分析任务的要求。摄谱法是将色散后的辐射用感光板记录下来，供分析用。为了用照相法同时检测和记录被色散后的辐射强度，可在单色仪的出射狭缝处沿仪器焦面放置一块照相干板。干板上乳剂经曝光和暗室处理之后，光源的各条光谱线就以入射狭缝的一系列黑色像的形式的定性信息；用测微光度计测定谱线的黑度以提供试样的定量数据。三、光电直读光谱仪1.CCD作探测器的光电直读光谱仪北京光学仪器厂生产的WLX小型光谱仪采用CCD探测器,如图12.3-4所示。图12.3-441.入射狭缝及调焦筒2.平面反射镜3.光栅旋转手轮4.波长计数器5.球面反射镜（一）6.球面反射镜（二）7.CCD探测器8.调焦螺母9.调焦筒紧固螺钉线10.滤光片（CB550)主要参数及技术指标波段范围：330—1100nm焦距：180mm平面光栅：300线／mm;闪耀波长：500nm（基本配置）600线／mm;闪耀波长：500nm（选购）1200线／mm;闪耀波长：500nm（选购）相对孔径：D/f=1/3.82.光电倍增管作探测器的光电直读光谱仪⑴固定型多通道光电直读光谱仪应用：光电析钢仪，每一条出射狭缝对应一种元素。⑵单通道光电直读光谱仪北京光学仪器厂生产的WDL30光电直读光谱仪,如图12.2-11所示。图12.3-5固定型多通道光电直读光谱仪光电倍增管采样5四、单色仪单色仪是用来从具有复杂光谱组成的光源中，或从连续光谱中分离出不同波长的仪器。单色仪有一个单色光的扫描机构，（正弦机构或正切机构）其系统图如前所示。（分棱镜式、光栅式和组合式）五、荧光分光光度计分光光度计是进行物质荧光光谱光强研究或物质分子吸收光谱分光光度研究。其典型组成部分有：光源和照明系统、单色器、试样室、探测器及电源、放大器及光度测定、记录显示系统。1.荧光分光光度计应用1).EM固定检测某波长荧光，让WX进行波长扫描，则探测器ph2可获得不同波长激发下的光谱，该试样在何种波长激发下具有最高的荧光发射效率。2).使激发器WX固定某个波长（例如最佳激发波长），而让单色器mE扫描，则可得荧光发射光谱。图12.3-6（发射用）（检测用）试样池C26六、傅里叶变换光谱仪1.系统图2基本原理(参考物光P116)设波数为的两束单色光发生干涉，并形成干涉图强度分布为xI'，其中x为光程差，则xExI2cos1'（1）式中，E为波数为的光谱强度分布。当光源发出从到d波数的光时dxEdxI2cos1'（2）因此，总的通量为：xdEdExI2cos00'（3）（3）式第一项与光程差无关，当光程差为0，即x＝0时，则图12.3-6图12.3-7迈克尔逊干涉调频傅立叶变换光谱仪固定反射镜M2活动反射镜M1分光板调制盘D光探测器P光程差x执行机构光源S放大器记录仪AD计算机光谱图O2O1O补偿板P2P17dEI020'（4）当光程差为D时，则dDEIDI2cos0021''（5）由于探测器只记录干涉图像的可变部分，所以实际所得的干涉图函数为：xdExI2cos0（6）由于傅里叶变换是可逆的，所以可由xI算出E：xdxxIE2cos0扫描光程差x，可获得各波数（或波长λ）的光谱强度E。3分辨本领(结论)mx21（7）mx为最大光程差，目前为0.1～0.0051cm的分辨率。4特点①可多个光谱12一起检测②辐射通量大（称Jacquinot优点）：比分光计强100～1000倍。(分光计只有0.2％～0.03％的能量到达探测器)③波数示数精度高（称Connes优点）：达0.011cm8④杂散光低：低于0.01～0.03％3、傅里叶光谱仪组成：傅里叶变换红外分光光度计用于测定物质红外吸收光谱。傅里叶变换红外分光光度计的主要组成部分有：光源、聚光镜、可变光阑、准直系统、迈克尔逊干涉仪、试样室和聚光系统、探测器和电子系统、计算机系统等。如图12.3-8是一台双光束傅里叶变换红外分光光度计的光学原理图。来自光源Q的光辐射，经聚光镜Ml反射成像在光栏H上，再经准直镜M2和反射镜M3进入迈克尔逊干涉仪。平行光束经分光板P后分成二束，透过分光板的光束射到反射镜M5上，从分光板反射的光束射到反射镜M4上，然后这两束光按原路返回，又在分光板P处会合，并由反射镜M6反射到可动的反射镜M7上，经过M9和M11两反射镜后到达可动的反射镜M12，然后通过反射镜M13和聚光镜M14会聚于接收器D上。在迈克尔逊干涉仪中，分束器是极重要的器件。理想的分束器就是平面度极好的平行透明平板，材料的光学均匀性良好，因此不会因表面或内在的缺陷而使光束产生附加的波面变形。分束器一个表面镀有半透半反膜，其透射系数和反射系数应T=R=50％。为使透射光与反射光的光程相等而加设的补偿平板（不镀膜），应该具有分束器平板一样的光学质量。实际制成的分束器不会完全理想，尤其是其T和R值不会恒定不变，且总是与光波长有关的函数。分束器的相对效率为η＝4RT图12.3-8傅里叶变换红外分光光度计光学系统图9分束器一般都用高折射率材料制成。一般是将Ge、si、Fe2O3等物质在石英、CaFZ、KBr、Csl等光学晶体材料基板上蒸镀成一定厚度的膜层，在中、远红外区常用的Mylar（聚乙烯对苯二甲酸醋）薄膜是不用其他基板、直接紧绷在支架上的。在迈克尔逊干涉调制系统中，要使干涉仪一臂的平面反射镜沿光线行进方向（垂直镜面）前后移动，从而使两臂具有不同的光程，通过光程差的变化实现干涉调制。傅里叶变换光谱仪中干涉仪动镜的驱动有两种不同的类型：连续移动式和步进（静止积分）移动式。其中连续移动方式有时也称之为快速扫描方式。快速扫描驱动时，动镜以一恒定的速度V移动，光程差x=2Vt是时间的函数，探测器输出信号也是时间的函数，波数为的谱线强度被变化成频率为f=2V的低频电信号。现有的傅里叶变换光谱仪器中，大多采用空气静压浮动导轨系统支承反射镜座，并用锯齿波形电流驱动线圈作为驱动动力源。在动镜工作反射面的背面，还制作一个小面积的反射镜面，它与另加的一个小定镜构成一个监控干涉仪，用一束白光和一束He-Ne激光输入这个小干涉仪。利用He-Ne激光波长为632.8nm的高度单色性光束产生的余弦波干涉图作为主干涉仪光程差的定标基准红以激光干涉信号的每个过零点作为触发主干涉仪干涉图的采样脉冲信号，可保证采样步长（间隔）的高准确性，从而保证整台仪器具有极高的波数精度。此外，He-Ne激光干涉图的频率是与动镜移动速度成比例的，因此激光干涉信号还可用作动镜移动速度稳定系统的伺服控制信号。与He-Ne激光平行射入小干涉仪的白光光束，可形成一个极短窄的干涉峰，在离开零点后急速衰减。因此，可以用这白光干涉尖峰作为主干涉仪光程差零点的标定基准。傅里叶变换红外分光光度计中使用的红外辐射探测器要求灵敏度高、噪声小。按工作波数范围不同，常用的红外辐射探测器有高莱池、真空热电偶、Pbs、Insb、HgcdTe等。对于快速扫描傅里叶变换分光光度计，真空热电偶、高莱池等在红外分光光度计上常用的红外探测器的响应速度不够，不能使用。在波数范围为4000～400cm-1的中红外、近红外区域，可采用TGS（硫酸三甘酞，TriglycineSulfate）热释电器件作为探测器；对于更长波长的红外区，则常采用PbS、Insb或三元合金探测器HgCdTe等。但PbS、Insb之类光电效应探测器的输出信号和噪声强度都与入射光子数成比例，因而采用这类探测器时Fellgett优点将消失掉。为此，10在采用这类探测器的仪器中必须加用适当的滤光片，把非工作波段的光都滤去，以减少到探测器上的光子数，降低噪声。傅里叶分光光度计具有分辨率高、灵敏度高、光通量大、杂散光低、波数示数精度高及扫描快速等优点，在化学、固体物理、宇航、气象和大气污染等的研究中得到了越来越广泛的应用。但这类仪器制造精度要求很高，生产较困难，并需配备一个容量较大的计算机，因此价格较贵。测试实例1：不同浓度环己醇CCl4溶液的红外光谱图测试实例2：苯甲醛的红外光谱（IR）图11测试实例3：苯乙酮的红外光谱（IR）图12七、激光喇曼分光光度计物体受到光照射时能发出散射光，其中包括波长与入射光相同的瑞利散射光和波长与入射光不同的喇曼散射光。利用喇曼光谱仪可从试样的喇曼光谱获得有关试样组成、分子结构、表面状态等方面的重要信息。喇曼散射光强度很弱，只有瑞利散射光强度的干分之一以下。由于激光的单色性好和亮度大，不但可在极短时间内高分辨率地观测和记录微弱的喇曼光谱，而且可以获得背景极好的谱线，能精确测定靠近激发线的喇曼谱线。同时激光又是一种很好的线偏振光，有利于对偏振的精确测量，可以对水溶液或生物体，甚至封装在玻璃安瓿内的样品作精确