光譜分析儀器的結構和組成

不同的光譜分析儀器結構差異很大，但不管光譜分析儀器結構的復雜程度如何，光譜分析儀器一般包括五個基本單元：光源、單色器、樣品容器、檢測器和數據處理系統。各單元從光譜分析原理上，特別是在光譜儀器中起的作用有很大的相近，但采用的具體裝置有很大的不同，此外，從光譜分析儀器光路的設計和在儀器整個裝置的安裝方向也有較大不同。

各類儀器裝置主要特點：發射光譜儀一般光源與樣品容器并為一個整體，樣品在樣品容器中由光源提供足夠能量而發光，發射光經單色器分光后檢測；吸收光譜儀則由光源發射的光直接 (如光源為連續光，則可能需要經過分光) 后通過樣品容器，被樣品原子或分子吸收，再射入單色器中進行分光后，被檢測器接收，即可測得其吸收信號；熒光光譜儀結構與吸收光譜儀基本一致，所不同的是，光源發出的光，經過第一單色器 (激發光單色器) 后，得到所需的激發光，不是在一條直線上通過樣品容器，而是將熒光的測量放在與激發光成一定角度 (一般選直角) 的方向進行，第二單色器為熒光單色器，主要是消除溶液中可能共存的其它光線 (入射光和散射光) 的干擾，以獲得所需的熒光，熒光作用于檢測器上，得到相應的電信號。

以下對光譜儀主要的部件進行簡介。

(1) 光源 光譜分析中，光源是提供足夠的能量使試樣蒸發、原子化、激發，產生光譜。光源必須具有足夠的輸出功率和穩定性。由于光源輻射功率的波動與電源功率的變化成指數關系，因此往往需用穩壓電源以保證穩定或者用參比光束的方法來減少光源輸出對測定所產生的影響。光源為連續光源和線光源等。一般連續光源主要用于分子吸收光譜法；線光源用于熒光、原子吸收和Raman光譜法。常見的光源及其應用見表1。

(2) 單色器 單色器的主要作用是將復合光分解成單色光或有一定寬度的譜帶。單色器由入射狹縫和出射狹縫、準直鏡以及色散元件，如棱鏡或光柵等組成。

① 棱鏡 棱鏡的作用是把復合光分解為單色光。當包含有不同波長的復合光通過棱鏡時，不同波長的光就會因折射率不同而分開。這種作用稱為棱鏡的色散作用。由于不同波長的光在同一介質中具有不同的折射率，波長短的光折射率大，波長長的光折射率小。因此，平行光經色散后按波長順序分解為不同波長的光，經聚焦后在焦面的不同位置成像，得到按波長展開的光譜。色散能力常以色散率和分辨率表示。玻璃棱鏡比石英棱鏡的色散率大。但在200～400nm的波長范圍內，由于玻璃強烈地吸收紫外光，無法采用，故只能采用石英棱鏡。對于同一種材料的棱鏡，波長越短，角色散率也越大，因此，短波部分的譜線分得較開一些，長波部分的譜線靠得緊些。棱鏡的分辨率隨波長而變化，在短波部分分辨率較大。對紫外光區，常使用對紫外光有較大色散率的石英棱鏡；而對可見光區，最好的是玻璃棱鏡。由于介質材料的折射率n與入射光的波長λ有關，因此棱鏡給出的光譜與波長有關，是非勻排光譜。

② 光柵 光柵分為透射光柵和反射光柵，常用的是反射光柵。反射光柵又可分為平面反射光柵 (或稱閃耀光柵) 和凹面反射光柵。光柵由玻璃片或金屬片制成，其上準確地刻有大寬度和距離都相等的平行線條 (刻痕) ，可近似地將它看成一系列等寬度和等距離的透光狹縫。光柵是一種多狹縫部件，光柵光譜的產生是多狹縫干涉和單狹縫衍射兩者聯合作用的結果。多狹縫干涉決定光譜出現的位置，單狹縫衍射決定譜線的強度分布。光柵的特性可用色散率、分辨能力和閃耀特性來表征。光柵的角色散率只決定于光柵常數d和光譜級次n，可以認為是常數，不隨波長而變，這樣的光譜稱為“勻排光譜”。這是光柵優于棱鏡的一個方面。

③ 閃耀光柵 由于非閃耀光柵其能量分布與單縫衍射相似，大部分能量集中在沒有被色散的“零級光譜”中，小部分能量分散在其它各級光譜。零級光譜不起分光作用，不能用于光譜分析。而色散越來越大的一級、二級光譜，強度卻越來越小。為了降低零級光譜的強度，將輻射能集中于所要求的波長范圍，近代的光柵采用定向閃耀的辦法。即將光柵刻痕刻成一定的形狀，使每一刻痕的小反射面與光柵平面成一定的角度，使衍射光強主最大從原來與不分光的零級光最大重合的方向，轉移至由刻痕形狀決定的反射方向。結果使反射光方向光譜變強，這種現象稱為閃耀，這種光柵稱為閃耀光柵。

④ 狹縫 狹縫是由兩片經過精密加工，且具有銳利邊緣的金屬片組成，其兩邊必須保持互相平行，并且處于同一平面上。狹縫寬度對分析有重要意義。單色器的分辨能力表示能分開最小波長間隔的能力。波長間隔大小決定于分辨率、狹縫寬度和光學材料性質等，它用有效帶寬S表示

S=DW

式中，D為線色散率倒數；W為狹縫寬度。當儀器的色散率固定時，S將隨W而變化。對于原子發射光譜，在定性分析時一般用較窄的狹縫，這樣可提高分辨率，使鄰近的譜線清晰分開。在定量分析時則采用較寬的狹縫，以得到較大的譜線強度。對于原子吸收光譜分析，由于吸收線的數目比發射線少得多，譜線重疊的概率小，因此常采用較寬的狹縫，以得到較大的光強。當然，如果背景發射太強，則要適當減小狹縫寬度。一般原則，在不引起吸光度減少的情況下，采用盡可能大的狹縫寬度。

(3) 樣品容器 不同的光譜儀中，樣品容器的結構差異較大，在反射光譜儀中甚至沒有專門的樣品容器，在吸收光譜中，樣品容器也稱為吸收池。吸收池一般由光透明的材料制成。在紫外光區，采用石英材料；可見光區，則用硅酸鹽玻璃；紅外光區，則可根據不同的波長范圍選用不同材料的晶體制成吸收池的窗口。

(4) 檢測器 檢測器是將一種類型的信號轉變成另一種類型的信號的器件，如在分光光度計中的光電管，是將光能轉變成電能的元件。

檢測器可分為兩類，一類對光子有響應的光檢測器，另一類為對熱產生響應的熱檢測器。光檢測器有硒光電池、光電管、光電倍增管、半導體等。熱檢測器是吸收輻射并根據吸收引起的熱效應來測量入射輻射的強度，包括真空熱電偶、熱釋電檢測器等。

(5) 數據處理系統 數據處理系統主要有計算機、數據通信部件和儀器控制及數據處理軟件組成。通常由檢測器將光信號轉換成電信號后，還須經過一定的信號處理器處理，如對電信號進行放大、衰減、積分、微分、相加、差減等；也可通過整流使其變為直流信號，或將其轉變成交流信號。處理的目的是將檢測器檢測到的信號轉變成一種可以被人讀出的信號，如可用檢流計、微安計數字顯示器、計算機顯示和記錄結果。目前，光譜儀器大多數是通過專門的操作軟件在計算機中進行數據處理，可進行儀器操作、定性定量分析、記錄保存等。