光谱仪

什么是光谱仪？

光谱仪是一种科学仪器，能够在广泛的电磁光谱范围内测量连续波长的光。在光谱仪内部，来自光源的入射光可以通过样品传输、吸收或反射。入射光与样品相互作用过程中发生的变化揭示了样品的特性。这些测量可以揭示关于材料或结构的大量信息，无论是基底上的薄膜、二维材料、化学或电化学溶液、活细胞或其他生物材料，还是遥远的星星。因此，光学光谱仪在物理、化学和生物学领域具有广泛的应用。

最古老和最常见的光谱仪类型是光学光谱仪，它在定义的电磁光谱范围内测量光的特性。所测量的光谱范围因设备的设计和预期用途而异，但大多数设备在可见光谱部分工作。广泛范围的光学光谱仪还可能扩展到近红外和紫外区域。

光谱仪的工作原理

在本节中，将介绍光谱仪的组成部分及其各种组件。来自光源的入射光可以通过样品传输、吸收或反射，如上图所示。入射光与样品相互作用过程中发生的变化揭示了样品的特性。光谱仪通常使用两种类型的辐射源——连续源和线源。连续源是加热的固体物质或发出宽波长范围光的灯，而线源则是专门的灯和激光。通过分散或非分散元素，可以将入射光调整到感兴趣的波长。

光谱仪相关的各种组件如下：

光源： 光谱仪中常见的光源包括钨卤素、氘灯、氙弧灯、LED、汞氩灯、锌灯或激光。

入口狭缝：来自光源的光通过入口狭缝进入，狭缝的大小决定了仪器可以测量的光量。狭缝的大小还会影响光谱仪的光学分辨率，狭缝越小，分辨率越高。狭缝有多种尺寸，从5μm到800μm，高度为1mm到2mm。狭缝的大小取决于应用，最常用的狭缝宽度为10、25、50、100和200μm。

光束通过狭缝后变得发散，经过反射在准直镜上的发散光束被准直。准直的光束或其他电磁辐射具有平行光线，因此在传播时会最小扩散。准直的光线随后被引导到衍射光栅。光栅作为分散元件，将光分解为其组成波长。

镜子：最常见的镜子类型通常是平面镜和球面镜。球面镜可以分为两种类型——凹面和凸面镜。然而，在光谱仪中，通常使用凹面球镜。

光栅：

单色仪利用光学色散现象在棱镜或衍射光栅中选择特定波长的光。在传统光谱仪中，使用棱镜来分散光。然而，随着衍射光栅的发明，它成为现代光谱仪中使用最广泛的单色仪，因为它相对于棱镜具有更多的优势。两种设备都能够将光分解成几种颜色，但衍射光栅可以在比棱镜更大的角度上分散颜色。棱镜在紫外区域的色散较高，而衍射光栅在紫外、可见光和红外光谱中具有高且恒定的色散。一旦光打到衍射光栅上，每个波长会以不同的角度反射。不同尺寸的衍射光栅也用于确定不同的波长范围。光束在从光栅反射后再次变得发散，因此它会击中第二个镜子以聚焦并引导到探测器。

有两种类型的衍射光栅可用——刻线光栅和全息光栅。刻线光栅是通过使用钻石工具在刻线机上物理蚀刻凹槽到反射表面上产生的，而全息光栅是通过一种称为干涉光刻的工艺产生的，该工艺使用两束紫外光束构建干涉图案。刻线光栅可以为特定波长烧制，通常具有比全息光栅更高的效率。全息光栅往往具有更均匀的凹槽形状和间距，并且由于其光学生产而产生较少的杂散光。

样品持有器：样品通常是液体，但气体和固体也可以进行测试。样品通常放置在一个称为比色皿的透明容器内。在某些设备中，试管也可以替代比色皿。用于制造比色皿的材料取决于光谱仪覆盖的光谱范围。熔融石英或石英玻璃通常被使用，因为它们在紫外到红外区域是透明的。

探测器：探测器捕获光谱并测量光强度与波长的关系。这些数据随后被数字化并绘制到软件上作为图表。不同光谱仪中使用了多种探测器，常用的探测器包括光电倍增管（PMT）、光电二极管、光电二极管阵列、电荷耦合器件（CCD）、热释电探测器和多通道分析器（MCA）。

接口：大多数光谱仪系统通过USB、RS-232或以太网与计算机连接。随着技术的进步，更新的系统可以通过Wi-Fi和蓝牙无线传输数据。

软件： 许多软件可以与光谱仪一起使用进行数据采集。大多数生产仪器的公司也会提供与他们生产的光谱仪兼容的软件。例如，StellarNet的光谱仪配备了名为SpectraWiz的软件。还有一些允许您编写代码并根据需要自定义程序，例如LabVIEW、Visual C、C#、VB、VBA for MS Excel和MATLAB。

光学光谱仪的类型

光学光谱仪可以通过两种方式分类。第一种方式是按波长，第二种方式是按光与样品的相互作用特性。

按波长分类

紫外光谱仪

紫外光谱仪使用波长在200 – 400 nm之间的紫外光测量样品吸收或反射的光量，并确定样品中元素的浓度。当分子吸收紫外光释放的能量时，样品中的电子从基态激发到较高的能量态。电子的能量与其能吸收的波长长度成正比。通过将样品吸收紫外光时产生的光谱与已知化合物的光谱进行比较，可以识别样品。紫外光谱仪通常使用氘弧灯、氙弧灯或钨卤素灯。通常使用的光栅类型是全息光栅，使用的探测器通常是PMT、光电二极管、光电二极管阵列或CCD。探测器通常的像素大小为14μm乘200μm。紫外光谱仪通常用于材料科学、质量控制、石油化学、食品与农业、生命科学、光学元件等行业。它也通常用于检测杂质、确定化合物中任何功能团的存在或缺失、化合物的识别、有机化合物的结构阐明等应用。

可见光（VIS）光谱仪

可见光光谱仪的工作原理与紫外光谱仪相同，唯一的区别是它利用可见光谱区域的光，即400nm到700nm的波长，来识别不与紫外光相互作用的化合物。该仪器还可以通过测量样品的透过率或吸收强度来确定物质的浓度。钨卤素灯、氙灯和LED通常用作可见光光谱仪的光源。它使用与紫外光谱仪相同类型的衍射光栅和探测器。可见光光谱仪主要用于与紫外光谱仪相同的行业和应用。

红外（IR）光谱仪

红外光谱仪利用红外光对有机分子的振动跃迁来识别红外光谱中的材料。IR光可以分为近红外、中红外和远红外三部分，波长范围在700nm到1mm之间，与可见光谱相关。中红外及以上的光子只能诱导共价键合原子中的振动激发，而不能激发电子，因为能量不足。样品吸收红外辐射，并与这些振动的能量相对应。这允许记录化合物的吸收光谱，而这些光谱对每种化合物都是独特的。

傅里叶变换红外（FTIR）光谱仪，收集广泛范围的数据，利用傅里叶变换将原始数据转换为光谱。傅里叶变换是一种数学变换，它将函数分解为频率成分，输出被表示为频率的函数。

近红外、中红外和远红外分别使用钨卤素灯、全球辐射源和汞灯。通常安装的光栅类型是刻线光栅。近红外光谱仪通常使用InGaAs光电二极管，像素大小为25μm乘500μm，而中红外光谱仪使用热释电探测器，像素大小为48.5μm乘48.5μm，远红外光谱仪使用75μm乘75μm像素大小的a-Si或VOx热释电探测器。通常可以在制药、环境安全、食品和材料等行业找到。利用红外光谱仪的应用包括蛋白质特征分析、太空探索、化合物识别、纳米级半导体分析等。

按相互作用分类

吸收光谱学

吸收光谱学测量样品与光源的辐射吸收量，作为波长或频率的函数。样品从光源吸收能量，吸收强度随频率变化，这种变化产生吸收光谱。该光谱学方法在电磁光谱上进行。吸收光谱学用于确定样品中存在的化合物，并测量其浓度。上述提到的紫外、可见和红外光谱学都是吸收光谱学的示例。

吸收光谱学中最常见的光源是空心阴极灯，探测器通常使用光电倍增管（PMT）。这通常用于遥感、天文学以及原子和分子物理学。

反射光谱学

反射光谱学测量从样品反射或散射的光量。来自光源的光子从样品反射或折射后被称为散射，如上图所示。这些散射光子随后被检测和记录。这会产生反射与波长的图。反射光谱仪系统通常使用激光、超发光二极管、LED或卤素灯作为光源，使用CCD、光电二极管或MCA作为探测器。反射光谱仪用于医疗行业以提供组织浓度信息，也可以用于环境科学和地质等行业。

透射光谱学 

透射光谱学指测量通过样品不变的光量。它与吸收光谱学密切相关，因此它们共享类似的设置。透射光谱在吸收最弱的波长处会有最高的峰值，因为更多的光通过样品。根据光谱范围，使用不同的光源。LED、钨卤素灯或氘灯经常被使用。常用的探测器是光电二极管和CCD。这通常用于药物分析。

荧光光谱学

正如在紫外光谱学中提到的，当样品吸收光并从基态跃迁到更高的电子态时，样品中的电子会被激发。激发的电子可以通过发射光子回到基态，这一过程称为荧光。由于电子可能会降落到基态中的任何一个振动能级，发射的光子将包含不同的能量，因此具有不同的强度和波长。因此，荧光光谱学被定义为测量样品的荧光量。它通常使用紫外或可见光范围的光来激发电子。

荧光通过荧光光谱仪进行测量，测量荧光的各种特性，如发射的强度和波长分布。发射光谱揭示了样品发射的波长。测量荧光的仪器称为荧光计。荧光计通常使用激光、LED、氙弧灯或汞蒸气灯作为光源。在荧光光谱学中，探测器通常选择光电二极管或光电倍增管（PMT）。这种光谱学方法通常可以在医疗、生物化学和环境监测行业找到。应用包括人类组织中的癌症诊断、检测杂质或识别和测量物质的浓度，以及检测引起感染的各种细菌、病毒和寄生虫。

拉曼光谱仪

拉曼光谱学基于光，通常是激光，与材料化学键的相互作用。拉曼光谱仪仅使用连续波激光作为光源。通常使用红色到近红外（NIR）范围的激光，然而，近年来使用可见光激光（蓝色和绿色）也在增加。当光通过物质时，大部分光会沿原方向继续传播，但一小部分会向其他方向散射。该技术基于拉曼散射理论。散射效应是光子与物质的不弹性散射，这意味着光的方向发生变化，光子在与样品相互作用后失去能量。通常，分子会从入射光子获得振动能量。

光直接从样品散射并通过过滤器以去除瑞利散射的粒子，即介质中粒子对光的散射，而不改变波长。剩余的拉曼散射光随后被引导到衍射光栅，然后朝向探测器。最终产生拉曼光谱，其中每个峰和强度可以提供一些关于样品的信息。拉曼散射是散射光子的一极小部分，约为每一千万个光子中只有一个。它还使用全息光栅作为单色仪，CCD作为探测器。通过分析样品中的振动变化，可以确定化学成分、结晶度和分子相互作用等特性。如上所述，拉曼散射非常微弱，因此需要高灵敏度的光谱仪来检查光。这种仪器通常用于化学、物理、制药、艺术和医学等行业。它有助于识别分子并检查化学键，表征和研究材料的结构，发现包装中的假冒药物，研究生物矿物等。

光谱仪与分光光度计的区别

人们常常将光谱仪与分光光度计混淆。

分光光度计是一种测量材料的光的透过和吸收特性的仪器。它通常处理从近紫外到可见光再到近红外的光。分光光度计本身包含一个光谱仪以及一个光源，以更好地照亮样品。

工作原理与光谱仪类似，其中使用单色仪选择波长的光到达样品。根据样品的透明度，光要么被反射，要么被透过。探测器然后记录反射或透过光的强度。这会在不同波长下重复使用单色仪，以便探测器测量光强度的变化。最终输出将是光强度与波长的吸收光谱。

核磁共振（NMR）光谱仪：它测量样品在强大且恒定的磁场中时核自旋的相互作用（即核的角动量或自旋的空间排列的微小变化）。磁场是描述对运动电荷、电流和磁性材料的磁影响的矢量场。

NMR信号是在核与磁场以与核的频率共振的频率相互作用时产生的。分子中原子的周围的分子内磁场随共振频率变化，这一频率是介质以最高幅度振动的自然频率，因此揭示了样品的分子结构。

质谱仪：它测量离子的质荷比，并识别样品中存在的元素成分。其工作原理是对样品进行电离，这使得一些分子带电并根据其质荷比分离。这些离子随后被能够检测带电粒子的设备检测。

光谱仪的应用

光谱仪有多种用途。例如，当使用波长范围为200 – 400nm的紫外光谱仪，安装宽度为200μm的入口狭缝，并配备有2400g/mm的全息光栅和2000像素的CCD探测器时，可以检测有机分子中的杂质，比如苯，这是一种常见的杂质，存在于环己烷中，可以通过其在光谱中255nm处的吸收峰轻松检测到。