定義與發(fā)展歷程

• 定義：光譜儀，又稱分光儀、光譜分析儀、光學分光計，是將成分復雜的復合光分解為光譜線進行測量和計算的光學儀器，主要用于測定光的波長、頻率、強度、輪廓、寬度及其變化規(guī)律等。

• 發(fā)展歷程：1666 年，牛頓在玻璃三棱鏡分光實驗中發(fā)現(xiàn)太陽光譜。1814 年，夫瑯禾費設(shè)計制成分光裝置。1859 年末，克希霍夫與本生制成第一臺結(jié)構(gòu)完整的光譜分析儀器。此后，光譜儀不斷發(fā)展，1918 年美國研制出紫外 - 可見光分光設(shè)備，1928 年德國蔡司廠推出第一臺商品化攝譜儀，1944 年出現(xiàn)光電法代替攝譜法等，逐漸進入自動化、光電化階段。中國的光譜儀發(fā)展始于 1949 年后，現(xiàn)已建立起完善的研究、設(shè)計、生產(chǎn)體系。

工作原理

• 基本原理：應(yīng)用光學原理，通過光源和照明系統(tǒng)提供光，準直系統(tǒng)將光變?yōu)槠叫泄?，色散系統(tǒng)把復合光分解為光譜，聚焦成像系統(tǒng)將色散后的光會聚或成像在焦平面上，檢測記錄和顯示系統(tǒng)測量和記錄光譜的相關(guān)信息，從而對物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和成分等進行測量、分析和處理。

• 光譜分析原理：不同元素的原子具有特定的能級結(jié)構(gòu)，當原子受到能量激發(fā)時，外層電子從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，處于激發(fā)態(tài)的原子不穩(wěn)定，會躍遷回基態(tài)或較低能級，同時釋放出特定波長的電磁波，形成特征光譜線。通過識別這些特征光譜線可進行元素的定性分析，依據(jù)譜線強度可進行定量分析。

基本組成

• 光源和照明系統(tǒng)：在研究發(fā)射光譜時，光源發(fā)生器如氣體火焰等激發(fā)試樣獲得光譜；研究吸收、喇曼、熒光光譜時，光源用于照射或激發(fā)被研究物質(zhì)。照明系統(tǒng)則盡可能會聚光源輻射的光能量，并傳遞給儀器。

• 準直系統(tǒng)：一般由入射狹縫和準直物鏡組成，入射狹縫成為實際光源，限制進入儀器的光束，其位于準直物鏡焦平面上，使發(fā)出的光束經(jīng)準直物鏡后成為平行光投向色散系統(tǒng)。

• 色散系統(tǒng)：將入射的復合光分解為光譜，主要有物質(zhì)色散（如光譜棱鏡）、多縫衍射（如光柵）、多光束干涉（如法布里 - 珀涉儀）三類作用原理。

• 聚焦成像系統(tǒng)：把空間上色散開的各波長光束會聚或成像在像物鏡的焦平面上，形成分立的線狀光譜、小波段范圍連續(xù)的帶狀光譜或大范圍內(nèi)連續(xù)的連續(xù)光譜。

• 檢測記錄和顯示系統(tǒng)：接受各光譜元的信號，測量其波長、強度等組成，并記錄和顯示成為光譜圖，接收系統(tǒng)包括目視接受系統(tǒng)、感光材料接受系統(tǒng)和光電探測系統(tǒng)。

應(yīng)用領(lǐng)域

• 科研領(lǐng)域：在物理、化學、天文學等學科中，用于研究物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、特性和相互作用，如分析原子、分子的能級結(jié)構(gòu)，研究天體的化學成分和物理狀態(tài)等。

• 工業(yè)領(lǐng)域：在冶金行業(yè)可分析金屬材料的成分；石油化工行業(yè)用于油品質(zhì)量檢測、化工原料分析等；電子工業(yè)中可檢測半導體材料的特性、鍍膜厚度等。

• 環(huán)境監(jiān)測：用于檢測空氣中的污染物成分、水質(zhì)中的重金屬含量、土壤中的有害物質(zhì)等，為環(huán)境保護和治理提供依據(jù)。

• 生物醫(yī)學領(lǐng)域：可用于血液、尿液等生物樣本的成分分析，疾病診斷，藥物研發(fā)過程中的成分鑒定和質(zhì)量控制等。

• 農(nóng)業(yè)領(lǐng)域：可分析土壤養(yǎng)分、農(nóng)作物的化學成分，幫助優(yōu)化施肥方案、監(jiān)測農(nóng)作物生長狀況和品質(zhì)等