光谱仪器家族

1、§123 光谱仪器家族一、看谱仪光栅式看谱仪光学系统如图1231。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。9.视场光栏 10显微物镜 11目镜 1.光源、试样8 2.保护玻璃 7.光栅3.反射棱镜6.准直物镜5.狭缝4.聚焦镜图12-3-1 看谱仪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

2、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:390700nm分辨本领 0.05-0.11nm。目视可分开下列线对Fe 613.66 nm和613.77nm；Fe 487.13 nm和487.21nm；Mn 476.59 nm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

3、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。12.3.2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. 棱镜式摄谱仪图12-3-2 棱镜式摄谱仪min=45059 L2SL1P F底片23030 德国蔡司公司Q24型中型棱镜式摄谱仪如图123-2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

4、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200600nm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，

5、它们的倒线色散率分别为：0.10.8nm/mm、0.82 nm/mm和210 nm/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图12.3-4北京光学仪器厂生产的WLX小型光谱仪采用CCD探测器,如

6、图12.3-4所示。1.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：3301100 nm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 固定型多通道光电直读光谱仪光电倍增管采样图12.3-5 固定型多通道光电直读光谱仪应用：光

7、电析钢仪，每一条出射狭缝对应一种元素。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。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.荧光分光光度计图12.3-6（发射用）（检测用）试样池C2应用1). EM固定检测某波长荧光，让WX进

8、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），而让单色器扫描，则可得荧光发射光谱。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P2P1六、傅里叶变换光谱仪1. 系统图图12.3-62 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，其中x为光程差，则 （1）式中，为波数为的光谱强度分布。当光源发出从到波数的光时 （2）因此，总的通量为

9、： （3）（3）式第一项与光程差无关，当光程差为0，即x0时，则 （4）当光程差为D时，则 （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： （6）由于傅里叶变换是可逆的，所以可由算出：扫描光程差x，可获得各波数（或波长）的光谱强度。3 分辨本领(结论) （7）为最大光程差，目前为0.10.005的分辨率。4 特点 可多个光谱一起检测 辐射通量大（称Jacquinot优点）：比分光计强1001000倍。(分光计只有0.20.03的能量到达探测器) 波数示数精度高（称Connes优点）：达0.01 杂散光低：低于0.010.033、傅里叶光谱仪组成：傅里叶变换红外分光光度计

10、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。图 12.3-8 傅里叶变换红外分光光度计光学系统图 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M

11、11两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4RT 分束器一般都用高折射率材料制成。一般是将 Ge 、

12、 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，

13、波数为的谱线强度被变化成频率为 f =2 V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

14、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 4000400cm -1的中红外、近红外区域，可采用

15、 TGS （硫酸三甘酞， Triglycine Sulfate ）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，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

16、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）图测试实例3：苯乙酮的红外光谱（IR）图七、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

17、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分析。即使是微克量级的样品，也能激发很强的喇曼散射，提供红外吸收光谱分析所不能或难以获得的信息。 12-20图1220是一种激光喇曼分光光度计光学系统图。其光学系统已由双联光栅单色仪发展成为三联光栅单色仪；记录系统都配有直流放大和光子计数等检测系统；带有计算机作信息处理和程序自动控制。在激光光源方面，目前大多采用氦氖激光器和氩离子激光器。此外还可选用氪离子激光器、氩克离子激光器和氦镉激光器等，输出不同波长，以适应不同样品测试的需要。由于激光喇曼分光光度计的 使用波段广、分辨率高、

18、杂散光低、波数精度高和再现性好，因此已广泛用于有机化学、生物化学、石油化工以及环境污染的分析，已成为一类重要的分光光度计。表121列出了国外部分墩光喇曼分光光度计性能参数表12-1激光喇曼分光光度计实物图LRS-II/III型激光拉曼光谱仪适用于科研院所、高等院校物理实验室和化学实验室的拉曼光谱及荧光光谱的测量，该产品是本公司自行设计的新产品，以其结构简单、便于调整及测量、灵敏度高、稳定性好、价格低廉等优点在1998年、2000年世界银行贷款发展项目二度中标。  计算机控制，界面显示，仪器能自动记录拉曼，荧光光谱 高分辨率，低杂散光单色系统 高灵敏度、低噪声单光子计数器做接受系统 采

19、用半导体激光器作为光源 配有稳定性好，精度高的外光路系统 配有多种附件，适用于液体、固体样品的分析 配有旨在减小杂散光的陷波滤波器 波长区间 300-650nm 波长精度 ± 0.4nm 波长重复性 0.2nm 杂散光 10-3 线色散倒数 2.7nm/mm 谱线半宽度 波长在589nm处狭缝高3mm，宽0.2nm，谱线半宽度0.2nm 外形尺寸 700×500×450nm 重量 70kg 单色仪 D/f=1/5.5 光栅 1200L/mm 狭缝 宽度0-2mm连续可调，示值精度0.01mm、最大高20mm 接收单元 单光子计数器 光源 半导体激光器 输出波长 5

20、32nm 输出功率 40mW拉曼光谱原理简介：(拉曼光谱在化学中的应用 朱自莹)拉曼散射是1928年由印度物理学家拉曼发现的。分子对入射光所产生的频率发生较大变化的一种散射现象。这种散射效应在19231927年间为许多理论物理学家所预言过。同时，前苏联和法国的学者也相继在实验上观察到这种效应。 拉曼效应有以下一些特点： (1)每一种物质(分子)有自己的特征拉曼光谱，因之可以作为表征这一物质之用。 (2)每一物质的拉曼频率位移(即入射频率与散射频率之差)与入射光的频率无关。拉曼散射是瞬时的。即入肘光消失时，拉曼散射在10-1110-12s后消失。00+斯托克斯线0-反斯托克斯线 (3)拉曼谱线的

21、线宽一般较窄，并且成对出现，即具有数值相同的正负频率差。在短于入射光波长一边的称为反斯托克斯线，在长波长一边的称为斯托克斯线。 (4)拉曼频率位移的数值可从几个波数(cm-1)到3800个波数。 (5)一般的拉曼频率是分于内部振动或转动频率，有时与红外吸收光谱所得的频率部分重合，波数范围也是相同的。 (6)拉曼谱线的强度和偏振性质，对于各条谱线是不同的。 (7)量子理论说明拉曼效应为光子与分于发生非弹性碰撞而发生的，即 hR为分子内部运动的能级差，通常为振动能级差，有时也可为转动能级差或其他能级差。故斯托克斯线的强度与反斯托克斯线的强度比代表分子在基态与在第一激发态的布居数(populatio

22、n)之比，这个比值是温度的函数，可内玻尔兹曼(Boltzmann)公式算出。温度愈低则反斯托克斯线愈弱。拉曼频率R愈小则斯托克斯和反斯托文斯谱线的强度比愈接近1。（8）在分子作拉曼散射的同时，还有比拉曼散射强个数敛级的瑞利散射其波长长与入射光波长相同。 (9)拉曼效应普遍存在于一切分子之中，无论是气体、液体或固体。以下为四氯化碳的拉曼光谱八、双光束紫外可见分光光度计 730 型双光束紫外可见分光光度计是我国生产的仪器，它的主要技术性能和参数如下：工作波长范围： 195 850nm 光谱带宽： 0.2 5nm 分辨率： 0.2nm 波长精度：士 0.75nm 波长重复性： 0.5nm 测光范围： 0-100 % T 0-1.999A 光度测定精度：士 0.5 % 杂散光： < 1 % （在 200nm ) 狭缝宽度： 0.03 -1.5mm 图 12 13 是 730 型紫外可见双光束分光光度计的光学系统图。从光栅单色器射出的单色光被旋转扇形镜 Ml 。反射或透射而形成前、后两支对称的光束，分别通过试样池 C1 和参考池 C2 ，然后又被与M同步旋转的扇形镜 M11 重新合并成同一光路投射到光电倍增管上。 双光束光路中因试样光束与参考光束完全对称，几乎同时工作，所以消除了电源、温度、光源的