什么是光谱仪？ 紫外、可见光和红外光谱仪解释
1. 什么是光谱仪？
光谱仪是一个总称，指的是一种能够分离和测量物理特性光谱成分的仪器。它们是测量连续变量的设备，能够将光谱成分从其原始混合物中分离出来。
光谱仪有多种类型，最常见的一些是核磁共振 (NMR) 光谱仪、质谱仪和光学光谱仪。
1.1 核磁共振光谱仪
核磁共振波谱仪观察并测量样品置于强、恒定磁场中时原子核自旋的相互作用。 当原子核以与原子核频率共振的频率与磁场相互作用时，会产生 NMR 信号。
分子中原子周围的分子内磁场随着共振频率的变化而变化，从而揭示了样品的分子结构。
1.2 质谱仪
质谱仪测量离子的质荷比并识别样品中存在的元素的组成。 这是通过电离样品来实现的，这会导致一些分子带电并根据它们的质荷比进行分离。
然后，这些离子会被可检测带电粒子的设备检测到。
1.3 光谱仪
光谱仪测量光的特性，通常靠近电磁波谱中的光学区域，即紫外光、可见光和红外光。
光强度的吸收和发射随波长的变化允许识别材料。
在本文中，我们将重点介绍光谱仪。
2. 光谱仪的工作原理
光谱仪由三个主要部件组成——入射狭缝、光栅和检测器。
2.1 入口狭缝
来自光源的光进入入口狭缝，狭缝的大小决定了仪器可以测量的光量。 狭缝尺寸也影响光谱仪的光学分辨率，狭缝尺寸越小，分辨率越好。
光束通过狭缝后发散，通过在准直镜上反射发散的光束，光束变得准直。 然后将准直射线导向衍射光栅。 光栅充当色散元件并将光分成其组成波长。
2.2 光栅
单色器利用棱镜中的光色散现象或衍射光栅的衍射来选择特定波长的光。 在传统的光谱仪中，棱镜被用来分散光。
然而，随着衍射光栅的发明，它成为现代光谱仪中最常用的单色器，因为它比棱镜更具优势。
这两种设备都能够将光分成多种颜色，但衍射光栅可以将颜色分散到比棱镜更大的角度。 棱镜仅在紫外区域具有较高的色散，而衍射光栅在整个紫外、可见光和红外光谱中具有高且恒定的色散。
一旦光到达衍射光栅，每个波长就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发散，因此它会碰到第二个反射镜以聚焦并将其导向探测器。
2.3 探测器
检测器捕获光谱并测量作为波长函数的光强度。 然后将这些数据数字化并作为图表绘制到软件上。
3. 光谱仪的部件
上面的部分讨论了光谱仪的工作原理。 在本节中，将介绍光谱仪的组件以及每个组件的种类。
3.1 光源
光谱仪中常见的光源由卤钨、氘、氙弧、LED、汞、氩、锌或激光制成。
3.2 入口狭缝
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。
3.3面镜子
周围最常见的镜子类型通常是平面镜和球面镜。 球面镜可分为凹球面镜和凸球面镜两种。 然而，在光谱仪中，通常使用凹球面镜。
3.4 衍射光栅
市场上有两种类型的衍射光栅——刻线光栅和全息光栅。
刻线光栅是通过使用刻线机上的金刚石形状工具在反射表面上物理蚀刻凹槽来生产的，而全息光栅是通过称为干涉光刻的工艺生产的，该工艺使用两束紫外线构建干涉图案。
刻线光栅可以针对特定波长进行闪耀，并且通常比全息光栅具有更高的效率。
全息光栅倾向于具有更均匀的凹槽形式和间距，并且在它们以光学方式产生时产生更少的杂散光。
3.5 持有人
样品通常是液体，但也可以测试气体和固体。 样品通常被放置在一个透明的细胞内，称为比色皿。 在某些设备中，也可以使用试管代替比色杯。
用于生产比色皿的材料取决于光谱仪覆盖的光谱范围。 通常使用熔融石英或石英玻璃，因为它们在紫外至红外区域是透明的。
3.6 探测器
不同的光谱仪使用多种检测器，一些常用的检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)、辐射热测量计和多通道分析仪 (MCA)。
3.7界面
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，更新的系统能够使用 Wi-Fi 和蓝牙无线传输数据。
3.8软件
许多软件可用于光谱仪的数据采集。大多数仪器生产商也会提供与其产品兼容的软件。例如，StellarNet 的光谱仪就配备了名为 SpectraWiz 的软件。
除了这些现成的软件之外，其他软件还允许您编码和创建程序，并根据您的需求进行定制，例如 LabVIEW、Visual C、C#、VB、VBA for MS Excel 和 MATLAB。
4. 光谱仪的使用
光谱仪有多种用途。
一个例子是一台紫外光谱仪，利用200-400nm的光谱范围，安装宽度为200μm的入射狭缝，连同凹槽尺寸为2400g/mm的全息光栅，以及2000像素的CCD检测器，可以检测有机分子中的杂质——例如苯，这是环己烷中常见的杂质，它的存在可以很容易地通过其在光谱中 255nm 处的吸收峰来检测。
5. 光谱仪的种类
光谱仪可以分为两种方式。 第一种方式是通过它们的波长，而第二种方式是通过它们的光相互作用特性。
5.1波长
5.1.1 紫外线（UV）
紫外光谱法利用波长在 200 – 400nm 之间的紫外光来测量样品吸收或反射的光量，并确定样品中元素的浓度。
当分子吸收紫外线发出的能量时，样品中的电子从基态被激发到更高的能态。 电子的能量大小与它们可以吸收的波长长度成正比。
样品的鉴定是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来完成的。
紫外光谱仪通常使用氘弧灯、氙弧灯或卤钨灯。 使用的光栅类型通常是全息光栅，检测器通常是 PMT、光电二极管、光电二极管阵列或 CCD。 探测器通常具有 14μm x 200μm 的像素尺寸。
紫外光谱仪常用于材料科学、质量控制、石油化学、食品和农业、生命科学、光学元件等行业。
它还通常用于杂质检测、化合物中是否存在任何官能团、化合物的鉴定、有机化合物的结构解析等应用。
5.1.2 可见光（VIS）
可见光光谱仪的工作原理与紫外光谱仪相同，只是它利用电磁波谱可见光区域（即波长为 400nm 至 700nm）的光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其透射率或吸光度强度来确定样品中物质的浓度。
卤钨灯、氙灯和 LED 通常用作 VIS 光谱仪中的光源。
它使用与紫外光谱仪相同类型的衍射光栅和检测器。 可见光光谱仪也主要用于与紫外光谱仪相同的行业和应用。
5.1.3 红外线（IR）
红外光谱仪利用有机分子在红外光照射下的振动跃迁来识别红外光谱中的物质。
红外光在 700 纳米到 1 毫米之间可以分为三个部分——近红外、中红外和远红外，这与可见光谱有关。
从中红外开始的光子只能在共价键合的原子中引起振动激发，而不能激发电子，因为能量不够大。
样品吸收红外辐射，并在能量上与这些振动相对应。 这允许记录化合物的吸收光谱，并且光谱对于每种化合物都是唯一的。
采集大范围数据的傅里叶变换红外 (FTIR) 光谱仪利用傅里叶变换将原始数据转换为光谱。
近红外、中红外和远红外分别使用卤钨灯、球形灯和汞灯。 安装的光栅类型通常是直纹光栅。 NIR 光谱仪通常使用像素尺寸为 25μm x 500μm 的 InGaAs 光电二极管，而 MIR 光谱仪使用像素尺寸为 48.5μm x 48.5μm 的热释电探测器，FIR 光谱仪使用像素尺寸为 75μm x 75μm 的 a-Si 或 VOx 测辐射热计。
这通常可以在制药、环境安全、食品和材料等行业中找到。 利用红外光谱仪的应用包括蛋白质表征、太空探索、化合物鉴定、纳米级半导体分析等。
5.2 互动
5.2.1吸收
顾名思义，吸收光谱测量辐射吸收，作为波长或频率的函数，样品与源。
样品从源吸收能量，吸收强度随频率变化，这种变化产生吸收光谱。 这种光谱学方法是在电磁波谱上完成的。
吸收光谱用于确定样品中存在的化合物并测量其浓度。 上面提到的紫外、可见和红外光谱是吸收光谱的例子。
吸收光谱中最常用的光源是空心阴极灯，而 PMT 用作检测器。 这通常用于遥感、天文学和原子和分子物理学。
5.2.2 反射率
反射光谱测量从样品反射或散射的光量。
来自光源的从样品反射或通过样品折射的光子被称为散射。
然后检测并记录这些散射光子。 这会产生反射率与波长的关系图。
反射光谱系统通常使用激光、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 作为检测器。
反射光谱仪在医疗行业用于提供组织浓度信息，也可用于环境科学和地质等行业。
5.2.3 透光率
透射光谱是指对穿过样品的光量不变的测量。
它与吸收光谱非常相关，因此它们具有相似的设置。
随着更多的光通过样品，透射光谱在吸收最弱的波长处具有最高峰值。
根据光谱范围，使用不同的光源。 经常使用 LED、卤钨灯或氘灯。 选择的典型检测器是光电二极管和 CCD。 这通常用于药物分析。
5.2.4 荧光
正如紫外光谱中提到的，当样品吸收光并从基态移动到由各种振动状态组成的更高电子状态时，样品中的电子会被激发。
激发的电子可以通过发射光子跃迁到它们的基态，这个过程被称为荧光。
由于电子可能落入基态的各种振动能级中的任何一个，因此发射的光子将包含不同的能量，因此强度和波长也不同。
因此，荧光光谱被定义为测量样品的荧光量。 它通常使用 UV 或 VIS 范围内的光来激发电子。
荧光是由荧光光谱仪测量的，它测量荧光的各种特性，例如发射的强度和波长分布。 然后发射光谱揭示样品发射的波长。
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。 在荧光光谱中通常选择光电二极管或 PMT 作为检测器。
这种光谱法在医疗、生化和环境监测行业中很常见。应用包括人体组织中的癌症诊断、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
5.2.5 散射
当光穿过物质时，大部分光会沿原来的方向继续前进，但也有一小部分会向其他方向散射。
该技术基于拉曼散射理论。 散射效应是物质对光子的非弹性散射，这意味着光的方向发生变化，光子与样品相互作用后能量损失。
通常，分子将从入射光子中获得振动能量。
大多数被散射的光的能量不变，这就是瑞利散射。 拉曼散射由极微小的散射光子组成（大约 1 千万分之一）。
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测光线。
该仪器常用于化学、物理、制药、艺术和医疗等行业。 它有助于识别分子和检查化学键合、表征和研究材料的结构、发现包装中的假药、研究生物矿物等。
6. 拉曼光谱仪
拉曼光谱基于光（通常是激光）与材料化学键的相互作用。
光直接从样品散射并通过过滤器以去除瑞利散射中的颗粒。
来自拉曼散射的剩余光然后在朝向检测器之前被引导到衍射光栅。
它最终会产生一个拉曼光谱，其中每个峰和强度都可以提供有关样品的一些信息。
拉曼光谱仪仅使用连续波激光作为光源。
通常使用从红色到 NIR 光谱范围内的激光，然而，近年来蓝色和绿色可见激光的使用正在增加。
它还采用全息光栅作为单色器，CCD 作为检测器。
7. 光谱仪 Vs。 分光光度计
人们常常将光谱仪和分光光度计混淆。分光光度计是一种测量材料对光的透射和吸收特性随波长变化的仪器。
它通常处理从近紫外到可见光再到近红外范围内的光。 分光光度计本身包含一个分光计和一个光源，以更好地照亮样品。
工作原理类似于光谱仪，其中使用单色器选择到达样品的光波长。 根据样品的不透明度，光会被反射或透射。 然后检测器记录反射或透射光的强度。
使用单色器在不同波长处重复此过程，以便检测器测量光强度的变化。 最终输出将是作为波长函数的吸收光谱。
8. 哪里可以买到可靠的光谱仪？
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