什麼是光譜儀？ 紫外、可見光和紅外光譜儀解釋
1. 什麼是光譜儀？
光譜儀是一個總稱，指的是一種能夠分離和測量物理特性光譜成分的儀器。它們是測量連續變數的設備，能夠將光譜成分從其原始混合物中分離出來。
光譜儀有多種類型，最常見的一些是核磁共振 (NMR) 光譜儀、質譜儀和光學光譜儀。
1.1 核磁共振光譜儀
核磁共振波譜儀觀察並測量樣品置於強、恆定磁場中時原子核自旋的相互作用。 當原子核以與原子核頻率共振的頻率與磁場相互作用時，會產生 NMR 信號。
分子中原子周圍的分子內磁場隨著共振頻率的變化而變化，從而揭示了樣品的分子結構。
1.2 質譜儀
質譜儀測量離子的質荷比並識別樣品中存在的元素的組成。 這是通過電離樣品來實現的，這會導致一些分子帶電並根據它們的質荷比進行分離。
然後，這些離子會被可檢測帶電粒子的設備檢測到。
1.3 光譜儀
光譜儀測量光的特性，通常靠近電磁光譜中的光學區域，即紫外光、可見光和紅外光。
光強度的吸收和發射隨波長的變化允許識別材料。
在本文中，我們將重點介紹光譜儀。
2. 光譜儀的工作原理
光譜儀由三個主要部件組成——入射狹縫、光柵和檢測器。
2.1 入口狹縫
來自光源的光進入入口狹縫，狹縫的大小決定了儀器可以測量的光量。 狹縫尺寸也影響光譜儀的光學分辨率，狹縫尺寸越小，分辨率越好。
光束通過狹縫後發散，通過在准直鏡上反射發散的光束，光束變得准直。 然後將准直射線導向衍射光柵。 光柵充當色散元件並將光分成其組成波長。
2.2 光柵
單色器利用棱鏡中的光學色散現像或衍射光柵的衍射來選擇特定波長的光。 在傳統的光譜儀中，棱鏡被用來分散光。
然而，隨著衍射光柵的發明，它成為現代光譜儀中最常用的單色器，因為它比棱鏡更具優勢。
這兩種設備都能夠將光分成多種顏色，但衍射光柵可以將顏色分散到比棱鏡更大的角度。 棱鏡僅在紫外線區域具有較高的色散，而衍射光柵在整個紫外、可見光和紅外光譜中具有高且恆定的色散。
一旦光到達衍射光柵，每個波長就會以不同的角度反射。 不同尺寸的衍射光柵也用於確定不同的波長范圍。
光束在從光柵反射後再次發散，因此它撞擊第二個反射鏡以聚焦並將其導向探測器。
2.3 探測器
檢測器捕獲光譜並測量作為波長函數的光強度。 然後將這些數據數字化並作為圖表繪製到軟件上。
3. 光譜儀的部件
上面的部分討論了光譜儀的工作原理。 在本節中，將介紹光譜儀的組件以及每個組件的種類。
3.1 光源
光譜儀中常見的光源由鹵鎢、氘、氙弧、LED、汞、氬、鋅或激光製成。
3.2 入口狹縫
狹縫有多種尺寸，從 5μm 到 800μm，高度為 1mm 到 2mm。 狹縫的大小取決於應用，最常用的狹縫寬度為 10、25、50、100 和 200μm。
3.3面鏡子
周圍最常見的鏡子類型通常是平面鏡和球面鏡。 球面鏡可分為凹球面鏡和凸球面鏡兩種。 然而，在光譜儀中，通常使用凹球面鏡。
3.4 衍射光柵
市場上有兩種類型的衍射光柵——刻線光柵和全息光柵。
刻線光柵是通過使用刻線機上的金剛石形狀工具在反射表面上物理蝕刻凹槽來生產的，而全息光柵是通過稱為乾涉光刻的工藝生產的，該工藝使用兩束紫外線構建干涉圖案。
直紋光柵可以針對特定波長進行閃耀，並且通常比全息光柵具有更高的效率。
全息光柵傾向於具有更均勻的凹槽形式和間距，並且在它們以光學方式產生時產生更少的雜散光。
3.5 持有人
樣品通常是液體，但也可以測試氣體和固體。 樣品通常被放置在一個透明的細胞內，稱為比色皿。 在某些設備中，也可以使用試管代替比色杯。
用於生產比色皿的材料取決於光譜儀覆蓋的光譜範圍。 通常使用熔融石英或石英玻璃，因為它們在紫外至紅外區域是透明的。
3.6 探測器
不同的光譜儀使用多種偵測器，一些常用的偵測器包括光電倍增管 (PMT)、光電二極體、光電二極體陣列、電荷耦合元件 (CCD)、輻射熱測量計和多通道分析儀 (MCA)。
3.7 接口
大多數光譜儀系統通過 USB、RS-232 或以太網與計算機連接。 隨著技術的進步，更新的系統能夠使用 Wi-Fi 和藍牙無線傳輸數據。
3.8軟件
許多軟體可用於光譜儀的數據收集。大多數儀器生產商也會提供與其產品相容的軟體。例如，StellarNet 的光譜儀就配備了名為 SpectraWiz 的軟體。
除了這些現成的軟體之外，其他軟體還允許您編碼和建立程序，並根據您的需求進行客製化，例如 LabVIEW、Visual C、C#、VB、VBA for MS Excel 和 MATLAB。
4. 光譜儀的使用
光譜儀有多種用途。
一個例子是一台紫外光譜儀，利用200-400nm的光譜範圍，安裝寬度為200μm的入射狹縫，連同凹槽尺寸為2400g/mm的全息光柵，以及2000像素的CCD檢測器，可以檢測有機分子中的雜質——例如苯，這是環己烷中常見的雜質，它的存在可以很容易地通過其在光譜中 255nm 處的吸收峰來檢測。
5. 光譜儀的類型
光譜儀可以分為兩種方式。 第一種方式是通過它們的波長，而第二種方式是通過它們的光相互作用特性。
5.1波長
5.1.1 紫外線（UV）
紫外光光譜法利用波長在 200 – 400nm 之間的紫外光來測量樣品吸收或反射的光量，並確定樣品中元素的濃度。
當分子吸收紫外線發出的能量時，樣品中的電子從基態被激發到更高的能態。 電子的能量大小與它們可以吸收的波長長度成正比。
樣品的鑑定是通過將樣品吸收紫外光時產生的光譜與已知化合物的光譜進行比較來完成的。
紫外光譜儀通常使用氘弧燈、氙弧燈或鹵鎢燈。 使用的光柵類型通常是全息光柵，檢測器通常是 PMT、光電二極管、光電二極管陣列或 CCD。 探測器通常具有 14μm x 200μm 的像素尺寸。
紫外光譜儀常用於材料科學、質量控制、石油化學、食品和農業、生命科學、光學元件等行業。
它還通常用於雜質檢測、化合物中是否存在任何官能團、化合物的鑑定、有機化合物的結構解析等應用。
5.1.2 可見光（VIS）
可見光光譜儀的工作原理與紫外光譜儀相同，只是它利用電磁波譜可見光區域（即波長為 400nm 至 700nm）的光來識別不與紫外光相互作用的化合物。
該儀器還可以通過測量其透射率或吸光度強度來確定樣品中物質的濃度。
鹵鎢燈、氙燈和 LED 通常用作 VIS 光譜儀中的光源。
它使用與紫外光譜儀相同類型的衍射光柵和檢測器。 可見光光譜儀也主要用於與紫外光譜儀相同的行業和應用。
5.1.3 紅外線（IR）
紅外光譜儀利用有機分子在紅外光照射下的振動躍遷來辨識紅外光譜中的物質。
紅外光在 700 納米到 1 毫米之間可以分為三個部分——近紅外、中紅外和遠紅外，這與可見光譜有關。
從中紅外開始的光子只能在共價鍵合的原子中引起振動激發，而不能激發電子，因為能量不夠大。
樣品吸收紅外輻射，並在能量上與這些振動相對應。 這允許記錄化合物的吸收光譜，並且光譜對於每種化合物都是唯一的。
採集大範圍數據的傅里葉變換紅外 (FTIR) 光譜儀利用傅里葉變換將原始數據轉換為光譜。
近紅外、中紅外和遠紅外分別使用鹵鎢燈、球形燈和汞燈。 安裝的光柵類型通常是直紋光柵。 NIR 光譜儀通常使用像素尺寸為 25μm x 500μm 的 InGaAs 光電二極管，而 MIR 光譜儀使用像素尺寸為 48.5μm x 48.5μm 的熱釋電探測器，FIR 光譜儀使用像素尺寸為 75μm x 75μm 的 a-Si 或 VOx 測輻射熱計。
這通常可以在製藥、環境安全、食品和材料等行業中找到。 利用紅外光譜儀的應用包括蛋白質表徵、太空探索、化合物鑑定、納米級半導體分析等。
5.2 互動
5.2.1吸收
顧名思義，吸收光譜測量輻射吸收，作為波長或頻率的函數，樣品與源。
樣品從源吸收能量，吸收強度隨頻率變化，這種變化產生吸收光譜。 這種光譜學方法是在電磁波譜上完成的。
吸收光譜用於確定樣品中存在的化合物並測量其濃度。 上面提到的紫外、可見和紅外光譜是吸收光譜的例子。
吸收光譜中最常用的光源是空心陰極燈，PMT 用作檢測器。 這通常用於遙感、天文學和原子和分子物理學。
5.2.2 反射率
反射光譜測量從樣品反射或散射的光量。
來自光源的從樣品反射或通過樣品折射的光子被稱為散射。
然後檢測並記錄這些散射光子。 這會產生反射率與波長的關係圖。
反射光譜系統通常使用激光、超發光二極管、LED 或鹵素燈作為光源，使用 CCD、光電二極管或 MCA 作為檢測器。
反射光譜儀在醫療行業用於提供組織濃度信息，也可用於環境科學和地質等行業。
5.2.3 透光率
透射光譜是指對穿過樣品的光量不變的測量。
它與吸收光譜非常相關，因此它們具有相似的設置。
透射光譜將在吸收最弱的波長處具有最高峰值，因為更多的光通過樣品。
根據光譜範圍，使用不同的光源。 經常使用 LED、鹵鎢燈或氘燈。 選擇的典型檢測器是光電二極管和 CCD。 這通常用於藥物分析。
5.2.4 熒光
正如紫外光譜中提到的，當樣品吸收光並從基態移動到由各種振動狀態組成的更高電子狀態時，樣品中的電子會被激發。
激發的電子可以通過發射光子躍遷到它們的基態，這個過程被稱為熒光。
由於電子可能落入基態的各種振動能級中的任何一個，因此發射的光子將包含不同的能量，因此強度和波長也不同。
因此，熒光光譜被定義為測量樣品的熒光量。 它通常使用 UV 或 VIS 範圍內的光來激發電子。
熒光是由熒光光譜儀測量的，它測量熒光的各種特性，例如發射的強度和波長分佈。 然後發射光譜揭示樣品發射的波長。
測量熒光的儀器稱為熒光計。 熒光計通常使用激光、LED、氙弧燈或汞蒸氣燈作為光源。 在熒光光譜中通常選擇光電二極管或 PMT 作為檢測器。
這種光譜方法常見於醫療、生化和環境監測產業。應用包括人體組織中的癌症診斷，檢測雜質或識別和測量物質的濃度，以及檢測引起感染的各種細菌、病毒和寄生蟲
5.2.5 散射
當光穿過物質時，大部分光會沿原來的方向繼續前進，但也有一小部分會向其他方向散射。
該技術基於拉曼散射理論。 散射效應是物質對光子的非彈性散射，這意味著光的方向發生變化，光子與樣品相互作用後能量損失。
通常，分子將從入射光子中獲得振動能量。
大多數被散射的光的能量不變，這就是瑞利散射。 拉曼散射由極微小的散射光子組成（大約 1 千萬分之一）。
通過分析樣品中的振動變化，可以確定化學成分、結晶度和分子相互作用等特性。 如上所述，拉曼散射非常微弱，因此需要高靈敏度的光譜儀來檢測光線。
該儀器常用於化學、物理、製藥、藝術和醫療等行業。 它有助於識別分子和檢查化學鍵合、表徵和研究材料的結構、發現包裝中的假藥、研究生物礦物等。
6. 拉曼光譜儀
拉曼光譜基於光（通常是激光）與材料化學鍵的相互作用。
光直接從樣品散射並通過過濾器以去除瑞利散射中的顆粒。
來自拉曼散射的剩余光然後在朝向檢測器之前被引導到衍射光柵。
它最終會產生一個拉曼光譜，其中每個峰和強度都可以提供有關樣品的一些信息。
拉曼光譜儀僅使用連續波激光作為光源。
通常使用從紅色到 NIR 光譜範圍內的激光，然而，近年來藍色和綠色可見激光的使用正在增加。
它還採用全息光柵作為單色器，CCD 作為檢測器。
7. 光譜儀 Vs。 分光光度計
人們常常將光譜儀和分光光度計混淆。分光光度計是一種測量材料對光的透射和吸收特性隨波長變化的儀器。
它通常處理從近紫外到可見光再到近紅外範圍內的光。 分光光度計本身包含一個分光計和一個光源，以更好地照亮樣品。
工作原理類似於光譜儀，其中使用單色器選擇到達樣品的光波長。 根據樣品的不透明度，光會被反射或透射。 然後檢測器記錄反射或透射光的強度。
用不同波長的單色器重複此過程，以便檢測器測量光強度的變化。 最終輸出將是作為波長函數的吸收光譜。
8. 哪裡可以買到可靠的光譜儀？
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