光譜儀又被稱作分光儀或光譜分析儀,是一種能夠把成分復(fù)雜的復(fù)合光分解成光譜線,并對(duì)其進(jìn)行測(cè)量和計(jì)算的光學(xué)儀器。其主要功能在于測(cè)定光的波長(zhǎng)、頻率、強(qiáng)度、輪廓、寬度及其變化規(guī)律等。牛頓在 1666 年通過玻璃三棱鏡分光實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了太陽(yáng)光譜,這成為光譜儀發(fā)展的重要起源。此后,經(jīng)過不斷的技術(shù)演進(jìn),光譜儀逐漸發(fā)展成為現(xiàn)代科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)中不可或缺的分析工具。?
光譜儀的分類方式豐富多樣,按照原理來(lái)劃分,可分為吸收光譜儀、發(fā)射光譜儀和旋光光譜儀。吸收光譜儀基于物質(zhì)對(duì)特定波長(zhǎng)光的吸收特性,通過測(cè)量光被吸收后的強(qiáng)度變化,來(lái)分析物質(zhì)的成分和結(jié)構(gòu),在有機(jī)化合物、生物大分子等的分析中應(yīng)用廣泛;發(fā)射光譜儀則是利用物質(zhì)受到激發(fā)后發(fā)射出特定波長(zhǎng)光的特性,根據(jù)發(fā)射光的波長(zhǎng)和強(qiáng)度,確定物質(zhì)的元素組成和含量,常用于元素分析和痕量分析;旋光光譜儀通過測(cè)量物質(zhì)對(duì)偏振光的旋轉(zhuǎn)角度,來(lái)推斷物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)和濃度,在化學(xué)和生物領(lǐng)域的手性化合物分析中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。?
從應(yīng)用角度分類,光譜儀可分為分子光譜儀和原子光譜儀。分子光譜儀主要用于研究分子的結(jié)構(gòu)和性質(zhì),通過分析分子對(duì)光的吸收、發(fā)射或散射,獲取分子的振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)等信息,在有機(jī)化學(xué)、生物化學(xué)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛;原子光譜儀則專注于分析原子的特征光譜,以此確定樣品中元素的種類和含量,在冶金、地質(zhì)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。?
根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn),依據(jù)色散元件的差異,光譜儀又可分為棱鏡光譜儀、光柵光譜儀和干涉光譜儀。棱鏡光譜儀利用棱鏡對(duì)不同波長(zhǎng)光的折射率不同,使復(fù)合光發(fā)生色散,從而將其分解為不同波長(zhǎng)的光譜線,結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單,但色散率和分辨率有限;光柵光譜儀則通過光柵的衍射作用,將復(fù)合光分解為光譜,具有較高的色散率和分辨率,應(yīng)用較為廣泛;干涉光譜儀基于光的干涉原理,通過測(cè)量干涉條紋的變化來(lái)獲取光譜信息,具有極高的分辨率,常用于高精度的光譜分析。
光譜儀的工作原理緊密關(guān)聯(lián)光的色散、吸收、散射等現(xiàn)象。光的色散是指光在不同介質(zhì)中傳播時(shí),由于不同波長(zhǎng)的光具有不同的折射率,從而導(dǎo)致光被分解成不同顏色或波長(zhǎng)的光譜。例如,太陽(yáng)光通過三棱鏡時(shí),會(huì)被分解成紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫等七種顏色的光,這就是光的色散現(xiàn)象。在光譜儀中,常利用棱鏡或光柵等色散元件來(lái)實(shí)現(xiàn)光的色散,將復(fù)合光分解為單色光。?
光的吸收是指物質(zhì)對(duì)特定波長(zhǎng)的光具有吸收作用,當(dāng)光照射到物質(zhì)上時(shí),特定波長(zhǎng)的光會(huì)被物質(zhì)吸收,導(dǎo)致通過物質(zhì)的光強(qiáng)度減弱。這種吸收特性與物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)、化學(xué)組成和電子狀態(tài)等因素密切相關(guān)。不同物質(zhì)對(duì)光的吸收具有選擇性,每種物質(zhì)都有其獨(dú)特的吸收光譜。通過測(cè)量物質(zhì)的吸收光譜,可以推斷出物質(zhì)的成分和結(jié)構(gòu)信息。例如,紫外 - 可見光譜分析就是利用物質(zhì)對(duì)紫外和可見光的吸收特性,來(lái)分析物質(zhì)的組成和結(jié)構(gòu),常用于有機(jī)化合物、生物大分子、金屬絡(luò)合物等物質(zhì)的定性和定量分析。?
光的散射是指當(dāng)光照射到物質(zhì)上時(shí),部分光會(huì)偏離原來(lái)的傳播方向,向四面八方散射。散射光的強(qiáng)度、方向和波長(zhǎng)等特性與物質(zhì)的顆粒大小、形狀、濃度以及光的波長(zhǎng)等因素有關(guān)。拉曼光譜分析就是基于物質(zhì)對(duì)光的散射效應(yīng),當(dāng)光與物質(zhì)分子相互作用時(shí),會(huì)發(fā)生拉曼散射,散射光的頻率與入射光的頻率存在差異,通過測(cè)量這種頻率差,可以獲取分子振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)的信息,從而用于有機(jī)和無(wú)機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)分析。?
光譜儀通過檢測(cè)物質(zhì)與特定波長(zhǎng)光的相互作用,能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)物質(zhì)成分和結(jié)構(gòu)的分析測(cè)量。在實(shí)際應(yīng)用中,首先需要選擇合適的光源,提供具有連續(xù)波長(zhǎng)分布的電磁輻射,如紫外可見光譜區(qū)、紅外光譜區(qū)或熒光光譜區(qū)的光源。然后,讓光源發(fā)出的光照射到樣品上,樣品與光發(fā)生相互作用,產(chǎn)生吸收、發(fā)射或散射等現(xiàn)象。接著,利用色散元件將通過樣品后的光分解為不同波長(zhǎng)的光譜,再通過聚焦成像系統(tǒng)將色散后的光會(huì)聚或成像在焦平面上。最后,由檢測(cè)記錄和顯示系統(tǒng)測(cè)量和記錄光譜的相關(guān)信息,生成光譜圖。通過對(duì)光譜圖的分析,如識(shí)別特征光譜線的波長(zhǎng)和強(qiáng)度,與已知的標(biāo)準(zhǔn)光譜進(jìn)行比對(duì),從而確定物質(zhì)的成分和結(jié)構(gòu)。