分光光度计

分光光度计2011-03-01 11:06标签：blank 光度计 color style 光学下面分别叙述这几个部分的光学系统的特性。

1光源系统分光光度计的光源系统由光源和照明系统组成。

1.1光源分光光度计中对光源有一定要求，理想的辐射光源应具备以下一些特性：(1)在所使用的被长范围内提供连续辐射，即光源应发射连(2)辐射能量随波长的变化尽可能小，且有足够的强度。

(3)使用寿命较长。

(4)要有良好的稳定性，特别是对单光束仪器。

在190一360nm波长范围紫外波段，常用的光源是氢弧灯和氘弧灯，氘灯的紫外光发射强度比氢灯强。

在360一2500nm波长范围可见和进红外波段，常用白炽钨灯作为光源。

图2为氢灯、钨灯的光谱能量分布图。

在2—50µm波长的中远红外波段内，常用的光源是能斯脱和硅碳棒，其光谱能量分布如图3所示。

另外，对于要求较低的仪器，灼热的金属丝(如镍铬丝)可以作为红外光源；而在远红外区高压汞灯也是一种常用的光源。

图2 光源能量分布图3 红外辐射光源A－氢灯，B一钨灯，C一不同温度T的黑体辐射A－能斯脱，B－硅碳棒1.2照明系统光源系统的照明系统一般有两中：单光束照明系统和双光束照明系统。

光源系统中的反射镜的作用是把光源发出的光线集中在单色器的入缝上，使整个狭缝照明均匀并充满单色器的孔径。

在照明系统为单光束的仪器，只要求光源反射镜引入一个高通量的光束即可，对光源的成像质量要求不高。

图4为一种单光束照明系统光路图。

在双光束照明系统的分光光度计中，光源系统并不直接照明单色仪的狭缝，如图5所示。

光度系统处于单色器和光源之间，而在光度系统中，有一个梳形减光楔，光源必须首先成像在减光楔上。

减光楔通过光度系统要求清晰地成像在单色器的入缝上。

图4单光束照明系统图5双光束照明系统2单色器系统单色器是分光光度计的核心部分，仪器的主要光学特性和工作特性基本上由单色器决定。

它的作用是将光源发出的白光色散成各种波长的单色光，从出射狭缝中导出，照于样品上。

分光光度计中的单色器是一个完整的色散系统，除了色散元件——棱镜或光栅外，还有入射和出射狭缝以及一组反射镜。

根据工作光谱范围、色散率、分辨串等性能指标的要求，可分别选用棱镜或光栅分光的单色器，双联单色器，也可采用滤色片分光的单色器等。

2.1虑光片滤光片是最简单、最廉价的单色装置。

由于它的单色性不好，使测定精度大大受到限制。

它的特性可以用最大透光波长(或称中心波长)和谱带半宽度(有效带宽)来表征。

最大透光波长是指在此波长光源的辐射最强。

有效带宽是指最大透光度值的一半处的谱带宽度。

在分光光度计中，滤光片一般用来消除单色器的杂散光。

滤光片可分为五种：中性滤光片，截止滤光片，通带滤光片，干涉滤光片以及校正滤光片(标准滤光片)。

2.2单色器从波长范围宽广的光源辐射中分出波长单一的单色光的光学装置称为单色器。

单色器是由入射狭绕、准直元件、色散元件(常用核能或光栅)、和出射狭绕组成。

棱镜可以作为从紫外到中红外区的合适的色散元件。

在紫外范围，常用的材料是硅、矾土和人造蓝宝石。

矾土和人造蓝宝石能用于200到4000nm，但昂贵，所以常用熔融石英作棱镜材料。

在可见范围，硅的色散次于光学玻璃，所以可见分光光度计常用廉价的光学玻璃作棱镜材科。

玻璃和石英棱镜担色器的色散特性模式图见图6。

为了便于比较，将显示线性色散的光栅单色器的色散特性也列在一起．图6 三种材料单色器的色散特性棱镜单色器的光谱纯度主要决定于棱镜的色散特性和光学设计。

通常使用两种形式的棱镜单色器——本生(Bunsen)单色器和利特罗(Littrow)单色器。

光栅是一种十分重要、应用范围很广的色散元件，可以用于紫外、可见、近红外范围的色散。

光栅分透射光栅和反射光栅。

透射光栅是在一块玻璃上或其它透明材料上刻一系列平行的和紧紧相靠的凹槽。

生产这样的母光栅需要精密的装置，比较昂贵。

复制光栅比较便宜，虽在性能上次于母光栅，但能满足应用。

反射光栅是在复制光栅的表面上喷涂铝的薄膜制成的。

也可在抛光的玻璃表面或金属表面镀铝，然后在铝表面上刻大量的平行线制成的。

光栅的刻线越多，分辨率越高，每单位长度的刻线越多，它的色散就越大。

闪耀波长是闪耀光栅的另一个重要的参数，在闪耀波长，光栅有最大能量输出。

光栅的主要缺点是有次级光谱干扰分析，且杂散光的影响比棱镜更大，故常配虑光片以去除杂散光。

棱镜的主要缺点是色散波长的非线性分布。

光栅单色器有几种排列方式，通常用的一种是埃伯特（Ebert)式（图7），是埃伯特1889年发明的。

它用一个球面镜准直和聚焦，并对称地放置两个狭缝，波长选择是通过旋转光栅实现的。

后来采尼(Czerny)和特纳(Turner)对其进行了改进，用两个小的球面镜来代替大而昂贵的埃伯特球面镜（如图8），使得结构紧凑，后为现代仪器所常采用。

图7 埃伯特衍射光栅单色器图8采尼和特纳衍射光栅单色器入射和出射狭缝狭缝是单色器的重要组成部分之一，关系到分辨率的优劣。

它是由具有很锐刀口的两片金属片精密加工制成的。

刀口相互之间是严格平行的，并且是在相同的平面上。

狭缝宽度有两种表示方法，一是用狭缝的两刀口之间的实际宽度表示，单位是毫米（mm）；另一是用从单色器出来的有效带宽表示，单位是纳米（nm），通常用后者表示。

3光度系统紫外可见和近红外分光光度计的光度系统分为单光束和双光束两种。

3.1单光束的光度系统单光束的光度系统简单，如图9所示。

此系统在采用比较法测量样品的光谱透过率或反射率时，通常有两种方式：图9 单光束的光度系统方式1：在整个工作波段测定完标准后，再测样品，得出的结果进行比较。

此方式的缺点：波长的重复性不高，这是由于两次测量标被及样品的时间间隔长，光源的不稳定，波长的重复性、接收系统的不稳定等因素造成的。

方式2：在待测的每一波长处标准和样品依次快速地替换，分别进行测量，进行比较。

此方式的优点是严格保持标准和样品完全相同的照明及测试条件，但却使样品和标准不断地处于运动状态，因此采用较小。

现代的自动分光光度计多采用双光束法来实现比较测量。

3.2双光束的光度系统双光束光度系统的显著的特点和最基本要求是保持光路对称。

即两光路中的反射次数和相应的反射角、透射次数和相应透射面的曲率以及射入接收器的角度和照射面积等，尽量要求做到对称，并且光路应尽量缩短，光学零件也应尽量减少。

图10所示是在紫外——可见和近红外分光光度计中常用的双光束光度系统。

图10 紫外—可见和近红外分光光度计中常用的双光束光度系统红外分光光度计中光学系统的基本要求与紫外一可见分光光度计相同。

但在光学平衡法测定中，应用减光器Wl改变参考光束的强度来实现零点平衡。

为了校正仪器的100％透过率，在样品光路中设有减光器W2。

图11为红外分光光度计的光度系统图。

图11 对称式红外分光光度计光度系统4接受放大系统接收部分的光学系统要求能把单色器出射的光束全部会聚到接收器的靶面上，使光信号全部转换成电信号。

按其探测机理不同，可将分光光度计中常用的辐射接收器分为光电接收器及热电接收器二种。

4.1光电接收器常用的光电接收元件有光电倍增管、光敏电阻和光电池。

光电倍增管是利用外光电效应与多级二次发射体相结合而制成的光电器件。

前者作为电子产生的元件，后者作为电子放大元件，其积分灵敏度远远超过充气光电管，而且它又与真空光电管一样有很好的线性关系，是紫外和可见区的极灵敏的探测元件，目前应用很广。

室温下的光敏电阻结构简单、体积小。

但是它的光谱灵敏范围很窄，选择性较强。

在分光光度计中，只有在0.7—3.5µm的波段内是采用硫化铅光敏电阻。

光电池是利用半导体材料受外界辅照时形成电势差的大小与入射通量的强弱成一定比例来进行光电检测的。

光电池的积分灵敏度比光电管大100多倍，主要用于可见光谱区和近红外光谱区。

4.2热电接收器将热能直接或间接转变成电能的接收器称为热电接收器。

在光谱仪器中应用最广泛的热电接收器有真空热电偶、高莱探测器和热释电探测器等。

表1列出了几种热电接收器的主要性能及工作参数。

表1 几种红外热电接收器的主要性能红外热电接收器类型灵敏度/(V/W) 时间常数/s 接受面积/mm2真空热电偶 2 3×10－2 2×0.2测热辐射计3700 2×10－2 1×1高莱池2×105 1．5×10-2 7热释电探测器3×103 4×10-2 5样品和标准的光度信号进行双光束的比较法测量时，光电信号处理方式分为光学零位平衡法和电学比例记录法两大类。

4.3光学零位平衡法测量图12所示为一种红外分光光度计光学零位平衡法测量原理图。

图12 光学零位平衡法测量原理图从光源S发出的红外光辐射被两块相同的反射镜M1和M2分成对称的两束光束．经M3和M4聚焦于两个试样池C1和C2的中心。

由于放在C1和C2中的待测试祥和参考试祥具有不同的光吸收特性，两束透射光的强度不同，因而最终通过滤光片F到达探测器热电偶B0上的光能量不同，热电偶输出的交变光电信号与两束光的强度差别相应。

信号经电子系统放大、检波、滤波、伺服放大后，变成伺服电动机的驱动信号，由它带动参考光束中的光楔W移动。

光楔上具有若干条楔形通光缝隙，其通光面积随其与光束的相对位置变化而变化。

因此，光楔在参考光束中作垂直光轴方向移动时，透过光楔的光能量随之变化。

若光楔在伺服电动机带动下移动到某一瞬间位置、透过光楔的参考光束强度正好与待测试祥吸收后的测定光束强度相等，即两光束强度差等于零时，两光束平衡，热电偶B0的输出也等于零，伺服电动机不再转动，光楔停止移动。

放在试样光束中的另一个光楔W‘是用于调整双光束对称性的，不参与试样光谱的测定过程。

通过技术机将光楔W的垂直移动、对应的波长记录下来，进而转化成待测样品的波长－透过率曲线。

这种方法的优点：自动消除光源发射不稳定性、探测器灵敏度变化、电子放大系统零点漂移和增益系数波动等因素对检测结果的影响，提高测试精度和测试数据的再现性。

其缺点是：响应速度不高，对变化极快的光电信号有滞后和畸变；对高吸收试样，测定精度低、数据可靠性差。

4.4电学比例记录法测量电学比例记录法测量仪器中，不用减光楔控制参考光束的强度去达到双光束的强度平衡，而是分别地直接测出试样光束和参考光束的强度，然后经过电子学系统处理，求得两者的比率，记录待测试样相对于参考试样的吸收率变化曲线。

为把试祥信号与参考信号分离开，不同的仪器采用不同的方法：有的采用两个转速不同的调制盘(斩光器)分别置于试样和参考光束中，使两束光形成的光电信号受到不同频率的调制，然后由电子系统进行鉴频检出；也有些仪器只采用一个调制盘，但采用同步信号线路，根据两个光束相应的同步开关信号分时解调出试样信号和参考信号，然后再作比例记录。