分光光度计 | RP 系列激光分析设计软件

分光光度计是用于测量与波长相关的光学特性的仪器，例如：固体或液体的透射率或反射率。这种设备通常也称为光谱仪，但“分光光度计”更加具体和精确。请注意，使用这种仪器进行测量时不会产生光谱 (光强或波长），而是得到被测样品与波长相关的量。

分光光度计可用于不同的光谱区域:

· 一些仪器仅在可见光谱区（VIS）可用，例如用于比色法。

· 有些仅适用于紫外区（UV），或者适用于紫外可见区（UV VIS）。

· 一些设备仅适用于红外（IR）或近红外区（NIR）而制造的。

· 一些紫外可见红外分光光度计覆盖所有光谱区。

通常测量的量是与波长相关的透射率、吸收率或反射率。在某些情况下，也可以测量散射光的量。

分光光度计通常是放在桌子上的实验室仪器，但也有手持仪器。为比色法，如果目的只是测量颜色，可以作为简单的色差仪，它仅使用三个（或更多）颜色通道。

 操作原则 

扫描分光光度计

                 

                   

大多数分光光度计的基本工作原理是用可变波长的准直单色光照射被测物体，测量它的反射率、吸收率或光的散射等光学特性，作为与波长的函数关系。这种仪器被称为扫描分光光度计，因为它们的操作中包括扫描光谱区域。

在大多数情况下，分光光度计包含宽带光源（白光源），例如白炽灯或者高压气体放电灯，后跟一个可调参数单色仪–例如，基于切尔尼–特纳单色仪的衍射光栅。在单色仪之后，有一束相对较弱的光束，其光束半径通常为几毫米，并具有良好的发散角（但比具有相同光束半径的激光束发散角大得多），该光束可以穿过（或到达）样品。

图1:扫描单光束分光光度计的基本设置。

只有一小部分来自灯的光到达样品。

在任何时候，只有一小部分的光功率可用于测量。第一个原因是所使用的灯向各个方向都发射光，而人们只能利用在某个小范围的方向上辐射的光。此外，一次仅使用一小部分频谱。特别是当需要高光谱分辨率时，为了获得足够高的光谱分辨率，可能需要很长的测量时间才能获得足够高的信噪比，并且整个测量时间可能相当长。使用一种可以同时具有高度灵敏度和速度的光电探测器例如光电倍增管是很有帮助的。

可调激光器可以向样品发送更多的光，但这种产品通常不实用。

或者，可以使用某种可调激光器，这可以提供高出几个数量级的光谱亮度。测量时间可以大大减少。然而，可调激光器在光谱范围方面受到很多的限制，也更昂贵和更难使用。因此，大多数分光光度计仍然依赖宽带光源和单色仪。

一种中间解决方案是使用超连续谱光源，它有高度的空间相干性，因此它可以大幅提高信号和相应减少的测量时间。这种光源可以覆盖比可调激光器更宽的光谱范围。

如何校准仪器读数？

单色仪在扫描不同波长时获得的强度（更准确地说：光功率）会发生重大变化，并且还还可能表现出时间漂移，例如由于温度变化或所用灯的老化。此外，光电探测器的响应度通常与波长有关。由于这些原因，例如，吸收率或反射率的精确测量需要与可能存在物体的强度进行比较。

在单光束分光光度计中，使用单独的校准扫描进行校准，其中不插入样品或参考样品。例如，根据所需的精度，可能需要经常进行校准扫描，或者每天只进行一次。

图2:扫描双光束分光光度计的设置。使用三个相同类型的分束器，可以消除它们的光谱依赖性。

同时进行两种测量时，可以获得更高的精度和更高的便利性。常见的解决方案是使用双光束设置（见图 2）。在这里，单色光束使用分束器被分成两束光束。其中一个光束通过样品传输到光电探测器;另一个直接到达另一个光电探测器，或通过参考样品传输。一个存在的问题是，在非常大的光谱范围内，分束比与波长有关。例如，可以通过使用两个或三个这样的分束器来解决，使得每个光束在一个这样的分束器上反射并在另一个具有相同光学特性的分束器上透射。

可以使用单个光电探测器，而不是用于样品和参考的两个不同的检测器，该光电探测器交替接收来自样品或参考的光，例如通过某种带有旋转盘的斩波器。这也消除了两个探测器之间差异的影响。

即使使用双光束分光光度计（或双光束仪器），有时也可能需要进行校准扫描，将样品替换为参考样品。只有这样，才能确保测量不受设置中任何不对称性的影响，例如灰尘、污垢或错位造成的影响。

为了进行精确测量，被调查对象的特性当然应该在扫描所需的时间内保持近似恒定。例如，存在的一个问题是在监测以相当快的速度发生的化学反应。

非扫描分光光度计

                 

                   

非扫描分光光度计的基本原理是用宽带光照射物体，并在光电探测器侧进行光谱分析。这样，就可以同时测量所有相关波长的特性，并且假设光谱分析不需要太多时间，测量速度可以相应加快。

用于分析来自物体的光的光谱仪可能是通常的切尼尔—特纳类型。这种方法在分析透射光或反射光时非常合适，其中分析的光可以很容易地被引导到光谱仪的输入狭缝，但对于在很宽方向上散射的光则不那么合适，特别是当散射效率也取决于波长时。

光谱分析也可以使用傅里叶变换光谱仪进行;这种技术通常用于红外光谱区域的测量，然后称为傅里叶变换红外光谱 （FTIR）。有关测量原理的更多信息，请参阅有关白光干涉仪的文章。

就扫描分光光度计而言，必须考虑与波长相关的光源强度（非平行光光谱）。通常，人们只比较有样品和没有样品的测量结果，或者比较样品和参考样品的测量结果。还有一些仪器包含两个光谱仪，一个用于样品光，一个用于参考光束。

固定波长分光光度计

                 

                   

也有分光光度计，它只测量有限数量的固定波长，这些波长是为特定的应用而设定的。

 分光光度计的性能数据 

这些仪器最重要的性能特征是:

· 可以测量的量(例如，仅吸收率，或吸收率和反射率)

· 可获得的光谱范围，理想的是紫外-可见-红外

· 光谱分辨率(固定或可变，通常受单色仪限制)

· 吸收率范围(受光源和检测器灵敏度的限制)

· 给定光谱范围和分辨率的测量时间

 分光光度计的应用示例 

比色法

                 

                   

在某些应用中，目的是客观地评估某些物体的颜色，例如印刷材料或纺织品。这有时是必要的，因为人眼对颜色的评估会受到各种干扰影响，例如不同的环境光条件、相邻物体的不同颜色以及不同人之间的感知差异。相比之下，分光光度计可以提供不受此类影响的客观数据。

在工业过程中也有比色应用。特别是质量控制可能取决于颜色属性，因为颜色通常与其他属性相关联。

针对比色法进行优化的分光光度计也称为色度计。它们通常只在可见光下工作，也可能在近紫外线和近红外光下工作。

激光反射镜的特性

                 

                   

激光反射镜通常以反射光谱为特征，其中还包含有关泵浦注入、输出耦合和抑制不需要的激光线的透射区域的有用信息。

如果所使用的分光光度计不能直接用于在某些非垂直入射下进行测量，则可能需要另外使用额外的高反射镜（例如宽带金属反射镜），从而有效地测量被测镜上的双反射。

物质的鉴定

                 

                   

基于各种物质的特征光谱吸收特征，可以识别各种物质，例如在液体溶液中或基于宽带吸收光谱的气室中。

浓度测量

                 

                   

溶液的吸收率通常取决于某些吸收物质的浓度。因此，可以从测量的吸收率值计算出这种浓度。简单判断的情况是不同发生物质的吸收谱不重叠;人们可以简单地使用比尔-朗伯特定律。在更复杂的情况下，由于吸收特征重叠，通常仍然可以从记录的吸收光谱中准确计算出不同物质对总吸收率的贡献。

这种测量可以在不同的光谱区域进行，通常是在红外中。

农产品监测

                 

                   

专业分光光度计用于监控农产品的状态。例如，它们可用于确定成熟或烘焙过程的进度，并在某些参数超出允许范围时发出警报。