光谱仪

思考？？？光谱是什么？光谱仪又是什么？光谱与物质关系光谱分析原理：物质与光谱存在对应关系，区分光谱即可区分物质，分析光谱即可分析物质。物质的组成：世界有形万物都市由分子组成------分子由原子组成------原子由原子核、核外电子组成，而原子核由带正电荷的质子、不带电荷的中子组成，不同物质的原子核由不同数量的质子和中子，核外有不同数量的电子。1.光谱技术的基础知识物质的状态：稳定态和激发态。稳定态：物质在正常稳定情况下，核外电子以其固有的轨道绕原子核转动。激发态：不同的物质具有不同的结构组成，外层电子具有不同的能量轨道。物质吸收能量后，外层电子的运动轨道发生变化，处在不稳定态—激发态。1.光谱技术的基础知识激发态：激发态的物质是不稳定的，会很快放出能量回到基态。这种被放出的能量就是光，也称激发发光。物质轨道是不连续的，所以物质吸收的能量和放出的能量也是不连续的，或是说放出了不同波长（能量）的光。1.光谱技术的基础知识发射光谱分析法物质吸收火焰、电弧、火花、光等能量都可能被激发发光。不同的物质一定具有不同的物质结构，所发的光一定也具有不同的特征光谱。研究物质被激发发光的光谱特征，分析被激发物的方法称发射光谱分析法。1.光谱技术的基础知识吸收光谱分析法不同体物质因其结构不一样所能吸收的能量也不一样，所吸收的光谱也一定也具有不同的特征光谱。研究物质吸收光的光谱特征，来分析吸光物质的方法称吸收光谱分析法。1.光谱技术的基础知识分子光谱j’=0246纯转动跃迁02j”=46V’=01234纯振动跃迁024602V”=01AB纯电子跃迁eee电子能级振动能级转动能级相邻谱线分不开；带光谱1.光谱技术的基础知识—实例分子光谱知识2.光谱技术的基础知识分子光谱分子吸收光谱电子光谱：UV-Vis吸收光谱振动光谱：IR红外吸收光谱转动光谱：远红外吸收和微波分子发光光谱光致发光：吸收光辐射荧光光谱：单重激发态→基态磷光光谱：三重激发态→基态拉曼光谱光子与试样分子非弹性碰撞，能量交换后的散射光谱与分子振动能级跃迁对应与红外吸收光谱有相似性1.光谱技术的基础知识不同的物质一定具有不同的物质结构，一定也具有不同的特征光谱。光谱分析就是：1）通过区分不同的光谱特征确定不同的物质—定性分析和物质的结构分析。2）通过区分光谱特征的强弱确定不同物质的含量—定量分析。1.光谱技术的基础知识光谱与光谱仪光谱：将含有各种波长的混合光按波长次序排列成谱线或谱图。能形成物质的光谱，能区分、分析、度量光谱的仪器统称光谱仪。光谱范围与检测技术的选择名称波长范围紫外线100埃～0.4微米可见光0.4微米～0.76微米红外线近红外0.76微米～3.0微米中红外3.0微米～6.0微米远红外6.0微米～15微米超远红外15微米～1000微米微波毫米波1～10毫米厘米波1～10厘米分米波10厘米～1米色彩名称波长范围紫0.40～0.43微米蓝0.43～0.47微米青0.47～0.50微米绿0.50～0.56微米黄0.56～0.59微米橙0.59～0.62微米红0.62～0.76微米不同电磁波的具体波长范围可见光波长范围重点关注：UV-VIS-IR光谱范围的检测技术2.光谱技术的基础知识光学现象吸收absorption荧光fluorescence磷光phosphorescence化学发光chemiluminescence散射scattering发射emission现象/物质/波长2.光学检测技术1、利用物质所具有的各种光学性质，对物质进行定性、定量及结构分析的技术。2、检测方式包括：旋光检测、荧光检测、分光光度检测、散射光谱检测等。3、检测光谱包括：荧光光谱（注意区分磷光光谱、电致发光光谱[PL]、激光发光光谱[PLE]和阴极射线光谱[CL]）、红光光谱和拉曼光谱等4、通过测量样品的反射率或透射率，获得样品吸收光谱、样品厚度、折射率等技术参数5、光学显微镜的样品形貌检测技术（放在表面分析技术中介绍）光谱的基本知识3.物体对辐射的作用物体对辐射的吸收、反射和透射概念吸收率(a)：a=Ia/Io反射率(r)：r=Ir/Io透射率(t)：t=It/Io入射反射吸收透射IoIrItIa其中a+r+t=1光谱的基本知识3.物体对辐射的作用a、r、t的变化黑体：对于投射到该物体上所有波长的辐射都能全部吸收的物体称为绝对黑体。故有：a＝１，r＝t＝０。灰体：透射率t＝０，吸收率a＝（１－r），且a不随波长而变化的物体。只因入射光强而变化。仪器系统4.光谱仪的相关知识光源单色器样品架检测器显示系统光谱检测设备的基本装置：光源、样品架、单色仪、探测系统和信号处理系统组成。光学检测设备基本知识4.光谱仪的相关知识光源紫外光源：氘灯(160-375nm),比氢等I大，寿命长可见光源：钨/卤钨灯(320-2500nm),卤钨灯更好红外光源：惰性固体(Nernst灯/硅碳棒)电加热线光源：空心阴极灯/金属(汞/钠)蒸汽灯激光光源：固/气体/染料激光器（325nm激光器）光学检测设备基本知识4.光谱仪的相关知识标准光源要求：发光能量大、发光量稳定、波段范围大、波段范围内光量均衡。钨灯、溴钨灯、氘灯、氙灯、汞灯、钠灯、激光……。测量物质的吸收光谱时都采用标准光源。光学检测设备基本知识4.光谱仪的相关知识激发光源要求：激发稳定、激发效率高、背景小、自吸小。火焰、石墨炉、电弧、火花、等离子炬、激光---。测量物质的发射光谱时都采用激发光源。光学检测设备基本知识4.光谱仪的相关知识光源我们实验室使用的激光器：He-Cd325nm气体激光器和532nm的YAG半导体激光器灯源：氙灯，钨灯，汞灯等.汞灯氙灯光学检测设备基本知识4.光谱仪的相关知识光源钨灯不同工作温度下光源的发出不同的光谱4.光谱仪的相关知识不同温度下黑体辐射强度与温度的关系物体的温度愈高，放射能量最大值的波长愈短，随着物体温度不断增高，最大辐射波长由长向短位移。光学检测设备基本知识4.光谱仪的相关知识波长选择器检测器滤光片：带通滤光片、高通滤光片和中性衰减片单色器：棱镜/光栅（分离不同波长的光）光电管：真空光电管/光电倍增管PMT多道光子检测器：光电二极管阵列PDAs/CCDs狭缝狭缝宽度与光谱宽度的区别！检测时，要选择合适的狭缝宽度光学检测设备基本知识4.光谱仪的相关知识滤光片作用：从复色光源中提取需要范围的光源PLMappingsystem325nmHe-Cd,25mWOr266nm2mWDPSSVIS-NIR350-1000nmSiarrayUSB&RS232interfaceXYmappingStagecontrollerSystemcontrol&PLmappingoperationOpticalfiberObjectivelenschangeableLaserbeamselectionLaserbeamAlignmentmirror&holderNDfilterLaserlinecut-offFilter,changeable2”&4”waferMAPLELaserBandpassfilter4.光谱仪的相关知识光学检测设备基本知识4.光谱仪的相关知识单色器作用：从复色光源中提取单色光当一束光均匀照明入射狭缝后，经凹面反射镜反射后成一束平行光，射到平面衍射光栅上。平面衍射光栅将这束平行光分解成许多平行的单色光射到凹面反射镜上，凹面反射镜再将这些平行的单色光会聚到其焦平面上。当平面衍射光栅绕其转动中心转动时，在出射狭缝处即可得到不同波长的光束光学检测设备基本知识4.光谱仪的相关知识光谱系统中的核心元件——单色器衍射光栅光学检测设备基本知识4.光谱仪的相关知识光谱系统中的核心元件——单色器衍射光栅全息光栅闪耀光栅闪耀光栅闪耀光栅又称为中阶梯光栅光学检测设备基本知识4.光谱仪的相关知识衍射光栅在光谱仪的分光系统中，主要分为两类：一类是用光栅分光法，另一类为F-P干涉仪和棱镜分光法。F-P干涉仪目前低端光谱仪采用的色散元件大部分都是光栅，特别是中阶梯光栅。中低端光谱仪部分采用全息光栅。光栅对光谱波长的分辨率相对较低，因为色散范围一般都在几千埃，所以光栅都在低极次光中使用；而F-P干涉仪的使用范围是高级次,分辨率高。衍射光栅分为中阶梯光栅和全息光栅。全息光栅的特点为：（1）无鬼线，杂散光极小。（2）衍射效率较低，全息光栅的槽形通常为近似正弦波形，这种槽形不具备闪耀条件，没有明显的闪耀特性。采用“离子蚀刻”技术的全息光栅，使光栅衍射效率得到较大提高。（3）分辨率高。由于全息技术使光栅刻线总数大幅度增加，因此色散率、分辨率也大幅度得到提高。闪耀光栅系统由至少一块棱镜加至少一块中阶梯光栅组成一个系统（各厂家会有差异）光学检测设备基本知识4.光谱仪的相关知识衍射光栅闪耀光栅(blazedgrating)当光栅刻划成锯齿形的线槽断面时，光栅的光能量便集中在预定的方向上，即某一光谱级上。从这个方向探测时，光谱的强度最大，这种现象称为闪耀（blaze），这种光栅称为闪耀光栅。在这样刻成的闪耀光栅中，起衍射作用的槽面是个光滑的平面，它与光栅的表面一夹角，称为闪耀角（blazeangle）。最大光强度所对应的波长，称为闪耀波长（blazewavelength）。通过闪耀角的设计，可以使光栅适用于某一特定波段的某一级光谱。4.光谱仪的相关知识光谱系统中的核心元件——单色器衍射光栅光栅方程透射式光栅正入射时，斜入射时光程差入射、出射在光栅平面法线同侧，入射、出射在光栅平面法线同侧，反射式光栅，同侧取+，异侧取-。4.光谱仪的相关知识光谱系统中的核心元件——单色器衍射光栅分辨率光栅分辨率公式提高分辨率可增加光栅刻线总数N、用高衍射级次来解决。在常规的光栅设计中，都是通过增加每毫米刻线数来提高线色散率和分辨率。事实上由于制造技术及成本原因，精确、均匀地在每毫米刻制2400条线已很困难，采用全息技术制造的全息光栅最高可达10000条，但由于槽面成正弦形，使闪耀特性受影响，集光效率下降。光栅的色分辨本领jNRN越大R越大如光栅长为5cm,N为1200条,第一级光谱的R=6104,即600nm附近分辨极限为λ=0.1Å光学检测设备基本知识4.光谱仪的相关知识光谱系统中的核心元件——单色器衍射光栅1级光谱2级光谱-1级光谱-2级光谱中央明纹kbasin)(光栅光源检测器光学检测设备基本知识4.光谱仪的相关知识探测器：光电倍增管PMT我们实验室PMT工作范围：185nm-900nm探测器----光电倍增管PMT知识光电倍增管的工作原理和使用注意事项利用光电子发射效应和二次电子发射效应制成的光电器件。光电倍增管是电流放大元件，具有很高的电流增益，因而最适合于微弱信号的检测。优点是灵敏度高、稳定性好、响应速度快和噪音低。缺点是结构复杂、工作电压高、体积大。使用光电倍增管应当了解它的特性，如它的频率特性、时间特性、暗电流和噪声特性，还有稳定性及对环境的要求等。注意事项：（1）高压电源的开启：先开电源再开高压（关时一定要相反）。（2）一般在半小时后光电倍增管达到稳定（暗电流）。（3）输入光信号不可过强，光阴极面不可直接暴露在光照下（特别是在加了电压的情况下，否则将烧毁光电倍增管）。（4）为了尽可能降低噪声在不使用光电倍增管的时候要挡住入射光。光学检测设备基本知识4.光谱仪的相关知识探测器：InGaAs近红外探测器我们实验室InGaAs探测器工作范围：零下20-45度InGaAs线性探测器在近红外波长区域有着极高的灵敏度。光学检测设备基本知识探测器：CCD探测器电荷耦合器件CCD探测器中储存着电荷，而当光子照射到其光敏面时电荷就会被释放。在积分时间的结尾，剩余的电荷就会传送到缓冲器中，然后这个信号被传送到A/D转换卡。CCD探测器具有自然积分的特性因此具有非常大的动态范围，它只受暗（热）电流和AD转换卡数据处理速度的限制。3648象素CCD具有集成的电子快门功能，因此可以达到10微秒的积分时间