光譜分析儀原理

光譜分析儀的工作原理基于物質(zhì)對(duì)光的吸收和散射。當(dāng)光通過物質(zhì)時(shí)，物質(zhì)會(huì)根據(jù)其原子結(jié)構(gòu)、分子組成以及物理狀態(tài)等因素，選擇性地吸收某些波長(zhǎng)的光，而反射或透射其他波長(zhǎng)的光。被吸收的光的強(qiáng)度隨波長(zhǎng)的變化關(guān)系，就是該物質(zhì)的光譜。1

光譜分析儀主要由以下幾個(gè)部分組成：光源、分光系統(tǒng)、檢測(cè)系統(tǒng)和信號(hào)處理系統(tǒng)。光源的作用是提供能量，使物質(zhì)產(chǎn)生光學(xué)吸收。分光系統(tǒng)的主要元件是棱鏡或光柵，它們將混合光分解成單色光。檢測(cè)系統(tǒng)包括光電倍增管(PMT)或電荷耦合器件(CCD)等檢測(cè)器，用于檢測(cè)單色光的強(qiáng)度。信號(hào)處理系統(tǒng)負(fù)責(zé)處理檢測(cè)器輸出的電信號(hào)，將其轉(zhuǎn)化為可視的光譜圖。

通過光譜分析，我們可以得到物質(zhì)在不同波長(zhǎng)下的吸光度、發(fā)射率、反射率等參數(shù)，進(jìn)而推斷物質(zhì)的成分、結(jié)構(gòu)等信息。

光譜分析儀簡(jiǎn)稱光譜儀，是將成分復(fù)雜的復(fù)合光分解為光譜線并進(jìn)行測(cè)量和計(jì)算的科學(xué)儀器，被廣泛應(yīng)用于輻射度學(xué)分析、顏色測(cè)量、化學(xué)成份分析等領(lǐng)域，在冶金、地質(zhì)、水文、醫(yī)藥、石油化工、環(huán)境保護(hù)、宇宙探索等行業(yè)發(fā)揮著重要作用。在照明行業(yè)，通常使用光譜儀來測(cè)量光源的光色參數(shù)。

光譜儀 (spectrometer) 是利用一些部件和光學(xué)系統(tǒng)，將光輻射按波長(zhǎng)分列，并用適當(dāng)?shù)慕邮掌鹘邮詹煌ㄩL(zhǎng)的光輻射的儀器。利用光譜儀獲得的元素特征波長(zhǎng)信息，可以定性判斷樣品中是否含有該元素;通過元素特征譜線的強(qiáng)度可以定量計(jì)算該元素含量，即利用一系列標(biāo)樣制定工作曲線，對(duì)比待測(cè)試樣和工作曲線坐標(biāo)上的強(qiáng)度，得到待測(cè)試樣中元素的含量。原子發(fā)射光譜儀 (atomic emission spectrometer) 是用于原子發(fā)射光譜分析的測(cè)量?jī)x器。其工作原理是，利用色散元件和光學(xué)系統(tǒng)將被分析物質(zhì)發(fā)射的光譜按不同的波長(zhǎng)分開排列，然后加以記錄和測(cè)量。光譜分析所用儀器包括激發(fā)光源和光譜儀兩大部分。常用的激發(fā)光源有:電弧、電火花、電感耦合高頻等離子體。光譜儀由光源系統(tǒng)、分光色散系統(tǒng)、記錄測(cè)量系統(tǒng)組成。常見的原子發(fā)射光譜儀器有:火花/電弧源原子發(fā)射光譜儀電感合等離子體原子發(fā)射光譜儀 (ICP -AES)、輝光放電原子發(fā)射光譜儀(GD -AES)等。根據(jù)所用色散元件的不同，可分為兩類:棱鏡光譜儀、光柵光譜儀。

錢榮全譜直讀光譜儀QR-9，QR-9光譜儀適用于金屬制造業(yè)、加工業(yè)及金屬冶煉業(yè)的質(zhì)量監(jiān)控、材料牌號(hào)識(shí)別、材料研究和開發(fā)的首選設(shè)備之一。

火花源直讀光譜儀是原子發(fā)射光譜儀。它主要通過測(cè)量樣品被激發(fā)時(shí)發(fā)出代表各元素的特征光譜(發(fā)射光譜)的強(qiáng)度而對(duì)樣品進(jìn)行定量分析。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 14666-2003《分析化學(xué)術(shù)語(yǔ)》中，將火花源原子發(fā)射光譜法稱為“光電直讀光譜法”，其相對(duì)應(yīng)的光譜儀為“光電直讀光譜儀”。

根據(jù)光柵所處的環(huán)境不同，光電直讀光譜儀可分為真空型和非真空型直讀光譜儀。其中，非真空型直讀光譜儀又可分為空氣型直讀光譜儀和充惰性氣體型直讀光譜儀。空氣型直讀光譜儀的工作波長(zhǎng)范圍在近紫外區(qū)和可見光區(qū)，無法測(cè)定真空紫外波段的碳、磷硫、砷等元素含量。充惰性氣體型直讀光譜儀和真空型光電光譜儀，工作波長(zhǎng)擴(kuò)展至遠(yuǎn)真空紫外120.0nm，可利用這個(gè)波段檢測(cè)氮、磷、碳、硫等元素含量。

根據(jù)物質(zhì)的光譜來鑒別物質(zhì)及確定它的化學(xué)組成和相對(duì)含量的方法叫光譜分析。其優(yōu)點(diǎn)是靈敏，迅速。歷史上曾通過光譜分析發(fā)現(xiàn)了許多新元素，如銣，銫，氦等。根據(jù)分析原理光譜分析可分為發(fā)射光譜分析與吸收光譜分析二種;根據(jù)被測(cè)成分的形態(tài)可分為原子光譜分析與分子光譜分析。光譜分析的被測(cè)成分是原子的稱為原子光譜，被測(cè)成分是分子的則稱為分子光譜。

發(fā)射光譜分析是根據(jù)被測(cè)原子或分子在激發(fā)狀態(tài)下發(fā)射的特征光譜的強(qiáng)度計(jì)算其含量。

吸收光譜是根據(jù)待測(cè)元素的特征光譜，通過樣品蒸汽中待測(cè)元素的基態(tài)原子吸收被測(cè)元素的光譜后被減弱的強(qiáng)度計(jì)算其含量。它符合郎珀-比爾定律：A= -lg I/I o= -lgT = KCL

式中I為透射光強(qiáng)度，I0為發(fā)射光強(qiáng)度，T為透射比，L為光通過原子化器光程由于L是不變值所以A=KC。

物理原理為：

任何元素的原子都是由原子核和繞核運(yùn)動(dòng)的電子組成的，原子核外電子按其能量的高低分層分布而形成不同的能級(jí)，因此，一個(gè)原子核可以具有多種能級(jí)狀態(tài)。

能量最低的能級(jí)狀態(tài)稱為基態(tài)能級(jí)(E0=0)，其余能級(jí)稱為激發(fā)態(tài)能級(jí)，而能最低的激發(fā)態(tài)則稱為第一激發(fā)態(tài)。正常情況下，原子處于基態(tài)，核外電子在各自能量最低的軌道上運(yùn)動(dòng)。

如果將一定外界能量如光能提供給該基態(tài)原子，當(dāng)外界光能量E恰好等于該基態(tài)原子中基態(tài)和某一較高能級(jí)之間的能級(jí)差E時(shí)，該原子將吸收這一特征波長(zhǎng)的光，外層電子由基態(tài)躍遷到相應(yīng)的激發(fā)態(tài)。原來提供能量的光經(jīng)分光后譜線中缺少了一些特征光譜線，因而產(chǎn)生原子吸收光譜。

電子躍遷到較高能級(jí)以后處于激發(fā)態(tài)，但激發(fā)態(tài)電子是不穩(wěn)定的，大約經(jīng)過10-8秒以后，激發(fā)態(tài)電子將返回基態(tài)或其它較低能級(jí)，并將電子躍遷時(shí)所吸收的能量以光的形式釋放出去，這個(gè)過程稱原子發(fā)射光譜。可見原子吸收光譜過程吸收輻射能量，而原子發(fā)射光譜過程則釋放輻射能量。

光譜分析儀

根據(jù)現(xiàn)代光譜儀器的工作原理，光譜儀可以分為兩大類：經(jīng)典光譜儀和新型光譜儀。經(jīng)典光譜儀器是建立在空間色散原理上的儀器：新型光譜儀器是建立在調(diào)制原理上的儀器。經(jīng)典光譜儀器都是狹縫光譜儀器。調(diào)制光譜儀是非空間分光的，它采用圓孔進(jìn)光根據(jù)色散組件的分光原理，光譜儀器可分為：棱鏡光譜儀，衍射光柵光譜儀和干涉光譜儀。

光學(xué)多道OMA(OpTIcal MulTI-channel Analyzer)是近十幾年出現(xiàn)的采用光子探測(cè)器(CCD)和計(jì)算機(jī)控制的新型光譜分析儀器，它集信息采集，處理，存儲(chǔ)諸功能于一體。由于OMA不再使用感光乳膠，避免和省去了暗室處理以及之后的一系列繁瑣處理，測(cè)量工作，使傳統(tǒng)的光譜技術(shù)發(fā)生了根本的改變，大大改善了工作條件，提高了工作效率：使用OMA分析光譜，測(cè)盆準(zhǔn)確迅速，方便，且靈敏度高，響應(yīng)時(shí)間快，光譜分辨率高，測(cè)量結(jié)果可立即從顯示屏上讀出或由打印機(jī)，繪圖儀輸出。它己被廣泛使用于幾乎所有的光譜測(cè)量，分析及研究工作中，特別適應(yīng)于對(duì)微弱信號(hào)，瞬變信號(hào)的檢測(cè)。

光譜分析儀工作原理

原子發(fā)射光譜分析是根據(jù)原子所發(fā)射的光譜來測(cè)定物質(zhì)的化學(xué)組分的。不同物質(zhì)由不同元素的原子所組成，而原子都包含著一個(gè)結(jié)構(gòu)緊密的原子核，核外圍繞著不斷運(yùn)動(dòng)的電子。每個(gè)電子處于一定的能級(jí)上，具有一定的能量。在正常的情況下，原子處于穩(wěn)定狀態(tài)，它的能量是最低的，這種狀態(tài)稱為基態(tài)。但當(dāng)原子受到能量(如熱能、電能等)的作用時(shí)，原子由于與高速運(yùn)動(dòng)的氣態(tài)粒子和電子相互碰撞而獲得了能量，使原子中外層的電子從基態(tài)躍遷到更高的能級(jí)上，處在這種狀態(tài)的原子稱激發(fā)態(tài)。電子從基態(tài)躍遷至激發(fā)態(tài)所需的能量稱為激發(fā)電位，當(dāng)外加的能量足夠大時(shí)，原子中的電子脫離原子核的束縛力，使原子成為離子，這種過程稱為電離。原子失去一個(gè)電子成為離子時(shí)所需要的能量稱為一級(jí)電離電位。離子中的外層電子也能被激發(fā)，其所需的能量即為相應(yīng)離子的激發(fā)電位。處于激發(fā)態(tài)的原子是十分不穩(wěn)定的，在極短的時(shí)間內(nèi)便躍遷至基態(tài)或其它較低的能級(jí)上。

當(dāng)原子從較高能級(jí)躍遷到基態(tài)或其它較低的能級(jí)的過程中，將釋放出多余的能量，這種能量是以一定波長(zhǎng)的電磁波的形式輻射出去的，其輻射的能量可用下式表示：(1)E2、E1分別為高能級(jí)、低能級(jí)的能量，h為普朗克(Planck)常數(shù);v及λ分別為所發(fā)射電磁波的頻率及波長(zhǎng)，c為光在真空中的速度。

每一條所發(fā)射的譜線的波長(zhǎng)，取決于躍遷前后兩個(gè)能級(jí)之差。由于原子的能級(jí)很多，原子在被激發(fā)后，其外層電子可有不同的躍遷，但這些躍遷應(yīng)遵循一定的規(guī)則(即“光譜選律”)，因此對(duì)特定元素的原子可產(chǎn)生一系列不同波長(zhǎng)的特征光譜線，這些譜線按一定的順序排列，并保持一定的強(qiáng)度比例。光譜分析就是從識(shí)別這些元素的特征光譜來鑒別元素的存在(定性分析)，而這些光譜線的強(qiáng)度又與試樣中該元素的含量有關(guān)，因此又可利用這些譜線的強(qiáng)度來測(cè)定元素的含量(定量分析)。這就是發(fā)射光譜分析的基本依據(jù)。