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一文看懂光譜分析儀的工作原理及應(yīng)用范圍
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*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=-lgI/Io=-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),，而能低的激發(fā)態(tài)則稱為第1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,?？梢娫游展庾V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(OpTIcalMulTI-channelAnalyzer)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,，c為光在真空中的速度。
每一條所發(fā)射的譜線的波長,，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),。
光譜分析儀有什么用途
光譜儀,，又稱分光儀，廣泛為認(rèn)知的為直讀光譜儀,。以光電倍增管等光探測(cè)器測(cè)量譜線不同波長位置強(qiáng)度的裝置,。其構(gòu)造由一個(gè)入射狹縫，一個(gè)色散系統(tǒng),，一個(gè)成像系統(tǒng)和一個(gè)或多個(gè)出射狹縫組成,。以色散元件將輻射源的電磁輻射分離出所需要的波長或波長區(qū)域，并在選定的波長上(或掃描某一波段)進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)定,。分為單色儀和多色儀兩種,。
構(gòu)成
一臺(tái)典型的光譜儀主要由一個(gè)光學(xué)平臺(tái)和一個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)組成。包括以下幾個(gè)主要部分：
1.入射狹縫：在入射光的照射下形成光譜儀成像系統(tǒng)的物點(diǎn),。
2.準(zhǔn)直元件：使狹縫發(fā)出的光線變?yōu)槠叫泄?。該?zhǔn)直元件可以是一獨(dú)立的透鏡,、反射鏡,、或直接集成在色散元件上，如凹面光柵光譜儀中的凹面光柵,。
3.色散元件：通常采用光柵,，使光信號(hào)在空間上按波長分散成為多條光束。
4.聚焦元件：聚焦色散后的光束,，使其在焦平面上形成一系列入射狹縫的像,，其中每一像點(diǎn)對(duì)應(yīng)于一特定波長。
5.探測(cè)器陣列：放置于焦平面,，用于測(cè)量各波長像點(diǎn)的光強(qiáng)度,。該探測(cè)器陣列可以是CCD陣列或其它種類的光探測(cè)器陣列,。
主要應(yīng)用范圍
光譜儀應(yīng)用很廣，在農(nóng)業(yè),、天文,、汽車、生物,、化學(xué),、鍍膜、色度計(jì)量,、環(huán)境檢測(cè),、薄膜工業(yè)、食品,、印刷,、造紙、喇曼光譜,、半導(dǎo)體工業(yè),、成分檢測(cè)、顏色混合及匹配,、生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用,、熒光測(cè)量、寶石成分檢測(cè),、氧濃度傳感器,、真空室鍍膜過程監(jiān)控、薄膜厚度測(cè)量,、LED測(cè)量,、發(fā)射光譜測(cè)量、紫外/可見吸收光譜測(cè)量,、顏色測(cè)量等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛,。
CIOE精密光學(xué)展&鏡頭及攝像模組展是亞洲規(guī)模與影響力的光學(xué)專業(yè)展覽，覆蓋光學(xué)全行業(yè)生態(tài)鏈板塊,，目前獲得逾850多家光學(xué)企業(yè)支持,。其中光學(xué)成像測(cè)量/光學(xué)儀器展區(qū)展品范圍涵蓋光學(xué)顯微鏡、激光干涉儀,、光譜儀,、機(jī)器視覺系統(tǒng)、自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)(AOI)系統(tǒng),、非接觸式位移測(cè)量系統(tǒng),、三座標(biāo)測(cè)量儀、投影儀、光學(xué)平臺(tái)及位移臺(tái),、表面視覺檢測(cè)系統(tǒng),、望遠(yuǎn)鏡、天文觀測(cè)儀器,、觀鳥鏡及支架等光學(xué)應(yīng)用產(chǎn)品等,，是集商貿(mào)采購、技術(shù)交流及行業(yè)趨勢(shì)發(fā)布為一體的專業(yè)平臺(tái),。