四大光学仪器在生活中各领域的应用

四大光学仪器在生活中各领域的应用摘要：现代光学已经发展成为一门相互交叉相互渗透，涉及到各个领域的综合性学科。

成为现代科学技术最活跃前沿领域之一[1]。

光学的应用是与光学实验仪器的不断改进和光学理论的逐渐完善同步产生的。

本文对紫外—可见分光光度计、红外光谱和Raman光谱仪、原子发射光谱仪、原子吸收光谱仪在生活中各领域的应用一一进行了介绍。

关键词：一、紫外—可见分光光度计的应用紫外可见分光光度法从问世以来，在应用方面有了很大的发展，尤其是在相关学科发展的基础上，促使分光光度计仪器的不断创新，功能更加齐全，使得光度法的应用更拓宽了范围[2]。

目前，分光光度法已为工农业各个部门和科学研究的各个领域所广泛采用，成为人们从事生产和科研的有力测试手段。

１．结构一般地，紫外可见分光光度计主要由光源系统、单色器系统、样品室、检测系统组成。

光源发出的复合光通过单色器被分解成单色光，当单色光通过样品室时，一部分被样品吸收，其余未被吸收的光到达检测器，被转变为电信号，经电子电路的放大和数据处理后通过显示系统给出测量结果[3]。

2.原理由于各种物质具有各自不同的分子、原子和不同的分子空间结构，其吸收光能量的情况也就不会相同。

因此，每种物质都有其特有的、固定的吸收光谱曲线，可根据吸收光谱上的某些特征波长处的吸光度的高低判别或测定该物质的含量，这就是分光光度定性和定量分析的基础[3]。

3.特点分光光度法对于分析人员来说，可以说是最常用和有效的工具之一。

因为分光光度法具有灵敏度高、选择性好、准确度高、适用浓度范围广的特点[4]。

4.应用４．１纯度检验紫外吸收光谱能测定化合物中含有微量的具有紫外吸收的杂质。

如果化合物的紫外可见光区没有明显的吸收峰，而它的杂质在紫外区内有较强的吸收峰，就可以检测出化合物中的杂质[4]。

４．２与标准物及标准图谱对照将分析样品和标准样品以相同浓度配制在同一溶剂中，在同一条件下分别测定紫外可见吸收光谱。

若两者是同一物质，则两者的光谱图应完全一致。

如果没有标样，也可以和现成的标准谱图对照进行比较。

这种方法要求仪器准确，精密度高，且测定条件要相同[2]。

4.3氢键强度的测定不同的极性溶剂产生氢键的强度也不同。

这可以利用紫外光谱来判断化合物在不同溶剂中氢键强度，以确定选择哪一种溶剂。

4.4反应动力学研究借助于分光光度法可以得出一些化学反应速度常数，并从两个或两个以上温度条件下得到的速度数据，得出反应活化能。

4.5络合物组成及稳定常数的测定金属离子常与有机物形成络合物，多数络合物在紫外可见区是有吸收的，我们可以利用分光光度法来研究其组成。

除此之外，紫外—可见分光光度计还常常应用于比较最大吸收波长吸收系数的一致性、检定物质等方面的研究[3]。

二、红外光谱和Raman光谱仪红外光谱广泛应用于分子结构的基础研究和化学组成的分析领域，对有机化合物的定性分析具有鲜明的特征性。

由于其专属性强各种基因吸收带信息多，固可用于固体、液体和气体定性和定量分析[4]。

又由于用红外光谱作样品分析时基本不需要处理，且不破坏和消耗样品，自身又无环境污染，因而被广泛运用。

１．结构红外光谱仪是利用物质对不同波长的红外辐射的吸收特性，进行分子结构和化学组成分析的仪器。

红外光谱仪通常由光源，单色器，探测器和计算机处理信息系统组成[4]。

2.原理红外吸收光谱是由分子振动能级的跃迁同时伴随转动能级跃迁而产生的，其吸收峰是有一定宽度的吸收带。

除了对称分子外，几乎所有具有不同结构的化合物都有不同的红外光谱。

谱图中的吸收峰与分子中各基团的振动特性相对应，所以红外吸收光谱是确定化学基团、鉴定未知物结构的重要工具之一[4]。

3.特点红外光谱技术之所以能成为现代结构化学、分析化学最常用和不可缺少的工具，以及近年来发展最快的谱学方法之一，是因为其具有分析速度快、分析效率高、分析成本低、测试重现性好、无损分析技术测量方便、便于实现在线分析的主要技术特点所决定的。

4.应用4.1 在制浆造纸工业中的应用[5]人们常用红外分光光度计分析木素的结构[5]。

根据红外光谱图得出相对吸光度D(D1505/D2100)，求得纸浆中木素的含量。

同时，在造纸工业上研究纤维素的结晶结构(结晶度)、测定纸浆Kappa 值、测定细纤维的取向角、测定细纤维的取向角、测混合纤维的构成、探测热磨机械浆的光返黄、测纸张的匀度、测量纸页的水份和纸板的重量、检查纸张结构等方面也进行了应用。

4.2在临床医学和药学方面的应用红外光谱仪为药品质量的监测提供了快速准确的方法。

在药材天麻、阿胶, 西药红霉素、环磷酰胺的监测和抗肝炎药联笨双酯同质异晶体的研究中都进行了应用。

此外，红外光谱在临床疾病检测方面也有广泛的应用。

如对冠心病、癌症、动脉硬化、糖尿病、蛋白质基体中的葡萄糖含量进行检测，对胃、牙齿、血管、肝等人体组织进行诊断，对近红外光谱在血液中多数其他成分的测定及临床研究也取得了较好的结果[6]。

4.3在农业方面的应用红外光谱仪成功用于农产品的农药残留分析[8]以及其它品质分析的同时还应用于污染物的测定，烟草、咖啡的分类、农产品产地来源鉴别，检测可耕土壤的物理和化学变化，粮食或水果传送带上进行产品分捡[7]。

还能即时监控氮、磷、钾组成的变化对蔬菜中微量的农药残留的定性和定量分析进行了较深入的研究[7]。

近红外光谱仪还可通过漫反射方法检验种子或作物的质量，如水分、蛋白含量及小麦硬度的测定，也用于作物及饲料中的油脂、氨基酸、糖分、灰粉等含量的测定以及谷物中污染物的测定。

4.5 在环境科学方面的应用在水环境监测上，固体环境监测上，气体环境监测上都有着重要的作用。

4.6石油工业的应用[9]红外光谱技术在石油化学中的应用是一个十分广泛的领域。

如在重油的组成、性质与加工方面，IR表面自硅胶色谱得到的胶质和沥青质，鉴别未知油品和标定润滑油的经典物理性质(如粘度、总酸值、总碱值)，被纳入以设备状态监测为目的的油液分析计划，用于表征在用油液的降解和污染程度，油润滑表面摩擦化学过程及产物的原位监测与表征，红外光谱法应用于轻质油品生产控制和性质分析及联用测定汽油中的芳烃的含量。

随着仪器和光谱处理化学计量学软件的国产化及各类应用模型的开发, 红外光谱作为一种绿色、快速、高效、适合在线的分析技术将会在更多的领域得到开发和应用。

三、原子发射光谱仪的应用１．结构原子发射光谱仪由光源（使样品原子化并激发，从而发射原子光谱），单色器（分光系统，将光源发出的不同频率的谱线分开，便于定性和定量分析），检测器（常用光电倍增管，检测某一谱线的强度，用于定量），此外仪器还有控制系统（控制各部分的运作）组成[4]。

2.原理原子发射光谱法是根据每种化学元素的气态原子或离子受刺激后所发射的特征光谱的波长及其强度大小对各元素进行定性分析和定量分析的仪器。

它是光学分析中历史最悠久的一种分析方法[4]。

3.特点由于原子发射光谱法进行元素分析开始得较早，且技术发展迅速，现在已可同时进行多元素快速分析，周期表中多达73种元素都可检测；检测灵敏度高，检测限较低，此外基体效应较低，较易建立检测方法，标准曲线具有较宽的检测动态范围，精密度和重复性好，所以应用非常广泛[4]。

4.应用原子发射光谱仪以其自身的特点主要应用于冶金、地质、石油、环保、化工、新材料、医药、卫生等方面的样品分析。

4.1在冶金方面的应用对难以激发的高温元素的测定,对化学性质极为相似的元素，实验室70%～80%的日常分析任务由ICP—AAS法完成[10]。

还可以用此法测定原材料、铁合金的分析与钢铁产品的常规分析，标准物质分析，稀土元素分析[10]。

4.2原子发射光谱技术在航空发动机磨损监控中的应用[11]原子发射光谱分析法在航空发动机磨损监控中适用于检测悬浮于润滑油液中小于１ｔ的金属磨屑的成分、ＡＳ０ｔｍ含量，是最常用的油液磨屑检测技术，它对磨损趋势的监测有很好的效果。

4.3在皮革检测中的应用由于原子发射光谱法常用于检测重金属元素，所以也被应用在皮革领域中皮革重金属含量的测定和皮革废水的含量分析[12]。

原子发射光谱仪除以上应用外，还应用于地质、石油、环保、化工、新材料、医药、卫生等方面的样品分析。

四、原子吸收光谱仪原子吸收光谱仪是精密度很高的光谱仪，可测到10-9g/mL数量级，并且原子吸收光谱仪还可对多种元素进行测定[4]。

1、结构原子吸收光谱仪由锐线光源（空心阴极灯或无极放电灯），火焰或石墨炉原子化器，单色仪和光电检测系统构成。

常配备有背景校正（如氘灯，塞曼效应，自吸收效应扣除背景），自动调零，曲线校直，标尺扩展，自动进样等装置[4]。

2.原理原子吸收光谱分析的波长区域在近紫外区。

其分析原理是仪器从光源辐射出具有待测元素特征谱线的光，通过试样蒸气时被蒸气中待测元素基态原子所吸收，由辐射特征谱线光被减弱的程度来测定试样中待测元素的含量[4]。

3.特点原子吸收光谱仪具有检出限低，选择性好，简便，光谱干扰少等特点，是常用的元素定量分析仪器。

4.应用4.1横向加热石墨炉技术横向加热技术对复杂基体的真实样品的痕量和超痕量分析特别适合。

其氢化物发生器可对8种挥发性元素汞、砷、铅、硒、锡、碲、锑、锗等进行微痕量测定[13]。

对那些难熔元素，如钒和钼的分析也变得轻而易举。

4.2 氢化物-石墨炉联用技术(HydrEA技术)当今的分析任务日益需要这样一种分析系统:最少的干扰,较高的自动化程度,而且能够检测超痕量的有害元素。

石墨炉直接联用技术(HydrEA技术)就是满足这种要求的最好答案，它可将氢化物发生、富集和电热原子化在石墨管中直接实现[14]。

将汞/氢化物在石墨管中富集并进行针对性的原子化具有明显技术优势：显著改善检出限；极大地降低基体效应；减少污染源；显著降低交叉污染。

此外，因原子吸收光谱仪具有灵敏、准确、等特点，还广泛用于地质、石油、轻工、农业、医药、卫生、食品及环境监测等方面的常量及微痕量元素分析[15]。

近几十年来，光学仪器的发展进入了一个日新月异的新时代，无论在发展的速度上还是在发展的规模上都是史无前例的。

光学仪器发展促进并产生了一系列新的学科分支，同时也极大地推动了现代光学系统在各个领域的广泛应用。

在光电技术和计算机技术发展的带动下，一些传统的光学仪器在功能、精度方面有了更大的发展。

光学仪器的图像融合了处理、理解和识别技术，以及光学仪器的特种工艺技术。

光学仪器是仪器仪表行业中非常重要的组成部分，是工农业生产、资源勘探、空间探索、科学实验、国防建设以及社会生活各个领域不可缺少的测试、观察、分析、控制、记录和传递的工具。

特别是现代光学仪器的功能已成为人脑神经功能的延伸和拓展。

参考文献：[1] 陈建平.光学发展与光学仪器的应用.中小学实验与装备.2006. 16（86）.21—23.[2]吴文铭紫外可见分光光度计及其应用生命科学仪器.2009（7）.[3]胡文杰紫外-可见分光光度计的应用与维修[期刊论文]-分析测试技术与仪器.2005(11).[4]曾泳淮, 林树昌. 仪器分析[M] . 北京: 高等教育出版社, 2004.[5]徐美娟等. 制浆造纸工业中红外光谱技术的应用[J].黑龙江造纸,2003(2):6~8.[6]田惠军, 宋占军, 卢涌泉.人血清蛋白与对苯二酞氯制备微胶囊及红外光谱的研究[J].中国中药杂志, 1991,16(5):293.[7]陈和生等.傅里叶变换红外光谱应用研究[J].黄冈报,1997,17(4):76~79.[8]姚炜，夏彩云. 红外光谱技术在食品安全检测中的应用[J].中国卫生检验杂志，2009,19（6）:51~52.[9]邱颖.红外光谱技术应用的进展[J].环境科学导刊.2008.27:25.[10]郑国经、计子华、余兴编.原子发射光谱分析技术及应用.化学工业出版社于 2010 年 1 月出版，[11]毛美娟，朱子新等．机械装备油液监控技术与应用．北京：国防工业出版社，2006.20[12]尹洪雷，戴金兰，毛树禄，陈斌，闵宝乾.电感耦合等离子原子发射光谱法在皮革检测中的应用.中国皮革.2007年5月第36卷第9期[13]王大珩，胡柏顺．加速发展我国现代仪器事业们，现代科学仪器，2000，（3）：3—6．[14]原子吸收光谱仪及其特殊应用技术德国耶拿分析仪器股份公司北京代表处 (北京朝阳北大街8号富华大厦A座503室北京 100027)[15]金钦汉．分析仪器发展趋势展望叨，中国工程科学，2001，3（1）：85—88．。