光谱分析仪器

光谱分析仪器

仪器分析是通过测量物质的某些物理或物理化学性质的参数来确定其化学组成、含量或结构的分析方法。在测量过程中，利用物质的这些性质获得定性、定量、结构以及解决实际问题的信息。仪器分析一般分为电化学分析法、色谱分析法和光谱分析法。

光谱分析是基于物质发光或光与物质相互作用的一类分析方法。光谱分析法可按不同的电磁波谱区、产生光谱的基本粒子、辐射传递的情况等进行分类。表1列出不同光谱区相应的光谱分析法，各种光谱分析法的应用范围见表2。

原子发射光谱或原子吸收光谱法常用于痕量金属的测定；紫外－可见分光光度法和荧光光谱法可用于金属、非金属和有机物质的测定；红外吸收光谱常用于有机物官能团的检出及结构分析。核磁共振波谱主要用于结构分析。

表1光谱区及对应的光谱分析法

表2 光谱分析法的应用范围

光谱分析法一般基于吸收、荧光、磷光、散射、发射和化学发光等六种现象。各种仪器的组成略有不同，但都包含五个部分：（1）光源；（2）样品池；（3）单色器；（4）检测器；（5）讯号处理显示器或记录仪。五个部分的三种不同搭配方式构成了六种光谱测量的分析仪器（见图1）。

a．吸收光谱法

b．荧光、磷光及散射光谱法

c．发射光谱法及化学发光

图1光谱分析仪器框图

（一）光源

光谱测量使用的光源要求稳定，强度大。一般采用高压放电或加热的方式获得，而且用稳压装置以保证获得稳定的外加电压。光源有连续光源、线光源等．也可将光源分作激发光源和背景光源。

1．原子发射光谱仪的光源

原子发射光谱仪的光源主要有火焰、直流电弧、交流电弧、火花、电感耦合高频等离子体（ICP）、微波等离子体、激光光源等。其性质及应用见表3。

表3 几种常见原子发射光源的性质及应用

电感耦合高频等离子体光源是最常用的原子发射光谱法光源，获得电感耦合高频等离子体装置的原理示意图如图2所示。通常，它是由高频发生器、感应线圈、等离子矩管和供气系统等四部分组成。

炬管通常由三根石英管组合而成，并相应通入外气流、中气流和内气流。外气流常称作冷却气，主要是将高温等离子体与石英管隔开，以防石英管被烧坏，另外，高流量的冷却气的“热箍缩”效应可压缩等离子体，有助于等离子体的稳定。中气流主要作用是调节等离子体放电高度，并保护石英内管。其流量通常为1L²min-1，有时可以关闭不用。内气流称作载气，其主要作用是打通中心通道和把样品载入ICP，其流量大小对中心通道的形成、通道内温度、样品的停留时间等均有很大影响，必须仔细加以选择和控制。

图2 电感耦合高频等离于体光源示意图

当感应线圈中有高频电流通过时，周围空间产生高频电磁场，磁力线为椭圆闭合曲线，在炬管内是轴向的。用电子打火枪向辅助气或冷却气中引入电子和（或）阳离子，即“种子”。这些种子带有电荷，被高频电场加速，在炬管内沿闭合电路流动，形成涡流。由于涡流的热效应，使气体温度上升，更多的气体电离，从而形成了等离子体。此时，感应线圈象一个高频变压器的初级线圈，等离子体相当于只有一匝的短路次级，高频能量通过感应线圈耦合给等离子体，而使放电维持不灭。

2．原子吸收光谱仪的光源

原子吸收光谱仪的光源主要采用空心阴极灯。空心阴极灯的结构如图3所示。

图3 空心阴极灯结构示意图

1－紫外玻璃窗口；2－石英窗口，3－密封4－玻璃套，5－云母屏蔽；

6－阳极；7－阴极；8－支架；9－管座，10－连接管脚

它是一种阴极呈空心圆柱形的气体放电管，在阴极内腔衬上或熔入被测元素的金属或它的化合物，阳极材料用钨、镍、钛或钽等有吸气性能的金属制成，灯内充有一定压力的惰性气体氖或氩，这种气体也称载气。

空心阴极灯就是以中空圆柱体为阴极的辉光放电灯。在电极间加上电压（200～500V）后，从阴极发出的电子在电场作用下被加速，并向阳极运动。这些原子与载气原子实现碰撞电离，产生离子和电子。其中正离子向阴极移动，由于高电位梯度，正离子被大大加速而获得很大能量，撞击在阴极表面并溅射出阴极材料原子。这些溅射出来的原子与充入气体的原子、电子或离子发生非弹性碰撞而被激发发光。

3．紫外－可见分光光度计的光源

（1）氘灯

紫外连续光源主要采用氢灯或氘灯。氘灯的灯管内充有氢的同位素氘，它们在低压下以电激发的方式所产生的连续光谱的范围为160～375nm，在同样的条件下，氘灯产生的光谱强度比氢灯大3～5倍，而且寿命也比氢灯长。

（2）钨灯

可见光源通常使用钨灯和碘钨灯。在大多数仪器中，使用的工作温度约为2870K，光谱波长范围为320～2500nm．

4．红外光谱仪的光源

（1）能斯特灯

能斯特灯是由铈、锆、钍和钇等氧化物烧结而成的长约2cm、直径约1mm的实心或空心棒组成，工作温度可达1300～1700℃，其发射的波长范围约为1～30μm，它的寿命较长、稳定性好。对短波范围辐射效率优于硅碳棒，但价格较贵，操作不如硅碳棒方便。

（2）硅碳棒

硅碳棒是由碳化硅烧结而成的实心捧，工作温度达1200～1500℃。对于长波，其辐射效率高于能斯特灯，其使用波长范围比能斯特灯宽，发光面大，操作方便、廉价。

5．荧光光谱仪的光源

高压氙弧灯是目前荧光分光光度计中应用最广泛的一种光源。这种光源是一种短弧气体放电灯，外套为石英，内充氙气，室温时其压力为5³105Pa，工作时压力约为20³105Pa。在250～800nm光谱区呈连续光谱。工作时，在相距约8mm的钨电极间形成一强阳电子流（电弧)，氙原子与电子流相撞而离解为氙正离子，氙正离子与电子复合而发光。

氙灯无论是在平时或工作时都处于高压之下，存在着爆裂的危险，安装时要特别小心，应戴上安全眼镜，防止意外。为避免氙灯因受污染而失效，安装时手指不要接触到石英外套。如果不慎接触到，则应该用酒精等溶剂清洗，以免残留的指纹油污焦化，导致窗灯失效。氙灯装于氙灯室中，氙灯室起着导走氙灯的热气流和臭氧的作用。工作时，氙灯光线很强，其射线会损伤肉眼视网膜，紫外线会损伤内眼角膜，因此，应避免直视光源。氙灯使用寿命大约为2000h，报废的氙灯应裹上厚纸并把石英壳敲碎，以免留下隐患。

氙灯需用优质电源，以便保持氙灯的稳定性和延长其使用寿命。氙灯的电源亦很危险，例如450W氙灯的电流为25A，电压为20V，起动氙灯需用20～40kV 电压，这种电压可能击穿皮肤，强电流能威胁人的生命安全。

（二）样品室

紫外－可见分光光度计和荧光分光光度计的样品室内装有比色皿，可以是玻璃或石英比色皿。可见光范围用玻璃比色皿，紫外光范围用石英比色皿。原子吸收光谱仪的样品室为原子化器，常用的原子化器有火焰和石墨炉。

（三）单色器

单色器是一种把来自光源的混合光分解为单色光并可随意改变波长的装置，单色器由入射狭缝和出射狭缝、准直镜以及色散元件，如棱镜或光栅组成。如图4所示：