直读光谱仪

直读光谱仪
百科名片
直读光谱仪，适合于户外名种应用，不管是用于压力容器内部分析、管道原位分析还是工场分析都没有任何问题。

因为它是密封在一个温度稳定的恒温机箱里，设备的般运和操作只要一个人就能完成。

该光谱仪设计达到最高的分析精度，新的双光谱室能应用最理想的谱线，36个测量信道使这台仪器能分析Fe、Ni、Cu、A1、Ti等多种基体。

该光谱仪装备了超高灵敏度的光电倍增管，在全量程范围内使检测器的动态范围能鉴别出成分的最微小的差别。

曲面的第二个窄缝能清楚地分离出相邻的谱线，这一点对包括高含量的合金成分分析在内进行高精度分析特别。

目录品种分类光谱仪色散组件的选择和光学参数的确定直读光谱仪的正规名字叫原子发射光谱仪编辑本段品种分类
根据现代光谱仪器的工作原理,光谱仪可以分为两大类:经典光谱仪和新型
光谱仪.经典光谱仪器是建立在空间色散原理上的仪器;新型光谱仪器是建立在调制原理上的仪器.经典光谱仪器都是狭缝光谱仪器.调制光谱仪是非空间分光的,它采用圆孔进光.根据色散组件的分光原理,光谱仪器可分为:棱镜光谱仪,衍射光栅光谱仪和干涉光谱仪.
光学多道分析仪OMA(OpticalMulti-channelAnalyzer)是近十几年出现的采用光子探测器(CCD)和计算机控制的新型光谱分析仪器,它集信息采集,处理,存储诸功能于一体.由于OMA不再使用感光乳胶,避免和省去了暗室处理以及
之后的一系列繁琐处理,测量工作,使传统的光谱技术发生了根本的改变,大大
改善了工作条件,提高了工作效率;使用OMA分析光谱,测盆准确迅速,
方便,且灵敏度高,响应时间快,光谱分辨率高,测量结果可立即从显示屏上
读出或由打印机,绘图仪输出.目前,它己被广泛使用于几乎所有的光谱测量,分析及研究工作中,特别适应于对微弱信号,瞬变信号的检测.
编辑本段
光谱仪色散组件的选择和光学参数的确定
光谱分析仪色散组件的选择
在成像光谱仪设计中,选择色散组件是关键问题,应全面的权衡棱镜和
光棚色散组件的优缺点[140-al)
直读光谱分析仪是“汉化”了的光谱分析仪，操作更加简便明了。

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直读光谱仪的正规名字叫原子发射光谱仪管他叫直读的原因是相对于
摄谱仪和早期的发射光谱仪而言，由于在70年代以前还没有计算机采用，所有的光电转换出来的电流信号都用数码管读数，然后在对数转换纸上绘
出曲线并求出含量值，计算机技术在光谱仪应用后，所有的数据处理全部
由计算机完成，可以直接换算出含量，所以比较形象的管它叫直接可以读
出结果，简称就叫直读了，在国外没有这个概念。

直读光谱仪和ICP都属于发射光谱分析仪器,区别在于他们的激发方
式不同,ICP中文名字是电感耦合等离子体,是通过线圈磁场达到高温使样
品的状态呈等离子态然后进行测量的,而普通的直读光谱仪一般采用电火
花,电弧或者辉光放电的方式把样品打成蒸汽进行激发的,在效果上ICP要
比普通直读光谱仪器的检出限小,精度高,但是在进样系统上要求非常严格,没有好的进样系统就只能做溶液样品.国外先进ICP可以做固体样品.
第一章光电光谱分析的基本原理
一、光谱分析简介1、电磁辐射的基本特征
光谱是按照波长（或波数、频率）顺序排列的电磁辐射。

天空的彩虹、自然界的极光等均是
人们早期
观察到的光谱，但它们仅是电磁辐射的很小的一部分可见光谱。

还有
大量的不能被人们直接
看到的和感觉
到的光谱，如γ射线、某射线、紫外线、红外线、微波及无线电波等，这些也都是电磁辐射，
它们只是频率或波长不同而已。

电磁辐射实际是一种以巨大速度通过空间而传播的能量（光量子流），具有波动性和微粒性。

就波动性而言，电磁辐射在空间的传播具有波的性质，如同声波、水波的传播一样，可以用
速度、频
率、波长和振幅这样一些参数来描述，并且传播时不用任何介质，且
易于通过真空。

在真空
中所有电磁辐
射的速度相同，常用光速（c）来表示，c的数值为：2.99792某103米/秒。

在一定的介质中，它们之间的关系为
δ＝V/C=1/λ
式中：V-------频率，单位时间内的波数；λ…………波长，为沿波的传播方向、相邻两个波
间相位相同的
两点之间的距离；δ…………波数，单位长度内波长的个数。

C是光速。

就电磁辐射的微粒性来说，每个光量子均有其特征的能量ε，它们与波长或频率之间的关系
可以用普
朗克（Planck）公式表示：
ε＝hv＝h（c/λ）波长是相邻间相位相同的两点之间的距离式中：h 是普朗克常数，其值为6.626某10-34焦耳/秒
2、电磁波谱区域
电磁辐射按波长顺序排列称磁波谱。

他们是物质内部运动的一种客观反映，也就是说任一波
长的光量
子的能量ε与物质的内能变化△E=E2-E1=ε＝hv＝h（c/λ）
如果已知物质由一种状态，E2过渡到另一种状态E1时，其能量差为△E=E2-E1便可按照公式计算出相应的光量子的波长。

下表列出了各辐射区域、波长范围及相应的能及
跃迁类型。

对于成分分析主要应用近紫外及可见光区。

表一电磁波谱区域辐射区域波长范围跃迁类型γ射线区5－140皮米核能级跃迁Х射线区0.01－10.0纳米内层电子能跃迁
远紫外区10－200纳米原子及分子近紫外区200－380纳米外层电子可见区380－780纳米能级跃迁近红外区0.78－3微米分子振动中红外区3－30微米能级跃迁
远红外区30－300微米分子转动能级跃迁微波区0.3毫米－1米电子自旋和核子旋
射频区1－1000米能级跃迁
注：1米＝103毫米＝106微米＝109纳米＝1012皮米
3、光谱分析内容
光谱分析是根据物质的特征光谱来研究化学组成、结构和存在状态的一类分析领域。

可细分
为原子发
射光谱分析、原子吸收光谱分析、分子发射光谱分析、分子吸收光谱分析、某射线荧光光
谱分析、红外和
拉曼光谱分析等各类分析方法。

原子发射光谱分析是根据试样物质中气态原子（或离子）被激发以后，其外层电子辐射跃迁
所发射的
特征辐射能（不同的光谱），来研究物质化学组成的一种方法。

常称
为光谱化学分析，也简
称为光谱分析。

光电光谱分析方法是用光电转换器件进行测量的发射光谱分析。

在光
电光谱分析中，计算机
的应用已很普
遍。

二、光电光谱分析的基本原理和发展情况
1、基本原理
测定物质的组成，是人类认识自然，改造自然必要的。

物质系由分子
或原子所组成。

欲测定
物质的组
成，通常用化学分析法，但光谱分析也是广泛采用的方法。

物质都有其属性，通过属性可以区别不同的物质。

由于物质的组成不同，在一定条件下物质
能发射其
特征的光谱。

我们就是利用光谱这个属性来测定物质的组成。

由于光具有波动物质，所以光的一个标志是它的波长。

不同颜色的光彩表明它们的波长不
同。

由短波
的紫光到长波的红光组成全部可见光。

按照波长分开而排列的一系列不同波长的光就组成所
谓光谱。

广义
而言，可用于分析工作的光谱的范围可以包括更大电磁波的范围，大约波长范围由10-10
至10厘米。

但发
射光谱分析工作的光谱范围只是紫外光域的一部分，波长约为1600埃－8500埃（可见光
域的波长范围约为4000埃－7000埃）。

物质能发射光谱，物质对光且有吸收、散射等作用。

这些现象都可以利用来作物质的测定。

这里讨
论的限于发射光谱分析，或者说的严密一些，应称作发射光谱化学分析。

但为简单起见，我
们就称之为光谱分析。

物质发射的光谱有三种，线状光谱、带状光谱及连续光谱。

线状光谱系由原子或离子被激发
而发射，
因此只有当物质在离解成原子或离子时（一般气态或高温下）才发射线状光谱。

带状光谱系由分子被激发而发射，而连续光谱系由炙热的固体或液体所发射。

在通常进行光谱分析所用
的激发光源火焰、电弧或电
火花的作用下，分析的物质处在高温的气态下，一般都离解为原子或离子，因而被激发后发
射的是线状光
谱。

所以光谱分析所利用的是线状光谱中的谱线，并且所得结果只能给出组成元素的种类及
含量，而不显示物质的分子结构。

每一种元素的原子被激发后，可以产生一组其特征的光谱，而特征光谱的出现就能证明此种
元素在辐
射源中存在。

原子或离子被激发而产生十数万条光谱的谱线已经测定它们的波长。

由于测
定波长能达很
高的准确度，光谱中的大部分谱线都可以无误地确定其由哪一种元素产生。

所以光源定性分
析是很可靠的
办法，即灵敏、快速又简单。

周期表上约七十个元素，可以用光谱方法，较容易地定性测定。

一般当试样中某一元素的含量不太高时，该元素
发射的光谱谱线强度是和它的含量成正比。

这个关
系成为光谱定量分析的基础，并使光谱定量分析成为非常方便的方法。

凡是光谱定性分析能
测到的元素，
一般都可以做定量分析。

光谱定量分析，一般比化学快，并且用较少
的试样即可进行。

物质发射的光谱需用分光仪器进行观测。

分光仪器需有
三个元件：狭缝、能将不同波长的光
按波长
分开和排列成序的三棱镜或光栅和能聚焦成像以形成谱线的光学系统（谱线即为狭缝的像）。

谱线落在焦面上，可用感光板摄取，或用目镜观
测（限于可见光），或用一出口狭缝接收（使
与近旁
其它谱线区分）。

前一种方式即为一摄谱仪，其次一种方式则为看谱镜，而第三种方式则为
单色仪。

如在
许多谱线处装上出口狭缝，并在出口狭缝后面设置光电接收装置，即
成为光电直读光谱议。

2、电法光谱分析的发展情况
在近代科学技术的发展中，光谱分析的应用在成分分析、结构分析及
科学研究中均起到重要
的作用。

其中原子发射光谱这一分析方法不仅对金属、合金、矿物成分的测定，也对生产过程的控制
有着重要的作
用，而且已广泛应用于高分子材料、石油化工、农业、医药、环境科学以及生命科学等领域。

发射光谱分析根据接收光谱辐射方式的不同而分成三种：看谱法，摄谱法和光电法。

由图1
可以看出
这三种方法基本原理都相同：都是把激发试样获得的复合光通过入射
狭缝射在分光元件上，
被色散成光谱，
通过测量谱线强度而求得试样中分析元素的含量。

三种方法的区别在
于看谱法用人眼去接
收，射谱法用感
光板接收，而光电法则使谱线通过放在光谱焦面处的出射狭缝，用光
电倍增管接收光谱辐射。

光电法是由看谱法及摄谱法发展而来的，主要用
来作定量分析。

摄谱法的光谱定量分析本来
也是一种
快速分析方法，但因为要在暗室中处理感光板，测量谱线黑度，分析
速度受到限制。

为了进
一步加快分析
速度，有人设想用光电元件来接收光谱线，将光讯号转变为电讯号。

这样做可以不进行暗室
处理及黑度测
量，使分析速度更加提高。

光电法的光谱分析随着光电转换技术的完善终于可以实现。

最早
的光电直读光
谱分析用于铝镁工业，后来被广泛用于钢铁工业及其他工业。

三、光电光谱分析的特点及应用范围光电光谱分析主要有以下特点：
（1）、自动化程度高、选择性好、操作简单、分析速度快、可同时进行多元素定量分析。

如在1-2分钟之
内可同时对钢中20多个合金元素进行测定，控制冶炼工艺，加速炼钢过程。

（2）、校准曲线线性范围宽。

由于光电倍增管对信号的放大能力很强，对于不同强度的谱
线可使用不同的
倍率（相差可达一万倍），因此光电光谱法可用同一分析条件对样品中含量相差悬殊的很多
元素从高含量到痕量可同时进行测定。

（3）、精度高。

采用摄谱法的光谱分析，因感光板及测光方面引入的误差一般在1％以上，
而采用光电法
时，测量误差可降至0.2％以下，因而具有较高的精确度，有利于进行样品中高含量元素的
分析。

（4）、检出限低。

光电光谱分析的灵敏度与光源性质、仪器状态、试样组成及元素性质等
均有关。

一般对
固体的金属、合金或粉末样品采用火花或电弧光源时，检出限可达0.1～10ppm，对液体样
品用ICP光源时
检出限可达1纳克－1微克/毫升。

用真空光电光谱议时对碳、硫、磷等非金属也有很好的
检出限。

（5）、在某些条件下，可测定元素的存在方式，如测定钢铁中的酸溶铝、酸不溶铝等。

光电光谱分析的不足之处：它仍是一个经验相对的分析方法，试样组成、结构状态、激发条
件等难于
完全控制，一般需用一套相应的标准样品进行匹配，使光电光谱分析的应用受到一点限制，
另外光电光谱
法也仅适用于金属元素及部分非金属元素的成分分析，对于元素的价态的测量仍无能为力，
有待于与其它分析方法配合使用。

光电光谱分析在物理学、化学、生物学等基础学科以及冶金、地质、机械、化工、农业、环
保、食品、
医药等领域都有其广泛的用途。

特别是在钢铁及有色金属的冶炼中控制冶炼工艺具有极其重
要的地位，而
在地质系统找矿、环保、农业、生物样品中微量元素的检测高纯金属及高纯试剂中痕量的测
定以及状态分
析方面，光电光谱法都是相当有效的一种分析手段，是其他方法无法取代的。

四、光电光谱定量分析1、光谱强度与试样浓度的关系
光谱定量分析，主要是样品光谱中分析元素的谱线强度来确定元素的浓度。

元素的谱线强度
与该元素
在试样中浓度的相互关系，可用如下经验公式即赛伯－罗马金公式来表示：
I=ACb（1.7.1）
式中：I是谱线强度，C是分析元素的浓度，A是与试样的蒸发、激发过程和试样组成的
有关的一个参数，
常数b的大小则与谱线的自吸收有关。

2、内标法和分析线对
由于试样的蒸发、激发条件以及试样组成等的任何变化，使参数A发生变化，均会直接影
响谱线强度，
这种变化往往很难避免，所以在实际光谱分析时，常选用一条比较谱线，用分析线与比较线
强度比进行光
谱定量分析，以抵偿这些难以控制的变化因素A的影响，所采用的比较线称内标线，提供
这种比较线的元素称为内标元素。

在光谱定量分析中，内标元素的含量不大，它可以是试样中的基本成份，也可以是以一定的
含量加入
试样的外加元素。

这种按分析线强度比进行光谱定量分析的方法称内标法；所选用的分析线
与内标线的组合叫做分析线对。

如果分别以α、S，表示分析线，则
Iα=AαCbaa
Iα=AαCboa＝Ao（Ca是常数）由此分析线对的强度比为R=Ia/I=
（Aa/Ao）某Cbaa令K=Aa/Ao,C=Ca，b＝ba
则R＝KCb
在一定浓度范围内，K，b与浓度无关，此式即为内标法定量分析的
基本公式。

但是，并不是任何元素都可以做内标，任何一对谱线都可以做分析线对，为了使K值是个
常数，对于
内标元素、内标线、和分析线的选择必须具备下列条件：
（1）分析线对应具有相同或相近的激发电位和电离电位，以减少放
电温度（激发温度）
的改变对分析
线对相对强度因离解度激发效率及电离度的变化所引起的影响；
（2）内标元素与分析元素应具有相接近对熔点、沸点、化学活性及
相近的原子量，以减
小电极温度（蒸
发温度）的改变对分析线对相对强度因重熔溅射、蒸发、扩散等变化
所引起的影响；（3）内标元素的含量，不随分析元素的含量变化而改变，在钢铁分析中常采用基体元素
铁作为内标；
在制作光谱分析标准样品成体设计时，往往使内标元素含量基体保持一致，以减少基体效应
的影响；
（4）分析线及内标线自吸收要小，一般内标线常选用共振线，其自吸收系数b＝1，对分
析线的选择在
低含量时可选用共振线外，在高含量时，可选用自吸收系数b接近1的非共振线；（5）分析线和内标线附近背景应尽量小，且无干扰元素存在，以提高信噪比。

实际上，上述条件很难同时满足，例如在钢铁及纯物质中少量成份测定时，由于比较容易达
到稳定的
激发条件，因而在分析线对中，即使二者的激发电位和电离电位相差较大，仍能得到满意的
效果。

3、光电光谱定量关系式
光电光谱分析中，试样经光源激发后所辐射的光，经入射狭缝到色散系统光栅，经过分光以
后各单色
光被聚焦在焦面上形成光谱，在焦面上放置若干个出射狭缝，将分析元素的特定波长引出，
分别投射到光
电倍增管等接收器上，将光能转变成电信号，由积分电容储存，当曝光终止时，由测量系统
逐个测量积分
电容器上的电压，根据所测电压值的大小来确定元素的含量。

试样在激发过程中，其光谱线的强度是不稳定的，因此从接受器输出的光电流的瞬时强度也
会有波动，
因此常把输出的光电流向积分电容器充电的方法来测量谱线的平均强度。

若积分电容为C,光电流为I,V是经过积分时间T后在积分电容上所达到的电压，则
V=Q/C=1/C∫0
tidt－
（iT）/C式中：i为平均光电流，可以看出积分电容器上的电压V正比于平均光电流i和曝
光时间T，反比
于积分电容器的电容量。

在实际工作中，C和T均为常数，其中平均光电流i正比于谱线强
度，为此测量了
积分电容器的电压，就可对应地求出试样中元素的含量。

在光电光谱分析时，目前多采用自动曝光方法，它是当内标线的强度达到一个预先指定的数
值时，使
自动曝光自动终止。

设内标线的谱线的强度I，分析线的谱线强度Ia，与此相对应的光电流分别为i、ia，积分
电容器的
电容量分别为C、Ca，电容器上的电压读数分别为V、Va，曝光时间为T，则Va=（1/Ca）∫0
tiadt＝（iaT/Ca）V=（1/Ca）∫0
tiadt＝（iaT/Ca）
两式相除Va/V=（Caia）/（Caia）＝（CIa）/（CaI）
因为V、C、Ca均为常数，所以上式可写为：Va＝V（Cia）/（Cai）＝K某（Ia/I）＝k`Cb
从公式可见，由于Va为常数，为自动曝光终止时的电压值，这样分析线的积分电容器上的
电压读数值可
代表分享线对的相对强度。

1、分析方法
（1）校准曲线法（三标准试样法）
在光电光谱定量分析时，由于分析条件的影响，公式中的K值和b值
只适用于同类型的样
品，不同类
型的样品，其K和b值会发生变化，因此也必须建立在试验基础上，
通过制作校准曲线来
确定样品中元素
的含量C。

这个过程由计算机自动完成，并由打印机给出元素的含量。

校准曲线的制作可以
有多种方式，
一般多采用二次或三次方程式来近似表示，也有用折线法。

1)用Va－C或Va/（V－C）制作校准曲线可适用于低浓度范围的元素，对较高浓度范围
的元素，可用
双对数IgVa－IgC或Ig（Va/Va）－IgC法制作校准曲线，可获得较
好的分析准确度和精密
度；在一般场合，
标准样品不少于三个，因而又常称三标准试样法。

2)二次方程式（三次方程式）
在光电直读光谱分析运用计算机运算时，谱线强度与分析物浓度的关系，可直接根据实验曲
线进行拟
合，并按冥函数展开，或用多项式来表示，即
n－1
C=ΣamIm＝a0+a1I+a2+I2+……+anIn
m-0
在含量较低时，可用二次方程式表示：C=a+βV+γV2
RR某C某C%工作曲线
式中用积分电容器之电压读数值V来代替谱线强度，C为元素的浓度，a、β、γ为待定的常
数，可通过
实验，用三个标样来确定。

实验时，用标样先制作校准曲线，从曲线
上选取三点坐标（C1、
V1）、（C2、V2）、
（C3、V3）此三点是接近分析样品中的含量范围，按此三点坐标，可
得三元一次联立方程：
C1=aV1
2+βV1+γC2=aV22+βV2+γC3=aV3
2+βV3+γ解方程式：
a=(C3－C2)/(V3－V2)－(C2－C1)/(V2－V1)某1/(V3－V1)
β＝(C2－C1)/(V2－V1)－aV2－aV1
如果校准曲线是直线，则：a＝0β＝(C2－C1)/(V2－V1)
可以用计算机专用子程序，脱机求出a、β、γ（也可以用最小二乘法，选取适当比例因子，
由计算机自动
求出），然后输入到计算机中按公式计算含量。

当曲线为非平滑曲线时，其精度稍差，用三
次或四次方程式可更好些。

3)折线法
用折线方法来近似给出一条平滑的曲线，显然，折线越多，越能与实际曲线接近。

一般选择
5～10段就可
满足。

折线法又分等折点和非等折点系统两种；等折点系统就是相邻两个折点间的光强差为
一定值，而非
等折点系统就是相邻两个折点间的光强差不是一定值因不同的曲线而异。

等折点系统的校准曲线如图1.7.1所示
RR4R3R2R1R0
C1C2C3C4C其定量关系为：
C某＝Cn-1+（R某－Ro－（Cn-1某D1））/D1某（Cn－Cn-1）
式中：C某为样品含量；Cn-1为V某所在区间已知含量的下限；Cn 为V某所在区间已知含量的上限；V0为背景光强；R1、R2……Rn分别为折点1、2、……n的光强值；C1、C2、……Cn
分别为折点1.2.……n的含量，
为未知试样光强；D1为相邻折点的光强差。