现代分析仪器的应用及发展

现代分析仪器的应用及发展

李丹戈

（超谱公司，北京100101）

摘要：简述了分析仪器的发展历史及其对人们认识自然作用，着重介绍了光学分析仪器的结构及特点，光电直读光谱分析仪的结构和特点和新型全谱直读光谱仪的发展动态。

关键词：分析仪器；光学分析仪器；光电光谱；全谱

与任何其它科学技术发展一样，分析仪器的发展及其不同阶段的特点是与社会发展和生产实践密切相关的。一种新的分析仪器的诞生、完善和广泛应用，经常需要具备下几个条件：

第一、满足人们在生产实践或认识自然过程中急迫的需要。

第二、核心原理的发现以及相关技术的发展。

第三、大量生产过程中的组织管理、应用研究及推广培训。

１分析仪器的发展史

一个世纪以来，分析仪器的发展是伴随着新的技术及科学知识同步发展的，分析仪器的诞生正随着人们的要求的提高和科学技术的发展，由简单的仪器进化为复杂的仪器，由常量的分析发展到快速、高灵敏、痕量和超痕量的分析，由手动分析发展到自动分析，以及由简单一的分析方法发展到多种方法的联用方法或多维方法。在工业生产和在科学研究工作中由取样分析发展到在线分析和不用取样的原位分析，甚至还要求非破坏性检测及遥测。由单纯的元素分析发展到元素的状态分析，过去的总体分析，现在则要求进行空间多维的分析，近几十年来各学样之间的交叉和渗透是最显著的。

分析仪器的发展史并不很长，大约只有70多年。

从上世纪20年代开始，最早的仪器是较简单的设备，如天平、滴管等。分析工作者用目视和手动的方法一点一点地取得数据，然后作记录，分析人员介入了每一个分析步骤。

第二阶段是1930～1960年间，人们使用特定的传感器把要测定的物理或化学性质转化为电信号，然后用电子线路使电信号再转化为数据。如当时的紫外及红外光谱、极谱仪等，分析工作者用各种电钮及各种开关来使上述电信号再转化为数据，如当时的紫外光谱、极谱仪等，分析工作者用各种电钮及各种开关来使上述电信号转化到各种表头或记录器。

到1960年以后微型计算机的应用，也就形成了第三代分析仪。这些计算机与已有的分析仪器相联，用来处理数据。有时可以用计算机的程序送入简单的指令，并由计算机驱使分析仪器自动处于最佳操作条件，并监控输出的数据。但脱离了计算机，当时的分析仪器还是可以独立工作的。一般要求工作者必须对计算机十分熟悉才能使用这类系统。

微处理机芯片的制造成功，进一步促进了第四代分析仪器的产生。新的技术如傅里叶变换的红外光谱仪及核磁振仪的相继出现，都是用计算机直接操作并处理结果的。有时可以仅用一台计算机同时控制几台分析系统，键盘及显示屏代替了控制钮及数据显示器等。某一特定分析方法的各种程序及参数都中预选储存在仪器内，再由分析者随时调出，此时分析工作者则大量依赖于仪器制造商的现成软件，操作显得很简单，但分析工作者也就离仪器各部件更加遥远。

第五代分析仪器始于90年代，此时计算机的价格/性能比进一步改进，因而

有可能采用功能十分完善的个人计算机来控制第四代分析仪器，因此分析工作中必不可少的制样、进样过程都可以自动进行。已有一些仪器制造商可以提供工作站，其中包括各种制样技术，如稀释、过滤、抽提等模式，样品在不同设备中的移动可以用诸如流动注射或机器人进行操作。目前对于环境样品的分析已有这类标准模式全自动的仪器出售。高效的图像处理可以让工作及监控分析过程自动进行，并为之提供报告及结果的储存。

上述新一代分析仪器大部分是从计算机应用的程度来考虑的，因此并不能排斥前几代仪器中硬件的继续发展。分析工作者看上去是离分析仪器的分析部分越来越远，但各种分析的核心原理的突破及发展仍是不可忽视的。

分析仪器将为人类认识自然及改造自然提供更完善的手段，在大量应用中，对操作者的技术要求会越来越少，但所得的结果必须是越来越精密可靠。未来的仪器将在硬件和软件两方面并行发展，使之更为智能化、高效、多用，其中的检测原理将变得更具有选择性、更加深入和达到高灵敏度。

２光学分析的应用

光学分析方法是建立在电磁辐射与物质相互作用的基础上的，光学分析仪器是探测此种相互作用的工具。

根据电磁辐射与物质相互作用性质的不同，光学分析方法可以分为光谱法与非光谱法两类：

1)以测量电磁辐射与物质相互作用引起原子、分子内部量子化能级之间的跃迁产生的发射、吸收、散射波长或强度变化为基础的一类光学分析方法，归为光谱法。

2)以测量电磁辐射与物质相互作用引起其传播方向，速度，偏振性与其它物理物质改变的一类光学分析方法，归属于非光谱法。在分析化学中，光谱法比非光谱法的用途更为广泛。

光学分析仪器的具体结构与复杂程度判别很大，但都包括以下四个基本组成部分：信号发生器，检测系统，信号处理系统，信号读出系统，在现代化的仪器中，还配有计算机控制系统。

信号发生器是将被测物质的某一物理或化学性质转变为分析信号，如原子、分子吸收辐射产生的原子，分子吸收光谱，物质受电，热激发产生的原子发射光谱等，都是分析信号。产生原子、分子吸收光谱的辐射光源，产生原子发射光谱的电弧，火花光源等即为信号发生器。

检测器是对产生的分析信号进行检测，并将其转变为易于测量的信号，通常是电信号，因为电信号容易放大，处理，传输与显示。各种仪器使用的检测器随检测辐射波长与仪器功能不同而异，常用的辐射检测器有两类，一类响应光子，另一类响应热。所有光子检测器以电磁辐与反应表面的相互作用以产生电子（光发射）或使电子跃迁到能导电的状态（光电）为基础的，只有紫外、可见与红外辐射才具有使这一过程发生的能量。热检测器不同于光电检测器之处在于，它是非量子化的热敏传感器。

信号处理系统，通常是将信号放大，平滑，滤波，加和，差减，微分，积分，变换（如交流信号变为直流信号，电压变为电流信号或电流变为电压信号，对数转换，傅里叶变换等），调频，调幅等。

信号读出系统是将信号处理系统输出的放大信号，以表头，记录仪，示波器显示出来。

计算机在光学分析仪器中的应用分为两类，一类是进行数据处理，如数字运