三節(jié)光譜法儀器與光學(xué)器件培訓(xùn)講學(xué)

第三節(jié)光譜法儀器與光學(xué)器件一、光譜法儀器的基本流程二、光譜儀器的基本器件第七章

光學(xué)分析法導(dǎo)論

2025/1/22一、光分析法儀器的基本流程

光譜儀器通常包括五個(gè)基本單元：光源；單色器；樣品；檢測(cè)器；顯示與數(shù)據(jù)處理；2025/1/22二、光分析法儀器的基本單元

1.光源依據(jù)方法不同，采用不同的光源：火焰、燈、激光、電火花、電弧等；依據(jù)光源性質(zhì)不同，分為：

連續(xù)光源：在較大范圍提供連續(xù)波長(zhǎng)的光源，氫燈、氘燈、鎢絲燈等；

線(xiàn)光源：提供特定波長(zhǎng)的光源，金屬蒸氣燈(汞燈、鈉蒸氣燈)、空心陰極燈、激光等；2025/1/222.單色器單色器：獲得高光譜純度輻射束的裝置，而輻射束的波長(zhǎng)可在很寬范圍內(nèi)任意改變；主要部件：（1）進(jìn)口狹縫；（2）準(zhǔn)直裝置(透鏡或反射鏡)：使輻射束成為平行光線(xiàn)；（3）色散裝置(棱鏡、光柵)：使不同波長(zhǎng)的輻射以不同的角度進(jìn)行傳播；2025/1/22棱鏡

棱鏡對(duì)不同波長(zhǎng)的光具有不同的折射率，波長(zhǎng)長(zhǎng)的光，折射率??；波長(zhǎng)短的光，折射率大。平行光經(jīng)過(guò)棱鏡后按波長(zhǎng)順序排列成為單色光；經(jīng)聚焦后在焦面上的不同位置上成像，獲得按波長(zhǎng)展開(kāi)的光譜；

棱鏡的分辨能力取決于棱鏡的幾何尺寸和材料；棱鏡的光學(xué)特性可用色散率和分辨率來(lái)表征；2025/1/22棱鏡的特性與參數(shù)（1）色散率

角色散率：用dθ/dλ表示，偏向角θ對(duì)波長(zhǎng)的變化率；

棱鏡的頂角越大或折射率越大，角色散率越大，分開(kāi)兩條相鄰譜線(xiàn)的能力越強(qiáng)，但頂角越大，反射損失也增大，通常為60度角；

線(xiàn)色散率：用dl/dλ表示，兩條相鄰譜線(xiàn)在焦面上被分開(kāi)的距離對(duì)波長(zhǎng)的變化率；倒線(xiàn)色散率：用dλ/dl表示，2025/1/22（2）分辨率

相鄰兩條譜線(xiàn)分開(kāi)程度的度量：：兩條相鄰譜線(xiàn)的平均波長(zhǎng)；△λ：兩條譜線(xiàn)的波長(zhǎng)差；b：棱鏡的底邊長(zhǎng)度；n：棱鏡介質(zhì)材料的折射率。

分辨率與波長(zhǎng)有關(guān)，長(zhǎng)波的分辨率要比短波的分辨率小，棱鏡分離后的光譜屬于非均排光譜。2025/1/22光柵透射光柵，反射光柵；光柵光譜的產(chǎn)生是多狹縫干涉與單狹縫衍射共同作用的結(jié)果，前者決定光譜出現(xiàn)的位置，后者決定譜線(xiàn)強(qiáng)度分布；2025/1/22光柵的特性

ABCDE表示平面光柵的一段；光線(xiàn)L在AJF處同相，到達(dá)AKI平面，光線(xiàn)L2M2要比光線(xiàn)L1M1多通過(guò)JCK這段距離。FEI=2JCK，其后各縫隙的光程差將以等差級(jí)數(shù)增加，3JCK、4JCK等。當(dāng)光線(xiàn)M1、M2、M3到達(dá)焦點(diǎn)時(shí)，如果他們沿平面波陣面AKI同相位，他們就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)明亮的光源相，只有JCK是光線(xiàn)波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí)才能滿(mǎn)足條件。2025/1/22光柵的特性：如果：d=AC=CE

JC+CK=d(sinα+sinθ)=nλ

即光柵公式：d(sinα+sinθ)=nλα、θ分別為入射角和反射角；整數(shù)n為光譜級(jí)次；d為光柵常數(shù)；

α角規(guī)定取正值，如果θ角與α角在光柵法線(xiàn)同側(cè)，θ角取正值，反之區(qū)負(fù)值；當(dāng)n=0時(shí)，零級(jí)光譜，衍射角與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，無(wú)分光作用。2025/1/22光柵的特性：

將反射光柵的線(xiàn)槽加工成適當(dāng)形狀能使有效強(qiáng)度集中在特定的衍射角上。圖所示反射光柵是由與光柵表面成β角的小斜面構(gòu)成(小階梯光柵，閃耀光柵)，β角叫做閃耀角。選擇適宜的閃耀角，可以使90%的有效能量集中在單獨(dú)一級(jí)的衍射上。2025/1/22光柵的參數(shù)：

光柵的特性可用色散率和分辨率來(lái)表征，當(dāng)入射角不變時(shí)，光柵的角色散率可通過(guò)對(duì)光柵公式求導(dǎo)得到：

dθ/dλ為入射角對(duì)波長(zhǎng)的變化率，即光柵的角色散率。

當(dāng)θ很小，且變化不大時(shí)，cosθ≈1，光柵的角色散率決定于光柵常數(shù)d和光譜級(jí)數(shù)n，常數(shù)，不隨波長(zhǎng)改變，均排光譜（優(yōu)于棱鏡之處）。角色散率只與色散元件的性能有關(guān)；線(xiàn)色散率還與儀器的焦距有關(guān)。2025/1/22光柵的線(xiàn)色散率

f為會(huì)聚透鏡的焦距。光柵的分辨能力根據(jù)Rakleigh準(zhǔn)則來(lái)確定。

等強(qiáng)度的兩條譜線(xiàn)（I，II）中，一條（II）的衍射最大強(qiáng)度落在另一條的第一最小強(qiáng)度上時(shí)，兩衍射圖樣中間的光強(qiáng)約為中央最大的80%，在這種情況下，兩譜線(xiàn)中央最大距離即是光學(xué)儀器能分辨的最小距離（可分離的最小波長(zhǎng)間隔）；2025/1/22光柵的分辨率R光柵的分辨率R等于光譜級(jí)次（n）與光柵刻痕條數(shù)（N）的乘積：

光柵越寬、單位刻痕數(shù)越多、R越大。寬度50mm，N=1200條/mm，一級(jí)光譜的分辨率：

R=1×50×1200=6×1042025/1/22狹縫

單色器的進(jìn)口狹縫起著單色器光學(xué)系統(tǒng)虛光源的作用。復(fù)合光經(jīng)色散元件分開(kāi)后，在出口曲面上形成相當(dāng)于每條光譜線(xiàn)的像，即光譜。轉(zhuǎn)動(dòng)色散元件可使不同波長(zhǎng)的光譜線(xiàn)依次通過(guò)。分辨率大小不僅與色散元件的性能有關(guān)，也取決于成像的大小，因此希望采用較窄的進(jìn)口狹縫。分辨率用來(lái)衡量單色器能分開(kāi)波長(zhǎng)的最小間隔的能力；最小間隔的大小用有效帶寬表示：

S=DWD為線(xiàn)色散率的倒數(shù)；W為狹縫寬度；2025/1/22

在原子發(fā)射光譜分析中，定性分析時(shí)，減小狹縫寬度，使相鄰譜線(xiàn)的分辨率提高；定量分析時(shí)，增大狹縫寬度，可使光強(qiáng)增加。狹縫兩邊的邊緣應(yīng)銳利且位于同一平面上；2025/1/223.試樣裝置

光源與試樣相互作用的場(chǎng)所（1）吸收池紫外-可見(jiàn)分光光度法：石英比色皿熒光分析法：紅外分光光度法：將試樣與溴化鉀壓制成透明片（2）特殊裝置原子吸收分光光度法：霧化器中霧化，在火焰中，元素由離子態(tài)→原子；原子發(fā)射光譜分析：試樣噴入火焰；詳細(xì)內(nèi)容在相關(guān)章節(jié)中介紹。2025/1/224.檢測(cè)器（1）光檢測(cè)器主要有以下幾種：硒光電池、光電二極管、光電倍增管、硅二極管陣