光谱分析仪器

光谱技术和光谱分析仪器的应用及未来发展前景

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光波是由原子内部运动的电子产生的。各种物质的原子内部电子的运动情况不同,所以它们发射的光波也不同。研究不同物质的发光和吸收光的情况,有重要的理论和实际意义,已成为一门专门的学科--光谱学。发射光谱物体发光直接产生的光谱叫做发射光谱。发射光谱有两种类型:连续光谱和明线光谱。连续分布的包含有从红光到紫光各种色光的光谱叫做连续光谱。炽热的固体、液体和高压气体的发射光谱是连续光谱。例如电灯丝发出的光、炽热的钢水发出的光都形成连续光谱。


只含有一些不连续的亮线的光谱叫做明线光谱。明线光谱中的亮线叫做谱线,各条谱线对应于不同波长的光。稀薄气体或金属的蒸气的发射光谱是明线光谱。明线光谱是由游离状态的原子发射的,所以也叫原子光谱。观察气体的原子光谱,可以使用光谱管,它是一支中间比较细的封闭的玻璃管,里面装有低压气体,管的两端有两个电极。把两个电极接到高压电源上,管里稀薄气体发生辉光放电,产生一定颜色的光。


观察固态或液态物质的原子光谱,可以把它们放到煤气灯的火焰或电弧中去烧,使它们气化后发光,就可以从分光镜中看到它们的明线光谱。


实验证明,原子不同,发射的明线光谱也不同,每种元素的原子都有一定的明线光谱。每种原子只能发出具有本身特征的某些波长的光,因此,明线光谱的谱线叫做原子的特征谱线。利用原子的特征谱线可以鉴别物质和研究原子的结构。


吸收光谱高温物体发出的白光(其中包含连续分布的一切波长的光)通过物质时,某些波长的光被物质吸收后产生的光谱,叫做吸收光谱。例如,让弧光灯发出的白光通过温度较低的钠气(在酒精灯的灯心上放一些食盐,食盐受热分解就会产生钠气),然后用分光镜来观察,就会看到在连续光谱的背景中有两条挨得很近的暗线,这就是钠原子的吸收光谱。值得注意的是,各种原子的吸收光谱中的每一条暗线都跟该种原子的发射光谱中的一条明线相对应。这表明,低温气体原子吸收的光,恰好就是这种原子在高温时发出的光。因此,吸收光谱中的谱线(暗线),也是原子的特征谱线,只是通常在吸收光谱中看到的特征谱线比明线光谱中的少。

 

光谱分析由于每种原子都有自己的特征谱线,因此可以根据光谱来鉴别物质和确定它的化学组成,这种方法叫做光谱分析。做光谱分析时,可以利用发射光谱,也可以利用吸收光谱。这种方法的优点是非常灵敏而且迅速。某种元素在物质中的含量达10-10克,就可以从光谱中发现它的特征谱线,因而能够把它检查出来。


光谱分析在科学技术中有广泛的应用:


在检查半导体材料硅和锗是不是达到了高纯度的要求时,就要用到光谱分析;


在历史上,光谱分析还帮助人们发现了许多新元素,例如:铷和铯就是从光谱中看到了以前所不知道的特征谱线而被发现的;


光谱分析对于研究天体的化学组成也很有用。十九世纪初,在研究太阳光谱时,发现它的连续光谱中有许多暗线。最初不知道这些暗线是怎样形成的,后来人们了解了吸收光谱的成因,才知道这是太阳内部发出的强光经过温度比较低的太阳大气层时产生的吸收光谱。仔细分析这些暗线,把它跟各种原子的特征谱线对照,人们就知道了太阳大气层中含有氢、氦、氮、碳、氧、铁、镁、硅、钙、钠等几十种元素。


复色光经过色散系统分光后按波长的大小依次排列的图案,如太阳光经过分光后形成按红橙黄绿蓝靛紫次序连续分布的彩色光谱。有关光谱的结构,发生机制,性质及其在科学研究、生产实践中的应用已经累积了很丰富的知识并且构成了一门很重要的学科~光谱学。光谱学的应用非常广泛,每种原子都有其独特的光谱,犹如人们的“指纹”一样各不相同。它们按一定规律形成若干光谱线系。原子光谱线系的性质与原子结构是紧密相联的,是研究原子结构的重要依据。应用光谱学的原理和实验方法可以进行光谱分析,每一种元素都有它特有的标识谱线,把某种物质所生成的明线光谱和已知元素的标识谱线进行比较就可以知道这些物质是由哪些元素组成的,用光谱不仅能定性分析物质的化学成分,而且能确定元素含量的多少。光谱分析方法具有极高的灵敏度和准确度。在地质勘探中利用光谱分析就可以检验矿石里所含微量的贵重金属、稀有元素或放射性元素等。用光谱分析速度快,大大提高了工作效率,还可以用光谱分析研究天体的化学成分以及校定长度的标准原器等。


复色光经过色散系统(如棱镜、光栅)分光后,按波长(或频率)的大小依次排列的图案。例如,太阳光经过三棱镜后形成按红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫次序连续分布的彩色光谱。红色到紫色,相应于波长由7,700-3,900埃的区域,是为人眼所能感觉的可见部分。红端之外为波长更长的红外光,紫端之外则为波长更短的紫外光,都不能为肉眼所觉察,但能用仪器记录。


因此,按波长区域不同,光谱可分为红外光谱、可见光谱和紫外光谱;按产生的本质不同,可分为原子光谱、分子光谱;按产生的方式不同,可分为发射光谱、吸收光谱和散射光谱;按光谱表观形态不同,可分为线光谱、带光谱和连续光谱。


光谱分如下几种形式


①线状光谱。

由狭窄谱线组成的光谱。单原子气体或金属蒸气所发的光波均有线状光谱,故线状光谱又称原子光谱。当原子能量从较高能级向较低能级跃迁时,就辐射出波长单一的光波。严格说来这种波长单一的单色光是不存在的,由于能级本身有一定宽度和多普勒效应等原因,原子所辐射的光谱线总会有一定宽度(见谱线增宽);即在较窄的波长范围内仍包含各种不同的波长成分。原子光谱按波长的分布规律反映了原子的内部结构,每种原子都有自己特殊的光谱系列。通过对原子光谱的研究可了解原子内部的结构,或对样品所含成分进行定性和定量分析。


②带状光谱。

由一系列光谱带组成,它们是由分子所辐射,故又称分子光谱。利用高分辨率光谱仪观察时,每条谱带实际上是由许多紧挨着的谱线组成。带状光谱是分子在其振动和转动能级间跃迁时辐射出来的,通常位于红外或远红外区。通过对分子光谱的研究可了解分子的结构。


③连续光谱。

包含一切波长的光谱,赤热固体所辐射的光谱均为连续光谱。同步辐射源(见电磁辐射)可发出从微波到X射线的连续光谱,X射线管发出的轫致辐射部分也是连续谱。


④吸收光谱。

具有连续谱的光波通过物质样品时,处于基态的样品原子或分子将吸收特定波长的光而跃迁到激发态,于是在连续谱的背景上出现相应的暗线或暗带,称为吸收光谱。每种原子或分子都有反映其能级结构的标识吸收光谱。研究吸收光谱的特征和规律是了解原子和分子内部结构的重要手段。吸收光谱首先由J。V。夫琅和费在太阳光谱中发现(称夫琅和费线),并据此确定了太阳所含的某些元素。具体的元素光谱:红色代表硫元素,蓝色代表氧元素,而绿色代表氢元素。


光谱技术和光谱仪器持续向高科技知识密集化方向发展


20世纪末已经发展和成熟的数字化、智能化、网络化光谱分析检测技术和光谱仪器,目前已成为光谱技术和光谱仪器持续发展的主要方向;以光学原理为基础、以精密机械为构架、以电子信号处理为显示的传统光-机-电一体化光谱仪器已经退缩为现代光谱仪器中的二等地位组成,而数字化、智能化、网络化等部分已成为仪器的核心组成。近期国内外新颖光谱仪器新产品层出不穷,其主要变化或进展大部分都体现在核心数字化组成方面,光机电%基本组成没有实质性的变化。


可以预计,虽然光机电%基本组成也会随着全球高科技发展而不断更新,例如2004年德国Zeiss公司推出应用连续光源、交叉色散系统的contrAA连续光源原子吸收分光光度计构成的核心组成的不断吸收最新高科技发展成果而不断更新,而且使光谱仪器发生出人意料的革命性变化,将是今后若干年光谱仪器事业持续发展的主流方向。例如,在数字化高科技基础上将光谱分析技术与光学成像技术巧妙结合发展出光谱成像技术,将光谱技术?进化%到既能完成定性、定量分析,又可进行定位分析的新科技,满足新世纪提出的?看到人脑组织中化学、生化成分分布图%之类的新要求。


现代科技在高集成器件技术(如芯片技术)、传感器、微型器件、硅工艺方面的成果日新月异,其功能、性能常有惊人的进展,而现代信息理论、数学处理方法、计算软件系统也在不断发展,这些成果都会很快被吸收入新颖光谱仪器事业的持续发展进程中。例如,传统的一维信息获取、处理思维正在被多维信息获取和处理思维所取代,这必然将目前一台仪器只能针对一个检测目标获取单一分析检测信息的光谱仪器?进化%到借助复合多维、多功能传感器和多维信息实时处理、运算手段,从而同时给出实时多维信息的全新面貌;也就是说,一台光谱仪器不单可以给出检测试样的光谱曲线(从而获得试样成分信息),而是可同时给出试样成分及其变化,以及诸如化学结构、物理形态、活性状态等相关信息及其变化等。发展多维信息化光谱仪器就可避免瞎子摸象式只能给出?象是弯曲的管状物(只摸到象鼻)或象是圆柱状的(只摸到象腿)的单维信息造成的片面或错误理解或判断,不但可给出象的整体描述,而且可以给出例如象皮粗糙程度、象体重量、象走动速度、象体不同部位温度分布等多维信息。新世纪科技、经济、社会、军事发展,迫切需求掌握事物的实时多维信息,用很多台只能分别给出不同单维信息的仪器去描述、记录,评判复杂、多变、多相关的科技、经济、社会和军事对象,给出一大堆互不相关、难以比对分析的信息,确实已不能适应新发展形势的新要求。


光谱仪器事业继续沿着全方位发展的道路持续发展光谱技术和光谱仪器在现代科技、现代大产业(大规模自动化生产、大规模可控科技农业等)的持续发展要求下,不但会继续发展高精度、多功能大型光谱分析检测仪器或相应的系统,以满足诸如现代航空航天、环境生态保护、自然灾害预测预报、全球性传染病(爱滋、禽流感、非典、疟疾)控制、大规模战争和恐怖活动控制等领域的分析检测要求,会发展大量新的高灵敏、高分辨、高可靠、多维信息的科学型光谱仪器或系统,并得到快速推广应用;而且会更多地出现可在现场、生产线、战场实地工作、无人监守、联网工作的种种新颖的实用型光谱仪器或系统,成为大批量生产在线测控、野外环境监测等领域必不可少的分析检测手段。这种光谱仪器必须跳出实验室设备、大型精密贵重仪器%的框子,能忍受现场、野外(包括太空)的严酷工作环境及强、乱、变化多端的干扰(如强电磁干扰、恶劣气候变化等)、能无人值守、脱离电网长期工作、自动监测、自动调整最佳工作状态、自动联网交换信息。因此,大型精密研究级光谱仪器与现场、在线测控实用级光谱仪器或系统,今后一二十年都会受到重视会得到显着发展。


光谱仪器的应用面继续拓宽


  今后光谱仪器仍会沿着上世纪末已开始的应用面拓宽、转移的方向发展,将由传统科技基础学科(理、化、天文、生物)、矿物分析、工业产品质量控制等理论研究、物质生产领域继续向生物医学、环境生态、社会安全、国防建设等与人直接相关的领域拓展。近年来,国内外已经发展种种直接与人相关的光谱仪器,可直接获取来自人体皮肤的荧光,从而检测化妆品、药品的应用效果、皮肤增生、头发损伤、紫外线防护效果等,仪器不必样品制备、也无样品池,使用方便;也可用于水质分析、土壤分析、环境分析以及农产品、食品、化妆品分析等。


  可以预计,今后相当长时期内光谱仪器事业仍然将继续拓展应用面:科技部门将不断提出开发出新的应用领域或新的应用要求,尤其是直接与人相关的应用新要求;仪器研发、生产单位会不断根据种种新的应用需求、推出种种新颖光谱仪器,而且市场前景将会成为光谱仪器或系统的研发、生产重点;在多领域大发展形势下,光谱分析检测的应用会不断更新,广大的光谱分析用户会开发出种种新的光谱分析方法,提出新的应用要求和对新颖光谱仪器的开发要求。我们会面临前所未见的光谱仪器事业方方面面的不断获得新应用成果的持续发展局面。


近红外光谱分析技术和仪器不断成熟和推广应用


  上世纪后期,由于发展形势提出的要求以及化学计量学%、新颖数学方法、计算机软硬件等方面的发展,近红外光谱分析技术得到复兴,多种近红外光谱仪器不断涌现。由于近红外光谱分析技术有样品制备简便(甚至不需制备处理可直接分析)、可实现在线分析检测、可完成多组分同时分析等优点,全球范围出现近红外光谱的发展热潮;我国石油化工研究院、中国农业大学等单位也正开发出油品检测近红外光谱仪、农产品分析近红外光谱仪等,在科研、应用领域获得很大发展成果。


光谱仪器小型化成为目前和今后的发展潮流


  传统光谱仪器不但是大型精密、贵重仪器,而且对工作环境条件(温度、湿度、振动、电磁干扰要求严酷,必须要由专业分析人员)。为适应全球发展形势,上世纪后期已有强烈的光谱仪器小型化、便携式、现场化的需求,并已出现光谱仪器小型化的潮流,研发小型化光谱仪器成为各国科技、产业部门的关注重点。至于现代军事科技发展迫切需求的战场、现场快速放射、生物、化学武器侦查的便携式光谱仪,

今后若干年会成为全球各国研发重点。


  可以预计,由于新世纪全球多领域的新发展对小型化光谱仪器的研发、生产、应用需求会更加迫切,一定会成为今后相当长时期内备受关注的方向


2018-01-30 13:45:20浏览次数:51次
本文来源:http://m.yiqi.com/retiao/detail_162.html
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