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【鉴知科普】什么是光谱仪?
发布日期:2023-10-19 14:11:40

光谱仪是一种用来测量光谱成分的科研仪器,光谱仪可以直观地显示一张光谱(y轴是强度,x轴是光波长/频率),表征着光强随着光波长的分布。不同波长的光在光谱仪内部被分光元件分开,分光元件通常是折射棱镜或者衍射光栅。

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上图:灯泡和太阳光的光谱(左)、光栅和棱镜的分光原理(右)


光谱仪用于测量各种各样的光辐射,可以直接测光源的发射光谱,也可以测光源和物质相互作用后的反射、吸收、透射、或者散射光谱。光和物质相互作用后,其光谱会在某个光谱范围或者是某个特定波长发生变化,根据光谱的变化就可以定性或定量地分析物质的特性,比如生物和化学上对血液及未知溶液的成分及浓度分析,以及对材料的分子、原子结构和元素组成的分析。

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上图:不同种类油的红外吸收光谱


光谱仪最初被发明用于物理、天文学、化学研究,目前是化学工程、材料分析、天文科学、医学诊断和生物传感等众多领域最重要的仪器之一。17世纪,人们首次利用棱镜发现了“光谱”,由一束白光经过棱镜后形成的连续彩色光带。

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上图:艾萨克·牛顿用三棱镜研究太阳光谱


19世纪初,德国科学家Joseph von Fraunhofer(夫朗禾费),结合了棱镜、衍射狭缝和望远镜,制作了精度和准确度较高的光谱仪,用于分析太阳发射的光谱,首次发现了太阳光的七色光谱并不是连续的,而是上面有多条暗线,即著名的“夫朗禾费线”,对应着不同元素对太阳光谱的吸收,人类也由此知道了太阳光的组成。同时,夫朗禾费也是第一个使用衍射光栅获得线光谱,并且测量谱线波长的人。

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上图:早期的光谱仪,用人眼观察

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上图:夫朗禾费线(彩带中的暗线)

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上图:太阳光谱,向下凹部分对应着夫朗禾费线


19世纪中叶,德国化学家Robert Bunsen 对各种盐类的燃烧火焰进行了系统观察,发现了焰色反应,随后在其物理学家好友 Gustav Kirchhoff的建议下,通过观察光谱实现对元素的定性检验,1860年他们发表了对八种元素光谱的发现,并确定了这些元素在几种天然化合物中的存在,他们的研究也开创了光谱分析化学的一个重要分支:光谱分析。

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上图:焰色反应


20世纪20年代,印度物理学家C.V.Raman,用光谱仪在有机溶液中发现了光和分子的非弹性散射效应,即入射光和分子相互作用后,能量会发生上移或下移,这种现象后被称作拉曼散射。光能量的变化量表征了分子的微观构造,所以拉曼散射光谱目前广泛应用于材料、医药、化工等行业,用于鉴定和分析物质的分子类型及分子结构。

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上图:入射光与分子作用后能量发生了上移和下移


20世纪30年代,美国科学家Beckman博士首次提出单独测量每个波长的紫外光谱吸收,绘制出完整的吸收光谱,从而揭示溶液中的化学物质类型和浓度。这种透射吸收光路由光源、光谱仪、样品组成,目前大多数溶液的成分和浓度探测都是基于这种透射吸收光谱。

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上图:吸光度检测原理——光源-准直-分光-狭缝-溶液-探测器


20 世纪 40 年代,第一台直读光谱仪被发明,首次采用光电倍增管和电子器件替代了传统的人眼观察或照相胶片,可以直接读出光谱强度,光谱仪作为科学仪器在使用便捷性、定量测量、以及灵敏度等方面有了显著的提升。


20世纪中后期,光谱仪技术的发展离不开光电半导体材料和器件的发展。1969年,贝尔实验室的 Willard Boyle 和 George Smith 发明了CCD(Charge-Coupled Device),随后由同在贝尔实验室的Michael F. Tompsett在1970年代改进开发为成像应用,1980年,日本NEC的Nobukazu Teranishi发明了固定光电二极管,极大提高了图像噪比和分辨率。1995年,NASA的Eric Fossum发明了CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor)图像传感器,其功耗比同类CCD图像传感器低100倍,生产成本也低得多。


20世纪90年代,随着微电子技术发展,光电器件的制造工艺、性能、成本都有了极大的提升,阵列式CCD、CMOS也首次应用于光谱仪。这种光谱仪可以在单次曝光下获取全范围光谱,相比传统旋转光栅的多次采集,在采集速度、小型化取得了突破进展。相应地,光谱仪的应用领域也得到了极大的拓展,目前光谱仪主要用于化学分析、颜色测量、荧光光谱、激光波长分析、LED 分选、成像和照明、传感设备、荧光光谱、拉曼光谱等。


21世纪的前20年,各种类型光谱仪的设计制造技术逐渐成熟和稳定,伴随着各行各业发展对光谱仪的需求日渐增长,光谱仪的发展也更加迅速更具行业针对性,除了常规的光学参数指标外,不同行业对光谱仪的体积大小、软件功能、通信接口、响应速度、稳定性、乃至成本都有不同的需求,因此光谱仪有了更多的细分种类和更加多元化的发展。