分光光度計(jì):

分光光度計(jì)是用于測(cè)量與波長(zhǎng)相關(guān)的光學(xué)特性的儀器，例如：固體或液體的透射率或反射率。這種設(shè)備通常也稱(chēng)為光譜儀，但“分光光度計(jì)”更加具體和精確。請(qǐng)注意，使用這種儀器進(jìn)行測(cè)量時(shí)不會(huì)產(chǎn)生光譜 (光強(qiáng)或波長(zhǎng)），而是得到被測(cè)樣品與波長(zhǎng)相關(guān)的量。

分光光度計(jì)可用于不同的光譜區(qū)域:

· 一些儀器僅在可見(jiàn)光譜區(qū)（VIS）可用，例如用于比色法。

· 有些僅適用于紫外區(qū)（UV），或者適用于紫外可見(jiàn)區(qū)（UV VIS）。

· 一些設(shè)備僅適用于紅外（IR）或近紅外區(qū)（NIR）而制造的。

· 一些紫外可見(jiàn)紅外分光光度計(jì)覆蓋所有光譜區(qū)。

通常測(cè)量的量是與波長(zhǎng)相關(guān)的透射率、吸收率或反射率。在某些情況下，也可以測(cè)量散射光的量。

分光光度計(jì)通常是放在桌子上的實(shí)驗(yàn)室儀器，但也有手持儀器。為比色法，如果目的只是測(cè)量顏色，可以作為簡(jiǎn)單的色差儀，它僅使用三個(gè)（或更多）顏色通道。

 操作原則 

掃描分光光度計(jì)

大多數(shù)分光光度計(jì)的基本工作原理是用可變波長(zhǎng)的準(zhǔn)直單色光照射被測(cè)物體，測(cè)量它的反射率、吸收率或光的散射等光學(xué)特性，作為與波長(zhǎng)的函數(shù)關(guān)系。這種儀器被稱(chēng)為掃描分光光度計(jì)，因?yàn)樗鼈兊牟僮髦邪⊕呙韫庾V區(qū)域。

在大多數(shù)情況下，分光光度計(jì)包含寬帶光源（白光源），例如白熾燈或者高壓氣體放電燈，后跟一個(gè)可調(diào)參數(shù)單色儀–例如，基于切爾尼–特納單色儀的衍射光柵。在單色儀之后，有一束相對(duì)較弱的光束，其光束半徑通常為幾毫米，并具有良好的發(fā)散角（但比具有相同光束半徑的激光束發(fā)散角大得多），該光束可以穿過(guò)（或到達(dá)）樣品。

圖1:掃描單光束分光光度計(jì)的基本設(shè)置。

只有一小部分來(lái)自燈的光到達(dá)樣品。

在任何時(shí)候，只有一小部分的光功率可用于測(cè)量。第一個(gè)原因是所使用的燈向各個(gè)方向都發(fā)射光，而人們只能利用在某個(gè)小范圍的方向上輻射的光。此外，一次僅使用一小部分頻譜。特別是當(dāng)需要高光譜分辨率時(shí)，為了獲得足夠高的光譜分辨率，可能需要很長(zhǎng)的測(cè)量時(shí)間才能獲得足夠高的信噪比，并且整個(gè)測(cè)量時(shí)間可能相當(dāng)長(zhǎng)。使用一種可以同時(shí)具有高度靈敏度和速度的光電探測(cè)器例如光電倍增管是很有幫助的。

可調(diào)激光器可以向樣品發(fā)送更多的光，但這種產(chǎn)品通常不實(shí)用。

或者，可以使用某種可調(diào)激光器，這可以提供高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)的光譜亮度。測(cè)量時(shí)間可以大大減少。然而，可調(diào)激光器在光譜范圍方面受到很多的限制，也更昂貴和更難使用。因此，大多數(shù)分光光度計(jì)仍然依賴(lài)寬帶光源和單色儀。

一種中間解決方案是使用超連續(xù)譜光源，它有高度的空間相干性，因此它可以大幅提高信號(hào)和相應(yīng)減少的測(cè)量時(shí)間。這種光源可以覆蓋比可調(diào)激光器更寬的光譜范圍。

如何校準(zhǔn)儀器讀數(shù)？

單色儀在掃描不同波長(zhǎng)時(shí)獲得的強(qiáng)度（更準(zhǔn)確地說(shuō)：光功率）會(huì)發(fā)生重大變化，并且還還可能表現(xiàn)出時(shí)間漂移，例如由于溫度變化或所用燈的老化。此外，光電探測(cè)器的響應(yīng)度通常與波長(zhǎng)有關(guān)。由于這些原因，例如，吸收率或反射率的精確測(cè)量需要與可能存在物體的強(qiáng)度進(jìn)行比較。

在單光束分光光度計(jì)中，使用單獨(dú)的校準(zhǔn)掃描進(jìn)行校準(zhǔn)，其中不插入樣品或參考樣品。例如，根據(jù)所需的精度，可能需要經(jīng)常進(jìn)行校準(zhǔn)掃描，或者每天只進(jìn)行一次。

圖2:掃描雙光束分光光度計(jì)的設(shè)置。使用三個(gè)相同類(lèi)型的分束器，可以消除它們的光譜依賴(lài)性。

同時(shí)進(jìn)行兩種測(cè)量時(shí)，可以獲得更高的精度和更高的便利性。常見(jiàn)的解決方案是使用雙光束設(shè)置（見(jiàn)圖 2）。在這里，單色光束使用分束器被分成兩束光束。其中一個(gè)光束通過(guò)樣品傳輸?shù)焦怆娞綔y(cè)器;另一個(gè)直接到達(dá)另一個(gè)光電探測(cè)器，或通過(guò)參考樣品傳輸。一個(gè)存在的問(wèn)題是，在非常大的光譜范圍內(nèi)，分束比與波長(zhǎng)有關(guān)。例如，可以通過(guò)使用兩個(gè)或三個(gè)這樣的分束器來(lái)解決，使得每個(gè)光束在一個(gè)這樣的分束器上反射并在另一個(gè)具有相同光學(xué)特性的分束器上透射。

可以使用單個(gè)光電探測(cè)器，而不是用于樣品和參考的兩個(gè)不同的檢測(cè)器，該光電探測(cè)器交替接收來(lái)自樣品或參考的光，例如通過(guò)某種帶有旋轉(zhuǎn)盤(pán)的斬波器。這也消除了兩個(gè)探測(cè)器之間差異的影響。

即使使用雙光束分光光度計(jì)（或雙光束儀器），有時(shí)也可能需要進(jìn)行校準(zhǔn)掃描，將樣品替換為參考樣品。只有這樣，才能確保測(cè)量不受設(shè)置中任何不對(duì)稱(chēng)性的影響，例如灰塵、污垢或錯(cuò)位造成的影響。

為了進(jìn)行精確測(cè)量，被調(diào)查對(duì)象的特性當(dāng)然應(yīng)該在掃描所需的時(shí)間內(nèi)保持近似恒定。例如，存在的一個(gè)問(wèn)題是在監(jiān)測(cè)以相當(dāng)快的速度發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)。

非掃描分光光度計(jì)

非掃描分光光度計(jì)的基本原理是用寬帶光照射物體，并在光電探測(cè)器側(cè)進(jìn)行光譜分析。這樣，就可以同時(shí)測(cè)量所有相關(guān)波長(zhǎng)的特性，并且假設(shè)光譜分析不需要太多時(shí)間，測(cè)量速度可以相應(yīng)加快。

用于分析來(lái)自物體的光的光譜儀可能是通常的切尼爾—特納類(lèi)型。這種方法在分析透射光或反射光時(shí)非常合適，其中分析的光可以很容易地被引導(dǎo)到光譜儀的輸入狹縫，但對(duì)于在很寬方向上散射的光則不那么合適，特別是當(dāng)散射效率也取決于波長(zhǎng)時(shí)。

光譜分析也可以使用傅里葉變換光譜儀進(jìn)行;這種技術(shù)通常用于紅外光譜區(qū)域的測(cè)量，然后稱(chēng)為傅里葉變換紅外光譜 （FTIR）。有關(guān)測(cè)量原理的更多信息，請(qǐng)參閱有關(guān)白光干涉儀的文章。

就掃描分光光度計(jì)而言，必須考慮與波長(zhǎng)相關(guān)的光源強(qiáng)度（非平行光光譜）。通常，人們只比較有樣品和沒(méi)有樣品的測(cè)量結(jié)果，或者比較樣品和參考樣品的測(cè)量結(jié)果。還有一些儀器包含兩個(gè)光譜儀，一個(gè)用于樣品光，一個(gè)用于參考光束。

固定波長(zhǎng)分光光度計(jì)

也有分光光度計(jì)，它只測(cè)量有限數(shù)量的固定波長(zhǎng)，這些波長(zhǎng)是為特定的應(yīng)用而設(shè)定的。

 分光光度計(jì)的性能數(shù)據(jù) 

這些儀器最重要的性能特征是:

· 可以測(cè)量的量(例如，僅吸收率，或吸收率和反射率)

· 可獲得的光譜范圍，理想的是紫外-可見(jiàn)-紅外

· 光譜分辨率(固定或可變，通常受單色儀限制)

· 吸收率范圍(受光源和檢測(cè)器靈敏度的限制)

· 給定光譜范圍和分辨率的測(cè)量時(shí)間

 分光光度計(jì)的應(yīng)用示例 

比色法

在某些應(yīng)用中，目的是客觀地評(píng)估某些物體的顏色，例如印刷材料或紡織品。這有時(shí)是必要的，因?yàn)槿搜蹖?duì)顏色的評(píng)估會(huì)受到各種干擾影響，例如不同的環(huán)境光條件、相鄰物體的不同顏色以及不同人之間的感知差異。相比之下，分光光度計(jì)可以提供不受此類(lèi)影響的客觀數(shù)據(jù)。

在工業(yè)過(guò)程中也有比色應(yīng)用。特別是質(zhì)量控制可能取決于顏色屬性，因?yàn)轭伾ǔＥc其他屬性相關(guān)聯(lián)。

針對(duì)比色法進(jìn)行優(yōu)化的分光光度計(jì)也稱(chēng)為色度計(jì)。它們通常只在可見(jiàn)光下工作，也可能在近紫外線(xiàn)和近紅外光下工作。

激光反射鏡的特性

激光反射鏡通常以反射光譜為特征，其中還包含有關(guān)泵浦注入、輸出耦合和抑制不需要的激光線(xiàn)的透射區(qū)域的有用信息。

如果所使用的分光光度計(jì)不能直接用于在某些非垂直入射下進(jìn)行測(cè)量，則可能需要另外使用額外的高反射鏡（例如寬帶金屬反射鏡），從而有效地測(cè)量被測(cè)鏡上的雙反射。

物質(zhì)的鑒定

基于各種物質(zhì)的特征光譜吸收特征，可以識(shí)別各種物質(zhì)，例如在液體溶液中或基于寬帶吸收光譜的氣室中。

濃度測(cè)量

溶液的吸收率通常取決于某些吸收物質(zhì)的濃度。因此，可以從測(cè)量的吸收率值計(jì)算出這種濃度。簡(jiǎn)單判斷的情況是不同發(fā)生物質(zhì)的吸收譜不重疊;人們可以簡(jiǎn)單地使用比爾-朗伯特定律。在更復(fù)雜的情況下，由于吸收特征重疊，通常仍然可以從記錄的吸收光譜中準(zhǔn)確計(jì)算出不同物質(zhì)對(duì)總吸收率的貢獻(xiàn)。

這種測(cè)量可以在不同的光譜區(qū)域進(jìn)行，通常是在紅外中。

農(nóng)產(chǎn)品監(jiān)測(cè)

專(zhuān)業(yè)分光光度計(jì)用于監(jiān)控農(nóng)產(chǎn)品的狀態(tài)。例如，它們可用于確定成熟或烘焙過(guò)程的進(jìn)度，并在某些參數(shù)超出允許范圍時(shí)發(fā)出警報(bào)。