光谱分析技木 与相关仪器 知识扩充 首页一第四章光谱分析技术与相关仪器 光清仪器橇述 对物质发射辐射能的能谱分析或对辐射能与物质相互作用引起的能谱改变的分析都称 为光谱分析(Spectral Analysis)。光谱分析法是基于物质发射的电磁辐射及电磁辐射与物 质的相互作用而建立起来的分析方法。常用的光谐分析方法有吸收光谱分析法、发射光谱（包 括荧光光谱)分析法、散射光谱分析法、X.射线荧光光谱分析、分子荧光/磷光光谱分析 化学发光分析、质谱分析技术，以及与各分析技术相关的流动注射技术等。根据不同的分析 方法设计了不同的光谱分析仪器，常见的有紫外-可见分光光度计、原子吸收分光光度计 红外光谱仪、原子发射光谱仪、荧光分析仪、原子荧光分析仪等。 一、光谱仪器发展概况 光谱仪器是历史悠久、应用广泛的一类常用仪器，自问世以来就受到基础化学、生物化 学、食品监督、医学检验等实验室工作人员的欢迎，成为工作中不可或缺的测量工具。但过 去的仪器比较简陋，功能单一，精密度和准确性都不尽如人意。0年代初期，光谱仪器取 得了重大突破，数字技术的出现使各种数字仪器得以问世，把光谱仪器的精度、分辨力与测 量速度提高了几个量级，为实现测试自动化打下了良好的基点。60年代中期，光谱测量技 术又一次取得了进展，计算机的引入，使仪器的功能发生了质的变化，分析范围进一步扩大， 从单纯的接收、显示转变为控制、分析、处理、计算与显示输出，从单元素、单参数、单个 仪器进行测量转变成用测量系统进行多元素和多参数同步测量。0年代，计算机技术在光 谱仪器中进一步渗透。80年代，由于微处理器被用到仪器中，仪器前面板开始朝键盘化方 向发展，过去直观的用于调节波长、电压或幅度等的旋转度盘已经消失，取而代之的是按键 或触摸键。90年代，光谱仪器随着测量科学的进步取得重大的突破性进展。这个进展的主 要标志是仪器智能化程度的大幅提高。突出表现在以下几个方面：微电子技术的进步将更深 刻地影响仪器的设计：DSP芯片的大量问世，使仪器数字信号处理功能大大加强：微型机 的发展，使仪器具有更强的数据处理能力：图像处理功能的增加十分普遍：VXⅪ总线得到广 泛的应用。 从传统光学仪器转变现代光学仪器，关健在于计算机化，而微电子技术是基础。光谱仪 器发展最快，发达国家80年代已实现微机化，现已向联用技术、全自动化（如内装机械手
光谱分析技术 与相关仪器 知识扩充 首页 → 第四章 光谱分析技术与相关仪器 光谱仪器概述 对物质发射辐射能的能谱分析或对辐射能与物质相互作用引起的能谱改变的分析都称 为光谱分析（Spectral Analysis）。光谱分析法是基于物质发射的电磁辐射及电磁辐射与物 质的相互作用而建立起来的分析方法。常用的光谱分析方法有吸收光谱分析法、发射光谱（包 括荧光光谱）分析法、散射光谱分析法、X- 射线荧光光谱分析、分子荧光 / 磷光光谱分析、 化学发光分析、质谱分析技术，以及与各分析技术相关的流动注射技术等。根据不同的分析 方法设计了不同的光谱分析仪器，常见的有紫外-可见分光光度计、原子吸收分光光度计、 红外光谱仪、原子发射光谱仪、荧光分析仪、原子荧光分析仪等。 一、光谱仪器发展概况 光谱仪器是历史悠久、应用广泛的一类常用仪器，自问世以来就受到基础化学、生物化 学、食品监督、医学检验等实验室工作人员的欢迎，成为工作中不可或缺的测量工具。但过 去的仪器比较简陋，功能单一，精密度和准确性都不尽如人意。50 年代初期，光谱仪器取 得了重大突破，数字技术的出现使各种数字仪器得以问世，把光谱仪器的精度、分辨力与测 量速度提高了几个量级，为实现测试自动化打下了良好的基点。60 年代中期，光谱测量技 术又一次取得了进展，计算机的引入，使仪器的功能发生了质的变化，分析范围进一步扩大， 从单纯的接收、显示转变为控制、分析、处理、计算与显示输出，从单元素、单参数、单个 仪器进行测量转变成用测量系统进行多元素和多参数同步测量。70 年代，计算机技术在光 谱仪器中进一步渗透。80 年代，由于微处理器被用到仪器中，仪器前面板开始朝键盘化方 向发展，过去直观的用于调节波长、电压或幅度等的旋转度盘已经消失，取而代之的是按键 或触摸键。90 年代，光谱仪器随着测量科学的进步取得重大的突破性进展。这个进展的主 要标志是仪器智能化程度的大幅提高。突出表现在以下几个方面：微电子技术的进步将更深 刻地影响仪器的设计：DSP 芯片的大量问世，使仪器数字信号处理功能大大加强；微型机 的发展，使仪器具有更强的数据处理能力；图像处理功能的增加十分普遍；VXI 总线得到广 泛的应用。 从传统光学仪器转变现代光学仪器，关键在于计算机化，而微电子技术是基础。光谱仪 器发展最快，发达国家 80 年代巳实现微机化，现已向联用技术、全自动化（如内装机械手
等机器人系统，实现无人操作)，实验室信息管理系统自动化及智能化方向发展。光学计量 仪器从大型精密仪器一一三座标测量机到传统的自准直仪和投影仪都已实现微机化、光电 化：激光技术的结合和CCD等光电器件的引人，更为快速、准确、可靠的在线检测和监控 创资了条件。 随着高新技术的发展和应用，将进一步推动光学仪器实现光机电算一体化和智能化。现 今的智能化仪器更确切地应称为“微机化”仪器。而更高程度的智能化是信息技术的最高层 次，应包括理解、推理、判断与分析等一系列功能，是数值、逻辑与知识的结合分析结果 智能化的标志是知识的表达与应用。电子技术、计算机技术和光电器件的不断发展和功能的 完善，为仪器向更高档次的智能发展创造了条件。 未来几年，光和电的渗透会进一步强化，更多的新技术、新器件推广应用，因而在光机 电算一体化的基础上融入不同原理，派生出新用途的产品，以满足各领域日益增长的需求。 具有优异性能的光电器件和功能材料的开发和应用，将加速现代光学仪器的发展。如CCD 器件、半导体激光器、光纤传感器等制造技术趋于成熟，实现应用已获突破，显示了广泛的 应用前景。它必将使光学仪器领域发生重要变革，推动产品向小型化、高分辨、光电化和自 动化发展。 二、光谱仪器的发展趋势及特点： 发展趋势： 1.未来的光谱仪器仪表是简化设计，大量压缩零部件，提高智能化和便于操作，发展 在线计量测试仪器。 2.利用物理学的新效应和高新技术及其成就开发新型计量测试仪器和新型高灵敏度、 高稳定性、强抗干扰能力的新型传感器技术。 3.发展微量机器人。类似的测量仪器已出现，即Zeis的Scan Max三坐标测量机。它 是利用了智能机器人技术，但要保证测量量值的计量正确性是一个十分复杂理论和技术问 题。目前已得到了初步解决。 4.环境保护科学仪器的发展与进步，将是当今和2】世纪的重点研究领域。有关环保科 学仪器仪表的检测和有关这方面的配套的计量仪器仪表还缺乏。 5.用于生产安全与防护的科学仪器仪表也还需大力开发与发展。它将成为仪器仪表行 业的新分支。 特点： 1.新技术的应用，高科技含量增长迅猛。目前普遍采用EDA(电子设计自动化)、CAM (计算机辅助制造)、CAT(计算机辅助测试)、DSP(数字信号处理)、ASIC(专用集成电 路)及SMT(表面贴装技术)等。 2.产品结构变化。一方面注重系统集成，不仅着眼于单机，更注重系统化。另一方面 朝若小型化、实用化、低分析成本方向发展，可以携带到任何需要的地方
等机器人系统，实现无人操作），实验室信息管理系统自动化及智能化方向发展。光学计量 仪器从大型精密仪器——三座标测量机到传统的自准直仪和投影仪都已实现微机化、光电 化；激光技术的结合和 CCD 等光电器件的引人，更为快速、准确、可靠的在线检测和监控 创造了条件。 随着高新技术的发展和应用，将进一步推动光学仪器实现光机电算一体化和智能化。现 今的智能化仪器更确切地应称为“微机化”仪器。而更高程度的智能化是信息技术的最高层 次，应包括理解、推理、判断与分析等一系列功能，是数值、逻辑与知识的结合分析结果， 智能化的标志是知识的表达与应用。电子技术、计算机技术和光电器件的不断发展和功能的 完善，为仪器向更高档次的智能发展创造了条件。 未来几年，光和电的渗透会进一步强化，更多的新技术、新器件推广应用，因而在光机 电算一体化的基础上融入不同原理，派生出新用途的产品，以满足各领域日益增长的需求。 具有优异性能的光电器件和功能材料的开发和应用，将加速现代光学仪器的发展。如 CCD 器件、半导体激光器、光纤传感器等制造技术趋于成熟，实现应用已获突破，显示了广泛的 应用前景。它必将使光学仪器领域发生重要变革，推动产品向小型化、高分辨、光电化和自 动化发展。 二、光谱仪器的发展趋势及特点： 发展趋势： 1. 未来的光谱仪器仪表是简化设计，大量压缩零部件，提高智能化和便于操作，发展 在线计量测试仪器。 2. 利用物理学的新效应和高新技术及其成就开发新型计量测试仪器和新型高灵敏度、 高稳定性、强抗干扰能力的新型传感器技术。 3. 发展微量机器人。类似的测量仪器已出现，即 Zeiss 的 Scan Max 三坐标测量机。它 是利用了智能机器人技术，但要保证测量量值的计量正确性是一个十分复杂理论和技术问 题。目前已得到了初步解决。 4. 环境保护科学仪器的发展与进步，将是当今和 21 世纪的重点研究领域。有关环保科 学仪器仪表的检测和有关这方面的配套的计量仪器仪表还缺乏。 5. 用于生产安全与防护的科学仪器仪表也还需大力开发与发展。它将成为仪器仪表行 业的新分支。 特点： 1. 新技术的应用，高科技含量增长迅猛。目前普遍采用 EDA（电子设计自动化）、CAM （计算机辅助制造）、CAT（计算机辅助测试）、DSP（数字信号处理）、ASIC（专用集成电 路）及 SMT（表面贴装技术）等。 2. 产品结构变化。一方面注重系统集成，不仅着眼于单机，更注重系统化。另一方面 朝着小型化、实用化、低分析成本方向发展，可以携带到任何需要的地方
3.进一步智能化。发展趋势主要表现在：基于微电子技术和计算机技术的应用实现分 析仪器的自动化，通过计算机控制器和数字模型进行数据采集、运算、统计、分析、处理 提高分析仪器数据处理能力，数字图像处理系统实现了分析仪器数字图像处理功能的发展 分析仪器的联用技术向测试速度超高速化、分析试样超微量化、分析仪器超小型化的方向发 展。 4.分析技术和分析仪器的应用范围日益拓展。 各种常见美型光语仅器的特点 一、紫外可见分光光度计： 最常用、最简单的一类光谱仪器，在有机化学、生物化学、药品分析、食品检验、医药 卫生、环境保护、生命科学等各个领域的科研、生产工作中都得到了极其广泛的应用。 UVI90OPC紫外可见分光光度计仪器特点： 1.光学系统采用全息光栅，可保证0.015%T的低杂散光： 2.单光束扫描式基线记忆系统，基线记忆分辨率0.1nm,双光束动态反馈比例记录测 光系统则保证了基线稳定性： V190OPC紫外可见分光光度计 3.部分仪器显示器采用LCD大屏幕显示、轻触式按键，外观新颖操作方便： 4.仪器具有完善的自检系统，可以检验各执行部件的到位动作状态，并可将结构告知 用户 5完善的计算机其有及打印机输出系统： 6,丰富的定量分析软件和光谱扫描及处理软件：软件可在线升级： 7.有蠕动进样器、超微量池架、恒温池架、光学积分球、镜面反射、光纤附件和比色 皿系列等大量用户可选专用附件，使仪器的应用范围大大扩展：
3. 进一步智能化。发展趋势主要表现在：基于微电子技术和计算机技术的应用实现分 析仪器的自动化，通过计算机控制器和数字模型进行数据采集、运算、统计、分析、处理， 提高分析仪器数据处理能力，数字图像处理系统实现了分析仪器数字图像处理功能的发展； 分析仪器的联用技术向测试速度超高速化、分析试样超微量化、分析仪器超小型化的方向发 展。 4. 分析技术和分析仪器的应用范围日益拓展。 各种常见类型光谱仪器的特点 一、紫外可见分光光度计： 最常用、最简单的一类光谱仪器，在有机化学、生物化学、药品分析、食品检验、医药 卫生、环境保护、生命科学等各个领域的科研、生产工作中都得到了极其广泛的应用。 UV1900PC 紫外可见分光光度计仪器特点： 1. 光学系统采用全息光栅，可保证 0.015%T 的低杂散光； 2. 单光束扫描式基线记忆系统，基线记忆分辨率 0.1nm，双光束动态反馈比例记录测 光系统则保证了基线稳定性； U V1900PC 紫外可见分光光度计 3. 部分仪器显示器采用 LCD 大屏幕显示、轻触式按键，外观新颖操作方便 ； 4. 仪器具有完善的自检系统，可以检验各执行部件的到位动作状态，并可将结构告知 用户 ； 5. 完善的计算机具有及打印机输出系统 ； 6. 丰富的定量分析软件和光谱扫描及处理软件；软件可在线升级 ； 7. 有蠕动进样器、超微量池架、恒温池架、光学积分球、镜面反射、光纤附件和比色 皿系列等大量用户可选专用附件，使仪器的应用范围大大扩展 ；
8.测试波长多达10个甚至更多： 9.测定方法有单波长法、等吸收点双波长法和三点法等多种方法供选择。 还能提供一些附加功能如：波长校准、光度精度复核、波长精度复核、能量最大点寻找（用 于微量测试)、可直接连接P和E印sm打印机打印实验数据和图谱等。二、红外光谱 仪： 红外光谱与分子的结构密切相关，是研究表征分子结构的一种有效手段，与其它方法相 比较，红外光谱由于对样品没有任何限制，它是公认的一种重要分析工具。在分子构型和构 象研究、化学化工、物理、能源、材料、天文、气象、遥感、环境、地质、生物、医学、药 物、农业、食品、法庭鉴定和工业过程控制等多方面的分析测定中都有十分广泛的应用。 红外光谱可以研究分子的结构和化学键，如力常数的测定和分子对称性等，利用红外光 谱方法可测定分子的键长和键角，并由此推测分子的立体构型。根据所得的力常数可推知化 学键的强弱，由简正频率计算热力学函数等。分子中的某些基团或化学键在不同化合物中所 对应的谱带波数基本上是固定的或只在小波段范围内变化，因此许多有机官能团例如甲基， 亚甲基、羰基，氰基，羟基，胺基等等在红外光谱中都有特征吸收，通过红外光谱测定，人 们就可以判定未知样品中存在哪些有机官能团，这为最终确定未知物的化学结构奠定了基 础。 由于分子内和分子间相互作用，有机官能团的特征频率会由于官能团所处的化学环境不 司而发生微细变化，这为研究表征分子内、分子间相互作用创造了条件 分子在低波数区的许多简正振动往往涉及分子中全部原子，不同的分子的振动方式彼此 不同，这使得红外光谱具有像指纹一样高度的特征性，称为指纹区。利用这一特点，人们采 集了成千上万种已知化合物的红外光谱，并把它们存入计算机中，编成红外光谱标准谱图库。 当代红外光谱技术的发展已使红外光谱的意义远远超越了对样品进行简单的常规测试 并从而推断化合物的组成的阶段。红外光谱仪与其它多种测试手段联用衍生出许多新的分子 光谱领域，例如，色谱技术与红外光谱仪联合为深化认识复杂的混合物体系中各种组份的化 学结构创造了机会：把红外光谱仪与显微镜方法结合起来，形成红外成像技术，用于研究非 均相体系的形态结构，由于红外光谱能利用其特征谱带有效地区分不同化合物，这使得该方 法具有其它方法难以匹敌的化学反差。 另外，随者电子技术的日益进步，半导体检测器已实现集成化，焦平面阵列式检测器己 商品化，它有效地推动了红外成像技术的发展，也为未来发展非傅里叶变换红外光谱仪创造 了契机。随着同步辐射技术的发展和广泛应用，现已出现用同步辐射光作为光源的红外光谱 仪，由于同步辐射光的强度比常规光源高五个数量级，这能有效地提高光谱的信噪比和分辨 率，特别值得指出的是，近年来自由电子激光技术为人们提供了一种单色性好，亮度高，波 长连续可调的新型红外光源，使之与近场技术相结合，可使得红外成像技无论是在分辨率和 化学反差两方面皆得到有效提高。人们只需把测得未知物的红外光谱与标准库中的光谱进行
8. 测试波长多达 10 个甚至更多 ； 9. 测定方法有单波长法、等吸收点双波长法和三点法等多种方法供选择。 还能提供一些附加功能如：波长校准、光度精度复核、波长精度复核、能量最大点寻找（用 于微量测试）、可直接连接 HP 和 Epson 打印机打印实验数据和图谱等。 二、红外光谱 仪： 红外光谱与分子的结构密切相关，是研究表征分子结构的一种有效手段，与其它方法相 比较，红外光谱由于对样品没有任何限制，它是公认的一种重要分析工具。在分子构型和构 象研究、化学化工、物理、能源、材料、天文、气象、遥感、环境、地质、生物、医学、药 物、农业、食品、法庭鉴定和工业过程控制等多方面的分析测定中都有十分广泛的应用。 红外光谱可以研究分子的结构和化学键，如力常数的测定和分子对称性等，利用红外光 谱方法可测定分子的键长和键角，并由此推测分子的立体构型。根据所得的力常数可推知化 学键的强弱，由简正频率计算热力学函数等。分子中的某些基团或化学键在不同化合物中所 对应的谱带波数基本上是固定的或只在小波段范围内变化，因此许多有机官能团例如甲基、 亚甲基、羰基，氰基，羟基，胺基等等在红外光谱中都有特征吸收，通过红外光谱测定，人 们就可以判定未知样品中存在哪些有机官能团，这为最终确定未知物的化学结构奠定了基 础。 由于分子内和分子间相互作用，有机官能团的特征频率会由于官能团所处的化学环境不 同而发生微细变化，这为研究表征分子内、分子间相互作用创造了条件。 分子在低波数区的许多简正振动往往涉及分子中全部原子，不同的分子的振动方式彼此 不同，这使得红外光谱具有像指纹一样高度的特征性，称为指纹区。利用这一特点，人们采 集了成千上万种已知化合物的红外光谱，并把它们存入计算机中，编成红外光谱标准谱图库。 当代红外光谱技术的发展已使红外光谱的意义远远超越了对样品进行简单的常规测试 并从而推断化合物的组成的阶段。红外光谱仪与其它多种测试手段联用衍生出许多新的分子 光谱领域，例如，色谱技术与红外光谱仪联合为深化认识复杂的混合物体系中各种组份的化 学结构创造了机会；把红外光谱仪与显微镜方法结合起来，形成红外成像技术，用于研究非 均相体系的形态结构，由于红外光谱能利用其特征谱带有效地区分不同化合物，这使得该方 法具有其它方法难以匹敌的化学反差。 另外，随着电子技术的日益进步，半导体检测器已实现集成化，焦平面阵列式检测器已 商品化，它有效地推动了红外成像技术的发展，也为未来发展非傅里叶变换红外光谱仪创造 了契机。随着同步辐射技术的发展和广泛应用，现已出现用同步辐射光作为光源的红外光谱 仪，由于同步辐射光的强度比常规光源高五个数量级，这能有效地提高光谱的信噪比和分辨 率，特别值得指出的是，近年来自由电子激光技术为人们提供了一种单色性好，亮度高，波 长连续可调的新型红外光源，使之与近场技术相结合，可使得红外成像技无论是在分辨率和 化学反差两方面皆得到有效提高。人们只需把测得未知物的红外光谱与标准库中的光谱进行
比对，就可以迅速判定未知化合物的成份。 红外分光光度计主要作为研究物质结构使用。由于远紫外光易被空气中的氧吸收，测 定远紫外光谱需要在无氧或真空中进行，实验技术较复杂，在临床检验中极少使用。但 Thermo Nicolet公司新近推出IR2O0傅立叶变换红外光谱仪，非常适用于常规实验室分析 使用。傅立叶红外光谱仪是国家药典检测指定仪器。在煤炭行业对游离二氧化硅的监测，卫 生检疫，制药，食品，环保，公安，石油，化工，光学镀膜，光通信，材料科学等诸多领 域该仪器得到了广泛的应用。 根据仪器检测波长范围，分为近红外和远红外分析仪。近红外光谱为800-2500m区 域，应用于定性及定量分析。具有分析速度快、样品制备简单量小、单个光谱可进行多种分 析、不消耗样品及无化学污染等优点，可广泛用于谷物、油料、食品、动物饲料、纺织品、 药品、化工产品等的分析测定。远红外光谱则为8000m以上区域，应用范围更广。 S400/S-410型近红外分析仪 TENSOR27/37红外光谱 仪 Nicolet6700/8700智能傅立叶红外光谱仪 常见近红外仪器有S-400/S410型近红外分析仪。S-400是光栅漫反射型NRS,高近红 外测光精度，小型轻巧可应用于现场测定，主要用于对固体、粉末及颗粒状、涂层等样品化 学、物理性质作快速无损定性、定量分析。S-410是光栅透射型NIRS仪器，使用日本进口 原装PbS制冷器，高近红外测光精度，小型轻巧可应用于现场测定，主要用于对液态样品 的化学、物理性质作快速无损定性、定量分析。 S-400/S-410型近红外分析仪特点 1.近红外定性及定量分析，单通道光谱扫描，自检校正，机内建模，检验及转移模型， 样品分析，多通道运算，通道扫描曲线存储/显示比较打印报告： 2.日本原装进口ps检测器带制冷，积分球反射率95%以上： 3.旋转式样品台背景固定，样品可全方位旋转作多面测定，解决混合不均匀问题：
比对，就可以迅速判定未知化合物的成份。 红外分光光度计主要作为研究物质结构使用。由于远紫外光易被空气中的氧吸收，测 定远紫外光谱需要在无氧或真空中进行，实验技术较复杂，在临床检验中极少使用。但 Thermo Nicolet 公司新近推出 IR200 傅立叶变换红外光谱仪，非常适用于常规实验室分析 使用。傅立叶红外光谱仪是国家药典检测指定仪器。在煤炭行业对游离二氧化硅的监测，卫 生检疫，制药，食品，环保，公安，石油， 化工，光学镀膜，光通信，材料科学等诸多领 域该仪器得到了广泛的应用。 根据仪器检测波长范围，分为近红外和远红外分析仪。近红外光谱为 800-2500nm 区 域，应用于定性及定量分析。具有分析速度快、样品制备简单量小、单个光谱可进行多种分 析、不消耗样品及无化学污染等优点，可广泛用于谷物、油料、食品、动物饲料、纺织品、 药品、化工产品等的分析测定。远红外光谱则为 8000nm 以上区域，应用范围更广。 S-400/S-410 型近红外分析仪 TENSOR 27/37 红外光谱 仪 Nicolet6700/8700 智能傅立叶红外光谱仪 常见近红外仪器有 S-400/S-410 型近红外分析仪。S-400 是光栅漫反射型 NIRS，高近红 外测光精度，小型轻巧可应用于现场测定，主要用于对固体、粉末及颗粒状、涂层等样品化 学、物理性质作快速无损定性、定量分析。 S-410 是光栅透射型 NIRS 仪器，使用日本进口 原装 PbS 制冷器，高近红外测光精度，小型轻巧可应用于现场测定，主要用于对液态样品 的化学、物理性质作快速无损定性、定量分析。 S-400/S-410 型近红外分析仪特点 1. 近红外定性及定量分析，单通道光谱扫描，自检校正，机内建模，检验及转移模型， 样品分析，多通道运算，通道扫描曲线存储/显示比较/打印报告； 2. 日本原装进口 pbs 检测器带制冷，积分球反射率 95%以上； 3. 旋转式样品台背景固定，样品可全方位旋转作多面测定，解决混合不均匀问题；