光谱仪 是什么？

定义与发展历程

• 定义：光谱仪，又称分光仪、光谱分析仪、光学分光计，是将成分复杂的复合光分解为光谱线进行测量和计算的光学仪器，主要用于测定光的波长、频率、强度、轮廓、宽度及其变化规律等。

• 发展历程：1666 年，牛顿在玻璃三棱镜分光实验中发现太阳光谱。1814 年，夫琅禾费设计制成分光装置。1859 年末，克希霍夫与本生制成第一台结构完整的光谱分析仪器。此后，光谱仪不断发展，1918 年美国研制出紫外 - 可见光分光设备，1928 年德国蔡司厂推出第一台商品化摄谱仪，1944 年出现光电法代替摄谱法等，逐渐进入自动化、光电化阶段。中国的光谱仪发展始于 1949 年后，现已建立起完善的研究、设计、生产体系。

工作原理

• 基本原理：应用光学原理，通过光源和照明系统提供光，准直系统将光变为平行光，色散系统把复合光分解为光谱，聚焦成像系统将色散后的光会聚或成像在焦平面上，检测记录和显示系统测量和记录光谱的相关信息，从而对物质的结构和成分等进行测量、分析和处理。

• 光谱分析原理：不同元素的原子具有特定的能级结构，当原子受到能量激发时，外层电子从基态跃迁到激发态，处于激发态的原子不稳定，会跃迁回基态或较低能级，同时释放出特定波长的电磁波，形成特征光谱线。通过识别这些特征光谱线可进行元素的定性分析，依据谱线强度可进行定量分析。

基本组成

• 光源和照明系统：在研究发射光谱时，光源发生器如气体火焰等激发试样获得光谱；研究吸收、喇曼、荧光光谱时，光源用于照射或激发被研究物质。照明系统则尽可能会聚光源辐射的光能量，并传递给仪器。

• 准直系统：一般由入射狭缝和准直物镜组成，入射狭缝成为实际光源，限制进入仪器的光束，其位于准直物镜焦平面上，使发出的光束经准直物镜后成为平行光投向色散系统。

• 色散系统：将入射的复合光分解为光谱，主要有物质色散（如光谱棱镜）、多缝衍射（如光栅）、多光束干涉（如法布里 - 珀涉仪）三类作用原理。

• 聚焦成像系统：把空间上色散开的各波长光束会聚或成像在像物镜的焦平面上，形成分立的线状光谱、小波段范围连续的带状光谱或大范围内连续的连续光谱。

• 检测记录和显示系统：接受各光谱元的信号，测量其波长、强度等组成，并记录和显示成为光谱图，接收系统包括目视接受系统、感光材料接受系统和光电探测系统。

应用领域

• 科研领域：在物理、化学、天文学等学科中，用于研究物质的结构、特性和相互作用，如分析原子、分子的能级结构，研究天体的化学成分和物理状态等。

• 工业领域：在冶金行业可分析金属材料的成分；石油化工行业用于油品质量检测、化工原料分析等；电子工业中可检测半导体材料的特性、镀膜厚度等。

• 环境监测：用于检测空气中的污染物成分、水质中的重金属含量、土壤中的有害物质等，为环境保护和治理提供依据。

• 生物医学领域：可用于血液、尿液等生物样本的成分分析，疾病诊断，药物研发过程中的成分鉴定和质量控制等。

• 农业领域：可分析土壤养分、农作物的化学成分，帮助优化施肥方案、监测农作物生长状况和品质等