光譜儀（Spectrophotometer），又稱分光儀、光譜分析儀、光學(xué)分光計，是將成分復(fù)雜的復(fù)合光分解為光譜線進行測量和計算的光學(xué)儀器，主要用于測定光的波長、頻率、強度、輪廓、寬度及其變化規(guī)律等。
1666年，英國科學(xué)家艾薩克·牛頓（艾薩克·牛頓）在玻璃三棱鏡分光實驗中發(fā)現(xiàn)了太陽光譜。1814年，德國物理學(xué)家約瑟夫·馮·約瑟夫·馮·夫瑯和費（Joseph von Fraunhofer）設(shè)計制成了分光裝置，并用它觀察太陽光。直到1859年末，德國科學(xué)家克希霍夫（Kirchhoff）與本生（Bunsen）制成了世界上第一臺結(jié)構(gòu)完整的光譜分析儀器，并首次完成了光譜成分的分析，確定了光譜與相應(yīng)的原子性質(zhì)之間的簡單關(guān)系，奠定了光譜定性分析的基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上，他們通過光譜分析法首先于1860年從堿金屬中發(fā)現(xiàn)新元素Rb和Cs。1882年，美國物理學(xué)家羅蘭（Loran）開始研制的衍射光柵，后用凹球面衍射光柵制成了太陽光譜圖。到了現(xiàn)代，美國、德國、瑞士等國家先后研制出了紫外-可見光分光設(shè)備、石英光攝譜儀、直讀光譜儀等，致使光譜儀器開始進入商品化發(fā)展階段。隨著技術(shù)逐漸成熟，光譜儀進入自動化、光電化階段，光譜儀的光譜分析速度和光譜分析精度得到的極大提高，并開始應(yīng)用于各行各業(yè)。而光譜儀在中國的發(fā)展則是在1949年新中國成立后才逐漸開始，經(jīng)過幾十年的研究和實踐，目前中國國內(nèi)已建立起一個比較完善的光譜儀器研究、設(shè)計、生產(chǎn)體系，并且中國產(chǎn)的光譜儀器已經(jīng)能裝備國內(nèi)科技和國民經(jīng)濟各部門。
根據(jù)光學(xué)部件，光譜儀可分為單色儀和多色儀。光譜儀一般由光源和照明系統(tǒng)、準(zhǔn)直系統(tǒng)、色散系統(tǒng)、聚焦成像系統(tǒng)、檢測記錄和顯示系統(tǒng)組成。其工作原理是應(yīng)用光學(xué)原理，對物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和成分等進行測量、分析和處理，具有分析精度高、測量范圍大、速度快等優(yōu)點。目前，光譜儀已經(jīng)廣泛應(yīng)用于冶金、地質(zhì)、石油、化工、醫(yī)藥衛(wèi)生、環(huán)境保護等部門，也是軍事偵察、宇宙探索、資源和水文探測等必不可少的遙感設(shè)備。
發(fā)展簡史
早期發(fā)展
1666年，英國科學(xué)家牛頓在棱鏡分光實驗中發(fā)現(xiàn)了太陽光譜，他利用三棱鏡將太陽光分解成紅、橙、黃、綠、蘭、、紫七種顏色的光分散在不同位置上——即形成一道彩虹，這種現(xiàn)象叫光譜。這個實驗就是光譜的起源，這個實驗證明太陽光實際上是復(fù)合光。1814年，德國物理學(xué)家、光學(xué)儀器專家夫瑯禾費研究太陽光譜中黑斑的相對位置時，采用狹縫裝置改進光譜的成像質(zhì)量把那些主要黑線繪出光譜圖。1822年，他又用玻璃光柵重新測量了太陽光譜，光譜是用感光底片記錄的。金屬光柵和玻璃光柵均為分光器件，感光底片是探測器，這個裝置被后人看作是光譜儀的雛形。1859年，德國科學(xué)家基爾霍夫和德國科學(xué)家本生做了用燈焰燒灼食鹽的實驗，得出基爾霍夫定律，并由此判斷太陽大氣中元素吸收導(dǎo)致了太陽光譜暗線的現(xiàn)象，且物質(zhì)發(fā)出和吸收的波長相同。1859年末，基爾霍夫與本生制備出第一臺結(jié)構(gòu)完整的光譜分析儀器，首次完成了光譜成分的分析，通過光譜分析法首先于1860年從堿金屬中發(fā)現(xiàn)新元素Rb和Cs。后人們又相繼發(fā)現(xiàn)一系列新元素，如Tl（1862年）、In（1863年）、Ga（1875年）、He（1895年）以及Ne、Ar、Kr、Ge、Sc、Pr、Nd、Sm、Ho、Yb和Tm等，為光譜分析開始了實用階段。此后基爾霍夫與本生提出在一定條件下所有物質(zhì)都具有各自特殊的光譜，初步建立了光譜研究的理論基礎(chǔ)。1882年，美國物理學(xué)家羅蘭研制出的高精度螺桿驅(qū)動式光柵刻線機，能在一塊25平方英寸的金屬板上刻出每英寸43000條線的光柵。接著又發(fā)明了有自聚焦作用的凹球面衍射光柵，后來用此種光柵制成了約有14000條譜線的太陽光譜圖，沿用了很長時間。他用凹球面衍射光柵重新測量了太陽的譜線，獲得了精度比前人高10倍以上的太陽光波長表。
現(xiàn)代發(fā)展
1918年，美國研制出紫外-可見光分光設(shè)備。1925年，格拉奇提出內(nèi)標(biāo)法原理，奠定了光譜定量分析的基礎(chǔ)。1928年，德國蔡司廠開始了光攝譜儀的研究，并設(shè)計制作出了第一臺商品化攝譜儀Q-24中型石英攝譜儀。1930年，羅馬金和賽伯用實驗方法建立了光譜線的譜線強度與分析物含量之間的經(jīng)驗關(guān)系式，此式至今仍是光譜定量分析的一個基本公式，即賽伯一羅馬金公式。1944年，海斯勒和迪特用光電法代替了攝譜法。自1945年迪克和克羅斯懷特介紹了用于大型光柵攝譜儀的光電直讀儀以來，在20世紀(jì)50～60年代光譜儀器得到了逐步完善。1954年，賈雷爾-阿什（Jarrell-Ash）公司生產(chǎn)了第一臺平面光柵攝譜儀，隨后光譜分析成為了工業(yè)的重要分析方法。1959年，澳大利亞GBC公司推出第一臺原子吸收光譜儀。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，光譜儀也逐漸開始光電化和自動化。1990年出現(xiàn)了以中階梯雙色散系統(tǒng)的“全譜型”ICP-AES商品儀器，使AES儀器從結(jié)構(gòu)到性能上進入高端發(fā)展階段。目前，世界上已有許多國家生產(chǎn)原子光譜儀，制造的儀器種類很多，性能和用途十分廣泛。
中國發(fā)展
1949年新中國成立以后，中國的光譜儀器工業(yè)得到了長足的發(fā)展。20世紀(jì)50年代末，加裝了光電直讀設(shè)備的攝譜儀開始應(yīng)用于鋁、銅、鋅等有色金屬的分析，定性的光電光譜儀也于60年代開始試制。1962年，中國成功研制了分光光度計；1963年，又成功研制了質(zhì)譜計；1969年，試制成功了中原地區(qū)第一臺WPG-100型1米平面光柵攝譜儀。1972年，北京第二光學(xué)儀器廠與冶金部鋼鐵研究院等單位合作，研制成功了中國第一臺WZG-200真空光量計。1975和1978年分別成功研制了核磁共振波譜儀和氣相色譜儀、紫外-可見分光光度計。1982年，推出了7501-A和7503-A型火花光電直讀光譜儀；1984年，北京二光儀器廠研制了7502-B型ICP多道光電直讀光譜儀；1992年推出測控系統(tǒng)小型化和計算機化的7501-B（真空型）和7503-B型光電直讀儀器，性能達到了當(dāng)時國外同類儀器的水平。北京光學(xué)儀器廠試制成功多塊600條/毫米、1200條/毫米平面和凹面光柵。此外，中國北京第二光學(xué)儀器廠（瑞利）生產(chǎn)了WFX系列原子吸收光譜儀、AF-610原子熒光光譜儀；北京地質(zhì)儀器廠（海光）生產(chǎn)了WLYl00ICP光譜儀、GGX系列原子吸收光譜儀、AFS系列原子熒光光譜儀等。這些光譜儀被廣泛地應(yīng)用于地質(zhì)、冶金、環(huán)保、生物、醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)、化工等部門的各類樣品的分析。至今，中國光譜儀專利申請數(shù)量已達到4000余項。中國國內(nèi)已建立起一個比較完善的光譜儀器研究、設(shè)計、生產(chǎn)體系，并且中國產(chǎn)的光譜儀器已經(jīng)能裝備國內(nèi)科技和國民經(jīng)濟各部門。
基本組成
光源和照明系統(tǒng)
在研究物質(zhì)的發(fā)射光譜時，是用光源發(fā)生器，如氣體火焰、交流或直流電弧以及電火花號激發(fā)試樣——被研究的物質(zhì)來獲得光譜的，因此光源就是被研究的對象。在研究物質(zhì)的吸收光譜、喇曼光譜、熒光光譜時，光源是用來照射或激發(fā)被研究的物質(zhì)的。照明系統(tǒng)是用來盡可能多地會聚光源輻射的光能量，并傳遞給儀器的準(zhǔn)直系統(tǒng)。不同的光譜技術(shù)和不同的檢測記錄系統(tǒng)對照明系統(tǒng)的要求也不同。但是，聚光本領(lǐng)要大，并且和儀器主體的相對孔徑相匹配，保證充滿色散系統(tǒng)的通光孔徑，這一要求則是共同的。
準(zhǔn)直系統(tǒng)
光譜儀的準(zhǔn)直系統(tǒng)一般由入射狹縫和準(zhǔn)直物鏡組成。對于儀器內(nèi)部的系統(tǒng)而言，入射狹縫成為替代的、實際的光源，限制著進入儀器的光束。入射狹縫位于準(zhǔn)直物鏡的焦平面上。這樣，由它發(fā)出的光束經(jīng)準(zhǔn)直物鏡后成為平行光東投向色散系統(tǒng)，造成約瑟夫·馮·夫瑯和費的衍射條件。
色散系統(tǒng)
光譜儀的色散系統(tǒng)是將入射的復(fù)合光分解為光譜。經(jīng)典的光譜儀器所采用的色散系統(tǒng)，按其作用原理主要分為三類。第一類是物質(zhì)色散，不同的波長的輻射在同一介質(zhì)中傳播的速度不同，因而折射率不同，具體的元件形式是光譜棱鏡。第二類是多縫衍射，不同波長的輻射在同一入射條件下射到多縫上，經(jīng)過衍射后，其衍射主極大的方向不同。具體的元件是光柵。第三類是多光束干涉，一束包含各種波長的輻射在平板上被分割成多支相干光束，根據(jù)干涉光束互相加強的條件，各波長的干涉極大值位于空間上不同點。常用的元件是法布里-珀羅干涉儀。
聚焦成像系統(tǒng)
光譜儀的聚焦成像系統(tǒng)是把在空間上色散開的各波長的光束會聚或成像在像物鏡的焦平面上，形成一系列按波長排列的單色狹縫象。單色狹縫象的集合一共有三種情況，分別是：分立的、線狀的線狀光譜；在小波段范圍里連續(xù)的帶狀光譜；在大范圍內(nèi)連續(xù)的連續(xù)光譜。
檢測記錄和顯示系統(tǒng)
檢測記錄和顯示系統(tǒng)是在經(jīng)過前面幾個系統(tǒng)將入射的復(fù)合光展開成光譜后，接受各光譜元的信號，并測量其組成，包括波長、強度、輪廓、寬度等，然后記錄和顯示成為光譜圖。目前光譜儀的接收系統(tǒng)有三種。第一種是目視接受系統(tǒng)，接收元件是眼睛；第二種是感光材料接受系統(tǒng)，接收元件是光譜感光板；第三種是光電探測系統(tǒng)，探測元件有光電器件、熱電器件、氣體探測器、光聲池等單通道探測器以及光電成象器等。
基本分類
按工作原理
參考資料來源：
按色散原理
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按光譜范圍
參考資料來源：
按功能結(jié)構(gòu)
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性能指標(biāo)
應(yīng)用領(lǐng)域
參考資料來源：
維修保養(yǎng)
環(huán)境要求
為了光譜儀器的安全和準(zhǔn)確，在實際使用時，除了要將光譜儀放置在穩(wěn)固的工作臺上，還要對其周圍的環(huán)境多加注意。一、室內(nèi)溫度要控制在15-28℃，溫度過高會使光譜儀失焦，造成譜線清晰度變壞。二、室內(nèi)要保持清潔，灰塵過多，容易滲入儀器內(nèi)部，沾污光學(xué)元件表面，直接影響儀器的透過率，以至損壞光學(xué)元件的表面。三、工作者進入室內(nèi)要穿工作服和工作鞋，且室內(nèi)不允許腐蝕性（酸性或堿性等）氣體、蒸汽或煙霧的存在，以免腐蝕光學(xué)元件表面、金屬機件和電子元件。
一般維護
光譜儀的維護工作對儀器性能影響很大，維護不當(dāng)，會影響光譜質(zhì)量，降低儀器靈敏度，以至不能正常使用。維護儀器一方面是防止光學(xué)元件的積塵、印跡和霉霧，另一方面是防止金屬部件的銹蝕。因此，實驗室必須設(shè)在灰塵較少的地方，電極架上必須裝有通風(fēng)設(shè)備，儀器必須備有防塵罩、保護蓋和防塵插板。室內(nèi)和儀器上的積塵，要用軟毛刷、皮吹風(fēng)或吸塵器清除。工作者不可用手指觸摸光學(xué)元件表面，不可在清洗金屬零件時將油污沾在光學(xué)元件上。如果光學(xué)元件沾上了指印或油跡，可以采用乙醇、乙醚等清洗。不要用手接觸光學(xué)表面，不要向儀器內(nèi)部呼氣，不要讓油脂進入儀器內(nèi)部(潤滑油要降低揮發(fā)性)， 注意關(guān)閉譜窗， 保持儀器內(nèi)部和光學(xué)元件的清潔。儀器的外露部件要定期用汽油清洗，用適宜的防銹油保護。對經(jīng)常接觸的電鍍手輪，最好用ep有機涂層保護。此外，還要注意保護儀器的漆面，防止撞損、劃痕，不要用香蕉水和酸、堿等揩擦。
重要部件
光譜儀的重要部件有狹縫、透鏡、棱鏡、反射鏡、凹面鏡、光柵以及其他機械部件，如果在使用中弄臟、損壞、失調(diào)等，必須及時進行維修。針對狹縫維修，在拆物鏡時，只能松開一個壓圈，不可松開兩個壓圈。維修光柵時，要防止酸氣、 氯氣、汞蒸氣、唾沫、呼氣、指印、油脂和灰塵對光柵的危害。短期不用時，必須蓋好光柵蓋；長期擱置時，必須把光柵放入干燥器中。維修反射鏡時，拆卸前要先做好鏡座在底座上位置的記號，記下零級象正中時的波長鼓輪讀數(shù)，然后把整個鏡組拆下。對有二氧化硅膜的鋁鏡，可用純乙醚或乙醚酒精混合液清洗。清洗或重鍍后，應(yīng)對準(zhǔn)原來記號把鏡座裝在底座上，然后檢查零級象是否偏離。對于機械部件，當(dāng)機械快門失靈時，應(yīng)更換彈簧。電磁快門失靈時，要更換吸鐵或調(diào)節(jié)吸鐵的活動導(dǎo)向。維護透鏡和棱鏡時，普通透鏡和棱鏡上的水跡、油漬、指印、灰塵、臟物和輕度的霉霧，可用脫脂棉蘸酒精乙醚混合液揩擦除去。氟化鋰透鏡和棱鏡的沾污可用純乙醚清洗除去。石鹽（NaCl或氯化鉀）透鏡和棱鏡的沾污，只能用軟毛刷或擦鏡紙拂去。清洗透鏡和棱鏡時，最好不要把它們拆卸下來。如果滾動軸承與導(dǎo)軌接觸不良，可以通過調(diào)節(jié)軸承的偏心軸進行補償。為了消除儀器的漏光現(xiàn)象，必須在接縫處涂以黑色油灰，在漏光處用長絲絨密封或加蓋永久性金屬防光罩。暗箱漏光，則需在插板槽中墊以絨布密封。
發(fā)展趨勢
光譜儀器有著一百多年的發(fā)展歷史，現(xiàn)仍在不斷的發(fā)展中。一方面，它隨著光譜學(xué)和光譜技術(shù)，及其它利用光譜學(xué)和光譜技術(shù)作為研究分析手段的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展而發(fā)展，出現(xiàn)新型的光譜儀器。另一方面，由于電子技術(shù)、微機技術(shù)、激光技術(shù)的迅速發(fā)展和引進，經(jīng)典或常規(guī)的光譜儀器在工作原理未變的基礎(chǔ)上，已大大改變了面貌，成為光、機、電、微機等高級技術(shù)結(jié)合的精密的、自動化的儀器，近年來正在向智能化方向邁步，在計算機的控制下，光譜儀器能自動地確定最佳工作參數(shù)，而且光譜儀器的自動化和智能化還將繼續(xù)發(fā)展下去。此外，當(dāng)今社會許多新技術(shù)的發(fā)展，推動了新的光譜技術(shù)的發(fā)展，從而促進新型光譜儀的研究工作。而激光光電流光譜技術(shù)能直接記錄電信號，可以用來直接研究各種氣體，是很有發(fā)展前途的一種激光光譜技術(shù)。雖然目前還處在實驗研究階段，但預(yù)期不久的將來會成為重要的研究工具。
參考資料 >
拉曼光譜儀的基本介紹、工作原理及主要用途.浙江省科學(xué)技術(shù)廳.2024-03-15