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概述
调研大纲

光谱仪又被称作分光仪或光谱分析仪,是一种能够把成分复杂的复合光分解成光谱线,并对其进行测量和计算的光学仪器。其主要功能在于测定光的波长、频率、强度、轮廓、宽度及其变化规律等。牛顿在 1666 年通过玻璃三棱镜分光实验发现了太阳光谱,这成为光谱仪发展的重要起源。此后,经过不断的技术演进,光谱仪逐渐发展成为现代科学研究和工业生产中不可或缺的分析工具。​

光谱仪的分类方式丰富多样,按照原理来划分,可分为吸收光谱仪、发射光谱仪和旋光光谱仪。吸收光谱仪基于物质对特定波长光的吸收特性,通过测量光被吸收后的强度变化,来分析物质的成分和结构,在有机化合物、生物大分子等的分析中应用广泛;发射光谱仪则是利用物质受到激发后发射出特定波长光的特性,根据发射光的波长和强度,确定物质的元素组成和含量,常用于元素分析和痕量分析;旋光光谱仪通过测量物质对偏振光的旋转角度,来推断物质的分子结构和浓度,在化学和生物领域的手性化合物分析中发挥着关键作用。​

从应用角度分类,光谱仪可分为分子光谱仪和原子光谱仪。分子光谱仪主要用于研究分子的结构和性质,通过分析分子对光的吸收、发射或散射,获取分子的振动、转动等信息,在有机化学、生物化学等领域应用广泛;原子光谱仪则专注于分析原子的特征光谱,以此确定样品中元素的种类和含量,在冶金、地质、环境监测等领域发挥着重要作用。​

根据市场调研发现,依据色散元件的差异,光谱仪又可分为棱镜光谱仪、光栅光谱仪和干涉光谱仪。棱镜光谱仪利用棱镜对不同波长光的折射率不同,使复合光发生色散,从而将其分解为不同波长的光谱线,结构相对简单,但色散率和分辨率有限;光栅光谱仪则通过光栅的衍射作用,将复合光分解为光谱,具有较高的色散率和分辨率,应用较为广泛;干涉光谱仪基于光的干涉原理,通过测量干涉条纹的变化来获取光谱信息,具有极高的分辨率,常用于高精度的光谱分析。

光谱仪的工作原理紧密关联光的色散、吸收、散射等现象。光的色散是指光在不同介质中传播时,由于不同波长的光具有不同的折射率,从而导致光被分解成不同颜色或波长的光谱。例如,太阳光通过三棱镜时,会被分解成红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫等七种颜色的光,这就是光的色散现象。在光谱仪中,常利用棱镜或光栅等色散元件来实现光的色散,将复合光分解为单色光。​

光的吸收是指物质对特定波长的光具有吸收作用,当光照射到物质上时,特定波长的光会被物质吸收,导致通过物质的光强度减弱。这种吸收特性与物质的分子结构、化学组成和电子状态等因素密切相关。不同物质对光的吸收具有选择性,每种物质都有其独特的吸收光谱。通过测量物质的吸收光谱,可以推断出物质的成分和结构信息。例如,紫外 - 可见光谱分析就是利用物质对紫外和可见光的吸收特性,来分析物质的组成和结构,常用于有机化合物、生物大分子、金属络合物等物质的定性和定量分析。​

光的散射是指当光照射到物质上时,部分光会偏离原来的传播方向,向四面八方散射。散射光的强度、方向和波长等特性与物质的颗粒大小、形状、浓度以及光的波长等因素有关。拉曼光谱分析就是基于物质对光的散射效应,当光与物质分子相互作用时,会发生拉曼散射,散射光的频率与入射光的频率存在差异,通过测量这种频率差,可以获取分子振动和转动的信息,从而用于有机和无机化合物的结构分析。​

光谱仪通过检测物质与特定波长光的相互作用,能够实现对物质成分和结构的分析测量。在实际应用中,首先需要选择合适的光源,提供具有连续波长分布的电磁辐射,如紫外可见光谱区、红外光谱区或荧光光谱区的光源。然后,让光源发出的光照射到样品上,样品与光发生相互作用,产生吸收、发射或散射等现象。接着,利用色散元件将通过样品后的光分解为不同波长的光谱,再通过聚焦成像系统将色散后的光会聚或成像在焦平面上。最后,由检测记录和显示系统测量和记录光谱的相关信息,生成光谱图。通过对光谱图的分析,如识别特征光谱线的波长和强度,与已知的标准光谱进行比对,从而确定物质的成分和结构。

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