分光光度计 Spectrophotometers

2022-10-25 14:45:21 浏览:393

定义

用于测量溶液或固体物体的波长相关透射率或反射率的仪器。

分光光度计是用于测量波长相关光学特性的仪器,例如溶液或固体物体的透射率或反射率。这种设备通常也被称为分光光度计,但术语分光光度计更具体和精确。请注意,使用这种仪器进行测量不会提供光谱(光学强度与波长),而是提供被测样品的波长相关量。

分光光度计可用于不同的光谱区域:

  • 有些仪器只能在可见光谱区域(VIS)中使用,例如用于比色法。
  • 其他的仅适用于紫外线区域(UV),或者另外适用于可见光(UV VIS)。
  • 某些设备是为红外光 (IR) 或仅为近红外 (NIR) 而制造的。
  • 一些紫外可见分光光度计覆盖所有光谱区域。

通常测量的量是波长相关的透射率、吸光度或反射率。在某些情况下,可以测量散射光的量。

分光光度计通常是实验室仪器放在一些桌子上,但也有手持仪器。对于比色法,如果目的只是测量颜色,通常可以简化色度计,仅使用三个(或更多)颜色通道。

扫描分光光度计

大多数分光光度计的基本工作原理是用可变波长的准单色光照亮被研究的物体,并测量光学特性,如反射率,吸光度或光散射程度作为波长的函数。这种仪器被称为扫描分光光度计,因为它们的操作涉及扫描光谱区域。

在大多数情况下,分光光度计包含一个宽带光源(白光源),例如白炽灯或高压气体放电灯,然后是可调谐单色器 - 例如,基于衍射光栅的Czerny-Turner单色器。在单色器之后,人们有一个相对微弱的光束,光束半径通常为几毫米,发散度适中(但比具有相同光束半径的激光束要大得多),可以通过(或发送到)样品。

图 1:扫描单光束分光光度计的基本设置。

只有一小部分来自灯的光到达样品。

在任何时候,只有总产生的光功率的一小部分可用于测量。第一个原因是用过的灯向各个方向发射,并且只能利用在一定小范围方向上辐射的光。此外,一次只使用光谱的一小部分。特别是当需要高光谱分辨率时,可能需要每个波长间隔的长测量时间才能获得足够高的信噪比,并且总体测量时间可能相当长。使用一种同时具有高灵敏度和快速性的光电探测器当然是有帮助的 - 例如,光电倍增管。

可调谐激光可以向样品发送更多的光,但这个概念通常不切实际。

或者,可以使用某种可调谐激光器,它可以提供高出几个数量级的光谱亮度。然后可以大大减少测量时间。然而,可调谐激光器在光谱范围方面受到更多限制,也更昂贵,更难以使用。因此,大多数分光光度计仍然依赖于宽带光源和单色器。

中间解决方案可以是使用超连续源,该源表现出高度的空间相干性,因此还可以提供显着增加的信号电平并相应地减少测量时间。这种光源可以覆盖比可调谐激光器更宽的光谱范围。

如何校准仪器读数?

通常,单色器在扫描不同波长时所获得的强度(更确切地说:光功率)会发生实质性变化,并且还可能另外表现出时间漂移,例如由于温度变化或所用灯的老化。此外,光电探测器的响应度通常与波长相关。出于这些原因,例如,精确测量吸光度或反射率需要比较有或没有被研究物体的强度。

在单光束分光光度计中,使用单独的校准扫描进行校准,其中没有插入样品或参考样品。例如,根据所需的精度,校准扫描可能经常是必要的,或者每天只需要一次。

图 2:设置扫描双光束分光光度计。使用三个相同类型的分束器,可以消除它们的光谱依赖性。

当同时进行两次测量时,可以获得更好的精度和更高的便利性。一种常见的解决方案是使用双光束设置(见图2)。在这里,使用分束器将单色光束分成两束。其中一束通过样品传输到光电探测器;另一个直接到达另一个光电探测器,或通过参考样品传输。一个挑战可能是,在非常大的光谱范围内,分束比几乎不可能与波长无关。例如,通过使用两个或三个这样的分束器,可以解决这个问题,使得每个光束在一个这样的分束器上反射并在另一个这样的分束器上透射,具有相同的光学性质。

而不是两个不同的检测器用于样品和参考,可以使用单个光电探测器,它交替地从样品或参考臂接收光,例如通过某种带有旋转圆盘的斩波器。这也消除了两个探测器之间任何差异的影响。

即使使用双光束分光光度计(或双光束仪器),有时也可能需要进行校准扫描,其中样品被参考样品替换。只有这样,才能确保测量不受设置中任何不对称的影响,例如由灰尘,污垢或未对准引起的不对称。

为了进行精确测量,所研究物体的性质当然应该在扫描所需的时间内近似恒定。例如,当监测以极快的速度发生的化学反应时,这可能是一个问题。

非扫描分光光度计

非扫描分光光度计的基本原理是用宽带光照亮物体,并在光电探测器侧进行光谱分析。这样,可以同时测量所有相关波长的属性,并且假设光谱分析不需要花费太多时间,测量可以相应地更快。

用于分析来自物体的光的光谱仪可能是通常的切尔尼-特纳类型。这种方法在分析透射光或反射光时非常合适,其中分析的光可以很容易地被引导到光谱仪的输入狭缝,但对于在很宽的方向上散射的光则较少,特别是当散射效率也取决于波长时。

光谱分析也可以使用傅里叶变换光谱仪完成;这种技术通常用于红外光谱区域的测量,然后被称为傅里叶变换红外光谱(FTIR)。有关测量原理的更多信息,请参阅有关白光干涉仪的文章。

就扫描分光光度计而言,必须考虑波长相关的源强度(非平坦源光谱)。通常,人们只是比较有和没有样品的测量结果,或者与样品和参考样品进行比较。还有一些仪器包含两个光谱仪,一个用于样品光,一个用于参考光束。

固定波长分光光度计

还有分光光度计,它们只对某些有限数量的固定波长进行测量,这些波长是为特定应用设置的。

分光光度计的性能数据

这些仪器最重要的性能特征是:

  • 可以测量的量(例如仅吸光度,或吸光度和反射率)
  • 可访问的光谱范围,理想情况下为紫外 - 可见光 - 红外
  • 光谱分辨率(固定或可变,通常由单色器限制))
  • 吸光度范围(受光源和检测器灵敏度的限制)
  • 给定光谱范围和分辨率的测量时间

分光光度计的应用示例

比色法

在某些应用中,目的是客观地评估某些物体的颜色,例如印刷材料或纺织品。这有时是必要的,因为人眼对颜色的评估会受到各种干扰影响,例如不同的环境光条件,相邻物体的不同颜色以及不同人之间的感知差异。相比之下,分光光度计可以提供不受此类影响的客观数据。

在工业过程中也有比色法的应用。特别是,质量控制可能取决于颜色属性,因为颜色通常与其他感兴趣的属性相关。

针对比色法优化的分光光度计也称为色度计。它们通常仅适用于可见光,也可能适用于近紫外和近红外光。

激光反射镜的表征

激光反射镜通常以反射光谱来表征,反射光谱还包含有关泵浦注入,输出耦合和抑制不需要的激光线的传输区域的有用信息。

如果使用的分光光度计不直接适合在某些非正常入射下进行测量,则可能必须另外使用额外的高反射镜(例如宽带金属涂层的第一表面反射镜),从而有效地测量被测镜上的双重反射。

物质识别

基于各种物质的特征光谱吸收特征,可以根据宽带吸收光谱识别各种物质,例如液体溶液或气体池中的物质。

浓度测量

溶液的吸光度通常取决于某些吸收物质的浓度。因此,可以根据测量的吸光度值来计算这种浓度。如果不同物质的吸收线不重叠,这一点尤其简单;人们可以简单地使用比尔-兰伯特定律。在更复杂的情况下,由于吸收特征重叠,通常仍然可以从记录的吸收光谱中准确计算不同物质对总吸光度的贡献。

这种测量可以在不同的光谱区域进行,通常在红外线中。

农产品监测

专用分光光度计用于监测农产品的状态。例如,它们可用于确定成熟或烘焙过程的进展程度,如果某些参数超出允许的范围,则发出警报。

光学测量

作          者: 泮桥成像光电商城

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