仪器分析的主要部件-仪器分析

仪器的主要部件有光源、单色器、吸收池、检测器和信号处理与显示器等。

1.光　源

光源是给被测分子的价电子能级跃迁提供辐射能源的部件。对光源要求：一是提供的辐射能强度足够而且稳定，以保证测定的灵敏度和重复性；二是产生连续光谱，以保证对被分析物质进行光谱扫描。一般采用钨灯（可见光）和氘灯（紫外光）联合使用。

钨灯和卤钨灯　钨灯是以炽热金属钨丝发光的光源。钨灯发光范围较广，从红外光、可见光直到紫外光都有，但在波长低于350nm紫外光时强度很弱，单色器只取其波长在350～800nm可见光区波段为工作波长范围，波长高于800nm的光因能量太小，不足以引起分子的价电子能级跃迁而不可取。由于钨灯的钨丝在高温下容易氧化，使其稳定性和寿命都受到影响，故一般采用性能更好的卤钨灯，这种灯的灯泡内含有碘或溴低压蒸气，防止金属丝被氧化，增加发光强度和稳定性、延长工作寿命。

氢灯和氘灯　氢灯是一种气体放电发光的光源，能发射的光谱在350nm以上波长的为线状光谱，在350nm以下波长的为连续光谱，所以单色器只取其波长在190～350nm波段的紫外光作为工作波长范围。波长低于190nm时光强度太弱而不可取。在氢的线状光谱中，波长为Hα656.28nm和Hβ486.13nm两条谱线常用于仪器的波长校正谱线（图2-18）。

图2-18　氢原子光谱

2.单色器

光源发射的光谱，既有连续光谱也有线状光谱，光谱各波段的强弱也并不均衡。所以必须采取一组光学元件，以截取波长和强度都符合要求的谱带，即单色光。这组获取单色光的光学元件就称为单色器，它由进口狭缝、出口狭缝、准直镜、聚焦元件和色散元件组成。单色器的工作原理如图2-19所示。聚焦于进口狭缝的光经准直镜变成平行光，投射于色散元件上，色散元件将平行光中不同波长光的投射方向发生偏转（即色散），色散后的光再经与准直镜相同的聚光镜，聚焦于出口狭缝处，某一波长的色散光能够通过出口狭缝，其它波长色散光发生位移而不能通过出口狭缝，从而获得需要的单色光，用于光度分析。分光光度计就是缘于单色器的分光作用而得名，它是仪器的核心部件。

色散元件有棱镜和光栅两种，早期采用棱镜，现代均采用光栅。

光栅　将高度抛光的表面刻出一定面积范围内的一系列平行、等距、等深的槽，就成为光栅。光栅的分光原理可参阅有关光学物理论述。单色器用的光栅称为闪耀光栅，它属于反射光栅（图2-20），以铝作为反射面，在平滑玻璃表面上刻槽密度一般在600～1200条/mm，近年来采用激光全息技术制作的全息光栅质量更高，已得到普遍应用。

准直镜　它是镀铝的抛物柱面反射镜、聚光镜，它是两个为一组配合使用的，一个准直镜将进入狭缝（焦点）的发散光变成平行光而反射到色散元件上，另一个准直镜将色散元件传来的色散光聚焦于出口狭缝。在每一束平行光里，不同波长的光经过色散元件后反射到第二个准直镜的位置有位移（见虚线）而偏离出口狭缝，使出口狭缝出来的光为单色光。

狭缝　狭缝有台阶式变换宽度和连续可调式宽度两种类型。早期棱镜型单色器采用台阶式变换宽度狭缝，因棱镜色散不均匀，宽度只代表实际狭缝宽度，它可在0～2mm或0～3mm范围内调节；现代光栅型单色器均采用连续可调式宽度狭缝，当进、出口狭缝等宽时，以获得的单色光谱带宽度表示狭缝宽度，直接表达单色光纯度，可在一定范围内调节。

图2-19　单色器光路示意图

图2-20　棱镜色散和光栅色散

α—入射角；β—闪耀角；θ—衍射角(www.xing528.com)

3.吸收池

吸收池是测定时用于盛放被测溶液的方形器皿，俗称比色皿，如图2-21所示。吸收池尺寸有1、2、3cm等规格，1cm吸收池最常用。吸收池的两个对面是透光面，另外两个对面是便于拿取的毛面。吸收池的材质有玻璃和石英两种，玻璃吸收池只能用于可见光区；石英吸收池在紫外-可见光区都可使用。吸收池盛放溶液的量以不超过吸收池高度2/3处为宜，测定时须用擦镜纸将吸收池外壁擦拭干净后才放入池架中，以免腐蚀池架。

图2-21　吸收池

图2-22　光电管检测器示意图

4.检测器

分光光度计的检测器，一般是光电效应检测器，它是将接收到的光辐射功率变成微电流的转换器。从最初的光电池（已淘汰）、光电管，到光电倍增管，以及现代的光电二极管阵列检测器等，体现了光电效应检测器的技术进步。

光电管　光电管是一个由阳极和光敏阴极组成的真空二极管，阴极表面镀有碱金属或碱金属氧化物等光敏材料，当它被有足够能量的光照射时，能够发射出电子。当在阴、阳两极间有电位差时，发射出的电子流向阳极而产生微电流，微电流的大小取决于照射光的强度。光电管有很高的内阻，产生的微电流很容易放大（图2-22）。光电管有紫敏光电管和红敏光电管。紫敏光电管以铯为阴极，适用于200～625nm波长范围；红敏光电管以银氧化铯为阴极，适用于625～1000nm波长范围。

光电倍增管　从产生电子的流路角度来说，光电倍增管是在原光电管阴极和阳极之间加入多个“串联”的电场而组成的。从阴极到阳极之间，组成每一个电场的电极电势等阶式升高，每个电场的电势差（电压）都相同，一般均为90V，以保证个电场的强度相同。每两个电极间都是一个加速电场，也就是一个倍增级，如图2-23所示。

当光照射到第一级的阴极1上时会产生少量电子，这些少量电子在第一级电场作用下，高速撞击阳极2，产生数倍的电子，这些新的数倍电子在第二级电场作用下高速撞击阳极3，产生更多的电子，这样一直重复下去直到第九级，阳极9收集的电子数比阴极1产生的少量电子数多104～108倍，从而使第一级的微电流在第九级也增加到104～108倍，然后经记录、数据处理和显示。这就是光电倍增管放大的基本原理过程。

图2-23　光电倍增管示意图

光电二极管阵列检测器　这是一种光学多通道检测器。在晶体硅上紧密排列一系列光电二极管，每个二极管对应接受光谱上1～2nm谱带宽的单色光（图示见第10章）。阵列中的每个二极管都是一个微型接受器，当光透过晶体硅时，二极管输出的电信号强度与接收的谱带强度成正比。两个二极管中心距离的波长单位称为采样（带宽）间隔，所以在190～820nm谱带宽度范围内，排列的二极管越紧密、数目越多，分辨率越高。

5.信号处理与显示器

光电检测器输出的电信号很弱，需要放大处理才能显示出来。信号处理与显示技术的进步与发展也大大促进了仪器自动化水平。

早期是微电流显示器，后来的发光二极管数码显示器，有吸光度与透光率换算、浓度因素运算等一些简单的数学运算，数显更直观，便于读数与记录；现代仪器的化学工作站，使分光光度计真正实现了自动化，可完成吸光度与透光率互换、光谱扫描、光谱微分与积分、标准曲线绘制、结果记录与显示，以及打印等一切工作。