我國(guó)光譜檢測(cè)設(shè)備發(fā)展現(xiàn)狀分析

邱野+鄭曉義

摘 要：在科學(xué)技術(shù)迅速發(fā)展的今天，人們不僅要求及時(shí)、精確、可靠地獲得有關(guān)物質(zhì)的成分與結(jié)構(gòu)的定量數(shù)據(jù)，而且要求對(duì)物質(zhì)的狀態(tài)、價(jià)態(tài)、結(jié)構(gòu)、微區(qū)與薄層等進(jìn)行縱深分析，這對(duì)現(xiàn)代科學(xué)光譜分析儀器（原子吸收儀、分光光度計(jì)、直讀光譜儀、電感耦合等離子體光譜儀等）提出了越來越高的要求。但是，光譜分析譜線干擾因素多，（以ICP為例，在200～1000nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)據(jù)統(tǒng)計(jì)有100余萬條譜線，平均每0.1nm就分布有100余條，幾乎每個(gè)元素的每條分析線均受到程度不同的譜線干擾），限制了光譜分析技術(shù)的進(jìn)一步應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：光譜分析；檢測(cè)；應(yīng)用

背景干擾與譜線重疊干擾是現(xiàn)有光譜分析儀器中的固有問題，在一些全譜分析儀器如ICP、直讀光譜儀等儀器中尤為突出。這就導(dǎo)致在復(fù)雜混合物影響下，采用一般分辨率光譜儀很難選取一條沒有光譜干擾的分析譜線。

光譜分析具有穩(wěn)定、寬分析范圍、低化學(xué)干擾等特性，大大推動(dòng)了含量分析技術(shù)在環(huán)境、地質(zhì)、醫(yī)學(xué)、科學(xué)研究以及軍事部門中的廣泛應(yīng)用，是測(cè)試技術(shù)中最富有活力的一個(gè)領(lǐng)域。但，傳統(tǒng)的光譜分析采用數(shù)學(xué)上的單變量分析方法，只關(guān)注少數(shù)幾條譜線（通常為分析線的元素靈敏線）的信息，常常忽略包含在眾多譜線中的大部分信息。

1 光譜分析設(shè)備

光譜分析儀，是一種用于測(cè)量發(fā)光體的輻射光譜，即發(fā)光體本身的指標(biāo)參數(shù)的儀器。其工作原理是：將光源輻射出的待測(cè)元素的特征光譜通過樣品的蒸汽中待測(cè)元素的基態(tài)原子吸收，由發(fā)射光譜被減弱的程度，進(jìn)而求得樣品中待測(cè)元素的含量，符合郎珀-比爾定律。

根據(jù)現(xiàn)代光譜儀器的工作原理，光譜儀可以分為兩大類：經(jīng)典光譜儀和新型光譜儀。經(jīng)典光譜儀器是建立在空間色散原理上的儀器，都是狹縫光譜儀器；新型光譜儀器是建立在調(diào)制原理上的儀器，采用圓孔進(jìn)光，是非空間分光的。

根據(jù)色散組件的分光原理，光譜儀器可分為棱鏡光譜儀、衍射光柵光譜儀和干涉光譜儀。光學(xué)多道OMA（Optical Multi-channel Analyzer）是近十幾年出現(xiàn)的采用光子光譜分析儀器。

2 我國(guó)光譜分析設(shè)備的發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)具有代表性的是：重慶大學(xué)溫志渝等人開發(fā)的基于未經(jīng)的紅外光譜儀器和繼承微型近紅外光譜儀，該微型近紅外光譜儀采用MES掃描微鏡，使用集成化技術(shù)，儀器體積大大減小，是國(guó)內(nèi)科研機(jī)構(gòu)最早研制出來的微型近紅外光譜儀。但是由于國(guó)內(nèi)工藝很難有效解決掃描鏡面積和驅(qū)動(dòng)電壓這兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)的匹配，目前正在進(jìn)行多電極驅(qū)動(dòng)掃描微鏡近紅外光譜儀的研究。中科院長(zhǎng)春光機(jī)所開發(fā)出基于固定濾光片的糧食專用型NIR分析儀，鄭建榮等人胭脂了濾光片反射式NIR測(cè)試裝置，對(duì)流化床噴霧制粒生產(chǎn)過程中含水量進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)。國(guó)土資源部現(xiàn)代地球物理開發(fā)實(shí)驗(yàn)室研制出了光柵掃描式便攜NIR抗霧分析儀。中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)研制以LED為光源的便攜式NIR整粒小麥成分測(cè)量?jī)x和NIR玉米品質(zhì)分析儀。此外，浙江大學(xué)、華中農(nóng)業(yè)大學(xué)、石油化工科學(xué)研究院等進(jìn)行了基于光譜分析的視頻安全監(jiān)測(cè)研究，并取得了一定的成績(jī)。

3 現(xiàn)有光譜分析技術(shù)簡(jiǎn)介

3.1 可見與紫外分光光度法

紫外可見分光光度法是根據(jù)物質(zhì)分子對(duì)波長(zhǎng)為200-760nm這一范圍的電磁波的吸收特性所建立起來的一種定性、定量和結(jié)構(gòu)分析方法。

3.2 紅外光譜法

紅外光譜法又稱“紅外分光光度分析法”。簡(jiǎn)稱“IR”，分子吸收光譜的一種。利用物質(zhì)對(duì)紅外光區(qū)的電磁輻射的選擇性吸收來進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析及對(duì)各種吸收紅外光的化合物的定性和定量分析的方法。

3.3分子熒光光度法

分子熒光光譜法又稱分子發(fā)光光譜法或熒光分光光度法，即通常所謂的熒光分析法。該法是一種利用某一波長(zhǎng)的光線照射試樣，使試樣吸收這一輻射，然后在發(fā)射出波長(zhǎng)相同或波長(zhǎng)較長(zhǎng)的光線的化學(xué)分析方法。

3.4 近紅外光譜分析技術(shù)

近紅外光譜主要是由于分子振動(dòng)的非諧振性使分子振動(dòng)從基態(tài)向高能級(jí)躍遷時(shí)產(chǎn)生的，記錄的主要是含氫基團(tuán)X-H（X=C、N、O）振動(dòng)的倍頻和合頻吸收。不同基團(tuán)（如甲基、亞甲基、苯環(huán)等）或同一基團(tuán)在不同化學(xué)環(huán)境中的近紅外吸收波長(zhǎng)與強(qiáng)度都有明顯差別，NIR光譜具有豐富的結(jié)構(gòu)和組成信息，非常適合用于碳?xì)溆袡C(jī)物質(zhì)的組成與性質(zhì)的測(cè)量。

3.5 原子吸收法

原子吸收光譜（Atomic Absorption Spectroscopy，AAS），即原子吸收光譜法，是基于氣態(tài)的基態(tài)原子外層電子對(duì)紫外光和可見光范圍的相對(duì)應(yīng)原子共振輻射線的吸收強(qiáng)度來定量被測(cè)元素含量為基礎(chǔ)的分析方法。

3.5.1原子發(fā)射光譜分析法

用適當(dāng)?shù)姆椒ǎ娀』蛘呋鸹ǖ龋┨峁┠芰?，使樣品蒸發(fā)、汽化并激發(fā)發(fā)光，所發(fā)的光經(jīng)棱鏡或衍射光柵構(gòu)成的分光器分光，得到按波長(zhǎng)序列排列的原子光譜。

3.5.2原子熒光光譜分析

利用原子熒光譜線的波長(zhǎng)和強(qiáng)度進(jìn)行物質(zhì)的定性與定量分析的方法。

3.5.3X射線熒光光譜法

X射線熒光光譜法是利用樣品對(duì)x射線的吸收隨樣品中的成分及其眾寡變化而變化來定性或定量測(cè)定樣品中成分的一種方法。

3.5.4激光拉曼光譜分析法

拉曼光譜分析法是基于印度科學(xué)家C.V.拉曼（Raman）所發(fā)現(xiàn)的拉曼散射效應(yīng)，對(duì)與入射光頻率不同的散射光譜進(jìn)行分析以得到分子振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)方面信息，并應(yīng)用于分子結(jié)構(gòu)研究的一種分析方法。

4 直讀光譜儀的誤差

直讀光譜儀在分析樣品中會(huì)存在測(cè)量誤差，直接關(guān)系到測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此，為了提高光譜分析數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度，在操作時(shí)要求操作者必須嚴(yán)格按照儀器操作規(guī)程進(jìn)行操作，盡量采取有效措施來減少誤差。有些誤差可通過理論分析、實(shí)驗(yàn)估算或數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等進(jìn)行計(jì)算，而有些不可避免的盡量控制在最低限度內(nèi)。

5 總結(jié)

光譜分析一直是測(cè)試技術(shù)中最富有活力的一個(gè)領(lǐng)域，光譜分析技術(shù)以其穩(wěn)定、寬分析范圍、低化學(xué)干擾等特性大大推動(dòng)了含量分析技術(shù)在環(huán)境、地質(zhì)、醫(yī)學(xué)、科學(xué)研究以及軍事部門中的廣泛應(yīng)用。但由于光譜分析譜線干擾多，（以ICP為例，在200～1000nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)據(jù)統(tǒng)計(jì)有100余萬條譜線，平均每0.1nm就分布有100余條。幾乎每個(gè)元素的每條分析線均受到程度不同的譜線干擾），限制了光譜分析技術(shù)的進(jìn)一步應(yīng)用。

鑒于國(guó)內(nèi)相關(guān)技術(shù)水平和制造工藝仍與世界先進(jìn)水平有一定差距，以及國(guó)內(nèi)光譜分析儀器水平遠(yuǎn)低于世界平均水平，我國(guó)光譜分析設(shè)備發(fā)展仍需再接再厲，追趕世界一流仍然任重道遠(yuǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1]李瑞瑞. ARL-3460直讀光譜儀的誤差分析. 1006-4311（2015）22-0085-02. 2015

[2]李剛 原子熒光光譜分析技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展. 四川省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局成都綜合巖礦測(cè)試中心. 2013

作者簡(jiǎn)介

邱野（1995-），女，滿族，遼寧省開原市人，學(xué)生，鄭州大學(xué)物理工程學(xué)院，研究方向：光譜分析及圖像、信號(hào)處理。

鄭曉義（1995-），女，漢族，山東省泰安市人，學(xué)生，鄭州大學(xué)物理工程學(xué)院，研究方向：光譜分析及圖像、信號(hào)處理。