什么是光譜儀？

任何光學(xué)光譜儀的核心部件都是按波長分離光線的組件。

見的是衍射光柵——一種刻有重復(fù)凹槽的材料片，當(dāng)光線從其表面反射或透過時，會以與波長成比例的角度發(fā)生衍射和彎曲。

棱鏡——或者光柵和棱鏡的組合——也可以用來以這種方式彎曲和分離光線。這種按波長的彎曲和分離稱為色散。

如果在色散元件后放置一個相機(jī)，我們就可以確定不同波長的光線落在相機(jī)上的哪個位置。

光學(xué)光譜儀的組成部分有哪些？

光源

光源的類型高度依賴于實驗需求，例如激光器、HgAr校準(zhǔn)燈、氘燈和樣品發(fā)的光。

翻轉(zhuǎn)鏡

用于在需要快速切換多個實驗裝置時，在直接輸入和側(cè)輸入輸出之間進(jìn)行切換。（鏡面材料/涂層的選擇會影響光譜儀的光通量效率）。

球面/環(huán)面鏡

用于將狹縫或針孔發(fā)出的光進(jìn)行準(zhǔn)直，并將其導(dǎo)向衍射元件，同時將來自衍射元件的分散光聚焦到探測器上與波長相關(guān)的區(qū)域。（鏡面材料/涂層的選擇會影響光譜儀的光通量效率）。

衍射元件（如光柵、棱鏡或光柵）

根據(jù)光的波長，用于將光分散到不同的角度。

（衍射元件材料/涂層的選擇會影響光譜儀的光通量效率）。

探測器/攝像機(jī)

一旦光在光譜儀中按波長分散，通常希望用探測器或相機(jī)測量這些光。探測器/相機(jī)的

選擇高度依賴于實驗需求，通常由安多公司的專家與客戶討論后決定，基于客戶

的實驗要求。影響探測器/相機(jī)選擇的因素包括光敏感度、時間門控、采集速度、光譜

范圍、探測器寬度/高度、客戶預(yù)算等。

Czerny-Turner光譜儀

切尼-特納光譜儀是設(shè)計堅固和成熟的光譜儀之一。它使用一個彎曲（環(huán)形）的鏡子來收集光源發(fā)出的光線，并將其準(zhǔn)直（或使光線平行）后反射到平面衍射光柵上。該光柵安裝在精密旋轉(zhuǎn)臺上，能夠?qū)⒐庠窗l(fā)出的光線分散并反射到第二個彎曲（環(huán)形）的鏡子上，該鏡子將之前準(zhǔn)直的光線聚焦到探測器上的不同位置，以檢測每個波長的光線。通過旋轉(zhuǎn)光柵，可以將不同范圍的波長照射到探測器上。通過在光柵或光譜儀焦距之間切換，可以不同程度地分散光線，以實現(xiàn)不同的波長分辨率。

中階梯光柵光譜儀

大多數(shù)光譜儀設(shè)計使用單軸色散——光僅在一個方向上按波長分離。當(dāng)需要測量非常寬的波長范圍時，多個衍射級次可能會重疊。然而，如果在設(shè)計中加入第二個色散元件，這些級次可以被分開，形成二維“階梯圖”，結(jié)合了寬帶和高分辨率。階梯光譜儀是的選擇，適用于同時測量從紫外到近紅外的廣泛波長范圍，而不犧牲光譜分辨率。

光譜儀是如何工作的？

光譜學(xué)過程

使用透射光譜儀測量樣品在近紫外至可見光譜區(qū)域的吸收（或反射/透射/發(fā)射）。光譜儀由光源、色散元件、樣品室和檢測器組成。光源產(chǎn)生的寬帶光通過色散元件轉(zhuǎn)換為單色光，并穿過樣品。樣品后的光強(qiáng)度由檢測器測量。通過掃描色散元件，可以產(chǎn)生并測量從近紫外到可見光的波長。通過比較樣品后光的強(qiáng)度與樣品前光的強(qiáng)度，生成透射光譜。早期的光源，如弧燈或金屬絲，最近已被發(fā)光二極管（LED）取代。色散元件可以是單色儀中的棱鏡或光柵。掃描式單色儀使用單個光電二極管檢測器和光電倍增管，而固定式單色儀則使用CCD、光電二極管陣列。CCD和光電二極管陣列可以同時測量多個波長的光，從而實現(xiàn)更快的測量。

光譜儀的用途是什么？

光學(xué)光譜儀可用于多種不同的光譜技術(shù)，從紫外到NIR和SWIR，適用于各種尺寸和時間尺度。在以下章節(jié)中，我們將介紹不同的光譜技術(shù)，包括：

1. 喇曼光譜法
2. 發(fā)光／PL光譜學(xué)
3. 吸收/透射光譜
4. SFG/SHG光譜
5. LIBS/OES光譜學(xué)
6. 材料科學(xué)光譜學(xué)
7. 化學(xué)與催化光譜學(xué)
8. 表面增強(qiáng)拉曼光譜（SERS）技術(shù)
9. 多維超快光譜技術(shù)
10. 穩(wěn)態(tài)熒光光譜技術(shù)
11. 燃燒／流體動力學(xué)光譜

1. 拉曼光譜

拉曼光譜是一種非破壞性技術(shù)，用于測量樣品的振動模式。拉曼光譜測量散射光，這些光可能因分子中振動能級之間的躍遷而失去或獲得能量。產(chǎn)生的光譜極其具體地反映了樣品的化學(xué)成分、分子環(huán)境和溫度。拉曼光譜的一些應(yīng)用包括用于藥物質(zhì)量控制、法醫(yī)鑒定和遠(yuǎn)程爆炸物及檢測的化學(xué)品正確定位，作為凝聚態(tài)和氣相系統(tǒng)中分子動力學(xué)的敏感探針，監(jiān)測低維材料中的缺陷和應(yīng)變，以及醫(yī)學(xué)診斷。拉曼光譜的子類包括表面增強(qiáng)拉曼（SERS）共振拉曼、增強(qiáng)拉曼、偏振拉曼和超拉曼。

2. 發(fā)光／PL光譜學(xué)

發(fā)光是指物質(zhì)在低溫下自發(fā)地發(fā)出光（不是由熱產(chǎn)生的）。發(fā)光的一些例子包括化學(xué)發(fā)光、生物發(fā)光和電致發(fā)光。光致發(fā)光是指物質(zhì)吸收光子后自發(fā)地發(fā)出光。它被分為兩個亞類；熒光，涉及單線態(tài)-單線態(tài)電子弛豫，發(fā)生在納秒級；以及壽命更長的磷光，由三線態(tài)-三線態(tài)電子弛豫引起，可持續(xù)從微秒到數(shù)小時。磷光廣泛用于表征半導(dǎo)體的光電性能、材料純度和晶體質(zhì)量，載流子壽命和應(yīng)變效應(yīng)。磷光還用于研究低維材料中的載流子動力學(xué)，例如納米晶體中的量子限制效應(yīng)。

3. 吸收/透射光譜

吸收/透射光譜學(xué)是指樣品對輻射的吸收隨波長（或頻率）變化的現(xiàn)象。吸收/透射光譜學(xué)可以在整個電磁頻譜范圍內(nèi)進(jìn)行，從高能X射線驅(qū)動內(nèi)殼層電子激發(fā)，到低能無線電波輻射中電子和核自旋可以被激發(fā)。吸收/透射光譜學(xué)既具有特異性又具有定量性，在化學(xué)分析和量化樣品中物種數(shù)量方面特別有用。它還用于遠(yuǎn)程傳感應(yīng)用，如天文學(xué)中的星際分子云化學(xué)成分分析，或作為原子和分子電子結(jié)構(gòu)的敏感探針，可用于確定原子和分子的質(zhì)量及幾何結(jié)構(gòu)。

4. SFG/SHG光譜

和頻生成（SFG）是一種非線性過程，其中兩個角頻率分別為ω1和ω2的光子在介質(zhì)中相互作用，產(chǎn)生一個角頻率為ω3的光子。由于信號強(qiáng)度取決于輸入場的乘積，通常使用具有高峰值電場強(qiáng)度的激光器。二次諧波生成（SHG）是SFG的一個特例，此時ω 1 = ω2，是見的SFG類型。由于SFG只能在物質(zhì)不對稱的情況下發(fā)生，因此特別適用于表征表面和界面的特性。SFG還用于測量表面的電子和振動動力學(xué)。SHG是一種制造新型激光器的常用技術(shù)，也用于表征超短激光脈沖（低于1皮秒）。使用SHG的研究應(yīng)用包括在高分辨率光學(xué)顯微鏡中檢測非對稱物質(zhì)以及表征晶體材料。 二次諧波生成（SHG）是一種光譜技術(shù)，由于對稱性限制，對測量分析物的表面具有的敏感性。SHG用于研究脂質(zhì)體生物層和固體基底上的支撐雙層的表面，允許研究膜表面生物分子的分子相互作用和脂質(zhì)體雙層中分子傳輸?shù)膭恿W(xué)。

5. LIBS/OES光譜學(xué)

光學(xué)發(fā)射光譜法（OES）是一種將樣品加熱到高溫，使樣品中的電子被激發(fā)到高能態(tài)的技術(shù)。隨著樣品冷卻，電子弛豫并發(fā)出可見光譜區(qū)域（OES）的輻射。發(fā)射的輻射頻率具有樣品原子特性的特征，可用于確定材料的元素組成。有幾種加熱樣品的方法；包括電感耦合等離子體（ICP）、火焰電離、電弧和火花。激光誘導(dǎo)擊穿光譜法是發(fā)射光譜學(xué)的一個特定分支，其中高強(qiáng)度激光聚焦于樣品上形成等離子體，使樣品原子化并激發(fā)。電子從其激發(fā)態(tài)弛豫并在激發(fā)后幾微秒內(nèi)發(fā)出輻射。所得光譜可用于分析樣品的元素含量。激光誘導(dǎo)擊穿光譜法已應(yīng)用于金屬合金表征、危險物質(zhì)檢測、遠(yuǎn)距離化學(xué)物檢測、爆炸殘留物檢測以及油漆和土壤中鉛的檢測。

6. 材料科學(xué)光譜學(xué)在納米、微米或宏觀尺度上對固體進(jìn)行操控和/或表征，以開發(fā)適用于太陽能/光伏電池、儲能、LED、新型催化劑、化學(xué)檢測器、生物醫(yī)學(xué)設(shè)備等眾多應(yīng)用的新材料。該領(lǐng)域的許多研究人員能夠以高精度和可重復(fù)性地表征各種材料的化學(xué)、結(jié)構(gòu)、電子和/或光學(xué)性質(zhì)，這些研究通常采用拉曼、光致發(fā)光/熒光/陰極發(fā)光、吸收、光發(fā)射光譜和激光誘導(dǎo)擊穿譜、二次諧波生成或暗場散射等探測技術(shù)。研究人員經(jīng)常測量結(jié)構(gòu)變化、光子學(xué)特性、缺陷的存在、應(yīng)變/應(yīng)力下的行為、電子行為以及許多其他物理材料特性。近期感興趣的材料包括：低維納米晶體、過渡金屬二硫?qū)倩铮═MDs）、有機(jī)半導(dǎo)體（如OLED）和等離子體超材料。
7. 化學(xué)與催化光譜學(xué)

化學(xué)和催化領(lǐng)域有許多小眾研究應(yīng)用，涉及多種專門的光譜技術(shù)，這些技術(shù)通常需要的專業(yè)光譜儀器來高效收集足夠的光譜數(shù)據(jù)。以下是用于化學(xué)和催化應(yīng)用的一些技術(shù)示例。

紅外（IR）光譜可用于監(jiān)測化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)程，因為分子的紅外光譜高度依賴于原子組成和分子結(jié)構(gòu)。此外，紅外光譜還可用于監(jiān)測分子中的同位素替換，因為力常數(shù)（從而振動頻率）是系統(tǒng)簡化質(zhì)量的函數(shù)。

化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)機(jī)理可以通過UV/VIS（電子）光譜測量，并被應(yīng)用于理解CO₂活化和水分解的機(jī)制。

拉曼光譜可用于解決流體和液體樣品的分子間模式。這些模式集中在光譜的低頻（0-200 cm-1）區(qū)域，是樣品的集體運(yùn)動的結(jié)果，對分子間的分子間力特別敏感，并被認(rèn)為在凝聚相化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)和動力學(xué)中起著關(guān)鍵作用。

8. 表面增強(qiáng)拉曼光譜（SERS）技術(shù)

表面增強(qiáng)拉曼光譜依賴于金屬納米顆粒（或粗糙金屬表面）在外加光源驅(qū)動下產(chǎn)生局部電場增強(qiáng)的能力。觀察到的增強(qiáng)效果可達(dá)10^10至10^11倍，提高了該技術(shù)對單分子檢測的靈敏度。SERS能夠檢測體液中低濃度的生物分子，并作為下一代醫(yī)學(xué)診斷和早期疾病檢測平臺正在被探索。

9. 多維超快光譜技術(shù)

超快光譜學(xué)用于研究通常發(fā)生在100飛秒（10^-15）時間尺度上的過程，而實驗現(xiàn)在正轉(zhuǎn)向研究阿秒（10^-18）量級的過程。超快光譜學(xué)通常用于研究光化學(xué)反應(yīng)，即化學(xué)反應(yīng)由光引發(fā)。超快化學(xué)反應(yīng)可以通過激光啟動，分子的行為則通過紅外或紫外-可見光譜學(xué)進(jìn)行監(jiān)測。

超快光譜學(xué)中的超快是指用于照射樣品并啟動或檢測反應(yīng)的光脈沖持續(xù)時間；而用于獲取吸收光譜的探測器的工作頻率為1 – 100 kHz。

這項研究的一個典型應(yīng)用是研究防曬霜中分子的行為，以了解光照射下異構(gòu)化或分解的變化。或者，可以利用光化學(xué)反應(yīng)來更好地理解自然光合作用系統(tǒng)中的能量耦合。這些自然系統(tǒng)具有的量子效率，對其起源的深入了解有助于設(shè)計穩(wěn)健的人工光合作用裝置。

多維超快光譜學(xué)也可用于理解能量轉(zhuǎn)移動力學(xué)，例如在二維紅外實驗中研究振動狀態(tài)如何相互作用以及能量如何被淬滅。

10. 穩(wěn)態(tài)熒光光譜技術(shù)

穩(wěn)態(tài)熒光光譜法可用于研究RNA-蛋白質(zhì)相互作用的局部構(gòu)象變化，因為熒光光譜的強(qiáng)度和形狀高度依賴于局部環(huán)境，可以成為這些相互作用的極其敏感的探針。

11. 燃燒／流體動力學(xué)光譜

研究流動的氣體和液體在（有時）反應(yīng)性環(huán)境中的行為。在這些領(lǐng)域中，了解分子能量和成分的流動對于設(shè)計更高效的發(fā)動機(jī)、車輛外觀設(shè)計、渦輪機(jī)、反應(yīng)堆以及許多需要考慮流體環(huán)境操作的其他工程設(shè)備至關(guān)重要。通常使用分子標(biāo)記測速（MTV）或粒子成像測速（PIV）等測量方法來表征流體場中的湍流速度波動。這些技術(shù)常與其他技術(shù)結(jié)合使用，例如（平面）激光誘導(dǎo)熒光（(P)LIF），以測量流體溫度并監(jiān)測流動中的化學(xué)反應(yīng)。相干反斯托克斯拉曼光譜（CARS）和化學(xué)發(fā)光等其他技術(shù)也是用于流體流動的有用光學(xué)診斷技術(shù)。

為什么光譜儀如此昂貴？

光譜儀本身并不昂貴——一個簡單的光譜儀可以用一張光盤作為色散元件，用紙板框架固定。然而，構(gòu)建高精度的光譜儀需要使用的光學(xué)件和機(jī)械部件。鏡子必須精確成型，以使光線達(dá)到聚焦，并且要打磨得非常光滑，以避免強(qiáng)信號散射并淹沒微弱信號。衍射光柵必須精確刻劃，每毫米有數(shù)百到數(shù)千條線，每條線間距均勻且一致。電機(jī)必須在計算機(jī)控制下精確且可重復(fù)地移動。所有這些部件都必須牢固安裝并校準(zhǔn)在一個合適的機(jī)箱內(nèi)，通常還需要額外的電動部件——旋轉(zhuǎn)鏡、可調(diào)狹縫、濾光輪等，以系統(tǒng)的可用性。

沒有一個單一的組件會主導(dǎo)生產(chǎn)成本，但一個功能齊全的高精度光學(xué)光譜儀就像其他計量資本設(shè)備一樣——它需要技能、知識和精密部件來制造。

此外，光學(xué)光譜儀具有廣泛的分析測量潛力。與提供類似材料表征能力的其他測量技術(shù)相比，光學(xué)光譜儀可能更勝。

Andor紫外、NIR和SWIR光譜儀

當(dāng)與適當(dāng)?shù)难苌涔鈻藕蜋z測器配合使用時，Andor Kymera 193i、Kymera 328i、Shamrock 163、Shamrock 500i、Shamrock 750是適用于UV、NIR和SWIR測量的光譜儀。

Andor光學(xué)光譜儀提供高分辨率、高通量、高模塊化，從紫外到NIR和短波紅外，從宏觀到納米尺度，光通量低至單光子，時間分辨率達(dá)到納秒級。其特點包括高模塊化、智能電機(jī)驅(qū)動、TruRes™——光譜分辨率、Adaptive Focus™技術(shù)，適用于拉曼、發(fā)光/磷光、吸收/透射、SFG/SHG、OES和LIBS、材料科學(xué)、化學(xué)與催化以及生命科學(xué)/生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)

域。

Andor光譜型相機(jī)和探測器

基于光譜學(xué)的診斷在材料科學(xué)、化學(xué)、生命科學(xué)或基礎(chǔ)物理和光學(xué)領(lǐng)域依賴于以高度精確度捕獲和分析光學(xué)和化學(xué)特征。

Andor光譜相機(jī)和探測器系列提供廣泛的靈敏度、時間分辨率和傳感器格式，以從紫外到短波紅外、納秒到小時的時間分辨率、高光子通量到單光子的超動態(tài)范圍和分辨率的特定實驗條件。

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