一、光谱分析仪器原理

光谱分析仪器是在物质与光的吸收、发射、散射等相互作用基础上，根据相应的光谱分析原理构建起来的。现以紫外一可见吸收光谱为例说明光谱分析仪器的构建。

紫外一可见吸收光谱的原理简述如下：分子外层电子吸收紫外一可见光，并从较低电子能级跃迁到较高电子能级，其对光的吸收遵循Lambert-Beer定律，即

A=lg I₀/I=εbc

式中A为吸光度，定义为入射光强度I₀与出射光强度I的比值的对数，ε为摩尔吸光系数，由物质本身的吸光特性所决定，是波长的函数，b为吸收光程，c为物质的量浓度。由Lambert-Beer定律可知，信号值A与摩尔吸光系数ε、吸收光程b及物质的量浓度c成正比，同时由于ε是波长的函数，因此，A也是波长的函数。由此可以预期，由信号值A对波长几作图所得到的紫外一可见吸收光谱是随波长变化的带光谱。因此，构建紫外一可见吸收光谱仪的核心就是要能够检测不同波长的吸光度值A，而吸光度值A不是一个可直接检测的信号，它是入射光强度I₀与出射光强度I的比值的对数，因此，构建紫外一可见吸收光谱仪的核心转化为要能够检测不同波长的入射光强度I₀与出射光强度I。

二、光谱分析仪器基本结构

以紫外一可见吸收光谱仪器为例，各种光谱仪应包括下列基本组件：

(1)首先，需要一个连续光源，该光源要求在紫外一可见光波段发射连续光谱，提供物质吸收的光。

(2)试样引入系统，由于是溶液试样，所以采用透明的光学玻璃或石英玻璃液池。当光作用于空白溶液时，可以得到I0值，当光作用于试样溶液时，可以得到I值。

(3)可检测紫外一可见光波段不同波长光的检测器。

(4)以上三部分组成紫外一可见吸收光谱仪的核心组件，但由于紫外一可见吸收光谱为带光谱，光源为连续光源，因此，还需要一个单色器，其作用是对连续光源采光，所采的光被认为是单色光，即单波长的光，并作用子试样上产生吸收。同时，该单色器还要求具有光谱扫描功能，即在紫外一可见光波段，可以采集任意波长的光，并作用于试样上产生吸收。

(5)由于给出的信号为吸光度A的值，而检测的信号为人射光强度I0和出射光强度I的值，因此，还需要一个对数转换器，其作用是将特定波长的I0和I值转换成相应波长的A值，并输出信号。

按照以上的思路，可以构建各种各样的光谱分析仪器，且均可以用类似方框图来表示。各种光谱分析仪器结构上略有不同，且分别适用于原子或分子物质的分析，适用的光谱区域也可在紫外一可见光区或红外光区，但每个基本组件的功能却是相同的。

典型的光谱仪一般都由五个部分组成，即：(1)稳定的光源系统；(2)试样引入系统；(3)波长选择系统，通常是色散元件和狭缝组成的单色器；(4)检测系统，一般是将辐射能转换成电信号；(5)信号处理或读出系统，并在标尺、示波器、数字计、记录纸等显示器上显示转换信号。

根据光谱分析仪器结构及光与物质的相互作用差异，可以将光谱分析仪分为三大类，即吸收光谱仪、吸收／发射和光散射光谱仪以及发射光谱分析仪。

吸收光谱分析仪包括原子吸收光谱仪、紫外一可见吸收光谱仪和红外吸收光谱仪，仪器结构示意图。由于检测的是光的吸收，即入射光被试样吸收前后的光强，因此，其仪器结构特点是检测系统与光源发出的光即入射光在同一条光轴上。

吸收光谱仪分析理论上都满足Lambert-Beer定律，所不同的是，原子吸收采用光源为线光源，试样引入系统同时具备使试样原子化产生基态原子的功能，通常采用带有进样功能的火焰原子化器和石墨炉原子化器；而分子吸收光谱仪，包括紫外一可见吸收和红外吸收所采用的光源为连续光源，试样为常态下的液体试样或透明固体试样，通常采用透光玻璃液池和透光KBr压片引入试样。同时，紫外一可见吸收光谱仪的波长选择系统通常在光源系统和试样引入系统之间，而原子吸收光谱仪和红外光谱仪的波长选择系统通常在试样引入系统和检测系统之间。

吸收／发射光谱仪，包括原子荧光光谱仪、分子荧光光谱仪和分子磷光光谱仪；光散射光谱仪为Raman光谱仪，检测信号是吸光后的发光强度或Raman散射光强度，由于入射光的存在，检测系统与入射光不能在同一条光轴上，因此，其仪器结构特点是检测系统通常与光源入射光成90°。

原子荧光光谱仪通常采用线光源或激光为光源，其试样引入系统兼具试样原子化、产生基态原子的功能，通常采用带有进样功能的火焰原子化器。分子荧光光谱仪和分子磷光光谱仪采用连续光源，Raman光谱仪采用激光光源，它们均具有液体和固体试样引入系统，液体试样引入系统为透光玻璃液池及池架。分子荧光光谱仪和分子磷光光谱仪由于需要检测激发光谱和发射光谱，因此需要两个波长选择系统，分别位于激发光路和发射光路；而原子荧光光谱仪和Raman光谱仪只需分别检测发射光谱和散射光谱，因而只需要一个位于发射或散射光路的波长选择系统，特殊情况下，原子荧光光谱仪甚至不需要波长选择系统。

发射光谱分析仪包括原子发射光谱仪和化学发光光谱仪，由于检测信号是试样直接发光的强度，因此没有传统意义上的光源，其仪器结构特点是检测系统与试样发出的光在同一条光轴上。

原子发射光谱仪的试样引入系统同时具有使试样原子化并激发到高能态的功能，因此通常又称为激发源，常见的有电弧、火花放电、等离子体焰炬等。化学发光光谱仪的试样引入系统同时兼具反应器的功能，并通过化学反应提供能量将待测物激发到高能态并发光，通常为透光容器。

以上各种类型的光谱仪中，除红外光谱仪适用于红外波长段外，其他光谱仪均适用于紫外一可见波长段，因此，其通用的检测系统为光电检测器、通过光电检测器将光信号转化为电信号。光电转换的基础是光敏材料制作的器件，常用的是光电倍增管，光电倍增管还具有信号放大的功能。