光譜分析儀器的基本原理及應(yīng)用

◎ 張 劍

（銳德檢測(cè)認(rèn)證技術(shù)（湖北）有限公司，湖北 荊州 434000）

光譜分析儀器是基于光譜分析原理而設(shè)計(jì)的一類在現(xiàn)代科技領(lǐng)域有重要應(yīng)用的檢測(cè)與分析設(shè)備，其發(fā)展越來(lái)越小型化、便攜化與智能化[1]，所具有的功能也越來(lái)越多，性能正在逐步改進(jìn)與完善。本文對(duì)光譜分析相關(guān)知識(shí)以及光譜分析儀器的基本原理進(jìn)行較為詳細(xì)的研究，以期為其在各領(lǐng)域更好的應(yīng)用提供相應(yīng)的指導(dǎo)。

1 光譜分析相關(guān)知識(shí)

具有特定結(jié)構(gòu)的物質(zhì)有特定的特征光譜，該特征光譜對(duì)應(yīng)于該物質(zhì)自身的結(jié)構(gòu)，所以以物質(zhì)所表現(xiàn)出來(lái)的特征光譜為參考依據(jù)，相關(guān)人員可對(duì)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，并測(cè)定其化學(xué)成分，此即光譜分析。以獲得光譜的具體方式作為劃分依據(jù)，光譜分析方法通?？杀环譃榘l(fā)射光譜法、吸收光譜法和拉曼散射光譜法3種基本類型。

采用光譜分析方法，能對(duì)試樣中含有元素的種類及其含量進(jìn)行測(cè)定，一般工作流程如下：在接受測(cè)試樣品的電極與輔助電極之間接通電流，這時(shí)兩個(gè)電極間的間隙中會(huì)有電弧或火花的等離子體形成，當(dāng)接收到由光源發(fā)生器提供的能量之后，等離子體中含有的分子、原子、粒子以及電子會(huì)被激發(fā)而成為光源并產(chǎn)生光亮，在進(jìn)一步分光處理之后，這些光會(huì)生成相應(yīng)的光譜，它們會(huì)以波長(zhǎng)的不同為依據(jù)，按從長(zhǎng)到短（或從短到長(zhǎng)）的順序分開(kāi)排列，分別由不同的設(shè)備接受，或者執(zhí)行對(duì)光譜的檢測(cè)任務(wù)。

2 光譜分析儀器原理及其應(yīng)用

2.1 原子吸收光譜分析儀、原子熒光光度計(jì)與ICPOES

2.1.1 原子吸收光譜分析儀

原子吸收光譜分析儀的基本原理如下：對(duì)接受測(cè)試的樣品在高溫條件下所變成的原子蒸汽進(jìn)行檢測(cè)，在由光源燈發(fā)射出來(lái)的某一特征波長(zhǎng)同原子蒸汽出現(xiàn)彼此之間的相互結(jié)合現(xiàn)象之時(shí)，會(huì)有光譜吸收反應(yīng)發(fā)生。對(duì)于所有的元素來(lái)說(shuō)，類型不同，會(huì)有不一樣的光譜圖形成，通過(guò)對(duì)光譜分析儀器的應(yīng)用，可以達(dá)到對(duì)這些不同光譜圖的區(qū)分目的，進(jìn)而區(qū)分各種不同的元素，在得到具體的區(qū)分結(jié)果之后，通過(guò)相應(yīng)的邏輯處理將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，并最終輸出對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)以供相關(guān)人員查看。

原子吸收類型的光譜分析儀可以保證較高的檢測(cè)準(zhǔn)確性，即使?jié)舛容^低，分析儀也能將其成分檢測(cè)出來(lái)。此外，此類分析儀還有一定的選擇性，能在多種元素同時(shí)存在的前提條件下，完成對(duì)某一具體元素含量的檢測(cè)。原子吸收分析儀對(duì)于元素分析、有機(jī)物分析以及金屬形態(tài)學(xué)分析等工作的開(kāi)展均有重要的應(yīng)用意義。①在應(yīng)用原子吸收光譜分析儀執(zhí)行對(duì)元素的分析任務(wù)時(shí)，存在于食品、果蔬、魚(yú)以及海鮮中的V、Cr、Mn等20多種元素都能夠被檢測(cè)出來(lái)。此外，合金中的痕量重金屬、藥品中的重金屬、水中的微量金屬等元素都能通過(guò)原子吸收光譜分析儀被檢測(cè)出來(lái)。②在應(yīng)用原子吸收光譜分析儀進(jìn)行有機(jī)物的分析時(shí)，可通過(guò)同部分金屬元素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)氨基酸、維生素的有機(jī)化合物等多種類型的有機(jī)物的間接檢測(cè)。③在應(yīng)用原子吸收光譜分析儀進(jìn)行金屬化學(xué)形態(tài)分析時(shí)，可同氣相色譜以及液相色譜等相互結(jié)合，以此為基礎(chǔ)執(zhí)行對(duì)金屬元素相同的不同類型有機(jī)化合物的分離及檢測(cè)。

2.1.2 原子熒光光度計(jì)

原子熒光光度計(jì)是一種以原子熒光光譜學(xué)理論為基礎(chǔ)的原子熒光檢測(cè)儀器，原理如下：將硼氫化鉀或硼氫化鈉作為還原劑，針對(duì)樣品溶液中的待分析元素，通過(guò)相應(yīng)的反應(yīng)將它們還原為帶有揮發(fā)性的共價(jià)氣態(tài)氫化物或原子蒸汽，在此基礎(chǔ)之上，基于載氣的支持將它們導(dǎo)入至原子化器中，經(jīng)過(guò)氬—?dú)浠鹧娴脑踊幚碜罱K得到基態(tài)原子。在此工作完成之后，基態(tài)原子會(huì)對(duì)光源的能量進(jìn)行吸收，從而變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)，這時(shí)，激發(fā)態(tài)原子又會(huì)在進(jìn)一步的去活化處理中以熒光的形式對(duì)所吸收的能量進(jìn)行釋放，此時(shí)，熒光信號(hào)的強(qiáng)弱同樣品中待測(cè)元素的含量會(huì)表現(xiàn)出線性相關(guān)關(guān)系，基于這一前提，通過(guò)對(duì)熒光強(qiáng)度的測(cè)量便能完成對(duì)樣品中待測(cè)元素含量的檢測(cè)任務(wù)。

基于光程短、結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、有比較高的靈敏度、原子化效率可以得到可靠的保證、受到基體的干擾很小等優(yōu)點(diǎn)，原子熒光光度計(jì)現(xiàn)已逐漸發(fā)展為國(guó)內(nèi)外進(jìn)行重金屬元素檢測(cè)所最常用到的檢測(cè)儀器之一，在衛(wèi)生防疫、食品安全、地質(zhì)勘探、水質(zhì)監(jiān)測(cè)以及環(huán)境保護(hù)等諸多領(lǐng)域均有相應(yīng)的應(yīng)用，可以檢測(cè)出各種樣品中很多有著嚴(yán)重危害的重金屬元素的含量，且檢測(cè)精度有很高的保證。

2.1.3 ICP-OES（電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀）

電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀原理分為3步： ①等離子體通過(guò)能量的提供對(duì)樣品進(jìn)行蒸發(fā)處理，形成氣態(tài)性質(zhì)的原子（或離子），之后，使他們激發(fā)而產(chǎn)生光輻射。②在色散分解作用之下，使光源發(fā)出的復(fù)合光按照波長(zhǎng)由短至長(zhǎng)的順序分解為對(duì)應(yīng)的譜線，并在此基礎(chǔ)上形成光譜。③用檢測(cè)儀器對(duì)光譜中譜線的強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)已知條件（溫度一定時(shí)，譜線強(qiáng)度會(huì)正相關(guān)于待測(cè)元素的濃度），通過(guò)定量分析將待測(cè)元素的具體含量確定下來(lái)。

相較而言，ICP-OES主要有以下特點(diǎn)：①高效穩(wěn) 定，能對(duì)多種元素進(jìn)行連續(xù)而又快速的測(cè)定，檢測(cè)精確度比較高。②中心氣化溫度可以達(dá)到10 000 K，有利于樣品的充分氣化。③工作曲線所表現(xiàn)的線性關(guān)系簡(jiǎn)潔明了，有較廣的線性范圍。④與計(jì)算機(jī)軟件的結(jié)合能實(shí)現(xiàn)全譜直讀結(jié)果，方便性與快捷性可以保證。

2.2 近紅外光譜分析儀與紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)

2.2.1 近紅外光譜分析儀

紅外光譜波長(zhǎng)范圍包括3個(gè)譜區(qū)，分別為近紅外譜區(qū)（780～2 500 nm）、中紅外譜區(qū)（2 500～25 000 nm）、 遠(yuǎn)紅外譜區(qū)（25000～1000000 nm）。其基本原理如下：當(dāng)近紅外光照射至接受檢測(cè)的樣本的表面之時(shí)，樣品內(nèi)部會(huì)發(fā)生分子振動(dòng)現(xiàn)象，且由基態(tài)向高能級(jí)躍遷，對(duì)有著特定波長(zhǎng)的紅外光進(jìn)行吸收，以此為基礎(chǔ)形成紅外光譜，所形成的此類紅外光譜具有接受測(cè)試的樣品內(nèi)部的機(jī)構(gòu)以及組成信息。樣品不同，內(nèi)部的組成及其結(jié)構(gòu)也會(huì)存在差異，進(jìn)而生成的光譜所具有的特征也會(huì)存在差異。

基于檢測(cè)速度快、檢測(cè)效率高，不會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生較大的污染,操作上也相對(duì)便捷等優(yōu)勢(shì)，近紅外光譜分析儀有著相對(duì)廣泛的應(yīng)用。近紅外光譜分析儀在近年來(lái)的發(fā)展依舊很快，通過(guò)結(jié)合計(jì)算機(jī)軟件或化學(xué)計(jì)量學(xué)光譜軟件，近紅外光譜分析儀可實(shí)現(xiàn)對(duì)部分相對(duì)復(fù)雜的樣品的檢測(cè)。在食品檢測(cè)領(lǐng)域，近紅外光譜分析儀可以以不損壞食品為前提，在很短的時(shí)間內(nèi)完成對(duì)食品各種成分的檢測(cè)。在藥物檢測(cè)領(lǐng)域，近紅外光譜分析儀又可以很快地定性與定量判定藥物的具體成分，同時(shí)，對(duì)藥材進(jìn)行鑒別。此外，近紅外光譜分析儀還可以定量檢測(cè)水果中的農(nóng)藥殘留量、分析茶葉成分、執(zhí)行環(huán)境檢測(cè)以及寶石鑒定等一系列任務(wù)。

2.2.2 紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)

紫外光譜波長(zhǎng)范圍大概為400～900 nm[2],其原理如下：由于分子中的某些基團(tuán)吸收紫外可見(jiàn)輻射光后，發(fā)生電子能級(jí)躍遷而產(chǎn)生的吸收光譜。由于各種物質(zhì)具有各自不同的分子、原子和不同的分子空間結(jié)構(gòu)，其吸收光能量的情況也就不同，因此，每種物質(zhì)就有其特有的、固定的吸收光譜曲線，可根據(jù)吸收光譜上的某些特征波長(zhǎng)處的吸光度的高低判別或測(cè)定該物質(zhì)的含量，這就是分光光度定性和定量分析的基礎(chǔ)。

目前，紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)在環(huán)境監(jiān)測(cè)、農(nóng)產(chǎn)品與食品分析、植物生化分析以及飼料等的分析中有相對(duì)廣泛的應(yīng)用。在進(jìn)行環(huán)境水的監(jiān)測(cè)時(shí)，由于成分上的復(fù)雜多變性，待測(cè)物的濃度與干擾物通常有很大的濃度差別，應(yīng)用該儀器進(jìn)行檢測(cè)必須將分析方法確定好；農(nóng)產(chǎn)品與食品的分析可借助該儀器將蛋白質(zhì)、賴氨酸、葡萄糖等諸多成分檢測(cè)出來(lái)；植物生化分析可以進(jìn)行葉綠素、全氮與酶的活力的檢測(cè)；飼料的分析則可基于此儀器進(jìn)行煙酸、棉酚以及磷化氫等的檢測(cè)。

2.3 氣相分子吸收光譜分析儀

氣相分子吸收光譜分析儀的基本原理如下：對(duì)接受檢測(cè)樣品中的離子或由分子轉(zhuǎn)化生成的氣態(tài)化合物進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)氣體分子被有著特定波長(zhǎng)的光進(jìn)行輻射之時(shí)，會(huì)有分子振動(dòng)現(xiàn)象產(chǎn)生，在這一過(guò)程中，分子振動(dòng)所需要的能量是特定的，不會(huì)發(fā)生明顯的變化，而所需要的這種特定能量便是分子特征譜線。基于此，便可通過(guò)對(duì)氣相狀態(tài)下分子在特定波長(zhǎng)下的吸光率的檢測(cè)來(lái)明確陰陽(yáng)離子以及分子等相應(yīng)物質(zhì)實(shí)際含有的量。

基于檢測(cè)速度快、檢測(cè)工作歷時(shí)短，儀器操作起來(lái)容易上手、流程相對(duì)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，氣相分子吸收光譜分析儀現(xiàn)階段有著比較高的市場(chǎng)占有率以及較廣泛的應(yīng)用[3]。就當(dāng)前的實(shí)際應(yīng)用情況來(lái)看，投入到市場(chǎng)中并得到相應(yīng)應(yīng)用的氣相分子吸收光譜儀具有比較強(qiáng)大的對(duì)很多陽(yáng)離子以及陰離子進(jìn)行檢測(cè)的功能，可以檢測(cè)的離子主要包括以及Hg+等。對(duì)于環(huán)境中含有多種有機(jī)物以及無(wú)機(jī)化合物的分離檢測(cè)而言，氣相分子吸收光譜分析儀的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)均比較明顯，而在紡織業(yè)、食品加工、衛(wèi)生防疫、化學(xué)試劑以及土木建筑等諸多領(lǐng)域中，氣相分子吸收光譜分析儀的應(yīng)用同樣比較廣泛，所發(fā)揮的重要作用不容忽視。

3 結(jié)語(yǔ)

受光譜范圍以及技術(shù)等因素的影響，不同類型的光譜分析儀器在發(fā)展與應(yīng)用過(guò)程中均有各自的不足存在，這對(duì)其使用范圍及進(jìn)一步擴(kuò)大形成制約。今后，相關(guān)研究人員應(yīng)進(jìn)一步改進(jìn)與完善光譜分析技術(shù)，發(fā)揮其在各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)有的作用，對(duì)相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展形成強(qiáng)有力的推動(dòng)。