摘要 光譜分析法是以測(cè)定物質(zhì)發(fā)射或吸收的電磁輻射的波長(zhǎng)和強(qiáng)度為基礎(chǔ)建立起來(lái)的一類分析方法。應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，隨著光譜分析學(xué)在化學(xué)分析、食品質(zhì)量監(jiān)控、醫(yī)藥學(xué)等領(lǐng)域的快速發(fā)展，如何實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確便捷的光譜測(cè)量成為人們普遍關(guān)心的問(wèn)題。本文以荷蘭Avantes公司生產(chǎn)的微型光纖光譜儀為例，簡(jiǎn)要介紹了微型光纖光譜儀在紫外可見(jiàn)吸收測(cè)量中的應(yīng)用。
1. 引 言
光譜分析是一種非常成熟的分析方法，在化學(xué)分析、環(huán)境學(xué)檢測(cè)、氣體色譜學(xué)、光學(xué)鏡片吸收和透過(guò)率測(cè)量、食品檢測(cè)、生物化學(xué)、生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)和制藥業(yè)等諸多應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛, 幾乎涉及到無(wú)機(jī)分析的所有領(lǐng)域, 在有機(jī)分析中也占有一定比重, 并呈逐漸上升之勢(shì)。傳統(tǒng)的分光光度計(jì)由于其價(jià)格昂貴、體積大、操作復(fù)雜、需要專人維護(hù)、測(cè)量速度慢等缺點(diǎn)，使其一直只能在實(shí)驗(yàn)室中應(yīng)用。而隨著微電子領(lǐng)域中的多像元光學(xué)探測(cè)器和光纖技術(shù)的迅猛發(fā)展，使生產(chǎn)低成本光譜儀成為可能。新一代的微型光纖光譜儀具有低成本、高分辨率、便攜和高速測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，可以很方便的應(yīng)用在在線檢測(cè)和實(shí)驗(yàn)室測(cè)量中。下面我們以荷蘭Avantes 公司的微型光纖光譜儀Avantes2048為例，介紹微型光纖光譜儀在紫外可見(jiàn)吸收測(cè)量中的應(yīng)用。
2. Avantes2048型光譜儀
2.1 儀器原理
荷蘭Avantes 公司的AvaSpec2048型光譜儀，采用對(duì)稱式光路設(shè)計(jì)，焦距75mm，包括光纖接頭（標(biāo)準(zhǔn)SMA接口，也可以選擇其它類型的接口）、準(zhǔn)直鏡、衍射光柵、聚焦鏡和Sony ILX554B型2048像素線陣CCD 探測(cè)器， 波長(zhǎng)范圍2001100nm，最高分辨率0.04nm，提供USB1.1 或USB2.0 接口、RS232接口和I/O數(shù)字/模擬接口。
圖1 光學(xué)平臺(tái)
2.2 功能及特點(diǎn)
2.2.1 對(duì)稱式光路設(shè)計(jì)，在更寬光譜范圍具有更高分辨率
2.2.2 體積小巧，只有手掌大小
2.2.3 即插即用，無(wú)需手動(dòng)設(shè)置
2.2.4 溫度穩(wěn)定性好，熱漂移小
AvaSpec2048型光譜儀的光學(xué)元件和底板間采用無(wú)應(yīng)力裝配，出廠前經(jīng)過(guò)特殊工序處理，因此環(huán)境溫度對(duì)光譜儀影響極小，環(huán)境溫度每變化1℃僅漂移0.1 個(gè)象元。優(yōu)秀的溫度穩(wěn)定性確保了其長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量的精確性和可重復(fù)性。
2.2.5 歷史通道功能
AvaSpec2048型光譜儀可以同時(shí)監(jiān)測(cè)最多8個(gè)輸出參數(shù)隨時(shí)間的變化，如用戶定義的函數(shù)、積分、峰值（波長(zhǎng)，相對(duì)強(qiáng)度）等。函數(shù)可以用VBscript代碼編寫(xiě)。時(shí)序測(cè)量的結(jié)果可以被存儲(chǔ)、載入或者打印。縮放和全景顯示功能可以把時(shí)序測(cè)量結(jié)果中感興趣的部分快速放大至全圖顯示。
2.2.6 過(guò)程控制
AvaSpec2048型光譜儀通過(guò)AvaSoftPROC過(guò)程控制軟件可以設(shè)置8個(gè)時(shí)間序列函數(shù)的最大值和閾值，當(dāng)測(cè)量值超出設(shè)置范圍，電路板上I/O口的8個(gè)管腳會(huì)給出TTL電平做為響應(yīng)。這些TTL信號(hào)可以直接與工業(yè)環(huán)境下的可編程控制器相連，進(jìn)行在線自動(dòng)控制。
2.3 典型應(yīng)用測(cè)量
2.3.1 氣體成分測(cè)量中的典型應(yīng)用：
測(cè)量原理是對(duì)于某一種成分的氣體，都有特有的特征吸收峰，根據(jù)這些吸收峰的位置及強(qiáng)弱，我們就可以判斷出該氣體的成分和含量。測(cè)量裝置除了AvaSpec2048型光譜儀，還要配置AvaLightDH氘鹵鎢燈平衡光譜光源和用于氣體檢測(cè)的氣室。例如空氣質(zhì)量檢測(cè)，有害氣體成分分析，火山氣體檢測(cè)等就屬于此類應(yīng)用。
2.3.2 液體濃度檢測(cè)中的典型應(yīng)用：
根據(jù)朗伯-比爾定律，在吸光度和濃度之間有一個(gè)線性關(guān)系：
A=e*c*l
其中A是吸光度（消光度），e是被測(cè)物質(zhì)的消光系數(shù)，c是濃度，l是光程。通過(guò)測(cè)量吸光度就可得出液體樣品的濃度。用吸收率測(cè)量專用探頭可直接插入樣品進(jìn)行測(cè)量，配以AvaSpec2048型光譜儀、光源和專用軟件可以方便地用于食品質(zhì)量檢測(cè)、化學(xué)濃度分析、水質(zhì)檢測(cè)等應(yīng)用領(lǐng)域。
2.3.3 固體吸收率測(cè)量中的典型應(yīng)用：
固體中的特定成分會(huì)對(duì)通過(guò)其中的光有特有的特征吸收峰，通過(guò)測(cè)量固體透過(guò)率光譜，可以很方便的研究固體的光學(xué)特性和成分特性。例如玻璃工業(yè)、光學(xué)鏡片吸收及透過(guò)率研究、生物學(xué)研究及制藥業(yè)屬于此類應(yīng)用。
3. 結(jié)論
使用AvaSpec2048型微型光纖光譜儀進(jìn)行吸收率測(cè)量，具有性價(jià)比高、靈敏度高、測(cè)量精度高、測(cè)量速度快、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，而且體積小巧，方便集成到系統(tǒng)中進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)。
