什么是光譜儀？

任何光學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——一種刻有重復凹槽的材料片，當光線從其表面反射或透過時，會以與波長成比例的角度發生衍射和彎曲。

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，我們就可以確定不同波長的光線落在相機上的哪個位置。

光學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校準燈、氘燈和樣品發的光。

翻轉鏡

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

球面/環面鏡

用于將狹縫或針孔發出的光進行準直，并將其導向衍射元件，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的區域。（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

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

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、客戶預算等。

Czerny-Turner光譜儀

切尼-特納光譜儀是設計堅固和成熟的光譜儀之一。它使用一個彎曲（環形）的鏡子來收集光源發出的光線，并將其準直（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臺上，能夠將光源發出的光線分散并反射到第二個彎曲（環形）的鏡子上，該鏡子將之前準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，以實現不同的波長分辨率。

中階梯光柵光譜儀

大多數光譜儀設計使用單軸色散——光僅在一個方向上按波長分離。當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？

光譜學過程

使用透射光譜儀測量樣品在近紫外至可見光譜區域的吸收（或反射/透射/發射）。光譜儀由光源、色散元件、樣品室和檢測器組成。光源產生的寬帶光通過色散元件轉換為單色光，并穿過樣品。樣品后的光強度由檢測器測量。通過掃描色散元件，可以產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度與樣品前光的強度，生成透射光譜。早期的光源，如弧燈或金屬絲，最近已被發光二極管（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，從而實現更快的測量。

光譜儀的用途是什么？

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

1. 喇曼光譜法
2. 發光／PL光譜學
3. 吸收/透射光譜
4. SFG/SHG光譜
5. LIBS/OES光譜學
6. 材料科學光譜學
7. 化學與催化光譜學
8. 表面增強拉曼光譜（SERS）技術
9. 多維超快光譜技術
10. 穩態熒光光譜技術
11. 燃燒／流體動力學光譜

1. 拉曼光譜

拉曼光譜是一種非破壞性技術，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。產生的光譜極其具體地反映了樣品的化學成分、分子環境和溫度。拉曼光譜的一些應用包括用于藥物質量控制、法醫鑒定和遠程爆炸物及檢測的化學品正確定位，作為凝聚態和氣相系統中分子動力學的敏感探針，監測低維材料中的缺陷和應變，以及醫學診斷。拉曼光譜的子類包括表面增強拉曼（SERS）共振拉曼、增強拉曼、偏振拉曼和超拉曼。

2. 發光／PL光譜學

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

3. 吸收/透射光譜

吸收/透射光譜學是指樣品對輻射的吸收隨波長（或頻率）變化的現象。吸收/透射光譜學可以在整個電磁頻譜范圍內進行，從高能X射線驅動內殼層電子激發，到低能無線電波輻射中電子和核自旋可以被激發。吸收/透射光譜學既具有特異性又具有定量性，在化學分析和量化樣品中物種數量方面特別有用。它還用于遠程傳感應用，如天文學中的星際分子云化學成分分析，或作為原子和分子電子結構的敏感探針，可用于確定原子和分子的質量及幾何結構。

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的光子在介質中相互作用，產生一個角頻率為ω3的光子。由于信號強度取決于輸入場的乘積，通常使用具有高峰值電場強度的激光器。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只能在物質不對稱的情況下發生，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。SHG是一種制造新型激光器的常用技術，也用于表征超短激光脈沖（低于1皮秒）。使用SHG的研究應用包括在高分辨率光學顯微鏡中檢測非對稱物質以及表征晶體材料。 二次諧波生成（SHG）是一種光譜技術，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體雙層中分子傳輸的動力學。

5. LIBS/OES光譜學

光學發射光譜法（OES）是一種將樣品加熱到高溫，使樣品中的電子被激發到高能態的技術。隨著樣品冷卻，電子弛豫并發出可見光譜區域（OES）的輻射。發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。激光誘導擊穿光譜法是發射光譜學的一個特定分支，其中高強度激光聚焦于樣品上形成等離子體，使樣品原子化并激發。電子從其激發態弛豫并在激發后幾微秒內發出輻射。所得光譜可用于分析樣品的元素含量。激光誘導擊穿光譜法已應用于金屬合金表征、危險物質檢測、遠距離化學物檢測、爆炸殘留物檢測以及油漆和土壤中鉛的檢測。

6. 材料科學光譜學在納米、微米或宏觀尺度上對固體進行操控和/或表征，以開發適用于太陽能/光伏電池、儲能、LED、新型催化劑、化學檢測器、生物醫學設備等眾多應用的新材料。該領域的許多研究人員能夠以高精度和可重復性地表征各種材料的化學、結構、電子和/或光學性質，這些研究通常采用拉曼、光致發光/熒光/陰極發光、吸收、光發射光譜和激光誘導擊穿譜、二次諧波生成或暗場散射等探測技術。研究人員經常測量結構變化、光子學特性、缺陷的存在、應變/應力下的行為、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、過渡金屬二硫屬化物（TMDs）、有機半導體（如OLED）和等離子體超材料。
7. 化學與催化光譜學

化學和催化領域有許多小眾研究應用，涉及多種專門的光譜技術，這些技術通常需要的專業光譜儀器來高效收集足夠的光譜數據。以下是用于化學和催化應用的一些技術示例。

紅外（IR）光譜可用于監測化學反應的進程，因為分子的紅外光譜高度依賴于原子組成和分子結構。此外，紅外光譜還可用于監測分子中的同位素替換，因為力常數（從而振動頻率）是系統簡化質量的函數。

化學反應動力學機理可以通過UV/VIS（電子）光譜測量，并被應用于理解CO₂活化和水分解的機制。

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）區域，是樣品的集體運動的結果，對分子間的分子間力特別敏感，并被認為在凝聚相化學反應動力學和動力學中起著關鍵作用。

8. 表面增強拉曼光譜（SERS）技術

表面增強拉曼光譜依賴于金屬納米顆粒（或粗糙金屬表面）在外加光源驅動下產生局部電場增強的能力。觀察到的增強效果可達10^10至10^11倍，提高了該技術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，并作為下一代醫學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

超快光譜學用于研究通常發生在100飛秒（10^-15）時間尺度上的過程，而實驗現在正轉向研究阿秒（10^-18）量級的過程。超快光譜學通常用于研究光化學反應，即化學反應由光引發。超快化學反應可以通過激光啟動，分子的行為則通過紅外或紫外-可見光譜學進行監測。

超快光譜學中的超快是指用于照射樣品并啟動或檢測反應的光脈沖持續時間；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用是研究防曬霜中分子的行為，以了解光照射下異構化或分解的變化。或者，可以利用光化學反應來更好地理解自然光合作用系統中的能量耦合。這些自然系統具有的量子效率，對其起源的深入了解有助于設計穩健的人工光合作用裝置。

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

10. 穩態熒光光譜技術

穩態熒光光譜法可用于研究RNA-蛋白質相互作用的局部構象變化，因為熒光光譜的強度和形狀高度依賴于局部環境，可以成為這些相互作用的極其敏感的探針。

11. 燃燒／流體動力學光譜

研究流動的氣體和液體在（有時）反應性環境中的行為。在這些領域中，了解分子能量和成分的流動對于設計更高效的發動機、車輛外觀設計、渦輪機、反應堆以及許多需要考慮流體環境操作的其他工程設備至關重要。通常使用分子標記測速（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。這些技術常與其他技術結合使用，例如（平面）激光誘導熒光（(P)LIF），以測量流體溫度并監測流動中的化學反應。相干反斯托克斯拉曼光譜（CARS）和化學發光等其他技術也是用于流體流動的有用光學診斷技術。

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，構建高精度的光譜儀需要使用的光學件和機械部件。鏡子必須精確成型，以使光線達到聚焦，并且要打磨得非常光滑，以避免強信號散射并淹沒微弱信號。衍射光柵必須精確刻劃，每毫米有數百到數千條線，每條線間距均勻且一致。電機必須在計算機控制下精確且可重復地移動。所有這些部件都必須牢固安裝并校準在一個合適的機箱內，通常還需要額外的電動部件——旋轉鏡、可調狹縫、濾光輪等，以系統的可用性。

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

此外，光學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相比，光學光譜儀可能更勝。

Andor紫外、NIR和SWIR光譜儀

當與適當的衍射光柵和檢測器配合使用時，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，時間分辨率達到納秒級。其特點包括高模塊化、智能電機驅動、TruRes™——光譜分辨率、Adaptive Focus™技術，適用于拉曼、發光/磷光、吸收/透射、SFG/SHG、OES和LIBS、材料科學、化學與催化以及生命科學/生物醫學等領

域。

Andor光譜型相機和探測器

基于光譜學的診斷在材料科學、化學、生命科學或基礎物理和光學領域依賴于以高度精確度捕獲和分析光學和化學特征。

Andor光譜相機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范圍和分辨率的特定實驗條件。

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