光譜技術(shù)和光譜儀器的應(yīng)用及發(fā)展

點(diǎn)擊: 次時(shí)間:2017-06-30 14:56

光波是由原子內(nèi)部運(yùn)動(dòng)的電子產(chǎn)生的。各種物質(zhì)的原子內(nèi)部電子的運(yùn)動(dòng)情況不同，所以它們發(fā)射的光波也不同。研究不同物質(zhì)的發(fā)光和吸收光的情況，有重要的理論和實(shí)際意義，已成為一門專門的學(xué)科--光譜學(xué)。發(fā)射光譜物體發(fā)光直接產(chǎn)生的光譜叫做發(fā)射光譜。發(fā)射光譜有兩種類型：連續(xù)光譜和明線光譜。連續(xù)分布的包含有從紅光到紫光各種色光的光譜叫做連續(xù)光譜。熾熱的固體、液體和高壓氣體的發(fā)射光譜是連續(xù)光譜。例如電燈絲發(fā)出的光、熾熱的鋼水發(fā)出的光都形成連續(xù)光譜。

光譜技術(shù)和光譜儀器的應(yīng)用及未來發(fā)展前景
　　
　　只含有一些不連續(xù)的亮線的光譜叫做明線光譜。明線光譜中的亮線叫做譜線，各條譜線對(duì)應(yīng)于不同波長(zhǎng)的光。稀薄氣體或金屬的蒸氣的發(fā)射光譜是明線光譜。明線光譜是由游離狀態(tài)的原子發(fā)射的，所以也叫原子光譜。觀察氣體的原子光譜，可以使用光譜管，它是一支中間比較細(xì)的封閉的玻璃管，里面裝有低壓氣體，管的兩端有兩個(gè)電極。把兩個(gè)電極接到高壓電源上，管里稀薄氣體發(fā)生輝光放電，產(chǎn)生一定顏色的光。
　　
　　觀察固態(tài)或液態(tài)物質(zhì)的原子光譜，可以把它們放到煤氣燈的火焰或電弧中去燒，使它們氣化后發(fā)光，就可以從分光鏡中看到它們的明線光譜。
　　
　　實(shí)驗(yàn)證明，原子不同，發(fā)射的明線光譜也不同，每種元素的原子都有一定的明線光譜。每種原子只能發(fā)出具有本身特征的某些波長(zhǎng)的光，因此，明線光譜的譜線叫做原子的特征譜線。利用原子的特征譜線可以鑒別物質(zhì)和研究原子的結(jié)構(gòu)。
　　
　　吸收光譜高溫物體發(fā)出的白光(其中包含連續(xù)分布的一切波長(zhǎng)的光)通過物質(zhì)時(shí)，某些波長(zhǎng)的光被物質(zhì)吸收后產(chǎn)生的光譜，叫做吸收光譜。例如，讓弧光燈發(fā)出的白光通過溫度較低的鈉氣(在酒精燈的燈心上放一些食鹽，食鹽受熱分解就會(huì)產(chǎn)生鈉氣)，然后用分光鏡來觀察，就會(huì)看到在連續(xù)光譜的背景中有兩條挨得很近的暗線，這就是鈉原子的吸收光譜。值得注意的是，各種原子的吸收光譜中的每一條暗線都跟該種原子的發(fā)射光譜中的一條明線相對(duì)應(yīng)。這表明，低溫氣體原子吸收的光，恰好就是這種原子在高溫時(shí)發(fā)出的光。因此，吸收光譜中的譜線(暗線)，也是原子的特征譜線，只是通常在吸收光譜中看到的特征譜線比明線光譜中的少。
　　
　　光譜分析由于每種原子都有自己的特征譜線，因此可以根據(jù)光譜來鑒別物質(zhì)和確定它的化學(xué)組成，這種方法叫做光譜分析。做光譜分析時(shí)，可以利用發(fā)射光譜，也可以利用吸收光譜。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是非常靈敏而且迅速。某種元素在物質(zhì)中的含量達(dá)10-10克，就可以從光譜中發(fā)現(xiàn)它的特征譜線，因而能夠把它檢查出來。光譜分析在科學(xué)技術(shù)中有廣泛的應(yīng)用：
　　
　　在檢查半導(dǎo)體材料硅和鍺是不是達(dá)到了高純度的要求時(shí)，就要用到光譜分析;
　　
　　在歷史上，光譜分析還幫助人們發(fā)現(xiàn)了許多新元素，例如：銣和銫就是從光譜中看到了以前所不知道的特征譜線而被發(fā)現(xiàn)的;
　　
　　光譜分析對(duì)于研究天體的化學(xué)組成也很有用。十九世紀(jì)初，在研究太陽光譜時(shí)，發(fā)現(xiàn)它的連續(xù)光譜中有許多暗線。最初不知道這些暗線是怎樣形成的，后來人們了解了吸收光譜的成因，才知道這是太陽內(nèi)部發(fā)出的強(qiáng)光經(jīng)過溫度比較低的太陽大氣層時(shí)產(chǎn)生的吸收光譜。仔細(xì)分析這些暗線，把它跟各種原子的特征譜線對(duì)照，人們就知道了太陽大氣層中含有氫、氦、氮、碳、氧、鐵、鎂、硅、鈣、鈉等幾十種元素。
　　
　　復(fù)色光經(jīng)過色散系統(tǒng)分光后按波長(zhǎng)的大小依次排列的圖案，如太陽光經(jīng)過分光后形成按紅橙黃綠藍(lán)靛紫次序連續(xù)分布的彩色光譜。有關(guān)光譜的結(jié)構(gòu)，發(fā)生機(jī)制，性質(zhì)及其在科學(xué)研究、生產(chǎn)實(shí)踐中的應(yīng)用已經(jīng)累積了很豐富的知識(shí)并且構(gòu)成了一門很重要的學(xué)科～光譜學(xué)。光譜學(xué)的應(yīng)用非常廣泛，每種原子都有其獨(dú)特的光譜，猶如人們的“指紋”一樣各不相同。它們按一定規(guī)律形成若干光譜線系。原子光譜線系的性質(zhì)與原子結(jié)構(gòu)是緊密相聯(lián)的，是研究原子結(jié)構(gòu)的重要依據(jù)。應(yīng)用光譜學(xué)的原理和實(shí)驗(yàn)方法可以進(jìn)行光譜分析，每一種元素都有它特有的標(biāo)識(shí)譜線，把某種物質(zhì)所生成的明線光譜和已知元素的標(biāo)識(shí)譜線進(jìn)行比較就可以知道這些物質(zhì)是由哪些元素組成的，用光譜不僅能定性分析物質(zhì)的化學(xué)成分，而且能確定元素含量的多少。光譜分析方法具有極高的靈敏度和準(zhǔn)確度。在地質(zhì)勘探中利用光譜分析就可以檢驗(yàn)礦石里所含微量的貴重金屬、稀有元素或放射性元素等。用光譜分析速度快，大大提高了工作效率，還可以用光譜分析研究天體的化學(xué)成分以及校定長(zhǎng)度的標(biāo)準(zhǔn)原器等。
　　
　　復(fù)色光經(jīng)過色散系統(tǒng)(如棱鏡、光柵)分光后，按波長(zhǎng)(或頻率)的大小依次排列的圖案。例如，太陽光經(jīng)過三棱鏡后形成按紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫次序連續(xù)分布的彩色光譜。紅色到紫色，相應(yīng)于波長(zhǎng)由7，700-3，900埃的區(qū)域，是為人眼所能感覺的可見部分。紅端之外為波長(zhǎng)更長(zhǎng)的紅外光，紫端之外則為波長(zhǎng)更短的紫外光，都不能為肉眼所覺察，但能用儀器記錄。
　　
　　因此，按波長(zhǎng)區(qū)域不同，光譜可分為紅外光譜、可見光譜和紫外光譜;按產(chǎn)生的本質(zhì)不同，可分為原子光譜、分子光譜;按產(chǎn)生的方式不同，可分為發(fā)射光譜、吸收光譜和散射光譜;按光譜表觀形態(tài)不同，可分為線光譜、帶光譜和連續(xù)光譜。
　　
　　光譜分如下幾種形式
　　
　?、倬€狀光譜。
　　
　　由狹窄譜線組成的光譜。單原子氣體或金屬蒸氣所發(fā)的光波均有線狀光譜，故線狀光譜又稱原子光譜。當(dāng)原子能量從較高能級(jí)向較低能級(jí)躍遷時(shí)，就輻射出波長(zhǎng)單一的光波。嚴(yán)格說來這種波長(zhǎng)單一的單色光是不存在的，由于能級(jí)本身有一定寬度和多普勒效應(yīng)等原因，原子所輻射的光譜線總會(huì)有一定寬度(見譜線增寬);即在較窄的波長(zhǎng)范圍內(nèi)仍包含各種不同的波長(zhǎng)成分。原子光譜按波長(zhǎng)的分布規(guī)律反映了原子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，每種原子都有自己特殊的光譜系列。通過對(duì)原子光譜的研究可了解原子內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，或?qū)悠匪煞诌M(jìn)行定性和定量分析。
　　
　?、趲罟庾V。
　　
　　由一系列光譜帶組成，它們是由分子所輻射，故又稱分子光譜。利用高分辨率光譜儀觀察時(shí)，每條譜帶實(shí)際上是由許多緊挨著的譜線組成。帶狀光譜是分子在其振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)間躍遷時(shí)輻射出來的，通常位于紅外或遠(yuǎn)紅外區(qū)。通過對(duì)分子光譜的研究可了解分子的結(jié)構(gòu)。
　　
　?、圻B續(xù)光譜。
　　
　　包含一切波長(zhǎng)的光譜，赤熱固體所輻射的光譜均為連續(xù)光譜。同步輻射源(見電磁輻射)可發(fā)出從微波到X射線的連續(xù)光譜，X射線管發(fā)出的軔致輻射部分也是連續(xù)譜。
　　
　　④吸收光譜。
　　
　　具有連續(xù)譜的光波通過物質(zhì)樣品時(shí)，處于基態(tài)的樣品原子或分子將吸收特定波長(zhǎng)的光而躍遷到激發(fā)態(tài)，于是在連續(xù)譜的背景上出現(xiàn)相應(yīng)的暗線或暗帶，稱為吸收光譜。每種原子或分子都有反映其能級(jí)結(jié)構(gòu)的標(biāo)識(shí)吸收光譜。研究吸收光譜的特征和規(guī)律是了解原子和分子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的重要手段。吸收光譜首先由J。V。夫瑯和費(fèi)在太陽光譜中發(fā)現(xiàn)(稱夫瑯和費(fèi)線)，并據(jù)此確定了太陽所含的某些元素。具體的元素光譜：紅色代表硫元素，藍(lán)色代表氧元素，而綠色代表氫元素。
　　
　　光譜技術(shù)和光譜儀器持續(xù)向高科技知識(shí)密集化方向發(fā)展
　　
　　20世紀(jì)末已經(jīng)發(fā)展和成熟的數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化光譜分析檢測(cè)技術(shù)和光譜儀器，目前已成為光譜技術(shù)和光譜儀器持續(xù)發(fā)展的主要方向;以光學(xué)原理為基礎(chǔ)、以精密機(jī)械為構(gòu)架、以電子信號(hào)處理為顯示的傳統(tǒng)光-機(jī)-電一體化光譜儀器已經(jīng)退縮為現(xiàn)代光譜儀器中的二等地位組成，而數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化等部分已成為儀器的核心組成。近期國內(nèi)外新穎光譜儀器新產(chǎn)品層出不窮，其主要變化或進(jìn)展大部分都體現(xiàn)在核心數(shù)字化組成方面，光機(jī)電%基本組成沒有實(shí)質(zhì)性的變化。
　　
　　可以預(yù)計(jì)，雖然光機(jī)電%基本組成也會(huì)隨著全球高科技發(fā)展而不斷更新，例如2004年德國Zeiss公司推出應(yīng)用連續(xù)光源、交叉色散系統(tǒng)的contrAA連續(xù)光源原子吸收分光光度計(jì)構(gòu)成的核心組成的不斷吸收最新高科技發(fā)展成果而不斷更新，而且使光譜儀器發(fā)生出人意料的革命性變化，將是今后若干年光譜儀器事業(yè)持續(xù)發(fā)展的主流方向。例如，在數(shù)字化高科技基礎(chǔ)上將光譜分析技術(shù)與光學(xué)成像技術(shù)巧妙結(jié)合發(fā)展出光譜成像技術(shù)，將光譜技術(shù)？進(jìn)化%到既能完成定性、定量分析，又可進(jìn)行定位分析的新科技，滿足新世紀(jì)提出的？看到人腦組織中化學(xué)、生化成分分布圖%之類的新要求。
　　
　　現(xiàn)代科技在高集成器件技術(shù)(如芯片技術(shù))、傳感器、微型器件、硅工藝方面的成果日新月異，其功能、性能常有驚人的進(jìn)展，而現(xiàn)代信息理論、數(shù)學(xué)處理方法、計(jì)算軟件系統(tǒng)也在不斷發(fā)展，這些成果都會(huì)很快被吸收入新穎光譜儀器事業(yè)的持續(xù)發(fā)展進(jìn)程中。例如，傳統(tǒng)的一維信息獲取、處理思維正在被多維信息獲取和處理思維所取代，這必然將目前一臺(tái)儀器只能針對(duì)一個(gè)檢測(cè)目標(biāo)獲取單一分析檢測(cè)信息的光譜儀器？進(jìn)化%到借助復(fù)合多維、多功能傳感器和多維信息實(shí)時(shí)處理、運(yùn)算手段，從而同時(shí)給出實(shí)時(shí)多維信息的全新面貌;也就是說，一臺(tái)光譜儀器不單可以給出檢測(cè)試樣的光譜曲線(從而獲得試樣成分信息)，而是可同時(shí)給出試樣成分及其變化，以及諸如化學(xué)結(jié)構(gòu)、物理形態(tài)、活性狀態(tài)等相關(guān)信息及其變化等。發(fā)展多維信息化光譜儀器就可避免瞎子摸象式只能給出？象是彎曲的管狀物(只摸到象鼻)或象是圓柱狀的(只摸到象腿)的單維信息造成的片面或錯(cuò)誤理解或判斷，不但可給出象的整體描述，而且可以給出例如象皮粗糙程度、象體重量、象走動(dòng)速度、象體不同部位溫度分布等多維信息。新世紀(jì)科技、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、軍事發(fā)展，迫切需求掌握事物的實(shí)時(shí)多維信息，用很多臺(tái)只能分別給出不同單維信息的儀器去描述、記錄，評(píng)判復(fù)雜、多變、多相關(guān)的科技、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和軍事對(duì)象，給出一大堆互不相關(guān)、難以比對(duì)分析的信息，確實(shí)已不能適應(yīng)新發(fā)展形勢(shì)的新要求。
　　
　　光譜儀器事業(yè)繼續(xù)沿著全方位發(fā)展的道路持續(xù)發(fā)展光譜技術(shù)和光譜儀器在現(xiàn)代科技、現(xiàn)代大產(chǎn)業(yè)(大規(guī)模自動(dòng)化生產(chǎn)、大規(guī)?？煽乜萍嫁r(nóng)業(yè)等)的持續(xù)發(fā)展要求下，不但會(huì)繼續(xù)發(fā)展高精度、多功能大型光譜分析檢測(cè)儀器或相應(yīng)的系統(tǒng)，以滿足諸如現(xiàn)代航空航天、環(huán)境生態(tài)保護(hù)、自然災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、全球性傳染病(愛滋、禽流感、非典、瘧疾)控制、大規(guī)模戰(zhàn)爭(zhēng)和恐怖活動(dòng)控制等領(lǐng)域的分析檢測(cè)要求，會(huì)發(fā)展大量新的高靈敏、高分辨、高可靠、多維信息的科學(xué)型光譜儀器或系統(tǒng)，并得到快速推廣應(yīng)用;而且會(huì)更多地出現(xiàn)可在現(xiàn)場(chǎng)、生產(chǎn)線、戰(zhàn)場(chǎng)實(shí)地工作、無人監(jiān)守、聯(lián)網(wǎng)工作的種種新穎的實(shí)用型光譜儀器或系統(tǒng)，成為大批量生產(chǎn)在線測(cè)控、野外環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域必不可少的分析檢測(cè)手段。這種光譜儀器必須跳出實(shí)驗(yàn)室設(shè)備%、大型精密貴重儀器%的框子，能忍受現(xiàn)場(chǎng)、野外(包括太空)的嚴(yán)酷工作環(huán)境及強(qiáng)、亂、變化多端的干擾(如強(qiáng)電磁干擾、惡劣氣候變化等)、能無人值守、脫離電網(wǎng)長(zhǎng)期工作、自動(dòng)監(jiān)測(cè)、自動(dòng)調(diào)整最佳工作狀態(tài)、自動(dòng)聯(lián)網(wǎng)交換信息。因此，大型精密研究級(jí)光譜儀器與現(xiàn)場(chǎng)、在線測(cè)控實(shí)用級(jí)光譜儀器或系統(tǒng)，今后一二十年都會(huì)受到重視會(huì)得到顯著發(fā)展。
　　
　　今后光譜儀器仍會(huì)沿著上世紀(jì)末已開始的應(yīng)用面拓寬、轉(zhuǎn)移的方向發(fā)展，將由傳統(tǒng)科技基礎(chǔ)學(xué)科(理、化、天文、生物)、礦物分析、工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量控制等理論研究、物質(zhì)生產(chǎn)領(lǐng)域繼續(xù)向生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境生態(tài)、社會(huì)安全、國防建設(shè)等與人直接相關(guān)的領(lǐng)域拓展。近年來，國內(nèi)外已經(jīng)發(fā)展種種直接與人相關(guān)的光譜儀器，可直接獲取來自人體皮膚的熒光，從而檢測(cè)化妝品、藥品的應(yīng)用效果、皮膚增生、頭發(fā)損傷、紫外線防護(hù)效果等，儀器不必樣品制備、也無樣品池，使用方便;也可用于水質(zhì)分析、土壤分析、環(huán)境分析以及農(nóng)產(chǎn)品、食品、化妝品分析等。
　　
　　可以預(yù)計(jì)，今后相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)光譜儀器事業(yè)仍然將繼續(xù)拓展應(yīng)用面：科技部門將不斷提出開發(fā)出新的應(yīng)用領(lǐng)域或新的應(yīng)用要求，尤其是直接與人相關(guān)的應(yīng)用新要求;儀器研發(fā)、生產(chǎn)單位會(huì)不斷根據(jù)種種新的應(yīng)用需求、推出種種新穎光譜儀器，而且市場(chǎng)前景將會(huì)成為光譜儀器或系統(tǒng)的研發(fā)、生產(chǎn)重點(diǎn);在多領(lǐng)域大發(fā)展形勢(shì)下，光譜分析檢測(cè)的應(yīng)用會(huì)不斷更新，廣大的光譜分析用戶會(huì)開發(fā)出種種新的光譜分析方法，提出新的應(yīng)用要求和對(duì)新穎光譜儀器的開發(fā)要求。我們會(huì)面臨前所未見的光譜儀器事業(yè)方方面面的不斷獲得新應(yīng)用成果的持續(xù)發(fā)展局面。
　　
　　上世紀(jì)后期，由于發(fā)展形勢(shì)提出的要求以及化學(xué)計(jì)量學(xué)%、新穎數(shù)學(xué)方法、計(jì)算機(jī)軟硬件等方面的發(fā)展，近紅外光譜分析技術(shù)得到復(fù)興，多種近紅外光譜儀器不斷涌現(xiàn)。由于近紅外光譜分析技術(shù)有樣品制備簡(jiǎn)便(甚至不需制備處理可直接分析)、可實(shí)現(xiàn)在線分析檢測(cè)、可完成多組分同時(shí)分析等優(yōu)點(diǎn)，全球范圍出現(xiàn)近紅外光譜的發(fā)展熱潮;我國石油化工研究院、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)等單位也正開發(fā)出油品檢測(cè)近紅外光譜儀、農(nóng)產(chǎn)品分析近紅外光譜儀等，在科研、應(yīng)用領(lǐng)域獲得很大發(fā)展成果。
　　
　　光譜儀器小型化成為目前和今后的發(fā)展潮流
　　
　　傳統(tǒng)光譜儀器不但是大型精密、貴重儀器，而且對(duì)工作環(huán)境條件(溫度、濕度、振動(dòng)、電磁干擾要求嚴(yán)酷，必須要由專業(yè)分析人員)。為適應(yīng)全球發(fā)展形勢(shì)，上世紀(jì)后期已有強(qiáng)烈的光譜儀器小型化、便攜式、現(xiàn)場(chǎng)化的需求，并已出現(xiàn)光譜儀器小型化的潮流，研發(fā)小型化光譜儀器成為各國科技、產(chǎn)業(yè)部門的關(guān)注重點(diǎn)。至于現(xiàn)代軍事科技發(fā)展迫切需求的戰(zhàn)場(chǎng)、現(xiàn)場(chǎng)快速放射、生物、化學(xué)武器偵查的便攜式光譜儀，
　　
　　今后若干年會(huì)成為全球各國研發(fā)重點(diǎn)。
　　
　　可以預(yù)計(jì)，由于新世紀(jì)全球多領(lǐng)域的新發(fā)展對(duì)小型化光譜儀器的研發(fā)、生產(chǎn)、應(yīng)用需求會(huì)更加迫切，一定會(huì)成為今后相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)備受關(guān)注的方向。

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