2.3 光谱分析仪器
光谱分析法一般基于吸收、荧光、磷光、散射、发射和化学发光六种现象。各种仪器的组成略有不同，但都包含五个部分：①光源；②样品室；③单色器；④检测器；⑤信号处理显示器或记录仪。五个部分的三种不同搭配方式构成了六种光谱测量的分析仪器（图2-2）。
（a）吸收光谱法
（b）荧光、磷光及散射光谱法
（c）发射光谱法及化学发光
图2-2 光谱分析仪器框图
2.3.1 光源
光谱测量使用的光源要求稳定，强度大。一般采用高压放电或加热的方式获得，而且用稳压装置以保证获得稳定的外加电压。光源有连续光源、线光源等，也可将光源分为激发光源和背景光源。
（1）原子发射光谱仪的光源
原子发射光谱仪的光源主要有火焰、直流电弧、交流电弧、火花、电感耦合高频等离子体（ICP）、微波等离子体、激光光源等。其性质及应用见表2-2。
表2-2 几种常见原子发射光源的性质及应用
（2）原子吸收光谱仪的光源
原子吸收光谱仪的光源主要采用空心阴极灯。空心阴极灯的结构如图2-3所示。
图2-3 空心阴极灯结构示意图
1—紫外玻璃窗口；2—石英窗口；3—密封；4—玻璃套；5—云母屏蔽；6—阳极；7—阴极；8—支架；9—管座；10—连接管脚
它是一种阴极呈空心圆柱形的气体放电管，在阴极内腔衬上或熔入被测元素的金属或其化合物，阳极材料用钨、镍、钛或钽等有吸气性能的金属制成，灯内充有一定压力的惰性气体氖或氩，这种气体也称载气。空心阴极灯就是以中空圆柱体为阴极的辉光放电灯。在电极间加上电压（200～500V）后，从阴极发出的电子在电场作用下被加速，并向阳极运动。这些原子与载气原子实现碰撞电离，产生离子和电子。其中正离子向阴极移动，由于高电位梯度，正离子被大大加速而获得很大能量，撞击在阴极表面并溅射出阴极材料原子。这些溅射出来的原子与充入气体的原子、电子或离子发生非弹性碰撞而被激发发光。
（3）紫外-可见分光光度计的光源
①氘灯 紫外连续光源主要采用氢灯或氘灯。氘灯的灯管内充有氢的同位素氘，它们在低压下以电激发的方式所产生的连续光谱的范围为160～375nm，在同样的条件下，氘灯产生的光谱强度比氢灯大3～5倍，而且寿命也比氢灯长。
②钨灯 可见光源通常使用钨灯和碘钨灯。在大多数仪器中，使用的工作温度约为2870K，光谱波长范围为320～2500nm。
（4）红外光谱仪的光源
①能斯特灯 能斯特灯是由铈、锆、钍和钇等氧化物烧结而成的长约2cm、直径约1mm的实心或空心棒组成，工作温度可达1300～1700℃，其发射的波长范围约为1～30μm，它的寿命较长、稳定性好。对短波范围辐射效率优于硅碳棒，但价格较贵，操作不如硅碳棒方便。
②硅碳棒 硅碳棒是由碳化硅烧结而成的实心棒，工作温度达1200～1500℃。对于长波，其辐射效率高于能斯特灯，其使用波长范围比能斯特灯宽，发光面大，操作方便、廉价。
（5）荧光光谱仪的光源
高压氙弧灯是目前荧光分光光度计中应用最广泛的一种光源。这种光源是一种短弧气体放电灯，外套为石英，内充氙气，室温时其压力为5×105Pa，工作时压力约为20×105Pa。在250～800nm光谱区呈连续光谱。工作时，在相距约8mm的钨电极间形成一强阳电子流（电弧），氙原子与电子流相撞而离解为氙正离子，氙正离子与电子复合而发光。
氙灯需用优质电源，以便保持氙灯的稳定性和延长其使用寿命。氙灯的电源亦很危险，例如450W氙灯的电流为25A，电压为20V，启动氙灯需用20～40kV电压，这种电压可能击穿皮肤，强电流能威胁人的生命安全。
2.3.2 样品室
紫外-可见分光光度计和荧光分光光度计的样品室内装有比色皿，可以是玻璃或石英比色皿。可见光范围用玻璃比色皿，紫外光范围用石英比色皿。原子吸收光谱仪的样品室为原子化器，常用的原子化器有火焰和石墨炉。
2.3.3 单色器
单色器又称波长控制器，其作用是把光源辐射的复合光分解成按波长顺序排列的单色光。它由入射狭缝和出射狭缝、准直镜以及色散元件组成。
2.3.4 检测器
（1）硒光电池
硒光电池，如图2-4所示，将一层半导体硒涂在铁或铝的金属底板上。在硒表面再涂一层导电性和透光性良好的金属薄膜（如金、银等）作为收集极，然后再在金属薄膜表面涂一层保护层。
图2-4 硒光电池
当光透过金属薄膜照射到半导体硒时，硒将释放出电子。在硒层中的电子只能向金属膜流动，电子的流动产生了电流，其大小为10～100A。外电路的电阻小于200Ω时，其电流的大小与入射光强度呈线性关系。硒光电池光谱响应的波长范围为350～750nm，在550nm左右波长处最灵敏。
（2）光电管
光电管也称真空光电二极管，它是由一个半圆筒状的金属阴极和一个丝状阳极密封在透明的真空套管中组成，见图2-5。在阴极的内表面涂有碱金属氧化物，或碱金属氧化物与其他金属氧化物，如氧化铯，或氧化钾与氧化银等光电发射物质，从而组成光电阴极。当光照射光电阴极时将发射出电子，电子被加在两电极间的外加电压（约90V直流电压）加速，并被阳极收集而产生电流。
（3）光电倍增管
光电倍增管如图2-6所示。它的阴极与光电管的阴极相似，但它还有一组称为打拿极的附加电极，打拿极的电位比阴极正。在光照射下，阴极发射的电子在高真空中被电场加速并向第一打拿极运动，当电子飞向第一个打拿极时，每一个入射电子将平均使打拿极表面发射出几个电子，这就是二次发射过程。然后二次发射的电子又被加速并向第二个打拿极运动，电子数目再次被二次发射过程倍增。此过程多次重复，最后电子被收集在阳极上。
图2-5 光电管及其电流测量示意图
图2-6 光电倍增管示意图（1～9为打拿极）
图2-7 真空热电偶
（4）热电偶
如图2-7所示，热电偶是由两根温差电位不同的金属丝焊接在一起，并将一接点安装在涂黑的接受面上。吸收了红外辐射的接受面及接点温度上升，就使它与另一接点之间产生了电位差。此电位差与红外辐射强度成比例。
（5）测热辐射计
将极薄的黑化金属片作受光面并作为惠斯顿电桥的一臂，当红外辐射投射到受光面而使它的温度改变，进而引起电阻值改变时，电桥就有信号输出，此信号大小与红外辐射强度成比例。
（6）热释电检测器
它是利用硫酸三苷肽（TGS）这类热电材料的单晶薄片作检测元件，将10～20μm厚的硫酸三苷肽薄片的正面镀铬，反面镀金，形成两电极，并连接至放大器，将TGS与放大器一同封入带有红外透光窗片的高真空玻璃外壳内，当红外辐射投射至TGS薄片上，温度上升，TGS表面电荷减少。这相当于TGS释放了一部分电荷，释放的电荷经放大后记录。
2.3.5 信号处理器和读出装置
检测器将光信号转变为电信号后，电信号通过模数转换器送于计算机处理打印或用记录仪、数字显示屏显示测量结果。