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1、第第2章章 光谱分析法导论光谱分析法导论光分析法的基础包括两个方面：其一为能量作用于待测物质后产生光辐射，该能量形式可以是光辐射和其他辐射能量形式，也可以是声、电、磁或热等能量形式；其二为光辐射作用于待测物质后发生某种变化，这种变化可以是待测物质物理化学特性的改变，也可以是光辐射光学特性的改变。基于此，可以建立一系列的分析方法，这些分析方法均可称为光分析法。 2.1 电磁辐射的性质电磁辐射的性质2.1.12.1.1电磁辐射的波动性电磁辐射的波动性电磁辐射具有波动性，其许多性质可以用经典的正弦波加以描述，通常用周期（T）、波长（）、频率（）和波数（ ）等进行表征。电磁波按所处波长或频率的不同区域
2、，分为无线电波、微波、红外光、可见光、紫外光、X射线等。电磁辐射可以在空间进行传播，传播速率等于光速c410c2.1.1 电磁辐射的波动性电磁辐射的波动性 2.1.2 电磁辐射的微粒性电磁辐射的微粒性 电磁辐射还具有微粒性，表现为电磁辐射的能量不是均匀连续分布在它传播的空间，而是集中在辐射产生的微粒上。 因此，电磁辐射不仅具有广泛的波长（或频率、能量）分布，而且由于电磁辐射波长和频率的不同而具有不同的能量和动量，通常用eV表示电磁辐射的能量，1 eV为一个电子通过1V电压降时所具有的能量。hcEhhhpc 2.1.3 电磁波谱电磁波谱 电磁辐射具有广泛的波长（或频率、能量）分布，将电磁辐射按其
3、波长（或频率、能量）顺序排列，即为电磁波谱。 与不同量子跃迁对应的电磁辐射具有不同的波长（或频率、能量）区域，而且产生的机理也不相同。通常以一种量子跃迁为基础可以建立一种电磁波谱方法，不同的量子跃迁对应不同的波谱方法。 吸收；发射；共振。 2.1.4 电磁辐射与物质的相互作用电磁辐射与物质的相互作用2.1.4.12.1.4.1吸收吸收 当电磁波作用于固体、液体和气体物质时，若电磁波的能量正好等于物质某两个能级（如第一激发态和基态）之间的能量差时，电磁辐射就可能被物质所吸收，此时电磁辐射能被转移到组成物质的原子或分子上，原子或分子从较低能态吸收电磁辐射而被激发到较高能态或激发态。 2.1.4.1
4、 吸收吸收1.原子吸收 当电磁辐射作用于气态自由原子时, 电磁辐射将被原子所吸收。 原子外层电子任意两能级之间的能量差所对应的频率基本上处于紫外或可见光区，气态自由原子主要吸收紫外或可见电磁辐射。 电子能级数有限，吸收的特征频率也有限。 原子通常处于基态，由基态向更高能级的跃迁具有较高的概率。 在现有的检测技术条件下，通常只有少数几个非常确定的频率被吸收，表现为原子中的基态电子吸收特定频率的电磁辐射后，跃迁到第一激发态、第二激发态或第三激发态等。2.1.4.1 吸收吸收2.1.4.1 吸收吸收2. 分子吸收 当电磁辐射作用于分子时，电磁辐射也将被分子所吸收。分子除外层电子能级外，每个电子能级还
5、存在振动能级，每个振动能级还存在转动能级，因此分子吸收光谱较原子吸收光谱要复杂得多。分子的任意两能级之间的能量差所对应的频率基本上处于紫外、可见和红外光区，因此, 分子主要吸收紫外、可见和红外电磁辐射，表现为紫外-可见吸收光谱和红外吸收光谱。2.1.4.1 吸收吸收 由于振动能级相同但转动能级不同的两个能级之间的能量差很小，由同一能级跃迁到该振动能级相同但转动能级不同的两个跃迁的能量差也很小，因此对应的吸收频率或波长很接近，通常的检测系统很难分辨出来，而分子能量相近的振动能级又很多，因此，表观上分子吸收的量子特性表现不出来，而表现为对特定波长段的电磁辐射的吸收，光谱上表现为连续光连续光谱谱。
6、分子的总能量分子通常包括三个部分： 分子电子振动转动2.1.4.1 吸收吸收图图2-3电子能级的吸收跃迁示意图电子能级的吸收跃迁示意图 图图2-4分子振动能级的吸收跃迁示意图分子振动能级的吸收跃迁示意图 2.1.4.1 吸收吸收3. 磁场诱导吸收 将某些元素原子放入磁场，其电子和核受到强磁场的作用后，它们具有磁性质的简并能级将发生分裂，并产生具有微小能量差的不同量子化的能级，进而可以吸收低频率的电磁辐射。 以自旋量子数为1/2的常见原子核1H、13C、19F及31P等为例，自旋量子数为1/2的能级实际上是磁量子数分别为+1/2和-1/2但自旋量子数均为1/2的两个能级的简并能级，该两个能级在通
7、常情况下能量相同，只有在外磁场作用下，由于不同磁量子数的能级在磁场中取向不同，因而与磁场的相互作用也不同，最终导致能级的分裂。2.1.4.1 吸收吸收 这种磁场诱导产生的不同能级间的能量差很小，对于原子核，一般吸收30500MHz（=100060 cm）的射频无线电波，而对于电子来讲，则吸收频率为9500 MHz（=3 cm）左右的微波，据此分别建立了核磁共振波谱法（NMR）和电子自旋共振波谱法（ESR）。2.1.4.2 发射发射 当原子、分子和离子等处于较高能态时，可以以光子形式释放多余的能量而回到较低能态，产生电磁辐射，这一过程叫做发射跃迁发射跃迁。2.1.4.2 发射发射1. 原子发射
8、当气态自由原子处于激发态时，将发射电磁波而回到基态，所发射的电磁波处于紫外或可见光区。通常采用的电、热或激光的形式使样品原子化并激发原子，一般将原子激发到以第一激发态为主的有限的几个激发态，致使原子发射具有限的特征频率辐射，即特定原子只发射少数几个具有特征频率的电磁波。2.1.4.2 发射发射2. 分子发射 与分子外层电子能级、振动能级和转动能级相关。 激发不能采用电热等极端形式，而采用光激发或化学能激发。 基本上处于紫外、可见和红外光区，因此, 分子主要发射紫外、可见电磁辐射，据此建立了荧光光谱法、磷光光谱法和化学发光法。图图2-8 分子发射示意图分子发射示意图 2.1.4.2 发射发射2.
9、 分子发射 通过光激发而处于高能态的原子和分子的寿命很短，它们一般通过不同的弛豫过程返回到基态，这些弛豫过程分为辐射弛豫和非辐射弛豫。 辐射弛豫通过分子发射电磁波的形式释放能量，而非辐射弛豫通过其他形式释放能量。图图2-9 辐射弛豫和非辐射弛豫示意图辐射弛豫和非辐射弛豫示意图 2.1.4.4 折射和反射折射和反射 当光作用于两种物质的界面时，将发生折射和反射现象，光的折射和反射如图2-10所示。图中AO为入射光，OB为反射光，OC为折射光，NN为法线，i为入射角，i为反射角，r为折射角。122.121sinsinninrnVV2.1.4.5 干涉和衍射干涉和衍射 当频率相同、振动相同、相位相等
10、或相差保持恒定的波源所发射的相干波互相叠加时，会产生波的干涉现象。 光波绕过障碍物而弯曲地向它后面传播的现象，称为波的衍射现象。图图2-11 单缝衍射示意图单缝衍射示意图 2.2 光学分析法光学分析法2.2.1非光谱法非光谱法2.2.1.1折射法折射法 基于测量物质折射率的方法称为折射法。可用于纯化合物的定性及纯度测定，并可用作二元混合物的定量分析，还可得到物质的基本性质和结构的某些信息。方法简单，但应用范围有限。 目前，已有携带式Rayleigh干涉仪可供实际工作应用。这种方法已被应用于研究水、胶体溶液、发酵液、牛奶以及测定血浆、血液中的二氧化碳，酶的活性和重水浓度等。2.2.1 非光谱法非
11、光谱法2.2.1.2旋光法旋光法 溶液的旋光性与分子非对称结构有密切的关系，因此，旋光法可作为鉴定物质化学结构的一种手段。它对于研究某些天然产物及络合物的立体化学问题，更有特殊的效果。此外，它还可用于物质纯度的鉴定，例如“糖量计”就是专用于测定具有旋光性的糖含量。2.2.1.3比浊法比浊法 本法是测量光线通过胶体溶液或悬浮液后的散射光强度来进行定量分析，主要适用于测定BaSO4、AgCl及其他胶体沉淀溶液的浓度。2.2.1.4 衍射法衍射法1. X射线衍射法射线衍射法 以X射线照射晶体时，由于晶体的点阵常数与X射线的波长为同一个数量级（约10-8cm），故可产生衍射现象。Bragg（布拉格）方
12、程表示X射线的波长、衍射角与晶格间距d的关系，即2. 电子衍射法电子衍射法 在电镜中，电子透镜使衍射束会聚成为衍射斑点，晶体试样的各衍射点构成了衍射图。电子衍射的衍射角小，一般为12；形成衍射图的时间短，只需几秒钟。但电子束的穿透能力小，所以只适用于研究薄晶体。sin2nd2hmeV2.2.2 光谱法光谱法 光谱分析方法涉及不同能级之间的跃迁，这种跃迁可以是吸收辐射的跃迁，也可以是发射辐射的跃迁。 由此建立了基于外层电子能级跃迁的光谱法、基于转动及振动能级跃迁的光谱法、基于内层电子能级跃迁的光谱法、基于原子核能级跃迁的光谱法，以及Raman散射光谱法。2.2.2.1 基于原子、分子外层电子能级
13、跃迁的光谱法基于原子、分子外层电子能级跃迁的光谱法 包括原子吸收光谱法、原子发射光谱法、原子荧光光谱法、紫外-可见吸收光谱法、分子荧光光谱法、分子磷光光谱法、化学发光分析法，吸收或发射光谱的波段范围在紫外-可见光区，即200nm800nm之间。 对于原子来讲，其外层电子能级和电子跃迁相对简单，只存在不同的电子能级，因此其外层电子的跃迁仅仅在不同电子能级之间进行，光谱为线光谱。 对于分子来讲，其外层电子能级和电子跃迁相对复杂，不仅存在不同的电子能级，而且存在不同的振动和转动能级，宏观上光谱为连续光谱，即带光谱。2.2.2.1 基于原子、分子外层电子能级跃迁的光谱法基于原子、分子外层电子能级跃迁的
14、光谱法1. 原子吸收光谱法 基于基态原子外层电子对其共振发射的吸收的定量分析方法，其定量基础是Lambert-Beer(朗伯-比尔)定律。可定量测定周期表中六十多种金属元素，检出限在ng/mL水平。2. 原子发射光谱法 基于受激原子或离子外层电子发射特征光学光谱而回到较低能级的定量和定性分析方法。其定量基础是受激原子或离子所发射的特征光强与原子或离子的量呈正比相关；其定性基础是受激原子或离子所发射的特征光的频率或波长由该原子或离子外层的电子能级所决定。2.2.2.1 基于原子、分子外层电子能级跃迁的光谱法基于原子、分子外层电子能级跃迁的光谱法3. 原子荧光光谱法 气态自由原子吸收特征波长的辐射
15、后，原子外层电子从基态或低能态跃迁到高能态，约经10-8s，又跃迁至基态或低能态，同时发射出与原激发波长相同或不同的辐射，称为原子荧光。4.紫外-可见吸收光谱法 紫外-可见吸收光谱是一种分子吸收光谱法，该方法利用分子吸收紫外-可见光，产生分子外层电子能级跃迁所形成的吸收光谱，可进行分子物质的定量测定，其定量测定基础是Lambert-Beer定律。2.2.2.1 基于原子、分子外层电子能级跃迁的光谱法基于原子、分子外层电子能级跃迁的光谱法5. 分子荧光光谱法和分子磷光光谱法 分子吸收电磁辐射后激发至激发单重态，并通过内转移和振动驰豫等非辐射驰豫释放部分能量而到达第一激发单重态的最低振动能层第一激
16、发单重态的最低振动能层，然后通过发光的形式跃迁返回到基态，所发射的光即为荧光。 当分子吸收电磁辐射后激发至激发单重态，并通过内转移、振动驰豫和系间窜跃等非辐射驰豫释放部分能量而到达第一激发三重态的最低振动能层第一激发三重态的最低振动能层，然后通过发光的形式跃迁返回到基态，所发射的光即为磷光。2.2.2.2基于分子转动、振动能级跃迁的光谱法基于分子转动、振动能级跃迁的光谱法 基于分子转动、振动能级跃迁的光谱法即红外吸收光谱法，红外吸收光谱的波段范围在近红外光区和微波光区之间，即750nm1000m之间，是复杂的带状光谱。 不存在电子能级之间的跃迁，只存在振动能级和转动能级之间的跃迁，而分子中官能
17、团的各种形式的振动和转动直接反映在分子的振动和转动能级上，分子精细而复杂的振动和转动能级，蕴涵了大量的分子中各种官能团的结构信息，因此，只要能精细地检测不同频率的红外吸收，就能获得分子官能团结构的有效信息。通常情况下，红外吸收光谱是一种有效的结构分析手段。2.2.2 光谱法光谱法2.2.2.3基于原子内层电子能级跃迁的光谱法 与原子内层电子能级跃迁相关的光谱法为X射线分析法，它是基于高能电子的减速运动或原子内层电子跃迁所产生的短波电磁辐射所建立的分析方法，包括X射线荧光法、X射线吸收法和X射线衍射法。2.2.2.4 基于原子核能级跃迁的光谱法 基于原子核能级跃迁的光谱法为核磁共振波谱法。在强磁
18、场作用下，核自旋磁矩与外磁场相互作用分裂为能量不同的核磁能级，核磁能级之间的跃迁吸收或发射射频区的电磁波。2.2.2.5 基于基于Raman散射的光谱法散射的光谱法 频率为0的单色光照射到透明物质上，物质分子会发生散射现象。 如果这种散射是光子与物质分子发生能量交换所产生，则不仅光子的运动方向发生变化，它的能量也发生变化，则称为Raman散射，其散射光的频率与入射光的频率不同，产生Raman位移。 Raman位移的大小与分子的振动和转动能级有关，利用Raman位移研究物质结构的方法称为Raman光谱法。2.2.2.6 光谱的形状光谱的形状1. 线光谱2. 带光谱2.2.2.6 光谱的形状光谱的
19、形状3. 连续光谱 固体在炽热状况下会产生黑体辐射，黑体辐射是通过热能激发凝聚体中无数原子和分子振荡所产生的辐射，其辐射波长范围随温度的升高向短波方向扩展。由于无数原子和分子振荡所产生辐射跃迁的能量非常接近，因而表现为连续光谱，这种连续光谱实际上是无数谱线紧密排列在一起所形成的。 一般来说，在原子光谱分析中连续光谱是一种干扰因素。但是，黑体辐射所产生的连续光谱可以用做连续光源，典型的例子是生活中的白炽灯。2.2.2.7光谱法的分类光谱法的分类2.2.2.7光谱法的分类光谱法的分类2.3光谱分析仪器光谱分析仪器2.3.1.1. 光谱分析仪器原理光谱分析仪器原理 光谱分析仪器是在物质与光的吸收、发
20、射、散射等相互作用基础上，根据相应的光谱分析原理构建起来的。 紫外-可见吸收光谱原理： 构建紫外-可见吸收光谱仪的核心就是要能够检测不同波长的吸光度值A，而吸光度值A不是一个可直接检测的信号，构建紫外-可见吸收光谱仪的核心转化为要能够检测不同波长的入射光强度I0与出射光强度I。0logIAbcI2.3.1.2. 光谱分析仪器基本结构光谱分析仪器基本结构2.3.1.2. 光谱分析仪器基本结构光谱分析仪器基本结构典型的光谱仪一般都由五个部分组成，即： 1.稳定的光源系统； 2.样品引入系统； 3.波长选择系统，通常是色散元件和狭缝组成的单色器； 4.检测系统，一般是将辐射能转换成电信号； 5.信号
21、处理或读出系统，并在标尺、示波器、数字计、记录纸等显示器上显示转换信号。 根据光谱分析仪器结构及光与物质的相互作用差异，可以将光谱分析仪分为三大类，即吸收光谱仪、吸收/发射和光散射光谱仪以及发射光谱析仪。2.3.1.2. 光谱分析仪器基本结构光谱分析仪器基本结构2.3.2. 光源系统光源系统2.3.2.1 连续光源连续光源理想的连续光源应该具备如下条件：1.足够的光强度；2.在所属波长区域内发射连续光谱；3.其发射强度与波长无关，即光源发射的光在所属波长区域强度恒定不变。2.3.2.2 线光源线光源 发射几条不连续谱线的线光源广泛应用于原子吸收、原子荧光光谱及拉曼光谱中。 金属蒸气灯：汞蒸气灯
22、和钠蒸气灯是常见的金属蒸气灯。 空心阴极灯：阴极呈空心圆柱型的气体放电管。其阴极内腔衬上或者熔入了被测元素的金属或化合物，阳极用有吸气性能的其他金属制成，放电管内充有一定压力的惰性气体氖气或氩气。 2.3.2.3 脉冲光源脉冲光源 线光源和连续光源都可以通过脉冲最大发光强度下，采用脉冲方式发光的脉冲光源可以延长光源寿命。 脉冲光源的最大应用在与时间分辨技术的结合，如荧光寿命分析。当脉冲光激发待测物质至高能态后，激发光停止，这时荧光开始衰减，通过时间分辨技术即可检测荧光衰减的动力学过程，并基于不同物质荧光半衰期的不同，进行不同物质的分辨和分别测定，或消除背景干扰等。 激光器是典型的脉冲光源，通过
23、原子或分子受激辐射产生激光。与普通光源相比，单色性好、强度高、相干性好，除用作强光源外，普遍用于时间分辨光谱分析。2.3.3. 波长选择系统波长选择系统 理论上，光谱分析所检测的信号，不管是吸收信号、发射信号或散射信号，都应该是单一波长光的信号。实际上单一波长光是相对的一个概念，即从波长选择系统输出的信号不可能是真正意义上的单色光，而是具有极小带宽的连续光。2.3.3. 波长选择系统波长选择系统 在许多光谱分析中，通常将狭缝采集的具有极小带宽的连续光作为单色光处理。狭缝越小，所采集的光越接近单色光，不仅可以增加光谱测定的分辨率，使所得光谱越真实，同时也是利用光谱方法进行定量测定的必要条件。如荧
24、光光谱定量分析时，必须固定波长，才能保证荧光强度（If）与物质的量浓度（c）成正比。 狭缝越小，光谱的分辨率越高，越接近真实光谱，但狭缝太小可能导致通过狭缝的光通量太小，光信号太弱，以至于现有的检测器难以有效地检测到光信号。2.3.3.1. 单色器单色器典型的单色器主要由五个部分组成：1.入射狭缝；2.准直装置，功能是使光束成平行光线传播；3.色散装置，即棱镜或光栅；4.聚焦透镜或凹面反射镜；5.出射狭缝。2.3.3.2 滤光片滤光片吸收滤光片：吸收滤光片：由有色玻璃或夹在两片玻璃间的分散在明胶薄层中的吸光染料组成，因此只适用于可见光区的波带选择，而且其所选光波带的带宽较宽，透射效率低，只能用
25、于较简单的以定量测定为主的光度计中。干涉滤光片：干涉滤光片：通过光的干涉作用而获得窄的辐射带宽，通常由两层半透明银膜和银膜间的介电薄膜（常为氟化钙或氟化镁）组成。介电膜的厚度决定了透射光的波长。当光线通过第一层银膜后，将在第二层银膜上反射，并随之在第一层膜的内侧反射。2.3.3.3 棱镜棱镜 2.3.3.4 光栅光栅 光栅分为透射光栅和反射光栅。近代光谱仪主要采用反射光栅作为色散元件，典型的反射光栅是平面反射光栅和凹面反射光栅。1. 光栅公式 光栅色散作用的产生是多缝干涉和单缝衍射二者联合作用的结果。光栅的色散作用满足光栅方程：(sinsin )dn2.3.3.4 光栅光栅2. 几种典型的光栅
26、凹面反射光栅：通过在凹面反射镜上沿其弦刻出等间距、等宽度的平行刻痕线而制成，它不仅起色散分光作用，同时其凹面又具有将光线聚焦于出射狭缝的聚焦作用，因而不需要聚焦物镜。闪耀光栅：采用定向闪耀的办法，将光栅刻制成沟槽面与光栅平面成一确定角度的锯齿结构，使衍射的辐射强度集中可发生色散的光谱级上。( )2 sinb nndi2.3.3.4 光栅光栅2. 几种典型的光栅 中阶梯光栅刻槽密度较小（如880条/mm），但刻槽深度大（为数微米），闪耀角大，对紫外-可见光谱区工作级次达40120级，因此谱级重叠十分严重。为了将不同级次的重叠谱线分开，通常采取交叉色散的原理，即使谱线色散方向和谱级散开方向正交，在
27、焦面上形成一个二维色散图像。2.3.3.4 光栅光栅2. 几种典型的光栅 全息光栅是为避免机刻光栅和复制机刻光栅的衍射光谱中出现“鬼线”而发展起来的光栅。 制造过程大致如下：在磨制好的光学玻璃基坯上涂上一层给定厚度的光敏物质后，将其放入单色激光双光束干涉场内曝光，然后在特殊溶剂中“显影”，则基坯上形成与整套干涉条纹的明暗强弱相当、有一定截面形状的槽线。将显影后的基坯再放入真空系统中镀反射铝膜和保护膜就得到全息光栅。 目前可在50cm的形面上制造6 000条/mm的全息光栅。2.3.3.4 光栅光栅3. 光栅单色器的性能指标 单色器的质量取决于它的色散能力和分辨能力等。光栅的色散有角色散和线色散
28、之分：cosdnddcosdldFnDFddd1cosddDdFn1dDnF当当很小（小于很小（小于20o）时，时，cos1，则，则2.3.3.4 光栅光栅3. 光栅单色器的性能指标 单色器的分辨能力是仪器分辨相邻两条谱线的能力。根据Rayleigh准则，在波长相近的两条谱线中，当一条谱线波长的极大值正好落在另一谱线波长的极小值上时，则认为这两条线是可分辨的。RRnN2.3.3.5 狭缝狭缝 狭缝由金属构成，且要求两片刀口的边缘正好平行并落在同一平面上。 选定单色器入射狭缝宽度时，以W（）表示单色器出射光的带宽，S（m）表示出射狭缝宽度，D（/mm）表示单色器的线色散率，则它们相互间具有如下关
29、系：310(A)WDS2.3.4. 样品引入系统样品引入系统电弧原子发射光谱：电弧原子发射光谱：固体样品，放电体系下电极的凹槽内；高压火花原子发射光谱：高压火花原子发射光谱：直接将金属样品制成电极；等离子体原子发射光谱：等离子体原子发射光谱：溶液样品，直接喷雾进样；火焰原子吸收光谱：火焰原子吸收光谱：溶液样品，直接喷雾进样；石墨炉原子吸收光谱：石墨炉原子吸收光谱：溶液样品，注射器直接加入石墨炉；原子荧光光谱：原子荧光光谱：溶液样品，喷雾进样；分子光谱：分子光谱：常温常压下的固体、液体或气体样品，因此只需要一个透光容器和相应的样品架即可，或者制成透光的固态或液态样品形式直接引入光路。玻璃容器：玻
30、璃容器：普通光学玻璃和石英玻璃；固体压片或液膜：固体压片或液膜：红外光谱。2.3.4. 样品引入系统样品引入系统样品的介质条件： 原子光谱：对样品的介质条件要求不高，基本上只要能保证有效进样和有效原子化，同时不损害进样和原子化系统就可。 紫外-可见吸收光谱、分子荧光光谱、分子磷光光谱、化学发光光谱均适用于紫外-可见波段，均采用溶液样品，原因是水及一般的溶剂在紫外-可见波段均不吸光。 红外光谱：由于水及一般溶剂均有红外活性，因而不能采用溶液样品，通常采用的溴化钾固体压片，也是基于溴化钾在红外波段没有红外活性且其固体压片透光的事实。2.3.5. 检测系统检测系统 2.3.5.1理想的检测器理想的检
31、测器在整个研究波长范围内对光辐射有恒定的响应；具有高灵敏度、高信噪比、响应时间快的特点；在没有光辐射时，检测器输出信号应该为零；响应光辐射所产生的信号还应该正比于光辐射的强度。 实际上，理想检测器是不存在的，主要是因为实际的检测器不可能在整个研究波长范围内对光辐射有恒定的响应，与实际光源相关的作用于检测器的光辐射强度I也是波长的函数，实际检测器还存在暗信号输出S0。 0( )SkIS ( )SkI2.3.5.2 光电检测器光电检测器 光电检测器是将光信号转换为可量化输出的电信号的检测器。 一类检测器的信号转换功能主要通过光敏材料来实现，当光作用于光敏材料时，光敏材料释放出电子，由此实现光电转换
32、； 另一类检测器的信号转换功能主要通过半导体材料来实现，当光作用于半导体材料时，半导体材料的导电特性将发生改变，并实现光电转换。2.3.5.2 光电检测器光电检测器 由于光敏材料释放出电子以及半导体材料导电特性改变均需要一定的能量，而光能量的大小与波长呈反比，因此光敏材料和半导体材料只对紫外光、可见光和近红外光敏感，相应的光电检测器只适用于紫外到近红外光区的光谱检测。 所对应的光谱法包括原子吸收光谱、原子发射光谱、原子荧光光谱、紫外-可见吸收光谱、分子荧光光谱、分子磷光光谱、化学发光以及近红外光谱。 红外光的能量较低，不足以使光敏材料释放出电子，或使半导体材料的导电特性发生改变，因此光电检测器
33、光电检测器不能用做红外光谱的检测器。不能用做红外光谱的检测器。2.3.5.2 光电检测器光电检测器 常见的光电检测器包括硒光电池、真空光电管、光导检测器、硅二极管、光电倍增管以及硅二极管阵列和电荷转移器件等。 硒光电池、真空光电管、光导检测器、硅二极管和光电倍增管为单波长检测器，它们均需要通过狭缝采光，将不同波长的光投射到检测器上分别检测。 硅二极管阵列和电荷转移器件为多道检测器，它们本质上是多个单波长检测器的集成，可进行多波长同时测定。2.3.5.2 光电检测器光电检测器 1.硒光电池 硒光电池通过半导体材料硒实现光电转换，其光谱响应的波长范围为300800nm，最灵敏响应波长范围为5006
34、00nm。将硒沉积在铁或铜的金属基板上，硒表面再覆盖一层金、银或其他金属的透明金属层就构成了硒光电池。2.3.5.2 光电检测器光电检测器 2.真空光电管 真空光电管的光谱响应范围和灵敏度取决于沉积在阴极上的光敏材料性质。因此，对不同波长区域光的检测，应该选用不同的光电管。 2.3.5.2 光电检测器光电检测器 3. 光导电检测器 光导电检测器也叫半导体检测器，无光照时，其电阻可达200k，而吸收辐射后，半导体中的某些价电子被激发成为自由电子，电子和空穴增加，导电性能增加，电阻减小，可根据电阻的变化检测辐射强度的大小。 敏感元件通常由金属铅、镉、镓、铟的硫化物、硒化物及碲化物形成的半导体晶体组
35、成。4. 硅二极管 在一硅片上形成的反向偏置的p-n结构成，反向偏置造成了一个耗尽层，使该结的传导性几乎降到了零。当辐射光照射到n区，就可形成空穴和电子。空穴通过耗尽层到达p区而湮没，于是电导增加，形成光电流。可响应的光谱范围为1901100nm。2.3.5.2 光电检测器光电检测器 5. 光电倍增管 一种加上多级倍增电极的光电管，同时具有光电转换和电流放大功能，其外壳由光学玻璃或石英玻璃制成，内部为真空状态。2.3.5.2 光电检测器光电检测器 5. 光电倍增管 光电倍增管由阴极C吸收入射光子的能量并将其转换为电子,其转换效率（阴极灵敏度）随入射光的波长而变化，这种光阴极灵敏度与入射光波长之
36、间的关系叫做光谱响应特性。 阴极一般都采用具有低电子逸出动能的碱金属材料所形成的光电发射面，而入射窗材料通常由硼硅玻璃、透紫玻璃（UV玻璃）、合成石英玻璃和氟化镁（或镁氟化物）玻璃制成。2.3.5.2 光电检测器光电检测器 6. 硅二极管阵列 在硅片上集成多个微型硅二极管即制成硅二极管阵列检测器。2.3.5.2 光电检测器光电检测器 7. 电荷转移器件 电荷转移器件是新型的多道检测器，因其将电荷从收集区转移到检测区后完成测定而得名。电荷转移器件测定光生电荷量的方法有两种，一种是测量当电荷从一个电极移到另一个电极时产生的电压改变;另一种是将电荷引入敏感放大器中测量，前者称为电荷注入器件，后者称为
37、电荷耦合器件。2.3.5.3 热检测器热检测器 热检测器是基于黑体吸收辐射并根据吸收引起的热效应测定辐射强度的一类检测器。 除光导电检测器以外，热检测器广泛用于红外辐射的检测，其响应值与入射辐射的平均功率相关联。1. 真空热电偶真空热电偶2.3.5.3 热检测器热检测器 2. 测热辐射计测热辐射计 基于导体（如铂、镍）或半导体吸收辐射后，温度的改变使其电阻改变，从而产生输出信号而构建的检测器，所采用的测量电路为惠斯通电桥。 用厚约10m的热敏电阻安装在散热基片上制成热敏元件，将两个相同的该热敏元件连接到惠斯通电桥的相应两个臂上，其中一个热敏元件为检测元件，用于吸收红外辐射；另一个热敏元件起补偿
38、环境温度变化影响的功能，不用于吸收红外辐射。 当检测元件没有吸收红外辐射时，惠斯通电桥处于平衡状态，没有信号输出；当检测元件吸收红外辐射时，检测元件的电阻发生变化，惠斯通电桥不平衡，并输出信号，此信号大小与红外辐射强度呈正比。2.3.5 信号处理和读出系统信号处理和读出系统 信号处理和读出系统主要由信号处理器和读出器件组成。 信号处理器通常是一种电子器件，它可放大检测器的输出信号。此外，它也可以把信号从直流变成交流（或相反），改变信号的相位，滤掉不需要的成分。同时，信号处理器也可用来执行某些信号的数学运算，如微分、积分或转换成对数等。 在现代分析仪器中，常用的读出器件有数字表、记录仪、电位计标尺、阴极射线管等。2.3.5 信号处理和读出系统信号处理和读出系统 通常，光电检测器的输出采用模拟技术处理和显示，即将由检测器出来的平均电流、电位等放大、记录或馈入某一个适当的表头。近年来，利用光电倍增管的输出，将已应用在X射线辐射功率测量中的光计数技术，引入了紫外和可见光区的测量。 与模拟技术比较，光计数技术有更多的优点。它包括：改善信噪比和低辐射强度的灵敏度；提高给定测量时间的测量精度；降低光电倍增管电压和温度的敏感性。采用光计数技术需要较复杂的设备，价格昂贵，目前该技术尚不能广泛用于紫外可见光区的测量。而在那些低强度辐射中，如荧光、化学发光和拉曼光谱，已成为首选的方法。