2.6 光谱仪器介绍
2.6.1 红外光谱仪
红外光谱仪是一种测量物质对红外辐射的吸收率（或透过率）的分析仪器，由于每种物质都有一定的特征吸收谱（它只吸收某些波长而不吸收其他波长的辐射光），所以可以利用特征的吸收谱进行定性分析。同时，物质的总量与吸收总量成线性关系，因此利用吸收谱还可以进行物质成分的定量分析。红外光谱仪经过几十年的发展历程，从仪器的设计方式到性能和测量方法都发生了很大的变化。
从样品光谱信息的获得看，分为可在一个或几个波长范围内测定的专用型滤光仪器和在红外光波长范围内测定全谱信息的研究型仪器。从光谱测定的波长范围看，由于采用不同的检测器和分光器件，可分专用于短波红外光区域和用于长波红外光区域。从红外光仪器的分光器件看，可分为4种主要类型：滤光片、光栅分光、傅里叶变换和声光调制滤光器。从检测器对分析光的响应看，有单通道和多通道两种类型，多通道型又有采用电荷耦合器件和二极管阵列器件作检测器的红外光谱仪。
滤光片型红外光谱仪早在20世纪50年代就已得到应用，该类仪器采用滤光片作为单色光器件。该类仪器的特点是设计简单、成本低，只能获得几个特定波长处的光谱信息。这类仪器已广泛应用于专用或便携式仪器。
色散型红外光谱仪器采用光栅作为分光器件，根据使用的检测器类型不同，可分为光栅扫描单通道型和固定光路多通道型。光栅扫描单通道仪器是20世纪60年代末70年代初发展起来的一类仪器。这类仪器的特点是可进行全谱扫描，分辨率高，但是存在机械轴承容易磨损、抗振性较差等问题，故不适合在线分析。固定光路多通道型仪器是90年代发展起来的一类仪器。这类仪器采用固定光栅分光，经光栅色散的光聚焦在多通道检测器的焦面上。
傅里叶变换光谱技术是利用干涉图和光谱图之间的对应关系，通过测量干涉图和对干涉图进行傅里叶变换的方法来测定和研究光谱的技术。能同时测量、记录所有波长的信号，并以比传统的色散型光谱仪更高的效率采集来自光源的辐射能量，具有更高的信噪比和分辨率。
声光可调滤光器（Acousto-Optic Tunable Filter，AOTF）红外光谱仪器，用AOTF作为分光系统，被认为是20世纪90年代红外光谱仪器最突出的进展。这类仪器采用双折射晶体，来改变频率调节扫描的波长。这类仪器最大的特点是无机械移动部件，扫描速度快，且精度高，准确性好。这类仪器具有较好的稳定性，特别适合用于在线分析。
多通道红外光谱仪器是因为仪器的检测器采用多通道光敏器件而得名。这类仪器的色散系统一般采用平面光栅或全息光栅，与光栅扫描型仪器相比，光栅不需要转动即可实现确定波长范围的扫描。这类仪器的最大特点是仪器内部无可移动部件，仪器的稳定性和抗干扰性能好；另外一个特点是扫描速度快，一般单张光谱的扫描速度只有几十毫秒。这两个特点的结合，使该类仪器特别适合作为现场或在线分析仪器使用。
我国对红外光谱仪器的研制起步较晚，大约在20世纪90年代中后期，通过一些厂家和科研单位的积极努力，在红外光谱仪器的研制方面取得了一定的成绩。如北京第二光学仪器厂研制了傅里叶变换红外辛烷值分析仪，石油化工科学研究院研制了采用电荷耦合检测器（CCD）的多通道红外光谱仪，中国农业大学研制了滤光片型漫透射红外谷物品质分析仪，中国农业机械化科学研究院研制的CA-XP粮油品质红外分析系统等。
在仪器研制方面，国外已经有商业化的仪器。如德国Bruker公司、美国Thermo-Fisher公司、美国PE公司、瑞典Foss公司等。由于国内硬件工艺水平所限，以及缺乏功能完善的光谱定量分析软件，国产光谱仪器的使用和推广受到极大的限制，在我国科研所和一些企业用户使用的红外光谱仪器，绝大多数采用的是国外生产的光谱仪。但是近十年来国产近红外仪器得到了快速的发展，以聚光为代表的国产光谱仪器在国内多个生产领域得到了初步的应用。
2.6.2 拉曼光谱仪
按照拉曼散射光随着频移分散开的方式进行分类，拉曼光谱仪主要有滤光器型、色散型（光栅分光）和傅里叶变换型（迈克尔干涉仪）。滤光器型拉曼光谱仪是最早、最简单的拉曼光谱仪，其缺点是来自试样的绝大部分拉曼散射被阻挡，只有很狭窄的光谱段进入检测器。而色散型和傅里叶变换型拉曼光谱仪能克服这个缺点。实际应用证明：色散型拉曼光谱仪具有更高的灵敏度，适用于各种样品；而采用低能量1064nm激光作为光源的傅里叶变换型光谱仪对样品破坏性小，可消除荧光背景，更适合生物样品的测试。色散型拉曼光谱仪大多带有显微镜，用以实现高灵敏度和高空间分辨率。目前各大厂商的主流机型为共聚焦显微拉曼光谱仪，其工作原理如图2-12所示。若以3层样品的中间层为检测目标，当激光聚焦于中间层面时，来自于中间层面上的信号能够完全通过“共焦孔”到达检测器，非焦平面（上层和下层）上的信号通不过针孔。
激光器作为激发光源对拉曼光谱技术的发展至关重要，其突出优点是方向性强、单色性好、亮度高、相干性好，可远距离传输。表2-2列出了常用于拉曼光谱仪的激光器。
图2-12 共聚焦原理图
表2-2 常用拉曼光谱仪激光器
2.6.3 紫外光谱仪
目前，市场上的紫外-可见光分光光度计主要有两类：扫描光栅型和固定光栅型。后者也常常被称为CCD（PDA）光谱仪或多通道光度计。它们的主要构成：光源、分光系统、探测器和软件系统。
1.光源
紫外-可见光区的光源主要采用卤素钨灯和氘灯或氙灯。钨卤素灯的工作波长范围为320～2500nm，氘灯的工作波长范围为180～375nm，两者组合使用。氙灯是新颖的光源，发光效率高，强度大，而且光谱范围宽，包括紫外光、可见光和近红外光。扫描光栅型大多能在扫描过程中自动地完成光源切换动作，并自动转换滤光片，以消除高级次谱的干扰。固定光栅型为了保持其高速测量的优点，要避免光源切换。
2.分光系统
扫描光栅型的分光系统常称为单色仪，固定光栅型的分光系统则接近摄谱仪。单色仪大多布置在样品室之前，固定光栅型则必须把分光系统置于样品室之后。在紫外-可见光分光光度计的发展历史上，扫描光栅型出现过多种光路设计，主要如单光束、准双光束和双光束，还有双波长。单光束光路的漂移是主要问题，但现在也可通过元器件性能的提高、制造工艺的进步和软件校正加以改进。准双光束和真正双光束设计都是利用参比光路的补偿来减少漂移的影响，结构更为复杂。为了进一步地提高分辨率或降低杂散光，还出现了双单色器分光光度计，其杂散光等性能的确是单单色器分光光度计无法企及的，但其结构的复杂性和制造工艺的高要求也是显然的。
3.光栅
光栅是分光系统的核心部件，有平面光栅和凹面光栅两种。在制造工艺上，全息光栅已全面取代了刻划光栅。为了提高光能量的利用率，闪耀光栅的使用也很普遍。对于平面光栅，全息技术的长处在于成品率更高，杂散光更小，不产生伪线。而对凹面光栅来说，其迅速的发展几乎全部得益于全息技术的应用。目前，凹面光栅已发展出4种类型。其中的Ⅳ型可用于扫描光栅型中。因为兼具色散和聚焦两项功能，使用凹面光栅可以帮助简化扫描光栅型分光光度计的结构。Ⅲ型常称为平场型，它能使凹面光栅的像面从通常的罗兰圆变成平面，还可以同时实现消像散的设计。这对于固定光栅的光路不仅是必需的，也使固定光栅型分光光度计的分光系统简约到了极致。
4.探测器
探测器对分光光度计的设计和性能有着重要的影响。扫描光栅型分光光度计使用的探测器主要为光电管、光敏二极管和光电倍增管等。近十几年来，随着阵列型光电器件技术的发展和应用，促使全新结构和性能的固定光栅型分光光度计诞生，尤其使分光光度计的测量速度上了一个新的台阶。阵列型光电探测器的典型代表是PDA和CCD，这类探测器测量速度快，多通道同时曝光，最短时间仅在毫秒量级，也可以累积光照，积分时间最长可达几十秒，可探测微弱的信号，动态范围大。另外，由于固定光栅型分光光度计没有机械运动部件，简化了结构，减小了体积，提高了工作的稳定性，使分光光度计能走出实验室，进入工作现场，进行在线测量。
5.软件
现代分光光度计的软件已不再只是用作数值运算的附属工具，而是整台仪器的核心，渗透到分光光度计的各个层面。特别是那些使用通用PC的分光光度计，用户的使用感觉与其说是一台实实在在的仪器，倒不如说是计算机上的一个应用程序。仪器4Modern Scientific Instruments 2004网络化的趋势将进一步加深这种印象。软件技术也是分析仪器自动化、智能化的关键因素。软件的作用主要有控制、监测与校正、光谱采集与处理、数据存储与分析等。分光光度计的测量波长或范围的设置、光栅运动的驱动和控制、光源的自动切换、滤光片的自动选择、探测器的驱动、A-D转换的同步、数据传输至计算机、数据写入存储器、光谱或测量结果的显示，所有这些功能对于使用者来说可能只是按下了一个按钮或点击了一次鼠标，软件完成了所有的幕后工作。为了提高仪器的使用性能，在软件中包含了硬件的监测和校正，如光源的输出功率、波长的准确性、杂散光水平、基线校正等。光谱数据的处理和分析更是软件的特长。用户友好的视窗图形界面和菜单操作，光谱图和数据作为文件进行管理、存储和读取，光谱图可随意地移动、放大、缩小、重叠，数据可以被平滑、求导、积分、进行函数运算，可以自动寻找峰值、浓度分析、多组分分析，还可以有多种软件包，如核酸分析、蛋白质分析、动力学分析、水质分析和环保分析等，用于各专业领域。