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一、光谱仪发展及应用

光谱仪器是光学仪器的重要组成部分。它是应用光学技术及光谱分析技术原理，对物质的结构和成分进行观测、分析和处理的基本设备，具有分析精度高、测量范围大、速度快和样品用量少等优点。因此，广泛用于冶金、地质、石油化工、医药卫生、环境保护等部门。也是军事侦察、宇宙探索、资源和水文勘测所必不可少的仪器。随着激光技术、电子技术、信息处理技术、计算机技术及新型元件的发展，应用微处理技术，使光谱仪器向高精度、高分辨率、高效益、多功能、自动检测和人工智能化方向发展。

二、光谱仪分类

光谱分析技术射光谱分析、原子吸收光谱分析、分子吸收光谱分析、拉曼光谱分析、荧光光谱分析。根据光谱仪所用的分光原理，可分为两大类：色散型和干涉型。色散型光谱仪按分光元件不同分成棱镜式和光栅型，干涉型光谱仪又称为傅立叶变换光谱仪。根据接收和记录光谱的方法不同可分为：看谱仪、摄谱仪和光电光谱仪。根据光谱仪所能正常工作的光谱范围可分为：真空紫外光谱仪（6-200nm）、紫外光谱仪(185-400nm)、可见光光谱仪(380-780nm)、近红外光谱仪（从可见光区至2.5um）、红外光谱仪（2.5-50um）、远红外光谱仪(50um-1mm)。根据仪器的功能及结构特点，光谱仪可分为：单色仪、发射光谱仪吸收光谱仪、荧光光谱仪、调制光谱仪等。

三、光谱仪原理介绍

光谱仪器主要有三部分组成：光源和照明系统、分光系统和接收系统。分光系统是光谱仪的核心部件，棱镜光谱仪、光栅光谱仪和非调制光谱仪是空间分离光谱的，调制光谱仪是利用干涉调制法进行光谱分离。接收系统是测量光谱组成部分（光谱线、光谱带、连续光谱）的波长和强度，从而得知被研究物质的参数（例如物质的成分和含量，以及物体的温度、星体运动的速度和质量等），包括光谱的接收、处理和显示。

1. 棱镜型色散型光谱仪

第一代是最早使用的棱镜式色散型光谱仪，分辨率低，对温度、湿度敏感，对环境要求苛刻。

S-入射狭缝　　　L1、L2-透镜　　P-棱镜   F-摄谱面

1. 光栅式色散型光谱仪

第二代光栅型色散式光谱仪，由于采用先进的光栅刻制和复制技术，提高了仪器的分辨率，拓宽了测量波段，降低了环境要求。

M1-凹面反射镜　　　M2－平面反射镜　　S-狭缝     G-光栅　　　F-摄谱面

1. 傅立叶变换光谱仪

现在常用的傅立叶变换红外光谱仪（Fourier transform infrared spetrophotometer，简称FTIR），具有宽的测量范围、高测量精度、高分辨率以及快的测量速度。傅立叶变换光谱仪以迈克尔逊干涉为基础，其干涉原理如下图所示。

光源发出的光经分光镜分成两束光，一束是经分光镜反射到固定镜，再沿原方向反回分光镜；另一束经分光镜透射到动镜，再沿原方向反射到分光镜，其中动镜左右平移，使两束光产生光程差并再次相遇，从而实现干涉。两束光在分光镜处相干涉，形成干涉光。一部分经分光镜透射返回光源，另一部分经分光镜反射到探测器感光面。

FTIR光谱仪由光学系统，电子电路，计算机数据处理、接口和显示系统等部分组成。

基于光的相干原理，在探测器处得到的是一个强度变化为余弦形式的信号。在连续改变光程的同时，记录下中央干涉条纹的光强变化，就得到干涉图。由迈克尔逊干涉仪出来的干涉出来的干涉信号为实数偶函数，利用傅里叶变换的对称性可得谱函数。其运算通过电子计算机完成，它由模数转换器（A/D），傅里叶余弦变换运算器，数字模拟转换器（D/A）组成，最后直接显示出光谱图。

4. 傅立叶变换拉曼光谱仪

拉曼光谱与红外光谱为两相互补之光谱，除光谱中波峰强度强弱的互补外，拉曼光谱的侦测范围可达50cm-1,弥补了红外光谱之不足（最低400cm-1）。此外，红外光谱所使用的光源波长范围在中红外及近红区，而拉曼光谱使使用的光源波长可达可见光甚至紫外区，使得研究分子振动所使用的光源范围更为宽广。

傅里叶变换拉曼光谱(FT-Raman)通过检测样品的拉曼散射光谱来研究物质的分子结构及结构变化。拉曼光谱可以真实反映被测物质分子的具体结构信息，是特异性明确的指纹谱线。拉曼光谱技术可以用于包括固体、液体、气体等类型样品的分析和检测，其主要应用学科包括化学、物理、环境、生物和医药，其应用领域包括材料、医药卫生、环保、食品安全、国防公安等。但在过去的很长一段时间内，拉曼光谱仪都是体积庞大、结构复杂的高端设备，很难在食品检验、安全检查、野外探矿、环境监测等现场应用中见到拉曼光谱仪的身影，这局限了拉曼光谱仪的应用范围。目前，世界上便携式拉曼光谱仪的研发与需求正在与日俱增。

傅里叶变换红外（ＦＴ－ＩＲ）通过迈克尔逊干涉仪将物质的吸收光谱信号转换成时间域信号，再通过。傅里叶数学变换转换成我们通常熟悉的谱图信号。拉曼光谱是测量漫反射信号。这是他们仪器原理上的区别。

四、展望

拉曼光谱可以真实反映被测物质分子的具体结构信息，是特异性明确的指纹谱线。拉曼光谱技术可以用于包括固体、液体、气体等类型样品的分析和检测，其主要应用学科包括化学、物理、环境、生物和医药，其应用领域包括材料、医药卫生、环保、食品安全、国防公安等。但在过去的很长一段时间内，拉曼光谱仪都是体积庞大、结构复杂的高端设备，很难在食品检验、安全检查、野外探矿、环境监测等现场应用中见到拉曼光谱仪的身影，这局限了拉曼光谱仪的应傅里叶变换（FT）拉曼光谱仪的基本部件就是一个Michelson干涉仪。其中的一个反射镜可高精度地线性移动，由此产生的光干涉信号经过傅里叶变换后即可得到光谱。FT光谱仪微型化的关键就在于减小该可动反射镜及其控制组件的尺寸。MEMS微镜及驱动结构尺寸微小（几个毫米），10伏以内的驱动电压下线性位移可达500微米，远超现有MEMS微镜的线性位移，且无需真空包装。

传统型及便携式光谱仪采用可动反射镜，其驱动装置复杂，结构笨重；MEMS光谱仪可实现其结构微型化，使用范围更广泛，可以实现便携式微型光谱仪，应用于食品、环境、防恐、医药等；可实现装入手机的超微型光谱仪；光学仪器的微型化和智能化，将让功能强大但目前很笨重昂贵的光学仪器走进厨房，走上餐桌，走入卧室，让人们随时知道自己吃的是什么呼吸的是什么，可以吃得放心睡得香。