一、光譜儀發(fā)展及應用

光譜儀器是光學儀器的重要組成部分。它是應用光學技術及光譜分析技術原理，對物質的結構和成分進行觀測、分析和處理的基本設備，具有分析精度高、測量范圍大、速度快和樣品用量少等優(yōu)點。因此，廣泛用于冶金、地質、石油化工、醫(yī)藥衛(wèi)生、環(huán)境保護等部門。也是軍事偵察、宇宙探索、資源和水文勘測所必不可少的儀器。隨著激光技術、電子技術、信息處理技術、計算機技術及新型元件的發(fā)展，應用微處理技術，使光譜儀器向高精度、高分辨率、高效益、多功能、自動檢測和人工智能化方向發(fā)展。

二、光譜儀分類

光譜分析技術射光譜分析、原子吸收光譜分析、分子吸收光譜分析、拉曼光譜分析、熒光光譜分析。根據(jù)光譜儀所用的分光原理，可分為兩大類：色散型和干涉型。色散型光譜儀按分光元件不同分成棱鏡式和光柵型，干涉型光譜儀又稱為傅立葉變換光譜儀。根據(jù)接收和記錄光譜的方法不同可分為：看譜儀、攝譜儀和光電光譜儀。根據(jù)光譜儀所能正常工作的光譜范圍可分為：真空紫外光譜儀（6-200nm）、紫外光譜儀(185-400nm)、可見光光譜儀(380-780nm)、近紅外光譜儀（從可見光區(qū)至2.5um）、紅外光譜儀（2.5-50um）、遠紅外光譜儀(50um-1mm)。根據(jù)儀器的功能及結構特點，光譜儀可分為：單色儀、發(fā)射光譜儀吸收光譜儀、熒光光譜儀、調(diào)制光譜儀等。

三、光譜儀原理介紹

光譜儀器主要有三部分組成：光源和照明系統(tǒng)、分光系統(tǒng)和接收系統(tǒng)。分光系統(tǒng)是光譜儀的核心部件，棱鏡光譜儀、光柵光譜儀和非調(diào)制光譜儀是空間分離光譜的，調(diào)制光譜儀是利用干涉調(diào)制法進行光譜分離。接收系統(tǒng)是測量光譜組成部分（光譜線、光譜帶、連續(xù)光譜）的波長和強度，從而得知被研究物質的參數(shù)（例如物質的成分和含量，以及物體的溫度、星體運動的速度和質量等），包括光譜的接收、處理和顯示。

1. 棱鏡型色散型光譜儀

第一代是最早使用的棱鏡式色散型光譜儀，分辨率低，對溫度、濕度敏感，對環(huán)境要求苛刻。

S-入射狹縫　　　L1、L2-透鏡　　P-棱鏡   F-攝譜面

1. 光柵式色散型光譜儀

第二代光柵型色散式光譜儀，由于采用先進的光柵刻制和復制技術，提高了儀器的分辨率，拓寬了測量波段，降低了環(huán)境要求。

M1-凹面反射鏡　　　M2－平面反射鏡　　S-狹縫     G-光柵　　　F-攝譜面

1. 傅立葉變換光譜儀

現(xiàn)在常用的傅立葉變換紅外光譜儀（Fourier transform infrared spetrophotometer，簡稱FTIR），具有寬的測量范圍、高測量精度、高分辨率以及快的測量速度。傅立葉變換光譜儀以邁克爾遜干涉為基礎，其干涉原理如下圖所示。

光源發(fā)出的光經(jīng)分光鏡分成兩束光，一束是經(jīng)分光鏡反射到固定鏡，再沿原方向反回分光鏡；另一束經(jīng)分光鏡透射到動鏡，再沿原方向反射到分光鏡，其中動鏡左右平移，使兩束光產(chǎn)生光程差并再次相遇，從而實現(xiàn)干涉。兩束光在分光鏡處相干涉，形成干涉光。一部分經(jīng)分光鏡透射返回光源，另一部分經(jīng)分光鏡反射到探測器感光面。

FTIR光譜儀由光學系統(tǒng)，電子電路，計算機數(shù)據(jù)處理、接口和顯示系統(tǒng)等部分組成。

基于光的相干原理，在探測器處得到的是一個強度變化為余弦形式的信號。在連續(xù)改變光程的同時，記錄下中央干涉條紋的光強變化，就得到干涉圖。由邁克爾遜干涉儀出來的干涉出來的干涉信號為實數(shù)偶函數(shù)，利用傅里葉變換的對稱性可得譜函數(shù)。其運算通過電子計算機完成，它由模數(shù)轉換器（A/D），傅里葉余弦變換運算器，數(shù)字模擬轉換器（D/A）組成，最后直接顯示出光譜圖。

4. 傅立葉變換拉曼光譜儀

拉曼光譜與紅外光譜為兩相互補之光譜，除光譜中波峰強度強弱的互補外，拉曼光譜的偵測范圍可達50cm-1,彌補了紅外光譜之不足（最低400cm-1）。此外，紅外光譜所使用的光源波長范圍在中紅外及近紅區(qū)，而拉曼光譜使使用的光源波長可達可見光甚至紫外區(qū)，使得研究分子振動所使用的光源范圍更為寬廣。

傅里葉變換拉曼光譜(FT-Raman)通過檢測樣品的拉曼散射光譜來研究物質的分子結構及結構變化。拉曼光譜可以真實反映被測物質分子的具體結構信息，是特異性明確的指紋譜線。拉曼光譜技術可以用于包括固體、液體、氣體等類型樣品的分析和檢測，其主要應用學科包括化學、物理、環(huán)境、生物和醫(yī)藥，其應用領域包括材料、醫(yī)藥衛(wèi)生、環(huán)保、食品安全、國防公安等。但在過去的很長一段時間內(nèi)，拉曼光譜儀都是體積龐大、結構復雜的高端設備，很難在食品檢驗、安全檢查、野外探礦、環(huán)境監(jiān)測等現(xiàn)場應用中見到拉曼光譜儀的身影，這局限了拉曼光譜儀的應用范圍。目前，世界上便攜式拉曼光譜儀的研發(fā)與需求正在與日俱增。

傅里葉變換紅外（ＦＴ－ＩＲ）通過邁克爾遜干涉儀將物質的吸收光譜信號轉換成時間域信號，再通過。傅里葉數(shù)學變換轉換成我們通常熟悉的譜圖信號。拉曼光譜是測量漫反射信號。這是他們儀器原理上的區(qū)別。

四、展望

拉曼光譜可以真實反映被測物質分子的具體結構信息，是特異性明確的指紋譜線。拉曼光譜技術可以用于包括固體、液體、氣體等類型樣品的分析和檢測，其主要應用學科包括化學、物理、環(huán)境、生物和醫(yī)藥，其應用領域包括材料、醫(yī)藥衛(wèi)生、環(huán)保、食品安全、國防公安等。但在過去的很長一段時間內(nèi)，拉曼光譜儀都是體積龐大、結構復雜的高端設備，很難在食品檢驗、安全檢查、野外探礦、環(huán)境監(jiān)測等現(xiàn)場應用中見到拉曼光譜儀的身影，這局限了拉曼光譜儀的應傅里葉變換（FT）拉曼光譜儀的基本部件就是一個Michelson干涉儀。其中的一個反射鏡可高精度地線性移動，由此產(chǎn)生的光干涉信號經(jīng)過傅里葉變換后即可得到光譜。FT光譜儀微型化的關鍵就在于減小該可動反射鏡及其控制組件的尺寸。MEMS微鏡及驅動結構尺寸微�。◣讉�毫米），10伏以內(nèi)的驅動電壓下線性位移可達500微米，遠超現(xiàn)有MEMS微鏡的線性位移，且無需真空包裝。

傳統(tǒng)型及便攜式光譜儀采用可動反射鏡，其驅動裝置復雜，結構笨重；MEMS光譜儀可實現(xiàn)其結構微型化，使用范圍更廣泛，可以實現(xiàn)便攜式微型光譜儀，應用于食品、環(huán)境、防恐、醫(yī)藥等；可實現(xiàn)裝入手機的超微型光譜儀；光學儀器的微型化和智能化，將讓功能強大但目前很笨重昂貴的光學儀器走進廚房，走上餐桌，走入臥室，讓人們隨時知道自己吃的是什么呼吸的是什么，可以吃得放心睡得香。