浅谈光栅摄谱仪和光电直读光谱仪的优缺点

芦英

【摘 要】科学技术的进步带动着社会的发展，工业领域中应用着许多先进的技术。这些技术借助于仪器得以准确的体现物质的成分以及含量，便于人们进行深入的认识和研究。许多金属在工业中都有重要的作用，现代工农业对金属的需求量加大，对矿区的开采同时增加，通过科学的方法检测物质的成分及含量显得十分的必要。科学的测量可以定性定量的分析物质的特性，是我们判断物质的价值，做出正确的决策的重要依据。现代科学发展迅速有许多仪器被利用到了实际工作中，光栅摄谱仪就是检测物质成分含量的仪器，随着科学的进步，该仪器得到完善演变为光电直读光谱仪。下面我们就来详细地论述光栅摄谱仪和光电直读光谱仪各自的原理、特点，并比较他们的优缺点，为实际工作提供一些借鉴和参考。

【关键词】光栅摄谱仪；光电直读光谱仪；优缺点

0.引言

分析物质的成分有助于我们理解自然界，更有助于我们日常的生产活动，只有清楚分析物质的成分，才能对物质进行合理的使用，并对物质进行必要的提炼和结合。地质学、机械工业、化工产业等更多的涉及到物质成分以及含量，地质学中对物质的含量做出准确的分析可以帮助我们认识到矿区的价值，为我们决定各种金属的提炼方法做出重要的依据；机械工业中对物质成分的分析可以建造生产生活所需的物品，并检测物质的质量；化工产业中对物质的正确认识才可以正确配比，产生期待的物质。

现代的科学技术水平不断的提高，科学理论不断的深入，各个领域中引进多种先进的技术的同时创造出许多辅助使用的仪器。这些仪器根据物质的物理特性或者化学特性进行设计，通过可观测的现象的变化或者具体数据的显示来得出研究结论，有助于我们正确认识事物，做出适当的决策。检测物质成分中光栅摄谱仪就是一种很重要的仪器，曾被使用在众多领域，带动了经济的发展，但随着社会的发展，其缺点越来越明显，这种仪器不能适应时代的要求而逐渐的被光电直读光谱仪所取代，虽然后者也有一些缺点但是目前最为准确可靠方便的仪器，下面我们就来详细的论述这两种仪器的具体情况：

1.光栅摄谱仪

光栅摄谱仪仪器利用平面反射式光栅分光研究物质的成份和含量，主要用于金属合金（包括矿物井石）的日常定性定量分析，纯金属和材料的杂赞同鉴定，与各种附件配合，用作激光微区分析、记录闪光和弱光现象。

主要特点：仪器采用三透镜消色差照明方法，狭缝得到均匀照明，使同一条谱线黑度均匀。仪器狭缝前的哈特曼光栏盘上设置哈特曼光栏及三阶，九阶减光板。使用控制箱控制摄谱过程。仪器配备直流电弧，交流电弧光源，以适应不同分析任务的需要。

仪器介绍：WP1一米平面光栅摄谱仪是在200nm-800nm波段范围内作发射光谱分析的仪器。广泛应用于地质、冶金、机械、石油化工等部门作光谱定量和定性分析。二米平面光栅摄谱仪广泛地用于地质、冶金、石油、化工、机械等工业部门对矿石、矿物的光谱全分析，金属及其合金的元素含量分析以及高纯物质的杂质痕量分析，稀有元素及稀土元素的定量分析。定光栅摄谱仪广泛应用于光源制造及研究（如LED等）、农业、化工、医药、生物、石油及印染等行业的光谱及色度特性的在线测量，还可以进行透射、吸收及荧光光谱等的测量。

2.光电直读光谱仪

光电直读光谱仪为发射光谱仪，主要通过测量样品被激发时发出代表各元素的特征光谱光（发射光谱）的强度而对样品进行定量分析的仪器。目前无论国内还是国外的光电直读光谱仪，基本可按照功能分为4个模块，即：（1）激发系统：任务是通过各种方式使固态样品充分原子化，并放出各元素的发射光谱光。（2）光学系统：对激发系统产生出的复杂光信号进行处理（整理、分离、筛选、捕捉）。（3）测控系统：测量代表各元素的特征谱线强度，通过各种手段，将谱线的光强信号转化为电脑能够识别的数字电信号。控制整个仪器正常运作（4）计算机中的软件数据处理系统：对电脑接收到的各通道的光强数据，进行各种算法运算，得到稳定，准确的样品含量。

光电直读光谱仪4个模块的种类和特点：

2.1激发系统

（1）高能预燃低压火花激发光源+高纯氩气激发气氛：采用高能预燃，大幅降低了样品组织结构对原子化结果的影响。

（2）高压火花激发光源+高纯氩气激发气氛：采集光强不稳定。

（3）低压火花激发光源+高纯氩气激发气氛：对同一样品光强稳定，但是对于样品组织结构对原子化的影响无能为力。

（4）直流电弧激发光源+高纯氩气激发气氛：对样品中的痕量元素光谱分辨率和检出限有好效果。

（5）数控激发光源+高纯氩气激发气氛：按照样品中各元素的光谱特性，把激发过程分为灵活可调的几个时间段，每段时间只针对某几个情况相近的元素给出最佳的激发状态进行激发，并仅采集这几个元素。把各元素的激发状态按照试验情况进行分类讨论）。

2.2光学系统

（1）帕邢-龙格光学系统（固定光路，凹面光栅及排列在罗兰轨道上的固定出射狭缝阵列）：光学系统结构稳定，笨重，体积大。

（2）中阶梯光栅交叉色散光学系统（采用双单色器交叉色散技术，达到了高级次同级的高分辨率，同时又用二次色散解决了光谱的级次重叠问题）：体积小，分辨率高，一般采集接固体成像系统。

2.3测控系统

2.3.1测量系统

（1）光电倍增管+积分电路+模数转化电路：一般作为帕邢-龙格光学系统或C-T光学系统的光谱采集器，一个光电倍增管加上之后的电路只能采集一根谱线的强度。

（2）CCD/CID检测器+DSP：一般作为中阶梯光栅交叉色散光学系统的采集器，灵敏度略低于光电倍增管，但是可做全谱采集。

2.3.2控制

（1）多层光电隔离的激发控制+光路控制+采集控制。

（2）采用高抗干扰的通讯协议进行可又数据反馈的高效率控制。

2.4计算机软件及数据处理系统

（1）内标法（2）通过标准物质绘制曲线。（3）通过PDA技术筛选数据。（4）通过软件通道的测量数据进行背景、以及第三元素干扰的去干扰运算。（5）通过控制样品找回仪器的漂移量。

3.两者优缺点比较

3.1光栅摄谱仪的优点是

（1）适用的波长范围广。

（2）具有较大的线色散率和分辨率，且色散率仅决定于光栅刻线条数而与光栅材料无关。

（3）线色散率与分辨率大小基本上与波长无关。

其不足之处是光栅会产生罗兰鬼线以及多级衍射线间的重叠而出现谱线干扰。

3.2光电直读光谱仪的优点是

（1）分析速度快。

（2）准确度高，相对误差约为1%。

（3）适用于较宽的波长范围。

（4）光电倍增管对信号放大能力强，对强弱不同谱线可用不同的放大倍率，相差可达10000倍，因此它可用同一分析条件对样品中多种含量范围差别很大的元素同时进行分析。

（5）线性范围宽，可做高含量分析。

缺点为：出射狭缝固定，能分析的元素也固定，也不能利用不同波长的谱线进行分析；价格昂贵。

4.结语

研究的进行需要一定的仪器作为辅助，甚至有的研究可以直接通过仪器的分析综合得出结果。在检测物质成分以及含量中，光栅摄谱仪曾是一种重要的仪器，这种根据物质物理特性研究而得的仪器较为准确的显示了物质的成分，但因其受干扰因素较多吗，结果不十分稳定逐渐被更为先进的设备代替。现在常用的检测物质成分的仪器主要是光电直读光谱仪，该仪器较好的弥补了光栅摄谱仪的缺点，大大提高了检测的准确率，研究结果更加科学可靠。但其造价较高，不能广泛适用所有元素仍然存在一定的局限性，需要我们不断的进行研究和探讨，设计更为优质的仪器辅助我们的研究生产。

【参考文献】

[1]王永青，付本亮.平面光栅摄谱仪改造为光电直读光谱仪.现代科学仪器，2001.

[2]项秀智，王明生.光电直读光谱法测定高锰不锈钢中硫量的改进[J].理化检验（化学分册），2011.

[3]郜洪文.光谱分析与光谱测量.中国光学与应用光学文摘，1995.