主题:【已应助】紫外分光光度计的光栅为何不能放在后面?

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jiieie
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紫外分光光度计的光栅为何不能放在后面?像原子吸收一样?
推荐答案:夕阳回复于2020/12/25


二极管阵列检测器与光电倍增管(或硅光二极管)检测器对光路的要求是不同的,因此对于单色器的位置的要求也是不同的。为了形象地说明问题,请见下面的两种检测器的光路对比示意图:



从上图可以看出:对于大多数传统的光电倍增管检测器的仪器而言,单色器是动态的,具体讲就是光栅是可转动的,因此所输出的光谱波长要不就是单一的,要不就是连续扫描的。而对于二极管阵列检测器而言,单色器是静态的,也就是说其光栅是固定不动的,这是因为阵列检测器可以同时检测到光栅所有色散出来的一系列的光谱,这种结构的最大优点是对多波长的检测速度更快,检测器的价格较光电倍增管便宜很多,因此多采用在中低档的仪器上。

综上所述,单色器放置在哪里并不是习惯问题,更不是没有道理可讲,而是仪器的结构所决定的。就目前市售的成品仪器而言,采用二极管阵列检测器的紫外分光光度计并没有传统的光电倍增管作为检测器的分光光度计的数量多,这是因为二极管阵列检测器本身还有许多短板所致,在这里就不做过多的赘述了。
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夕阳
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楼主的提问有些模糊。首先光栅应属于单色器的一部分。其次正确地提问应该是:紫外分光光度计的单色器为什么不能放在样品的后面?

这其中的原因解释如下:

(1)首先,原吸的光源是可以发出特定波长的阴极灯,故只能对样品做定波长的检测。为了得到通过样品蒸气中剩余的阴极灯的锐线光谱(透过率),只有经过单色器苛刻地选择才能达到目的,所以单色器只能放在样品的后面。

(2)其次,因为紫外可见分光光度计的光源是可以发出连续光谱的氘灯和钨灯,故不但可以对样品做定波长的检测,还可以对样品做连续的波长扫描检测,也就是说需要单色器提供不仅仅是某个固定波长的光谱,而且还需要提供某个波长范围内的连续光谱,所以单色器只能放在样品的前面。
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2020/12/24 8:13:01 Last edit by anping
夕阳
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原文由 jiieie(v3062405) 发表:

对于紫外来说,单色器放在样品后边,不是一样可以检测某个波长的强度或者连续光谱的强度吗?不管放在前面还是后面,都是光栅的连续转动。


对于紫外来说,假如单色器放在样品后边,那么谁为样品提供高分辨率的不同波长的吸收光源呢?

原子吸收和分光光度计均为吸收光谱仪,顾名思义就是样品要吸收某一个特定的光源波长或者一定范围的连续光源波长。

由于原吸使用的阴极灯发出的是单色光谱,为了减少源能量的损失和提高分辨率,故可以将单色器放置在样品的后面。

而紫外可见使用的钨灯和氘灯发出的是某一个波长范围的复合光谱,如果没有单色器预先对光源发出的复合光实施分离和筛选工作,样品就不可能得到与之分子共振一致的波长来,无论是定波长测定还是连续波长扫描。就像太阳光如果没有三棱镜的分辨作用,肉眼能看到赤橙黄绿青蓝紫的颜色吗?
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2020/12/24 13:17:56 Last edit by anping
夕阳
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原文由 jiieie(v3062405) 发表:
安老师,我还是不理解, 对于紫外吸收来说,把单色器放在后边,同样可以把我们想要的那条共振线分离出来,进而测试被样品吸收掉的光强度。UV中,光源是连续的,样品对很多波长的光都有吸收,再进入检测器,把我们想要的那条共振线分离出来,不是一样可以测吸光度吗?
楼主的问题提得尖锐 ,我试着回答如下:

首先,原子吸收和紫外分光均是基于朗伯——比尔定律的分析原理进行检测的;而朗伯——比尔的首要条件就是要求入射到样品中的光源为“锐线光源”;所以在紫外分光吸收仪器中,单色器就要至于样品的前面,目的就是将光源发射出来的复合光谱筛选出所需要的单波长的锐线光源来(尽管没有阴极灯的发射谱线锐)。而原吸因为使用的阴极灯本身发射出来的就是锐线光源,并且为了滤掉样品(原子蒸气)中的其他波长的杂散光,所以就将单色器至于样品的后面了。

其次,紫外分光的单色器置于样品的前面还有一个重要的作用就是:防止光源灯里面的过强的波长超短的紫外线直接照射到样品中,致使某些有机样品产生了分解,改变了其化学结构。
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2020/12/24 16:46:09 Last edit by anping
夕阳
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原文由 xx_dxd_xx(xx_dxd_xx) 发表:
原子吸收把光栅放后面是为了减小杂散光。紫外的杂散光影响小的多,所以光栅放前面或者后面没有太大差别。现在通用的都是光栅放前面,这基本上属于传统习惯问题,没有太多道理讲。其实把光栅放后面的紫外分光光度计也是有一些的,通常用二极管阵列检测器的紫外仪器都是这个结构,比如海洋光学的USB2000紫外分光光度计


二极管阵列检测器与光电倍增管(或硅光二极管)检测器对光路的要求是不同的,因此对于单色器的位置的要求也是不同的。为了形象地说明问题,请见下面的两种检测器的光路对比示意图:



从上图可以看出:对于大多数传统的光电倍增管检测器的仪器而言,单色器是动态的,具体讲就是光栅是可转动的,因此所输出的光谱波长要不就是单一的,要不就是连续扫描的。而对于二极管阵列检测器而言,单色器是静态的,也就是说其光栅是固定不动的,这是因为阵列检测器可以同时检测到光栅所有色散出来的一系列的光谱,这种结构的最大优点是对多波长的检测速度更快,检测器的价格较光电倍增管便宜很多,因此多采用在中低档的仪器上。

综上所述,单色器放置在哪里并不是习惯问题,更不是没有道理可讲,而是仪器的结构所决定的。就目前市售的成品仪器而言,采用二极管阵列检测器的紫外分光光度计并没有传统的光电倍增管作为检测器的分光光度计的数量多,这是因为二极管阵列检测器本身还有许多短板所致,在这里就不做过多的赘述了。
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2020/12/25 8:34:16 Last edit by anping
夕阳
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原文由 xx_dxd_xx(xx_dxd_xx) 发表:
谢谢安老师的讲解。不过我还是认为单色器放前面还是后面不是什么原则问题,虽然技术上略有差异,但是本质上没有大不同。现在有连续光源的原子吸收,光栅也是放火焰后面的


(1)据我所知,目前所有的原吸的光栅(单色器)原本就是设置在火焰(原子化器)的后面,连续光源的仪器也不例外。其光路基本模型见下图所示:



(2)你所说的连续光源的原吸大概指的就是耶拿ContrAA700型原吸吧?该仪器采用二极管阵列检测器(CCD)的初衷是:为了满足一种独创的临近谱线背景校正方式的需要而设置的。其光路示意图如下:



(3)在原吸、紫外可见吸收分光光度计中,尽管单色器本质上都是起着色散分光的作用,但是具体单色器应该放置在什么位置,是要根据仪器结构和性质来决定的,这就是原则,而不仅仅是技术上的略有差异
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2020/12/26 9:29:26 Last edit by anping
夕阳
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原文由 learner1999(learner1999) 发表:


(1)紫外可见分光光度计如果做波长扫描,就必须得到一个连续的不同波长的连续光谱作为吸收源。所以仪器光源采用例如氘灯、钨灯、氙灯、汞灯等能产生连续光谱的光源。但是连续光源发射的是复合光,要想得到高分辨率的连续的单色波长的光谱;就必须由产生分光作用的单色器来完成了。自然而然,这个单色器只能放置在哪样品前面了。

(2)紫外可见分光光度计如果做单波长测定,就必须得到一个相对单纯的锐线的吸收光源;而氘灯、钨灯、氙灯都不能类似空心阴极灯那样可以发出单色的锐线光源,因此也只能利用单色器来选择出不同波长的单色光;如此单色器也只能放置在样品的前面。

(3)无论是紫外可见还是原子吸收,其分析原理均是基于“朗伯-比尔”定律;而朗伯-比尔定律的首要条件便是需要一个“锐线光源”。用在原吸上的阴极灯的特点就无需多言了,而用在紫外-可见上的“锐线光源”也只能由单色器来完成了;尽管输出的单波长的光信号的“半峰宽”没有阴极灯窄,但因紫外-可见所检测的样品不是用于“基态原子”的吸收而是分子吸收,所以使用从单色器分离出来的单色光也可胜任了。

(4)至于耶拿那款使用氙灯作为连续光源的设计初衷,一个是想省却更换阴极灯的麻烦;另一个是特殊的“临近蒲县背景校正”的需要。具体原理氢参阅耶拿公司发布的有关资料,在此就不做过多的赘述了。
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2021/1/11 20:24:32 Last edit by anping
夕阳
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原文由 learner1999(learner1999) 发表:
谢谢安老师!每次都耐心解答。您的出发点是“锐线光源”,在我看来,是因为紫外可见光的光强度大,所以有“资本”去分光,可以分出锐线,而对于红外光,比如早期的色散型红外光谱仪,单色器是在样品后面的。这么看单色器的位置也不是绝对


(1)连续光源的光强度的确比阴极灯的强,但绝不是“有资本”区分光,还是想取得比较锐的吸收光源为目的的。

(2)我所使用过的红外吸收光谱仪的单色器也是放在样品前面的,只不过光源换成了发光体;检测器换成了硫化铅检测器而已。
夕阳
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原文由 learner1999(learner1999) 发表:

谢谢老师!

(1)和这个问题相关的一个困惑:是氘灯扣背景的原理,为什么相同的基态的原子对HCL发出的锐线光吸收,和氘灯的带状光谱吸收(可忽略)不一样呢?

(2)您的红外光谱仪用的近红外光么?


(1)阴极灯发出的光束是锐线光源;氘灯发出的光束是连续光源。

(2)阴极灯发出的光束主要是被大量的样品基态原子吸收以及少量的背景吸收;氘灯发出的光束主要是被一定带宽(狭缝)的背景吸收以及少量的样品的基态原子吸收。

(3)我使用过的红外仪器的波长范围是从900nm到3200nm。现在许久未用了。
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