鉴知科普 | 什么是光谱仪

一、什么是光谱仪

光谱仪是一种用来测量光谱成分的科研仪器，光谱仪可以直观地显示一张光谱（y轴是强度，x轴是光波长/频率），表征着光强随着光波长的分布。不同波长的光在光谱仪内部被分光元件分开，分光元件通常是折射棱镜或者衍射光栅。

上图：灯泡和太阳光的光谱（左）、光栅和棱镜的分光原理（右）

光谱仪用于测量各种各样的光辐射，可以直接测光源的发射光谱，也可以测光源和物质相互作用后的反射、吸收、透射、或者散射光谱。光和物质相互作用后，其光谱会在某个光谱范围或者是某个特定波长发生变化，根据光谱的变化就可以定性或定量地分析物质的特性，比如生物和化学上对血液及未知溶液的成分及浓度分析，以及对材料的分子、原子结构和元素组成的分析。

上图：不同种类油的红外吸收光谱

光谱仪最初被发明用于物理、天文学、化学研究，目前是化学工程、材料分析、天文科学、医学诊断和生物传感等众多领域最重要的仪器之一。17世纪，人们首次利用棱镜发现了“光谱”，由一束白光经过棱镜后形成的连续彩色光带。

上图：艾萨克·牛顿用三棱镜研究太阳光谱

二、光谱仪发展历史

19世纪初，德国科学家Joseph von Fraunhofer（夫朗禾费），结合了棱镜、衍射狭缝和望远镜，制作了精度和准确度较高的光谱仪，用于分析太阳发射的光谱，首次发现了太阳光的七色光谱并不是连续的，而是上面有多条暗线，即著名的“夫朗禾费线”，对应着不同元素对太阳光谱的吸收，人类也由此知道了太阳光的组成。同时，夫朗禾费也是第一个使用衍射光栅获得线光谱，并且测量谱线波长的人。

上图：早期的光谱仪，用人眼观察

上图：夫朗禾费线(彩带中的暗线)

上图：太阳光谱，向下凹部分对应着夫朗禾费线

19世纪中叶，德国化学家Robert Bunsen 对各种盐类的燃烧火焰进行了系统观察，发现了焰色反应，随后在其物理学家好友 Gustav Kirchhoff的建议下，通过观察光谱实现对元素的定性检验，1860年他们发表了对八种元素光谱的发现，并确定了这些元素在几种天然化合物中的存在，他们的研究也开创了光谱分析化学的一个重要分支：光谱分析。

上图：焰色反应

20世纪20年代，印度物理学家C.V.Raman，用光谱仪在有机溶液中发现了光和分子的非弹性散射效应，即入射光和分子相互作用后，能量会发生上移或下移，这种现象后被称作拉曼散射。光能量的变化量表征了分子的微观构造，所以拉曼散射光谱目前广泛应用于材料、医药、化工等行业，用于鉴定和分析物质的分子类型及分子结构。

上图：入射光与分子作用后能量发生了上移和下移

20世纪30年代，美国科学家Beckman博士首次提出单独测量每个波长的紫外光谱吸收，绘制出完整的吸收光谱，从而揭示溶液中的化学物质类型和浓度。这种透射吸收光路由光源、光谱仪、样品组成，目前大多数溶液的成分和浓度探测都是基于这种透射吸收光谱。

上图：吸光度检测原理——光源-准直-分光-狭缝-溶液-探测器

20 世纪 40 年代，第一台直读光谱仪被发明，首次采用光电倍增管和电子器件替代了传统的人眼观察或照相胶片，可以直接读出光谱强度，光谱仪作为科学仪器在使用便捷性、定量测量、以及灵敏度等方面有了显著的提升。

上图：光电倍增管（PMT）

20世纪中后期，光谱仪技术的发展离不开光电半导体材料和器件的发展。1969年，贝尔实验室的 Willard Boyle 和 George Smith 发明了CCD（Charge-Coupled Device），随后由同在贝尔实验室的Michael F. Tompsett在1970年代改进开发为成像应用，1980年，日本NEC的Nobukazu Teranishi发明了固定光电二极管，极大提高了图像噪比和分辨率。1995年，NASA的Eric Fossum发明了CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）图像传感器，其功耗比同类CCD图像传感器低100倍，生产成本也低得多。

上图：Willard Boyle (左) 、George Smith和他们的CCD（1974年），二人因发明CCD获诺贝尔奖（2009）

20世纪90年代，随着微电子技术发展，光电器件的制造工艺、性能、成本都有了极大的提升，阵列式CCD、CMOS也首次应用于光谱仪。这种光谱仪可以在单次曝光下获取全范围光谱，相比传统旋转光栅的多次采集，在采集速度、小型化取得了突破进展。相应地，光谱仪的应用领域也得到了极大的拓展，目前光谱仪主要用于化学分析、颜色测量、荧光光谱、激光波长分析、LED 分选、成像和照明、传感设备、荧光光谱、拉曼光谱等。

上图：各种CCD芯片

21世纪的前20年，各种类型光谱仪的设计制造技术逐渐成熟和稳定，伴随着各行各业发展对光谱仪的需求日渐增长，光谱仪的发展也更加迅速更具行业针对性，除了常规的光学参数指标外，不同行业对光谱仪的体积大小、软件功能、通信接口、响应速度、稳定性、乃至成本都有不同的需求，因此光谱仪有了更多的细分种类和更加多元化的发展。

三、鉴知技术光谱仪系列产品

鉴知技术已研发多款微型光纤光谱仪、高分辨率光纤光谱仪、透射光谱仪、近红外微型光谱仪等产品，同时可满足客户对光谱仪的常规光学参数指标、体积大小、软件功能、通信接口等各方面的定制化需求。

鉴知光谱仪广泛应用于工业领域和科研领域，实现荧光光谱、拉曼光谱、化学分析、颜色测量、激光波长分析、LED分选、成像和照明、传感设备、LIBS等功能需求。