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現(xiàn)代分析儀器的應(yīng)用及發(fā)展發(fā)布日期：2015-07-06
摘 要：簡述了分析儀器的發(fā)展歷史及其對人們認(rèn)識自然作用，著重介紹了光學(xué)分析儀器的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)，光電直讀光譜分析儀的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)和新型全譜直讀光譜儀的發(fā)展動(dòng)態(tài)。
關(guān)鍵詞：分析儀器；光學(xué)分析儀器；光電光譜；全譜
與任何其它科學(xué)技術(shù)發(fā)展一樣，分析儀器的發(fā)展及其不同階段的特點(diǎn)是與社會(huì)發(fā)展和生產(chǎn)實(shí)踐密切相關(guān)的。一種新的分析儀器的誕生、完善和廣泛應(yīng)用，經(jīng)常需要具備下幾個(gè)條件：
第一、滿足人們在生產(chǎn)實(shí)踐或認(rèn)識自然過程中急迫的需要。
第二、核心原理的發(fā)現(xiàn)以及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。
第三、大量生產(chǎn)過程中的組織管理、應(yīng)用研究及推廣培訓(xùn)。
１ 分析儀器的發(fā)展史
一個(gè)世紀(jì)以來，分析儀器的發(fā)展是伴隨著新的技術(shù)及科學(xué)知識同步發(fā)展的，分析儀器的誕生正隨著人們的要求的提高和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，由簡單的儀器進(jìn)化為復(fù)雜的儀器，由常量的分析發(fā)展到快速、高靈敏、痕量和超痕量的分析，由手動(dòng)分析發(fā)展到自動(dòng)分析，以及由簡單一的分析方法發(fā)展到多種方法的聯(lián)用方法或多維方法。在工業(yè)生產(chǎn)和在科學(xué)研究工作中由取樣分析發(fā)展到在線分析和不用取樣的原位分析，甚至還要求非破壞性檢測及遙測。由單純的元素分析發(fā)展到元素的狀態(tài)分析，過去的總體分析，現(xiàn)在則要求進(jìn)行空間多維的分析，近幾十年來各學(xué)樣之間的交叉和滲透是最顯著的。
分析儀器的發(fā)展史并不很長，大約只有70多年。
從上世紀(jì)20年代開始，最早的儀器是較簡單的設(shè)備，如天平、滴管等。分析工作者用目視和手動(dòng)的方法一點(diǎn)一點(diǎn)地取得數(shù)據(jù)，然后作記錄，分析人員介入了每一個(gè)分析步驟。
第二階段是1930～1960年間，人們使用特定的傳感器把要測定的物理或化學(xué)性質(zhì)轉(zhuǎn)化為電信號，然后用電子線路使電信號再轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)。如當(dāng)時(shí)的紫外及紅外光譜、極譜儀等，分析工作者用各種電鈕及各種開關(guān)來使上述電信號再轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)，如當(dāng)時(shí)的紫外光譜、極譜儀等，分析工作者用各種電鈕及各種開關(guān)來使上述電信號轉(zhuǎn)化到各種表頭或記錄器。
到1960年以后微型計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，也就形成了第三代分析儀。這些計(jì)算機(jī)與已有的分析儀器相聯(lián)，用來處理數(shù)據(jù)。有時(shí)可以用計(jì)算機(jī)的程序送入簡單的指令，并由計(jì)算機(jī)驅(qū)使分析儀器自動(dòng)處于最佳操作條件，并監(jiān)控輸出的數(shù)據(jù)。但脫離了計(jì)算機(jī)，當(dāng)時(shí)的分析儀器還是可以獨(dú)立工作的。一般要求工作者必須對計(jì)算機(jī)十分熟悉才能使用這類系統(tǒng)。
微處理機(jī)芯片的制造成功，進(jìn)一步促進(jìn)了第四代分析儀器的產(chǎn)生。新的技術(shù)如傅里葉變換的紅外光譜儀及核磁振儀的相繼出現(xiàn)，都是用計(jì)算機(jī)直接操作并處理結(jié)果的。有時(shí)可以僅用一臺(tái)計(jì)算機(jī)同時(shí)控制幾臺(tái)分析系統(tǒng)，鍵盤及顯示屏代替了控制鈕及數(shù)據(jù)顯示器等。某一特定分析方法的各種程序及參數(shù)都中預(yù)選儲(chǔ)存在儀器內(nèi)，再由分析者隨時(shí)調(diào)出，此時(shí)分析工作者則大量依賴于儀器制造商的現(xiàn)成軟件，操作顯得很簡單，但分析工作者也就離儀器各部件更加遙遠(yuǎn)。
第五代分析儀器始于90年代，此時(shí)計(jì)算機(jī)的價(jià)格/性能比進(jìn)一步改進(jìn)，因而有可能采用功能十分完善的個(gè)人計(jì)算機(jī)來控制第四代分析儀器，因此分析工作中必不可少的制樣、進(jìn)樣過程都可以自動(dòng)進(jìn)行。已有一些儀器制造商可以提供工作站，其中包括各種制樣技術(shù)，如稀釋、過濾、抽提等模式，樣品在不同設(shè)備中的移動(dòng)可以用諸如流動(dòng)注射或機(jī)器人進(jìn)行操作。目前對于環(huán)境樣品的分析已有這類標(biāo)準(zhǔn)模式全自動(dòng)的儀器出售。高效的圖像處理可以讓工作及監(jiān)控分析過程自動(dòng)進(jìn)行，并為之提供報(bào)告及結(jié)果的儲(chǔ)存。
上述新一代分析儀器大部分是從計(jì)算機(jī)應(yīng)用的程度來考慮的，因此并不能排斥前幾代儀器中硬件的繼續(xù)發(fā)展。分析工作者看上去是離分析儀器的分析部分越來越遠(yuǎn)，但各種分析的核心原理的突破及發(fā)展仍是不可忽視的。
分析儀器將為人類認(rèn)識自然及改造自然提供更完善的手段，在大量應(yīng)用中，對操作者的技術(shù)要求會(huì)越來越少，但所得的結(jié)果必須是越來越精密可靠。未來的儀器將在硬件和軟件兩方面并行發(fā)展，使之更為智能化、高效、多用，其中的檢測原理將變得更具有選擇性、更加深入和達(dá)到高靈敏度。
２ 光學(xué)分析的應(yīng)用
光學(xué)分析方法是建立在電磁輻射與物質(zhì)相互作用的基礎(chǔ)上的，光學(xué)分析儀器是探測此種相互作用的工具。
根據(jù)電磁輻射與物質(zhì)相互作用性質(zhì)的不同，光學(xué)分析方法可以分為光譜法與非光譜法兩類：
1)以測量電磁輻射與物質(zhì)相互作用引起原子、分子內(nèi)部量子化能級之間的躍遷產(chǎn)生的發(fā)射、吸收、散射波長或強(qiáng)度變化為基礎(chǔ)的一類光學(xué)分析方法，歸為光譜法。
2)以測量電磁輻射與物質(zhì)相互作用引起其傳播方向，速度，偏振性與其它物理物質(zhì)改變的一類光學(xué)分析方法，歸屬于非光譜法。在分析化學(xué)中，光譜法比非光譜法的用途更為廣泛。
光學(xué)分析儀器的具體結(jié)構(gòu)與復(fù)雜程度判別很大，但都包括以下四個(gè)基本組成部分：信號發(fā)生器，檢測系統(tǒng)，信號處理系統(tǒng)，信號讀出系統(tǒng)，在現(xiàn)代化的儀器中，還配有計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。
信號發(fā)生器是將被測物質(zhì)的某一物理或化學(xué)性質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)榉治鲂盘枺缭?、分子吸收輻射產(chǎn)生的原子，分子吸收光譜，物質(zhì)受電，熱激發(fā)產(chǎn)生的原子發(fā)射光譜等，都是分析信號。產(chǎn)生原子、分子吸收光譜的輻射光源，產(chǎn)生原子發(fā)射光譜的電弧，火花光源等即為信號發(fā)生器。
檢測器是對產(chǎn)生的分析信號進(jìn)行檢測，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)橐子跍y量的信號，通常是電信號，因?yàn)殡娦盘柸菀追糯?，處理，傳輸與顯示。各種儀器使用的檢測器隨檢測輻射波長與儀器功能不同而異，常用的輻射檢測器有兩類，一類響應(yīng)光子，另一類響應(yīng)熱。所有光子檢測器以電磁輻與反應(yīng)表面的相互作用以產(chǎn)生電子（光發(fā)射）或使電子躍遷到能導(dǎo)電的狀態(tài)（光電）為基礎(chǔ)的，只有紫外、可見與紅外輻射才具有使這一過程發(fā)生的能量。熱檢測器不同于光電檢測器之處在于，它是非量子化的熱敏傳感器。
信號處理系統(tǒng)，通常是將信號放大，平滑，濾波，加和，差減，微分，積分，變換（如交流信號變?yōu)橹绷餍盘?，電壓變?yōu)殡娏餍盘柣螂娏髯優(yōu)殡妷盒盘枺瑢?shù)轉(zhuǎn)換，傅里葉變換等），調(diào)頻，調(diào)幅等。
信號讀出系統(tǒng)是將信號處理系統(tǒng)輸出的放大信號，以表頭，記錄儀，示波器顯示出來。
計(jì)算機(jī)在光學(xué)分析儀器中的應(yīng)用分為兩類，一類是進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，如數(shù)字運(yùn)算，統(tǒng)計(jì)分析，曲線擬合，方程求解，數(shù)據(jù)變換，數(shù)據(jù)貯存與調(diào)用，圖譜檢索與鑒定等，另一類是對儀器實(shí)施控制，如狹縫的選擇，波長的自動(dòng)定位，測量方式的選擇，自動(dòng)調(diào)零與校正背景等。高級的儀器可以按照預(yù)定的程度，儀器根據(jù)測定條件的變化，將信號反饋，使測量條件最優(yōu)化。
３ 新技術(shù)對光學(xué)分析的推動(dòng)
光學(xué)分析方法是分析化學(xué)中最富活力的領(lǐng)域之一，近年來取得長足的進(jìn)展。所有這些進(jìn)展都是與儀器新功能的開發(fā)，新儀器的研制緊密地聯(lián)系在一起。新技術(shù)，新材料，新器件的不斷出現(xiàn)，推動(dòng)光學(xué)分析儀器的進(jìn)步。
1）檢測的靈敏度與選擇性有了很大提高。在原子發(fā)射光譜中，應(yīng)用級聯(lián)光源（如電感耦合高頻等離子體一輝光放電、激光蒸發(fā)—微波等離子體）分別控制原子化與激發(fā)過程，可以減少基體干擾與背景影響，獲得了很好的檢出限。激光增強(qiáng)電離光譜由于避免了一般光學(xué)檢測所遇到的光散射、背景發(fā)射等的干擾，使選擇性大為提高，當(dāng)采用兩束不同波長的激光對原子分步激發(fā)時(shí)，檢出限可降低2～3個(gè)數(shù)量級。激光石墨爐原子熒光光譜可檢測10-15的Pb、Ti、Ga、In、cd等。激光原子熒光光譜法有可能檢測單個(gè)原子。激光熒光光譜法結(jié)合時(shí)間分辨技術(shù)，使Eu的測定限達(dá)到0.4 fg/ml。
2）擴(kuò)大了應(yīng)用范圍光導(dǎo)纖維傳輸損耗少、適應(yīng)環(huán)境與抗干擾能力強(qiáng)。特別適合于遙測。光導(dǎo)纖維化學(xué)傳感器的出現(xiàn)，它的小巧探頭能直接插入活體組織，毛細(xì)血管，細(xì)胞，可對分析物進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測。
拉曼散射和共振熒光法的遙測距離最遠(yuǎn)可達(dá)10 km，可以遙測大氣中主要成分的原子與分子，還可以遙測被污染大氣中的痕量污染物（如cd、Pb、Hg、Na、K等）及大氣溫度。
3）增強(qiáng)了同時(shí)檢測的能力 電荷耦合陣列檢測光譜范圍寬，量子效率高（可達(dá)90%以上），暗電流小，噪聲低，線性范圍寬，可實(shí)現(xiàn)多道同時(shí)采集數(shù)據(jù)，獲得波長—強(qiáng)度—時(shí)間三維譜圖，有可能完全取代光電倍增管而成為光學(xué)分析儀器的一種很有發(fā)展的檢測器。光二級激光器代替空心陰極燈，可進(jìn)行原子吸收多元素的同時(shí)測定，應(yīng)用光電二級管陣列檢測器與預(yù)選多儀組合光學(xué)系統(tǒng)中階梯光柵，可以進(jìn)行多元素的同時(shí)測定與背景校正。
4）新的測試手段不斷出現(xiàn)，獲得分子結(jié)構(gòu)信息更加豐富。
４ 光學(xué)分析儀器的新發(fā)展
80年代以來，隨著激光、微電子光、微波、半導(dǎo)體、化學(xué)計(jì)量等科學(xué)技術(shù)與各種新材料的應(yīng)用，革新了原有儀器方法，使光學(xué)分析儀器在儀器功能范圍的擴(kuò)展、儀器性能指標(biāo)的提高、自動(dòng)化、智能化程度的完善以及運(yùn)行可靠性的提高等方面，有了新的發(fā)展。
電子計(jì)算機(jī)在光學(xué)分析儀器中的廣泛應(yīng)用，簡化了儀器的結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了儀器的功能，提高了儀器運(yùn)行的可靠性，做到數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集與處理、原位在線測量或遠(yuǎn)程遙測、自動(dòng)監(jiān)測等，大大提高了儀器操作自動(dòng)化、數(shù)子化與智能化的程度。
隨著固體激光器、光導(dǎo)纖維、固態(tài)微電子器件與多通道態(tài)檢測器的應(yīng)用，光學(xué)分析儀器的小型化、固態(tài)化與多功能化是一個(gè)重要的發(fā)展方向。
以發(fā)射光譜儀為例，該儀器應(yīng)用范圍之廣泛，以及儀器功能提高的速度之快，可以作為分析儀器的典范。其核心原理是通過對光譜線強(qiáng)度的檢測及比較，確定物質(zhì)的元素各類及含量。
早在1666年物理學(xué)家牛頓第一次進(jìn)行了的色散實(shí)驗(yàn)。他在暗室引入一束太陽光，讓它通過梭鏡，在棱鏡后面的白屏上，看到了紅、橙、黃、綠、蘭、靛、紫七種顏色的光分散在不同位置上形成一道彩虹。這種現(xiàn)象叫做光譜，這個(gè)實(shí)驗(yàn)就是光譜的起源，但牛頓以后，一直沒有引起人們的注意。到1802年英國化學(xué)家沃拉斯頓發(fā)現(xiàn)太陽光譜不是一道完美無缺的彩虹，而是被一些黑線所割裂。
1814年德國光學(xué)儀器專家夫瑯和費(fèi)研究太陽光譜中的黑斑的相對位置時(shí)，把那些主要黑線繪出光譜圖。
1826年泰爾博特研究鈉鹽、鉀鹽在酒精燈上燃燒光譜時(shí)指出，發(fā)射光譜是化學(xué)分析的基礎(chǔ)，鉀鹽的紅色光譜和鈉鹽的黃色光譜都是這個(gè)元素的特性。
到1859年克?；舴蚝捅旧鸀檠芯拷饘俚墓庾V自己設(shè)計(jì)和制造了一種完善的分光裝置，這個(gè)裝置就是世界上第一臺(tái)實(shí)用的光譜儀器。用它研究火焰、電火花中各種金屬的譜線，從而建立了光譜分析的初步基礎(chǔ)。
從1860年到1907年之間，用火焰和電火花放電發(fā)現(xiàn)堿金屬元素紊銫Cs，1861年發(fā)現(xiàn)銣Rb和鉈T1,1868年發(fā)現(xiàn)煙In和氦He,1869年發(fā)現(xiàn)氮N，1875～1907年相繼發(fā)現(xiàn)鎵Ga、鉀K、銩Tm、鐠Pr、釙Sm、釔y、镥Lu等。
1882年，羅蘭發(fā)明了凹球面光柵。凹面光柵實(shí)際上是光學(xué)儀器成像系統(tǒng)元件的合為一體高效元件，它解決了當(dāng)時(shí)棱鏡光譜儀所遇到的不可克服的困難。凹面光柵的問世不僅簡化了光譜儀器的結(jié)構(gòu)，而且還提高了它的性能。
波耳的理論在光譜分析中起了作用，其對光譜的激發(fā)過程，光譜線強(qiáng)度等提出了比較滿意的解釋。
從測定光譜線的絕對強(qiáng)度轉(zhuǎn)到測量譜線的相對強(qiáng)度的應(yīng)用，為光譜分析方法從定性分析發(fā)展到定量分析創(chuàng)造基礎(chǔ)。從而使光譜分析方法逐漸走出實(shí)驗(yàn)室，在工業(yè)部門中應(yīng)用了。
1928年以后，由于光譜分析成了工業(yè)的分析方法，光譜儀器得到迅速的發(fā)展。一方面改善激發(fā)光源的穩(wěn)定性，另一方面提高光譜儀器本身性能。
最早的光源是火焰激發(fā)光譜，后來又發(fā)展到應(yīng)用簡單的電弧和電火花為激發(fā)光源。在上世紀(jì)的30年代和40年代改進(jìn)采用可控制的電弧和電火花為激發(fā)光源，提高了光譜分析的穩(wěn)定性。
工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，光譜學(xué)的進(jìn)步，促使光學(xué)儀器進(jìn)一步得到改善。而后者又作用于前者，促進(jìn)了光譜學(xué)的發(fā)展和工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展。
光電直訊光譜儀的產(chǎn)生是在第二次世界大戰(zhàn)前后。當(dāng)時(shí)需要建造大量的飛機(jī)，而飛機(jī)用特殊鋼和鋁鎂合金的分析，迫使一些人于1942年著手研究多條譜線同時(shí)測定的光電光譜儀，并于1944年美國應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室研制第一臺(tái)光電讀光譜儀的樣機(jī)，它采用12只光電倍增管，色散元件為衍射柵。而后于1946年3月第一批商品的光電直讀光譜儀生產(chǎn)問世。1956年生產(chǎn)的真空光電直讀光譜儀的樣機(jī)，在分析金屬元素的同時(shí)還可分析非金屬元素C、P、S。
60年代的光電直讀光譜儀，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展開始迅速發(fā)展。1964年展示了數(shù)字計(jì)算和控制讀出系統(tǒng)，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，電子技術(shù)的發(fā)展，電子計(jì)算機(jī)小型化及微處理機(jī)的出現(xiàn)和普及，成本降低等原因，70年代光譜儀器幾乎100%地采用計(jì)算機(jī)控制。這不僅提高了分析精度和速度，而且可對分析結(jié)果的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析過程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。
解放后，我國的光譜儀器工業(yè)從無到有、由小到大，得到飛躍的發(fā)展。且具有一定的規(guī)模，與世界先進(jìn)技術(shù)競爭中求生存，社會(huì)商品競賽中得到發(fā)展。
1958年開始試制光譜儀器，生產(chǎn)了我國第一臺(tái)中型石英攝譜儀，大型攝譜儀，單色儀等。中科院光機(jī)所開始研究刻制光柵、1959年上海光學(xué)儀器廠、1963年北京光學(xué)儀器廠開始研究刻制光柵，1963年研制光刻成功。1966～1968年北京光學(xué)儀器廠和上海光學(xué)儀器廠先后研制成功中型平面光柵攝譜儀和一米平面光柵攝譜儀及光電直讀頭。1972年由北京第二光學(xué)儀器廠研制成功國內(nèi)第一臺(tái)WZG—200型光柵直讀光譜儀，結(jié)束了我國不能生產(chǎn)光電直讀光譜儀的歷史。
５ 光電光譜分析的特點(diǎn)
光電光譜分析方法在我國冶金及其他行業(yè)系統(tǒng)獲得了廣泛的應(yīng)用，已經(jīng)成為分析化學(xué)中重要的儀器分析方法之一。它的主要特點(diǎn)是：
1）操作簡便，分析速度快。在冶金工業(yè)中，利用光電光譜儀在1～2 min之內(nèi)可同時(shí)對鋼和合金中測定20多個(gè)元素。這對煉鋼中間過程的化學(xué)成份控制是非常有利的，它明顯地加快了煉鋼速度，提高了生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益。
隨著光譜分析新型光源的產(chǎn)生，還可測定試料中很多種微量發(fā)質(zhì)元素的分析。
2）選擇性好。光譜分析是根據(jù)各元素激發(fā)后所產(chǎn)生的特殊性征光譜線及其光譜線強(qiáng)度來進(jìn)行定性和定量分析的。不同的元素，產(chǎn)生不同的波長的譜線。因此只要元素線選擇正確，分析工作條件合適，就能在同一條件下同時(shí)測定幾十個(gè)元素，而不需要化學(xué)分離。
3）靈敏度高。光譜分析的靈敏度與儀器條件、試料處理方法、試料組成、元素的性質(zhì)有關(guān)。直接光譜測定時(shí)，相對靈敏度可達(dá)0.1～10 ppm，絕對靈敏度可達(dá)1×10-8 g～1×10-9 g。如果采用化學(xué)分離、富集和物理濃縮方法，絕對靈敏度可達(dá)1×10-11 g，相對靈敏度可達(dá)ppb級。
4）準(zhǔn)確度高。光譜分析的相對誤差為5～20%，而光電光譜分析的相對誤差為0.5～1%。一般說來常量分析與化學(xué)分析誤差接近，低含量和痕量元素分析要比化學(xué)分析誤差高，對高含量元素分析要稍差。
5）光電光譜分析是一種痕量的無損分析，試料用量極少，可作局部分析。
6）是一種比較的分析方法，因此需要一定數(shù)量的光譜標(biāo)準(zhǔn)樣品。制造標(biāo)準(zhǔn)樣品需要用化學(xué)分析作基礎(chǔ)，往往由于標(biāo)準(zhǔn)樣品不易配置，而給光譜定量分析造成一定的困難。
６ 新型全譜直讀光譜儀的開發(fā)應(yīng)用
新型全譜直讀光譜儀，故名思義，就是能將物樣中存在的所有元素原子光譜線，全部直讀出來，進(jìn)行工藝研究及產(chǎn)品的研究與分析的光譜儀。通常所使用的攝譜儀是屬于全譜光譜儀，但不能直接讀數(shù)，而通常能直接讀數(shù)的多道光譜儀卻不屬于全譜。在全譜波光電掃描可以算全譜直讀光譜儀，但它時(shí)時(shí)間順序掃描逐條譜線進(jìn)行曝光與測量，從時(shí)空概念上講，全譜直讀還是有所欠缺。新型的全譜直讀光譜儀，在時(shí)空整體概念上講，就是能同時(shí)進(jìn)行全譜接收并直讀的光譜儀。
新型全譜直讀光譜儀是采用現(xiàn)代微電子學(xué)、光電子學(xué)和計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的最新成就設(shè)計(jì)而成的。新型全譜直讀光譜儀利用中階梯光柵交叉色散，產(chǎn)生以波長為橫坐和以光譜序?yàn)榭v坐標(biāo)的平面色散，所產(chǎn)生的二維光譜聚焦在一塊半導(dǎo)體芯片上。芯片擁有1～26萬個(gè)感光點(diǎn)。如用電荷耦合固體檢測器（CCD）或分段式電荷耦合固體檢測器（SCD）就有約1萬個(gè)感光點(diǎn)陣。而電荷注入固體檢測器（CID）約擁有26萬多個(gè)感光點(diǎn)。從波長170 nm到900 nm和約150級光譜序的所有光譜線全部在固體檢測器上同時(shí)曝光，并可以拍攝成光譜圖，或顯示在熒光屏上，也可儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī)的磁盤上，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行操作與分析。
由于光柵技術(shù)的精良，和掃描技術(shù)的改進(jìn)，采用高速自動(dòng)控制采集技術(shù)和高速自動(dòng)掃描技術(shù)，將試樣中各元素ICP譜線，從160～180 nm以每點(diǎn)0.5 ms、每步0.0015 nm的步距，作全譜掃描，在2 min內(nèi)可得到230 000個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，記錄并儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī)磁盤中，由計(jì)算機(jī)軟件作譜線自動(dòng)識別，自動(dòng)數(shù)據(jù)處理，同樣可以實(shí)現(xiàn)全譜直讀光譜分析。
早期的乳膠照相法費(fèi)時(shí)，精度差，線性范圍小，短波響應(yīng)差。
可直接測到濃度的光電倍增管（PMT），因其速度快，線性范圍大，各波段光譜響應(yīng)好，取代了很多使用照相板的儀器。然而，PMT不能覆蓋整個(gè)波段。
CID同時(shí)兼有照相法和PMT的優(yōu)點(diǎn)，它是一塊固態(tài)芯片（14×14 mm光有效區(qū)），含26萬以上的感光單元（象元），每個(gè)大小28 μm，光學(xué)系統(tǒng)正好在芯片上形成二維象，CID能夠在190～800 nm檢測到樣品的整個(gè)光譜。樣品的光輻射，如同照相攝譜一樣，能以電子信號全譜象貯存，隨時(shí)可供調(diào)用。
光/電信號的轉(zhuǎn)換和讀出，和PMT一樣，具有速度快、精度高，量程大的優(yōu)點(diǎn)。采用CID是光譜檢測技術(shù)方面的突破。顯然，新型全譜直讀光譜儀具有當(dāng)今所使用的攝譜儀、多道直讀光譜儀與單道描光譜儀的全部優(yōu)越性，并在分析靈敏度、精度、分析速度和靈活使用方面更為優(yōu)越，是20世紀(jì)90年代的最新產(chǎn)品。
７ 新型全譜直讀光譜儀的光譜特征
為了敘述方便，以CCD為代表，來說明新型全譜直讀光譜儀的主要光譜特征。
CCD是一對硅型金屬——氧化物半導(dǎo)體芯片，在25.4 mm×2 mm面積上有512～3*!000個(gè)感光點(diǎn)，獨(dú)立進(jìn)行光電測量，互不干擾。電腦可以隨時(shí)監(jiān)控積分情況，動(dòng)態(tài)線性范圍寬，可同時(shí)測定樣品中的主量、次量和微量。也由于全譜信息最大，可供選擇的靈敏不同的分析線多，由于有如此大量的信息量，排除光譜線干擾是易于做到的，而且是全譜同時(shí)曝光，可實(shí)現(xiàn)正確無誤的背景扣除。在低溫（-80℃）保護(hù)下，檢測器噪音很小，而量子轉(zhuǎn)換效率高，靈敏度比光電倍增管高，因此元素光譜測定靈敏度高，可提高3~30倍，儀器測量精度可達(dá)0.5%.在目前的儀器中已經(jīng)基本上不采用低溫保護(hù)。
采用中階梯光柵，色散與分辨與光譜級數(shù)成正比，色散和分辨率很高，易于排除干擾，作光譜精細(xì)結(jié)構(gòu)研究。
大量分析信息的處理，無論是分析線的識別、測量、干擾排隊(duì)等操作，必需依賴于電子計(jì)算機(jī)功能強(qiáng)大的軟件來完成，而且使用需要方便、靈活。大多采用Windows 95/98操作系統(tǒng)，全部操作，通過鼠標(biāo)來完成，讀菜單靈活、方便。整個(gè)軟件有分析模塊、控制模塊、工具模塊、研究模塊和輸出模塊，存儲(chǔ)了大量光譜信息，如元素分析線、光譜線特點(diǎn)、強(qiáng)度級、激發(fā)電位等。還可以有物質(zhì)組成的光譜信息，如各類牌號的合金標(biāo)準(zhǔn)信息，還有分析物質(zhì)的方法條件信息等，可以說匯集了很多知識和應(yīng)用中的大量光譜信息，可供研究與分析用。大量信息的處理需要計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)量大，運(yùn)算速度快并且程序運(yùn)行可靠。
不難看出，新型全譜直讀光譜儀，集攝譜儀、多道光譜儀和掃描光譜儀優(yōu)點(diǎn)于一身，應(yīng)用于研究的前景是巨大的。而且光譜的特性更優(yōu)越，用于解決當(dāng)今光譜尚未解決的難題，具備了良好的研究條件。有創(chuàng)立新方法的余地，如逐步解決少需要或不需要依賴光譜標(biāo)樣，研究了解各類干擾，或排除干擾，對復(fù)雜樣品分析由半定量到定量分析。光譜信息組合與處理等，可以在光譜學(xué)研究和物質(zhì)分析方面應(yīng)用開創(chuàng)新方法，如應(yīng)用模式、識別方法的研究。
由于新型全譜直讀光譜儀沒有通常的譜線概念和直觀性，而變?yōu)橐恍┕獍唿c(diǎn)的指紋印和數(shù)據(jù)顯示，對于多譜線物質(zhì)，光點(diǎn)很多，由這些光斑點(diǎn)作元素分析，即使有功能強(qiáng)的計(jì)算機(jī)軟件，要檢索、識別和處理光譜數(shù)據(jù)也不是輕而易舉的。因此，要求分析人員具備豐富的光譜知識和經(jīng)驗(yàn)，配合新的工作方法和程序，才能知識新型全譜直讀光譜儀的使用。
８ 對未來分析儀器的展望
新儀器的使用能力很大程度上依靠軟件的功能，而軟件的建立與豐富常常依靠原有工作經(jīng)驗(yàn)和知識的積累。如目前軟件主要用于鋼鐵冶金等常規(guī)分析，對地質(zhì)、衡有金屬和稀土等更為復(fù)雜的組成和光譜干擾等方面的應(yīng)用軟件還需逐步開發(fā)。
目前，在國際上能夠提供利用CCD和CID作為檢測元件的商品儀器僅有幾家，特點(diǎn)各不相同。而作為一個(gè)新興的、以高科技手段為起點(diǎn)的德國WAS公司推出的PMI—MASTER便攜式光譜儀，具有大色散、低背景噪聲、高穩(wěn)定性、能夠接收185～420 nm波段內(nèi)的所有譜線的顯著特點(diǎn)。
一方面在便攜式光譜儀中采用中長焦距的帕邢—龍格架法、光柵刻線數(shù)高達(dá)3 000條/mm，使得一級光譜的色散達(dá)到0.9 nm/mm，為高檔臺(tái)式及中檔落地式光譜儀的色散及分辨率。
另一方面在羅蘭圓上依次排列了14個(gè)每英寸具有3000個(gè)接收單元的CCD器件，用于替體體積相對龐大的光電倍增客和出射狹縫。合得儀器可接收185 nm～450 nm范圍內(nèi)所有譜線，做到了對信號及噪聲背景的同時(shí)檢測，對元素量的準(zhǔn)確分析提供了基礎(chǔ)保障。
整臺(tái)儀器使用輕便的激發(fā)槍，5 m長的光導(dǎo)纖維與設(shè)計(jì)成肩背式的主機(jī)相聯(lián)，全部操作采用14英寸真彩色的觸摸式顯示屏，Windows 95/98操作系統(tǒng)控制，更可以使用隨機(jī)攜帶的蓄電澉在沒有市電供應(yīng)的場合操作分析，便于高空及環(huán)境惡劣場合使用。由于是全波段同時(shí)測量，沒有基體及元素的限制，使得應(yīng)用領(lǐng)域更廣，雖然只是一小小的便攜式光譜儀，但匯集了光導(dǎo)纖維、電荷耦合固體檢測器（CCD）、計(jì)算機(jī)技術(shù)及激發(fā)光源和民源逆變等尖端技術(shù)，而質(zhì)量只有十幾千克。
發(fā)射光譜直讀儀器的全譜技術(shù)使發(fā)射光譜進(jìn)入新的發(fā)展階段。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，面陣式固體檢測元件的使用和高性能高配置計(jì)算機(jī)的引人，出現(xiàn)了兼有攝譜儀的光電直讀的全譜直讀儀器，給發(fā)射光譜儀器的研制開辟了一個(gè)嶄新的發(fā)展前景。發(fā)射光譜儀器的測定靈敏度有明顯的提高?；鸹ㄖ庇?jì)光譜儀器，通過采用直流電弧光源和同時(shí)測量的背景校正技術(shù)，或采用PDA的光度測量方法，使痕量的成分測定的靈敏度大為提高，可以同時(shí)直接測定高純金屬中的許多痕量元素。等離子體直讀光譜儀器向單道掃描型發(fā)展，儀器的性能和功能更加完善，通過改善信噪比降低全出限，或推出水平等離子炬的端視式ICP，采用超聲霧化進(jìn)樣系統(tǒng)，提高分析的靈敏度，有的可達(dá)到石墨爐原子吸收分析方法的水平。
火花直讀光譜測鋼中氣體成分已進(jìn)入實(shí)用階段。各個(gè)廠家在氮、氧等的測定方面作了很多研究和改進(jìn)，特別對低含量氮的測定采取了改進(jìn)措施?？梢詼y定低至10 ppm的氮含量，測量精度也可達(dá)到常規(guī)分析方法的要求。各類發(fā)射光譜儀器的操作軟件，隨著電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，普遍采用高性能配置的計(jì)算機(jī)，開發(fā)出在窗口下運(yùn)行的全新軟件，操作起來更加直觀可靠。而且，正在不斷推出功能更加強(qiáng)大的操作系統(tǒng)。
發(fā)射光譜技術(shù)與相關(guān)分析技術(shù)互相滲透，拓寬其應(yīng)用范圍，出現(xiàn)了一批很大有新意的光譜測鋼中氣體成分已進(jìn)入實(shí)用階段。各個(gè)廠家在氮、氧等的測定方面作了很多研究和改進(jìn)，特別對低含量氮的測定采取了改進(jìn)措施?？梢詼y定低至10 ppm的氮含量，測量精度也達(dá)到常規(guī)分析方法的要求。各類發(fā)射光譜儀器的操作軟件，隨著電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，普遍采用高性能配置的計(jì)算機(jī)，開發(fā)出在窗口下運(yùn)行的全新軟件，操作起來更加直觀可靠。而且，正在不斷推出功能更加強(qiáng)大的操作系統(tǒng)。
發(fā)射光譜技術(shù)與相關(guān)分析技術(shù)互相滲透，拓寬其應(yīng)用范圍，出現(xiàn)了一批很有新意的光譜儀器。如利曼—徠伯斯公司利用發(fā)射光譜分析的陰極濺射原理，將固體樣品的氬氣等離子流下濺射，產(chǎn)生自由原子，作為原子化器，按原子吸收方式順序測定，元素可在2 min內(nèi)測定完畢，精度優(yōu)于電弧火花，兼有AAS，ARC/SPARK和X—Ray的優(yōu)點(diǎn)。
隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，分析領(lǐng)域的不斷需求，知識理論的更新，一定會(huì)有更新、功能更強(qiáng)、體積更小的專業(yè)儀器出現(xiàn)。
