紫外可見分光光度計(jì)分光系統(tǒng)

 分光系統(tǒng)是紫外可見分光光度計(jì)的核心部分。它主要由入射狹縫、準(zhǔn)直鏡、光柵、物鏡和出射狹縫組成。入射狹縫起著限制雜散光進(jìn)入的作用, 它一般處在準(zhǔn)直鏡的焦點(diǎn)上; 準(zhǔn)直鏡將從入射狹縫射進(jìn)來的復(fù)合光變成平行光; 光柵用來分光, 分光系統(tǒng)有三個(gè)作用: ①分光, 把從入射狹縫進(jìn)來, 投射到光柵上的復(fù)合光分成單色光; ②轉(zhuǎn)向, 把從準(zhǔn)直鏡射過來的平行光改變方向, 投射到物鏡上; ③能量傳遞, 把從準(zhǔn)直鏡射過來的平行光的能量改變方向后傳遞到物鏡; 如果是Ⅳ型凹面光柵, 則還有成像的功能, 將從入射狹縫進(jìn)來射到光柵的發(fā)散光會(huì)聚并成像到出射狹縫上; 出射狹縫起限制光譜帶寬的作用。下面分別討論分光系統(tǒng)的各個(gè)部件。

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一、光柵
   光柵是分光系統(tǒng)的核心元件, 關(guān)系到紫外可見分光光度計(jì)整機(jī)的質(zhì)量好壞、水平高低, 是一個(gè)非常重要的光學(xué)元件。本書將進(jìn)行較詳細(xì)的討論。
( 一) 光柵的分光原理
    由光柵方程: d( sinα± sinβ) = mλ可知, 對(duì)于相同的光譜級(jí)數(shù)m, 以同樣的入射角α投射到光柵上的不同波長(zhǎng)λ1 、λ2 、λ3 ?組成的混合光, 每種波長(zhǎng)產(chǎn)生的干涉極大都位于不同的角度位置; 即不同波長(zhǎng)的衍射光以不同的衍射角β出射。這就說明, 對(duì)于給定的光柵, 不同波長(zhǎng)的同一級(jí)主極大或次極大( 構(gòu)成
同一級(jí)光柵光譜中的不同波長(zhǎng)譜線) 都不重合, 而是按波長(zhǎng)的次序順序排列,形成一系列分立的譜線。這樣, 混合在一起入射的各種不同波長(zhǎng)的復(fù)合光, 經(jīng)光柵衍射后彼此被分開了。這就是衍射光柵的分光原理。
( 二) 光柵的基本特性
    光柵分為反射光柵和透射光柵兩類。在紫外可見分光光度計(jì)中, 應(yīng)用最廣泛的是反射式衍射光柵, 通常稱為反射光柵。根據(jù)光柵基面的形狀是平面還是凹面, 反射式衍射光柵又分平面反射衍射光柵、凹面反射衍射光柵兩類。根據(jù)光柵刻槽的微觀形狀能否使衍射光能量定向地集中在某個(gè)方向, 又有閃耀光柵和非閃耀光柵之分。根據(jù)光柵是用機(jī)械刻劃方法還是用全息干涉方法制成的,還可分為刻劃光柵和全息光柵兩類。根據(jù)光柵成像的形狀, 還可分為普通光柵和平場(chǎng)光柵( 一般的平面或凹面光柵在出射狹峰上所成的像是彎曲不平的, 而平場(chǎng)光柵在出射狹峰上所成的像是平面像)。下面簡(jiǎn)單討論一下使用最多的平面反射衍射光柵的光譜特性。
1. 光柵光譜的特點(diǎn)
    (1 ) 光柵光譜的多級(jí)次性經(jīng)棱鏡色散后形成的光譜, 只是按波長(zhǎng)次序排列成一個(gè)單一的光譜。而經(jīng)衍射光柵色散后形成的光譜, 則是包含m = 0、±1、±2、±3所有級(jí)次光譜的總和。同一塊光柵對(duì)同一束入射復(fù)合光可在不同位置形成一系列不同級(jí)次的光譜, 在m = 0 兩側(cè)有對(duì)稱分布的正級(jí)次光譜和負(fù)級(jí)次光譜。因此, 光柵光譜的多級(jí)次性是原理性的、本質(zhì)的, 是不可避免的。光柵的這個(gè)特性, 將對(duì)光柵的應(yīng)用產(chǎn)生許多相應(yīng)的問題, 它會(huì)直接對(duì)紫外可見分光光度計(jì)的光譜分辨率和光譜的檢測(cè)造成困難, 這是所有紫外可見分光光度計(jì)的設(shè)計(jì)者、制造者、使用者必須重視的問題。
    (2 ) 光柵光譜的級(jí)次重疊由光柵方程d( sinα±sinβ) = mλ可知, 波長(zhǎng)為λ的一級(jí)( m = 1 ) 光譜線、波長(zhǎng)為λ/ 2 的二級(jí)( m = 2 ) 光譜線、波長(zhǎng)為λ/ 3的三級(jí)( m= 3) 光譜線等都具有同樣的衍射角, 即βλ, 1 = βλ/ 2 , 2 = βλ/ 3 , 3 =βλ/ m , m 。這就是衍射光柵光譜的級(jí)次重疊。即衍射光柵在同一位置有不同級(jí)次的不同波長(zhǎng)的光譜線。在寬波段范圍內(nèi)進(jìn)行高分辨率光譜研究或光譜分析工作時(shí), 光柵光譜的級(jí)次重疊是非常明顯的, 必須采取有力的措施, 把不需要的波段隔離掉或?yàn)V掉; 如采用前置單色器或相應(yīng)波段的濾光片等。只有這樣, 才能避免不需要級(jí)次光譜的干擾, 才能保證紫外可見分光光度計(jì)的分辨率和分析測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。
    (3 ) 光柵光譜的勻排性由光柵方程d( sinα±sinβ) = mλ可知, 在衍射角不太大的情況下( 如在一級(jí)光譜內(nèi), 靠近光柵法線區(qū)域時(shí)) , 不同波長(zhǎng)光譜線的位置基本上與其波長(zhǎng)值成比例。因此, 光柵光譜中的各個(gè)波長(zhǎng)譜線排列比較均勻, 并隨著波長(zhǎng)值線性增加或減少, 相應(yīng)的光柵光譜線的位置( 如離光柵法線的距離) 也線性變化。光柵光譜的排列比較均勻, 不同波長(zhǎng)區(qū)中同樣波長(zhǎng)差的兩根譜線之間的距離變化不太大。光柵光譜的勻排性不但使光譜更加整齊、勻稱, 而且對(duì)定性分析時(shí)初步判斷、估計(jì)譜線的波長(zhǎng)值等比較方便。
    在棱鏡光譜中, 由于不同波長(zhǎng)的光線受到不同程度的折射而被色散。而棱鏡材料對(duì)不同波長(zhǎng)的折射率變化是不與波長(zhǎng)成線性的。棱鏡材料在短波方向的折射率的變化要比長(zhǎng)波區(qū)的變化大得多。因此, 棱鏡光譜中的譜線排列情況是不均勻的。在短波區(qū), 因d n/ dλ大, 譜線排列非常稀疏, 而在長(zhǎng)波區(qū), 則因d n/ dλ小, 譜線排列非常稠密。所以, 同樣大小的波長(zhǎng)差值, 相應(yīng)的譜線之間的距離, 短波處要大于長(zhǎng)波處。因此, 棱鏡在紫外區(qū)的色散要比可見、近紅外區(qū)的色散大。所以, 有些紫外可見分光光度計(jì)( 特別是高檔紫外可見分光光度計(jì)) 都用石英棱鏡作前置單色器, 就是這個(gè)道理。
    此外, 在譜線的波長(zhǎng)分布順序方面, 光柵與棱鏡也是不同的; 在光柵光譜中, 波長(zhǎng)越長(zhǎng)的光線衍射角數(shù)值越大, 譜線越偏離光柵法線。在棱鏡光譜中,波長(zhǎng)越長(zhǎng)的光線, 偏向角越小, 相應(yīng)的譜線分布越接近入射角方向的位置。2. 平面衍射光柵的角色散率
    從微分光柵方程, 可得到入射角固定不變時(shí)衍射光柵的角色散率為式中, β為衍射角; λ為波長(zhǎng); m 為光柵的光譜級(jí)數(shù); d 為光柵常數(shù)。
    從式( 3-1 ) 可以看出, 光柵的角色散率有以下特點(diǎn):
    ① 光柵的角色散率與光譜級(jí)次m 成正比; 即高級(jí)次光譜具有高色散率。因此, 高級(jí)次光譜更適合高分辨率光譜工作。
    ② 光柵的角色散率與光柵常數(shù)d 成反比, 說明光柵的刻槽密度越高的光柵其色散率越高。
    ③ 光柵的角色散率還與cosβ成反比,因此隨著衍射角β增大, 光柵的角色散率也會(huì)增大。
3. 平面衍射光柵的分辨率
    平面衍射光柵的分辨率的定義是:R =λ/ Δλ
4. 反射衍射光柵的閃耀
    反射衍射光柵將入射到它上面的復(fù)合光分別衍射、分配到各級(jí)次的光譜中。在光柵對(duì)入射光產(chǎn)生衍射作用的同時(shí), 光柵刻槽上的每個(gè)工作面相當(dāng)于一個(gè)小鏡面, 也會(huì)反射入射光。當(dāng)光柵對(duì)某個(gè)波長(zhǎng)的入射光形成的衍射光方向正好與該波長(zhǎng)在工作面上的鏡面反射方向吻合時(shí), 此波長(zhǎng)的出射光將比其他波長(zhǎng)更明亮或更耀目。稱此為閃耀。光柵閃耀波長(zhǎng)就是指的在這個(gè)波長(zhǎng)上, 光柵的出射能量最強(qiáng)。
經(jīng)常會(huì)看到有些光柵制造商, 在商品目錄上給出自準(zhǔn)直狀態(tài)下, ( 即α=β) , 光柵的閃耀角ε=α=β, 同時(shí)還標(biāo)出波長(zhǎng)值。但是, 這些數(shù)據(jù)都是在m = 1的一級(jí)光譜條件下的數(shù)據(jù)。
    如果一塊光柵是對(duì)一級(jí)光譜的波長(zhǎng)λb 閃耀的, 那么在二級(jí)光譜中, 將對(duì)波長(zhǎng)為λb/ 2 的光線也產(chǎn)生閃耀作用, 在三級(jí)光譜中, 對(duì)波長(zhǎng)為λb/ 3 的光線也產(chǎn)生閃耀作用。
    在閃耀波長(zhǎng)處, 光柵的相對(duì)光強(qiáng)度最高。隨著波長(zhǎng)偏離閃耀波長(zhǎng), 衍射效率逐漸下降,
5. 光柵譜線的彎曲
    由于光柵對(duì)來自狹縫中心點(diǎn)的光線和來自狹縫非中心點(diǎn)的光線的衍射程度不同, 因此就產(chǎn)生了光柵譜線的彎曲。光柵譜線的彎曲情況如圖3-18 所示。波長(zhǎng)值越大的譜線彎曲得越厲害( 棱鏡譜線彎曲與此相反)。但光柵譜線的彎曲程度比棱鏡譜線彎曲要小。

                         圖3-18 光柵譜線的彎曲情況
6. 光柵的放大率及全息光柵
    (1 ) 光柵的放大率如同不在最小偏向角下工作的色散棱鏡一樣, 如果光柵不工作在衍射角等于入射角的對(duì)稱狀態(tài), 也會(huì)對(duì)光束產(chǎn)生一個(gè)附加的放大率

    (2 ) 全息光柵全息光柵也是目前使用很多的光柵。當(dāng)兩束相干的平行光束交會(huì)時(shí), 會(huì)形成一系列平行、等距的直線狀干涉條紋。高能量、高單色性的激光和高質(zhì)量的光致抗蝕劑的發(fā)展, 使得利用光干涉條紋制作衍射光柵的設(shè)想得以實(shí)現(xiàn)。如圖3-19 所示, 來自激光器的激光束通過分波前方式或分增幅方式變成兩束相干平行光束, 并使它們?cè)诰鶆蛲坎加泄庵驴刮g劑的光柵毛坯P上交會(huì), 產(chǎn)生均勻、等距的平行直線干涉條紋, 使光柵毛坯P 上各點(diǎn)的光致抗蝕劑受到不同程度的曝光。再經(jīng)過適當(dāng)?shù)娘@影、漂洗、干燥過程, 就可獲得與干涉條紋一模一樣的凹凸精細(xì)結(jié)構(gòu)表面, 再在此表面上真空鍍鋁( Al ) , 最終得到具有均勻間隔、平行直溝槽的反射衍射全息光柵。干涉條紋的間距, 即全息光柵的光柵常數(shù)d 是由兩相干光束間的夾角2θ、激光波長(zhǎng)λ和干涉條紋記錄空間介質(zhì)的折射率n 決定的。

    記錄空間介質(zhì)的折射率一般為空氣, n = 1。所以, 當(dāng)光束之間的夾角最大(即θ= 90°) 時(shí), 全息光柵的最小光柵常數(shù)dmin =λ/ 2。
7. 全息光柵的特點(diǎn)
    ① 工作時(shí)不會(huì)產(chǎn)生鬼線和伴線, 這是廣大使用者最歡迎的。
    ② 不存在刻劃光柵刻槽的微觀不規(guī)則或毛刺等缺陷, 所以雜散光遠(yuǎn)遠(yuǎn)小
于刻劃光柵的雜散光。
    ③ 適當(dāng)改變制作條件, 就可制作成消像差的全息光柵。
    ④ 可以制作任意尺寸的全息光柵。
    ⑤ 制造周期短。
    ⑥ 制造成本低。
    一般來講, 紫外可見分光光度計(jì)對(duì)光柵的基本要求都非常高。歸納起來主要有以下幾條: ①雜散光要小; ②輸出能量曲線要平滑, 即從長(zhǎng)波到短波, 輸出能量曲線起伏要小、平滑; ③波長(zhǎng)范圍要寬, 目前一般紫外可見區(qū)使用的光柵, 其波長(zhǎng)范圍可達(dá)190～900 或1000nm; ④分辨率要高。
二、準(zhǔn)直鏡
   根據(jù)牛頓定律, 從透鏡或反射鏡的焦面上發(fā)出的光, 射到透鏡或反射鏡(準(zhǔn)直鏡) 后, 會(huì)變成平行光。而入射狹縫都處在準(zhǔn)直鏡的焦面上。所以, 準(zhǔn)直鏡的作用是將從入射狹縫射進(jìn)來的、發(fā)散的復(fù)合光變成平行光。準(zhǔn)直鏡和入射狹縫之間的相對(duì)位置非常重要( 即入射狹縫要嚴(yán)格處在準(zhǔn)直鏡的焦面上) ,它會(huì)直接影響平行光的平行度, 從而影響單色器的單色性。
三、物鏡
    根據(jù)牛頓定律, 一束平行光入射到透鏡或反射鏡后, 將會(huì)聚在透鏡或反射鏡的焦面上; 出射狹縫處在物鏡的焦面上。所以, 物鏡的作用是將射到物鏡的平行光, 會(huì)聚在出射狹縫上。物鏡和出射狹縫之間的相對(duì)位置非常重要( 即出射狹縫要嚴(yán)格處在物鏡的焦面上) , 它會(huì)直接影響平行光的平行度。從而影響單色器的單色性。
四、單色器
    單色器是一種能從各種波長(zhǎng)組成的復(fù)合光源中, 分離出有一定Δλ的單色光的儀器。單色器分離出的某種波長(zhǎng)的單色光, 不可能是真正的單色光, 總是包含某一狹窄的光譜區(qū)間Δλ。由于此區(qū)間的波長(zhǎng)范圍很小, 因此被認(rèn)為是單色光。一般單色器都是由入射狹縫、出射狹縫、色散元件(光柵或棱鏡)、準(zhǔn)直鏡、成像物鏡等組成。單色器的種類較多, 有專用型、通用型、光柵型、棱鏡型等多種。紫外可見分光光度計(jì)的設(shè)計(jì)制造者, 一般是根據(jù)使用要求來選擇類型。不管是何種單色器, 其主要技術(shù)指標(biāo)一般包括以下內(nèi)容: ①工作波長(zhǎng)范
圍; ②波長(zhǎng)準(zhǔn)確度; ③ 波長(zhǎng)重復(fù)性; ④ 光譜帶寬; ⑤ 雜散光; ⑥ 波長(zhǎng)掃描速度; ⑦有些單色器還給出物鏡的相對(duì)孔徑、物鏡的視場(chǎng)角、分光元件的色散率、單色器的類型等。
    在紫外可見分光光度計(jì)中, 常將光柵、準(zhǔn)直鏡、物鏡、狹縫等元件組合起來, 作為紫外可見分光光度計(jì)的一個(gè)部件。紫外可見分光光度計(jì)中的單色器一般又分棱鏡單色器和光柵單色器兩種, 現(xiàn)將其具體構(gòu)型和排列方式介紹如下。
( 一) 棱鏡單色器
   常見的棱鏡單色器共有如下四種構(gòu)型。
1. 透射式棱鏡單色器
   透射式棱鏡單色器一般采用阿貝型恒偏向棱鏡, 其光路如圖3-20 所示。這種棱鏡實(shí)際上是由兩塊30°的分光棱鏡和一塊直角棱鏡組成。直角棱鏡只起反光作用, 不參與分光。所以, 阿貝棱鏡可以看成是兩塊30°的色散棱鏡, 它與一塊60°的分光棱鏡的作用相等效。
2. 反射式立特洛( Litt row) 型棱鏡單色器
    反射式立特洛( Litt row) 型棱鏡單色器的光路圖如圖3-21 所示。該單色器一般是用一塊離軸拋物面鏡同時(shí)起準(zhǔn)直物鏡和成像物鏡的作用。光束兩次通過棱鏡, 可以使色散加倍。

3. 自準(zhǔn)式30°棱鏡單色器
    在分辨率要求不高的時(shí)候, 經(jīng)常采用一塊球面鏡和一塊30°棱鏡組成簡(jiǎn)單的立特洛型棱鏡單色器。其光路如圖3-22 所示。該單色器在棱鏡直角邊的一側(cè)涂上反射膜層, 使光束經(jīng)此面折回。當(dāng)旋轉(zhuǎn)自準(zhǔn)棱鏡時(shí), 可實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)掃描。為減少雜散光, 一般在棱鏡膜層后面或不通光的棱邊上涂上黑色無光漆。

4. 瓦茨沃斯(Wadswor th) 型棱鏡單色器
   該單色器的色散棱鏡和一塊平面反射鏡連在一起, 形成恒偏向裝置。波長(zhǎng)掃描時(shí), 棱鏡和平面鏡一起繞棱鏡底邊中點(diǎn)C轉(zhuǎn)。該系統(tǒng)有較好的成像質(zhì)量。
    ( 二) 光柵單色器
   常見的光柵單色器大致有以下5 種類型。1. 立特洛( Litt row) 型光柵單色器立特洛( Litt row) 型光柵單色器的光路如圖3-24 所示。
    光束在光柵上的入射角接近等于衍射角, 準(zhǔn)直物鏡和成像物鏡同用一個(gè)物鏡。這種類型的單色器, 又稱自準(zhǔn)式光柵單色器。因?yàn)樗娜肷洫M縫、出射狹縫很靠近, 所以其雜散光比較大。2. 切爾尼-特納( Czerny-Turner ,簡(jiǎn)稱C-T 型) 型光柵單色器

    這種光柵單色器是一種采用兩塊球面鏡作為準(zhǔn)直鏡和成像物鏡的系統(tǒng)。常用水平排列方式。兩塊球面鏡可相互補(bǔ)償慧差, 具有較好的成像質(zhì)量。并且,增加狹縫高度不會(huì)嚴(yán)重影響儀器的分辨率。同時(shí), 球面鏡的加工也比較容易。
    其光學(xué)系統(tǒng)如圖3-25 所示, 在該系統(tǒng)中, 入射狹縫S1 和出射狹縫S2 對(duì)稱分布在色散元件的兩邊, M1 和M2 分別為準(zhǔn)直鏡和物鏡; 該系統(tǒng)的最大特點(diǎn)是像差(慧差) 小。它的慧差為自準(zhǔn)直系統(tǒng)的1/ 5 左右, 所以該系統(tǒng)經(jīng)常被大量采用。

3. 瀨谷-波岡型凹面光柵單色器
   瀨谷-波岡型凹面光柵單色器是一種羅蘭圓外的裝置, 入射和出射狹縫都在羅蘭圓之外, 光柵上的入射光軸與出射光軸夾角較大, 一般約為i +θ= 70°。
    在保持入射狹縫和出射狹縫都不動(dòng)的情況下, 繞光柵中心轉(zhuǎn)動(dòng)光柵, 就可完成光譜掃描。一般入射角由26°變?yōu)?4°時(shí), 離焦量才有光柵中心到出射狹縫距離的0. 1%。其主要像差是像散和慧差。但已有消像散的凹面光柵, 可消除像散, 獲得很高的像質(zhì)。
4. 艾伯特( Eber t ) 型光柵單色器
    艾伯特( Eber t ) 型光柵單色器是只用一塊凹面球面鏡的兩部分, 作為準(zhǔn)直鏡和物鏡, 代替C- T 型光柵單色器的兩塊凹面球面鏡。其光路圖如圖3-27 所示, 此結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單, 成本較低。

5. Monk-Gilieson 型光柵單色器
   

( 三) 單色器光路的排列和分類
1. 水平式自準(zhǔn)直系統(tǒng)
    所謂自準(zhǔn)直系統(tǒng)就是非對(duì)稱的單色器光學(xué)系統(tǒng); 所謂水平式自準(zhǔn)直系統(tǒng), 就是所有的光學(xué)元件中心和狹縫中心都在同一平面上的自準(zhǔn)直系統(tǒng)。

    現(xiàn)以光柵式水平式自準(zhǔn)直系統(tǒng)為例, 說明其工作原理。 S1 位于球面反射鏡或拋物面反射鏡M1 的焦面上。當(dāng)光線進(jìn)入狹縫S1 后, 通過小平面反射鏡射到M1 上, M1 將入射的光線變成平行光后,照射到光柵G上, 經(jīng)光柵色散后的光線再射到M1 上;還是由M1 聚焦到出射狹縫S2 上, 并在S2 處形成光譜。
2. 垂直式自準(zhǔn)直系統(tǒng)
    雜散光與球差的數(shù)量與水平式自準(zhǔn)直系統(tǒng)相同。但慧差不同, 水平式自準(zhǔn)直系統(tǒng)的慧差使譜線產(chǎn)生非對(duì)稱性變寬, 而垂直式自準(zhǔn)直系統(tǒng)使譜線在高度方向產(chǎn)生非對(duì)稱性伸長(zhǎng)。因此, 對(duì)同樣的光學(xué)參數(shù)來說, 該系統(tǒng)的分辨率略優(yōu)于前者。

( 四) 用于非平行光束的平面光柵單色器
    常見的平面光柵單色器是把光柵放在平行光束中工作, 這樣可使光柵產(chǎn)生的像差較小, 儀器可以獲得較高的分辨率。但是, 在有些專門的用途中, 不要平面光柵單色器求分辨率很高, 而要求儀器的通光性能很好。甚至通光性能比分辨率更加重要, 這時(shí)可以將光柵放在非平行光束中, 整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)中除光柵以外,只有一塊凹面反射鏡。
( 五) 雙單色器
    如果將兩個(gè)簡(jiǎn)單的單色器連接在一起, 就組成了雙單色器。雙單色器有一個(gè)入射狹縫、一個(gè)出射狹縫和一個(gè)中間狹縫。中間狹縫既是第一個(gè)單色器的出射狹縫, 又是第二個(gè)單色器的入射狹縫。兩個(gè)單色器的連接有兩種方式: 一種是兩個(gè)單色器的色散相加; 另一種是兩個(gè)單色器的色散相減。
    如何判斷雙單色器中兩個(gè)單色器的色散是相加還是相減? 可用下述簡(jiǎn)單方法: 假設(shè)一路光束從第一個(gè)單色器的入射狹縫進(jìn)入, 另外一路光束從第二個(gè)單色器的出射狹縫進(jìn)入, 兩路光束聚焦成像在中間狹縫平面上, 如果兩路光束形成的長(zhǎng)波光線及短波光線位置都相同, 則為色散相減系統(tǒng); 如果所形成的長(zhǎng)波光線及短波光線位置相反, 則為色散相加系統(tǒng)。