单色仪及其在光谱仪中的作用

光谱仪是研究许多生物和化学过程和物质的重要工具，从颜料到植物生长，从核酸到药物，根据其光学特性提供有关分析物的信息。摄谱仪本质上是一种机器，它将光分离成特定的波长，然后使用阵列探测器立即检测和记录，¹例如电荷耦合器件(CCD)。²光谱仪的第一个处理步骤是分离入射光，这是由单色仪完成的。本文介绍了单色仪是什么，它是如何工作的，不同类型的单色仪，单色仪的用途以及它们在光谱仪中的作用。

单色仪是一种从给定光源中分离不同波长光的设备。主要部件通常包括一个入口狭缝，镜子和一个光分散器。^3.棱镜或光栅常被用作光分散器。^3.大多数单色仪都有一个出口狭缝，分离的光在那里离开设备，但光谱仪中使用的单色仪有一个阵列探测器，通常是CCD，取代出口狭缝，一次捕获一系列波长的数据，从而产生实时数据。²

当光线沿平行方向传播时，它通常被称为准直光，当它们处于这种形式时，光线可以被控制。^3.在单色仪中，入射光线通常使用反射镜进行准直，散射并对准探测器。实现该设置有不同的方法，这超出了本文的范围，但在这里我们将重点介绍最常见的形式，即Czerny - Turner排列(图1)。

在车尔尼-特纳结构中，有两个凹面镜和一个衍射光栅。光线进入单色仪的入口狭缝(图1B)，并旅行到第一个凹面镜(图1C)，使光线对齐，使它们平行旅行。平行光线然后到达衍射光栅，然后以不同的角度弯曲不同波长的光(图1D)。然后，光线到达第二个凹面镜，将不同波长的光聚焦在不同的点上(图1E)。旋转光栅(图1D)控制随后传递到CCD探测器的光波长范围(图1F)。^3.

图1: Czerny-Turner单色仪的原理图，显示了从光源到检测的组成部分和光的路径。资料来源:科技网188金宝搏备用络。

设计用于比色分析中吸光度测量的光学仪器通常只有一个单色仪。然而，在一台仪器中使用多个单色仪正变得越来越普遍，以实现更准确的高吸光度测量。双单色仪设置通常用于高质量的分光光度计，其中两个单色仪串联工作，排列在串联(图2A)。使用双单色仪可以提高分辨率，^6-8但会导致到达探测器的光强度变弱。离开第一个单色仪的光进入第二个单色仪，以帮助去除波长不理想的光，通常称为杂散光。^3.

如果光学器件没有完全密封，那么总是会出现一些杂散光，这些杂散光可能来自单色仪内部不希望看到的衍射或散射，也可能来自环境。当测量非常高的吸光度值或来自样品的非常微弱的荧光发射时，杂散光是有问题的，因为到达探测器的大部分光将是杂散光。^3.

常规的单色仪可以被修饰成双色仪⁶或多重单色。^{7- - - - - -9}简单地说，单色仪是这样构造的，在到达探测器之前，使用一对相互成直角的镜子将光反射回光分散器。^6，7，9如果光被分散两次，类似于光通过单色仪两次，那么它的行为就像一个双单色仪。同样的方法已经实现，以有效地模拟四重单色仪，其中光通过光分散器四次，从而获得更好的分辨率和更少的杂散光。⁷

从技术上讲，四重单色仪可以让光通过同一单色仪四次，⁷这类似于让光通过串联的四个单色器，但这不是这个术语通常的意思。四重单色器通常是指使用两个双单色器的设置，在荧光研究中很受欢迎(图2B)。在这种安排中，一个双单色仪首先用于选择一个狭窄的波长范围来激发荧光样品，另一个双单色仪用于选择发射光的波长范围。减少荧光研究中的杂散光是必要的，因为荧光样品发出的弱光强度与杂散光的光强度竞争。

有时，双单色仪可被称为双单色仪系统，但双单色仪系统通常不是双单色仪。例如，测量荧光的光学仪器称为荧光计，有两个单色器:一个用于选择激发或吸收波长，另一个单独用于选择发射波长(图2C)。

图2: (A)， (B)和(C)分别代表不同的摄谱仪设计。已知的双单色仪排列原理图(a) 与使用单一单色仪相比，提高分辨率并显著减少杂散光。 ^{7 ， 8} 一个典型的四重单色器配置(B)包括一对双单色器，通常用于高分辨率荧光研究和一个常见的双单色器配置，用于荧光分析(C)。彩色箭头从概念上说明了光的分离，从彩虹箭头从光源开始，然后在每个通过单色器后提取特定波长。注意图中表示的MC是单色仪的缩写。假设样品正在使用分光计设计进行检测，其中(a)用于典型的吸光度测量，(B)和(C)用于荧光。资料来源:科技网188金宝搏备用络。

不同类型的单色器可以根据光在它们内部的分散情况进行分类，其中棱镜和光栅是最常见的。

棱镜单色仪

顾名思义，棱镜单色仪使用棱镜来分散光线。棱镜依赖于折射率的差异，这意味着光在穿过棱镜材料时速度会发生变化。因此，白光的颜色也会相应地分裂。例如，在玻璃棱镜中，蓝光比红光更慢、更弯曲。

棱镜有时可能天生就有某些物质上的缺点。例如，由氯化钠或氯化钾制成的棱镜材料可以用于红外光谱分析，¹⁰但随着时间的推移，由于从空气中吸收水分，两者的棱镜特性都会退化。用于红外分析的蓝宝石棱镜¹⁰会是更好的替代品，但通常很贵。另一个例子是，玻璃棱镜不用于检测紫外线(UV)范围内的波长，因为玻璃吸收紫外线。¹⁰相反，石英棱镜是必要的，以检查紫外光谱。¹⁰

棱镜单色器通常首选在紫外范围内工作，但在实践中，大多数单色器今天使用光栅。

光栅单色仪，包括切尔尼-特纳单色仪

光栅是目前单色仪中最常用的色散元件。单色仪中可以包含多个光栅，在单个仪器的波长范围内提供不同的选择性。这是有用的，因为每个通常工作在特定的波长范围和某些应用。^3.

光栅是一种光学元件，它具有规则的、均匀间隔的凹槽，通常在另一种材料上放置一层反射涂层。到达光栅的光可以以不同的角度反射，当光反射时，每个槽都充当光源。^3.闪耀光栅，也称为梯队光栅，是一种专门设计的光栅，在特定波长的光下工作最好。用于检测红外范围(波长较长)的光栅在凹槽之间的间距要宽得多，而用于检测紫外范围(波长较短)的光栅在凹槽之间的间距要小得多。

从光栅中散射出来的反射光在相位差时发生建设性干涉，在相位差或相位差时发生破坏性干涉。^3.如预期的那样，反射光干扰破坏性地降低光强，但是a所有光栅固有的缺点是导致干扰顺序重叠．例如，二阶波长为300纳米的光将与一阶波长为600纳米的光重叠，因此CCD探测器将同时识别这两种波长。序重叠是不可取的，可以通过增加滤波器、串联的第二个单色仪或额外的光栅来消除。

单色器中的大多数光栅都是高质量原始光栅的复制品，也称为母光栅。^11，12与直接生产主光栅用于单色仪不同，使用模具创建主光栅的副本显著降低了生产成本，并简化了光栅的大规模生产。

高质量的光栅具有最小的表面缺陷，这可能导致杂散光，¹³从而提供高分辨率。传统上，高分辨率衍射光栅是规则的，但光栅全息产生较少的杂散光。¹³当讨论衍射光栅的分辨率，更高或更好的分辨率是指可以分辨的光的波长差异变得更小，这意味着可以看到更多的细节。^3.光栅中沟槽越多，分辨率越高。^3.例如，低成本项目可能使用光盘(CD)或数字万能盘(DVD)作为衍射光栅，DVD比CD有更多的凹槽，因此提供更好的分辨率。¹⁴

减小光栅上的凹槽间距可以提高色散(光的波长分离和扩散的容易程度)和分辨率。^3.在单色仪中，光栅的平滑旋转将产生波长的线性变化。当使用光栅时，光的色散是线性的，这与棱镜相比是一个很大的优势，因为棱镜具有非线性的光色散。这反过来又简化了数据处理、分析和解释。

总的来说，光栅单色仪，特别是Czerny-Turner单色仪设计，是最常用的。在这个视频中，M. Leandro Heien在三分钟内解释了czerney - turner单色仪的基本功能。¹⁵

表1中列出了与棱镜单色仪相比的优点和缺点的总结。

表1:比较了在单色仪中使用反射衍射光栅和棱镜散射光的优缺点。条目大胆的更有优势。

	反射衍射光栅	棱镜
分散法	衍射	折射
传输效率	整体效率较低 (由于光线分散到几个方向)	效率高
低光强情况	更糟糕的是	更好的
分散	线性	非线性
光谱分辨率	更好的整体	总体上较差，但紫外线较好
分散度的温度依赖性	低 (变形)	高 (折射率变化)
顺序重叠	是的	没有一个
杂散光	更多的	少
重量	更轻的	重
总成本	少	更多的

单色仪在需要时用于控制光的波长，例如在光谱分析技术中。通常使用单色仪的例子包括:

• 紫外可见(UV-Vis)光谱学
• 原子吸收光谱学
• 荧光光谱
• 拉曼光谱
• 圆二色光谱

单色仪可能最常用于UV - Vis吸收光谱学，样本类型包括蛋白质，药品对饮料、DNA和RNA进行分析。¹⁶

在决定是否使用棱镜或衍射光栅时，最好记住特定的应用。如果在低光条件下需要高灵敏度的高信噪比，则应使用棱镜单色仪。高效的光传输通常产生高灵敏度;棱镜通常比衍射光栅有更高的效率。¹⁷这对于涉及低强度光实验的情况很重要，例如使用可见分光光度法测量深颜色样品的吸光度或使用荧光法测量微弱荧光样品。

在绝大多数现代光谱仪中，衍射光栅存在于单色仪中以分散光。快速吸光度测量有特定的用途，特别是在分析DNA、RNA、药物和染料方面的应用。¹⁶这些测量通常使用微型板读取器完成，可以使用双单色光谱仪进行数百或数千次快速测量。此外，微孔板阅读器还可以使用四重单色仪进行快速、高分辨率的荧光测量。当需要进行多次快速分光光度测量或分析时，光谱仪是首选。

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