【文章內(nèi)容簡介】 2022/2/16 紫外－可見分光光度計(jì) (UVVIS Spectrophotometer ) 2022/2/16 1. 光源 ? 對(duì)光源的主要要求： 在儀器操作所需的光譜區(qū)域內(nèi) ， 能發(fā)射連續(xù)的 、 穩(wěn)定的 、具有足夠強(qiáng)度的輻射 ， 且輻射能隨波長的變化盡可能小 ， 使用壽命長 ? 紫外及可見區(qū)的 輻射光源： 白熾光源、氣體放電光源和激光光源 2022/2/16 白熾光源 ? 在可見和近紅外光區(qū)的常用光源 ? 鎢燈的使用范圍 320~2500nm ? 碘鎢燈與鎢燈相比 ， 碘鎢燈具有更大的發(fā)射強(qiáng)度和更長的使用壽命 ， 是近代分光光度計(jì)中廣泛使用的光源 2022/2/16 ? 輻射能量與施加的外加電壓有關(guān)，在可見光區(qū)，輻射的能量與工作電壓的 4次方成正比 ? 光電流也與燈絲電壓的 n次方 (n＞ 1)成正比 ? 使用時(shí)必須嚴(yán)格控制燈絲電壓，必要時(shí)須配備穩(wěn)壓裝置，以保證光源的穩(wěn)定 2022/2/16 氣體放電光源 ? 氫燈 、 氘燈和氙燈以及空心陰極燈光源等 ? 可使用的波長范圍為 160～ 375nm， 由于受石英窗吸收的限制 ， 通常紫外光區(qū)波長的有效范圍一般為 200～ 375nm ? 燈內(nèi)氫氣壓力為 100Pa時(shí) ， 用穩(wěn)壓電源供電 ， 放電十分穩(wěn)定 ， 且光強(qiáng)度恒定 2022/2/16 激光光源 ? 根據(jù)可以產(chǎn)生受激輻射的工作物質(zhì)的物態(tài)特性分為氣體、固體、半導(dǎo)體和液體激光器 2022/2/16 2. 波長選擇器 ? 波長選擇器：濾光片和借助棱鏡或衍射光柵的幾何色散 2022/2/16 濾光片 ? 濾光片是一種簡單而廉價(jià)的波長選擇器 ，其作用是選擇性地透過一定波長范圍的光 ? 濾光片有吸收濾光片和干涉濾光片 ， 前者僅限于可見光譜區(qū) ， 后者可用于紫外 、可見和紅外輻射 2022/2/16 單色儀 ? 棱鏡、光柵和聲光可調(diào)濾波器 2022/2/16 ? 吸收池用于盛放分析的試樣溶液，讓入射光束通過 ? 吸收池一般由玻璃和石英兩種材料做成，玻璃池只能用于可見光區(qū)，石英池可用于可見光區(qū)及紫外光區(qū) ? 吸收池的大小規(guī)格從幾毫米到幾厘米不等，最常用的是 1厘米的吸收池 ? 為減少光的反射損失，吸收池的光學(xué)面必須嚴(yán)格垂直于光束方向 2022/2/16 吸收池的形狀 2022/2/16 ? 在精度分析測(cè)定中（紫外光區(qū)尤其重要），吸收池要挑選配對(duì)，使它們的性能基本一致，因?yàn)槲粘夭牧媳旧砑肮鈱W(xué)面的光學(xué)特性、以及吸收池光程長度的精確性等對(duì)吸光度的測(cè)量結(jié)果都有直接影響 2022/2/16 4. 光電轉(zhuǎn)換器 I . 定義 光電轉(zhuǎn)換器是將光輻射轉(zhuǎn)化為可以測(cè)量的電信號(hào)的器件。 S = kP + kd = kP k:校正靈敏度； P： 輻射功率； kd: 暗電流（可通過線路補(bǔ)償，使為 0） II. 理想的光電轉(zhuǎn)換器要求 靈敏度高； S/N大；暗電流??； 響應(yīng)快且在寬的波段內(nèi)響應(yīng)恒定 2022/2/16 C ） 光電轉(zhuǎn)換器種類 及 應(yīng) 用 波 段 檢測(cè)器種類 檢測(cè)器 應(yīng)用波段 早期檢測(cè)器 人眼 ( V i s) ， 相板及照像膠片 ( U V V i s) UV V is 硒光電池 （ Ph ot ovo l t ai c ce l l , 光伏管 ） 350 ( 500 )m ax 750 nm 真空光電管 （ V acuum phot ot ube ） 據(jù)光敏材料而定 光電倍增管 （ Ph ot om ul t i pl i er t ube ） i bi d 光電轉(zhuǎn)換器( phot o t rans ducer) 硅二極管 （ Si l i con di ode ） 190 1 100nm 光二極管陣列 （ Ph ot odi ode ar ray , PD A ） 多通道轉(zhuǎn)換器( Mul t i channel t rans ducer) 電荷轉(zhuǎn)移器件 C harge t rans f er devi ce, C TD ： 電荷注入器件 ( C harge i nj ect i on devi ce, C ID ) 電荷耦合器件 ( C harge coupl ed devi ce, C C D ) 電導(dǎo)檢測(cè)器 電導(dǎo)檢測(cè)器 （ Ph ot oco ndu ct i vi t y ） ； UV V is 熱電偶 （ T herm oco upl e ） 輻射熱計(jì) （ Bol om et er ） 熱 檢測(cè)器( Th erm al t rans ducer) 熱釋電 （ Pyr oel ect ri c t rans ducer ） IR 2022/2/16 硒光電池 + Se Fe(Cu) h? 玻璃 Ag(Au)透明膜 收集極 塑 料 (當(dāng)外電阻 400?， i =10100?A) 優(yōu)點(diǎn)： 光電流直接正比于輻射能 使用方便 、 便于攜帶 （ 耐用 、 成本低 ） 缺點(diǎn)： 電阻小 ， 電流不易放大；響應(yīng)較慢 只在高強(qiáng)度輻射區(qū)較靈敏 長時(shí)間使用后 ， 有 “ 疲勞 ” (fatigue)現(xiàn)象 2022/2/16 真空光電管 90V DC 直流放大 陰極 R + 光束 e 陽極絲（ Ni） 抽真空 陰極表面可涂漬不同光敏物質(zhì)：高靈敏 (K,Cs,Sb其中二者 )、 紅光敏 (Na/K/Cs/Sb, Ag/O/Cs)、 紫外光敏 、 平坦響應(yīng)(Ga/As， 響應(yīng)受波長影響小 )。 產(chǎn)生的光電流約為硒光電池的1/10 優(yōu)點(diǎn)： 阻抗大 ， 電流易放大；響應(yīng)快；應(yīng)用廣 缺點(diǎn)： 有微小暗電流 （ Dark current， 40K的放射線激發(fā) ） 2022/2/16 光電倍增管 （ photomultiplier tube, PMT） 石英套 光束 1個(gè)光子產(chǎn)生 106~107個(gè)電子 柵極， Grill 陽極 屏蔽 光電倍增管示意圖 共有 9個(gè)打拿極 (dynatron)， 所加直流電壓共為 90?10V 2022/2/16 900V dc 90V 1 2 3 4 5 6 7 8 9 陽極 陰極 石英封 讀出裝置 R 光電倍增管（ PMT） 電路圖 優(yōu)點(diǎn)： 高靈敏度；響應(yīng)快；適于弱光測(cè)定 ， 甚至對(duì)單一光子均可響應(yīng) 缺點(diǎn)： 熱發(fā)射強(qiáng) ， 因此暗電流大 ， 需冷卻 （ 30oC)。 不得置于強(qiáng)光 (如日光 )下 ， 否則會(huì)永久損壞 PMT！ 2022/2/16 硅二極管 p 區(qū) n 區(qū) pn 結(jié) p 區(qū) n 區(qū) (反向偏置 ) 耗盡層 空穴 電子 ? 反向偏值 —耗盡層 (depletion layer)—pn結(jié)電導(dǎo)趨于 0 (i=0)； ? 光照 —耗盡層中形成空穴和電子 —空穴移向 p區(qū)并湮滅 —外 加電壓對(duì) pn―電容器 ” 充電 —產(chǎn)生充電電流信號(hào) (i?0) 特點(diǎn)： 靈敏度介于真空管和倍增管之間 2022/2/16 光電二極管陣列， photodiode array(PDA) SiO2窗 p 型硅 n 型硅基 p n p n p n p n p n p n 側(cè)視 (cross section) 頂視 (top view) 光束 說明： i. 在一個(gè)硅片上 ， 許多 pn 結(jié)以 一維線性排列 ， 構(gòu)成 “ 陣列 ” ； ii. 每個(gè) pn 結(jié)或元 （ element， 644096個(gè) ） 相當(dāng)于一個(gè)硅二極管檢測(cè)器； iii. 硅片上布有集成線路 ， 使每個(gè) pn 結(jié)相當(dāng)于一個(gè)獨(dú)立的光電轉(zhuǎn)換器； iv. 硅片上置于分光器焦面上 ， 經(jīng)色散的不同波長的光分別被轉(zhuǎn)換形成電信號(hào)； v. 實(shí)現(xiàn)多波長或多目標(biāo) 同時(shí) （ simultaneously） 檢測(cè) 。 PDA在靈敏度 、 線性范圍和 S/N方面不如光電倍增管 。 應(yīng)用較少 2022/2/16 電荷轉(zhuǎn)移器件 , CTD SiO2絕緣體 摻雜 n區(qū) 襯基 5V 10V 電極 h? CTD側(cè)視圖（一個(gè)電荷轉(zhuǎn)移單元或像素） 光子 —空穴 —空穴聚集 （ 金屬 SiO2電容 ) a行轉(zhuǎn)換器單元 ?b個(gè)檢測(cè)單元 /行 = a ? b個(gè)像素 = 二維排列于一片硅片上； 類似膠片上的信息存貯 測(cè)量兩電極間電壓變化 —CID 使電荷移至電荷放大器并測(cè)量 —CCD 2022/2/16 襯基 5V 10V h? 5V 10V e v1 n型 Si 襯基 5V 10V +5V +10V 襯基 5V 10V 10V v1 n型 Si n型 Si v2 襯基 5V 10V +10V n型 Si 電 荷 形 成 并 聚 集 測(cè) 量 V1 測(cè) 量 V2 電 荷重新注入 CID 破壞性讀出 2022/2/16 CCD 512 320 320?512 pixel 高速寄存器 ?1 ?2 ?3 三相時(shí)鐘輸出 （存貯） h? 金屬基電極 (electrode) SiO2絕緣體 (insulator) p型硅 勢(shì)阱 (potential well) Onchip preamp 1 2 3 4 2022/2/16 CCD光電轉(zhuǎn)換 2022/2/16 C TD C ID CCD N 型硅半導(dǎo)體 P 型硅半導(dǎo)體 雙電極 三電極 結(jié) 構(gòu) 反向偏置電容 正向偏置電容 收集并聚集空穴 收集并聚集電子 電子移向 n 層 空穴移向 p 層 電荷形成、聚集及遷移過程 改變雙電極電位使空穴移動(dòng)，從而測(cè)量光致電位差 以三相時(shí)鐘步進(jìn)方式使電荷移至高速存貯器 ( 逐行掃描 ) 對(duì)弱光靈敏性較差 對(duì)弱光更靈敏 光致信號(hào) 測(cè)量方式 可在電荷積聚過程中連續(xù)測(cè)量 電荷被移至放大器進(jìn)行測(cè)量 CID與 CCD之比較 與 PDA相比 ， CTD最大的優(yōu)勢(shì)在于其二維特性