光学多道分析仪及其应用_林美荣

1、光学多道分析仪及其应用 林美荣 南开大 学 物 理 系)( 探测器1970年首先提 出中 阶梯光学 多道分析仪是 七十年代发展起 来的一argo she s,.,M 光栅光谱仪 与电视型探侧器联用的方案它构种光谱 同时探测仪器光谱信息的获取通常有,.两种方式一是对感兴趣 的波段进行依次 扫成光学 多道分析仪(简称)的雏型.:197 2OMA 美国普林斯顿应用研究公司(年)投人描二是对该波段进行 同时探侧前者是以出,P ARC., 市场 的1型光学多道分析 仪是最早的商一一光电倍增管组合的方法为代表后者则是 以缝OMA,光谱 干板的应用最为广泛但是这种 同时探测品 化电视型检测光谱仪器197 7

2、年该公司采.,器的灵敏度低转换特性一般不呈线性 ( 即乳剂型微计算机控制的型光学一2用L S I一1 1,OMA特性其准确度 和精密度也很 差多道分析仪是第二代商品 化仪 器它 使了等波长,OMAl)定标比较 麻烦而且所收集到的光谱信息只的性能得到很大的改善随后仪 器得.,OMA有 在感光板显影 后才能证实其有效性因此常到迅速的发展这种测试方法也越来越受到光,常会失去非常宝贵且难以重复的 实验数据谱学工作者的注意近年来被广泛地应用于物、.,为了同时探测全 波段光谱近二十年发 展了两化学生物 等各学科领域的研究工作中、理.,种侧试技术一 种是多路探测技术即阿达玛,:变换和 傅 里 叶(F)变换光

3、光电图象探测器的工作原理aao u rierard)dHm(谱 法这 种方法在理论上和实验上都已成熟.,并已有商品化仪器但它 的同时性优点 仅在红光学多道分析仪的核心部分是光 电图象探,外波段得以实现在可 见一紫外一近 红外等波段测器( o I是 由三个基本部分 构 成,:.DDO I)只能部分地 实现另一种是多通道探测 技术.一是将光 的图象转换成电模拟 图象的换能 器,平行探 测法”)它是将探测器阵 列置于多二是存贮这种电象的装置三是视频读出(即孙潜“.,色仪的焦平 面上以 同时获取被色散的所有辐机构后者用来再现存贮象和 实时地把它传输,.射早期 是使用光电倍增管阵列作 为平行光电到显示

4、监视器上或 经/D转换器以数字形.,A 式存贮 在记忆单元中以备进一步进行数据处探侧器这种方法 的典型例子是光 电直读光谱,. 理与控制以最常见的硅摄象管(简 称)为仪(亦 称光量计)但 由于该方法调整困难.相s v.,邻待测谱线间隔不能太小出缝数目受到限制例它的核心部分是一块单片硅晶板上面生长,成本又高因此难 以满足多谱线同时快速观 测有几万 个半导 体二极管结 的微型阵列所有二,. 极管共用一个阴极但各 有独立的阳极扫描以及时 间分辨光谱探测的需 要,. (读出)电子束 对阳极进行 选择寻址这 些二极近十 年来由于电视摄象技术已臻成熟.所,有的电视探测器或更一般地说所有光电图象管的功能是当

5、它们受 到紫外到近 红外的光子,探测器(简称包 括电子束摄象管分流照射时产生和存贮电子一空穴对从而引起二,0 1D)直象管硅或氧化铅氯化钾摄象管以及各种极管上的预存贮电荷减少当电子束对靶面倒、., 空区域扫描 时则有再充电电流流过该电流固体图象器 (如 自扫描光二 极管阵列电荷藕合.、, 的大小 正比于倒空 电荷同样正比于 电子空穴一和电荷注人器 件等)都可作 为多通道平行 光子,物理对的密度因此也正 比于人射到每个光电二极谱波 段进行 同时探 测这种特 性或者使 测量的., 信噪 比得到有效 的改善或者使测量所需的观管上的光子(或光电子)的数目,.的图象分辨率(和光谱分 辨率)受扫描测时 间

6、大大减小.,Sv电子束直径 限制典型 的为的读 出噪25产m.,Sv声大 约为个电子均方根值在每个可分辨光学多道分析仪及其功能,二、2 00 0的单元 里能够探测的 最小信号为 几千个光子数量级为了探测单个光电子硅摄 象管上要加一现以的光学 多道分析仪 为.,E G&GP A Rc个象增强器构成 硅增强靶摄 象管( sr ri Vi d例介绍仪器结构及一般功能1是该公司生-图,.它有一个能将光子象转换为相 应的光电产的系统的方框 图该仪器是 为了一2.n.c o)OMA子象的光阴极(转换器)所产 生的电子象被与配合使用而专门 设计的如 图所示,.,O ID的电场 加速并且聚焦在硅靶上它包括多色

7、仪电视 型探测器多通 道探测控因、7一gkv.,为在靶上产 生的电子一空 穴对的数目正比于 人制仪控 制台高压脉冲发 生器它可与一一Y、.X射电子的电位因此一 般可达的 内增益记录仪打 印机联用并能与另一台计 算机联机、.,150 0这样大的增 益使信 号与读出噪声相比得到有使用,。效地加强从而能探测到很弱的信 号如果需多色 仪是将人 射光经光栅 (或其它色散元,.要进一步提高增益可以再附 加一级象增 强器件 )产生光谱 并成象于 多色仪的焦平面上.,1254称作增强的硅增强靶探测器它 可 以型(或1 420型)电视型探测器的靶面置于多色,IT(I S)实现对单个光电子进行探测硅摄象管是 一种

8、仪的焦平面上它能把 光子象精确地转换为电.,面阵列可做二 维运转子象1 21 6型(或12 18型) 多通道探测控制仪.,.目前广泛使用的 自扫描 光 敏 二 极 管 阵 列通过微型计算机 操作在输人已编程 序的指令,是一种硅单片集 成电路它是将一.,后使探测器执行仪器所 规定的各种功能以满Re ti co n,()个热电致冷的非增 强型光 电二极 管阵列通过光足采集及处理数据的需要1215型控制 台 是.学纤维与一个微通道 板增强 器祸 合在一起的 器由大规模集成电路 的型微 处理机以 及LS卜1 1件这种探测器的内增益优于可做 单.2xl0 ,存贮 器接口等组成 的微型计算机上 面备有、.

9、光电子检测这种阵列与前 者相比其性能更为8 4个键的键盘通 过它进行 人机对话执行已.,优越它具有性能 稳定光谱响应 宽响应时间、编程 序的各种仪器功能高压脉冲发生器是选,.滞后效应小便于冷 却抗光损伤阐值高等、快通 运转时制动探测器门的 装置系统采集 的数.优点是目前性能 最好的一种线性阵 列 器件.,据 可通过记 录仪绘 图仪 以及打印机 输一Y、x它 的缺点是仅能一 维运转关 于它性能的 详细出此外联用的波形监视 器用以观察电子 枪.,.讨论 可参阅文献【.在 靶面上扫描的 栅格视频图象以及监视 扫描以21与单通道光谱 探测器相比光电图象探测防止突然中断造成 对靶面的 损坏,.器具有同时

10、性好的优点它可以 对相当宽的光,12 1 5型 微型计算机采用型 软盘通“”,H 多多色仪仪仪一1215 5 5 5 5XY Y Y 控控控控制台台台记录仪仪 - - - - X - - Y- - Z Z Z波波形监视器器 一图1系统方框图OMA2 1呼卷峪期过键盘 输人指令可执行多达7 0种功能其 中用冷 却的探测器以不 同的积累时间测Rc t正o n.,包括:基 本操作运转功能2 8个(如系统的启量的氖空心阴极灯的光谱2(b)与) 相图.a(显示方式扫描参数的选择数据的采集以、动、积 累时间增加了倍从图2结果可 见比,.,12 8及 中断方式等)扫描方式五个定时方式九个,T读 出技术具有

11、非凡的分析潜力随着积.v i此外还有2 8个特殊功 能以供运转方式的选择、累时间 的逐渐增加弱谱线以极 好的信噪比显,数据处理存 贮输出的需要系统通过、示 出来.OMA.计算机 控制可迅速简便地完成光谱研究中所需要的操作如背景和空 白的消减各个通道光谱、光学多道分析仪在光谱学三,、响应的枝 正通过消卷积 提取光谱信息光谱数、中的应用据的 平滑与求导光 源起 伏的补偿 以及二维光、谱的获取等等同时它 的二维运转 及选通运.,光学多道分析仪具有传统光谱千板探测的转为研究瞬态光谱提供 了理想的探测手段同时 性及象存贮能力又有 出缝一光电倍增管组.,特别 值得 指 出 的 是 它 的 可 变 积 累

12、时 间合的 光电读出特点由于它们的精确几何定位。(v lT)读出方式常 规的单通道光谱 探测方法性 能即光谱与 空间(通道的位置)的变换积分.,是一种利用恒定能量信 号的 探测技术例 如习“存贮能力以及二维特性使O ID特 别适合于计,扫描时通过改变缝宽或改变放大器增益使得算机 数据处理技术因此采用这种探测技术,.,在整个光谱 窗口内保持有恒 定的灵敏度但这可以获 取某些用传统 的光谱手段无法得到的 光.种方法在测量弱信号时总是 导致或 牺牲谱 线谱信息下 面用几个 典型实例来说 明系.,OMA的 分辨率或降低信噪比而光 电图象探测器统在光谱学研究中的应用.,.是一种平行探测器它同时探测整个光

13、谱窗口发射及吸收光谱.,.1又由于它的积累和存贮能力因此可利用信噪光学多道分析仪首先被广泛应 用 于 原 子、,比恒定和分辨率 恒定的 光谱探测技术即v I分子 的 吸 收和发 射光谱 分析中啼因为一l日.,T读出方式技术的 运转原理是基 于不论光是一种键控仪器因此能很容易地从每个.T,OMAV I谱的实时 强度是多少都可通过可变积累时间已得到的光谱中减去背景光谱和 空白光谱而,将它们 提高到最佳的强 度 (其上限由1 4位得到真实的待分析光谱是由感 应藕合3们图.A/D转换器所限定)从而在 整个光谱窗口内对强弱等离子体获得 的被的发射光谱其中()是浓,。. 度 为/l的被溶液的发 射光谱溶剂

14、为1并硝1产g不 等的谱线能以同样精度进行 测量图是,3 .2 酸(b)是1多硝 酸溶液的发射 光谱( c )是。.;5名. 52 .07459、5所得的差光谱即 为被的发射光 谱一。b,OMA:可 对多元素进行 快速分析采用信号平均.OMA 技术可对低浓度的火焰发射进 行检测也就是., 03:。弼司58乓l 怜绷可 以通 过增加帧 扫描次数将连续扫描 的结果, 在记忆单 元中 累加从而有效地 提高信噪比为., 此 在用于火焰发射的 同时多元素 分析时不 受, 共振线的 限制这样就 可在同一光谱窗口内同. 时检测多种元素图象探测器 曾对 1 7种用s l.T 元素迸行同时分析由于是一 种高灵5

15、,.OMA 敏度的 同时探测仪器因此也较早地应用于 多, 元 素的痕量 分析6 ,.7,图2冷却阵列积累性能的 比较 此外硅 摄象管的二维运 转特性使,OMA.dl,).3:1 85;()02 5(物理探测器的视频荧光计获得的4山是用具有ls I T侧刃O 六 种成分的多环芳香烃(混合物 的匆浏PAH) 其中 (的等强度线图是).,aEEMEEb)M(八O孟通0 00 0 的等比例三维谱图轴表示发 射波是。EEMx 长(通道)轴表示激发波长(通道)轴表示,zY嘴下茄硫广赢戈淤偏20 强度。 通道数侧士锁翻料报睿睿睿用侧绷侧 通 道数 发射通道 翻通道教思 9任253一622 3一43一5.,3

16、10.163 12100 43 07 护X图3被的发射光谱发射通遭(波长减a ( )浓度为/l的被的发射光谱溶液为1%硝酸;1拌g,1肠 硝酸溶液的发射光谱;(O从(a )光谱减去(b)图峪(b) 光谱得到的差光谱六种成分混合物的E EM等强度线;pA H( a) ( b)混合物EEM的等比例三维谱.做荧光分析时 可获取样 品 的激发一发 射矩阵)形式的二维谱 图激发样品 的光沿多2时 间分拼光谁.EEM( 也是研究时间分辨光谱的 理 想探测色仪人 射缝纵向 色散发射光谱垂直于人射缝,DO I横向色散那么最 终在探测器靶面 上接收的是器件秒至毫秒时间域的时间分辨光 谱可直接.,一个二维谱图水

17、平方向表示的是发射光谱采用的扫描机构来完成硅光 导摄象管。JD., 可在1 0m内完成通道的全扫描自扫描二垂直方向表示的是激发 光谱对于一个固定的,:50 0. 极管阵列在1 6内可完成所有通道的全纵坐标 上沿水平轴的荧光光谱表示某一特定m:102 4, 扫描同时可利用快速存取技术将不包含“激发波长的荧光 发射光谱而对于 固定的横坐”.,. 有关信 息的通道以每通道的速率跳过,脚标上沿垂直轴的光 谱则表示某一固定荧光波,. 0, 还可通过分组程序将 相邻通道相 加并存人“长上被 监视的激发 光谱同时可将所得到的图,.象存贮 在计算机中或通过示波 器显示 出来记亿 中一次读 出因此应用快速存取和

18、 分组使.,用常 规仪器仅能 同时获得单一 激发波长的荧光处理可在时间 分辨与光谱分辨之间作有益的,谱 图采 用光电图象探测器则可在同一时 刻折 衷在 液相化学反应的研究以 及在液。.,OMA获 得样品的整个光谱这些 工作借助于微计算相色谱 中的 应用就是在这一时间域内时 间分,.机仅在几 分钟 内即可完 成迅速而 明显地显示辨光谱 应用的实例对于微秒至毫微秒量级的。,出不同激发波长荧光光谱 的变 化以及 定 量 特时间分 辨光谱则可利用的 选通运转来,01D这将为荧光 分析提供 更为有效的手段图征实现对于的探测器.及,n.Vidic oSI TISIT 4卷4期选通运转的 最小时 间 分 辨

19、 为 04s时 间域的时 间分 辨光谱e Ri c to n探.,n 空间分辨光诺。测器的最 小时间分 辨为利用选通运转还n 。.3s 系统作为空间 图象装置可 以在给定,可有效地抑 制强光背景为了得到一 次闪光完OMA。 的光谱带内记录发光 粒子光场的空 间分布例整过程的时 间分辨信 息可采用转动 光学狭缝., 如 iAd el n z等人研究 了火焰中基 的 激 光圆盘法圆盘置于多色仪人 射缝前圆盘转动0 )oH., 诱导荧光 的空间分布激 发的激光束(几.时将多色 仪人射缝沿 缝高方向分割成若干 等28 29, 入)通过 透镜 会聚于火 焰的某一高度上而,延迟的时间间隔区域从而在S IT或I SI T的靶oH, 的诱导荧光将经另一透镜 成象于阵列探测器的面上沿垂 直方向的不 同高度探测到不同时刻的 靶面上通过调节 火焰高度可获得 对应于不光谱信息并利用同步选通以避免双重曝光用., 同火焰 高度的诱导荧光 的分布所得 结果以相这样的装置 成功地研究了闪光光解 等 中等时间. 同比 例画在笛卡尔坐标 系中