光谱分析仪器是进行光谱分析的仪器设备，主要由光源、分光系（光谱仪）及观测系统三部分组成。

一、光源

光源的作用：首先，把试样中的组分蒸发离解为气态原子，然后使这些气态原子激发，使之产生特征光谱。因此光源的主要作用是提供试样蒸发、原子化和激发所需的能量。

常用光源类型：目前常用的光源有直流电弧、交流电弧、电火花及电感耦合高频等离子体（ICP）。

1、直流电弧

基本电路如图7-1所示：

利用直流电作为激发能源。常用电压为150～380V，电流为5～30A。可变电阻（称作镇流电阻）用以稳定和调节电流的大小，电感（有铁心）用来减小电流的波动。G为放电间隙。点弧时，先将G的两个电极接触使之通电，由于通电时接触点的电阻很大而发热，点燃电弧。然后将两电极拉开，使之相距4～6mm。此时，炽热阴极尖端就会发射出热的电子流，热电子流在电场的作用下，以很大的速度奔向G的阳极，当阳极受到高速电子的轰击时，产生高热，使试样物质从电极表面蒸发出来，变成蒸气，蒸发的原子因与电子碰撞，电离成正离子，并以高速运动冲击阴极。于是，电子、原子、离子在分析间隙互相碰撞，交换能量，引起试样原子激发，发射出光谱线。

①.特点：a.电极温度，阳极温度（蒸发温度）可达3800K，阴极温度＜3000K，电极头（阳极）温度高（与其它光源比较），蒸发能力强，分析的绝对灵敏度高，适用于难挥发试样的分析；b.电弧温度（激发温度），一般可达4000～7000K，激发温度不高，尚难以激发电离电位高的元素。

②.缺点：a.放电不稳定，弧光游移不定，再现性差；b.弧层较厚，自吸现象严重。

2、交流电弧

高压电弧工作电压达2000～4000V，可以利用高电压把弧隙击穿而燃烧，低压交流电弧工作电压一般为110～220V（应用较多，设备简单安全），必须采用高频引燃装置引燃，交流电弧发生器的典型电路如图7-2所示。

①.原理：

a.接通220V交流电源，此电压经可变电阻R₁适当降压后，由_B1升至2.5～3KV。并向C₂充电，充电回路为l₂-L₁-C₂，充电速度由R₁来调节（放电盘G′断开）。

b.当C₂所充电而使其两极板之间的电压升高到G′的击穿电压时，G′的空气绝缘被击穿。由于B₂初级线圈的存在，产生高频震荡。LC振荡回路为C₂-L₁- G′，震荡速度由G′的距离控制，一般控制每半周振荡一次。

c.振荡电压由B₂升压至10KV，并向C₂充电，当C₂两极板之间的电压升高到分析间隙G的击穿电压时，G的空气绝缘被击穿（空气电离），产生高频振荡放电，L₂-C₁-G。

d.当G的空气绝缘被击穿（空气电离）时，电源的低压部分便沿着已造成的电离气体通道，通过G进行弧光放电，放电回路为R₂-L₂-G。

e．当C₁两端的电压降低至维持电弧放电所需要的最低数值时，电弧熄灭。在交流电另半周，G重新被击穿，如此反复。

②. 特点：交流电弧是介于直流电弧和电火花之间的一种光源，与直流相比，交流电弧的电极头温度稍低一些，蒸发温度稍低一些（灵敏度稍差一些），但由于有控制放电装置，故电弧较稳定。因而广泛应用于光谱定性、定量分析，但灵敏度较差些。

③.用途：这种电源常用于金属、合金中低含量元素的定量分析。

3、高压火花

线路如图7-3所示。

①.原理：电源E经R适当调压后，由B升压至10～25KV，向C充电，当C两端的电压升高至G的击穿电压时，产生火花放电。放电完毕后，又重新充电、放电，如此反复。

②.特点：a.放电的稳定性好；b.激发温度高（电弧放电的瞬间温度），可高达10000K以上，可激发电位高的元素；c.电极头温度较低，因而试样的蒸发能力较差（灵敏度较差，不宜作痕量元素分析。）。

③.应用：适用于高含量元素的测定；难激发元素的测定；较适合于分析低熔点的试样。

4、电感耦合高频等离子体焰炬

ICP光源上世纪六十年代提出，70年代获得迅速发展的一种新型的激发光源。被认为是最有发展前途的光源之一，目前已在实际中得到广泛应用。

①.等离子体 ：等离子体是一种电离度大于0.1%的电离气体，由电子、离子、原子和分子所组成，其中电子数目和离子数目基本相等，整体呈现中性。

最常用的等离子体光源是直流等离子焰（DCP）、电感耦合高频等离子炬（ICP）、容耦微波等离子炬（CMP）和微波诱导等离子体（MIP）等。

②.结构

如图7-4所示，ICP由三部分组成：a.高频发生器和高频感应线圈；b.炬管和供气系统；c.雾化器及试样引入系统。

炬管由三层同轴石英管组成，最外层石英管通冷却气（Ar气），沿切线方向引入，并螺旋上升，其作用：将等离子体吹离外层石英管的内壁，可保护石英管不被烧毁；同时，这部分Ar气同时也参与放电过程。中层石英管通入Ar气（工作气体），起维持等离子体的作用。内层石英管内径为1～2mm左右，以Ar为载气，把经过雾化器的试样溶液以气溶胶形式引入等离子体中。

三层同轴石英炬管放在高频感应线圈内，感应线圈与高频发生器连接。

③.工作原理

当感应线圈与高频发生器接通时，高频电流流过负载线圈，并在炬管的轴线方向产生一个高频磁场。若用为电火花引燃，管内气体就会有少量电离，电离出来的正离子和电子因受高频磁场的作用而被加速，当其运动途中，与其它分子碰撞时，产生碰撞电离，电子和离子的数目就会急剧增加。此时，在气体中形成能量很大的环形涡流（垂直于管轴方向），这个几百安培的环形涡流瞬间就是气体加热到近万度的高温。然后式样气溶胶由喷嘴喷入等离子体中进行蒸发、原子化和激发。

④.ICP特点

a.工作温度高：在等离子体焰核处，可达10000K，中央通道的温度6000～8000K，且又在惰性气体气氛条件下，有利于难溶化合物的分解和难激发元素的激发，因此对大多数元素有很高的灵敏度。

[注：焰心区：感应线圈区域内，白色不透明的焰心，高频电流形成的涡流区，温度最高达10000K，电子密度高。它发射很强的连续光谱，光谱分析应避开这个区域。试样气溶胶在此区域被预热、蒸发，又叫预热区。内焰区：在感应圈上10～20mm左右处，淡蓝色半透明的炬焰，温度约为6000～8000K。试样在此原子化、激发，然后发射很强的原子线和离子线。这是光谱分析所利用的区域，称为测光区。测光时在感应线圈上的高度称为观测高度。尾焰区：在内焰区上方，无色透明，温度低于6000K，只能发射激发电位较低的谱线。]

b. 电感耦合高频等离子炬的外观与火焰相似，但它的结构与火焰绝然不同。是涡流态的，同时，由于高频感应电流的趋肤效应，而形成环流。所谓趋肤效应是指高频电流密度在导体截面呈不均匀分布，而是集中在导体表面的现象。这样，电感耦合高频等离子炬就必然具有环状的结构。这种环状的结构造成一个电学屏蔽的中心通道。等离子体外层电流密度大，温度高，中心电流密度最小，温度最低，这样，中心通道进样，不影响等离子体的稳定性。同时不会产生谱线吸收现象。因此ICP-AES具有线性范围宽（4～5个数量级）。

c.由于电子密度很高，测定碱金属时，电离干扰很小。

d.ICP是无极放电，没有电极污染。

e.ICP的载气流速很低（通常0.5～2L/min），有利于试样在中央通道中充分激发，而且耗样量也少。[试样气溶胶在高温焰心区经历较长时间加热，在测光区平均停留时间长。这样的高温与长的平均停留时间使样品充分原子化，并有效地消除了化学的干扰。]

f.ICP以Ar为工作气体，由此产生的光谱背景干扰较少。

可见，ICP-AES具有灵敏度高，检测限低（10^-9～10^-11g·L^-1）精密度好（相对标准偏差一般为0.5%～2%），工作曲线线性范围宽，因此，同一份试液可用于从宏量至痕量元素的分析，试样中基体和共存元素的干扰小，甚至可以用一条工作曲线测定不同基体的试样同一元素。这就为光电直读式光谱仪了提供了一个理想的光源。ICP也是当前发射光谱分析中发展迅速、极受重视的一种新型光源。

二、光谱仪（摄谱仪）

光谱仪的作用是将光源发射的电磁辐射经色散后，得到按波长顺序排列的光谱，并对不同波长的辐射进行检测与记录。

光谱仪按照使用色散元件的不同，分为棱镜光谱仪和光栅光谱仪。按照光谱检测与记录方法的不同，可分为：目视法、摄谱法和光电法。

a. 目视法：用眼睛来观测谱线强度的方法称为目视法（看谱法）。这种方法仅适用于可见光波段。常用的仪器为看谱镜。看谱镜是一种小型的光谱仪，专门用于钢铁及有色金属的半定量分析。

b.摄谱法：摄谱法是AES中最常用、最普遍的一种方法，它是用照相的方法把光谱记录在感光板上，即将光谱感光板置于摄谱仪焦面上，接受被分析试样的光谱作用而感光，再经过显影、定影等过程后，制得光谱底片，其上有许多黑度不同的光谱线。然后用映谱仪观察谱线位置及大致强度，进行光谱定性及半定量分析。用测微光度计测量谱线的黑度，进行光谱定量分析。

c.光电法：光电法用光电倍增管检测谱线强度。

过去摄谱法应用最广泛，一般没有特别说明，所说的发射光谱法就指的是摄谱法，但近年来，由于光二极管阵列检测器的出现，使光电法也得到快速发展。

1、棱镜摄谱仪

棱镜摄谱仪主要由照明系统、准光系统、色散系统（棱镜）及投影系统（暗箱）四部分组成，如图7-4所示。

①. 照明系统：其作用是依靠聚光镜L把光源发出的辐射聚焦于焦平面上并照亮狭缝S（S置于L的焦平面上）。为了均匀照明一般采用三透镜照明系统。

②.准光系统：其作用是将通过狭缝后的入射光变成平行光束，照射在棱镜P上。

③.色散系统：其作用是分光。把照射在它上面的平行光束经色散后变为按波长顺序排列的单色平行光。[注：可见光区用玻璃棱镜（色散率大），紫外光区用石英棱镜（色散率大，玻璃吸收紫外光）；棱镜光谱为非均匀排列光谱，对短波色散率大。n = A+B/λ²+C/λ⁴]

④.投影系统：其作用是将色散后的单色平行光束聚焦于焦面上，得到按波长顺序排列的光谱。

⑤.棱镜摄谱仪的光学特性

a.色散率——是把不同波长的光分散开的能力，通常以倒数线色散率来表示：dλ/dl，即谱片上每一毫米的距离内相应波长数（单位为nm）。

b.分辨率——是指摄谱仪的光学系统能够正确分辨出紧邻两条谱线的能力。用两条恰好可以分辨开的光谱波长的平均值λ与其波长差Δλ之比值来表示，即 R=λ/Δλ。

棱镜摄谱仪的理论分辨率R0 可用下式表示：

R₀ =mt·dn/dλ

式中，m——棱镜的数目；t——棱镜底边长；n ——棱镜材料折射率；dn/dλ——棱镜材料色散率。

c.集光本领——是指摄谱仪的光学系统传递辐射的能力。

2、光栅摄谱仪

光栅摄谱仪应用光栅作为色散元件，利用光的衍射现象进行分光[参阅：华中师大等编，分析化学（下册），P79～82]。光栅摄谱仪比棱镜摄谱仪有更高的分辨率，且色散率基本上与波长无关，它更适用于一些含复杂谱线的元素如稀土元素、铀、钍等试样的分析。

试样在光源B被激发后所发射的辐射，经三透镜照明系统均匀的照明入射狭缝S，在经平面反射镜P₁折向凹面镜N下面的准光镜O₁，所得平行光束经光栅G衍射后变成单色平行光束，在经过凹面反射镜N上部的投影物镜O₂聚焦于感光板上。旋转光栅转台D，可以同时改变入射角和衍射角，以得到所需波长范围和衍射级次的光谱。

目前常用的1m光栅摄谱仪，配有两块光栅，刻线1200条/mm；波长范围200～800nm。

三、观测设备

1、光谱投影仪（映谱仪）

在进行光谱定性分析及观察谱片时需用此设备。一般放大倍数为20倍左右。如图7-9所示。

2、测微光度计（黑度计）

用来测量感光板上所记录的谱线黑度，主要用于光谱定量分析。

黑度S则定义为：

测微光度计（黑度计）光路图如图7-11所示。（略）