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衡量光谱仪好坏的指标 - 光谱分辨率(半峰宽)

    

光栅

光栅是一种色散元件,用于选择探测样品发色团电子跃迁所需的波长。它被旋转到选定的波长,并将光衍射成几束光。光的衍射方向取决于入射光束的角度和波长,以及光栅的凹槽(或线)频率,或每毫米光栅上的凹槽数量。

凹槽之间的间距决定了光的衍射级数,或者在该特定波长下有多少光束被衍射,以及光谱分辨率。衍射级为0表示入射光角度和衍射角大致相同,而衍射级为1是入射波长的两倍。更宽的凹槽间距意味着更少的衍射级,从而导致更高的光通量。除了使用具有大凹槽间距的光栅外,滤光片通常用于从光栅中去除任何更高阶的衍射。从光栅衍射的光被另一面镜子重新聚焦到出射狭缝上,出射狭缝经过调整以适应不同波长光的色散特性。

带宽

当单色器设置为特定波长时,发出的光并不是完美的单色光,而是包含一系列波长。如图 8 所示,特定波长下单色仪出口狭缝处的总能量具有等腰三角形的强度分布。该三角形的峰值是目标波长,光谱带宽是三角形的半峰全宽 (FWHM)。带宽应设置为样本峰值 FWHM 的 1/10。

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光谱带宽和光谱形状之间的关系。

图 8. 光谱带宽和光谱形状之间的关系。

光谱带宽与仪器的狭缝宽度直接相关,狭缝宽度(Δx)与带宽(Δλ)的关系由下式表示


∆λ=(d∙cos⁡β)/(n∙f) ∆x


其中d为衍射光栅的槽距,β为衍射角,n为衍射级数,f 为焦距。在比较仪器性能时,讨论光谱带宽而不是狭缝宽度更合适,因为光谱带宽考虑了光栅分辨率和不同类型光栅之间的差异。

为了区分光谱中的峰,需要调整带宽和狭缝宽度。该仪器将光分离到定义的波长区域的能力被称为光谱分辨率。带宽和狭缝越窄,分辨率就越好。然而,由于较少的光将通过较窄的狭缝,光谱将有更多的噪声。同样,更宽的狭缝和带宽会增加光通量,从而增加信号,但会产生较差的峰值分辨率。目标是在所需分辨率和所需信噪比之间找到平衡。图 9 说明了使用 1 和 5 nm 带宽测得的吸收光谱。随着带宽增加,峰塌陷并变宽。

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带宽对光谱分辨率的影响。

图 10. 带宽对光谱分辨率的影响。

同样重要的是要注意,应该并且可以根据所探测的波长区域指定不同的带宽。近红外区域的光通量低于可见区域,因此可以将 NIR 中的带宽设置为更大的值,以允许更多的光到达样品。