2025第44期 总第86期
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光线中隐藏着宇宙万物的组成密码，光谱仪正是解开这些密码的关键工具。
1666年，英国科学家牛顿让一束太阳光通过玻璃三棱镜，在暗室的白屏上看到了红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七种颜色的光分散在不同位置——这是人类历史上第一次有记录的光谱实验。正是这个简单的实验，揭开了一种未来将彻底改变科学研究仪器的诞生序幕。近三百五十年后的今天，光谱仪已成为现代科学研究和工业分析中不可或缺的工具。从环境监测到医学诊断，从新材料开发到宇宙探索，这种精密仪器通过解析光与物质的相互作用，揭示物质的组成和结构信息。
PART 01
什么是光谱仪？
光谱仪，又称分光仪，是一种将成分复杂的复合光分解为光谱线并进行测量的科学仪器。其核心功能是通过测量光的波长、频率、强度等参数，分析出物质的元素组成、化学结构以及物理特性。光谱仪的基本工作原理是：利用棱镜或衍射光栅等色散元件，将入射的复合光在空间上分离成不同波长的单色光，然后通过探测器测量这些光的强度分布。任何物质在受到能量激发后，都会发出或吸收特定波长的光，形成独一无二的“光谱指纹”，通过识别这些“指纹”，科学家就能确定物质的成分和含量。一台典型的光谱仪主要由五个部分构成：入射狭缝（在入射光的照射下形成光谱仪成像系统的物点）、准直元件（使狭缝发出的光线变为平行光）、色散元件（通常采用光栅，使光信号在空间上按波长分散）、聚焦元件（聚焦色散后的光束）以及探测器阵列（测量各波长像点的光强度）。
PART 02
光谱仪的核心功能与应用价值
光谱仪的核心功能主要体现在三个方面：元素分析、结构鉴定和定量测定。这些功能使其成为现代科学研究和工业检测中不可或缺的工具。
在元素分析方面，光谱仪能够检测出样品中存在的各种元素，无论是金属元素还是非金属元素。例如，原子吸收光谱仪可以测定水样中的重金属含量，而X射线荧光光谱仪则可用于矿石中金属元素的快速分析。
在结构鉴定领域，红外光谱仪和拉曼光谱仪通过分析分子振动和转动信息，能够解析有机化合物的分子结构和官能团。这一功能在制药工业和化学研究中尤为重要，可以帮助科研人员确定新合成化合物的分子结构。
光谱仪的定量测定功能则使其能够准确测量样品中特定成分的含量。紫外/可见光谱仪通过测量物质对特定波长光的吸收度，可以定量分析溶液中有机物的浓度，这一技术广泛应用于环境监测和食品安全的检测中。
光谱仪的应用价值还体现在其非破坏性分析能力上。与传统化学分析方法不同，光谱分析通常不需要对样品进行复杂的前处理，也不会破坏样品的原始状态，这一特点使得它在文物鉴定和生物活体检测等领域具有独特优势。
PART 03
光谱仪的发展历程
光谱仪的发展历程跨越三个多世纪，凝聚了无数科学家的智慧和心血。从17世纪牛顿的初探到21世纪的现代化仪器，光谱技术经历了从理论探索到实践应用的漫长历程。
光谱仪的起源可以追溯到1666年牛顿的棱镜分光实验。不过，在随后的一百多年间，人类对光谱的认识进展缓慢。直到1814年，德国物理学家夫琅禾费设计了更为精密的分光装置，并用它系统观察了太阳光谱中的暗线（后被称为夫琅禾费线），为光谱学奠定了坚实基础。真正的转折点出现在1859年，德国科学家基尔霍夫和本生研制出世界上第一台结构完整的光谱分析仪器，并首次完成了光谱成分的分析。他们建立了光谱与物质成分之间的关系，并通过光谱分析法在1860年从碱金属中发现了新元素铷（Rb）和铯（Cs），开创了光谱分析的新纪元。
随着19世纪末工业革命的深入，光谱仪逐渐从实验室走向工业生产领域。1882年，美国物理学家罗兰研制出高精度的光栅刻线机，制作了具有约14000条谱线的太阳光谱图，大幅提高了光谱测量的精度。1925年，格拉奇提出内标法原理，为光谱定量分析奠定了理论基础。1928年，德国蔡司厂推出了第一台商品化摄谱仪Q-24中型石英摄谱仪，标志着光谱仪开始进入工业化生产阶段。在这一时期，光谱分析法相继帮助科学家发现了一系列新元素，如铊（1862年）、铟（1863年）、镓（1875年）等，证明了其在元素发现中的巨大价值。
二战结束后，随着电子技术和计算机技术的飞速发展，光谱仪进入了现代化阶段。1954年，贾雷尔-阿什公司生产了第一台平面光栅摄谱仪；1959年，澳大利亚GBC公司推出了第一台原子吸收光谱仪。20世纪60年代，光电直读光谱仪开始迅速发展。70年代，光谱仪几乎100%地采用计算机控制，这不仅提高了分析精度和速度，而且实现了对分析结果的数据处理和分析过程自动化控制。进入90年代，出现了以中阶梯双色散系统的“全谱型”ICP-AES商品仪器，使原子发射光谱仪器从结构到性能上进入高端发展阶段。
新中国成立后，中国的光谱仪器工业开始起步。1962年，中国成功研制了分光光度计；1963年研制出质谱计；1969年试制成功了我国第一台WPG-100型1米平面光栅摄谱仪。经过几十年发展，中国已建立起比较完善的光谱仪器研究、设计、生产体系，国产光谱仪器已经能够装备国内科技和国民经济各部门。截至当前，中国光谱仪专利申请数量已达到4000余项，显示出强大的研发能力和创新活力。
PART 04
结语
从牛顿简单的三棱镜实验，到如今集光、机、电、算于一体的高科技设备，光谱仪的发展史也是人类科学认知进步的一个缩影。这种精密仪器通过对光的解析，向我们揭示了物质世界的组成密码。
如今，光谱仪正朝着小型化、便携式、现场化方向发展，应用领域也在不断扩展。随着人工智能和物联网技术的融入，现代光谱仪不仅功能更强大，操作也愈加简便，成为科研机构和工业企业不可或缺的分析工具。光谱技术未来也将在更多领域形成完整的创新服务生态，为人类认识和改造世界提供更加精准、高效的分析手段。
下一篇，我们将深入探讨光谱仪的技术原理与分类，帮助读者全面了解各种类型光谱仪的特点及应用场景。
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