单色仪及其在摄谱仪中的作用

光谱仪是重要的工具,学习许多生物和化学过程和物质,从色素植物生长和核酸药物,提供信息分析物基于他们的光学特性。光谱仪本质上是一个机分离光成特定的波长,然后立即使用数组检测器检测并记录下来,¹如电荷耦合装置(CCD)。²摄谱仪处理的第一步是将入射光,这是由一个单色仪。本文介绍了单色仪是什么和它是如何工作的,不同类型的单色仪,单色仪用于在摄谱仪及其作用。

单色仪是一种设备,将不同波长的光从一个给定的光源。主要组件通常包括一个入口狭缝、镜子和一个光扩散器。³棱镜或光栅通常用作光扩散器。³大多数单色器退出狭缝光叶分离设备的,但是知道单色仪用于光谱仪探测器数组,通常一个CCD,取代出口狭缝来捕获的数据范围的波长,导致真正的-时间数据。²

当光线在一个平行的方向旅行,它通常被称为平行光,这种形式时,射线可以控制。³在单色仪入射光线通常平行使用镜子,分散,目的是向探测器。有不同的方法来实现设置,这超出了本文的范围,但是在这里我们将关注最常见的形式,称为车尔尼-特纳安排(图1)。

车尔尼-特纳的安排,有两个凹面反射镜和衍射光栅。光线进入单色仪入射狭缝(图1 b),前往第一个凹镜(图1 c),这将射线并行所以他们旅行。平行光线达到衍射光栅,然后弯曲不同波长的光在不同角度(图1 d)。然后光到达第二个凹镜,集中不同波长的光在不同的点(图1 e)。旋转光栅(图1 d)控制波长的光,随后通过CCD探测器(图1)。³

图1: Czerny-Turner单色仪的原理图的组成部分和路径指示光从光源到检测。信贷:技术网络。捷克葡萄牙直播

光学仪器,是为了使吸光度比色分析通常有一个单色仪测量。然而,有多个单色仪在一个工具变得越来越盛行了实现高吸光度测量更准确。双单色仪的设置通常用于高质量同时操作两个单色仪分光光度计,安排在系列(图2)。使用双单色仪安排提高分辨率,^{6- - - - - -8}但结果在一个较弱的光强度到达探测器。光离开第一个单色仪提要进入第二单色仪帮助删除与不受欢迎的光波长,通常称为杂散光。³

总是会有些杂散光预期,可能源自意外衍射或散射光的单色仪内或从环境中如果光学设备不是完全密封的。杂散光是有问题的,当测量吸光度值非常高或非常微弱的荧光样品排放的很大一部分光到达探测器将杂散光。³

常规单单色仪可以修改成双⁶或多个单色仪。^{7- - - - - -9}构造简洁,单色仪,这样光线反射回的光扩散器使用一对镜子直角彼此到达探测器。^6,7,9如果光线分散两次,两次类似的光线穿过一个单色仪,那么它的行为就像一个双单色仪。相同的方法实施有效地模拟一个四单色仪,光通过光扩散器四次,导致更好的分辨率和低杂散光。⁷

从技术上讲,光四单色仪可以通过相同的单色仪四次,⁷行为类似光穿过四个单色仪安排在系列中,但这并不是这一术语通常意味着什么。四单色器通常是指设置在两个双单色仪是利用和荧光研究很受欢迎(图2 b)。在这个协议中,双单色仪是第一个用于选择窄范围的波长激发荧光样品,另一个双单色仪是用来选择发射波长范围的光。减少杂散光在荧光的研究势在必行,由于弱荧光样品所发射的光强度与杂散光的光强度。

有时,可以称为two-monochromator双单色仪系统,但two-monochromator系统通常不是一个双单色仪。例如,一个光学仪器称为荧光计测量荧光有两个单色器:一个用于选择激发或吸收波长,选择另一个单独发射波长(图2)。

图2: (A)、(B)和(C)每个代表一个不同的摄谱仪的设计。图表的双单色仪的安排(a) 提高分辨率和显著减少杂散光相比,使用一个单色仪。 ^{7 , 8} 典型的四单色仪配置(B)由一对双单色仪,通常用于高分辨率荧光研究和一个共同的两个单色仪配置用于荧光分析(C),彩色箭头概念说明光的分离,从光源的彩虹箭开始,紧随其后的是特定波长的提取后,每一个都通过单色仪。注意,MC表示在这个图是一个缩写单色仪。假设是一个样本被检查使用摄谱仪的设计,(一)是典型的吸光度测量和设计(B)和(C)是用于荧光。信贷:技术网络。捷克葡萄牙直播

不同类型的单色仪可以分类基于光分散,棱镜和光栅是最常见的。

棱镜单色仪

顾名思义,棱镜单色仪使用棱镜驱散光。棱镜依赖于不同的折射率,这意味着光的速度穿过棱镜材料不同。因此,白光将把相应的颜色。例如,蓝光是放缓,弯曲超过红光玻璃棱镜。

棱镜有时固有的材料有一定的缺点。例如,棱镜材料由氯化钠或氯化钾可以用于红外光谱分析,¹⁰但的棱镜性能降低随着时间的推移,由于从空气中吸收的水。蓝宝石棱镜进行红外分析¹⁰将会是一个更好的替代但通常是昂贵的。另外一个例子,玻璃棱不用于检测波长紫外(UV)范围,因为玻璃吸收紫外线。¹⁰相反,一个石英棱镜检查紫外光谱是必要的。¹⁰

棱镜单色仪通常喜欢在紫外范围内工作时,但实际上大多数今天使用光栅单色仪。

光栅单色仪包括Czerny-Turner单色仪

光栅是目前最常用的分散元素单色仪。几个光栅可以包含在单色仪,给不同的一系列波长选择性在一个乐器。这通常是有用的因为每个最适合一个特定的波长范围和特定的应用程序。³

光栅是一种常规的光学组件,均匀间隔的凹槽,通常用反光涂层放在另一种物质。光达到光栅可能反映在不同的角度,每个槽作为光反射时的光源。³闪耀光栅,也称为一个红外光栅,是一个特定的专业类型的光栅设计操作最好在特定波长的光。光栅用于检测红外范围(长波长)更广泛的凹槽之间的间距,而紫外线的范围(更短的波长)更紧槽之间的间距。

从光栅反射的光线分散会影响建设性地当他们在阶段,干扰相消的阶段或介于两者之间。³反射光的干涉相消光强度降低预期,但一个固有的劣势光栅干涉导致顺序重叠。例如,光波长为300 nm的二阶重叠的光波长600 nm的秩序,因此CCD探测器会认出两个波长在同一时间。顺序重叠是不可取的,可以通过添加过滤器,第二个单色仪连接串联或额外的光栅。

大多数的光栅单色仪是用原始光栅作为一个高质量的复制品,也叫做主光栅。^11,12而不是直接生产主光栅单色仪的使用,创建主光栅的副本使用模具显著降低了生产成本,简化了光栅的大规模生产。

高质量光栅有最小的表面缺陷,从而导致杂散光,¹³因此提供高分辨率。传统上,高分辨率的衍射光栅是统治,但是全息光栅产生的杂散光。¹³当讨论分辨率的衍射光栅,更高的或更高的分辨率是指实例的不同波长的光,可以区分变得越来越小,这意味着更多的细节变得可见。³分辨率提高光栅当更多的凹槽。³例如,低-成本项目可能使用光盘(CD)或数字多功能磁盘(DVD)衍射光栅,DVD有比CD凹槽,因此提供更好的解决方案。¹⁴

减少光栅的槽间距增加而闻名的色散(波长的光将是多么容易分离和传播)和解决。³单色仪,光滑的旋转光栅波长预计将产生一个线性变化。光的色散是线性使用光栅时,这是一个很大的优势相比,棱镜因为非线性光色散棱镜。这就简化了数据处理、分析和解释。

总的来说,光栅单色仪,尤其是Czerny-Turner单色仪的设计,是最常用的。Czerny-Turner单色仪的基本功能是解释三分钟的m·莱安德罗Heien在这个视频。¹⁵

总结优点和缺点的棱镜单色仪相比,表1中给出。

表1:比较的优点和缺点,使用反射衍射光栅单色仪和棱镜驱散光。条目大胆的更有利。

	反射衍射光栅	棱镜
分散法	衍射	折射
传输效率	低效率整体 (由于色散的光分成几个方向)	效率高
低光强度的情况下	更糟糕的是	更好的
分散	线性	非线性
光谱分辨率	更好的整体	更糟糕的是整体,但在紫外线更好
温度依赖分散	低 (变形)	高 (改变折射率)
顺序重叠	是的	没有一个
杂散光	更多的	少
重量	更轻的	重
总成本	少	更多的

单色仪是用来控制光的波长在需要的时候,比如在光谱分析技术。通常使用单色器的例子包括:

• 紫外-可见光谱(紫外可见)
• 原子吸收光谱
• 荧光光谱
• 拉曼光谱
• 圆二色性光谱

单色仪在UV - Vis可能是最常用的吸收光谱学,样品类型包括蛋白质,药品、饮料、DNA和RNA进行了分析。¹⁶

最好记住这一特定应用程序时决定是否应该使用棱镜或衍射光栅。如果一个高信号- -噪声比和高灵敏度是必需的在低-光情况下,那么应该使用棱镜单色仪。高效的光传导通常收益率高灵敏度;棱镜比衍射光栅通常有更高的效率。¹⁷这很重要对于涉及低强度光实验,测量吸光度等深颜色的样品用可见分光光度法或微弱荧光样品使用氟量计。

在绝大多数现代的光谱仪,衍射光栅单色仪中驱散光。有特定用途快速吸光度测量,特别是应用在分析DNA, RNA,制药和染料。¹⁶这些测量通常使用一个微型板块的读者,可以把成百上千的快速使用双单色仪摄谱仪测量。此外,微型板块的读者也可以快速、高分辨率荧光测量使用四单色仪摄谱仪。当几个快速分光光度测量或分析需要,摄谱仪是第一选择。

引用

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