气相分子吸收光谱由光源系统、进样系统、反应系统、分光系统和光电检测系统及计算机控制系统构成。
1、光源
光源的作用是提供辐射能,供待测分子吸收,根据市场仪器统计,主要使用两种光源:空心阴极灯与氘灯。
空心阴极灯(hollow cathode lamp , HCL)又称元素灯,是最常用的锐线光源,HCL是一种低压气体放电管,其结构如图:
图1 空心阴极灯
它是由一个空心圆筒状的阴极和一个阳极构成。阴极空心圆筒内底衬入被测定元素的纯金属、合金或化合物。阳极为钨棒,上面装有钛丝或钽片作吸气剂,吸收灯内少量杂质气体(如氢气、氧气、二氧化碳等)。两电极密封于充有低压惰性气体(几百帕压力的Ar或Ne)带有石英窗的玻璃壳内。在电场作用下,充氖气的空心阴极灯发射出橙红色光,充氢气灯发射出淡紫色光,便于调整外光路。阴极端面上有云母屏蔽罩,可以阻止阴极外壁的放电,使放电集中在阴极腔内。
放电机理:在电场作用下,空心阴极灯开始辉光放电。空心阴极灯发射出的电子高速奔向阳极,并与灯内填充的惰性气体原子发生碰撞,使其电离,产生的正离子又在电场的作用下加速向阴极撞击,使空心阴极内衬的金属物质发生阴极溅射。这些被溅射出来的原子蒸气与其他粒子(电子、离子、原子)相互碰撞而被激发,于是阴极发射出元素特征光谱。
供电方式:空心阴极灯的供电电压一般为300~500V,灯电流为1~20mA。
氘灯,充有高纯氘气,能辐射出160~400 nm连续光谱的热阴极弧光放电灯。氘灯电源提供可调频率脉冲控制氘灯供电的开闭,使氘灯高速断续发光,其发光强度要比连续发光的能量高得多,通过独有的技术控制光源漂移,可使灯的寿命延长。
2、反应系统
气相光谱可实现对水质中的氨氮、总氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮和硫化物的测量通过发生氧化还原反应,将对应的待测物质转换成对应的气体(〖NO〗_2、NO、H_2 S),利用气液分离装置将水溶液中的被测成分转化成气体分子,从而使被测溶液中转为气相进入测量系统,反应系统中,需要保证化学反应的条件一致,并且增加干燥除湿装置,以保证进入检测位置时为干燥气体。
3、分光系统
气相光谱仪的分光系统可以分为两部分,即外光路和单色器。外光路其实由透镜和光源组成,保证透过光聚焦于单色器的入射狭缝。
单色器(monochromator)也成内光路,它包括入射狭缝、光栅、凹面反射镜和出射狭缝,这些元件均密闭在一个防尘、防潮的金属暗箱内。单色器的作用是将待测元素的吸收线与邻近谱线分开。为了便于测量,由单色器出射狭缝进入检测器的透过光必须有一定的出射强度。一般情况下,单色器的入射狭缝与出射狭缝的宽度是相等的,在0.01~2mm之间。在实际工作中,往往通过选择适合的光谱通带来选用狭缝宽度。光谱通带(spectral band pass)与狭缝宽度的关系用下式表示:
W=D×S
式中W是光谱通带(nm),D是倒线色散率(nm∙nm-1),S是出射狭缝宽度(nm)。可见单色器的光谱通带是指单色器的出射光束波长区间的宽度,应根据共振线的谱线强度和仪器的分辨率要求,选择适当的光谱通带。在共振线无邻近干扰线的前提下,尽可能选择较大的光谱通带,以增大信噪比,提高测定的灵敏度。
4、光电检测系统
主要是光电倍增管,将待测光信号转换成电信号,并对信号进行放大。
光电倍增管具有很高的光电转换效率和信噪比,光电倍增管建立在 外光电效应、二次电子发射和电子光学理论基础上,结合了高 增益、低噪声、高频率响应和大信号接收区等特征,是一种具有极高灵敏度和超快时间响应的光敏电真空器件,可以工作在紫外、可见和近红外区的光谱区。
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