直讀光譜儀基礎知識

直讀光譜儀，又稱光電直讀光譜儀，稱為直讀的原因是相對于攝譜儀和早期的發射光譜儀而言，是由光電檢測器(如光電倍增管)代替了眼睛和感光板。由于在20世紀70年代以前計算機技術還沒有得到應用，所有的光電轉換出來的電信號都用數碼管讀數，然后在對數轉換紙上繪出曲線并求出含量值。計算機技術應用于光譜儀后，數據的處理大多由計算機完成，可以直接計算出含量，所以比較形象地稱之為“直接可以讀出結果”，簡稱為直讀光潛儀，這個名稱一直沿用至今。在國外沒有“直讀”這個概念，這從各個國外品牌的儀器的英文名稱可以看出，Thermo ARL公司的直讀光譜儀稱為(Spark) Optical emission，Ametek Spectro公司的直讀光譜儀稱為Metal analyzres，OBLF公司的直讀光譜儀稱為Spark spectrometry (Spark OES)，Oxford Instrumnets公司的直讀光譜儀稱為Optcal emission spectroscopy(OES)，Shimadzu公司的直瀆光譜儀稱為Optical emission spectrometers等。

一、發展簡史和進展

最早的直讀光譜儀產生在第二次世界大戰末期，戰爭中建造了大量的飛機，而飛機用特殊鋼、鋁鎂合金等金屬材料的濕法檢測工作的繁瑣分析，迫使一些人著手于研究多條光譜線同時測定的光譜儀，并于1944年美國應用實驗室(ARL)研制成第一臺光電直讀光譜儀的樣機，1956年該公司直讀光譜儀中使用真空技術，可同時測定金屬元素和C、P、S等非金屬元素。隨著計算機、電子技術的發展，到20世紀70年代直讀光譜儀幾乎100％采用計算機控制，這不僅提高了分析精度和速度，而且對分析結果的數據處理和分析過程控制實現了自動化。80年代后期，以美國BAIRD公司為代表的國外多個公司的光電直讀光譜儀相繼進入我國的分析儀器市場。

20世紀90年代初，冶金系統已成功用上全自動直讀光譜儀。所謂全自動，是將光譜儀及其附屬設備，如切樣機、磨樣機、機械手等安裝在同一個大箱子內，組成一個移動式光譜實驗室。此種全自動光譜儀多放置在煉鋼爐旁。工作時，只需人工將樣品置于一個專用窗口的抽屜內。以后的全部分析過程無需人工干預，全由計算機的預定程序自動完成。
目前商品化的儀器主要是固定多道式光電直讀光譜儀，一般采用高刻線的光柵或中階梯光柵與棱鏡交叉色散兩種方法來提高儀器的色散率及分辨率。進入2l世紀以來儀器的數字控制技術已取代模擬控制技術，固體檢測器(如CCD、CID)有取代PMT的趨勢也越來越明顯，使儀器向小型化、精密化發展。

二、分類

直讀光譜儀按照不同系統的不同特征可以有多種劃分方法：按樣品的激發方式儀器可以分為電火花、電弧和輝光放電三種類型，應用較為廣泛的是電火花光源的儀器，本章僅介紹這類儀器；按檢測器的種類，可以分為光電倍增管(PMT)和固體檢測器；根據使用波長的范圍不同，町分為真空型和非真空型直讀光譜儀；根據儀器結構的不同，又可分為同時型多道直讀光譜儀和掃描型單道直讀光譜儀；按儀器的大小可以分為固定式和便攜式等。

三、特點

直讀光譜儀具有以下特點。

① 自動化程度高、選擇性好、操作簡單、分析速度快，可同時進行多元素定量分析。從爐中取的樣品只要打磨掉表面氧化層，固體樣品即可放在樣品臺上激發，免去了化學分析鉆取試樣的麻煩。對于鋁及銅、鋅等有色金屬樣品而言，可用小車床車銑去表面氧化層即可。從預燃樣品到得到最終的分析結果僅需20～30s，速度非常快，有利于冶煉控制，降低成本。特別是對那些容易燒損的元素，更便于控制其最后的成分。樣品中所有分析元素(幾個甚至十幾個)可以一次同時分析出來。

② 元素測試范圍寬。由于PMT或半導體檢測器對信號的放大能力很強，對于強度不同的譜線可以選用不同的放大倍率的PMT或固體檢測器(在使用不同譜線的情況下相差4個數量級，比如普碳鋼中的鉻含量一般為萬分之一水平，而不銹鋼中的鉻含量在l0％以上)。因此可以采用同一分析條件對樣品中含量相差懸殊的很多元素從高含量到痕量可同時進行測定。

③ 分析精度高，能有效控制產品的化學成分，可將昂貴的合金成分控制到產品規格的中下限，以節省相應合金的消耗。

④ 檢測限低。直讀光譜法的靈敏度與光源性質、儀器狀態、試樣組成及元素性質等均有關。一般對固體金屬、合金采用火花源時，檢出限可達0．1～10μg／g，對C、S、P等非金屬元素也具有較好的檢出限。

⑤ 在某些條件下，可測定元素的存在方式，如測定鋼鐵中酸溶鋁、酸不溶鋁等。

⑥ 測量范圍廣，幾乎所有金屬材料都可以檢測，柃測的基體有鐵基、鋁基、銅基、鎳基、鈷基、鈦基、鎂基、鋅基、鉛基、錫基、金基、銀基、鉑基、鈀基、釕基等。

不足之處在于，直讀光譜分析仍是一種相對的分析方法，試樣組成、結構狀態、激發條件等難以完全控制，一般需用一套基體成分基本相同的標準樣品進行匹配，有些情況下標準樣品的獲得幾乎是不可能的，因此使直讀的分析應用受到一定限制；對元素的價態測量無能為力，有待于與其它分析方法配用；它是一種表面分析儀器，僅能分析金屬表面1mm以內的樣品，適合于均相樣品檢測對元素含量分布不均的樣品(如偏析)，若需得到能夠代表樣品的檢測結果只能在樣品的前處理方面變通，比方說樣品鉆屑后在保護氣氛下重新熔融制成均勻性試樣等，往往用在樣品前處理上的時間遠遠大于檢測的時間。因為有上述一些缺點，在大多數情況下它不是一種仲裁分析方法，一旦貿易雙方對貨物的品質有疑義，需要采取其它方法來獲得最終的結果。

但是，從技術角度來看直讀光譜分析，可以說至今還沒有比它能更有效地用于爐前快速分析的儀器，所以世界上冶煉、鑄造以及其它金屬加工企業均大量采用這類儀器，以保證產品質量，提高經濟效益。

直讀光譜儀廣泛應用于鑄造、鋼鐵、金屬回收和冶煉、軍工、航天航空、電力、化工、高等院校、質檢等材料分析單位。