1 引 言
光谱仪器是根据物质的特征光谱对物质进行定性和定量分析的仪器。光谱仪器首先应用在化学分析中,然后逐步广泛地应用到社会生活的各个方面,如工业控制、环保、冶金、结构分析、化学和生化反应过程检测、大工业和科技农业质量控制和安全保障、环境和生态检测等。从光谱仪器的最初模型(1666年牛顿第一次实现光色散的实验装置)至今,紫外可见光谱分析仪器经过将近400 年的发展已经非常成熟,我们可以将其发展划分为传统紫外可见光谱仪器(20 世纪60 年代以前)和现代紫外可见光谱仪器(20世纪60年代以后)两个阶段。传统紫外可见光谱仪器采用波长扫描机构实现波长的扫描,采用光电倍增管作为光电接收器件,一次只能接收一个波长的单色光; 仪器有入射狭缝和出射狭缝,样品池位于单色光的光路上。由于需要波长扫描,步进电机一次转动只能进行一个波长的测量,因此完成整个光谱范围的测量时间较长,一般要在数十秒左右[1]。
由于以上的技术特点,传统紫外可见光谱仪器只适合在实验室内部应用,不适合到现场(生产线、试验场和自然环境)去工作,这使得紫外可见光谱仪器未能在诸如石油化工、高分子、药物、食品、化妆品、半导体等生产部门的生产现场发挥作用，因此传统紫外可见光谱仪器必须发生变革。总结以上的经验, 新的时代、新的需求促使光谱仪器应该具有以下几个特点：
(1) 仪器小型化
由于现场在空间形式上的多样性，生产工艺条件的多变性，因此将传统的体积庞大的仪器从实验室简单搬到现场是不能解决问题的，这就要求设计出体积小型化、便携式的适合现场应用的光谱仪器。
(2) 仪器集成化、固态化
为适应生产现场和野外环境条件，仪器必须集成化、固态化，没有活动部件，可以忍受强震、高温、高压、强磁场干扰、风雨交加等恶劣条件。
(3) 测量速度快
能够对现场的试样作在线检测，可以为控制现场提供实时的检测参数。
2 现代紫外可见光谱仪器小型化发展必要的技术和物质条件
满足新时代要求的紫外可见光谱仪器能否实现?答案是肯定的。随着 20 世纪 60 年代以后世界科技的突破性发展，尤其在半导体、计算机硬件软件和产品的普及化、激光、光纤、固态检测器等技术的发展从技术上和物质上为新颖的紫外可见光谱仪器的发展提供了有利条件。因此20 世纪后半期，紫外可见光谱仪器的发展在新的需求和条件刺激下，获得以前未曾见到的突破性发展。大致体现在以下几个方面：
(1) 半导体和计算机技术的不断发展成熟
功能强大和集成度高的微处理器的出现，使仪器电路部分的设计变得简单，电路中芯片的使用数量减少，电路板的面积大为减小。
(2) 色散元件不断发展
在光谱仪器核心元件(分光元件)的发展历程中，经历了从色散棱镜到衍射光栅的演化，以及采用干涉调制元件和信息变换技术的发展历程，如AOTF、LCTF器件等没有机械活动件、全固态、电子调谐、结构小而牢固、可承受振动冲击等一系列优点，使其具有明显技术和应用竞争力。
(3) 光谱探测器发展迅速
在光谱探测器的发展历程中，从传统的肉眼- 感光板 - 光电池到光电倍增管、热电偶- 热释电器件等，现今已发展到全固态的光电、热电探测器件(如CCD、CID、光电二极管阵列等等)，不但提高了探测效率，而且可实现光谱快速扫描(获得一幅光谱图的时间仅仅需要几个毫秒)[2~3]。
(4) 光纤技术在分析仪器中应用越来越广
由于光导纤维具有损耗小、传输距离长等特点。因此,自1958年问世以来,就得到人们的极大重视,它结合以上各种技术的共同发展,使光谱仪器更加小型化,同时可以远距离遥测。小型化的集成紫外可见光纤光源的出现，使氘灯和钨灯集成在一个体积很小的空间内,免除了使用传统光源而带来的增大仪器体积的矛盾。
(5) 新输入输出设备的出现使输入输出更加简单
触摸屏的出现，能够使仪器的输入和输出设备一体化，简化了仪器的结构同时缩小了仪器体积。
当今众多国内外光谱仪器的研究人员以及生产厂家根据以上的最新技术竞相在相关领域展开相应的研究，不断的推出自己的研究成果。目前国际上一些有代表性的产品为：美国海洋光学公司(Oceanoptics)的USB2000以及S2000[4]，美国Cid公司的Cid-700。综合分析以上三种具有代表性小型化、适合现场应用的光谱仪器，它们的共同特点是：
(1) 采用多通道检测器件(如电荷耦合器件CCD或 NMOS 图像传感器)作为光电接收器件。
(2) 以上几种仪器均有一个非常小型化的光学系统和整体外型。
(3) 仪器均采用光纤作为光的传导器件，以配合相应的光纤光源(这种光纤光源是专门为仪器小型化的要求而开发的)。
(4) 在仪器内部没有集成光源。
在国内,虽然开展相关的研究时间不是很长,但是也取得了很大的成果。北京普析通用仪器有限责任公司在2004 年成功推出了一种完全集成的小型化便携式紫外可见分光光度计,体积只有190×170×100mm3。这是我国紫外可见光谱仪器领域近年来的突破性进展。
3 光谱仪器小型化的关键技术
光谱仪器的小型化包括以下几个方面的小型化:色散系统小型化、光源系统小型化、整体结构小型化等。
3.1 色散系统小型化
光谱仪器小型化的关键是色散系统小型化，色散系统的小型化应该考虑以下几个方面的问题：
(1) 结构要简单化，不要有活动机械系统(如波长扫描机构)。
(2) 色散系统内部的元器件尽量少(除色散元件外，聚焦的物镜数量要尽可能少)。
(3) 元器件的体积要比较小(在满足能量有效利用的前提下，尽量缩小各种光学元器件的体积)。
(4) 光学元件如光栅的入臂和出臂不能太长，聚焦反射镜和准直反射镜的焦距不能太长，以免影响整个系统的体积大小。
随着固态多通道检测器件在光谱仪器中的应用逐渐增多，与之相配合使用的色散元件 - 平场凹面全息光栅[5~6]也就应运而生，该光栅是在凹面全息光栅的基础上对原来为球面的光栅表面进行调整，以非球面代替原来的球面，从而对原来出射谱面为罗兰圆的光谱带进行了修正，保证其中一部分出射光谱面为平面，以便与接收面为平面的固态多通道检测器件配合使用，该光栅在设计的过程中对各种像差进行了校正。以平场凹面全息光栅为色散元件的色散笞系统的结构如图 1 所示。
从以上的结构简图可以看到，采用平场凹面全息光栅的色散系统非常容易小型化，而且结构简单。只要选择出臂和入臂比较短的光栅，就可以实现色散系统的小型化和固态化。
3.2 光源系统的小型化
光源的小型化也是仪器小型化的重要组成部分，传统的紫外可见光源包括钨灯和氘灯，该类光源本身体积较大而且需要各种聚光物镜对其光束进行准直，还需要专门的驱动电路，因此总体体积较大，不适合于小型化。在实际的设计工作中我们可以采用集成的紫外可见光纤光源作为仪器的使用光源，该类光源一般集成了包括光源以及聚光系统在内的一切系统，并具有 SMA905 的标准光纤接口，而且体积较小，一个标准的光纤光源如图 2 所示[7]
该光源内部安装了钨灯和氘灯，还集成了氘灯和钨灯的供电电路，另外在底部还安装有用于散热的风扇。在光源的出口处安装有标准样品池(10mm比色皿)的支架。
技术参数如下：
光纤接口：SMA 905 插拔式标准接头;
光谱范围：200 nm - 1100nm;
尺寸：155.0 mm x 50.0 mm x 53.3 mm;
电源：12 VDC / 800 mA。
3.3 整体结构小型化
整体结构的小型化是在上述两个部分小型化的基础上对输入输出系统小型化，可以采用触摸屏作为输入输出系统，使仪器的输入和输出部分结为一体，克服传统仪器中输入与输出部分分立导致仪器体积增大的弱点。
3.4 小型化光谱仪器与传统光谱仪器的部分性能对比
(1)体积
小型化仪器的体积很小，以北京普析通用仪器有限责任公司开发的一款最新型的便携式仪器PORS-15来说，它的体积只有190×170×100mm3。而传统仪器,以北京普析通用仪器有限责任公司的产品 TU1901 为例，它的体积是前者的近 6 倍。
(2) 结构、工作速度与工作方式
小型化仪器可以在现场工作，同时由于其采用光纤可以保证仪器能够实现远距离测量(光纤的长度决定测量距离)，采用固态多通道检测器件可以实现多波长同时在线检测以及全波段快速扫描，一般获得一幅光谱曲线最快只需要 10ms。而对于传统的仪器，它们每次只能进行单波长的测量，获得一幅光谱曲线大概需要几十秒。
(3)信噪比[8~9]
紫外可见光谱仪器的噪声有三种：探测器噪声、光子噪声和光源波动噪声(忽略多通道探测器的暗电流噪声)，它们相互之间互不影响，当分别只考虑光子噪声和光源波动噪声的时候，采用固态多通道检测器件的现代紫外可见光谱仪器的信噪比是采用光电倍增管的传统紫外可见光谱仪器的信噪比的 倍，其中N = 通道个数，前者比后者具有更高的信噪比。
当只考虑探测器噪声的时候,采用固态多通道检测器件的现代紫外可见光谱仪器的信噪比与采用光电倍增管的传统紫外可见光谱仪器的信噪比的比值为,其中:t=测量时间;N=通道个数;Nr=探测器的读出噪声; Rd= 光电倍增管的暗电流率。二者信噪比的比值是一个时间的函数,随着时间的增加而增加。
从以上的分析我们可以得出结论,采用固态多通道检测器件的小型化紫外可见光谱仪器具有更高的信噪比,同时表明该类仪器更加适合于微弱信号的检测。
(4) 灵敏度[8~9]
当信噪比为 2 时,采用光电倍增管的单通道传统紫外可见光谱仪器的灵敏度为 ,采用固态多通道检测器件的现在紫外可见光谱仪器的灵敏度为,其中:Rd=光电倍增管的平均暗电流率,1=光电倍增管的量子效率(QE),2=固态多通道检测器件的量子效率(QE),Nr=读出噪声,t=测量时间。我们可以看到采用固态多通道检测器件的现代紫外可见光谱仪器的灵敏度是时间t 的函数,随着时间的增加而不断的缩小,也就是灵敏度在不断的提高,这与该类器件是积分器件有关系。因此该类仪器更适合于长时间的积分进行微弱信号的测量(如荧光测量),这是传统光谱仪器所无法比拟的。
(5) 光谱带宽
该指标是两种仪器相差最大的部分，传统紫外可见光谱仪器的光谱带宽可以达到 0.1nm。而据目前所有的资料显示，还没有任何采用固态多通道检测器件的现代小型化紫外可见光谱仪器的光谱带宽指标能够超过 1nm。下面对这个问题进行分析，我们抛开仪器的光学系统，仅从固态多通道检测器件的特点进行讨论，我们知道三个像元可以确定一个峰，因此光谱带宽的极限值可以用如下的公式(1)进行计
上式中 Hλ/2=半峰宽, λmax=仪器光谱范围的最大值, λmin=仪器光谱范围的最小值,N=多通道检测器件的像元个数。
如果我们采用的多通道检测器件的像元个数为1024个，而整个光谱波长范围是200-800nm的紫外可见阶段，则总的光谱范围是 600nm，我们将几个参数带入上式(1)可以得到 Hλ/2= 0.9nm，因此从以上的分析中我们可以看到增加像元个数是一个提高光谱带宽的好办法，当像元个数为2048 时，根据以上的计算公式光谱带宽极限值可以到达0.45nm 左右，如考虑仪器光学系统的焦距、衍射等问题，小型化的现代紫外可见光谱仪器实际可以达到的最小光谱带宽将更大些。
正是由于这一技术指标的限制,使得该类仪器目前还无法在一些对光谱带宽要求极高的场合中得到广泛的应用,如药物检测等(一般该类检测对光谱带宽要求小于0.5nm)。因此如何提高该技术指标是当前研究的重点。
4 小 结
本文介绍了紫外可见光谱仪器的小型化发展方向以及紫外可见光谱仪器小型化过程中的关键技术，其中关键技术主要包括色散系统小型化、光源小型化和输入输出系统小型化等。对比分析了采用固态多通道检测器件的小型化现代紫外可见光谱仪器与采用光电倍增管的传统紫外可见光谱仪器，分析结果表明，前者在信噪比、灵敏度、机械结构、测量速度和方式上具有很大的优势，但是在光谱带宽方面存在着不足，如何提高该类仪器的光谱带宽是今后工作的重点。
参考文献
[1] 陈捷光,范世福.光学式分析仪器,机械工业出版社,1989
[2] Abdallah, S.; Saleh, B.; Aboulsoud, A.K.; A general overview of solid stateimaging sensors types; Third Workshop on PhotoNIcs and Its Applicationat Egyptian Engineering Faculties and Institutes, 2002: 1~10 [3] 万峰,范世福.光谱分析用多通道检测器的工作原理和选用，分析仪器,2003,1:19~22
[4] Catalog for Spectrophotometers, Agilent Inc., 2000
[5] Fumio Masuda, Hideyuki Noda, Takeshi Namioka.Design and Perfor-manceofToroidalHolographicGratings,分光研究,1978,27(3):211~223
[6] Sokolova, Elena; Holographic diffraction gratings for flat field spectrometers;Journal of Modern Optics, 2000, 47(13): 2377~2389
[7] Catalog for Light Sources, Oceanoptics Inc., 2003
[8] J.D. Winefordner, R. Avni, T.L. Chester et al, A comparison of signal-to-noise ratios for single channel methods vs multichannel methods in opticalspectroscopy, Spectrochimical Acta, 1976, 31B: 1~19
[9] R.B.Bilhorn, J.V. Sweedler, P.M.Epperson, and M.B.Denton, ChargeTransfer Device Detectors for Analytical Optical Spectroscopy - Operationand Characteristics, Applied Spectroscopy, 1987, 41(7): 1114~1136
作者简介：万峰(1971-), 长期从事分析仪器研发工作。
