ExamWise
115年:藥學二(第1次)

下列光譜分析儀器，何者之激發與偵測之光徑呈直角？

AUV-Vis
BIR
Cnear-IR
DRaman

詳細解析

本題觀念：

本題考查的是光譜分析儀器的光學路徑設計 (Optical Geometry)，特別是區分「吸收光譜」與「散射/螢光光譜」在儀器配置上的差異。

在光譜儀設計中，偵測器的擺放位置取決於測量的物理現象：

  1. 吸收光譜 (Absorption Spectroscopy)：測量光通過樣品後的衰減程度。光源、樣品、偵測器通常呈直線排列 (Straight-line geometry) 或 180 度，讓未被吸收的光直接進入偵測器。
  2. 散射與螢光光譜 (Scattering & Fluorescence Spectroscopy)：測量樣品受激發後向四面八方發射的光或散射光。為了避免強烈的激發光源直接進入偵測器造成干擾，偵測器通常設置在與激發光徑呈 直角 (90度) 的位置。

選項分析

  • A. UV-Vis (紫外-可見光光譜儀)：

    • 原理：測量樣品對紫外或可見光的吸收。
    • 光徑：光源發出的光穿過樣品，偵測器位於樣品後方接收透射光。光徑呈直線 (180度)。
    • 結論：錯誤。

  • B. IR (紅外光譜儀)：

    • 原理：測量樣品對紅外光的吸收（引起分子振動轉動能階躍遷）。
    • 光徑：傳統穿透式 IR 的光源、樣品、偵測器呈直線排列。雖然現代 FTIR 可能使用反射式配件（如 ATR），但基本光學設計原理仍視為穿透吸收型，非典型的直角偵測設計。
    • 結論：錯誤。

  • C. near-IR (近紅外光譜儀)：

    • 原理：測量近紅外光區域的吸收（泛音與合頻振動）。
    • 光徑：與 UV-Vis 和 IR 類似，主要為吸收光譜，偵測透射光或反射光，標準穿透模式下為直線光徑。
    • 結論：錯誤。

  • D. Raman (拉曼光譜儀)：

    • 原理：測量光的非彈性散射 (Inelastic Scattering)。當雷射光照射樣品時，極少部分的光會發生拉曼散射，其方向是四面八方的。
    • 光徑：由於激發光（雷射）強度遠大於拉曼散射光（約 10610^6 到 101010^{10} 倍），若偵測器置於直線方向，強烈的激發光會淹沒微弱的訊號並損壞偵測器。因此，傳統拉曼光譜儀（以及螢光光譜儀）將偵測器置於與激發光束呈 直角 (90度) 的方向，以最大限度地減少激發光與瑞利散射 (Rayleigh scattering) 的干擾，提高信噪比 (S/N ratio)。
    • 結論：正確。

答案解析

本題正確答案為 D (Raman)。

詳細理由： 拉曼光譜 (Raman spectroscopy) 與螢光光譜 (Fluorescence spectroscopy) 同屬於訊號微弱且向各方向發射的技術。為了將微弱的分析訊號（散射光或螢光）從高強度的激發光源中分離出來，儀器設計上必須避免激發光直接射入單光器或偵測器。因此，標準的儀器配置是將激發光源路徑與偵測收集路徑設置為 90度直角。相比之下，UV-Vis、IR、Near-IR 皆主要基於 Beer-Lambert Law 測量光的吸收，偵測的是穿透樣品後的光，故光徑多呈直線。

(註：現代顯微拉曼光譜儀常採用 180 度背向散射幾何 (Backscattering geometry)，利用分光鏡分離激發光與訊號光，但在藥學分析儀器學的基礎教學與考題分類中，區分「吸收」與「散射/螢光」的典型特徵即是「直線」與「直角」光徑的差異。)

核心知識點

考生應掌握以下光譜儀器光徑設計原則：

  1. 直線光徑 (180°)：適用於 吸收光譜 (Absorption)。

    • 實例：UV-Vis、IR、AAS (原子吸收光譜)。
    • 目的：測量穿透光強度 (PP) 與入射光強度 (P0P_0) 的比值。

  2. 直角光徑 (90°)：適用於 發射/散射光譜 (Emission/Scattering)。

    • 實例：Raman (拉曼)、Fluorescence (螢光)、Nephelometry (散射濁度法)。
    • 目的：避免強烈激發光直接進入偵測器，降低背景雜訊 (Stray light interference)。

參考資料

  1. Skoog, D. A., Holler, F. J., & Crouch, S. R. (2017). Principles of Instrumental Analysis. Cengage Learning. (Chapter on Molecular Luminescence and Raman Spectroscopy: "The most common geometry for observing fluorescence and Raman scattering is at 90 degrees to the excitation beam to minimize the intensity of the scattered excitation radiation reaching the detector.")
  2. Microbe Notes. (2022). Raman Spectroscopy- Definition, Principle, Types, Uses. Link (Mentions 90° or 180° geometry for collection).
  3. Chemistry LibreTexts. Raman Spectroscopy. Link ("Scattered light is collected at an angle (usually 90 degrees) to the incident beam.")
了解本站架構