一、引言

在紫外可见分光光度计（UV-Vis Spectrophotometer）体系中，检测器负责将经过样品的光信号转化为电信号，是影响灵敏度、噪声水平和动态范围的核心部件。本篇文稿将从检测器的基本原理开始，系统介绍常见的检测器类型：光电阻（Photoresistor）、光电池（Photovoltaic Cell）、光电二极管（Photodiode）、光电倍增管（PMT），以及CCD/CMOS阵列和其他新兴器件，全面阐述它们的工作机制、性能特点、应用场景与优劣对比。

二、检测器的基本工作原理及参数

检测器的主要功能是将光子打到光敏材料上生成电子，并将电子转化为电流或电压输出，其核心评估参数包括：

• 响应谱：对不同波长光的灵敏度曲线；

• 量子效率（QE）：入射一个光子能获得的电子数；

• 暗电流：无光照时产生的电流；

• 噪声水平（噪声等效功率NEP/暗噪声）；

• 线性范围与动态范围；

• 响应速度；

• 工作寿命与稳定性。

三、常见检测器类型及原理

3.1 光电阻（Photoresistor）

• 结构与原理：基于半导体材料电阻随光照强度改变的特性，如硫化镉（CdS）；

• 优点：成本低，易集成；

• 缺点：响应速度慢（ms级），光谱响应范围窄，噪声大，适用于非精密检测或指示灯场合。

3.2 光电池（Photovoltaic Cell）

• 结构与原理：PN结或PIN结在光照下产生光生伏特效应，输出电压；

• 优点：无需外加偏压；

• 缺点：输出电流小，噪声相对较大，多用于便携或功耗敏感场合。

3.3 光电二极管（Photodiode）

• 结构与原理：硅或其他材料的PN结，反向偏压下光生电流与光强线性；

• 优点：响应快（ns至μs级）、线性好、噪声低；

• 缺点：量子效率与波长相关，一般可见区表现优秀，紫外区需特殊材料或表面处理；

• 常见应用：单光束仪器、便携式分析仪；

3.4 光电倍增管（Photomultiplier Tube, PMT）

• 结构与原理：阴极发射光电子，经过多级二次电子倍增，输出电流极大；

• 优点：超高灵敏度（可达单光子检出）、宽光谱响应（185–900 nm），动态范围宽；

• 缺点：需高压供电（几百至上千伏）、体积大、抗光过载能力差、成本高；

• 常见应用：高端双光束或多通道光谱仪、痕量分析。

3.5 CCD/CMOS阵列检测器

• 结构与原理：将光电二极管阵列制成像素，每个像素储存电荷，通过移位传输或并行读出；

• 优点：可同时获取多波长光强，实现快速全谱扫描；集成度高，小型化；

• 缺点：暗电流和爆斑噪声需冷却或算法校正；

• 常见应用：在线光谱监测、科研用串行/并行光谱仪。

3.6 其他新兴检测器

• 光导纤维阵列：结合荧光、拉曼等技术；

• 硅光子集成芯片：未来便携光谱解决方案；

• 量子点光电探测：针对特定波长优化。

四、性能对比与应用场景

灵敏度对比：PMT > Photodiode > CCD/CMOS > Photovoltaic > Photoresistor

成本与复杂度：PMT最高，其次CCD/CMOS，Photodiode中等，Photovoltaic和Photoresistor最低。

五、误差来源与校正技术

5.1 暗电流及温漂

各检测器受温度影响不同，需冷却（CCD/CMOS）或温度补偿（PMT）以降低热噪声。

5.2 光漂移与线性失真

• Photodiode及PMT对强光过载敏感，需要设置滤光片或自动增益控制；

• 阵列检测需校正像素非均匀性。

5.3 校准方法

• 使用标准光源（钨灯、Hg灯）校正响应谱；

• 定期检测暗电流，做基线扣除；

• 使用参考通道（面阵）或双光束方法补偿光源漂移。

六、选择指南与实验设计

1. 痕量与高灵敏度：选择PMT；

2. 快速全谱获取：CCD/CMOS阵列；

3. 经济便携：Photodiode或Photovoltaic；

4. 教学演示：Photoresistor。

七、结语

检测器作为紫外分光光度计的“眼睛”，其类型与性能直接决定了仪器的灵敏度、精度和应用范围。从传统的光电二极管与光电倍增管，到现代的CCD/CMOS阵列与新兴量子点探测，技术不断迭代升级。根据实验需求、预算与性能要求，选择合适的检测器，是保证数据可靠性的关键一步。