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分光光度计的工作原理是利用物质的特定吸收光谱实现对实验样本的定性定量分析。依靠分光光度计进行样本分析的方法称为分光光度法 [5] 。目前，分光光度计是科研院所、高校、生物医药企业实验室的常用分析仪器之一，在对气体、液体、固体样本的定性定量检测以及分子结构分析中得到广泛的应用。根据仪器光源所提供的光谱波长范围，分光光度计可以分为紫外分光光度计、紫外—可见光分光光度计、可见光分光光度计（比色计）及红外分光光度计。
气体在连续光波的照射下会有选择性地对特定波长光线进行吸收，从而造成该波长光线在进行样本透射后光强明显减弱。吸收光线的波长由该气体分子上的电子能级、转动能级和振动能级的跃迁作用决定，这样由多个固有吸收波长组成且具有特异性的吸收谱称为该气体的吸收光谱。
气体分子轨道中价电子跃迁是分子轨道上电子受到能量激发由低能级跃迁到高能级的现象，电子在能级间跃迁所需的激发能量是固定的，这一固定能量值决定了电子所能吸收电磁波的波长。价电子跃迁的吸收光谱分布在紫外—可见光区（波长为 122～900nm）。紫外—可见光区的吸收光谱常用于共轭体系有机分子、不饱和基团以及无机配合物的定性定量分析 [6] 。
气体分子的振动、转动能级跃迁涉及原子间化学键的伸缩与键角变化以及分子本身的转动，所对应的吸收光谱处于中红外光区或远红外光区（波长为 2.5～30μm） [7] 。振动、转动能级跃迁与价电子跃迁相比所需能量较少但所涉及的能级多，所形成的吸收光谱复杂，虽然为分析带来了困难，但更能体现分子结构的细微差异，因此红外吸收光谱常用于有机物分子结构的研究以及定性定量分析。分光光度计依靠气体吸收光谱的特异性对实验样本进行定性分析，同时依据Beer-Lambert吸收定律对气体中目标组分的浓度进行检测。基于吸收光谱的气体定性定量分析如图3-5所示。
图 3-5 基于吸收光谱的气体定性定量分析
分光光度计的主要部件包括光源、单色器、吸收池、光强检测系统及辅助电子设备，其基本结构与光路设计如图3-6所示。
图3-6 分光光度计基本结构与光路设计
注：色散型红外光谱仪的吸收池和单色器位置可以对调，通过单色器的光栅棱镜进行波长扫描。
1.光源
分光光度计的光源根据所需波长涵盖范围进行选择，同时要兼顾光强的强度和稳定性。在紫外光区常选用氢灯、氘灯、氙灯等气体放电光源；可见光区一般选用钨丝灯、卤钨灯等白炽灯作为光源；而工作在红外光区的分光光度计、光谱仪选用能斯特（Nernst）灯或者硅碳棒作为光源。
2.单色器
单色器的主要作用是将所需波长的光线由光源所发出的连续光波中分离出来。分光光度计所采用的单色器通常由光栅、棱镜、滤光片构成，对射入光进行色散，然后将分离出的光经狭缝射出。由于玻璃对紫外光具有较强的吸收作用，从而影响光强，所以常采用石英材料制作单色器的光路元件。
3.吸收池
吸收池是盛放样本的容器，也是气体样本对光波进行吸收生成吸收光谱的地方，采用玻璃或者石英材料制成。通过多次反射可以使吸收池中的光路有效延长，从而使吸收更加充分。
4.光强检测系统
光强检测设备由光敏传感器及配套的放大辅助电路组成，常用于紫外—可见光分光光度计的光敏传感器有光电倍增管、光电管和光电池。光电池由两个金属层及中间的光敏材料层组成（常用半导体硒），受到光照激发后光敏材料飞逸出的电子在金属层间形成电位差，通过检测电路对光电池电位差或连通正负极后的电流进行检测从而得到照射光强。光电管也是基于光电效应的光敏传感器，由真空管中的阴阳极组成，两极间加有电位，当光照射在阴极表面的光敏材料时两极间产生电流，光电倍增管是在光电管的基础上通过二次发射极将光电效应产生的电流进行倍增的传感器设备。与紫外—可见光相比，中—远红外光区的光波能量通常较弱，因此采用真空热电偶进行光强检测。常用的还有光电二极管和热释电检测器等光敏传感器，以及检测性能更加优良的光电传感器阵列。
5.辅助电子设备
辅助电子设备的主要功能是负责传感器采样控制、信号模数转换、检测结果的记录与输出、吸收及参考光路通断时序控制、狭缝调节、单色器输出波长调节等工作。
双光路红外分光光度计的基本工作流程如图 3-7所示。由红外光源发出连续光波照射在吸收池和参考池上。光波经过装有吸入样本气体的吸收池和参考池，通过气体分子的吸收后成为载有样本信息的透射红外光。斩光器控制了吸收池透射光和参考池透射光的通断时序，使两束光交替射入单色器，单色器通过对内部棱镜和光栅的调节控制输出光的波长，并将输出光射入光强检测器。红外分光光度计的单色器通过调节内部分离元件实现输出的光线波长在目标频段内的扫描，通过对单色器输出波长及光强检测器的对应检测结果进行记录可以得到该样本气体在该频段的红外吸收光谱。
图3-7 双光路红外分光光度计的基本工作流程
传统的红外分光光度计利用单色器将吸收后的红外光分离成单色光再进行检测。而更为先进的傅里叶红外光谱仪不再需要从物理上制造单色光，在干涉仪的一次干涉周期里就可完成所有光强信息的检测与记录，通过傅里叶变换将时域信号转换为频域信号分析，在一个检测周期里就可得到整个波段的吸收光谱信息。