ok光谱分析技术与相关仪器分光光计

第1页/共46页第一页，编辑于星期六：十一点 一分。第一节 光谱分析技术基础理论与分类吸收光谱（absorption spectrum）即物质对不同波长光的吸收程度不同而产生的光谱。 每一种物质都有其特定的吸收光谱，可以根据物质的吸收光谱来分析物质的结构和含量，这就是吸收光谱分析的基础。发射光谱（emission spectra）是由物质分子或原子吸收了外来的能量后发生分子或原子间的能级跃迁而产生的光谱。通过测定物质的发射光谱来分析物质的结构和含量的方法称为发射光谱分析法。第2页/共46页第二页，编辑于星期六：十一点 一分。一、光谱分析技术的基础理论（一） 光的特征光是电磁波谱hchE表表1 电磁波谱电磁波谱区域区域波长范围波长范围(m)光子能量光子能量(eV)跃迁能级类型跃迁能级类型 -射线射线10-1010-21.2 1061.2 104核能级核能级X-射线射线10-1010-81.2 1041.2 102内层电子能级内层电子能级远紫外光远紫外光10-82 10-71256紫外光紫外光2 10-74 10-763.1原子及分子的价电原子及分子的价电子或键电子能级子或键电子能级可见光可见光4 10-77.6 10-73.11.7红外光红外光7.6 10-75 10-51.70.02分子振动能级分子振动能级远红外光远红外光5 10-510-32 10-24 10-4分子转动能级分子转动能级微波微波10-314 10-44 10-7无线电波无线电波11034 10-74 10-10电子自旋核自旋电子自旋核自旋第3页/共46页第三页，编辑于星期六：十一点 一分。 射线x射线紫外光红外光微波无线电波10-2 nm 10 nm 102 nm 104 nm 0.1 cm 10cm 103 cm 105 cm第4页/共46页第四页，编辑于星期六：十一点 一分。（二）物质的吸收光谱在连续光谱中某些波长的光被物质吸收后产生的光谱被称作吸收光谱。吸收光谱取决于物质的结构，包括分子吸收光谱和原子吸收光谱。物质分子内部有三种运动方式，即电子相对于原子核的运动、分子内原子在其平衡位置附近的振动和分子本身绕其中心的转动。分子能级：电子能级Ee、振动能级Ev和转动能级Er。分子光谱：电子光谱，在紫外可见光区，Ee、Ev、Er振动光谱，在红外区，Ev、Er改变转动光谱，在远红外或微波区，只有Er改变第5页/共46页第五页，编辑于星期六：十一点 一分。在一般测量中，通常采用液体样品，由于分子的相互作用及各种谱带的展宽效应，实际得到的是一个宽的吸收带。这是分子吸收光谱的特征。原子吸收光谱通常是线状光谱，只包括外层电子跃迁吸收的能量，位于光谱的紫外区和可见光区。第6页/共46页第六页，编辑于星期六：十一点 一分。(三) 光的吸收定律I=I0e- x稀溶液：I=I0e-cxI/I0=e-cx朗伯朗伯比尔比尔(Lamber-Beer)定律定律透光度(透射率) T (Transmissivity, Relative transmittance)吸光度A (Absorbency)： A=-lgT=kbc= e-ln10lgecx=10-kcb适用条件：T=I/I0=10-kcb(1) 单色光入射，(2) 溶液中溶质分子互不干扰，即稀溶液。朗伯(Lamber)定律= e-cx第7页/共46页第七页，编辑于星期六：十一点 一分。比例常数 k 称为吸光系数(absorptivity)(1) 溶液以摩尔浓度(mol/L)表示k 称为摩尔吸光系数(molar absoptivity)，用 表示(2) 溶液以百分浓度(g/L)表示k 称为比吸光系数，用 a 表示 和 a 与多种因素有关： 入射光波长、 温度、溶剂性质及吸收物质的性质等。意义：稀溶液在一定波长下测得的液层厚度为1cm的吸光度值外推至溶液浓度为1mol/L的吸光度值。意义：溶液浓度为1g/L液层厚度为lcm时在一定波长下测得的吸光度值。第8页/共46页第八页，编辑于星期六：十一点 一分。(四) 物质的发射光谱发射光谱: 物质所发射的光被光谱仪器分解而成的光谱。发射光谱有三种：(a) 线状光谱 由原子或离子被激发而发射, (b) 带状光谱 由分子被激发而发射, (c) 连续光谱 由炙热的固体或液体所发射 。 不同元素的线光谱在谱线的多少、排列位置、强度等方面都不相同，不存在任何有相同的线光谱的两种元素。发射光谱分析方法就是根据每种元素特有的线光谱来识别或检查各种元素。 物质发射光谱的产生机理：物质的分子或原子吸收了外来能量后，可从基态跃迁至激发态。处于激发态的分子或原子是不稳定的，会很快地从激发态自发回到基态，吸收的能量以发光的形式释放出来。此时发出的光谱即该物质的发射光谱。第9页/共46页第九页，编辑于星期六：十一点 一分。二、光谱技术的分类第10页/共46页第十页，编辑于星期六：十一点 一分。第二节 紫外-可见分光光度计分光光度计:能从含有各种波长的混合光中将每一单色光分离出来并测量其强度的仪器。优点：分析精密度高，测量范围广，分析速度快，样品用量少。根据使用的波长范围不同分为紫外光区、可见光区、红外光区以及万用（全波段）分光光度计等。紫外-可见分光光度计属于分子吸收光谱仪：工作波段在200nm800nm的分光光度计。其中：200nm400nm为紫外光区， 400nm800nm为可见光区。第11页/共46页第十一页，编辑于星期六：十一点 一分。721 可见分光光度计第12页/共46页第十二页，编辑于星期六：十一点 一分。722系列 可见分光光度计第13页/共46页第十三页，编辑于星期六：十一点 一分。751分光光度计第14页/共46页第十四页，编辑于星期六：十一点 一分。SP-756P紫外可见分光光度计第15页/共46页第十五页，编辑于星期六：十一点 一分。T6 新世纪（国家“十五”科技攻关成果 ）北京普析通用仪器有限责任公司 第16页/共46页第十六页，编辑于星期六：十一点 一分。一、紫外-可见分光光度计的基本结构和工作原理基本结构：光源, 单色器, 吸收池, 检测器, 放大显示系统0.208第17页/共46页第十七页，编辑于星期六：十一点 一分。1. 钨灯钨灯: 波长范围为3202500nm2. 卤钨灯卤钨灯: 提高寿命和发光效率3. 氢灯和氘灯氢灯和氘灯: 波长范围为185375nm4. 汞灯汞灯: 在254734nm范围产生一系列光谱线，用其特征谱线来校正分光光度计单色器的波长刻度。1998年，首次采用闪光氙灯作为光源。第18页/共46页第十八页，编辑于星期六：十一点 一分。(二)单色器单色器(monochromator) 是一种把来自光源的复合光分解为单色光，并分离出所需波长光束的装置。组成：入射狭缝、准直镜、色散元件、出射狭缝入射狭缝：限制杂散光进入色散元件：将复合光分解为单色光，有棱镜和光栅两种准直镜：将来自色散元件的平行光束聚集在出射狭缝上出射狭缝：将固定波长范围的光射出单色器，可以限制通带宽度。单色器的性能直接影响射出光的纯度，从而影响测定的灵敏度、选择性及校正曲线的线性范围。单色器质量好坏，主要取决于色散元件的质量。第19页/共46页第十九页，编辑于星期六：十一点 一分。棱镜单色仪光栅单色仪第20页/共46页第二十页，编辑于星期六：十一点 一分。(三)吸收池吸收池 (absorption cell) 又称为比色皿或液槽，一般由玻璃、石英或熔凝石英等材料制成，是用来盛放被测溶液和决定透光液层厚度的器件。常用吸收池光程为0.1l0cm，1cm光程吸收池最常用光程 / 体积比对测量的影响，(1) 微型吸收池(2) 多光路吸收池Akbc，提高光程 / 体积比0.2cm/ml2.0cm/ml第21页/共46页第二十一页，编辑于星期六：十一点 一分。(四)检测器在测量中须把光信号变化转换成电信号的变化才能定量测量，这种把光信号转换成电信号的装置称为光电转换器 检测器。对检测器的要求主要有： 产生的电信号必须与照射到它上面的光束的强度有恒定函数关系； 必须能对一个很大的波长范围的光具有响应，否则应用局限性大； 灵敏度要高，响应速度要快，产生的电信号要易于检测或放大且噪声要低。常用检测器：光电管、光电倍增管、光电二极管阵列、常用检测器：光电管、光电倍增管、光电二极管阵列、 光电池、电荷耦合器件。光电池、电荷耦合器件。第22页/共46页第二十二页，编辑于星期六：十一点 一分。1. 光电管光电管光电管 (phototube) 是由封装在真空封套里的一个半圆柱面形阴极和一个丝状阳极组成。阴极的凹面上有一层对光敏感的碱金属或其氧化物，受光照射可发射光电子。当在两极间加上电压时，即会产生光电流，流经负载电阻 ( 一般106109 ) 时会产生一定电压降。经放大后将信号输给指示仪表或记录仪。紫敏光电管阴极表面涂有锑和铯，适用200625nm红敏光电管阴极表面涂有银或氧化铯，适用6251000nm第23页/共46页第二十三页，编辑于星期六：十一点 一分。2. 光电倍增管光电倍增管光电倍增管(photomultiplier)是由一个光阴极和多个二次发射电极 (打拿极)和阳极所组成，其灵敏度比光电管要高得多。912个打拿级1个光电子可产生106108个电子可检10-810-9s短脉冲信号第24页/共46页第二十四页，编辑于星期六：十一点 一分。3. 光电二极管阵列光电二极管阵列光电二极管阵列 (photodiode array) 检测器为多道光检测器，可同时检测多个波长的光强度。优点: 不怕强光、耐振动、耐冲击、小型、重量轻、耗电少、寿命长、可靠性高及读出速度快等优点，不存在时间滞后现象，可应用于化学反应动力学研究。第25页/共46页第二十五页，编辑于星期六：十一点 一分。某些半导体材料受光照射时，背光面和受光面之间会产生电位差。在两面之间可检测到电流。这种光电转换元件即为光电池。4. 光电池常用的有硒光电池、硅光电池等。光电池所产生的光电流与入射光强成正比。光电池的优点是结实、便宜、使用方便。不用外接电源，只要受光照射，便能产生电流，应用起来很方便。缺点是容易受潮而使其产生的电流大小不稳定。平时保存要防潮、防光，最好用深色纸包起来放人干燥器皿中。与硒光电池相比硅光电池最大的优点是使用寿命长(可用10年以上)，几乎无疲劳现象，是很受欢迎的一种新型光电池。第26页/共46页第二十六页，编辑于星期六：十一点 一分。电荷耦合器件(charge-coupled devices，CCD)，是一种新型固体多道光学检测器件，它是在大规模硅集成电路工艺基础上研制而成的模拟集成电路芯片。它可以借助必要的光学和电路系统，将光谱信息进行光电转换、储存和传输，在其输出端产生波长强度二维信号，信号经放大和计算机处理后在末端显示器上同步显示出人眼可见的图谱，无须感光板那样的冲洗和测量黑度的过程。目前这类检测器已经在光谱分析的许多领域获得了应用。5. 电荷耦合器件第27页/共46页第二十七页，编辑于星期六：十一点 一分。(五) 信号显示系统信号显示系统是把放大的信号以适当方式显示或同时记录下来。常用的信号显示装置有直读检流计，电位调节指零装置以及自动记录和数字显示装置等。目前很多型号的分光光度计装配有计算机系统，一方面可对分光光度计进行操作控制，另一方面可将数据直接显示在CRT或液晶显示器上。并对数据进行处理、记录、打印，也可将数据上传到网络。第28页/共46页第二十八页，编辑于星期六：十一点 一分。二、影响分光光度法准确性的因素（一）单色性不纯的影响（二）杂散光的影响引起杂散光的原因1. 仪器中光学、机械零件的反射和散射等原因使所采用的测定波长的光偏离正常光路，在不通过样品的情况下直接照射到单色器。这种杂散光波长与测定波长相同；2. 由仪器的光学系统设计制作缺陷引起。如不必要的反射面、光束孔径不匹配、光学元件表面的擦痕、光学系统的像差、不均匀色散以及由于机械零部件加工不良、位置错移、仪器内壁防眩黑漆脱落等。第29页/共46页第二十九页，编辑于星期六：十一点 一分。（三）吸收池的影响由于吸收池的质量不好或使用保管不善，吸收池不配套，透光面被污染上油污、指纹、沉淀，吸收池与光路不垂直等原因都可影响捡测结果的准确性。（四）电压、检测器负高压波动的影响如果仪器电源电压波动过大，超过了仪器的稳压范围或稳压器质量不好，都可引起光源电压、检测器负高压波动，造成光源光强波动和检测器噪声增大，使捡测结果准确度降低。（五）其它因素的影响吸光度读数刻度误差、仪器安装环境（如振动、温度变化）、化学因素（如荧光、溶剂效应等）等也可影响捡测结果的准确度。第30页/共46页第三十页，编辑于星期六：十一点 一分。三、紫外可见分光光度计的类型（一）单波长单光束分光光度计按其光学系统分类单波长分光光度计单光束单波长分光光度计双光束单波长分光光度计双波长分光光度计 单光束光路，从光源到试样至接收器只有一个光通道；检测准确性不够稳定，不能用于精密分析。 仪器只有一个色散元件，工作波长范围较窄， 通常采用直接接收放大显示的简单电子系统，用电表或数字显示， 结构简单、附件少、功能范围小，不能做特殊试样如浑浊样品、不透明样品等的测定。 第31页/共46页第三十一页，编辑于星期六：十一点 一分。1. 可见分光光度计钨灯721型可见分光光度计: 自准式棱镜色散系统, 适用波长360800nm, 钨灯作为光源，指针显示。 改进型号：722， 7230等。第32页/共46页第三十二页，编辑于星期六：十一点 一分。2. 紫外-可见分光光度计751型可见分光光度计: 自准式棱镜色散系统, 适用波长200-1000nm, 可用于紫外、可见和近红外光谱测定。 光光 源源: 钨灯钨灯3201000nm，氢灯，氢灯200320nm。改进： 棱镜-光栅 指针-数码 打印 浓度换算 波长自动扫描 色散元件色散元件: 石英棱镜石英棱镜, 两个滤光片两个滤光片(365nm、580nm)，可在，可在必要时清除杂光的影响；必要时清除杂光的影响；吸吸 收收 池池: 配有石英和玻璃两种；配有石英和玻璃两种；光电转换器: 紫敏和红敏两种。第33页/共46页第三十三页，编辑于星期六：十一点 一分。（二）单波长双光束分光光度计(1) 同时测量参比池和样品池，(2) 双单色器，提高分辨率降低杂散光(3) 自动测量(4) 附件扩展功能常用型号：北京普析通用公司TU-1221型/T6，岛津UV-2501型，PE的Lambda系列及HP的8453型等。特点：第34页/共46页第三十四页，编辑于星期六：十一点 一分。(三) 双波长分光光度计为克服由于非特征吸收信号 ( 如试液混浊引起的散射，比色皿与空气界面和比色皿与溶液界面的折射差别等)影响而带来测定误差，而设计双波长分光光度计。测定高浓度试样和混浊试样以及多组分混合物的定量分析具有很大优越性，提高了测量灵敏度和准确度。第35页/共46页第三十五页，编辑于星期六：十一点 一分。四、紫外可见分光光度计的性能指标及评价 （一）波长准确度和波长重复性 (1) 波长准确度 (波长精度) ，是指仪器波长指示器上的波长值与仪器此时输出的实际波长值之间的符合程度。可用二者之差(波长误差)来衡量其准确性。波长误差来源：色散元件传动机构运动误差，波长刻度盘刻划误差 (显示误差)，狭缝中心偏移和装调误差等。测定方法，最常用低压汞灯发射谱线法，常用谱线： 579.0nm、 576.9nm、 546.1nm、 435.8nm、404.5nm、 364.9nm、 253.7nm校正指标：光栅光度计，全波段的波长误差不超过1nm 棱镜光度计，低于400nm时，不大于1nm 高于400nm时，不大于2nm第36页/共46页第三十六页，编辑于星期六：十一点 一分。(2) 波长重复性 波长重复性是指在对同一个吸收带或发射线进行多次测量时，峰值波长测量结果的一致程度。通常取测量结果的最大值与最小值之差来衡量。第37页/共46页第三十七页，编辑于星期六：十一点 一分。(二) 光度准确度光度准确度(photometric accuracy)又称测光精度，是指仪器上测得的透光度或吸光度与真实值之间的偏差，该偏差越小，准确度越高。测定方法：酸性重铬酸钾(K2Cr2O7 )法用A R ( A n a l y t i c R e a g e n t ) 级 重 铬 酸 钾1 1 0 干 燥1 h，制成两种溶液 溶液： 50mg0.5mg/L，吸光度范围0.20.7溶液：100mg1.0mg/L，吸光度范围0.41.4用0.005mol/L硫酸制成参比液第38页/共46页第三十八页，编辑于星期六：十一点 一分。(三) 光度线性范围仪器的光度线性范围，也就是仪器的最佳工作范围。在此线性范围内测得的物质的吸光系数才是一个常数。检查方法：将吸光物质配成一系列不同浓度溶液，测定吸光度，计算吸光系数，绘制吸光系数吸光度曲线，曲线的平坦区域即为仪器的线性范围。(四) 分辨率分辨率是指仪器对于紧密相邻的峰可分辨的最小波长间隔，是衡量分光光度计性能的重要指标之一。因素：单色器输出的单色光的光谱纯度、强度，以及检测器的光谱灵敏度测试方法：苯蒸气吸收光谱法=260.0nm，A=0.8，分辨率优于0.3nm第39页/共46页第三十九页，编辑于星期六：十一点 一分。（五）光谱带宽光谱带宽 (spectral band width)是指从单色器射出的单色光(实际上是一条光谱带)最大强度的1/2处的谱带宽度。与狭缝宽度、分光元件、准直镜的焦距有关。目前国际上大多用Na双线(589.0nm,589.6nm)或Hg灯的 546.1 nm 来测定其光谱带宽度。第40页/共46页第四十页，编辑于星期六：十一点 一分。（六）杂散光测量过程中的主要误差来源，严重影响测量准确度。杂散光测定：一般用截止滤光器，截止滤光器对边缘波长或某一波长的光可全部吸收，而对其它波长的光却有很高的透光率，因此测定某种截止材料在边缘波长或某一波长的透光率，即表示杂散光的强度。第41页/共46页第四十一页，编辑于星期六：十一点 一分。（七）基线稳定度是指不放置样品情况下，扫描100%T线或0%T线时读数偏离的程度。如果基线稳定度差，光度准确度就低。（八）基线平直度指不设置样品时， 扫描 100%T或0%T时， 基线倾斜或弯曲的程度。影响因素：光学系统失调、二个光束不平衡、仪器摆动或受震动等。第42页/共46页第四十二页，编辑于星期六：十一点 一分。表表4-1 几种紫外几种紫外可见分光光度计性能指标可见分光光度计性能指标第43页/共46页第四十三页，编辑于星期六：十一点 一分。五、紫外可见分光光度计常见故障和排除方法表表4-2 紫外紫外可见分光光度计常见故障和排除方法可见分光光度计常见故障和排除方法第44页/共46页第四十四页，编辑于星期六：十一点 一分。作业：1对于溶液，朗伯比尔(Lamber-Beer)定律为I/I0=e-cx，为何也可写成 I/I0=10-kcb？2紫外可见分光光度计的基本结构及各部分的功能。3何谓单光束分光光度计?双光束分光光度计?双波长分光光度计? 它们各有何特点?4 试比较721和751分光光度计的相同和不同之处。第45页/共46页第四十五页，编辑于星期六：十一点 一分。感谢您的观看。第46页/共46页第四十六页，编辑于星期六：十一点 一分。