材料工艺基础光谱分析实验报告.doc

专业： 材料科学与工程姓名： 黄佳新 学号： 3140101117 日期： 2016.11.15地点： 曹楼222实验报告课程名称：_材料工艺基础实验_指导老师：_乔旭升_成绩：_实验名称：_光谱分析实验_实验类型：_同组学生姓名：_刘锋 唐原浩 张春雷一、实验目的和要求（必填）二、实验内容和原理（必填）三、主要仪器设备（必填）四、操作方法和实验步骤五、实验数据记录和处理六、实验结果与分析（必填）七、讨论、心得装 订 线一、实验目的 通过本实验了解紫光/可见光光度计、傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）和荧光光谱仪的基本原理、主要用途和实际操作过程。掌握玻璃透光率、薄膜吸收光谱、固体粉末红外光谱和固体发光材料荧光光谱的测试方法。学习分析影响测试结果的主要因素。二、实验原理电磁波可与多种物质相互作用。如果这种作用导致能量从电磁波转移至物质，就称为吸收。当光波与某一受体（原子、离子或分子）作用时，光子和接受体之间就存在碰撞。光子的能量可被传递给接受体而被吸收，由此产生吸收光谱。如果接受体是原子，就产生原子吸收光谱，如果接受体是分子，就产生分子吸收光谱。分子具有一系列电子能级、振动能级和转动能级，这些能级都是量子化的，只有当光子能量恰好等于两个能级的能量差时，分子才由某一较低能级E1跃迁到另一较高能级E2，从而产生分子的吸收光谱。分子包含有电子、振动和转动三种能级。通常，紫外和可见光的能量接近于某两个电子能级的能量差，故紫外与可见吸收光谱起源于价电子在电子能级的跃迁，又称电子光谱。当一束平行单色光照射到非散射的均匀介质时，光的一部分将被介质所反射，一部分被介质吸收，一部分透过介质。如果入射光强度为I0.反射光强度为Ir，吸收光强度为Ia，透过光强度为It，则有I0=Ir+Ia+It投射光强度与入射光强度之比称为透光率T=It/I0。如果入射光强度保持一定值，则透光度越大，说明光透过介质后光强度减弱的程度越小。当平行单色光束通过均质单项材料薄层时，由于光吸收，其强度减少量dI与薄层厚度dx及光束强度I成正比：-dI=-Idx, 为比例系数，也叫吸收系数。若光线射入的初始强度为I0，经过试验的厚度及介质中光程t后，射出光强度为It,则可从dI/I=-dx求出透光率：T=It/I0=exp(-t);如果考虑界面的反射损失，则对垂直入射光的透射率为:It/I0=(1-R2)exp(-t)当一束具有连续波长的红外光照射某化合物时，其分子要吸收一部分光能转变为分子的震动能量或转动能量。此时若将其透过的光用单色器进行色散，就可得到一带暗条的谱带。以红外光的波长或波数为横坐标，以吸收率或者透过率百分数为纵坐标，把该谱带记录下来，就可得到该化合物的红外吸收光谱图。不同的化合物均有标准特征谱，将实验所得的光谱与标准谱对照，就可进行分子结构的基础研究和化合组成的分析。可由吸收峰的位置和形状来推知被测物的结构，按照特征峰的强度来测定混合物中各组分的含量。当分子吸收来自光辐射的能量后，其本身就由处于稳定的基态跃迁至不稳定的激发态：M+hM*。激发态是不稳定的，寿命极短，激发态分子会迅速以向周围散热或再发射电磁波（荧光或磷光）的方式回到基态：M*M+热；M*M+荧光（或磷光）。任何能产生荧光（或磷光）的物质都具有两个特征光谱：激发光谱和发射光谱。激发光谱：荧光（或磷光）为光致发光，因此必须选择合适的激发光波长，这可通过激发光谱曲线来确定。选择荧光（或磷光）的最大发射波长为测量波长（监控波长），改变激发光的波长，测量荧光强度变化。以激发光波长为横坐标，荧光强度为纵坐标作图，即可获得激发光谱。激发光谱形状与吸收光谱形状极为相似，经校正后的激发光谱与吸收光谱不仅形状相同，而且波长位置一致。这是因为物质吸收能量的过程就是激发过程。发射光谱：将激发波长固定在最大激发波长处，然后扫描发射波长，测定不同波长处的荧光（或磷光）强度，即可得到荧光（或磷光）发射光谱。3、 仪器简介1、 日立UH5300型紫外/可见分光光度计日立公司的UH5300双光束紫外可见分光光度计，光源使用长寿命闪烁氙灯，双光束光学系统。测量光谱范围1901100nm；杂散光（S.L.），198nm（KCl）：1.0%T，220nm（NaI）：0.05%T，340nm（NaNO2）：0.05%T；波长精度0.1nm。与单光束光学系统相比，确保数据的长期稳定。使用平板终端进行操作，简便、直观的用户界面，通过无线通讯进行远程控制，灵活的操作环境，标配自动6池塔轮，增加样品通量，提高效率。2、 Nikolet IS5 型傅里叶变换红外光谱仪Themo Scientific Nikolet IS5 傅里叶变换红外光谱仪以紧凑的设计、优异的性能，配合业界倍受推崇的Omnic软件和灵活多变的采样方式。测量光谱范围8000-350cm-1;分辨率0.9cm-1;波数精确度0.01cm-1at 2000cm-1;信噪比8000:1；该仪器的整个操作过程完全由计算机控制，随机提供的窗口式操作软件，使样品测试、结果处理、图像变换、结果打印等都可在计算机中方便进行。3、 日立F2700荧光光谱仪日立公司的F-2700荧光光谱仪，测量波长范围220-730nm(选用R928 PMT到800nm),最高灵敏度S/N800:1(RMS)狭缝5nm,响应：2s,最快扫描速度12000nm/min,拥有杰出的灵敏度，宽的动态范围，易于使用，无需PC即可完成操作，也可采用PC机操作，拥有自动性能监控，大量可选附件支持个中的应用。4、 实验过程一、紫外/可见分光光度计（UH5300）测试透光率1、打开软件和紫外/可见分光光度计电源2、取两只比色皿加入去离子水（体积大约占据比色皿的80%），分别放入A位和固定处，作为参比溶液和扫描背景。3、分别将配好的40mg/L、60mg/L、80mg/L、100mg/L和未知浓度（不同浓度混合）的维生素B2溶液往比色皿中，依次分光计的1、2、3、4、5位置，盖上仪器。4、设定参数：设定测量条件： 数据模式：Abs 开始/结束波长：200nm-600nm 扫描速度：800nm/min 数据间隔：高分解 2.0nm 初始等待时间：0s 纵轴上下限：0.000 ，1.000 6联池模式选为“自动”5、 点击A位的样品，单击计算机屏幕右上角“Autozero”,光度计进行自动校零6、 设定完参数后，返回来,单击“Start”,开始样品测试7、 测试结束后，导出CSV文件，然后用excel导入数据，分隔符号选用Tab，作图分析二、荧光光谱仪（F2700）测试试样的荧光光谱1、 检查F-2700荧光光谱仪电源开关置“关”位置，光谱仪样品室内无任何样品。2、 打开光谱仪主机电源开关，预热5分钟，按下氖灯电源（需按下一定时间，使氖灯指示灯亮），再过5分钟，打开“Run”开关（“Run”指示灯亮）。3、 打开计算机开关，进入荧光光谱仪的控制窗口，仪器进入测试状态。4、 打开样品室，将待测试样放入光谱仪的样品室，关上样品室。5、 为了测定样品的激发光谱，在荧光光谱仪控制窗口的“Method”,分别设置“General;Measure;Wavelength Scan”、“EM WL”、“EX Start WL”、“EX End WL”等参数。注意若设定接收波长为xnm,则发射波长范围不能包括x的1/n,若设定激发波长为ynm,则接收波长范围不能包括x的n倍。6、 设置完成后，点击“Measure”键，仪器开始测定样品的激发光谱。7、 根据所得的激发光谱，确定最大强度的激发光波长8、 由以上确定的荧光波长，在“Method”中设置相应的参数，测量样品的发射光谱9、 根据发射光谱，再次调节，直至发射光谱和激发光谱最大强度的波段基本相对应，保存实验结果。10、 由之前确定的激发波长，分别测试40mg/L、60mg/L、80mg/L、100mg/L的维生素B2试样的发光强度。11、 保存得到的实验数据，之后进行作图分析三、维生素B2的红外吸收光谱测试1、 样品制备本实验进行固体试样的红外光谱分析采用压片法制备样品。压片法是指把固体样品分散在碱金属卤化物中并压成透明薄片来减少粒子的散射影响，同时还排除了溶剂等的吸收干扰，能一次完整地获得样品的吸收光谱，且薄片的厚度和样品浓度可用天平精确量取，便于定量分析。(1) 样品：KBr=1:20的混合物放于洁净的玛瑙研钵中，并在红外干燥灯下仔细研磨，使其颗粒在20u左右。(2) 将少量研磨好的混合物小心铲入简易压膜装置中并摊均匀，旋转螺帽尽量压紧，并在6-10MPa压力下保持2-3min，然后将螺帽旋松，观察螺母中的薄片，应为半透明状，如果不透明，则薄膜太厚，表明放入样品太多，需将压好的薄膜捣碎清理，再重新压片。2、 红外光谱测试（1） 检查Nikolet IS5 型傅里叶变换红外光谱仪，源开关置“关”位置，光谱仪样品室内无任何样品。（2） 打开计算机开关，进入windows界面（3） 打开光谱仪开关，光谱仪的电源指示灯与扫描指示灯亮，此时在计算机的Windows界面双击程序图标，进入程序窗口，扫描指示灯开始闪亮（4） 打开样品室，将压有薄膜样品的螺母放入光谱仪的样品室中，关样品室。（5） 单击collect sample图标，仪器开始对样品进行光谱测试（6） 打开样品室，取出样品，然后关上样品室，在要求进行背底测试扫描的窗口上单击OK，仪器开始背底测试扫描，同时对前面测试的样品进行自动背底扣除，在显示屏上显示的是已扣除背底的红外光谱吸收图（7） 在程序窗口的file中保存所测试的光谱图5、 实验结果分析1、 紫外/可见分光计(UH5300)测试透光率P. 以上为1-5号比色皿的维生素B2溶液，其吸收度与光波长的关系，从图中可以看出不同浓度的维生素B2溶液的最大吸收光波长都为268nm左右。而且在446nm和374nm处也出现了吸收峰，按照446nm该点的吸光度，我们可以发现维生素B2溶液的浓度与吸光度存在着一定的比例关系。此外也说明溶中有某些物质或者官能团在此波段具有较好的吸收。而在大于500nm的波段，由于能量降低，大部分光子能够透过，因此吸光度较低。 以上为吸光度（446nm）与维生素B2溶液浓度的关系图。由此图可以看出，吸光度与维生素B2溶液浓度成正比关系，即y=0.0027x+0.0075,这与“Beer-Lambert Law”相符合，而且未知溶液在446nm处的吸光度为0.18,由此推断未知溶液浓度为63.89mg/L。2、 荧光光谱仪（F-2700）测试试样的荧光光谱1. 选择荧光的最大发射波长521nm为监控波长，改变激发光的波长，测量荧光强度变化，以激发波长为横坐标，荧光强度为纵坐标作图，即可获得激发光谱。装 订 线2.将激发光波长固定在371nm处，然后扫描发射波长，测量不同强度处的荧光强度，即可获得荧光发射光谱，同时发现520nm处的荧光强度最大。3. 荧光强度关于卫生毒B2浓度的关系 下图为激发光波长为371nm，接受光波长为520nm的荧光强度关于维生素B2溶液浓度的关系图。从此图可以发现荧光强度并不与浓度呈严格的正比关系，这是由于浓度较大时，激发分子与溶剂分子或者其它溶液分子相互作用，发生能量转移，导致荧光强度减弱或消失，即发生浓度猝灭现象。3、 维生素B2红外光谱分析由于400-1900nm-1处点过于密集，峰的位置比较难看出来，因此再作图如下 以上两图为维生素B2的红外光谱，根据图中红外光谱吸收峰位置，并对照提供的各个官能团的吸收峰位置，可以分析出该样品包含的官能团有：波数在3400附近的苯环特征峰；波数在14401640附近是苯环上碳原子单双键的吸收峰；波数在1150附近是羟基的特征峰，且720左右的峰值时的O-H面内弯曲振动的标志；波数在1730附近是羰基的特征峰，且为伸缩振动。在2970附近，有峰值，这源于甲基、亚甲基和次甲基的对称与不对称伸缩振动；在1490附近有强吸收，这源于C-H的面内弯曲振动，根据上面的分析，可以确定化合物中的官能团有甲基、亚甲基、次甲基、羰基、羟基和苯环。这个结果与实验样品相符合。下面查得中国药典红外光谱中维生素的红外光谱：6、 思考题1.紫外可见分光光度计进行定量分析的原理是什么，如何操作？答：根据“Beer-Lambert Law”，光被透明介质吸收的比例与入射光的强度无关，而与光穿过介质的光程以及介质的浓度有关，即It/I0=(1-R2)exp(-t) ，又和介质浓度成正比。变形得：lg(I0/It)=kct,其中lg(I0/It)为吸光度，故吸光度与介质浓度成正比关系具体操作方法是，通过标准溶液作出维生素B2溶液吸光度与浓度关系的标准曲线，再通过未知溶液所测定吸光度在标准曲线上查找，进而得到未知溶液的浓度。2. 材料的荧光强度是否与浓度成正比？答：不成正比关系，随浓度升高荧光强度偏离正比关系，会低于正比关系值。这是由于浓度较大时，激发分子与溶剂分子或者其它溶液分子相互作用，发生能量转移，导致荧光强度减弱或消失，即发生浓度猝灭现象。