光谱分析

第四章光谱分析技术及相关仪器光谱分析（SpectralAnalysis）：指所有对物质发射辐射能的能谱分析或对辐射能与物质相互作用引起的能谱改变的分析。光谱分析法：基于物质发射的电磁辐射及电磁辐射与物质的相互作用而建立起来的分析方法。常用光谱分析仪器紫外-可见分光光度计原子吸收分光光度计红外光谱仪原子发射光谱仪荧光分析仪原子荧光分析仪等第一节光谱分析技术基础理论与分类吸收光谱（absorptionspectrum）物质对不同波长光的吸收程度不同而产生的光谱。发射光谱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。一、光谱分析技术的基础理论光的波粒二象性：微粒性波动性E为光子的能量；ν为光波的频率（Hz）；h为普朗克常数（6.626）；c为光速（2.9977×108m／s）；λ为光波的波长hchEhchEEE02S2S1S0S3E2E0E1E302EEhh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,包括分子吸收光谱和原子吸收光谱。吸收光谱取决于物质的结构。朗伯-比尔定律：I0：入射光强度C:溶液浓度b:液层厚度I:透射光强度T:透光度A:吸光度k:吸光系数kbcIIT100kbcTIIIITA1lglglglg00bI0I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。发射光谱线状光谱由原子或离子被激发而发射带状光谱由分子被激发而发射连续光谱由炙热的固体或液体所发射二、光谱分析技术的分类分子吸收法:可见与紫外分光光度法、红外光谱法分子光谱分子发射法:分子荧光光度法光谱技术原子吸收法：原子吸收法原子光谱原子发射法：发射光谱分析法、原子荧光法等第二节紫外-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。分析精密度高测量范围广分析速度快样品用量少射线x射线紫外光红外光微波无线电波10-2nm10nm102nm104nm0.1cm10cm103cm105cm可见光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：工作波段在200nm～800nm的分光光度计。其中：200nm～400nm为紫外光区。400nm～800nm为可见光区。属于分子吸收光谱仪。721可见分光光度计722系列可见分光光度计SP-756P紫外可见分光光度计TENSOR系列红外光谱仪光源单色器吸收池检测器显示系统一、紫外-可见分光光度计的基本结构和工作原理紫外-可见分光光度计的基本结构示意图光源（lightsource）：提供入射光的装置。要求:1.能在所需波长范围的光谱区域内发射连续光谱；2.有足够的辐射强度并能长时间稳定。常用的光源有热辐射灯（钨灯、卤钨灯等），气体放电灯（氢灯、氘灯及氙灯等），金属弧灯（各种汞灯）等。几种常见光源比较光源波长范围(nm)特点钨灯320~2500钨丝易蒸发，寿命短。用于可见光区卤钨灯320~2500加入卤素使用寿命延长，稳定性好氢灯185~375用于紫外区氘灯185~375发光强度比氢灯高3～5倍汞灯254~734用于紫外或荧光分析仪单色器（Monochromator）：是将来自光源的复合光分解为单色光并分离出所需波段光束的装置。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。吸收池（absorptioncell）：是用来盛放被测溶液的器件。在可见光区常用无色光学玻璃或塑料制作；在紫外区需用能透紫外线的石英或熔凝石英制作。同一套吸收池的厚度、透光面的透射、反射、折射应严格保持一致。指纹、油污及池壁上的沉淀物都会影响吸收池的透光性能。通过改进吸收池的几何形状，可提高“光程/体积比”，即尽可能延长单位体积的光程。常用的有：微型吸收池（Microdrillabsorptioncell）：“光程/体积比”提高了近10倍。多光路吸收池（Multipie-pathabsorptioncell）：在吸收池壁上装有反射镜，使光线在溶液中经多次反射后才离开吸收池，大大增加了有效光程，提高了测定的灵敏度。检测器：把光信号转换为电信号的装置。对检测器的要求：1.产生的电信号与照射到它上面的光强有恒定的函数关系；2.波长响应范围大；3.灵敏度高；4.响应速度快，一般要求小于10-8s；5.产生的电信号易于检测、放大，噪声低。检测器工作原理光照射在某些金属表面，会有光电子从金属表面逸出，这种光电效应称为外光电效应。利用外光电效应可以制成光电管和光电倍增管。光深入到物体内部，将物体内部原子中的一部分束缚电子激发成自由电子，但这些电子并不逸出物体，而是留在物体内部从而使物体导电性增强，称为内光电效应。利用内光电效应可制成光敏电阻、光敏二极管以及光电池。几种常用检测器比较检测器工作原理特点光电管外光电效应简单,灵敏度低光电倍增管外光电效应与多级二次发射体相结合灵敏度比光电管高200多倍光电二极管阵列外光电效应，由一行光敏区和二行读出寄存器构成可同时检测多个波长的光强度。寿命长、光谱响应范围宽、可靠性高、读出速度快光电池内光电效应结实、便宜、使用方便。但产生的电流大小不稳定电荷耦合器件模拟集成电路芯片能同时多谱线检测，极大地提高分析速度信号显示系统:是把放大的信号以适当的方式显示或记录下来的装置。信号显示装置直读检流计电位调节指零装置自动记录和数字显示装置二、影响分光光度法准确性的因素单色性不纯的影响杂散光的影响吸收池的影响电压、检测器负高压波动的影响其它因素的影响（一）单色性不纯的影响光的吸收定律只是在入射光为单色光的条件下成立，而通常所指的单色光是指有一定谱带宽度的光谱。由于单色器的类型和质量不同，得到的单色光纯度不同，加上使用中狭缝宽度调节不当，都可造成入射光的单色性不纯。从而使仪器读数不准，造成测量误差。（二）杂散光的影响：有两种两种原因引起的杂散光：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。（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。三、紫外-可见分光光度计的类型按其光学系统分可分为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单波长单光束分光光度计特点①单光束光路，从光源到试样至接收器只有一个光通道；②仪器只有一个色散元件，工作波长范围较窄；③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；④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。检测准确性不够稳定，不能用于精密分析。单波长单光束分光光度计光源单色器吸收池检测器显示系统721型分光光度计光路图751型分光光度计光路图单波长双光束分光光度计在出射狭缝和样品吸收池之间增加了一个光束分裂器或斩波器，用一定的频率将一个光束交替分成两路，使一路经过参比溶液，另一路经过样品溶液，然后由一个检测器交替接收或由两个匹配器分别接收两路信号。单波长双光束分光光度计特点1.从光源到检测器有试样光路和参考光路两条通路；2.采用两个光栅或棱镜加光栅的双单色器，能有效地提高分辨率和降低杂散光；3.可以自动进行波长扫描、自动记录光谱曲线，也可以外接计算机，实现自动化运行；4.可装备各种附件，功能范围宽。比值光源单色器吸收池检测器显示系统光束分裂器单波长双光束分光光度计双波长分光光度计工作原理将从同一光源发出的光分为两束，分别经两个单色器分光后得到两束不同波长（λ1，λ2）的单色光，经斩光器使两束光以一定频率交替照射同一样品，测定两个波长下的吸光度差值（ΔA=Aλ1-Aλ2），将ΔA用于计算结果。双波长分光光度计波长选择原则1.被测物在一个波长上有最大吸收峰，在另一个波长上没有吸收或很少吸收；2.非被测物在两个波长上的吸收相同。双波长分光光度计优点只要λ1、λ2选择适当，ΔA就是消除了非特征性吸收干扰的吸光度值。将ΔA用于计算结果能较好的解决由于非特征吸收信号（如试样的浑浊、吸收池与空气界面以及吸收池与溶液界面的折射差别等）影响而带来的误差，结果更准确。双波长分光光度计四、紫外-可见分光光度计性能评价指标(一)波长准确度和波长重复性(二)光度准确度(三)光度线性范围(四)分辨率(五)光谱带宽(六)杂散光(七)基线稳定度(八)基线平直度(一)波长准确度和波长重复性波长准确度是指仪器波长指示器上所示波长值与仪器此时实际输出的波长值之间的符合程度。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。波长误差来源于色散元件传动机构的运动误差、波长度盘的刻划误差、狭缝中心位置偏移和装校误差等。而波长重复性则取决于上述各种机构中间隙的稳定性。(二)光度准确度光度准确度是指仪器在吸收峰上读出的透射率或吸光度与已知真实透射率或吸光度之间的偏差。该偏差越小，光度准确度越高。光度准确度测试方法主要有标准溶液法和滤光片法。标准溶液多采用酸性重铬酸钾溶液。(三)光度线性范围指仪器光度测量系统对于照射到接收器上的辐射功率与系统的测定值之间符合线性关系的功率范围，即仪器的最佳工作范围。检测方法——溶液稀释法：配制适当浓度的溶液，按照一定的倍数逐步稀释，分别测定其吸光度，根据测得的吸光度计算吸光系数，以吸光度为横坐标，相应的吸光系数为纵坐标，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指仪器对于紧密相邻的峰可分辨的最小波长间隔，此间隔越小分辨率越高。它是分光光度计质量的综合反映。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等是影响仪器分辨率的主要因素。(五)光谱带宽光谱带宽（Spectralbandwidth）是指从单色器射出的单色光最大强度的1/2处的谱带宽度。它与狭缝宽度、分光元件、准直镜的焦距有关，可以认为是单色器的线色散率的倒数与狭缝宽度的乘积。测量方法：测量钠双线（589.0nm、589.6nm）的宽度。由于元素灯谱线本身的宽度大大小于单色器的宽度，故测得的光谱带宽可以认为就是单色器的光谱带宽。(六)杂散光除所需波长单色光以外其余所有的光都是杂散光，是测量过程中的主要误差来源，会严重影响检测准确度。可用截止滤光器测定杂散光：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，因此测定某种截止滤光器在边缘波长或某一波长的透光率，即表示杂散光的强度。(七)基线稳定度是指在不放置样品的情况下，扫描100%T或0%T时读数偏离的程度，是仪器噪声水平的综合反映。一般取最大的峰缝之间的值作为绝对噪声水平。如果基线稳定度差，光度准确度就低。(八)基线平直度是指在不放置样品的情况下，扫描100%T或0%T时基线倾斜或弯曲的程度。在高吸收时，0%线的平直度对读数的影响大；在低吸收时，100%线的平直度对读数的影响大。基