光谱分析仪器

光谱分析技术及相关仪器检验实验教学中心内容提要光谱分析技术基础理论与光谱技术分类紫外-可见分光光度计荧光光谱仪原子光谱分析仪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本章目录第一节光谱分析技术基础理论与分类第二节紫外-可见分光光度计第三节荧光光谱仪第四节原子光谱分析仪第一节光谱分析技术基础理论与分类吸收光谱（absorptionspectrum）即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。光谱白光是波长400—750nm范围内的各种波长光的混合光。当它通过棱镜后，白光中各种波长的光被彼此分离开来，从而得到了各种不同颜色的单色光—光谱。单色光、复合光和互补色光（1）具有同一种波长的光，称为单色光。（2）含有多种波长的光称为复合光。（3）如果把适当颜色的两种光按一定强度比例混合可得到白光，这两种颜色的光称为互补色光。（4）白光（太阳光）：由各种单色光组成的复合光。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一、光谱分析技术的基础理论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。物质对光的选择性吸收不同的物质只对不同的、特定波长的光有较强的吸收。波长吸光度λaλbAB同一物质（溶液）不同浓度的吸收曲线吸光度波长λaC3C2C`1C3C2C1吸收曲线的讨论：1.同一种物质对不同波长的吸光度不同。吸光度最大处对应的波长成为最大波长λmax。2.不同浓度的同一种物质，其吸收曲线形状相似、λmax不变。而对于不同物质，他们的吸收曲线形状、λmax不同。3.吸收曲线可以提供物质的结构信息，并作为物质定性分析的依据之一。4.不同浓度的同一物质，在某一波长下吸光度A有差异，在λmax处吸光度A的差异最大。此特性可作为物质定量分析的依据。5.在λmax处吸光度随着浓度变化的幅度最大，所以测定最灵敏。吸收曲线是定量分析中选择入射光波长的重要依据。一、光谱分析技术的基础理论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朗伯—比尔定律当一束平行单色光照射到溶液时，光的一部份Ia被吸收，一部份It透过溶液，一部份Ir被吸收池表面反射。则入射光的强度IO应为：IO=Ia+It+Ir如果用同样质料的比色皿，则Ir基本不变，并且通常反射损失量Ir很小，其影响可以消除。则：IO=Ia+It（1）透射比TotIITIt：透过光强度；Io：入射光强度T愈大，说明溶液对光的吸收愈小。（2）吸光与透度射比T1lgAA:吸光度;T:透射比伯朗（Lambert）定律：(1760年）当试验条件及溶液浓度c一定时，吸光度A与溶液层厚度b成正比：bkIILgAto2Lambert定律适用于均匀介质。比耳（Beer）定律：（1852年）当试验条件及液层厚度b一定时，吸光度A与溶液浓度c成正比:ckIILgAto1Beer定律仅适用于单色光。朗伯—比尔定律(光吸收定律)：当用一束单色光照射吸收物质的溶液时，其吸光度与液层厚度及溶液浓度的乘积成正比cbkIILgAtok:吸光系数（摩尔吸光系数/质量吸光系数）b:溶液层厚度c:溶液的浓度（mol/L；g/L）吸光系数k(absorptivity)K为比例系数，与溶液性质、温度和入射波长有关。如果上述因素中除吸收物质外，其他因素皆固定不变时，则吸光系数只与吸收物质的性质有关，可作为该物质吸光能力大小的特征数据。当浓度以g／L表示时，称k为吸光系数，以a表示，即：当浓度以Mol/L表示时，称k为摩尔吸光系数，以ε表示，即：cbaIILgAtocbIILgAto吸光度的可加性如有一复杂试样，其中有几个组分，各组分均有其K、C、A，那么溶液的吸光度即为各组分吸光度之和。A=A1+A2+…+An=k1lc1+k2lc2+…+knlcn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。特点：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可见光第二节紫外-可见分光光度计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。第二节紫外-可见分光光度计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可见分光光度计第二节紫外-可见分光光度计722系列可见分光光度计第二节紫外-可见分光光度计SP-756P紫外可见分光光度计第二节紫外-可见分光光度计0.208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。一、紫外-可见分光光度计的基本结构和工作原理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一、紫外-可见分光光度计的基本结构和工作原理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。一、紫外-可见分光光度计的基本结构和工作原理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。一、紫外-可见分光光度计的基本结构和工作原理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。一、紫外-可见分光光度计的基本结构和工作原理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。一、紫外-可见分光光度计的基本结构和工作原理检测器工作原理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。一、紫外-可见分光光度计的基本结构和工作原理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一、紫外-可见分光光度计的基本结构和工作原理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。一、紫外-可见分光光度计的基本结构和工作原理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、影响分光光度法准确性的因素（二）杂散光的影响：有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检测器。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。二、影响分光光度法准确性的因素（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检测结果的准确性。二、影响分光光度法准确性的因素（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。二、影响分光光度法准确性的因素（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。二、影响分光光度法准确性的因素三、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。三、紫外-可见分光光度计的类型单波长单光束分光光度计0.208光源单色器吸收池检测器显示系统三、紫外-可见分光光度计的类型721型分光光度计光路图三、紫外-可见分光光度计的类型751型分光光度计光路图三、紫外-可见分光光度计的类型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