光谱分析基础及紫外可见光分光光度计

主要内容光谱基础知识郎伯_比尔吸收定理紫外可见光分光光度计的原理和结构紫外可见光分光光度计的性能评价光谱(spectrum)各种颜色的波长范围/nm颜色互补色400-450紫黄绿450-480蓝黄480-490绿蓝橙490-500蓝绿红500-560绿红紫560-580黄绿紫580-610黄蓝610-650橙绿蓝650-760红蓝绿光的特征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（6.626×10-34J.s）;c为光速（2.9977×108m／s）；λ为光波的波长hchE光谱分析（spectralanalysis)：对物质发射的辐射能能谱进行的分析或对辐射能与物质相互作用引起的能谱改变进行的分析。：基于物质发射的电磁波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。光谱分析光谱分析法光谱分析基础理论吸收光谱:即物质对不同波长光的吸收程度不同而产生的光谱。其吸收光谱取决于物质的结构.包括原子吸收光谱和分子吸收光谱原子吸收光谱原理只有光子的能量与被照射物质粒子的基态和激发态能量之差相等时，才能被吸收。02EEhS2S1S0S3E2E0E1E3hhchEEE02分子吸收光谱原理物质分子内的三种运动方式：1.电子相对与原子核的运动、2.分子内原子在其平衡位置移动、3.分子本身绕其中心转动三种运动方式决定分子具有三种能级：电子能级、振动能级、转动能级分子吸收光谱原理当用可见光照射分子时，价电子可以跃迁产生吸收光谱，在电子能级变化的同时，不可避免地伴随分子振动和转动的能级变化。因此他包含了大量谱线，并由于这些谱线的重叠而成为连续的吸收带。光谱种类原子光谱：吸收、发射、荧光线状光谱黑体辐射：白炽灯、液、固灼热发光连续光谱分子光谱：紫外、可见、红外等吸收光谱带状光谱I当依次将各种波长的单色光通过某一有色溶液，测量每一波长下有色溶液对该波长光的吸收程度（吸光度A），然后以波长为横坐标，吸光度为纵坐标作图，得到一条曲线，称为该溶液的吸收曲线，亦称为吸收光谱。λmax吸光度最大处对应的波长称为最大吸收波长λmax吸收曲线讨论：（1）同一种物质对不同波长光的吸光度不同。吸光度最大处对应的波长称为最大吸收波长λmax（2）不同浓度的KMnO4溶液的光吸收曲线形状相似，其最大吸收波长不变；不同物质吸收曲线的形状和最大吸收波长均不相同。光吸收曲线与物质特性有关，故据此可作为物质定性分析的依据。（3）同一物质不同浓度的溶液，在一定波长处吸光度随溶液的浓度的增加而增大。这个特性可作为物质定量分析的依据。在测定时，只有在λmax处测定吸光度，其灵敏度最高。因此，吸收曲线是吸光光度法中选择测量波长的依据。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当用一束单色光照射到吸收溶液时，其吸光度与液层厚度及溶液的体积成正比。光谱分析技术的基础理论朗伯-比尔定律的适用条件：1.入射光为单色光。波长范围越大，单色光纯度越低，对郎伯-比尔定律的偏离越大；2.溶液中邻近分子的存在并不改变每一给定分子的特性，即分子间互不干扰。3.适用于分子吸收和原子吸收光谱分析技术的基础理论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。发散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。产生机理：物质分子或原子吸收外来能量后，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。光谱分析法吸收光谱法发射光谱法原子光谱法分子光谱法原子发射原子吸收原子荧光X射线荧光原子吸收紫外可见红外可见核磁共振紫外可见红外可见分子荧光分子磷光核磁共振化学发光原子发射原子荧光分子荧光分子磷光X射线荧光化学发光紫外－可见光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称为分光光度计。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几种常见光源比较氙灯氢灯钨灯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：1.从入射狭缝来的光线经准直镜反射，变为平行光投照到色散元件上;2.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狭缝狭缝通常有两块加工为锐边缘的金属片组成，其边缘保持平行，并处处于同一平面上。色散元件分棱镜和光栅两种铝镀面当光线进入棱镜后，由棱镜的铝反射面反射回来再进入空气，由于经过两次棱镜，其效果相当于一个顶角对折起来的600等腰棱镜。棱镜色散示意图光栅色散均匀、谱线清晰、工作波段宽是棱镜无法比拟的原指大量等宽、等间距的平行狭缝所组成的元件实际所使用的光栅多为反射型复制光栅，它是在平面玻璃上黏结上一定角度刻槽的铝反射膜而制成准直镜为一凹面反射镜若一束平行与主轴的近轴光线，射到凹面镜上时，它的反射光线将会聚于主轴焦平面上若是一束不平行与主轴的近轴光线投射到凹面镜上时，它的反射关线将会聚与凹面镜的焦平面上光的可逆性吸收池（absorptioncell）：又称比色皿，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。国际规定，液层厚度为10mm的比色皿为标准比色皿。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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检测器工作原理中央阳极式光电管工作原理玻璃泡内的一半内壁上涂以金属膜作阴极，阳极一般为一圆环形，位于玻璃泡的中央，使用时在阳极和阴极之间加上几十至几百伏的电压。在没有光照射时，光电管内无电流通过，当有光照射阴极K时，阴极便发射电子，在所加电压产生的电场的作用下，电子奔向阳极，经外回路后，又返回阴极。这样便在电路中出现了电流。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几种常用检测器比较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单波长单光束分光光度计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三、紫外-可见分光光度计的类型721型分光光度计光路图30o棱镜三、紫外-可见分光光度计的类型751型分光光度计光路图30o棱镜比值光源单色器吸收池检测器显示系统光束分裂器三、紫外-可见分光光度计的类型单波长双光束分光光度计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。三、紫外-可见分光光度计的类型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。三、紫外-可见分光光度计的类型图5双光束分光光度计结构示意图三、紫外-可见分光光度计的类型双波长分光光度计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。三、紫外-可见分光光度计的类型图6双波长分光光度计结构示意图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。双波长分光光度计的优点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。三、紫外-可见分光光度计的类型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