光谱基础知识

光谱分析基础知识 基本概念 光学分析法是根据物质发射的电磁辐射或 电磁辐射与物质相互作用而建立起来的一类分 析化学方法 。 1 电磁辐射 电磁辐射 是高速通过空间的光子流，通常简 称为光。它具有二象性，即：波动性和粒子性。波 动性表现在光的折射、衍射和干涉等现象；粒子性 表现在光电效应等现象。 每个光子的能量 （ EL）与其频率（ ）、 波长（ ）及波数（ ）之间的关系为： EL=h= hc/= hc 式中： h为普朗克常数（ Planck constant），其 值为 6.62610-34Js; c为光速，其值为 31010 cm s-1； 为波数（ wave number），其单位为 cm-1； 为波长 （ wave length），单位为 cm。 由上式可知：电磁辐射的波长越短，其 光子的能量就越高 。 普朗克认为：物质对辐射能的吸收和发 射是 不连 续的、是量子化的。 当物质内的分子或原子发生能级跃迁 时，若以辐射能的形式传递能量，则辐射能 一定等于物质的能级变化，即： E=EL=h= hc/ 例 ： 某电子在能量差为 3.37510-19 J的两能 级间跃迁，其吸收或发射光的波长为多少纳 米？ 解： 根据 E=EL=h= hc/ 得： = hc/E =6.62610-34Js31010 cms-1/3.37510-19J =5.8910-5cm =589 nm 2. 电磁波谱 将各种电磁辐射按照波长或频率的大 小顺序排列起来即称为 电磁波谱 。 各波谱区所具有的能量不同，其产生 的机理也各不相同。 光谱 的定义 广义 ：各种电磁波辐射都叫做 光谱 。 自然界的一切物质可以与各种频率的电 磁波辐射发生相互作用，这种作用表现为对 光的吸收或吸收光后再发射出各种波长的光， 这取决于各自的特殊物质结构。 根据各种不同的物质吸收或者发射出 某一特征频率的光信号及信号强度的大小可 以实现对物质的定性与定量分析 。 光谱分析，一般依其波长及其测定的方法 可以分为： 射线（ 0.0051.4 ）； X射线（ 0.1100 ）； 光学光谱（ 100 1000 m） ； 微波波谱（ 0.1100 cm）。 狭义 ：通常所说的光谱，一般仅指 光学光谱 而言。 根据辐射能传递的情况可以分为： 吸收光谱 发射光谱（包括：发光光谱） 散射光谱（如：拉曼光谱） 波长及其测定的方法： 真空紫外光光谱： 10200 nm 近紫外光光谱： 200400 nm 可见光谱： 400800 nm 近红外光谱： 800 nm2.5 m 中红外光谱： 2.550 m 远红外光谱： 501000 m 外形 : 线状 带状 连续 电磁波辐射的本质：原子光谱和分子光谱 a. 吸收光谱 当电磁辐射通过某些物质时，物质的原 子或分子吸收与其能级跃迁相对应的能量， 由基态或低能态跃迁到较高的能态，这种基 于物质对辐射能的选择性吸收而得到的原子 或分子光谱为 吸收光谱 。 能层理论： 能层 （英语： Energy level）理论是一种解释原子核外电子 运动轨道的一种理论。它认为电子只能在特定的、分立的轨道上运动， 各个轨道上的电子具有分立的能量，这些能量值即为 能级 。电子可以在 不同的轨道间发生跃迁，电子吸收能量可以从低能级跃迁到高能级或者 从高能级跃迁到低能级从而辐射出 光子。 氢原子的能级可以由它的光谱 显示出来。 原子吸收光谱为一些暗线，分子吸收光 谱为一些暗带。 根据物质对不同波谱区辐射能的吸收， 建立了各种吸收光谱法 ，例如： 紫外 -可见 分子吸收光谱法，红外光谱法等。 b. 发射光谱 物质的分子、原子或离子接受外界能量， 使其由基态或低能态跃迁到高能态 (激发态 )， 再由高能态跃迁回低能态或基态，而产生的光 谱称为 发射光谱 。 常用的有： 原子发射光谱 和 荧光光谱 。 对于 原子发射光谱 ，由于每种元素的原子 结构不同，发射的谱线各有其特征性，可以根 据元素的特征谱线进行定性分析，根据谱线的 强度与物质含量的关系进行定量分析。 荧光光谱 实质上是一种发射光谱，它的 产生是由于某些物质的分子或原子在辐射能 作用下跃迁至激发态，在返回基态的过程 中，先以无辐射跃迁的形式释放出部分能 量，回到第一电子激发态，然后再以辐射跃 迁的形式回到基态，由此产生的光谱称为荧 光光谱。 荧光光谱分为分子荧光光谱和原子荧光 光谱。 产生荧光的原因 荧光物质的分子吸收了特征频率的光 能后，由基态跃迁到能级较高的第一电子激 发态或第二电子激发态，然后通过无辐射跃 迁返回到第一电子激发态的最低振动能级 上，再从该能级降落至基态的各个不同的振 动能级上，同时放出相应能量的分子荧光， 最后以无辐射形式回到基态的最低振动能 级。 图 3-1 吸收光谱和荧光光谱能级跃迁示意图 需要注意的是： （ 1）整个过程是在单线态之间进行的； （ 2）产生荧光的过程极快，约在 10-8秒左右 内完成； （ 3）荧光的产生是由第一电子激发态的最低 振动能级开始，而与荧光分子被激发至哪一 个能级无关。因此，荧光光谱的形状和激发 光的波长无关。 c. 散射光谱 当物质分子吸收了频率较低的光能后，并不 足以使分子中的电子跃迁到电子的激发态，而只 是上升到基态中较高的振动能级上去，若 在 10-15 s10-12 s返回到原能级，此时辐射出和激发光相 同 波长的光，称为 瑞利散射 ；若返回到较原能级 稍高或稍低的振动能级上，辐射出较激发光波长 稍长或稍短的光，称为 拉曼散射 。散射出较激发 光波长稍长的光叫 红伴线 ，散射出较激发光波长 稍短的光叫 兰伴线 。 光谱分析方法的分类 根据物质对不同波谱区辐射能的吸收和 发射，建立了不同的光谱分析方法。 紫外 -可见分子吸收光谱法 原子荧光发射光谱法 原子吸收光谱法 电感耦合等离子体原子发射光谱法 X射线原子荧光发射光谱法 光谱分析法的主要仪器设备 1. 仪器种类 （ 1） 紫外 -可见分光光度法仪器 紫外 -可见 分光光度计 （ Ultraviolet-Visible Spectrophotometer） （ 2） 原子荧光发射光谱法仪器 原 子荧光 分光光度计（ AFS) （ 3） 原子吸收分光光度法仪器 原子吸收 光谱仪 （ Atomic Absorption Spectrometer） （ 4） 原子发射光谱法仪器 电感耦合等离 子体原子发射光谱仪 （ Inductively Coupled Plasma Atomic Emission Spectrometer） （ 5） X射线原子荧光发射光谱法仪器 X 射 线原子荧光光谱仪 （ X-Ray Fluorescence Spectrometer） 各种光谱分析法在用途上各自的优势与局 限性 . 紫外 -可见分光光度法 优点 ：此法应用极其广泛，可以应用于绝 大部分无机元素的常量、微量甚至痕量分析， 也可用于无机阴离子的定量分析。在有机物和 阴离子的定性、定量分析中的应用，非其它光 谱法所能做到的。 与其它光谱仪器比较，还有一个显著的特 点是：价格便宜、易于操作和容易普及。 缺点 ：进行测定时，需一个元素一个元素 地进行分析；且大多需要显色剂；样品处 理较复杂，不如其它光谱法迅速。 . 原子荧光发射光谱法 原子荧光光度计是通过测量待测元素的原子 蒸气在辐射能激发下产生的荧光发射强度， 来确定待测元素含量的方法。气态自由原子 吸收特征波长辐射后，原子的外层电子从基 态或低能级跃迁到高能级经过约 10-8s，又 跃迁至基态或低能级，同时发射出与原激发 波长相同或不同的辐射，称为原子荧光。 优点 ： （ 1）有较低的检出限，灵敏度高。特别对 Cd、 Zn 等元素有相当低的检出限， Cd可达 0 001ngcm-3 、 Zn为 0.04ngcm-3。由于 原子荧光的辐射强度与 激发光源 成比例，采用新的高强度光源可进一步降 低其 检出限 （ 2）干扰较少，谱线比较简单，采用一些装置， 可以制成非色散原子荧光分析仪。这种仪器结构简 单，价格便宜 。 （ 3）分析校准曲线线性范围宽，可达 3 5个数量 级 。 （ 4）由于原子荧光是向空间各个方向发射的，比 较容易制作多道仪器，因而能实现多元素同时测 定。 。 原子荧光光度计仪器构造 1.激发光源 ：可用连续光源或锐线光源。常 用的连续光源是氙弧灯，常用的锐线光源是 高强度空心阴极灯、无极放电灯、激光等。 连续光源稳定，操作简便，寿命长，能用于 多元素同时分析，但检出限较差。锐线光源 辐射强度高，稳定，可得到更好的检出限 。 2、原子化器：原子荧光分析仪对原子化器 的要求与原子吸收光谱仪基本相同 。 3、光学系统：光学系统的作用是充分利用激发 光源的能量和接收有用的荧光信号，减少和除 去杂散光。色散系统对分辨能力要求不高，但 要求有较大的集光本领，常用的色散元件是光 栅。非色散型仪器的滤光器用来分离分析线和 邻近谱线，降低背景。非色散型仪器的优点是 照明立体角大，光谱通带宽，集光本领大，荧 光信号强度大，仪器结构简单，操作方便。缺 点是散射光的影响大 。 4、检测器：常用的是光电倍增管，在多元素原 子荧光分析仪中，也用光导摄象管、析象管做 检测器。检测器与激发光束成直角配置，以避 免激发光源对检测原子荧光信号的影响。 工作曲线法 先配一系列不同浓度的标准溶液并分别 测定其荧光值，然后将减去试剂空白荧光值 的标准溶液荧光值与其相应浓度作图，即得 其工作曲线。 根据试液及试液空白荧光值，在此曲线 上即可找到试液的浓度。同时根据工作曲线 的线性情况，可确定试液的最高浓度范围 。 R=0.999337 . 原子吸收光谱法 优点 ：对于一些常见金属元素 ， 例如： Cu、 Zn、 Fe、 Mn、 Ca、 Mg、 Pb、 K和 Na 等很容易测定。 缺点 ：对一些难熔金属， 例如 ： Be、 Al、 Sc、 Y、 Ti、 Zr、 Hf、 V、 Nb、 Ta、 Th、 U、 稀土元素及 B等，灵敏度不令人满意。 4. 原子发射光谱 法 优点 ：样品处理较简单，背景干扰较少， 能同时进行几十种元素的定性和定量分析。 缺点 ： 对于高含量样品（ 1 %），则准 确度较差，用于超微量 ngg-1级元素的分 析，灵敏度尚不能满足需要；对一些非金属 元素， 例如： 卤素等的测定，灵敏度很低； 仪器设备价格昂贵 ，不易普及。 5. X射线原子荧光发射光谱法 优点 ：做到无损分析；由于谱线简单、干 扰少，做众多元素定性分析十分方便；对于 化学性质相似的元素 ， 例如： 稀土、 Nb和 Ta、 Zr和 Hf、铂族元素等，不必进行复杂的 分离工作，便可成功地进行单独分析。 缺点 ：灵敏度不够高，最低一般测万分 之几的含量；需标样；仪器价格昂贵、结 构复杂、不易普及。 色谱 色谱又称色层法或层析法，是一种物理化学分析方法 ，它利用不同溶质（样品）与固定相和流动相之间的 作用力（分配、吸附、离子交换等）的差别，当两相 做相对移动时，各溶质在两相间进行多次平衡，使各 溶质达到相互分离 。 色谱法利用不同物质在不同相态 的选择性分配，以流动相对固定相中的混合物进行洗 脱，混合物中不同的物质会以不同的速度沿固定相移 动，最终达到分离的效果。 在色谱法中，静止不动的一相（固体或液体）称为固 定相（ stationary phase） ；运动的一相（一般是气 体或液体）称为流动相（ mobile phase）。 按两相 状态 : 气相色谱法 气固色谱法 气液色谱法等 按 固定相的几何 形式： 柱色谱法 纸色谱法： 纸色谱法是利用滤纸作固定液 的载体，把试样点在滤纸上，然后用溶剂 展开，各组分在滤纸的不同位置以斑点形 式显现，根据滤纸上斑点位置及大小进行 定性和 定量分析。 薄层色谱法 按分离原理 ： 吸附色谱法 分配色谱法 等 高效液相色 谱 高效 液相色谱 （ HPLC）是目前 应用最多的色谱分析方法，高效 液相色谱系统由流动相储液体 瓶、输液泵、进样器、色谱柱、 检测器和记录器组成，其整体组 成类似于气相色谱，但是针对其 流动相为液体的特点作出很多调 整。 HPLC的输液泵要求输液量恒 定平稳；进样系统要求进样便利 切换严密；由于液体流动相粘度 远远高于气体，为了减低柱压高 效液相色谱的色谱柱一般比较粗 ，长度也远小于气相色谱柱。 HPLC应用非常广泛，几乎遍及定 量定性分析的各个领域。 色谱理论 关于保留时间的 理论 保留时间 是 是指从进样开始到某一组分浓度达到最大值 所需要的时间 ， 不同的物质在不同的色谱柱上以不同的 流动相洗脱会有不同的保留时间，因此保留时间是色谱 分析法比较重要的参数 之一 保留时间由物质在色谱中的分配系数 决定 tR = t0(1 + KVs / Vm) 式中 tR表示某物质的保留时间， t0是色谱系统的死时间 ，即流动相进入色谱柱到流出色谱柱的时间，这个时间 由色谱柱的孔隙、流动相的流速等因素决定。 K为分配 系数， Vs， Vm表示固定相和流动相的体积。这个公式 又叫做色谱过程方程，是色谱学最基本的公式之一 基于热力学的