光谱基础知识

1、光谱分析光谱分析基础知识基础知识 基本基本概念概念 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 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

2、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：解：根据 E=EE=EL L=h=h = hc/= hc/ 得： = hc/E =6.62610-34Js31010 cms-1/3.37510-19J =5.8910-5cm =5

3、89 nm 2. 电磁波谱电磁波谱 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。 光谱光谱的定义的定义 广义广义：各种电磁波辐射都叫做光谱光谱。 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（光

4、学光谱（100 1000 m）； 微波波谱（0.1100 cm）。 狭义狭义：通常所说的光谱，一般仅指光学光谱光学光谱 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

5、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吸收光谱。 能层理论：能层能层（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

6、子吸收光谱法，红外光谱法等。 b. 发射光谱发射光谱 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 谱称为发射光谱发射光谱。 常用的有：原子发射光谱原子发射光谱和荧光光谱荧光光谱。 对于原子发射光谱原子发射光谱，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

7、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。 产生产生荧光的原因荧光的原因 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：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；

8、（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，称为拉曼散射拉曼散射。散射出较激发 光波长稍长的光叫红伴线红伴线，散射出较激发光波长 稍短的光叫兰伴线兰伴线。 光谱分析方法的分类光谱分析方

9、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 光谱分析光谱分析法的主要仪器设备法的主要仪器设备 1. 仪器种类仪器种类 （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

10、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） 各种各种光谱分析法在用途上各自的优势与局光谱分析法在用途上各自的优势与局 限性限性 . 紫外紫外-可见分光光度法可见分光光度法 优点优点：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

11、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

12、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35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

13、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

14、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 . 原子吸收光谱法原子吸收光谱法 优点优点：对于一些常见金属元素，例如：例如： Cu、Zn、Fe、Mn、Ca、Mg、Pb、K和Na 等很容易测定。 缺点缺点：对一些难熔金属，例如例如：Be、Al、 Sc、Y、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Th、U、

15、 稀土元素及B等，灵敏度不令人满意。 4. 原子发射光谱原子发射光谱法法 优点优点：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：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射线原子荧光发射光谱法 优点优点：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：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

16、功地进行单独分析。 缺点缺点：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 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

17、气 体或液体）称为流动相（mobile phase）。 按按两相两相状态状态: 气相色谱法 气固色谱法 气液色谱法等 按按固定相的固定相的几何几何形式：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 按分离原理按分离原理： 吸附色谱法 分配色谱法 等 高效液相高效液相色色谱谱 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，

18、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。 色谱理论色谱理论 关于保留时间关于保留时间的的理论理论 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 基于热力学的基于热力学的塔板塔板理