光谱分析技术及相关仪器

1、第四章 光谱分析技术及相关仪器首 页基本要求重点难点讲授学时内容提要1 基本要求 1.1掌 握1.1.1掌握光谱分析的基本原理和紫外-可见分光光度计的基本结构和功能。1.1.2掌握荧光分析的基本原理和荧光光谱仪的组成。1.1.3掌握原子吸收分光光度计和原子发射光谱仪的基本原理和结构。1.2 熟 悉1.2.1熟悉常用紫外-可见分光光度计的调试、使用及维护。1.2.2熟悉荧光光谱仪的调试、使用及维护。1.2.3熟悉原子吸收分光光度计的性能。1.3 了 解1.3.1 了解紫外-可见分光光度计的常见故障和进展。1.3.2了解荧光光谱仪的应用方向。1.3.3了解原子光谱分析仪的应用方向。2 重点难点 2

2、.1重 点紫外-可见分光光度计的基本原理、基本结构、分类、调试及使用。荧光光谱仪的基本原理、基本结构、分类、调试及使用。原子吸收分光光度计的基本原理、基本结构及使用。2.2 难点2.2.1 光谱的产生和分类2.2.2 光吸收定律2.2.3 紫外-可见分光光度计的基本原理和性能评价。2.2.4 荧光光谱仪的基本原理和基本结构。2.2.5 原子吸收分光光度计和原子发射光谱仪的异同。3 讲授学时 建议8学时12学时4 内容提要 4.1光谱分析技术的基础理论与光谱技术的分类4.1.1 光谱分析技术的基础理论1.光是由光量子组成的，具有二重性，即不连续的微粒和连续的波动性。波长和频率是光的特征。 2.

3、光照射到物质时，可发生折射、反射和透射。根据物质结构和含量的不同，可以得当不同的吸收光谱和发射光谱。 3. 物质的吸收光谱取决于物质的结构，包括分子吸收光谱和原子吸收光谱。分子吸收光谱包括电子、振动和转动这三种光谱。原子吸收光谱通常是线状光谱，只包括外层电子跃迁吸收的能量，位于光谱的紫外区和可见光区。4物质的发射光谱有三种：线状光谱、带状光谱及连续光谱。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。线光谱是元素的固有特征，每种元素有其特有的不变的线光谱。4.1.2 光谱技术的分类利用被测定组分中的分子所产生的吸收光谱进行测定的分析方法，即分子吸

4、收法，包括可见与紫外分光光度法、红外光谱法；利用被测定组分中的分子所产生的发射光谱进行测定的分析方法，称为分子发射法，常见的有分子荧光光度法。利用被测定组分中的原子吸收光谱进行测定的分析方法，即原子吸收法；利用被测定组分中的原子发射光谱进行测定的分析方法，称为原子发射法，包括发射光谱分析法、原子荧光法、X射线原子荧光法、质子荧光法等。4.2 紫外-可见分光光度计4.2.1 紫外-可见分光光度计的基本结构紫外-可见分光光度计的基本结构由光源、单色器、样品池、检测器和放大显示系统等五部分组成。光源是提供入射光的装置，包括热辐射灯（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

5、灯）等多种。单色器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，其性能直接影响射出光的纯度，从而影响测定的灵敏度、选择性及校正曲线的线性范围。吸收池是用来盛放被测溶液的器件，同时也决定着透光液层厚度，可用塑料、玻璃、石英或熔凝石英制成。检测器是把光信号转换为电信号的装置，常用的有光电管、光电倍增管、光电二极管阵列、光电池、电荷耦合器件等。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。常用的有直读检流计、电位调节指零装置、自动记录和数字显示装置等。4.2.2 紫外-可见分光光度计的分类和各类仪器特点按其光学系统可分为单波长分光光度计（包括单光束和双光束）和双波长分光光

6、度计。1.单波长单光束分光光度计是一类结构简单，使用、维护比较方便，应用广泛的分光光度计。其设计原理和结构具有以下特点：单光束光路，从光源到试样至接收器只有一个光通道，使用中依次对参考样品和待测试样进行测定，然后将二次测定数据进行比较、计算，获得最终结果；仪器只有一个色散元件，工作波长范围较窄；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；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。2.单光束分光光度计检测的准确性不够稳定，不能用于精密分析。双光束分光光度计的光路设计在其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，作用是以一定的频率将一个光

7、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。这是目前国内外使用最多，性能较为完善的一类分光光度计。原理和结构特点：从光源到检测器有试样光路和参考光路两条通路，可同时对检测样品和参考样品进行测定，直接获得检测数据，还可自动补偿检测时因条件的随机变化（如温度变化、电源电压波动、放大器增益变化、仪器扫描、记录系统的间隙变化等）或样品中非测定组分的干扰所引起的影响，比单光束分光光度计使用更方便、准确；一般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；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

8、动化运行；可装备各种附件，光、电、机紧密结合，功能范围宽。3.双波长分光光度计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。其基本原理是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（1，2）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，然后经过检测器显示出两个波长下的吸光度差值（A=A1-A2）。只要1、2选择适当（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；而非被测物在两个波长上的吸收是相同的），A就是消除了非特征性吸收干扰（即扣除了背景吸收）的吸光度值。这样即可自动扣除背

9、景的影响。双波长分光光度计不用参比溶液，只用一个待测溶液，大大提高了检测的准确度。4.2.3 影响分光光度法准确性的因素影响因素有:单色性不纯、有杂散光、吸收池质量不好或使用保管不善、电压不稳、检测器负高压波动以及其他一些因素如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。4.2.4紫外-可见分光光度计的性能评价指标 紫外-可见分光光度计的性能评价指标有波长准确度和波长重复性, 光度准确度,光度线性范围, 分辨率, 光谱带宽, 杂散光, 基线稳定度, 基线平直度等。4.3 荧光光谱仪4.3.1 荧光发生的机理物质的分子吸收了照射光（如紫外线）的高能量后

10、，处于基态最低能级的分子，被激发到第一电子激发态和其他电子激发态的各个振动能级。到达激发态的各个振动能级的分子，和周围的分子（如溶剂分子）碰撞，并把部分能量以热能的形式传给周围的分子，自己降落到单线第二电子激发态的最低振动能级。然后，由此最低振动能级向基态的各个振动能级跃迁，同时以发光的形式释放出其能量。简言之，物质经高能量射线激发后，所发出的比原激发光波较长的可见光称为荧光。荧光的发生和強度与物质的分子结构有着密切的关系。4.3.2激发光谱和荧光光谱任何发射荧光的物质都具有两个特征光谱，即激发光谱和荧光光谱。它们是荧光分析中定性和定量的基础。 1.激发光谱：将激发光的光源用单色器分光，连续改

11、变激发光波长，固定荧光发射波长，测定不同波长的激发光照射下，物质溶液发射的荧光强度的变化，以激发光波长为横坐标，荧光强度为纵坐标作图，即可得到荧光物质的激发光谱。从激发光谱图上可找到发生荧光强度最强的激发波长ex。2.荧光光谱：选择ex作激发光源，并固定强度，而让物质发射的荧光通过单色器分光，测定不同波长的荧光强度。以荧光波长作横坐标，荧光强度为纵坐标作图，便得荧光光谱。荧光光谱中荧光强度最强的波长为 em 。 荧光物质的最大激发波长（ex）和最大荧光波长（em）是鉴定物质的根据，也是定量测定中所选用的最灵敏的波长。4.3.3 荧光光谱仪的工作原理和主要结构 对于某一荧光物质的稀溶液，在激发光

12、的频率、强度以及液层厚度不变时，此荧光物质所发出的荧光强度与溶液的浓度成正比关系。由此可以通过测定荧光强度来求出该物质的含量。荧光分析法和紫外、原子吸收分析方法有本质的不同。它所测量的是待测物质所发射的荧光强弱，而不是物质对光谱的吸收强弱，属于发射光谱分析。 荧光分光光度计的结构包括五个基本部分： 激光光源：用来激发样品中荧光分子产生荧光。常用汞弧灯、氢弧灯及氘灯等，目前荧光分光光度计以用氘灯为多。 单色器：用来分离出所需要的单色光。仪器中具有两个单色器，一是激发单色器，用于选择激发光波长；二是发射单色器，用于选择发射到检测器上的荧光波长。 样品池：放置测试样品，

13、用石英做成。检测器：作用是接受光信号，并将其转变为电信号。记录显示系统：检测器出来的电信号经过放大器放大后，由记录仪记录下来，并可数字显示和打印。4.3.4荧光光谱仪的应用荧光光谱仪的主要用途包括：常规分析（如定性和定量分析、化学表征、色谱流出物的检测等）；获得分子信息（如测量分子内间距、决定键合平衡、研究结构变化等）；用于医药研究（如何研究膜结构和功能、确定抗体的形态、研究生物分子的异质性、评价药物的相互作用、确定酶的活性和反应、荧光免疫分析、监测体内化学过程等）；环境监测（如水和空气中污染物的鉴别和计量）等。4.4 原子光谱分析仪4.4.1 原子光谱分析仪特点与分类原子光谱分析仪具有分析速

14、度快、操作简便、选择性好、灵敏度高、测定范围广、试剂用量少等多种优点，可同时测定多种元素，一般情况下不必进行复杂的分离处理。缺点是不能同时测定多个元素，而且有些元素的测定灵敏度还有待提高。原子光谱分析仪器主要有原子吸收光谱仪、原子发射光谱仪和原子荧光光谱仪。4.4.2 原子吸收光谱仪 1原子吸收光谱仪基本工作原理是测定气态的自由原子对某种特定光谱的吸收。其结构原理与普通的分光光度计是相似的，只是用锐线光源代替了连续光源，用原子化器代替通常的吸收池。空心阴极灯或无极放电灯发生相应待测元素特征波长的射线，它穿过火焰，把试样的溶液以细粒子流的形式喷射到火焰上，部分射线被吸收。这一部分正比于试样的浓度

15、，测量吸收量将其与标准溶液进行对比，从而确定浓度。2原子吸收光谱仪基本结构由光源、原子化器、分光系统及检测系统四个主要部件组成。光源的作用是发射被测元素的特征共振辐射。应用较多的有空心阴极灯、蒸气放电灯和无极放电灯。原子化器作用是提供能量将液态试样中的待测元素干燥蒸发使之转变成原子态的蒸气。常用的有火焰原子化器和无火焰原子化器两种。分光系统作用是将所需要的共振吸收线分离出来。分光系统的关键部件是色散元件，可以是棱镜或衍射光栅。检测系统是将接收到的光信号转变成电信号，然后再经同步检波放大器放大，同时把接收到的非被测信号滤掉。放大了的被测信号进入对数变换器进行对数变换，变成线性信号，在指示仪表上显

16、示出来。3原子吸收光谱仪的性能包括波长精度、分辨率、对某个元素的特征浓度和检出限等。4.4.3 原子发射光谱仪 1原子发射光谱法是根据处于激发态的待测元素原子回到基态时发射的特征谱线对待测元素进行分析的方法。气态离子或分子受热或电激发时会发生紫外和可见光域内的特征辐射。发射光谱就是提供足够能量的光源，使试样蒸发并将各组分转变成气态原子或离子，然后引起气体中各基本粒子的电激发，被激发的原子或离子回到基态时发射出每个元素的特征谱线，研究特征谱线的波长和强度就可以对被测试样进行定性和定量分析。由于待测元素原子的能级结构不同，因此发射谱线的特征不同，据此可对样品进行定性分析；而根据待测元素原子的浓度不

17、同，因此发射强度不同，可实现元素的定量检测。有许多种激发方式可以激发光谱，最新技术常用的是火花式与ICP两种方式。2.利用试样中原子或离子所发射的特征谱线的波长或强度来检测元素的存在和含量的仪器称为原子发射光谱仪。主要有火焰光度计、火焰分光光度计、摄谱仪、光电直读光谱仪和激光显微发射光谱仪等。它们的基本原理相同，结构上略有差别。目前常用的是摄谱仪和光电直读光谱仪两类。3.摄谱仪是用光栅或棱镜做色散元件，用照相法记录光谱的原子发射光谱仪器，由光源、分光系统、检测系统三部分构成，常用的激发光源有电弧光源、电火花光源、电感耦合高频等离子体光源即ICP光源等。光学系统的作用是把样品在激发源被蒸发和激发

18、而产生的辐射光进行分光，由照明系统、准光系统、色散系统和投影系统组成。检测系统是用感光板来检测发射光谱。感光板由照相乳剂均匀地涂布在玻璃板上而成。通过测微光度计测量感光板上的照相乳剂感光后变黑的黑度以确定谱线的强度，然后与相同条件下的标准样品谱线比较，从而测定试样成分含量。摄谱仪最大特点是检测系统以感光板采用照相方式记录试样的光谱，可以把试样的谱线拍摄长期保存备查。4.用光电倍增管接收和记录谱线的方法称为光电直读法。光电直读光谱仪与摄谱仪的区别在于用光电倍增管和有关电子电路代替感光板。光电直读光谱仪分为多道直读光谱仪、单道扫描光谱仪和全谱直读光谱仪三种。前两种仪器采用光电倍增管作为检测器，后一

19、种采用固体检测器。多道直读光谱仪的优点是分析速度快，准确度优于摄谱仪；光电倍增管对信号放大能力强，可同时分析含量差别较大的不同元素；适用于较宽的波长范围。但由于仪器结构限制，多道直读光谱仪的出射狭缝间存在一定距离，使利用波长相近的谱线有困难。单道扫描光谱仪的波长选择更为灵活方便，分析样品的范围更广，适用于较宽的波长范围。但由于完成一次扫描需要一定时间，因此分析速度受到一定限制。全谱直读光谱仪不仅克服了多道直读光谱仪谱线少和单道扫描光谱仪速度慢的缺点，而且所有的元件都牢固地安置在机座上成为一个整体，没有任何活动的光学器件，因此具有较好的波长稳定性。4.4.4原子荧光光谱仪原子荧光光谱分析法是利用

20、原子荧光谱线的波长和强度进行物质的定性与定量分析的方法。在一定实验条件下，被测元素的浓度与荧光强度成正比，因而可据此对物质进行定量分析。原子荧光光谱分析法具有设备简单、灵敏度高、光谱干扰少，工作曲线线性范围宽，可以进行多元素测定等优点，应用广泛。原子荧光光谱仪分为色散型和非色散型两类，两类仪器的结构基本相似，差别在于非色散仪器不用单色器。色散型光谱仪由辐射光源、单色器、原子化器、检测器、显示和记录装置组成。辐射光源用来激发原子使其产生原子荧光，可使用连续光源或锐线光源，常用的连续光源是氙弧灯，而可用的锐线光源有高强度空心阴极灯、无极放电灯及可控温度梯度原子光谱灯和激光；单色器用来选择所需的荧光谱线，排除其他光谱线的干扰；原子化器用来将被测元素转化为原子蒸气，分为火焰、电热和电感耦合等类型；检测器用来检测光信号并转换为电信号，常用的检测器是光电倍增管；显示