光谱分析基础(本)

1、l电磁辐射和电磁波谱l原子光谱和分子光谱l吸收、发射及散射光谱l仪器分析方法的评价l光谱分析在医学中的应用 光学光谱分析光谱分析 构成物质的分子、原子或离子经辐射能照射构成物质的分子、原子或离子经辐射能照射后物质的总能量就会发生变化，在能量相互转后物质的总能量就会发生变化，在能量相互转化的过程中产生辐射信号或引起辐射信号变化。化的过程中产生辐射信号或引起辐射信号变化。根据产生的辐射信号或引起信号变化，均可进根据产生的辐射信号或引起信号变化，均可进行光谱分析行光谱分析 以此实验手段为基础而建立分析方法的一门以此实验手段为基础而建立分析方法的一门学科，广义上都称光谱分析法学科，广义上都称光谱分析法

2、 光谱分析以测定物质发射或吸收辐射的波长光谱分析以测定物质发射或吸收辐射的波长和强度为基础。和强度为基础。 三个基本过程三个基本过程：（1 1）能源）能源( (光源光源) )提供能量；提供能量；（2 2）能量与被测物之间的相互作用；）能量与被测物之间的相互作用；（3 3）产生信号。）产生信号。 三个基本特点：三个基本特点：（1 1）所有光谱分析法均包含）所有光谱分析法均包含能量（光源）能量（光源）,被测物（样品）及被测物（样品）及信号信号；（2 2）对特定波长的谱线选择性测量，不涉及混合物分离（不）对特定波长的谱线选择性测量，不涉及混合物分离（不同于色谱分析）；同于色谱分析）；（3 3）涉及大

3、量光学元器件。）涉及大量光学元器件。1 1电磁辐射：高速穿过空间的一种能量，即光子流电磁辐射：高速穿过空间的一种能量，即光子流, ,简称为光简称为光, ,其最小单位是其最小单位是光子光子。 光子的能量与其波长关系为：光子的能量与其波长关系为： E = h = h c / = h c c：光速光速2.99791010cm*s-1；：频率；频率；E ：能量；：能量； h：普朗克常数：普朗克常数6.62610-34J*s2 2 产生一定能量的波长计算为：产生一定能量的波长计算为： = h c / El3波长单位波长单位: m:1 dm:0.1 lcm:0.01 mm:001 m:10-6lnm:10

4、-9 pm:10-12.l不同波谱区的波长往往采用的单位不一不同波谱区的波长往往采用的单位不一样。样。l ：波数：每厘米中所含波的数目，等于：波数：每厘米中所含波的数目，等于波长的倒数：波长的倒数： =1/ 。4 普朗克观点：普朗克观点：1），物质吸收或发射辐射能量不连续的（量子化）。），物质吸收或发射辐射能量不连续的（量子化）。 2），），物质分子或原子发生能级跃迁时，产生的辐射能（吸物质分子或原子发生能级跃迁时，产生的辐射能（吸收或发射的能量）完全等于两个能级之间的能量差收或发射的能量）完全等于两个能级之间的能量差。 E =E1-E0= h = h c / = h c 因此，当物质发射电磁

5、辐射或者电磁辐射被物质吸收时，因此，当物质发射电磁辐射或者电磁辐射被物质吸收时，就会发生能量跃迁。就会发生能量跃迁。吸收或发射光的波长越短，跃迁时产吸收或发射光的波长越短，跃迁时产生的能量差越大生的能量差越大 例例 ：某电子在能量差为：某电子在能量差为3.375 10-19J的两能的两能级间跃迁，其吸收或发射光的波长为多少级间跃迁，其吸收或发射光的波长为多少纳米？纳米？解：解： 根据上式，有根据上式，有 = hc/ E=6.626 10-34J s 3 1010 cm s-1/3.375 10-19J =5.89 10-5cm =589nm5 依外形可分依外形可分 线光谱线光谱(Line sp

6、ectra): 由处于气相的单个原子发生电子能级跃迁所产生的由处于气相的单个原子发生电子能级跃迁所产生的锐线，线宽大约为锐线，线宽大约为10-5nm。带状光谱带状光谱(Band spectra): 由气态自由基或小分子振动由气态自由基或小分子振动-转动能级跃迁所产生的转动能级跃迁所产生的光谱，由于各能级间的能量差较小，因而产生的谱线不光谱，由于各能级间的能量差较小，因而产生的谱线不易分辨开而形成所谓的带状光谱，其带宽达几个至几十易分辨开而形成所谓的带状光谱，其带宽达几个至几十个个nm)；线光谱线光谱带光谱带光谱连续光谱连续光谱(Continuum spectra)： 包含各种波长的光，包含各种

7、波长的光，由炽热的固体、液体或由炽热的固体、液体或高压气体所发的高压气体所发的光光都形成这种光谱都形成这种光谱 。 炽热的固体所产生的连续辐射是红外、可炽热的固体所产生的连续辐射是红外、可见及较长波长的重要辐射源，常用于做光谱分见及较长波长的重要辐射源，常用于做光谱分析的光源。析的光源。 由于固体被加热到炽热状态时，无数原子由于固体被加热到炽热状态时，无数原子和分子的运动或振动产生热辐射，通常也产生和分子的运动或振动产生热辐射，通常也产生背景干扰。背景干扰。 1 范围包括：射线无线电波所有范范围包括：射线无线电波所有范围。其中能为正常人视力感受到的电磁围。其中能为正常人视力感受到的电磁范围为可

8、见光，其波长为（范围为可见光，其波长为（400780nm) 按波长顺序排列得电磁波谱。按波长顺序排列得电磁波谱。 各波谱区所具有的能量不同，其产生各波谱区所具有的能量不同，其产生的机理也各不相同。的机理也各不相同。 下面列出了电磁波谱区的波长范围和下面列出了电磁波谱区的波长范围和相应能量及跃迁能级类型相应能量及跃迁能级类型31010 3108 3106 3104 3102 3100 310-2 310-4 波数， cm-1 1021 1019 1017 1015 1013 1011 109 107 频率，Hz 10-4 10-2 100 102 104 106 108 109 波长， nm X

9、 射线 可见 微波 射线 紫外 红外 无线电 电磁辐射波谱图电磁辐射波谱图光谱类型光谱类型 波长范围波长范围 波数范围波数范围 量子跃迁类量子跃迁类型型 -射线发射光谱射线发射光谱 0.005-1.4A - 核核 X-吸收、发射、荧吸收、发射、荧光、衍射光谱光、衍射光谱 0.1-100A - 内层电子内层电子 真空紫外吸收光谱真空紫外吸收光谱 10-180 nm 1 106-5 104 外层键合电外层键合电子子 UV-Vis 吸收、发射吸收、发射及荧光光谱及荧光光谱 180-780 nm 5 104-1.3 104 外层键合电外层键合电子子 红外吸收红外吸收 拉曼散射光谱拉曼散射光谱 0.78

10、-300 m 1.3 104-33 分子振动分子振动-转转动动 微波吸收微波吸收 0.75-3.75 mm 13-27 分子转动分子转动 电子自旋共振光谱电子自旋共振光谱 3 cm 0.33 磁场中磁场中电子电子自旋自旋 核磁共振核磁共振 0.6-10 m 1.7 10-2-1 103 磁场中磁场中核自核自旋旋 2，一般依其波长及其测定的方法可以分为：，一般依其波长及其测定的方法可以分为： 射线射线(0.0051.4)； X射线射线 (0.1100)； 光学光谱光学光谱(100 1000 m)； 微波波谱微波波谱(0.1100cm)。l 通常所说的光谱，一般仅指光学光谱而通常所说的光谱，一般仅

11、指光学光谱而言。言。3单色光、复合光单色光、复合光（1）单色光：具有同一波长（或频率）的）单色光：具有同一波长（或频率）的光称为单色光。光称为单色光。（2）复合光：由不同波长的光组合而成的）复合光：由不同波长的光组合而成的光称为复合光。光称为复合光。 单色光很难从光源获得，多数光源如单色光很难从光源获得，多数光源如太阳、白炽灯和氢灯等发出的光都是复太阳、白炽灯和氢灯等发出的光都是复合光，通过适当的手段可以从复合光中合光，通过适当的手段可以从复合光中获得单色光。获得单色光。三、光谱仪器三、光谱仪器组成：光源，单色器，样品容器，检测器（光电转换器、电子读组成：光源，单色器，样品容器，检测器（光电转

12、换器、电子读 出、数据处理及记录）。出、数据处理及记录）。 光源或光源或炽热固体炽热固体样品容器样品容器分光系统分光系统光电转换光电转换信号处理器信号处理器光源灯或光源灯或激光激光样品容器样品容器分光系统分光系统光电转换光电转换信号处理器信号处理器光源光源+ +样品样品分光系统分光系统光电转换光电转换信号处理器信号处理器吸收吸收荧光荧光发射发射1、光源、光源H2灯灯 紫外光源紫外光源 D2灯灯 160-375nm W 灯灯 320-2500nm 可见光源可见光源 氙灯氙灯 250-700nm Nernst 灯灯 连续光连续光源源 红外光源红外光源 硅碳棒硅碳棒 6000-5000cm-1之之间

13、有最大强度间有最大强度 Hg 灯灯 254-734nm 金属蒸汽灯金属蒸汽灯 Na 灯灯 589.0nm， 589.6nm 空心阴极灯空心阴极灯 空心阴极灯空心阴极灯 高强度空心阴极高强度空心阴极灯灯 也称元素灯也称元素灯 红宝石激光器红宝石激光器 693.4nm He-Ne 激光器激光器 632.8nm 激光激光* Ar 离子激光器离子激光器 515.4nm， 488.0nm 直流电弧直流电弧 交流电弧交流电弧 火花火花 线光源线光源 发射光谱光发射光谱光源源 ICP 电能电能 对光源的要求对光源的要求：强度大（分析灵敏度高）、稳定（分析重现性好）。：强度大（分析灵敏度高）、稳定（分析重现性

14、好）。 *Laser=light amplification by stimulated emission of radiation 2. 分光系统分光系统（monochromator, wavelength selector）定义：将由不同波长的定义：将由不同波长的“复合光复合光”分开为一系列分开为一系列“单单一一” 波长的波长的“单色光单色光”的器件。的器件。 理想的理想的100%的单色光是不可能达到的，实的单色光是不可能达到的，实 际上只能获得的是具有一定际上只能获得的是具有一定“纯度纯度”的单色光，的单色光，即即 该该“单色光具有一定的宽度（有效带宽）。有效单色光具有一定的宽度（有效带

15、宽）。有效 带宽越小，分析的灵敏度越高、选择性越好、带宽越小，分析的灵敏度越高、选择性越好、 分析物浓度与光学响应信号的线性相关性也越分析物浓度与光学响应信号的线性相关性也越 好。好。构成：狭缝、准直镜、棱镜或光栅。构成：狭缝、准直镜、棱镜或光栅。 入射狭缝入射狭缝准直镜准直镜物镜物镜棱镜棱镜焦面焦面出射狭缝出射狭缝f入射狭缝入射狭缝准直镜准直镜光栅光栅物镜物镜出射狭缝出射狭缝f其中最主要的分光原件为棱镜和光栅。其中最主要的分光原件为棱镜和光栅。 3. 试样装置：试样装置：1）吸收池（）吸收池（Sample container，Cell，Cuvette）盛放试样的吸收池由光透明材料制成。盛放试

16、样的吸收池由光透明材料制成。v 石英或熔融石英：紫外光区石英或熔融石英：紫外光区可见光区可见光区；v 玻璃：可见光区（玻璃：可见光区（350-2000nm）；）；v 透明塑料：可见光区（透明塑料：可见光区（350-2000nm）；）；v 盐窗（盐窗（NaCl, NaBr晶体）：红外光区。晶体）：红外光区。 2）其它特殊装置：将在原子光谱中详细介绍）其它特殊装置：将在原子光谱中详细介绍4. 4. 检测器：光电转换器检测器：光电转换器（Transducer）1 1）将光信号转化为可以测量的电信号的器件。）将光信号转化为可以测量的电信号的器件。2 2）理想的光电转换器要求：理想的光电转换器要求： 灵

17、敏度高；灵敏度高； 信背比信背比S/NS/N大；大； 暗电流小；暗电流小； 响应快且在宽的波段内响应恒定。响应快且在宽的波段内响应恒定。5.5.记录系统记录系统 将电信号处理放大并以适当的方式显示或记录下来，将电信号处理放大并以适当的方式显示或记录下来，如计算机处理。如计算机处理。 四 原子光谱和分子光谱原子光谱和分子光谱 1 1，原子光谱，原子光谱 原子中价电子处于能级最低能量状态时原子中价电子处于能级最低能量状态时，称基态。按受外界能量后，称基态。按受外界能量后( (如受到光的如受到光的照射照射) )，电子跃迁到较高或更高能级状态，电子跃迁到较高或更高能级状态，称激发态。，称激发态。 基态

18、与激发态之间能量差基态与激发态之间能量差E E1 120eV20eV，即光子能量。即光子能量。 当原子核外电子在不同能级态跃迁时，当原子核外电子在不同能级态跃迁时，产生的光谱就叫原子光谱。产生的光谱就叫原子光谱。l原子光谱为线状光谱，每条谱带对应于原子光谱为线状光谱，每条谱带对应于一定的波长。其波长负载了特定元素原一定的波长。其波长负载了特定元素原子的分析信息，作定性分析依据。谱带子的分析信息，作定性分析依据。谱带的强度则往往与样品中原子浓度大小有的强度则往往与样品中原子浓度大小有关，作为定量分析依据。关，作为定量分析依据。 2 2，分子光谱，分子光谱 ( (molecular spectru

19、m)molecular spectrum)： 在辐射能作用下分子内能级间的跃迁产生在辐射能作用下分子内能级间的跃迁产生的光谱，称为分子光谱。分子光谱包含几种的光谱，称为分子光谱。分子光谱包含几种不同能量的谱线：不同能量的谱线：电子光谱电子光谱 ， 振动光谱振动光谱 ， 转动光谱（详细内容在紫外吸收可见光谱一转动光谱（详细内容在紫外吸收可见光谱一节讨论）节讨论） 分子光谱法就是以测量分子转动能级、振动分子光谱法就是以测量分子转动能级、振动能级（包含转动）及电子能级（包含振、转）能级（包含转动）及电子能级（包含振、转）跃迁时的谱线为基础定性定量分析物质分子跃迁时的谱线为基础定性定量分析物质分子结构

20、的方法。除转动光谱外，其它分子光谱结构的方法。除转动光谱外，其它分子光谱皆为许多谱线聚集成的带状光谱。皆为许多谱线聚集成的带状光谱。1,1,吸收光谱吸收光谱: :当物质所吸收的电磁辐射能与该物质的当物质所吸收的电磁辐射能与该物质的原子核、原子或分子的两个能级间跃迁所需的能量原子核、原子或分子的两个能级间跃迁所需的能量满足满足E = E = hvhv的关系时，将产生吸收光谱的关系时，将产生吸收光谱。 M + M + hv hv M M* * 通过测量物质的通过测量物质的吸收光谱的波长吸收光谱的波长和和强度强度进行定性和进行定性和定量分析的方法叫做定量分析的方法叫做吸收光谱分析吸收光谱分析 。包括

21、原子吸收、紫外可见、红外吸收等。包括原子吸收、紫外可见、红外吸收等。 ll l l l l l。l2,2,发射光谱发射光谱l物质通过电、热或光获得能量，其粒子物质通过电、热或光获得能量，其粒子( (原子原子 离子或分子离子或分子) )从基态或低能态变为高能态原子从基态或低能态变为高能态原子或分子或分子M M* * . .高能态粒子又迅速回到低能态或基高能态粒子又迅速回到低能态或基态时释放能量从而产生发射光谱态时释放能量从而产生发射光谱( (emission emission spectrumspectrum） 。l M M* * M + M + hv hv l通过测量物质的发射光谱的波长和强度

22、进行定通过测量物质的发射光谱的波长和强度进行定性和定量分析的方法叫做发射光谱分析法。性和定量分析的方法叫做发射光谱分析法。l包括原子发射和荧光光谱包括原子发射和荧光光谱 3 荧光光谱 某些物质的分子或原子在辐射能的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，回到第一激发态，然后再以形式释放出部分能量，回到第一激发态，然后再以辐射跃迁回到基态，由此产生的光谱称为荧光光谱辐射跃迁回到基态，由此产生的光谱称为荧光光谱。 荧光光谱实质是一种发射光谱。 由原子产生的荧光光谱称为原子荧光光谱原子荧光光谱；由分子产生的荧光光谱称为分子荧光光

23、谱分子荧光光谱。l4 4 散射光谱散射光谱l当物质分子吸收了频率较低的光能后，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激发态，而只是上升到基态中较高的振动能级上去，若在动能级上去，若在10-15s10-12s返回到原返回到原能级，此时辐射出和激发光相同波长的能级，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，称为拉曼散发光波长稍长或稍短的光，称为拉曼散射。射。

24、l要达到准确测量的目的，必须了解所用要达到准确测量的目的，必须了解所用分析方法的可靠性与适用性，严格控测分析方法的可靠性与适用性，严格控测定条件，对分析方法的准确度，精密度，定条件，对分析方法的准确度，精密度，检测下限，分析空白，线性范围，基体检测下限，分析空白，线性范围，基体效应环境因素等方面作出评定效应环境因素等方面作出评定 1精密度精密度标准偏差标准偏差(standard deviation; S) 对于微量或痕量物质分析，标准偏差更能突出对于微量或痕量物质分析，标准偏差更能突出较大偏差的影响较大偏差的影响。相对标准偏差(RSD)或称变异系数 仪器分析工作中都用RSD表示分析结果的精密度

25、。Xl2 准确度：通常用绝对误差或相对误差表准确度：通常用绝对误差或相对误差表示。示。l 表示方法（表示方法（X：测量值：测量值 ：真值）：真值）l(1)绝对误差绝对误差:() =Xl(2) 相对误差相对误差(R) = / 100%l 通过多次测量已知浓度或含量的物质通过多次测量已知浓度或含量的物质（称为标准物质），得到总体平均值与（称为标准物质），得到总体平均值与标准物质含量（真实值）比较。标准物质含量（真实值）比较。 含量含量1%，准确度较差；，准确度较差； 含量在含量在0.1%1%，其准确度与化学分，其准确度与化学分析法近似；析法近似； 含量在含量在0.001%0.1%或更低时，其准或更

26、低时，其准确度优于化学分析法。确度优于化学分析法。故光谱分析适于微量和痕量分析故光谱分析适于微量和痕量分析3 灵敏度（灵敏度（Sensitivity） 反映仪器或方法识别微小浓度或含量变化的能力反映仪器或方法识别微小浓度或含量变化的能力。 影响灵敏度的因素有二：影响灵敏度的因素有二：a）校正曲线的斜率；校正曲线的斜率；b) 分析的重现性或精密度。分析的重现性或精密度。 国际纯粹与应用化学联合会国际纯粹与应用化学联合会，即即IUPAC推荐使推荐使用用“校正灵敏度校正灵敏度”或者或者“校正曲线斜率校正曲线斜率”作为衡作为衡量灵敏度高低的标准。量灵敏度高低的标准。010203040506000.10

27、.20.30.40.50.6ScS2=k2c+Sblank-2S1=k1c+Sblank-1仪器和方法的灵敏度描述仪器和方法的灵敏度描述 k1, k2分别为两条校正曲线的斜率，即灵敏度。分别为两条校正曲线的斜率，即灵敏度。未考虑测定重现性影响未考虑测定重现性影响4 检出限（检出限（Detection limit, DL）检出限：在已知置信水平，可以检测到的待测物的检出限：在已知置信水平，可以检测到的待测物的最小质量或浓度。它和分析信号（最小质量或浓度。它和分析信号（Singnal）与与 空白信号的波动（噪音空白信号的波动（噪音, Noise）有关，或者有关，或者 说与信噪比（说与信噪比（S/N

28、）有关。有关。 只有当有用的信号大于噪音信号时，仪器才有可只有当有用的信号大于噪音信号时，仪器才有可能识别有用信号，如下图所示。能识别有用信号，如下图所示。所谓检出所谓检出 ，即判定样品中存有浓度高于空白的待测，即判定样品中存有浓度高于空白的待测物质物质。sb测定次数，测定次数，nSSDL=Sb +k1 sb仪器噪音及方法检出限仪器噪音及方法检出限 K1=3时，可以认为仪器检出的最小信号值时，可以认为仪器检出的最小信号值SDL可能性为可能性为95%检出限的计算检出限的计算1 测定空白样品测定空白样品(或浓度接近空白值）或浓度接近空白值）20-30次，求其次，求其 平均值平均值 Sb 及其标准偏

29、差及其标准偏差 sb，则可分辨的最小信号则可分辨的最小信号 SDL= Sb+k1 sb2 通过校正曲线的斜率通过校正曲线的斜率k，将最小待测物信号将最小待测物信号SDL转化为转化为浓度值浓度值CDL，即即 3 经统计学的经统计学的 t 和和 z 检验，当检验，当k1=3 时，大多数情况下，时，大多数情况下，检测结果的置信度为检测结果的置信度为95%。因此上式可转换为：。因此上式可转换为：动态范围动态范围C DLLOLLOQ浓度，浓度，c响响应应信信号号S5 线性范围（线性范围（Dynamic range）CDL=检出限；检出限；LOQ (limit of quantitation)定量下限定量

30、下限, LOQ=10 s blank LOL=limt of linear response, 定量上限（定量上限（能准确地定量测定待测物质的最大浓度能准确地定量测定待测物质的最大浓度或量或量 ）。线性范围是线性范围是指信号与样品浓度呈线性的工作曲线直线部分指信号与样品浓度呈线性的工作曲线直线部分l通常把相当于通常把相当于10倍空白的标准偏差相应倍空白的标准偏差相应的浓度定为方法的线性范围的定量检测的浓度定为方法的线性范围的定量检测下限。取工作曲线中高浓度时，弯曲处下限。取工作曲线中高浓度时，弯曲处作为方法的线性范围的定量检测上限。作为方法的线性范围的定量检测上限。好的分析方法要有宽的线性范围

31、。有的好的分析方法要有宽的线性范围。有的分析方法线性范围只有一个数量级，有分析方法线性范围只有一个数量级，有的分析方法线性范围可达的分析方法线性范围可达56个数量级。个数量级。同一分析方法可用常量、微量、痕量的同一分析方法可用常量、微量、痕量的物质分析物质分析。 6 仪器分析校正方法仪器分析校正方法 所谓校正所谓校正(Calibration)，就是将仪器分析产生的各就是将仪器分析产生的各种信号与待测物浓度联系起来的过程。种信号与待测物浓度联系起来的过程。校正方法有三：校正方法有三： 标准曲线法；标准曲线法； 标准加入法；标准加入法； 内标法。内标法。 1） 标准曲线法标准曲线法（Calibration curve，Working curve, Analytical curve） 具体做法：具体做法：准确配制已知待测物浓度的系列准确配制已知待测物浓度的系列: 0 (空白空白)，c1，c2，c3，c4.；通过仪器分别测量以上各待测物的响应值通过仪器分别测量以上各待测物的响应值S0，S1，S2，S3，S4及待测物的响应值及待测物的响应值Sx；以浓度以浓度c对响应信号与对响应信号与S作图得到标准曲