紫外可见分光光度计基础

1、UV-VIS-NIR Spectrophotometer Sales Training基础理论和知识基础理论和知识 Chemical Analysis GroupMay 8, 2022Confidentiality Label1概览概览1. 光谱学基础2. 紫外光谱背景知识3. 分光光度计分类4. 分光光度计组件5. 分光光度计指标解读光是一种电磁波，具有波粒二相性。波动性：可用波长( )、频率()和速度（C）等来描述。光谱学基础光谱学基础 = = C C / / 式中： 为频率 C 为光速 为波长 光是一种电磁波，具有波粒二相性。粒子性：可用光量子的能量来描述光谱学基础光谱学基础 E = h

2、 = hC / 式中： E为光量子能量 h 为普朗克常数 为频率 C 为光速 为波长 光谱学基础光谱学基础X射线远紫外近紫外可见光近红外中红外远红外微波射频200nm380nm780nm2.5um10nm光谱区域：25um1mm不同波长下的光具有不同的能量，波长越短，能量越高； 特定波长的光被分子吸收后，可引起分子运动能级的跃迁。I0I低能级高能级光谱学基础光谱学基础分子能级：ON2E总E平E转E振E电E电旋E核分子的总能量包括： 平移运动的能量 分子绕自身某一轴的转动能 分子内化学键的振动能 核外电子在某个分子轨道上做轨道运动的能量 电子自旋能 原子核自旋能等；分子的能级是量子化的； 分子吸

3、收能量后，可以从低能级跃迁到高能级。光谱学基础光谱学基础低能级高能级始终EEhc能级跃迁所吸收电磁波的波长与轨道能级差之间的关系：平移运动：能级差小，近似认为连续变化，不产生光谱；分子转动：能级差一般在510-3510-2ev之间， ：24.8248um，远红外区；分子振动：能级差一般在0.051ev之间， ：1.2424.8um，近、中红外区；电子运动：能级差一般在120ev之间； ：62nm1.24um，远紫外、紫外可见和部分近红外；紫外光谱紫外光谱紫外光谱：紫外光谱：由分子中价电子的跃迁而产生。由分子中价电子的跃迁而产生。 分子中价电子经紫外或可见光照射时，电子从分子中价电子经紫外或可见

4、光照射时，电子从低能级跃迁到高能级，此时电子就吸收了相应波长低能级跃迁到高能级，此时电子就吸收了相应波长的光，这样产生的吸收光谱叫紫外光谱。的光，这样产生的吸收光谱叫紫外光谱。 紫外吸收光谱的波长范围是紫外吸收光谱的波长范围是100-400nm(100-400nm(纳米纳米), ), 其中其中100-200nm 100-200nm 为远紫外区，为远紫外区，200-400nm200-400nm为近紫外为近紫外区区, , 一般的紫外光谱是指近紫外区。一般的紫外光谱是指近紫外区。紫外光谱紫外光谱化合物价电子跃迁：可以跃迁的电子有：电子, 电子和n电子。跃迁的类型有： *, n *, *, n *。各

5、类电子跃迁的能量大小见下图：ON2紫外光谱紫外光谱紫外光谱图：是由横坐标、纵坐标和吸收曲线组成的。横坐标表示吸收光的波长，用nm（纳米）为单位。纵坐标表示吸收光的吸收强度，可以用A(吸光度)、T(透射比或透光率或透过率)、1-T(吸收率)、(吸收系数) 中的任何一个来表示。吸收曲线表示化合物的紫外吸收情况。曲线最大吸收峰的横坐标为该吸收峰的位置，纵坐标为它的吸收强度。紫外光谱紫外光谱发色团：凡能吸收紫外光或可见光而引起电子能级跃迁的基团称为发色团。主要指那些具有不饱和键或不饱和键上连有杂原子的基团，如：CC、CO紫外光谱紫外光谱发色团：紫外光谱紫外光谱助色团：当含有杂原子的饱和基团与发色团相连

6、时，吸收波长会发生较大的变化。这种含杂原子的饱和基团被称为助色团，例如：OH、NH2、OR、卤素等。紫外光谱紫外光谱助色团：紫外光谱紫外光谱红移和紫移：有机化合物的结构发生变化或测试条件发生变化时，其吸收波长向长波长方向移动的现象称为红移；其吸收波长向短波长方向移动的现象称为紫移。取代基的变更或溶剂种类的改变可引起吸收谱带的红移或紫移。紫外光谱紫外光谱增色效应和减色效应：当有机化合物的结构发生变化或溶剂改变时，在吸收峰红移或紫移的同时，常伴有吸光度A的增强或减弱，我们将吸光度增加的效应称为增色效应，将吸光度减小的效应称为减色效应。A红移紫移减色效应增色效应光度计定性分析同种物质，即使浓度不同，

7、但吸收曲线形状和max大致相同，将扫描结果与标准谱图比对，进行定性分析。紫外光谱可以提供物质的结构信息，并作为物质定性分析的依据之一。紫外定性分析紫外定性分析紫外定量分析紫外定量分析朗伯比尔定律：1760年，Lambert：如果溶液的浓度一定，则光对物质的吸收程度与它通过的溶液厚度成正比： ALg（I0/I）K0L1852年，Beer：光的吸收和光所遇到的吸光物质的数量有关；如果吸光物质溶于不吸光的溶剂中，则吸光度和吸光物质的浓度成正比。即当单色光通过液层厚度一定的有色溶液时，溶液的吸光度与溶液的浓度成正比： ALg（I0/I）K1CLambert-Beer： AK*C*LI0IL光度计定量分

8、析LambertBeer定律：I0IKCLTTIIAlg1lglg0LA： 吸光度T： 透过率K： 吸光系数C： 样品浓度L： 光程I/I0: 透射光强度/入射光强度适用范围：入射光为平行单色光吸收体系是均匀分布的连续体系光与物质的作用仅限于吸收过程，没有荧光和光化学现象吸收过程中各物质无相互作用紫外定量分析紫外定量分析光度计定量分析定量：配置不同浓度的标样，建立工作曲线。 未知浓度的样品与工作曲线比对，得到其浓度值。紫外定量分析紫外定量分析光度计大致结构光度计大致结构1. 单光束简单，价廉，适于在给定波长处测量吸光度或透光度，一般不能作全波段光谱扫描，要求光源和检测器具有很高的稳定性。光度计

9、分类光度计分类2. 双光束自动记录，快速全波段扫描。可消除光源不稳定、检测器灵敏度变化等因素的影响，特别适合于结构分析。仪器复杂，价格较高。光度计分类光度计分类3. 实时双光束消除光源变化对仪器稳定性带来的影响。检 测 器光 源rss/r样品光束参比光束检 测 器rPC光度计分类光度计分类双光束仪器实现方式双光束的几种实现方式：Mirror 1Detector 透光反光SampleReferenceMirror 2Detector 1SampleReferenceDetector 2半透半反镜光度计分类光度计分类双光束仪器实现方式经典的双光束Detector透光反光SampleReferenc

10、e透光反光光度计分类光度计分类1. 光源在整个紫外光区或可见光谱区可以发射连续光谱，具有足够的辐射强度、较好的稳定性、较长的使用寿命。钨灯（Vis）：辐射波长范围在3203300 nm，约20005000小时使用寿命。氢、氘灯（UV）：发射185400 nm的连续光谱，约5002000小时使用寿命。脉冲氙灯（UVVis）：发射1852000nm，Cary50，20000小时使用寿命。光度计光源光度计光源1. 氘灯光度计光源光度计光源氘灯（UV）：能量最高点在230nm左右； 在656.1nm和486nm具有两条特征谱线，可用于波长校准； 有3个引脚（阴极2、阳极1）对供电电流的稳定性要求很高，

11、电流波动1，光通量波动6.7，需要15分钟左右的时间预热稳定。1. 氘灯的寿命光度计光源光度计光源 451. 氘灯的稳定性光度计光源光度计光源1. 钨灯光度计光源光度计光源钨灯的强度要远高于氘灯，一般来说寿命也要长于氘灯。氘灯、钨灯在扫描的过程中自动切换。两只引脚，部分正负，可以互换。对供电电压的稳定性要求很高。电压波动1，光通量波动3.4。1. 氙灯光度计光源光度计光源脉冲氙灯特点：1. 光谱范围宽，覆盖整个紫外可见区域。1. 氙灯光度计光源光度计光源脉冲氙灯特点：2. 瞬间高能量输出1. 氙灯光度计光源光度计光源脉冲氙灯特点：3. 长寿命，Cary 50 脉冲氙灯寿命可达20000个小时。

12、1. 氙灯光度计光源光度计光源脉冲氙灯特点：4. 稳定性相对于氘灯钨灯要稍差。2. 外光路光度计外光路光度计外光路2. 外光路光度计外光路光度计外光路3. 单色器结构 将光源发射的复合光分解成单色光并可从中选出一任波长单色光的光学系统。 入射狭缝：光源的光由此进入单色器； 准光装置：透镜或返射镜使入射光成为平行光束； 色散元件：将复合光分解成单色光；聚焦装置：透镜或凹面反射镜，将分光后所得单色光聚焦至出射狭缝；出射狭缝。光栅单色器构成图光度计单色器光度计单色器3. 单色器光栅原理光度计单色器光度计单色器光栅方程：m = d (sin i +sin)对于相同的光谱级数m，以同样的入射角 i 投射

13、到光栅上的不同波长1、 2、 3组成的混合光，每种波长产生的干涉极大都位于不同的角度位置；即不同波长的衍射光以不同的衍射角出射。这就说明：对于给定的光栅，不同波长的同一级主极大或次极大都不重合，而是按照波长的次序顺序排列，形成一系列分立的谱线。这样，混合在一起入射的各种不同波长的复合光，经光栅衍射后彼此被分开了。3. 单色器滤光片轮 光度计单色器光度计单色器为了消除光栅分光产生的次级光的影响，紫外可见分光光度计都设计有多个截止滤光片，这些滤光片装在一个电机带动的滤光片轮上，当扫描到某个波长时，特定的滤光片将自动转入光路，只让某一个波段的光通过。3. 单色器 棱镜单色器 光度计单色器光度计单色器

14、单色器一般可以分为棱镜单色器和光栅单色器：3. 单色器 棱镜单色器 光度计单色器光度计单色器3. 单色器 光栅单色器 光度计单色器光度计单色器3. 单色器 光栅单色器 光度计单色器光度计单色器3. 单色器 光栅单色器 光度计单色器光度计单色器3. 单色器 光栅单色器 光度计单色器光度计单色器3. 单色器 波长驱动机构 光度计单色器光度计单色器 波长驱动机构 凸轮 / 扇形齿轮：3. 单色器 波长驱动机构 光度计单色器光度计单色器 波长驱动机构 正弦机构：4. 样品室样品室内根据测试需要可放置： 1）各种类型的吸收池和相应的池架附件； 2）固体样品架； 3）漫反射附件积分球； 4）镜面反射附件；

15、 5）光纤耦合器对样品仓要求：1）尺寸比较大，方便放置样品和各种附件；2）设计合理，更换附件时自动定位；3）密封，外部光线不能进入。光度计样品室光度计样品室4. 样品室在样品室左右两边都有窗片，以将样品室与光学仓和检测器仓分离，窗片的材质一般是石英；在光度计中，为了提高光通量，多采用反射镜而很少采用透镜；这两个窗片的材质和光源的外壳材质一样，会影响到仪器的检测波长范围，主要是做低紫外的检测时；Cary 4000/5000/6000i做低紫外检测时，可以将这两个窗片取下。光度计样品室光度计样品室5. 检测器利用光电效应将透过吸收池的光信号变成可测的电信号紫外可见分光光度计的紫外可见区的检测器主要

16、有： 硅光电池 光电二极管 光电倍增管 二极管阵列检测器近红外区的检测器主要有： PbS InGaAs光度计检测器光度计检测器5. 检测器硅光电池 光度计检测器光度计检测器光电池是一种简单的光电转换元件优点：简单、便宜、使用方便，不需要附加电源，可以直接使用；缺点：响应时间较长、有疲劳效用和温度效应、噪声较大、灵敏度不高。5. 检测器光电池光谱响应特性 光度计检测器光度计检测器硅光电池：可见区灵敏度较高，波长可以覆盖1901100nm5. 检测器光电二极管 光度计检测器光度计检测器光电二极管是一个带有反向偏置电压的半导体二极管，即电源的负极与光电二极管的正极相联，电源的负极通过负载电阻R与它的

17、负极相联。5. 检测器光电倍增管 光度计检测器光度计检测器K为光阴极，D1、D2为二次反射极（打拿极，一般设计为凹面形）、A为阳极；当有光照射到K上时，K上的光敏材料就发射光电子，这些光电子受电场加速，到达D1，由于D1的发射系数被设计成大于1，因此，有较多的二次电子被电场加速到D2，以后逐级放大，最后，在A上形成很强的光电流信号输出。5. 检测器二极管阵列检测器 光度计检测器光度计检测器特点：任何一次测试，都得到全波长下所有数据，无需光栅转动扫描。全波长扫描速度很快。5. 检测器PbS 光度计检测器光度计检测器为近红外区的检测器，波长范围可以覆盖7003300nm；灵敏度对温度比较敏感，所以

18、一般需要半导体控温。InGaAs：近红外区灵敏度要优于PbS，其工作方式类似与光电倍增管。但是波长范围比较窄：7001800nm或者7002500nm（受温度影响）。6. 电路控制、软件、结果显示系统给仪器供电，通过软件控制其操作，并将结果以指针、数字或者图表的形式显示出来。光度计数据处理光度计数据处理/显示系统显示系统波长准确度仪器对标准物质波长的实际测定值与理论值之间的差距或者是利用仪器光源（一般是氘灯，486和656.1nm）的特征发射峰作为波长的基准。氧化钬波长标准溶液光度计指标介绍光度计指标介绍波长准确度波长重复性氘灯在486nm处的峰仪器多次波长扫描结果最大值与最小值的差距。光度计指标介绍光度计指标介绍光度准确度仪器在特定波长下对标准物质A/T的实际测定值与理论值之间的差距。测试物质： 中性滤光片、K2CrO4、K2Cr2O7光度计指标介绍光度计指标介绍光度（吸光度/透过率）重复性相同条件下进行多次（一般是3次）平行测定，各平行测定结果之间最大值和最小值的差异。准确度和重复性都好才能提供准确的测试结果。光度计指标介绍光度计指标介绍基线漂移光度计开机预热2h，试样和参比都是空气，吸光度值为0Abs，对时间扫描连续测试1h，这1h内最大吸光度和最小吸光度的差。它取决于光源稳定性、电路设计和电子元器件的稳定性等。光度计指标介