分析仪器设计课件

1、自动化与电气工程学院自动化与电气工程学院College of Automation and Electrical EngineeringCollege of Automation and Electrical Engineering抓服务, 促教学, 兴科研!分析仪器设计分析仪器设计张印强2自动化与电气工程学院抓服务, 促教学, 兴科研!概述概述 Agilent Workflow of Criminalistics Solutions3自动化与电气工程学院抓服务, 促教学, 兴科研! 第一章第一章 概述概述分析化学的发展 分析化学是一门信息科学，它的基本目的是研究如何获取有关物质系统化学成分与

2、化学结构方面定性、定量的相关信息，它对化学科学发展的贡献极大，甚至被有些人称为 “现代化学之父”。分析化学的发展历史上已出现过三次巨大变革： 1、19世纪末20世纪初叶：由“技艺”上升到科学理论，标志工具是：天平的使用。标志工具是：天平的使用。4自动化与电气工程学院抓服务, 促教学, 兴科研!2、20世纪四十年代 20世纪八十年代： 由“分析技术科学”上升到“化学信息科 学”。标志工具是：大量电子分析仪器、标志工具是：大量电子分析仪器、 仪表的使用。仪表的使用。3、20世纪八十年代 21世纪初：由“化 学信息科学”上升到“系统信息科 学” 。标志工具是：微型计算机控制标志工具是：微型计算机控制

3、 的现代智能型分析仪器的大量使用。的现代智能型分析仪器的大量使用。 现代分析化学是一门崭新而年轻的学科，它属于与现代分析化学是一门崭新而年轻的学科，它属于与数学、电子学、物理学、计算机科学、现代信息技术数学、电子学、物理学、计算机科学、现代信息技术科学交叉发展的新学科。科学交叉发展的新学科。5自动化与电气工程学院抓服务, 促教学, 兴科研!仪器分析的内容与分类 化学分析 C Chemical Analysishemical Analysis 分析化学 仪器分析 InstrumentInstrumental Analysisal Analysis 仪器分析（instrumental analys

4、is）： 用精密分析仪器精密分析仪器测量物质的某些物理或物理化学性质以确定其化学组成、含量及化学结构的一类分析方法，又称为物理和物理化学分析法。6自动化与电气工程学院抓服务, 促教学, 兴科研!物理分析法物理分析法 (physical analysis)：根据被测物质的某种物理性质与组分的关系，不经化学反应直接进行定性或定量分析的方法。如：光谱分析等。物理化学分析法物理化学分析法 (physical-chemical analysis)：根据被测物质在化学变化中的某种物理性质与组分之间的关系，进行定性或定量分析的方法。如电位分析法等。7自动化与电气工程学院抓服务, 促教学, 兴科研!仪器分析的

5、特点和应用原则 仪器分析的主要优点如下：仪器分析的主要优点如下： 1、 灵敏度极高；灵敏度极高； 2 、选择性好，适于复杂组分试样的分析；选择性好，适于复杂组分试样的分析； 3 、分析迅速，适于批量试样的分析；分析迅速，适于批量试样的分析； 4、 适于微量、超痕量组分的测定；适于微量、超痕量组分的测定； 5、 能进行无损分析；能进行无损分析； 6 、组合能力和适应性强，能在线分析；组合能力和适应性强，能在线分析； 7 、数据的采集和处理易于自动化和智数据的采集和处理易于自动化和智 能化。能化。8自动化与电气工程学院抓服务, 促教学, 兴科研!9自动化与电气工程学院抓服务, 促教学, 兴科研!H

6、igher sensitivity, detection limit down to lower level 如样品用量由化学分析的如样品用量由化学分析的mL、mg级降级降低到仪器分析的低到仪器分析的 g、 L级，甚至更低。适合级，甚至更低。适合于微量（于微量（micro-)、痕量、痕量(trace)和超痕量和超痕量(ultratrace)成分的测定。成分的测定。 Higher selectivity 很多的仪器分析方法可以通过很多的仪器分析方法可以通过选择或调整测定的条件，使共存的组分测定时，选择或调整测定的条件，使共存的组分测定时，相互间不产生干扰。相互间不产生干扰。 Poorer rel

7、ative error 化学分析一般可用于常量化学分析一般可用于常量和高含量成分分析，准确度较高，误差小于千和高含量成分分析，准确度较高，误差小于千分之几。多数仪器分析相对误差略大（约分之几。多数仪器分析相对误差略大（约1 5%）多数不适用于常量和高含量成分分析。）多数不适用于常量和高含量成分分析。10自动化与电气工程学院抓服务, 促教学, 兴科研!概述概述 第一节第一节 过程控制与成分分析过程控制与成分分析1. 能量流、材料流和信息流能量流、材料流和信息流2. 流程工业流程工业 3. 流程工业的自动化水平与过程控制 四大特点：多输入多输出的控制对象特性 计算机控制技术的广泛应用 大系统的过程

8、控制 直接质量目标控制 12自动化与电气工程学院抓服务, 促教学, 兴科研!过程分析仪器在过程控制上的应用back13自动化与电气工程学院抓服务, 促教学, 兴科研!从诺贝尔奖看分析仪器研究近80年来获与分析仪器有关的诺贝尔奖就达到38人质谱分析法有六次10位学者的诺贝尔奖核磁共振法有两次，2位学者得诺贝尔奖2008年诺贝尔奖给了发现基因萤光分析的科学家基因测量仪器的问世，使世界基因研究计划提前6年完成科学仪器对工业化进程具有“四两拨千斤”的作用，是经济社会发展的“倍增器”14自动化与电气工程学院抓服务, 促教学, 兴科研!过程控制系统框图系统组成：控制对象控制单元，执行单元 反馈单元干扰控制

9、对象 (system ) 具体的：设备（电机，反应器,裂解炉）生产的某个单过程 广泛的：整个生产过程控制单元 计算机系统 含的控制软件是控制的主体，其控制运算的依据是对象的物理。化学，物化变化的参数反馈单元 提供对控制对象的四大参数和物性参数的检测执行器受 控 对象控制器反 馈 测 量给定 15自动化与电气工程学院抓服务, 促教学, 兴科研!间接质量目标控制与直接质量目标控制 *以温度（T）、压力（P）、物位（L）和流量（F）四大参数作为控制系统的主要参量粗放控制 * 以最终产品及中间产品的质量 -成份分析参数作为控制系统的主要参量，而以四大参数作为辅助参量， 物流中成分参数与特殊物化指标的在

10、线检测是实现流程工业高水平自动化的最重要制约因素。过程分析仪器的定义实现对流程工业或其他领域中，物、量流中成分参数与特殊物化参数在线检测，将其转化为信息流的专门仪器 16自动化与电气工程学院抓服务, 促教学, 兴科研!工业流程的在线分析举例：燃煤电厂成分量在线监测（参见下图）17自动化与电气工程学院抓服务, 促教学, 兴科研!第二节第二节 仪器分析方法仪器分析方法 用精密分析仪器精密分析仪器测量物质的某些物理或物理化学性质以确定其化学组成、含量及化学结构的一类分析方法，又称为物理和物理化学分析法。仪器分析方法分类： 1）传统分析：电化学分析法、色谱分析法、光学分析法、质谱分析法、热分析法、核分

11、析法 现代分析：核分析法、生物分析法、微粒子分析法 2）分子分析、原子分析、联同分析 3）手工分析、实验室分析、过程分析18自动化与电气工程学院抓服务, 促教学, 兴科研! 方法分类方法分类 主要分析方法主要分析方法 被测物理性质被测物理性质 光谱分析光谱分析 发射光谱分析、火焰光度分析发射光谱分析、火焰光度分析 辐射的发射 分子发光分析法分子发光分析法、放射分析法放射分析法 紫外紫外-可见分光光度法可见分光光度法 辐射的吸收 原子吸收分光光度法原子吸收分光光度法 红外光谱法、核磁共振波谱法红外光谱法、核磁共振波谱法 比浊法、拉曼光谱法比浊法、拉曼光谱法 辐射的散射 折射法、干涉法折射法、干涉

12、法 辐射的折射 X-射线衍射法、电子衍射法射线衍射法、电子衍射法 辐射的衍射 圆二色谱法圆二色谱法 辐射偏振方向的旋转 电化学分析电化学分析 电位法电位法 电极电位 电导法电导法 电导 极谱法极谱法、溶出伏安法溶出伏安法 电流-电压色谱分析色谱分析 气相色谱法气相色谱法、液相色谱法液相色谱法 薄层色谱法薄层色谱法 两相间的分配热分析热分析 热导法、差热分析法热导法、差热分析法 热性质质量分析质量分析 质谱法质谱法 质荷比仪器分析方法分类根据用以测量的物质性质物质性质，仪器分析方法主要分为以下几类:19自动化与电气工程学院抓服务, 促教学, 兴科研!ICP质谱仪20自动化与电气工程学院抓服务,

13、促教学, 兴科研!岛津GC-201021自动化与电气工程学院抓服务, 促教学, 兴科研!HP-1100液相色谱仪22自动化与电气工程学院抓服务, 促教学, 兴科研!X射线光电子能谱仪23自动化与电气工程学院抓服务, 促教学, 兴科研!X射线荧光仪24自动化与电气工程学院抓服务, 促教学, 兴科研!UV-vis光谱仪25自动化与电气工程学院抓服务, 促教学, 兴科研!全谱直读发射光谱仪（美）26自动化与电气工程学院抓服务, 促教学, 兴科研!日立F-4500荧光光谱仪27自动化与电气工程学院抓服务, 促教学, 兴科研!扫描俄歇微探针28自动化与电气工程学院抓服务, 促教学, 兴科研!四圆X射线衍

14、射仪29自动化与电气工程学院抓服务, 促教学, 兴科研!电子顺磁共振仪30自动化与电气工程学院抓服务, 促教学, 兴科研!荧光光谱仪LS-50B31自动化与电气工程学院抓服务, 促教学, 兴科研!定性分析和定量分析 定性分析:确定待测物质为什么物质，即其组成的分子原子粒子的性质-质谱法，色谱法，光谱法 定量分析：确定该物质中各组成成分的含量为多少 -色谱法，光谱法等大多数分析法定量分析的检测特性与定量单位 检出限作为衡量分析仪器的分析检测特性 比例含量：%（常量），ppm（微量） ，ppb（超微量），ppt（痕量）重量含量：质量数或摩尔数（mol、mmol、nmol） 体积含量：质量浓度（mg

15、/ml）或摩尔浓度（mol/L） 32自动化与电气工程学院抓服务, 促教学, 兴科研!第三节第三节 过程分析仪器类型过程分析仪器类型按分析方法：电化学式、热学式、磁学式、光学式、射线式、电子光学式、色谱质谱式、其他按测定组分多少：单组分分析仪器、多组分仪器按测定性质：定性分析仪器，定量分析仪器按工业现场环境：防腐型，防爆型，隔爆型； 管道安装，现场，仪表柜，分析小屋按测控系统：分立元件，逻辑电路，计算机式33自动化与电气工程学院抓服务, 促教学, 兴科研!第四节第四节 过程分析仪器的结构与特点过程分析仪器的结构与特点分析回路和信息回路 分析回路主要用于物流通道。即从过程单元（或通道）取样，经过

16、预处理系统再到分析检测单元，然后进入下一工序或排空，还包含自动标定装置。信息回路主要用于信息通道，物流经过分析检测单元，产生相应的电信号，进入信息处理系统，系统产生过程检测到的物流组成及其含量信息和对分析流路各装置的动作信息，用于检测信息的显示，传输和仪器正常工作的操作。 34自动化与电气工程学院抓服务, 促教学, 兴科研!过程分析仪器的系统组成框图 35自动化与电气工程学院抓服务, 促教学, 兴科研! 过程分析仪器过程分析仪器 与实验室分析仪器的联系与区别与实验室分析仪器的联系与区别分析方法和主要技术手段源于实验室分析仪器；实验室分析仪器到过程分析仪器的转化十分困难。过程分析仪器的结构特点：

17、一、 在线下的连续分析检测二、自动化要求高、即仪器本身具有自动操作控制，自动故障监测自动标定处理等功能。三、网络数据通信四、预处理装置对于过程分析仪器在工业现场的使用，起着重要重用。36自动化与电气工程学院抓服务, 促教学, 兴科研!第五节第五节 过程分析仪器的测控系统过程分析仪器的测控系统实现分析仪器的数字化、智能化和网络化 1)分析检测器信号的数据处理 2)显示、打印、保留分析的结果信息 3)提供仪器分析流路的控制信息4)仪器故障自诊断，标准物质的自动标定，分析流路 中控制回路的自整定 5) 新型分析仪器和仪器分析方法智能化在过程检测中的实现 测控系统实现形式有两大类，一类为嵌入式测控系统

18、另一类则为分体式和嵌入式共用结构 37自动化与电气工程学院抓服务, 促教学, 兴科研!第六节第六节 过程分析仪器的发展趋势过程分析仪器的发展趋势 主要体现在分析检测器，分析流路和仪器的智能化三个方面。一、分析检测器的研究将实验室分析方法及其检测检测器经过创新和改进用到过程检测中；直接用于过程分析的检测器。1.微流分析检测器2.在线拉曼光谱检测器3.光声过程检测器4.新型生物传感器的研究与应用上 38自动化与电气工程学院抓服务, 促教学, 兴科研!二、分析流路的研究主要发展趋势包括: 1.多检测器组合技术 2.并行检测技术 3.微器件应用 4.系统重构和预处理技术等方面 39自动化与电气工程学院

19、抓服务, 促教学, 兴科研!三、过程分析仪器的智能化,主要集中在嵌入式系统、网络功能和智能化三个方面:1. 开发用于过程分析仪器的独立的操作系统 2. 发展和过程计算机控制系统同步的高速网络接口。分析仪器远程维护网站的研究3. 把控制理论，模式识别，滤波处理的众多研究成果与过程分析相结合，形成交叉研究方向。40自动化与电气工程学院抓服务, 促教学, 兴科研!展 望我国从事嵌入式系统，计算机应用，网络工程的技术人员队伍庞大，人才济济，这就为在该领域的发展提供了足够的人才技术资源。分析仪器的专家们和科技界的决策者将过程分析仪器的研究着力定于该方向上，符合我国现有国情，也能取得突破。我国在建国前二十

20、年打下了分析仪器研制开发的基础，在新形势也将得到重生和继续发展。 近两年，在国家政策的扶持和支持下，从事、分析过程仪器的生产和推广应用的公司大幅度增加，并有了长足的发展。 41自动化与电气工程学院抓服务, 促教学, 兴科研!作业一作业题：1)简述过程分析仪器在过程控制系统中作用.2) 过程分析仪器与实验室过程分析仪器的联系和区别.思考题: 过程分析仪器的研究和设计以你所学过的哪些课程为基础. 42自动化与电气工程学院抓服务, 促教学, 兴科研!第二章第二章 光谱过程分析仪器光谱过程分析仪器光学过程分析仪器利用光学分析原理实现对过程样品中物质组成及其含量的检测分析，在工业流程中有着广泛的应用。如

21、红外线分析器，紫外线分析，光电比色分析其等，其中以红外线光谱分析器使用最为广泛。 43自动化与电气工程学院抓服务, 促教学, 兴科研!原子发射光谱分析原子发射光谱分析第一节光学分析概述第一节光学分析概述 一、电磁辐射和电磁波谱 1电磁辐射（电磁波，光） ：以巨大速度通过空间、不需要任何物质作为传播媒介的一种能量形式，它是检测物质内在微观信息的最佳信使最佳信使。 2电磁辐射的性质：具有波、粒二像性；其能量交换一般为单光子形式，且必须满足量子跃迁能量公式： 3电磁波谱：电磁辐射按波长顺序排列就称光谱。chhE 44自动化与电气工程学院抓服务, 促教学, 兴科研!电磁波的能量表现为内能现实通常由三部

22、分组成： 45自动化与电气工程学院抓服务, 促教学, 兴科研!性质1：物质分子获得能量即被激发时就跃迁到高能态，但时间很短（秒数量级）又会放出能量而返回基态 性质2：分子被激发是由于光辐射，那么他所吸收的光子能量必须是某一高能态能级与基态能级之间的能量差，这些能量差是分立的，而不是连续的46自动化与电气工程学院抓服务, 促教学, 兴科研!高能辐射区 射线 能量最高，来源于核能级跃迁 射线 来自内层电子能级的跃迁 光学光谱区 紫外光 来自原子和分子外层电子能级的跃迁 可见光 红外光 来自分子振动和转动能级的跃迁 波谱区 微波 来自分子转动能级及电子自旋能级跃迁 无线电波 来自原子核自旋能级的跃迁

23、光谱法是基于物质与辐射能作用时，测量由物质内部发生量子化的能级之间的跃迁而产生的发射、吸收或散射辐射的波长和强度进行分析的方法。AE、AA47自动化与电气工程学院抓服务, 促教学, 兴科研!按能量交换方向分 吸收光谱法 发射光谱法 按作用结果不同分 原子光谱线状光谱 分子光谱带状光谱 区别区别：非光谱法：利用物质与电磁辐射的相互作用测定电磁辐射的反射、折射、干涉、衍射和偏振等基本性质变化的分析方法 分类：折射法、旋光法、比浊法、射线衍射法光谱法：内部能级发生变化 原子吸收/发射光谱法：原子外层电子能级跃迁 分子吸收/发射光谱法：分子外层电子能级跃迁非光谱法：内部能级不发生变化 仅测定电磁辐射性

24、质改变 48自动化与电气工程学院抓服务, 促教学, 兴科研!发射光谱与吸收光谱发射光谱与吸收光谱光基态激发态释放能量发光hMM*发射光谱激发态光基态吸收辐射能量*MhM吸收光谱49自动化与电气工程学院抓服务, 促教学, 兴科研!吸收光谱 物质对光辐射的吸收是有选择性的。按光的波长来说，某种物质只能吸收某些波长的光辐射。这一点就是制造吸收光谱检测器所依据的原理。发射光谱 物质分子从高能态返回基态时要放出能量，这些能量如果以光辐射形式放出来时，光的波长也只能取某些固定值。这就是制造发射光谱检测器所依据的原理定性分析 如果能测出某物质吸收了那些波长的光辐射，就可判定它是什么物质，这就是定性分析。定量

25、分析 如果还能测出被某物质吸收的光辐射的强度，就可算出该物质的浓度，这就是定量分析。过程分析仪器都是在对试样采用其他方法进行定性分析后，为了专门分析某一种组分而采用的仪器，它都是定量分析仪器。自动化与电气工程学院自动化与电气工程学院College of Automation and Electrical EngineeringCollege of Automation and Electrical Engineering抓服务, 促教学, 兴科研!51自动化与电气工程学院抓服务, 促教学, 兴科研!三三 光吸收定律朗伯光吸收定律朗伯-比尔比尔(Lambert-Beer)定律定律吸光光度法的理论

26、依据，研究光吸收的最基本定律吸光光度法的理论依据，研究光吸收的最基本定律朗伯定律（朗伯定律（1760年）：光吸收与溶液层厚度成正比年）：光吸收与溶液层厚度成正比比尔定律（比尔定律（1852年）：光吸收与溶液浓度成正比年）：光吸收与溶液浓度成正比当一束平行单色光垂直照射到样品溶液时，溶液的当一束平行单色光垂直照射到样品溶液时，溶液的吸光度与溶液的浓度及光程（溶液的厚度）成正比吸光度与溶液的浓度及光程（溶液的厚度）成正比关系朗伯比尔定律关系朗伯比尔定律52自动化与电气工程学院抓服务, 促教学, 兴科研!朗伯朗伯-比耳定律成立的前提比耳定律成立的前提(1) 入射光为平行单色光且垂直照射。入射光为平行

27、单色光且垂直照射。(2) 吸光物质为均匀非散射体系。吸光物质为均匀非散射体系。(3) 吸光质点之间无相互作用。吸光质点之间无相互作用。(4) 辐射与物质之间的作用仅限于光吸收，辐射与物质之间的作用仅限于光吸收，无荧光和光化学现象发生。无荧光和光化学现象发生。53自动化与电气工程学院抓服务, 促教学, 兴科研!光的吸收定律：朗伯-比耳定律 为介质单位厚度对波长为 的光的吸收百分数，称为线性吸收系数。由边界条件x0处 来确定B： 0EE 吸收后出射的辐射通量为： C为介质浓度 为介质的吸收系数k54自动化与电气工程学院抓服务, 促教学, 兴科研!朗伯-比耳定律公式的应用范围受到一定限制，因为他假定

28、吸收系数与浓度C无关。但在实际中有时不是这样，特别是在高浓度的情况下更是如此。透射率 透射率常用T表示，它的定义为：吸光度 吸光度常用A表示，它的定义为：由 可得：吸光度A与吸收系数、浓度C及厚度d之间存在着线性关系。 55自动化与电气工程学院抓服务, 促教学, 兴科研!吸收系数吸收系数 朗伯朗伯-比尔定律比尔定律(A=KCd)中的系数中的系数(K)因浓度因浓度(c)所取的单位不同，有两种所取的单位不同，有两种表示方式：表示方式：56自动化与电气工程学院抓服务, 促教学, 兴科研! 当当c：g.L-1 d：cm时时K用用a表示，称为吸收系数，表示，称为吸收系数，其单位为其单位为L.g-1.cm

29、-1 ，这时朗伯这时朗伯-比耳定律变为：比耳定律变为： Aacd(1) 吸收系数吸收系数(a)57自动化与电气工程学院抓服务, 促教学, 兴科研!(2) 摩尔吸收系数摩尔吸收系数( ) 当当c：mol.L-1 ， b：cm时时K用用 表示，称为摩尔吸收系数，表示，称为摩尔吸收系数，其单位为其单位为L.mol-1.cm-1 ，这时朗伯这时朗伯-比耳定律变为：比耳定律变为： A cd58自动化与电气工程学院抓服务, 促教学, 兴科研!摩尔吸收系数摩尔吸收系数( ( ) )的物理意义的物理意义 当吸光物质的浓度为当吸光物质的浓度为1molL-1，吸收层厚度为吸收层厚度为1cm时，吸光物质时，吸光物质

30、对某波长光的吸光度。对某波长光的吸光度。59自动化与电气工程学院抓服务, 促教学, 兴科研!摩尔吸收系数摩尔吸收系数( ( ) )的性质的性质 表示了吸光物质的浓度为表示了吸光物质的浓度为1molL-1 ，液层厚度为，液层厚度为1cm，物质对光的吸收能力。，物质对光的吸收能力。 与溶液的浓度和液层厚度无关，只与物质的性质与溶液的浓度和液层厚度无关，只与物质的性质及光的波长等有关。及光的波长等有关。 在波长、温度、溶剂等条件一定时在波长、温度、溶剂等条件一定时 的大小取决于物质的性质。的大小取决于物质的性质。 是吸光物质的特征常数，不同物质具有不同的是吸光物质的特征常数，不同物质具有不同的 。6

31、0自动化与电气工程学院抓服务, 促教学, 兴科研! 对于同一物质，当其他条件一定时对于同一物质，当其他条件一定时(温度等温度等) ，的的大小取决于波长。大小取决于波长。 = f ( ) 能表示物质对能表示物质对某一波长某一波长的光的的光的吸收吸收能力。能力。越大越大，表明物质对某，表明物质对某 的光吸收能力的光吸收能力越强越强。当当 为为 max， 为为maxmax是一重要的是一重要的特征常数特征常数，它反映了某吸光物质吸收，它反映了某吸光物质吸收能力可能达到的最高度。能力可能达到的最高度。61自动化与电气工程学院抓服务, 促教学, 兴科研! 常用来衡量光度法常用来衡量光度法灵敏度灵敏度的高低

32、，的高低， max越大，表明测定该物质的灵敏度越高越大，表明测定该物质的灵敏度越高一般认为一般认为max 104 L mol-1 cm-1的方法较灵敏。的方法较灵敏。 (所以书写所以书写时应标明波长时应标明波长)目前最大的目前最大的的数量级可达的数量级可达106如：如：Cu双流腙配合物双流腙配合物 495=1.5105 L mol-1 cm-1 62自动化与电气工程学院抓服务, 促教学, 兴科研!(3) 吸收系数吸收系数(a)与摩尔吸收系数与摩尔吸收系数( ) 的关系的关系吸收系数吸收系数(a)常用于化合物组成不明，常用于化合物组成不明，相对分子质量尚不清楚的情况。相对分子质量尚不清楚的情况。

33、摩尔吸收系数摩尔吸收系数( )的应用更广泛。的应用更广泛。63自动化与电气工程学院抓服务, 促教学, 兴科研!紫外-可见光检测器64自动化与电气工程学院抓服务, 促教学, 兴科研!第二节第二节 吸收光谱检测系统的组成吸收光谱检测系统的组成吸收光谱检测系统主要用来分析气体和液体样品。检测系统主要包括四部分，即光源、色散元件、试样池和光的探测元件 一 光源1。红外线光源及维恩位移定律黑体 绝对黑体的光辐射是个连续的带状光谱普朗克辐射定律 ：式中叫黑体辐射功率，单位为瓦厘米微米，它表示黑体温度为T时，单位面积在波长为的单位波长间隔内向外界辐射的功率； 瓦 微米4厘米2， 微米度。 413.74 10

34、C 214380C 65自动化与电气工程学院抓服务, 促教学, 兴科研!黑体辐射功率与温度及波长的关系曲线 66自动化与电气工程学院抓服务, 促教学, 兴科研!维恩位移定律 ： 对应图中每一个温度黑体辐射功率都有一个峰值。设这个峰值对应的波长为 。从图上还可看出，随着温度T的升高，峰值波长向短波方向移动。将式中的 对 求导数并令其为零，即： 即有，维恩位移定律 ：黑度系数它说明：存在维恩位移常数，A2896微米度； 黑体辐射功率最强的波长与黑体的绝对温度T成反比。 绝对黑体是不存在的 大多数固体和液体都近似灰体 mTE（2-15）67自动化与电气工程学院抓服务, 促教学, 兴科研!2可见光光源

35、 过程分析仪器用的可见光光源都是低压白炽灯，灯丝一般都是用钨丝制成。钨是难熔金属，它的熔点为3665K。钨丝灯在高温时接近灰体辐射，即它的辐射率近似与波长无关。 68自动化与电气工程学院抓服务, 促教学, 兴科研!3紫外线光源 紫外线光源都是用气体放电灯，过程分析仪器用的紫外线光源主要有汞灯和氢灯两种，它们都工作在弧光放电区域。69自动化与电气工程学院抓服务, 促教学, 兴科研!4.激光光源: 可用作可见光,近红外光源光源是一个半导体激光，它为待测气体需要而被调制成一根合适的吸收线。激光的光谱比气体吸收线的光谱窄很多加上选择一根合适的吸收线，这样便可降低其它气体的干扰。70自动化与电气工程学院

36、抓服务, 促教学, 兴科研!对光源的性能指标要求稳定的足够的光强符合分析检测要求的光波谱带窄光波谱带单一特定组分分析 宽光波谱带多组分分析(光谱图) 光波谱带的长期稳定性光源的热稳定性电驱动(恒功率控制,点高温精确控制) 71自动化与电气工程学院抓服务, 促教学, 兴科研!分光： 从复色光中分离开各种不同波长的光叫做光的色散又叫分光。用途：把光源激发出来的复合光展开成光谱。72自动化与电气工程学院抓服务, 促教学, 兴科研!分类73自动化与电气工程学院抓服务, 促教学, 兴科研!棱镜型74自动化与电气工程学院抓服务, 促教学, 兴科研!以棱镜为色散元件做成的分光仪，有水晶、玻璃、萤石之分75自

37、动化与电气工程学院抓服务, 促教学, 兴科研!光栅型76自动化与电气工程学院抓服务, 促教学, 兴科研!以光栅为色散元件的分光仪又有面衍射光栅或凹面衍射光栅之分77自动化与电气工程学院抓服务, 促教学, 兴科研!光栅与棱镜比较78自动化与电气工程学院抓服务, 促教学, 兴科研!棱镜的工作光谱区受到材料透过率的限制在小于120纳米真空紫外区和大于50微米的远红外区不能采用光栅不受材料透过率的限制它可以在整个光谱区中应用79自动化与电气工程学院抓服务, 促教学, 兴科研!光栅角色散在第一级光谱中比棱镜大不过在紫外250纳米时石英角色散比光栅角色率大80自动化与电气工程学院抓服务, 促教学, 兴科研

38、!光栅的分辨率比棱镜大81自动化与电气工程学院抓服务, 促教学, 兴科研!光栅复制82自动化与电气工程学院抓服务, 促教学, 兴科研!目前复制法有二种83自动化与电气工程学院抓服务, 促教学, 兴科研!真空镀膜法一次复制法84自动化与电气工程学院抓服务, 促教学, 兴科研!二次复制法明胶复制法85自动化与电气工程学院抓服务, 促教学, 兴科研!光栅方程86自动化与电气工程学院抓服务, 促教学, 兴科研!对于波长为入的光，其衍射方向应满足下列方程为d(sinsin)=m (m 为正整数)87自动化与电气工程学院抓服务, 促教学, 兴科研!这个公式称光栅方程，这对平面，凹面，反射和透射光栅都是适用

39、。当给定光栅的入射角确定时，便可以计算不同波长衍射方向。88自动化与电气工程学院抓服务, 促教学, 兴科研!二、色散元件常用的色散元件有棱镜、光栅和滤光片。1分光棱镜 设棱镜材料的折射率为n。n=n（ ） 三棱镜色散原理的基本公式 89自动化与电气工程学院抓服务, 促教学, 兴科研!1836年科希求得折射率n与波长的关系为：2光栅 在平板玻璃上刻划许多均匀的平行划痕，未刻划部分可看成透光的狭缝。当狭缝的宽度小到可以和光的波长相比时，光通过狭缝就发生衍射现象。再利用这些光的互相干涉而实现分光。 透射式射式90自动化与电气工程学院抓服务, 促教学, 兴科研!平面光栅凹面光栅在光学光谱区采用的光栅划

40、痕密度为0.52400条/毫米。目前大量采用的是600条/毫米和1200条/毫米。1200条/毫米的光栅相对的光栅常数d=0.833微米光栅的制造方法：机械刻划 光电刻划 复制法 全息照相刻划等 91自动化与电气工程学院抓服务, 促教学, 兴科研!3滤光片 能够滤掉某波段光谱的器件叫做滤光片。滤光片按作用原理可分为 吸收式、干涉式、反射式、散射式、组合式等五种。按滤光片的光谱特性，可分为带状滤光片与截止滤光片两类。1）带状滤光片的特性 为最大透射率， 称 为中心波长，它是对应于 最大透射率 的波长。 为透射率的带宽，也 叫光谱的半宽度 maxT05 . 0maxT92自动化与电气工程学院抓服务

41、, 促教学, 兴科研!2）截止滤光片及其光谱特性 为透明区的最大透射率。 为截止波长，它对应于透射率为0.5 的波长。对应于0.1 与0.9 的波长 与 的比值，叫截止陡度，用k表示，即： maxT5 . 0maxTmaxT1 . 09 . 0maxT93自动化与电气工程学院抓服务, 促教学, 兴科研!3) 吸收式和干涉式滤光片吸收式又可分为固体、气体与液体三种 (1)气体吸收滤光器 式中A为所要求的吸光度，为所充气体的吸收系数，C为所充气体的浓度，d就是所需气室的长度。有时需要充以两种以上组分气体，也可以用公式(2-13)计算，不过这时气室长度d只能取一个适当值。这时为了得到所需的吸光度A，

42、可调整各种组分气体的浓度C 94自动化与电气工程学院抓服务, 促教学, 兴科研!(2)固体吸收滤光片。在近紫外、可见和近红外区，固体吸收滤光片的材料一般采用玻璃。在红外区固体吸收滤光片的材料主要采用晶体、塑料和陶瓷等材料 (3)干涉滤光片条件1. 在折射率为n的透明材料两侧分别镀上两层很薄的半透明银膜.透明材料的厚度d应满足：条件2.相干光干涉后得到极大值的条件是： 95自动化与电气工程学院抓服务, 促教学, 兴科研!三、试样池连续式试样池 为连续取样的试样池，一般做成圆筒形，有两个嘴子，一个为试样入口，另一个为试样出口。这种结构可作为气体试样池，也可作为液体试样池 96自动化与电气工程学院抓

43、服务, 促教学, 兴科研!间歇式试样池 习惯上称为比色皿。比色皿的材料采用光学玻璃，一般做成长方体形状 97自动化与电气工程学院抓服务, 促教学, 兴科研!作业二3.简述过程光学检测系统的主要部件及其在分析中的作用。4.过程光谱分析的特点是什么？5.过程光学分析仪器主要采用那种分析方法？6.吸收光谱主要使用依靠什么定律？该定律揭示什么样的原理可用于分析四、光的探测元件1光电元件(1)真空光电管光谱灵敏度S ： S 的单位为安瓦。在可见光区域图光阴极的光谱灵敏度还可定义为光电流I(A)与入射的单色光的光通量量E 之比， 单位为安流明。显然，单色光的波长不同S 不同。 积分灵敏度 S :光电管光特

44、性:1.线性范围很宽，即光电流与照射上的辐射通量在很大范 围内成正比。2.电源电压变化对光谱灵敏度影响不大,可采用交直流电源供电3.积分灵敏度不高，一般为几十微安流明,存在暗电流 4.真空光电管的内阻很高，一般可达几百兆欧 99自动化与电气工程学院抓服务, 促教学, 兴科研!(2)光电倍增管 利用二次电子发射效应提高光电管的积分灵敏度光电倍增管基于光电效应， 光的辐射通量转换成真空中 的电子束，然后再利用二次 电子发射效应使电子数倍增 的真空器件二次发射系数 放大倍数：光电倍增管光特性:1.灵敏度要比光电管高M倍 2.存在着暗电流 3.各级间的电源电压必须十分稳定 100自动化与电气工程学院抓

45、服务, 促教学, 兴科研!(3)光敏电阻 光敏电阻主要是由半导体制成 (4)光电池 常用的有硒光电池和硅光电池两种 硒光电池仅可用在可见光区域，而硅光电池可用于可见光和近红外区。(5)CCD。101自动化与电气工程学院抓服务, 促教学, 兴科研!2热电元件 热电元件主要用于红外光谱区。常用的有热电堆、热敏电阻、热辐射计、气体接收器等 (1)热电堆 为了提高热电偶的灵敏度，把几个热电偶串联起来组成一个组，这个组称为热电堆 特点:1.灵敏度与波长无关，是无选择性的接收元件。 2.灵敏度可做得很高，热电堆的最小检测量可达10-9- 10-11瓦 3.稳定性不足,易受环境影响102自动化与电气工程学院

46、抓服务, 促教学, 兴科研!(2)气体接收器。气体接收器是利用光束加热气体，使其压力发生变化而产生机械变形的接收元件。根据测定这种机械变形的方法不同，可分许多种。目前应用较多的有两种：光声接收器和果列(Golay)接收器 光声接收器 光声接收器也叫薄膜电容接收器 特点:1.对光的波长有选择性 2.抗电磁干扰的能力强 3.灵敏度高,最小检测量可达10-9-10-10瓦 103自动化与电气工程学院抓服务, 促教学, 兴科研!五.过程光谱检测系统主要采用红外谱段:红外线分析仪,分光分析仪红外线气体分析器1、2:红外线光源；3:切光片；4、5:滤光气室；6:测量气室； 7:参比气室； 8:调零挡板；

47、9:薄膜电容接收器特点:1.单组分检测 2. 背景组分的干扰 3.光路简单但稳定性能不够104自动化与电气工程学院抓服务, 促教学, 兴科研!过程分光光度仪 在工业流程上利用物质对可见光的吸收特性进行成分分析的仪器。它是专门用来对液体试样进行定量分析，其测量原理是基于朗伯一比耳定律。它可以根据不同的试样选择最合适的波长进行分析，因而比那些固定波长的光电比色仪要优越。但波长选定后，它的分析操作就是光电比色 通过光探测 元件得到组 分含量的电 信号。其基 本原理可用 于多组分过 程分光近红 外分析 105自动化与电气工程学院抓服务, 促教学, 兴科研!第三节 U6(U23)红外线分析仪U6(U23

48、)系列过程分析仪是德国西门子公司产品，通过不同的分析检测器实现对过程检测中某些单一组分的含量分析。U6(U23)红外线分析仪利用组分气体对红外光谱的吸收原理，用于CO,CO2,C-OH等化合物的分析检测U6(U23)红外线分析仪采用新型光学回路，和微流传感器，将组分含量信息转化为电信号进行处理仪器采用嵌入式微控制器芯片，具备数字化，网络化，系列化功能。广泛用于石油，化工等流程工业和环境监测106自动化与电气工程学院抓服务, 促教学, 兴科研!第三节红外吸收光谱分析法第三节红外吸收光谱分析法 (Infrared Absorption Spectroscopy, IR )(Infrared Abs

49、orption Spectroscopy, IR )红外吸收光谱分析概述红外吸收光谱分析概述 红外吸收光谱法：红外吸收光谱法：利用物质对红外光区电磁辐射的选择性吸收特性来分析分子中有关基团结构的定性、定量信息的分析方法。一、红外光的区划一、红外光的区划二、红外吸收过程二、红外吸收过程 三、红外光谱的作用三、红外光谱的作用 四、红外光谱的表示方法四、红外光谱的表示方法 五、五、IR与与UV的区别的区别 107自动化与电气工程学院抓服务, 促教学, 兴科研!一、红外光的分区一、红外光的分区红外线红外线：波长在0.76500m (1000m) 范围内的电磁波称为红外线。近红外区：近红外区：0.782

50、.5m （12820-4000cm-1 ） OH和和NH倍频吸收区倍频吸收区中红外区：中红外区：2.525m （4000-400cm-1 ） 基团的基频振动、伴随转动光谱基团的基频振动、伴随转动光谱远红外区：远红外区：25500m （400-20cm-1 ） 纯转动光谱纯转动光谱 二、红外光谱的作用二、红外光谱的作用1可以确定化合物的类别（芳香类）2确定官能团： 例：CO，CC，CC3推测分子结构（简单化合物）4定量分析)(10)(41mcm109自动化与电气工程学院抓服务, 促教学, 兴科研!T 曲线曲线 前疏后密前疏后密 T曲线曲线 前密后疏前密后疏110自动化与电气工程学院抓服务, 促教

51、学, 兴科研!一、红外吸收光谱的产生的条件一、红外吸收光谱的产生的条件红外光谱主要由分子的振动能级跃迁产生分子的振动能级差远大于转动能级差分子发生振动能级跃迁必然同时伴随转动能级跃迁VEEVE05. 00001. 00 . 105. 0转振转振EEE1振动能级振动能级111自动化与电气工程学院抓服务, 促教学, 兴科研!2振动光谱振动光谱双原子分子A-B近似看作谐振子两原子间的伸缩振动近似看作简谐振动 112自动化与电气工程学院抓服务, 促教学, 兴科研!hE ）（分子振动总能量213210，分子振动量子数分子振动频率 113自动化与电气工程学院抓服务, 促教学, 兴科研!hE 振分子振动能级

52、差LLhE光子照射能量LEE振产生红外光谱前提 L即分子的振动频率红外光的照射频率L114自动化与电气工程学院抓服务, 促教学, 兴科研!3基频峰与泛频峰基频峰与泛频峰a）基频峰：基频峰：分子吸收一定频率红外线，振动能级从 基态跃迁至第一振动激发态产生的吸收峰 （即=0 1产生的峰） L1基频峰的峰位等于分子的振动频率基频峰强度大红外主要吸收峰 115自动化与电气工程学院抓服务, 促教学, 兴科研!泛 倍频峰 二倍频峰（=0=2）频 三倍频峰（=0=3）峰 合频峰 差频峰（即=1=2，3- - -产生的峰）b）泛频峰）泛频峰倍频峰：倍频峰：分子的振动能级从基态跃迁至第二振动激发态、第三振动激发

53、态等高能态时所产生的吸收峰（即=1 =2，3- - -产生的峰）22 L L即33 L21L21L注：泛频峰强度较弱，难辨认却增加了光谱特征性116自动化与电气工程学院抓服务, 促教学, 兴科研!4 4红外光谱产生条件：红外光谱产生条件： v红外活性振动：红外活性振动：分子振动产生偶极矩的变化， 从而产生红外吸收的性质v红外非活性振动：红外非活性振动：分子振动不产生偶极矩的变化， 不产生红外吸收的性质分子吸收红外辐射的频率恰等于分子振动频率整数倍分子在振、转过程中的净偶极矩的变化不为0， 即分子产生红外活性振动，且辐射与分子振动发生 能量耦合。即L0即117自动化与电气工程学院抓服务, 促教学

54、, 兴科研!一、 伸缩振动伸缩振动 指键长沿键轴方向发生周期性变化的振动1对称伸缩振动：键长沿键轴方向的运动同时发生 2反称伸缩振动：键长沿键轴方向的运动交替发生型分子2AX型分子3AX型分子2AX型分子3AX128502cmsCH129252cmasCH128703cmsCH129603cmasCH 118自动化与电气工程学院抓服务, 促教学, 兴科研!二、 弯曲振动弯曲振动（变形振动，变角振动）： 指键角发生周期性变化、而键长不变的振动1面内弯曲振动： 弯曲振动发生在由几个原子构成的平面内 1）剪式振动：振动中键角的变化类似剪刀的开闭 2）面内摇摆：基团作为一个整体在平面内摇动 型分子2A

55、X型分子2AX12014652cmCH4)(720212nCHcmnCH119自动化与电气工程学院抓服务, 促教学, 兴科研!2面外弯曲：弯曲振动垂直几个原子构成的平面1）面外摇摆：两个X原子同时向面下或面上的振动 2）蜷曲：一个X原子在面上，一个X原子在面下的 振动 型分子2AX型分子2AX113002cmCH112502cmCH120自动化与电气工程学院抓服务, 促教学, 兴科研!3变形振动： 1）对称的变形振动s：三个AX键与轴线的夹角同时 变大 2）不对称的变形振动as：三个AX键与轴线的夹角不 同时变大或减小型分子3AX型分子3AX113753cmsCH114503cmasCH121

56、自动化与电气工程学院抓服务, 促教学, 兴科研!注：振动自由度反映吸收峰数量 并非每个振动都产生基频峰吸收峰数常少于振动自由度数三、振动的自由度三、振动的自由度指分子独立的振动数目，或基本的振动数目N个原子组成分子，每个原子在空间具三个自由度122自动化与电气工程学院抓服务, 促教学, 兴科研!示例CO2分子 线性分子4533F吸收峰数少于振动自由度的原因：吸收峰数少于振动自由度的原因：发生了简并发生了简并即振动频率相同的峰重叠即振动频率相同的峰重叠 红外非活性振动红外非活性振动123自动化与电气工程学院抓服务, 促教学, 兴科研!四、特征峰与相关峰四、特征峰与相关峰（一）特征峰：（一）特征峰

57、： 可用于鉴别官能团存在的吸收峰。（二）相关峰：二）相关峰： 由一个官能团引起的一组具有相互依存关系的 特征峰。注：注：相关峰的数目与基团的活性振动及光谱的波数范围 有关用一组相关峰才可以确定确定一个官能团的存在124自动化与电气工程学院抓服务, 促教学, 兴科研!12247 cmNC130902cmasCH116392cmsCH19902cmCH1909cmCH125自动化与电气工程学院抓服务, 促教学, 兴科研!红外光谱的吸收强度红外光谱的吸收强度 一、吸收峰强的表示方法一、吸收峰强的表示方法 二、影响峰强度的因素二、影响峰强度的因素强峰 =20100中强峰 =1020弱峰 =110极弱峰

58、 反式 取代基完全对称时，峰消失发生-共轭或n-共轭共轭效应将使 吸收峰位移向低波数区1030cm-1中强反式131自动化与电气工程学院抓服务, 促教学, 兴科研!炔烃炔烃1C-H振动2CC骨架振动 1 3300CHcm（）（强）1630cmCH（强）11300cmCH强）（中12200cmCC 取代基完全对称时，峰消失132自动化与电气工程学院抓服务, 促教学, 兴科研!29252asCH28502sCH28703sCH14603asCH29603asCH13903sCH14652CH7232CH3000CH1650CC1010CH9122CH3300CH2200CC1238CH133自动化

59、与电气工程学院抓服务, 促教学, 兴科研!（二）芳香族化合物1芳氢伸缩振动2芳环骨架伸缩振动确定苯环存在13100 3000Hcm弱中1() 1600 ,1500C Ccm芳环（强）双峰1160015801500C Ccm芳环和和三峰11600158015001450C Ccm芳环和和和四峰134自动化与电气工程学院抓服务, 促教学, 兴科研!（三） 醇、酚、醚1O-H伸缩振动：2C-O伸缩振动： 醇、酚醇、酚 13650 3200O Hcm变，锐峰）（较强（游离）136003650cmHO1() 3500 3200OHcm谛合强中强，宽、钝峰11250 1000C Ocm1()1050C O

60、cm伯醇1() 1100C Ocm仲醇1() 1150C Ocm叔醇112001300cmOC（酚）注：酚还具有苯环特征135自动化与电气工程学院抓服务, 促教学, 兴科研! 醚醚1链醚和环醚 2芳醚和烯醚11300 1000C Ocm1() 1150 1060()asC O Ccm链强sC O(链)弱消失11275 1200asC Ocm)(12501)(强cmasOC1( )1040()sC Ocm中136自动化与电气工程学院抓服务, 促教学, 兴科研!3200HO1050OC1100OC137自动化与电气工程学院抓服务, 促教学, 兴科研!（五）含氮化合物 胺胺特征区分 峰强峰弱；芳香胺