光谱分析仪器知识培训资料

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目录前言 1第一章红外光谱法及相关仪器 3一.红外光谱概述 31.红外光区的划分 32.红外光谱法的特点 43.产生红外吸收的条件 4二.红外光谱仪 41.红外光谱仪的主要部件 52.红外光谱仪的分类 73.红外光谱仪各项指标的含义 10三．红外光谱仪的应用 13四．红外试样制备 14四．红外光谱仪的新进展 15第二章紫外－可见光谱法及相关仪器 17一．紫外－可见吸收光谱概述 17二．紫外－可见分光光度计 171．紫外－可见分光光度计的主要部件 182．紫外－可见分光光度计的分类 203．紫外－可见分光光度计的各项指标含义 214．紫外－可见分光光度计的校正 22三．紫外－可见分光光度计的应用 23四．紫外－可见分光光度计的进展 24PAGE27前言分析仪器常使用的分析方法是光谱分析法，光谱分析法可分为吸收光谱分析法和发射光谱分析法，而吸收光谱分析法又是目前应用最广泛的一种光谱分析方法：它包括有核磁共振，X射线吸收光谱，紫外-可见吸收光谱，红外光谱，微波谱，原子吸收光谱等。但最常用的则是原子吸收光谱、紫外-可见吸收光谱和红外光谱，这些方法的最基本原理是物质（这里说物质都是指物质中的分子或原子，下同）对电磁辐射的吸收。还有拉曼光谱和荧光光谱，也是比较常用的手段，它们的原理是基于物质发射或散射电磁辐射。其实物质与电磁辐射的作用还有偏振、干涉、衍射等，由此发展而成的是另外一系列的仪器，如椭偏仪、测糖仪、偏光显微镜、X射线衍射仪等等，这些仪器都不是基于光谱分析法，不是我们介绍的重点。吸收光谱可分为原子吸收光谱和分子吸收光谱。当电磁辐射与物质相互作用时，就会发生反射、散射、透射和吸收电磁辐射的现象，物质所以能够吸收光是由物质本身的能级状态所决定的。例如原子吸收可见光和紫外光，可以使核外电子由基态跃迁到激发态，相应于不同能级之间的跃迁都需吸收一定波长的光。因此，如有一波长连续的光照射单原子元素的蒸气（如汞蒸气、钠蒸气等），将会产生一系列的吸收谱线。由于在一般情况下原子都处于基态，通常只有能量相当于从基态跃迁到激发态的所谓主系谱线出现在原子的吸收光谱中。而分于吸收光谱则比较复杂。它们不是分立的谱线而是许多吸收带。因为每一个分子的能量包括三部分，即分子的电子能量、振动能量和转动能量。每一种能量都是量子化的。当电子有一种能级跃迁到另一能级时，可能同时还伴有振动能级和转动能级的跃迁。应此分子吸收光谱是一系列的吸收带。通常引起原子或分子中外层价电子的跃迁需要1.5-8.0ev的能量，其相应的辐射波长在150nm-800nm之间，这是紫外－可见吸收光谱的波长范围。引起振动跃迁或振动－转动跃迁的能量是0.05-1.2ev，相应的辐射波长在1.0-25μm之间，这是红外光谱的范围。

各类电磁辐射的波长列于下表：电磁辐射波长λ，nm无线电波＞1012～109微波109～106红外光106～750可见光750～390紫外线390～10X射线10～10－2γ射线10－2～10－5由于不通物质的原子、分子具有不同的结构，因此也就具有不同的能级状态，只有入射光的能量满足Bohr条件，才能被物质吸收，即：其中，是普朗克常数（PlanckConstant），是入射光的频率，和分别是跃迁前后的电子能级。因此，每一种物质的原子或分子都具有它本身的特征吸收谱线和吸收带，这就是吸收光谱用于定性分析的理论依据。而对于同一种物质，对入射光吸收的多少则服从朗伯－比尔（Lambert-Beer）定律：式中，A为吸光度，又称为消光度或光密度；I0为入射光强度，I为透射光强度；ε为摩尔吸光系数，b为吸光厚度（cm），c为吸光物质的溶度（mol/L）。即物质对光的吸收度与物质的溶度和吸光厚度成正比，这就是吸收光谱法的定量分析的理论基础。根据我们公司的产品，下面重点介绍紫外-可见吸收光谱、红外光谱、拉曼光谱和荧光光谱。按常规的顺序，一般顺序是先介绍紫外－可见，后介绍红外，但鉴于我们的目前的特殊情况（傅立叶红外光谱仪和结石分析系统正在推广），先把红外光谱的相关知识介绍给大家是有必要的。

第一章红外光谱法及相关仪器InfraredSpectrometry&Instrument一.红外光谱概述红外光谱又称为分子振动转动光谱，它和紫外－可见光谱一样，也是一种分子吸收光谱。当样品受到频率连续变化的红外光照射时，分子吸收了某些频率的辐射，并由其振动或转动运动引起偶极矩的净变化产生分子振动和转动能级从基态到激发态的跃迁，使相应于这些吸收区城的透射光强度减弱。记录红外光的百分透射比与波数或波长关系的曲线，就得到红外光谱。红外光谱法不仅能进行定性和定量分析，而且从分子的特征吸收可以鉴定化合物和分子结构。1.红外光区的划分红外光谱在可见光区和微波光区之间，其波长范围约为0.75～1000μm。根据实验技术和应用的不同，通常将红外区划分成三个区：近红外光区（0.75～2.5μm)，中红外光区(2.5～25μm）和远红外光区（25～1000μm)，如下表：其中中红外区是研究和应用最多的区域，一般说的红外光谱就是指中红外区的红外光谱。区域波长μm波数cm-1能级跃迁类型近红外区（泛频区）0.75～2.513158～4000OH、NH及CH键的倍频吸收中红外区（基本振动区）2.5～254000～400分子振动，伴随转动远红外区（转动区）25～1000400～10分子转动红外吸收光谱常用或曲线来表示。纵坐标是透射百分比T%，横坐标是波长或波数（单位是cm-1）。如下图所示的是聚苯乙烯薄膜的红外光谱。现横坐标常用波数表示，这样便于与Raman光谱相比较。上图中向下的是吸收峰，向上的是谷。2.红外光谱法的特点与紫外－可见吸收光谱不同，产生红外光谱的红外光的波长要长得多，因此光子能量低。物质分子吸收红外光后，只能引起振动和转动能级跃迁，不会引起电子能级跃迁。所以红外光谱一般称为振动－转动光谱。紫外－可见吸收光谱常用于研究不饱和有机化合物，特别是具有共扼体系的有机化合物。而红外光谱法主要研究在振动中伴随有偶极矩变化的化合物。因此除了单原子分子和同核分子。如Ne、He、O2、和H2等之外，几乎所有的有机化合物在红外光区均有吸收。红外吸收谱带的波数位置、波峰的数目及其强度反映了分于结构上的特点，可以用来鉴定未知物的分子结构组成或确定其化学基团；而吸收谱带的吸收强度与分子组成或其化学基团的含量有关，可用作进行定量分析和纯度鉴定。红外及拉曼光谱都是分子振动光谱，通过谱图解析可以获取分子结构的信息。任何气态、液态、固态样品均可进行红外光谱测定，这是其它仪器分析方法难以做到的。具有用量少、分析速度快、不破坏试样等特点，使红外光谱法成为现代分析化学和结构化学的不可缺少的工具。但对于复杂化合物的结构测定，还需配合紫外光谱、质谱和核磁共振波谱等其他方法，才能得到满意的结果。3.产生红外吸收的条件这个我们不需要深入了解，知道就行了。红外光谱是由于分子振动能级跃迁产生的，物质分子吸收红外辐射应满足两个条件：a．分子振动时，必须伴随有瞬时偶极矩的变化b．照射分子的红外辐射频率与分子某种振动频率相同二.红外光谱仪19世纪初人们通过实验证实了红外光的存在。二十世纪初人们进一步系统地了解了不同官能团具有不同红外吸收频率这一事实。1950年以后出现了自动记录式红外分光光度计。随着计算机科学的进步，1970年以后出现了傅立叶变换型红外光谱仪。红外测定技术如全反射红外、显微红外、光声光谱以及色谱-红外联用等也不断发展和完善，使红外光谱法得到广泛应用。第一代红外光谱仪（上世纪50年代）使用的是滤光片分光系统，此类仪器只能在单一或少数几个波长下测定（非连续波长），灵活性差，而且波长稳定性、重现性差，现已淘汰。目前市场上常见的红外光谱仪主要有两类：色散型（即光栅式）红外光谱仪和傅立叶变换红外光谱仪，它们分别采用第二代和第三代分光技术的红外光谱仪，它们是我们重点介绍对象。红外光谱仪与紫外-可见分光光度计的组成基本相同，由光源、样品室、单色仪以及检测器等部分组成。两种仪器在各元件的具体材料上有较大差别。色散型红外光谱仪的单色仪一般在样品池之后。1.红外光谱仪的主要部件红外光源一般分光光度计中的氘灯、钨灯等光源能量较大，要观察分子的振动能级跃迁，测定红外吸收光谱，需要能量较小的光源。黑体辐射是最接近理想光源的连续辐射。满足此要求的红外光源是稳定的固体在加热时产生的辐射，常见的有如下几种。能斯特灯能斯特灯的材料是稀土氧化物，做成圆筒状(20×2mm)，两端为铂引线。其工作温度为1200-2200K。此种光源具有很大的电阻负温度系数，需要预先加热并设计电源电路能控制电流强度，以免灯过热损坏。碳化硅棒尺寸为50×5mm,工作温度1300-1500K。与能斯特灯相反,碳化硅棒具有正的电阻温度系数,电触点需水冷以防放电。其辐射能量与能斯特灯接近,但在>2000cm-1区域能量输出远大于能斯特灯。白炽线圈用镍铬丝螺旋线圈或铑线做成。工作温度约1100K。其辐射能量略低于前两种，但寿命长。检测器紫外－可见分光光度计所用的光电管或光电倍增管不适用于红外区，这是应为红外光谱区的光子能量较弱，不足以引发光电子发射。常用的红外检测器有热检测器、热释电检测器和光电导检测器三种。前两种用于色散型仪器中，后两种在傅立叶变换红外光谱仪中多见。热检测器热检测器依据的是辐射的热效应。辐射被一小的黑体吸收后，黑体温度升高，测量升高的温度可检测红外吸收。以热检测器检测红外辐射时，最主要的是要防止周围环境的热噪声。一般使用斩光器使光源辐射断续照射样品池。热检测器最常见的是热电偶（有时又称为高真空热电偶）。将两片金属铋熔融到另一不同金属如锑的两端，就有了两个连接点。两接触点的电位随温度变化而变。检测端接点做成黑色置于真空舱内，有一个窗口对红外光透明。参比端接点在同一舱内并不受辐射照射，则两接点间产生温差。热电偶可检测出10-6K的温度变化。热释电检测器热释电检测器使用具有特殊热电性质的绝缘体，一般采用热电材料的单晶片作为检测元件，如硫酸三苷肽(NH2CH2COOH)3H2SO4，简称TGS。在电场中放一绝缘体会使绝缘体产生极化，极化度与介电常数成正比。但移去电场，诱导的极化作用也随之消失。而热释电材料即使移去电场，其极化也并不立即消失，极化强度与温度有关。当辐射照射时，温度会发生变化，从而影响晶体的电荷分布，这种变化可以被检测。热电检测器通常做成三明治状。将热电材料晶体夹在两片电极间，一个电极是红外透明的，容许辐射照射。辐射照射引起温度变化，从而晶体电荷分布发生变化，通过外部连接的电路可以测量。电流的大小与晶体的表面积、极化度随温度变化的速率成正比。当热释电材料是铁电体，当温度升至某一特定值时极化会消失，此温度称为居里点。TGS的居里点为47°C。热释电检测器的响应速率很快，可以跟踪干涉仪随时间的变化，故多用于傅立叶变换红外光谱仪中。目前使用最广泛的是氘化的TGS即DTGS，它的居里温度是62°C，热电系数小于TGS。光电导检测器光电导检测器采用半导体材料薄膜，如Hg-Cd-Te（碲镉汞）或PbS或InSb（锑化铟），将其置于非导电的玻璃表面密闭于真空舱内。则吸收辐射后非导电性的价电子跃迁至高能量的导电带，从而降低半导体的电阻，产生信号。Hg-Cd-Te缩写为MCT，该检测器用于中红外区及远红外区。这种检测器比热释电检测器灵敏（至少比DTGS大10倍），在FTIR及GC-FTIR（气相色谱-傅立叶变换红外光谱联用技术）仪器中获得广泛应用。此外，PbS检测器常用于近红外区室温下的检测。以上两个部件是色散型红外光谱仪和傅立叶红外光谱仪所共有的，对于色散型红外光谱仪还有几个关键部件：如单色仪、光栅、狭缝等；对于傅立叶变换红外光谱仪，它还有迈克耳孙干涉仪、分束器、透明窗片、数据处理系统等关键部件。下表是一些分束器的介绍：常用分束器类型和适用波段范围现在通用型FTIR中常用KBr镀Ge膜的分束器。透明窗片KBr，KRS-5（由溴化铊－碘化铊组成，有毒，很少使用）。2.红外光谱仪的分类A．色散型红外光谱仪上世纪70年代中期至80年代，色散型红外光谱仪诞生，到目前为止，国内还有厂家在生产，用户还有很多。该仪器的特点是：采用双光束结构。使用单光束仪器时，大气中的H2O、CO2在重要的红外区域内有较强的吸收，因此需要一参比光路来补偿，使这两种物质的吸收补偿到零。采用双光束光路可以消除它们的影响，测定时不必严格控制室内的湿度及人数。单色器在样品室之后。由于红外光源的低强度，检测器的低灵敏度(使用热电偶时)，故需要对信号进行大幅度放大。而红外光谱仪的光源能量低，即使靠近样品也不足以使其产生光分解。而单色器在样品室之后可以消除大部分散射光而不至于到达检测器。斩光器转动频率低，响应速率慢，以消除检测器周围物体的红外辐射。色散型仪器的主要不足：1）需采用狭缝，光能量受到限制；2）扫描速度慢，不适于动态分析及和其它仪器联用；3）不适于过强或过弱的吸收信号的分析。此外由于内部移动部件较多，此类仪器最大的弱点是光栅或反光镜的机械轴长时间连续使用容易磨损，影响波长的精度和重现性。因此色散型红外光谱仪自身局限性很大，现在已经逐步被傅立叶红外光谱仪取代。下图是色散型红外光谱仪的结构：光栅式红外光谱仪的结构上图中，光源发出的光被分成两束，分别作为参比光和样品光通过样品池。各光束交替通过扇形镜M7，利用参比光路的衰减器（又称为光楔或减光器）对经参比光路和样品光路的光的吸收强度进行对照。因此通过参比和样品后溶剂的影响被消除，得到的谱图就是样品本身的吸收。B.傅立叶变换红外光谱仪（FourierTransformInfraredSpectrometerFTIR）的特点和结构前面介绍的以光栅作为色散元件的红外光谱仪在许多方面已不能完全满足需要。由于采用了狭缝，能量受到限制。尤其在远红外区能量很弱；它的扫描速度太慢，使得一些动态的研究以及和其他仪器（如色谱）的联用发生困难；对一些吸收红外辐射很强或者很弱的样品的测定及痕量组分的分析等，也受到一定的限制。随着光电子学尤其是计算机技术的迅速发展，70年代出现了新一代的红外光谱测量技术和仪器——基于干涉调频分光的Fourier变换的红外光谱仪。这种仪器不用狭缝，因而消除了狭缝对通光量的限制，可以同时获得光谱所有频率的全部信息。它具有许多优点：扫描速度快，测量时间短，可在1s内获得红外光谱，适于对快速反应过程的追踪，也便于和色谱法联用；灵敏度高，检出量可达10-9～10-12g；分辨本领高，波数精度可达0.01cm-1；光谱范围广，可研究整个红外区（10000～10cm-1）的光谱；测定精度高，重复性可达0.1%，而杂散光小于0.01％。下图是FTIR的结构傅立叶变换红外光谱仪的结构光源发出的光被分束器分为两束，一束经反射到达动镜，另一束经透射到达定镜。两束光分别经定镜和动镜反射再回到分束器，从而产生干涉。动镜作直线运动,因而干涉条纹产生连续的变换。干涉光在分束器会合后通过样品池，然后被检测器（傅立叶变换红外光谱仪的检测器有TGS，DTGS，MCT等）接收，计算机处理数据并输出。有好多人不明白为什么仪器角傅立叶变换红外光谱仪，不清楚傅立叶变换的含义，下面有必要简单介绍FTIR的数学原理。周期性的运动可在两种域(Domain)中得到表征：一种表征域是表现出周期性的域，例如，电(磁)场强度随时间(空间)的分布，就是在时(空)域中表征光波的特征；另一种表征域是运动状态按某一周期性参数(频率、波长、波数等)的分布，可统称为频域。这两种城中表征同一运动状态．可通过傅里叶变换(FourierTransform，简称FT)相互转变。通常所说的某种光的光谱是指该光包含的不同频率成分的强度按频率的分布，因此光谱就是光在频率域中的表征。下图是某频率的两种单色光分别在空间域（时域）和频域的表征。相干的复色光，在空间x处电场强度的叠加是：其中是光强度按波数的分布函数，很明显E(x)、分别是光时域和频域的表征，上述关系式就是傅立叶变换式。可以通过FT把光在时域和频域的表征相互转换：我们用迈克耳孙干涉仪可以得到红外光的时域谱，通过FT就可以得到光的频率（波数）分布。这就是仪器名称的由来。3.红外光谱仪各项指标的含义A．光谱范围红外的整个谱区的波长范围根据ASTM（AmericanSocietyofTestingMaterials，美国材料实验协会）定义为780－2526nm。而在一般应用中大家往往把700－2500nm或700－2600nm作为近红外谱区，并通常把它分为2段，700－1100nm的短波近红外谱区和1100－3600nm的长波近红外诺区。短波近红外谱区更适合做透射分析，故又叫近红外透射区，长波近红外谱区更适合做反射或漫反射分析，也称之为近红外反射区。仪器的波长范围指该红外光谱仪所能记录的光谱范围，它影响能实现分析测试的项目，主要取决于仪器的光源种类、分光系统、检测器类型和透光材料。专用的红外仪器往往只覆盖单一波段，如美国Zeltex的ZXl01型手持式辛烷值分析仪用700－1100nm的短波近红外谱区，AGMED公司的土壤快速分析仪用的1650－2650nm的长波近红外谱区；而通用型的红外仪器往往覆盖整个红外谱区。B．分辨率红外光谱仪器的分辨率是指仪器对于紧密相邻的峰可分辨的最小波长间隔，表示仪器实际分开相邻两谱线的能力，往往用仪器的单色光带宽来表示，它是仪器最重要的性能指标之一，也是仪器质量的综合反映。仪器的分辨率主要取决于仪器的分光系统的性能。对色散型仪器而言，还与光源的强度、检测器的灵敏皮有关，光源的强度大、检测器的灵敏度高可减小狭缝宽度，降低单色光带宽，提高仪器的分辨率。而对用多通道检测器的仪器，仪器的分辨卒与检测器的像素有关，单位长度像素越多分辨率越高。对于滤光片型近红外光谱仪器，滤光片的带宽就是仪器的分辨率。仪器的分辨率主要影响光谱仪器获得测定样品光谱的质量，从而影响分析的准确性，对于一台仪器的分辨率是否满足要求，这与待测样品的光谱特征有关，有些物质光谱重叠、特征复杂，要得到满意的分析结果，就要求较高的仪器分辨率。C．波长准确度波长准确度是指仪器所显示的波长值和分光系统实际输出单色光的波长值之间相符的程度。波长准确度可用波长误差，即上述两值之差来表示。保证波长准确度是红外光谱仪器能够准确测定样品光谱的前提，是保证分析结果的准确度前提。红外分析结果一般是通过用已知化学值的标准样品建立的模型来分析待测样品，如果波长准确度不能保证，整组数据就会因波长平移而使每个数据出现偏差，造成分析结果的误差。波长准确度主要决定于光学系统的结构，此外还受温度的影响。傅里叶变换红外光谱仪器一般内部有波长校正系统，所以波长准确度很高；而色散型近红外光谱仪器和滤光片型近红外光谱仪器的波长准确度相对低些，需用已知波长值且性质比较稳定的标推物质经常进行校正。D．波长精确度波长精确度又称波长重复性，是指对同一样品进行多次扫描，光谱谱峰位置间的差异程度或重复性，通常用多次测量某一谱峰所得波长的标准差来表示。波长精确度是体现仪器稳定性的—个重要指标，取决于光学系统的结构，与波长准确度一样，也会影响分析结果的准确性。如果仪器的光学系统全部设计成固定不动，则仪器的波长的精确度就会很高。E．光度准确度光度准确度是指仪器对某物质进行透射或漫反射测量时，测得的光度值与该物质真实值之差。主要是由检测器、放大器、信号处理电路的非线性引起。它会直接影响近红外定量分析结果的准确度。F．信噪比信噪比就是样品吸光度与仪器吸光度噪声的比值。仪器吸光度噪声是指在一定的测量条件下，在确定的波长范围内对样品进行多次测量，得到光谱吸光度的标准差。仪器的噪声主要取决于光源的稳定性、放大器等电子系统的噪声、检测器产生的噪声及环境噪声，如电子系统设计不良、元件质量低劣、仪器接地不良、工作环境潮湿、外界电磁干扰多会使仪器噪声增大。信噪比是红外光谱仪器非常重要的一项指标，直接影响分析结果的准确度与精确度；因为红外光谱分析是一门弱信号提取技术，在一个很强的背景信号下提取出相对很弱的有用信息，得到分析结果，所以信噪比对近红外光谱仪器尤为重要。对于高档仪器，一般要求信噪比达到105。G．杂散光强度杂散光是指分析光以外被检测器接收的光，主要是由于光学器件表面的缺陷、光学系统设计不良或机械零部件表面处理不良与位置不当等引起的，尤其是光栅型红外光谱仪器的设计中，杂散光的控制非常关键，往往是导致仪器测量出现非线性的主要原因。杂散光对分析测量的影响在分析高吸光度样品时更为明显。H．分析速度红外光谱仪器往往被用于实时、在线的品质检测和监测，分析样品的数量往往比较多，所以分析速度也是值得注意的一项重要指标。仪器的分析速度主要由仪器的扫描速度决定。仪器的扫描速度是指在仪器的波长范围内，完成一次扫描得到一个光谱所需要的时间。不同仪器类型扫描速度相差很大，如多通道仪器因同时接收全部的光信息，速度取决于电子电路对信息的处理时间上，所以速度很快，一般为几十毫秒；傅里叶变换红外光谱仪器的扫描速度一般为1s左右；而传统的光栅型红外光谱仪器的扫描速度相对较慢，一般需几分钟，而利用大口径振动凹面光栅，如丹麦福斯公司（Foss）设计的NIRSystem系列光栅型近红外光谱仪器，扫描速度达1.8次／s。AOTF型近红外光谱仪器由于采用声光调制产生单色光，所以扫描速度也非常快，一般达5000个波长点/s。还有一个指标容易被忽略，这就是软件功能及数据处理能力：“软件就是仪器，仪器技术就是软件技术”，软件是近外光谱仪器的主要组成部分。红外光谱仪器的软件一般由两部分组成，一部分是仪器控制平台软件，它控制仪器的硬件，进行光谱数据采集，这部分各个厂家差别不大，并已有可能发展形成一个通用仪器操作平台软件；另一部分是数据处理软件，红外光谱仪器的数据处理软件通常由光谱数据预处理、校正模型建立和未知样品分析三大部分组成，其核心是校正模型建立部分软件，它是光谱信息提取的手段，直接影响到分析结果的准确性，一些好的软件，都有其独到的建立校正模型的算法，以便尽可能准确地提供样品信息。三．红外光谱仪的应用红外吸收光谱具有高度的特征性，除光学异构外（指分子结构完全相同，物理化学性质相近，但旋光性不同的物质。这是由于分子链上不对称碳原子所带基团的排列方式不同所形成，又称立体异构），没有两种化合物的红外光谱是完全相同的。红外光谱中往往具有几组相关峰可以相互佐证而增强了定性和结构分析的可靠性，随此在官能团定性方面，是紫外、核磁、质谱等结构分析方法所不及的。红外光谱法可测定链、位置、顺反、晶型等异构体，而质谱法对异构体的鉴别则无能为力；红外光谱测定的样品范围广，无机、有机、高分子等气、液、固态样品都可测定。而核磁样品需配在特定的试剂（氘代试剂）中，质谱样品需有—定蒸气压；红外光谱测定的样品用量少（一般只需数毫克）、测定速度快（FTIR仅需数秒钟），仪器操作简便、重现件好；设备比核磁、质谱便宜得多，并且已积累了大量标准红外光谱图可供查阅，所以它在有机物和高聚物的定性与结构分析中已得到普及应用。红外吸收光谱法也有其局限性，即有些物质不能产生红外吸收峰。例如原子（Ar、Ne、He等），单原子离于（K+、Na+、Ca2+等），同质双原于分子（H2、O2、N2等）以及对称分子都无吸收峰：有些物质不能用红外光谱法鉴别，例如光学异构体，不同分子量的同一种高聚物往往不能鉴别。因此一些复杂物质的结构分析，还必须用控曼光谱、核磁、质谱等方法配合。此外，红外光谱中的一些吸收峰，尤其是指纹峰往往不能作理论上的解释，它不像核磁谱峰那样都有其归属。定量分析的准确度和灵敏度低于可见－紫外吸收光谱法。由于红外吸收光谱法具有许多突出的优点，因此它在与化学有关的许多领域都有广泛应用。在煤和石油化工产品以及染料、药物、生物制品、食品、环保等有机化合物的研究方面，用于产品纯度或基团的鉴定，异构体的鉴别，分子结构的推断，化学反应机理的研究以及定量分析；在合成纤维、橡胶、塑料、涂料和粘合剂等高聚物研究方面，用于单体、聚合物、添加剂的定性、定量和结构分析。端基、支化度、共聚物系列分布等链结构的研究，以及结晶度、取向性等聚集态结构的研究。还用于高聚物力学性能、聚合反应和光热老化机理等研究；在无机化合物研究方面，用于粘土、矿石、矿物等类型的鉴别及其某些加工工艺过程的研究，用于某些新型无机材料的测试，例如Si3N4中杂质SiO2及Si／N比的测定，光纤中杂质OH基的测定，半导体材料内O2、C等杂质元素的测定和GaAs外延层厚度的测定，高聚物中天机填料的鉴别、催化剂表面结构、化学吸附和催化反应机理的研究以及络合物性质与结构研究等方面。此外，红外吸收光谱法还用于分子结构的基础研究，例如通过测定分子键长、键角来推断分子的立体构型。通过测定简振频率、计算力常数来推测化学键的强弱等等。四．红外试样制备1．对试样的要求1）试样应为“纯物质”（>98%），通常在分析前，样品需要纯化；对于GC-FTIR则无此要求。2）试样不含有水（水可产生红外吸收且可侵蚀盐窗）；3）试样浓度或厚度应适当，以使T在合适范围。2．制样方法液体或溶液试样1）沸点低易挥发的样品：液体池法。2）高沸点的样品：液膜法（夹于两窗片之间）。3）固体样品可溶于CS2或CCl4等无强吸收的溶液中。固体式样1）压片法：1~2mg样品+200mgKBr→干燥处理→研细。粒度小于2mm（散射小）→混合压成透明薄片→直接测定；2）石蜡糊法：试样→磨细→与液体石蜡混合→夹于窗片间；(石蜡为高碳数饱和烷烃，因此该法不适于研究饱和烷烃)。3）薄膜法：高分子试样→加热熔融→涂制或压制成膜；高分子试样→溶于低沸点溶剂→涂渍于窗片→挥发除溶剂红外光谱仪压片技巧压片质量不正常的分析由KBr粉末引起的问题：现象1.透过片子看远距离物体透光性差，有光散射2.不规则疙瘩斑原因1.KBr不纯，至少混有第二种碱金属卤化物2.KBr受潮或结块纠正办法1.选用纯的KBr2.干燥。由试样引起的问题：现象1.片子出现许多白色斑点，其余部分清晰透明2.不规则疙瘩或全部呈云雾状混浊3.呈半透明或云雾状混浊原因1.研磨不均，有少量粗粒2.样品受潮3.样品本身性质之故纠正办法1.重新研磨2.干燥或抽真空时间长些3.选用其他制样方法。由压片技术引起的问题：现象1.整个片子不透明2.刚压好片子很透明，1分钟后出现不规则云雾状混浊3.片子中心出现云雾状原因1.压力不够，加上分散不好2.抽真空不够3.砧空或压舌面不平整纠正方法1.重新研磨2.检查真空度，延长抽真空时间3.调换新的或重抛五．红外光谱仪的新进展近年来出现为某些特定场合而开发专用红外光谱仪的现象，这在近红外光谱仪中更加明显。现在有一些新的技术运用到光栅式近红外光谱仪中：如使用以固定频率摆动的大口径全息凹面光栅，可以大大降低扫描时间（2s左右）；采用固定光路多通道检测技术，接收器有两种一般是二极管阵列(PhotodiodeArray，PDA)检测器和采用电荷耦合器件（ChargerCoupledDevice，CCD），这类仪器采用全息光栅分光，加之检测器的通道数达1024或2048个，可获得很好的分辨率。由于检测器对所有波长的单色光同时检测，在1s内可完成几十次或上百次的扫描累加，从而得到较高的信噪比和灵敏度。可以方便地进行定性和定量分析。由于仪器光路固定，整个仪器内无移动性部件，仪器波长准确度和重复性得到保证，使用的耐久性和可靠性得到提高。这类仪器也很适合作为现场分析仪器和在线分析仪器使用。声光可调滤光型近红外光谱仪器被认为是20世纪90年代近红外光谱技术最突出的进展。由于采用声光器件分光，该仪器的最大特点是无机械移动部件，测量速度快、精度高、准确性好，提高工作的可靠性和维修费用，可以稳定地长时间工作。它的分辨率也很高，目前可以达到0.01nm，波长调节速度快，一般4000nm/s。还有一些领域的特殊要求，需要分析C-H、O-H、N-H等官能基。由于这些吸收都是在近红外区，由此发展而来的仪器称为近红外光谱仪。现已广泛应用于农业、食品加工、石油化工、制药、烟草、纺织等领域。

第二章紫外－可见光谱法及相关仪器UV-VISSpectrometry&Instrument一．紫外－可见吸收光谱概述利用紫外－可见吸收光谱来进行定量分析由来已久，可追溯到古代，公元60年古希腊已经知道利用五味子浸液来估计醋中铁的含量，这一古老的方法由于最初是运用人眼来进行检测，所以又称比色法。到了16、17世纪，相关分析理论开始蓬勃发展，1852年，比尔(Beer)参考了布给尔(Bouguer)1729年和朗伯(Lambert)在1760年所发表的文章，提出了分光光度的基本定律，即液层厚度相等时，颜色的强度与呈色溶液的浓度成比例，从而奠定了分光光度法的理论基础，这就是著名的朗伯－比尔定律。1．紫外－可见吸收光谱的形成吸光光度法也称做分光光度法，但是分光光度法的概念有些含糊，分光光度是指仪器的功能，即仪器进行分光并用光度法测定，这类仪器包括了分光光度计与原子吸收光谱仪（AAS）。吸光光度法的本质是光的吸收，因此称吸光光度法比较合理，当然，称分子吸光光度法是最确切的。紫外－可见吸收光谱是物质中分子吸收200-800nm光谱区内的光而产生的。这种分子吸收光谱产生于价电子和分子轨道上的电子在电子能级跃迁（原子或分子中的电子，总是处在某一种运动状态之中。每一种状态都具有一定的能量，属于一定的能级。这些电子由于各种原因（如受光、热、电的激发）而从一个能级转到另一个能级，称为跃迁。）当这些电子吸收了外来辐射的能量就从一个能量较低的能级跃迁到一个能量较高的能级。因此，每一跃迁都对应着吸收一定的能量辐射。具有不同分子结构的各种物质，有对电磁辐射显示选择吸收的特性。吸光光度法就是基于这种物质对电磁辐射的选择性吸收的特性而建立起来的，它属于分子吸收光谱。跃迁所吸收的能量符合波尔条件：二．紫外－可见分光光度计1854年，杜包斯克(Duboscq)和奈斯勒(Nessler)等人将此理论应用于定量分析化学领域，并且设计了第一台比色计。到1918年，美国国家标准局制成了第一台紫外可见分光光度计。此后，紫外－可见分光光度计经不断改进，又出现自动记录、自动打印、数字显示、微机控制等各种类型的仪器，仪器的灵敏度和准确度也不断提高，其应用范围也不断扩大。1．紫外－可见分光光度计的主要部件光源单色器吸收池光源单色器吸收池检测器信号指示系统光源对光源的基本要求是：应在仪器操作所需的光谱区域内能够发射连续辐射；有足够的辐射强度和良好的稳定性，而且辐射能量随波长的变化应尽可能小。紫外－可见分光光度计中常用的光源有热辐射光源和气体放电光源两类。热辐射光源用于可见光区。如钨丝灯和卤钨灯；气体放电光掉用于紫外光区，如氢灯和氘灯。钨灯和碘钨灯可使用的范围在340～2500nm，这类光源的辐射能量与施加的外加电压有关，在可见光区，辐射的能量与工作电压的4次方成正比。光电流也与灯丝电压的n次方（n>l）成正比。因此必须严格控制灯丝电压，仪器必须备有稳压装置。在近紫外区测定时常用氢灯和氘灯，它们可在160～375nm范围内产生连续光源。氘灯的灯管内充有氢的同位素氘，它是紫外光区应用最广泛的一种光源，其光谱分布与氢灯类似，但光强度比相同功率的氢灯要大3～5倍。单色器单色器是能从光源辐射的复合光中分出单色光的光学装置，其主要功能应该是能够产生光谱纯度高且波长在紫外可见区域内任意可调的单色光。单色器一般由入射狭缝、准直镜（透镜或凹面反射镜使入射光成平行光）、色散元件、聚焦元件和出射狭缝等几部分组成。其核心部分是色教元件，起分光的作用。单色器的性能直接影响人射光的单色性，从而也影响到测定的灵敏度、选择性及校准曲线的线性关系等。能起分光作用的色散元件主要是棱镜和光栅。棱镜常用的材料有玻璃和石英两种。它们的色散原理是依据不同波长光通过棱镜时有不同的折射率而将不同波长的光分开。由于玻璃可吸收紫外光，所以玻璃棱镜只能用于350～3200nm的波长范围，即只能用于可见光区域内。石英棱镜适用的波长范围较宽，可从185～4000nm，即可用于紫外、可见、近红外三个光域。光栅是利用光的衍射与干涉原理制成的。它可用于紫外、可见及近红外光域，而且在整个波长区具有良好的、几乎均匀一致的分辨能力。它具有色散波长范围宽、分辨本领高、成本低、便于保存和易于制备等优点。缺点是各级光谱会重叠而产生干扰。入射、出射狭缝，透镜及准直镜等光学元件中狭缝在决定单色器性能上起重要作用。狭缝的大小直接影响单色光纯度，但过小的狭缝又会减弱光强。吸收池吸收池用于盛放分析试样，一般有石英和玻璃材料两种。石英池适用于可见光区及紫外光区，玻璃吸收池只能用于可见光区。为减少光的反射损失，吸收池的光学面必须完全垂直于光束方向．在高精度的分析测定中（紫外区尤其重要）,吸收池要挑选配对。因为吸收池材料的本身吸光特征以及吸收池的光程长度的精度等对分析结果都有影响。检测器检测器的功能是检测光信号、测量单色光透过溶液后光强度变化的一种装置，常用的检测器有光电池、光电管和光电倍增管等。它们通过光电效应将照射到检测器上的光信号转变成电信号。对检测器的要求是：在测定的光谱范围内具有高的灵敏度；对辐射能量的响应时间短，线性关系好；对不同彼长的辐射响应均相同，且可靠；噪音低，稳定性好等。硒光电池对光的敏感范围为300～800nm，其中又以500～600nm最为灵敏。这种光电池的特点是能产生可直接推动微安表或检流计的光电流，但由于容易出现疲劳效应而只能用于低档的分光光度计中。光电管在紫外－可见分光光度计上应用较为广泛。它的结构是以一弯成半圆柱形的金属片为阴极，阴极的内表面涂有光敏层，在圆柱形的中心置一金属丝为阳极．接受阴极释放出的电子。两电极密封于玻璃或石英管内并抽成真空。阴极上光敏材料不同，光谱的灵敏区也不同。可分为蓝敏和红敏两种光电管，前者是在镍阴极表面上沉积锑和艳，可用于波长范困为210～625nm；后者是在阴极表面上沉积了银和氧化艳。可用范围为625～1000nm。与光电池比较，它有灵敏度高、光敏范围宽、不易疲劳等优点。光电倍增管是检测微弱光最常用的光电元件，它的灵敏度比一般的光电管要高200倍，因此可使用较窄的单色器狭缝，从而对光谱的精细结构有较好的分辨能力。信号指示系统它的作用是放大信号并以适当方式指示或记录下来。早期常用的信号指示装置有直读检流计、电位调节指零装置以及数字显示或自动纪录装置等。现在很多型号的分光光度计都可配套计算机使用，一方面可对分光光度计进行操作控制，另一方面可进行数据处埋。

2．紫外－可见分光光度计的分类紫外－可见分光光度计的类型很多，但可归纳为三种类型：单光束分光光度计、双光束分光光度计和双波长分光光度计。a．单光束分光光度计其光路示意图如前图（紫外－可见分光光度计的基本结构图）所示，经单色器分光后的一束平行光，轮流通过参比溶液和样品溶掖，以进行吸光度的测定。这种类型的分光光度计结构简单，操作方便，维修容易，适用于常规分析。国产722型，751型、724型、英国SP500型以及BackmanDU－8型等均属于此类光度计。b．双光束分光光度计其光路示意如下图所示，经单色器分光后经反射镜（M1）分解为弧度相等的两束光，一束通过参比池，另一束通过样品池。光度计能自动比较两束光的强度，此比值即为试样的透射比，经对数变换将它转换成吸光度并作为波长的函数记录下来。双光束分光光度计一般都能自动记录吸收光谱曲线。由于两束光同时分别通过参比池和样品他，还能自动消除光源强度变化所引起的误差。这类仪器有国产710型、730型和740型，日立220系列，岛津－210，英国UNICAMSP－700等等。单波长双光束分光光度计原理图c．双波长分光光度计其基本光路如下图所示。由同一光源发出的光被分成两束，分别经过两个单色器，得到两束不同波长的单色光；再利用切光器使两束光以一定的频率交替照射同一吸收池，然后经过光电倍增管和电子控制系统，最后由显示器显示出两个波长处的吸光度差值ΔA(ΔA=A1-A2)。双波长分光光度计的优点：对于多组分混合物、混浊试样（如生物组织液）的分析，以及存在背景于扰或共存组分吸收干扰的情况下，利用双波长分光光度法，往往能提高方法的灵敏度和选择性。利用双波长分光光度计，能获得导数光谱。通过光学系统转换，使双波长分光光度计能很方便地转化为单波长工作方式。如果能在两波长处分别记录吸光度随时间变化的曲线，还能进行化学反应动力学研究。双波长分光光度计光路示意圈3．紫外－可见分光光度计的各项指标含义a.波长准确度与准确性（一般在0.1-0.8nm之间）单色光的最大强度波长值于波长指示值之差。是仪器最重要的指标之一，仪器测定的每个值都是在指定的波长下得到的，如果所示的波长和实际波长偏差很大，那么测出的结构就毫无意义了。b.狭缝宽准确度（一般在0.01-0.1nm之间）狭缝是指由一对隔板在光通路上形成的缝隙，用来调节入射单色光的纯度和强度，也直接影响分辩力。因此，狭缝的准确度越高越好。狭缝可在0.1－10nm宽度内调节。c.噪音（一般在0.0008-0.008之间）表征仪器做稀溶液的能力。这个指标越小越好。d.吸光度准确性（一般在0.1%-2.0%之间）吸光度的仪器读数与标准溶液的标准值之差。标定应在紫外光区和可见光区两个部分进行。e.高读数准确度（一般在0.2%-5.0%之间）吸光度范围一般在0-8之间，在比较大的吸光度时测定的准确度反映了仪器的线性范围的好坏。f.杂散光（一般在0.02%-0.3%T之间）检测器在给定的标称波长处（220nm，NaI；340nm,NaNO2）接收的光线中夹杂的不属于入射光束的其它光线。这个值越小越好。g.分辨率（一般在0.03-0.3之间）是指仪器分开相邻的两条谱线的能力。如：在狭缝为0.2nm时，365.02、365.48、366.33nm三条谱线应能明显分清。h.能量（一般在0.5-1之间）是读数方式的一种，一般仪器都有几种测量光度的方式如：透过率，吸光度，反射率，能量。能量的大小反映了光源、检测器等仪器的整体性能。此外还有其它指标：如仪器的波长范围（190-1100nm）、基线漂移、稳定性、吸光度范围等，这些指标都容易理解，就不一一说明了。4．紫外－可见分光光度计的校正通常在实验室工作中，验收新仪器或仪器使用过一段时间后都要进行波长校正和吸光度校正。一般要在紫外区和可见区分别校正。常采用下述的方法来进行校正。镨钕玻璃或钬玻璃都有若干特征的吸收峰，可用来校正分光光度计的波长标尺，前者用于可见光区，后者则对紫外和可见光区都适用。可用K2CrO4标准溶液来校正吸光度标度。将0.04克K2CrO4溶解于1dm3的0.05mol/dm3的KOH溶液中，在1cm光程的吸收池中，在25铬酸钾溶液的吸光度

三．紫外－可见分光光度计的应用紫外－可见分光光度计可用于物质的定量分析、结构