检验仪器分析第四章光谱分析相关仪器

第四章光谱分析相关仪器主要内容第一节概述第二节紫外-可见分光光度计第三节分子荧光光谱仪第四节原子吸收光谱仪第一节概述本节要点

1.光分析的基本原理。

2.物质对光的吸收,光吸收曲线。

3.光的基本性质,朗伯-比耳定律。返回目录学习目标掌握光学分析基本知识，光的吸收定律的应用。熟悉光谱仪器的基本结构和分类。了解光谱分析法的基本分类。第一节概述返回目录光的基本性质

光是一种电磁波，具有波粒二象性。光的最小单位是光量子。

一、光谱分析技术基本原理返回目录不同波长的光具有不同的能量，波长越短，频率越高，能量越大。一、光谱分析技术基本原理返回目录一、光谱分析技术基本原理返回目录原子或分子吸收与其能级跃迁相对应的能量由低能态或基态跃迁至较高能态，物质对辐射能选择性吸收而得到的原子或分子吸收光谱称为吸收光谱。吸收光谱一、光谱分析技术基本原理返回目录原子或分子吸收与其能级跃迁相对应的能量由低能态或基态跃迁至较高能态，从高能态跃迁回到基态或低能态而产生的光谱称为发射光谱。发射光谱一、光谱分析技术基本原理返回目录原子核外电子在不同能级间跃迁而产生的光谱称为原子光谱。是由一条条彼此分离的谱线组成的线状光谱原子光谱一、光谱分析技术基本原理返回目录分子能级跃迁产生的光谱称为分子光谱。可以给出物质结构的相关信息。是复杂的带状光谱分子光谱分子能级示意图一、光谱分析技术基本原理返回目录（一）物质对光的选择性吸收不同物质的基态和激发态的能量差不同，选择吸收光子的能量不同，所以吸收的波长不同。因此不同物质将选择性地吸收不同能量的辐射，这是吸收光谱分析的基础。一、光谱分析技术基本原理返回目录（二）吸收曲线选择不同波长的单色光分别通过某一固定浓度的某物质溶液，测量溶液对各单色光的吸光度A。以波长为横坐标，A为纵坐标作图，所得A-曲线称为吸收光谱或吸收曲线

一、光谱分析技术基本原理返回目录一、光谱分析技术基本原理相同物质不同浓度的吸收曲线返回目录

在分光光度分析中，应该选用被测溶液吸收光谱的最大吸收波长max作为入射光。一、光谱分析技术基本原理1.在max处进行测定，灵敏度最高2.相同波长下溶液浓度愈大吸光度愈大3.不同浓度的相同物质测得的吸收光谱形状相似，max均相同返回目录结论表明（三）朗伯-比耳定律1．透光率和吸光度一、光谱分析技术基本原理返回目录

透射光强度It与入射光强度I0之比称为透光率T（或百分透光率T%）

透光率的负对数称为吸光度A一、光谱分析技术基本原理返回目录①T%=100%时，A=0，光完全透过，溶液对光完全不吸收②T%=0时，A=，光完全不透过，溶液对光完全吸收一、光谱分析技术基本原理返回目录2．朗伯-比耳定律A=kbc

在一定温度下，当一束平行单色光通过某一有色溶液时，吸光度A与液层厚度和溶液浓度c成正比。一、光谱分析技术基本原理返回目录（１）摩尔吸光系数

溶液浓度用物质的量浓度（mol/L），液层厚度的单位为cm时，k用表示，单位（L/ mol·com）

数值上等于一定温度下溶液浓度为1mol/L和液层厚度为1cm时溶液的吸光。一、光谱分析技术基本原理返回目录（2）质量吸光系数

溶液浓度用质量浓度（g/L）表示，当液层厚度的单位为cm时，k用a表示，单位为L/g·cm（4.8）一、光谱分析技术基本原理返回目录Lambert-Beer定律应用注意：1）朗伯-比耳定律仅适用于单色光和稀溶液。2）数值愈大吸光物质对入射光吸收愈强，测定灵敏度愈高。3）在一定波长下吸光度与溶液浓度成正比。一、光谱分析技术基本原理返回目录二、光谱分析技术的分类波长范围0.0005～0.1nm0.1～10nm10～200nm200～400nm400～760nm0.76～2.5μm2.5～50μm50～1000μm0.1～100cm1～1000m波谱区名称γ射线X射线远紫外近紫外可见近红外中红外远红外微波无线电波跃迁类型原子核反应内层电子外层电子外层电子外层电子分子振动分子振动、转动分子振动、转动分子转动、电子自旋原子核自旋光谱类型莫斯鲍尔谱X射线电子能谱真空紫外吸收光谱紫外可见吸收光谱紫外可见吸收光谱红外吸收光谱、拉曼光谱红外吸收光谱、拉曼光谱红外吸收光谱、拉曼光谱电子自旋共振核磁共振返回目录第二节紫外-可见分光光度计本节要点1.紫外可见分光光度计的基本结构。2.紫外可见分光光度计的功能。3.紫外可见分光光度计性能评价指标。4.仪器的使用和维护。返回目录第二节紫外-可见分光光度计

学习目标

掌握紫外-可见分光光度计仪器的使用。熟悉紫外-可见分光光度计仪器的基本工

作原理，仪器组成。

了解紫外-可见分光光度计测量条件的选择。返回目录一、基本结构和功能光源单色光器吸收池检测器显示器及信息处理装置返回目录紫外-可见分光光度计结构示意图一、基本结构和功能返回目录卤钨灯一、基本结构和功能———光源返回目录氘灯返回目录一、基本结构和功能———光源单色器工作示意图一、基本结构和功能———单色器返回目录单色器部件组合返回目录一、基本结构和功能———单色器不同厚度的吸收池一、基本结构和功能———吸收池返回目录光电管工作示意图一、基本结构和功能———检测器

返回目录光电倍增管返回目录一、基本结构和功能———检测器

光电二级管阵列工作示意图返回目录一、基本结构和功能———检测器

一、基本结构和功能———信号显示系统信号显示系统直读检流计电位调节指零自动记录数字显示计算机系统返回目录

波长准确度和波长重复性

光度线性范围和准确度

分辨率

光谱带宽

杂散光

基线二、性能指标及评价返回目录

安装仪器外部环境

注意防潮

经常检验仪器的技术指标

保持机械运动部件活动自如

比色皿的使用和清洗三、使用和维护返回目录四、

常见故障及排除方法故障现象故障原因及排除方法指示灯不亮，仪器不工作1.电源线接触不良；接好电源线2.保险丝坏；检查保险丝，更换新的3.电路故障；整机检查，并与厂方联系不能调零（即0％T）1.光门不能完全关闭；检修光门盖2.微电流放大器损坏；放大器输入端在没有外界信号时，正反相都应接近于0，对称性较好，属正常；如一端远远超出

另一端不平衡，放大器坏，更换放大器表4-4紫外-可见分光光度计常见故障现象及排除方法返回目录四、

常见故障及排除方法故障现象故障原因及排除方法不能调置100％T1.光能量不够；变换灵敏度开关，满足此条件，无反应，检查样品室内有否光亮，如偏离光电管接收光窗，能量微弱，检查灯源室及单色器，调整光源，使仪器正常工作2.光源（钨灯、氘灯）损坏;更换新的3.比色器架没落位；检查比色器架子，摆正位置4.光门未完全打开，或单色光偏离；检修光门使单色光源完全进入接收器测光精度不准1.由于仪器受振动等原因使波长位移；采用干涉滤光片或其它方法进行波长校正2.比色器受污染；使比色器保持清洁3.样品混浊，配制溶液不准确;应仔细操作每个步骤返回目录四、

常见故障及排除方法故障现象故障原因及排除方法噪声指标异常1.预热时间不够；需预热20min2.光源老化；更换光源3.环境振动过大，空气流速过大；调换仪器运行环

境4.样品室不正；对正样品室5.电压低，强磁场；加稳压器，消除干扰。其

他1.程序错误；正确操作，关闭其它无关程序，检查

计算机是否有病毒。2.不明故障原因；与厂家联系，说明故障现象返回目录本节要点1.荧光分光光度计的结构和功能2.荧光分光光度计的性能评价指标3.荧光分光光度计的使用维护第三节分子荧光光谱仪返回目录

学习目标

掌握分子荧光激发光谱、发射光谱，荧光光谱仪的使用

熟悉荧光光谱仪的基本原理，仪器组成

了解分子荧光的影响因素第三节分子荧光光谱仪返回目录一、

荧光产生的基本原理返回目录

荧光物质常用紫外光或波长较短的可见光激发而产生荧光。如果将激发光的光源用单色器分光，测定不同波长激发光照射下荧光强度的变化，以激发波长（λ）为横坐标，荧光强度（IF）为纵坐标作图，便可得到荧光物质的激发光谱。一、

原理——荧光激发光谱返回目录维生素B2的荧光激发谱图返回目录一、

原理——荧光激发光谱

固定激发光波长和强度，让物质发射的荧光通过单色器，然后测定不同波长的荧光强度。以荧光的波长（λ）作横坐标，荧光强度（IF）为纵坐标作图，得到的是荧光发射光谱，也称荧光光谱。一、

原理——荧光发射光谱返回目录维生素B2的荧光发射光谱图返回目录一、

原理——荧光发射光谱硫酸奎宁的激发光谱及荧光光谱

…激发光谱−荧光光谱返回目录一、

原理——荧光发射光谱蒽的激发光谱及荧光光谱…激发光谱−荧光光谱返回目录一、

原理——荧光发射光谱荧光物质的最大激发波长（λex）和最大荧光波长（λem）是鉴定物质的根据和定量测定时最灵敏的条件。返回目录一、

原理——荧光发射光谱

大部分荧光物质都有芳香环或杂环当π电子的共轭程度越大，就越容易被激发，分子的荧光效率越大，其荧光光谱也将向长波长方向移动。

刚性的不饱和的平面结构具有较高的荧

光效率，并使荧光波长向长波长方向移

动。取代基为给电子取代基，常使荧光强度

增加。一、

原理——物质结构和荧光强度的关系返回目录化合物ΦFλ/nm苯0.07283联苯0.183161，3，5，-三苯基苯0.27355蒽0.364029-苯基蒽0.494199-乙烯基蒽0.76432表4-3共轭结构对荧光效率的影响

一、

原理——物质结构和荧光强度的关系返回目录荧光光度计的结构示意图二、基本结构与功能返回目录荧光分光光度计内部结构二、基本结构与功能返回目录高压汞灯示意图二、基本结构与功能——激发光源返回目录高压汞灯二、基本结构与功能——激发光源返回目录氙灯示意图二、基本结构与功能——激发光源返回目录使用前后的氙灯二、基本结构与功能——激发光源返回目录

高能闪烁光源

管内气压在100Pa以下，由高压电脉冲激发产生光脉冲，在极短的时间内发出很强的光。光谱分布与日光接近，色温6000K，亮度高，寿命可达1000h。二、基本结构与功能——激发光源返回目录

采用光栅作为单色器，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。二、基本结构与功能——单色器返回目录光栅二、基本结构与功能——单色器返回目录光栅分光原理二、基本结构与功能——单色器返回目录各种石英样品池二、基本结构与功能——样品池返回目录检测器一般有两支红敏光电倍增管。作用：分别用于样品信号的测量和参比信号。

二、基本结构与功能——检测器返回目录光电倍增管二、基本结构与功能——检测器返回目录二、基本结构与功能——信号显示系统返回目录

减少了测量所需的样品体积（0.5ml，10mm液池），同时，由于检测到的样品体积比垂直狭缝大得多，同等条件下，灵敏度高出5～30倍二、基本结构与功能——水平狭缝返回目录

牛津低温冷阱电热恒温水浴液池内精确测温的温度探头偏振附件多孔板附件二、基本结构与功能——各种测量附件返回目录

波长准确度

杂散光

光谱带宽

基线

噪声三、性能指标及评价返回目录四、使用维护及影响因素开机参数设置打开主机、pc电源、进入WINDOWS界面，开启工作站，连接主机，仪器初始化自检结束后，即可开始工作进入菜单，设置实验所需的参数将待测样品放入石英比色皿或固体样品架按已设定的参数和程序，按开始键仪器自动完成检测根据实验所得结果进行分析，获得相关信息，产生报告样本装载样本测定结果查询传送关机退出工作站，关掉pc电源和主机电源返回目录使用维护的部件电源光源单色器光电倍增管吸收池四、使用维护及影响因素返回目录

影响因素温度溶剂溶液的pH

猝灭剂四、使用维护及影响因素返回目录第四节原子吸收光谱仪返回目录本节要点1.原子吸收光谱仪的基本结构和功能2.原子吸收光谱仪的性能指标3.原子吸收光谱仪的影响因素及校正第四节原子吸收光谱仪返回目录第四节原子吸收光谱仪

学习目标掌握原子吸收分光光度计的使用熟悉原子吸收分光光度法的工作原理，仪器组成了解非火焰及火焰原子化器的结构、工作流程返回目录原子吸收的产生示意图一、工作原理返回目录原子吸收分光光度法（atomicabsorptionspectrophotometry,AAS）是基于气态的基态原子在某特定波长光的辐射下，原子外层电子对光的吸收这一现象建立起来的一种光谱分析方法。一、工作原理返回目录

试样进行预处理；然后进入原子化器，试样中被测元素在高温下发生离解而转变成气态原子状态并吸收由光源辐射出来的谱线，最后通过分光系统由检测器对获得的光谱强度进行检测，从而得到被测元素的含量。一、工作原理返回目录共振线：从基态到第一激发态最容易发生，这时产生的吸收线称为共振吸收线，简称共振线。共振线就是所谓的元素的特征谱线。一、工作原理返回目录二、基本结构和功能返回目录光源原子化器分光系统检测器数据处理系统（一）光源空心阴极灯的结构示意图返回目录空心阴极灯（一）光源返回目录空心阴极灯（一）光源返回目录无极放电灯工作示意图（一）光源返回目录无极放电灯（一）光源返回目录复合空心阴极灯（一）光源返回目录预混合型火焰原子化器的结构示意图（二）原子化器——火焰原子化器返回目录火焰燃烧过程示意图（二）原子化器返回目录区火焰原子化工作示意图（二）原子化器返回目录火焰原子化器火焰温度分区（二）原子化器返回目录石墨炉加热示意图（二）原子化器——电热原子化法返回目录石墨炉原子化器示意图（二）原子化器返回目录石墨炉构造（二）原子化器返回目录石墨管（二）原子化器返回目录石墨炉原子化器升温过程（二）原子化器返回目录石墨炉升温过程可分为干燥、热解、原子化及除残4个阶段干燥时温度一般仅110℃左右热解阶段的温度在102～103℃原子化温度一般在1500～3000℃之间，5～10秒除残温度约3500℃（二）原子化器返回目录

低温原子化技术氢化物用惰性气体载带，导入电热石英T形管原子化器中，在低于1000℃条件下可解离为自由原子。（二）原子化器返回目录（三）

分光系统分光系统色散元件（光栅等）反射镜狭缝返回目录（四）

检测系统检测系统检测器放大器对数变换器指示仪表返回目录原子吸收分光光度计结构示意图二、基本结构和功能返回目录灵敏度校准曲线A=f(c)的斜率，S=dA/dc，表示被测元素浓度或含量改变一个单位时所引起的测量信号吸光度的变化量。三、性能指标返回目录特征浓度在作出校准曲线后，从吸光度为0.1的地方查得对应的质量浓度值[ρ(mg/L)]，则Sˊ值即为该浓度值(ρ)和0.0044的乘积。三、性能指标返回目录火焰原子吸收法中，其表达式为：

（4-12）在石墨炉原子吸收法中，其表达式为：

（4-13）式中：C为被测元素含量，V为进样体积，A为吸光度。三、性能指标返回目录检出限在选定的实验条件下，被测元素溶液能给出的测量信号3倍于标准偏差(σ)时所对应的浓度，单位用mg/L表示DC＝(C/A)3σDm＝(g/A)3σ三、性能指标返回目录基体干扰及消除

指试样在转移、蒸发和原子化过程中由于试样物理特性的变化引起吸光度下降的效应。

配制与被测试样相似组成的标准试样，或采用标准加入法和加入基体改进剂都可消除基体干扰。四、使用与维护返回目录电离干扰及消除

由于被测元素在原子化过程中发生电离，使参与吸收的基态原子数量减少而造成吸光率下降的现象。

在标准和分析试样溶液中均加入过量的易电离元素用以