光谱分析仪器知识培训资料

光谱器学问培训目 录\l“_TOC_250018“前言 1\l“_TOC_250017“第一章红外光谱法及相关仪器 3\l“_TOC_250016“一.红外光谱概述 3\l“_TOC_250015“红外光区的划分 3\l“_TOC_250014“红外光谱法的特点 4\l“_TOC_250013“产生红外吸取的条件 4\l“_TOC_250012“二.红外光谱仪 4红外光谱仪的主要部件 5\l“_TOC_250011“红外光谱仪的分类 7\l“_TOC_250010“红外光谱仪各项指标的含义 10\l“_TOC_250009“三．红外光谱仪的应用 13\l“_TOC_250008“四．红外试样制备 14四．红外光谱仪的进展 15\l“_TOC_250007“其次章紫外－可见光谱法及相关仪器 17\l“_TOC_250006“一．紫外－可见吸取光谱概述 17\l“_TOC_250005“二．紫外－可见分光光度计 17\l“_TOC_250004“紫外－可见分光光度计的主要部件 18\l“_TOC_250003“紫外－可见分光光度计的分类 20\l“_TOC_250002“紫外－可见分光光度计的各项指标含义 21紫外－可见分光光度计的校正 22\l“_TOC_250001“三．紫外－可见分光光度计的应用 23\l“_TOC_250000“四．紫外－可见分光光度计的进展 2410前言光谱分析法，而吸取光谱分析法又是目前应用最广泛的一种光谱分析方法：它包括有但最常用的则是原子吸取光谱、紫外-可见吸取光谱和红外光谱，这些方法的最根本原理是物质〔这里说物质都是指物质中的分子或原子，下同〕对电磁辐射的吸取。还有拉其实物质与电磁辐射的作用还有偏振、干预、衍射等，由此进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分析法，不是我们介绍的重点。〔如汞蒸气、钠蒸气等〕，将会产生一系列的吸取谱线。由于在一在原子的吸取光谱中。1.5-8.0ev150nm-800nm之间，这是紫外－可见吸取光0.05-1.2ev，相应的辐射波长1.0-25μm之间，这是红外光谱的范围。电磁辐射无线电波电磁辐射无线电波微波红外光可见光紫外线X射线射线波长，nm＞1012～109109～106106～750750～390390～1010～10－210－2～10－5由于不通物质的原子、分子具有不同的构造，因此也就具有不同的能级状态，只有Bohrhv E E21 2 1h是普朗克常数〔PlanckConstant〕，v21

E2

E分别是跃迁1带，这就是吸取光谱用于定性分析的理论依据。IAlog

0bcI式中，AIIε为0摩尔吸光系数，b为吸光厚度〔cm〕，c为吸光物质的溶度〔mol/L〕。析的理论根底。依据我们公司的产品，下面重点介绍紫外-可见吸取光谱、红外光谱、拉曼光谱和〔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学问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吸取可以鉴定化合物和分子构造。红外光区的划分区域μm波数cm-1能级跃迁类型近红外区〔泛频区〕0.75～2.513158～4000OH、NHCH区域μm波数cm-1能级跃迁类型近红外区〔泛频区〕0.75～2.513158～4000OH、NHCH〔根本振动区〕2.5～254000～400分子振动，伴随转动远红外区〔转动区〕25～1000400～10分子转动红外吸取光谱常用T或Tv曲线来表示。纵坐标是透射百分比T%，横坐标是波长或波数〔。如以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。上图中向下的是吸取峰，向上的是谷。红外光谱法的特点与紫外－可见吸取光谱不同，产生红外光谱的红外光的波长要长得多，因此光子能所以红外光谱一般称为振动－转动光谱。2子和同核分子。如Ne、He、O2H2

等之外，几乎全部的有机化合物在红外光区均有或其化学基团的含量有关，可用作进展定量分析和纯度鉴定。共振波谱等其他方法，才能得到满足的结果。产生红外吸取的条件物质分子吸取红外辐射应满足两个条件：a．分子振动时，必需伴随有瞬时偶极矩的变化191950技术如全反射红外、显微红外、光声光谱以及色谱-红外联用等也不断进展和完善，使红外光谱法得到广泛应用。第一代红外光谱仪〔50〕使用的是滤光片分光系统，此类仪器只能在〔非连续波长〕，敏捷性差，而且波长稳定性、重现性差，〔即光栅式〕红外光谱仪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根本一样，由光源、样品室、单色仪以的单色仪一般在样品池之后。红外光源一般分光光度计中的氘灯、钨灯等光源能量较大，要观看分子的振动能级跃迁，测定红外吸取光谱，需要能量较小的光源。黑体辐射是最接近抱负光源的连续辐射。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掌握电流强度，以免灯过热损坏。碳化硅棒50×5mm,1300-1500K。与能斯特灯相反,碳化硅棒具有正的电阻温度系数,,但在>2000cm-1区域能量输出远大于能斯特灯。白炽线圈1100K。其辐射能量略低于前两种，但寿命长。检测器谱仪中多见。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取后，黑体温度上升，测量的热噪声。一般使用斩光器使光源辐射断续照耀样品池。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10-6K的温度变化。热释电检测器而热释电材料即使移去电场，其极化也并不马上消逝，极化强度与温度有关。当辐射照耀时，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，一个电极是红外透亮的，容许辐射照耀。辐射照耀引起温度变化，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外表积、极化度随温度变化的速率成正比。当热释电材料TGS。光电导检测器碲镉汞〕PbSInSb〔锑化〕，将其置于非导电的玻璃外表密闭于真空舱内。则吸取辐射后非导电性的价电子跃Hg-Cd-TeMCT，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〕，FTIRGC-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。器的介绍：常用分束器类型和适用波段范围KBr，KRS-5〔由溴化铊－碘化铊组成，有毒，很少使用〕。红外光谱仪的分类色散型红外光谱仪上世纪70年月中期至80年月，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：2承受双光束构造。使用单光束仪器时，大气中的H2

在重要的红外区域内有光路可以消退它们的影响，测定时不必严格掌握室内的湿度及人数。故需要对信号进展大幅度放大。而红外光谱仪的光源能量低，即使靠近样品也缺乏以使其产生光分解。而单色器在样品室之后可以消退大局部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，以消退检测器四周物体的红外辐射。色散型仪器的主要缺乏：需承受狭缝，光能量受到限制；扫描速度慢，不适于动态分析及和其它仪器联用；不适于过强或过弱的吸取信号的分析。现在已经逐步被傅立叶红外光谱仪取代。以下图是色散型红外光谱仪的构造：光栅式红外光谱仪的构造上图中，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〕对经参比光路和样图就是样品本身的吸取。傅立叶变换红外光谱仪〔FourierTransformInfraredSpectrometerFTIR〕的特点和构造于承受了狭缝，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，使得一些动态的争论以及和其他仪器〔如色谱〕的联用发生困难；对一些吸取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，也受到肯定的限制。随着光电子学尤其是计70Fourier变换的红外光谱仪。这种仪器不用狭缝，因而消退了狭缝对通光量的限制，可以同时获得光谱全部频率的全部信息。它具有很多优点：扫描速度快，测量时间短，可在1s内获得红外光谱，适于对快速反响过程的追踪，也便于和色谱法联用；可争论整个红外区〔10000～10cm-1〕0.1%，而杂散0.01％。以下图是FTIR的构造傅立叶变换红外光谱仪的构造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，从而产生干预。动镜作直线运动,因而干预条纹产生连续的变换。干预光在分束器会合后通过样品池，然后被检测器〔傅立叶变TGS，DTGS，MCT〕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，FTIR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，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。以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：E(x)0

f()cos2xdf()是光强度按波数E(x)、f()分别是光时域和频域FT换：f()E(x)cos2xdx0FT〔波数〕分布。这就是仪器名称的由来。红外光谱仪各项指标的含义光谱范围ASTM〔AmericanSocietyofTestingMaterials，美700－2500nm700－2600nm2700－1100nm1100－3600nm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。ZeltexZXl01700－1100nm1650－2650nm区；而通用型的红外仪器往往掩盖整个红外谱区。区分率能指标之一，也是仪器质量的综合反映。率。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校正。波长准确度就会很高。光度准确度外定量分析结果的准确度。信噪比105。杂散光强度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。分析速度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NIRSystem1.8次／s。AOTF型近红外光谱仪器由于承受声光调制产生单色光，所以扫描速度也格外快，一般达5000个波长点/s。还有一个指标简洁被无视，这就是软件功能及数据处理力量：红外光谱仪器的软件一般由两局部组成，一局部是仪器掌握平台软件，它掌握仪器的硬件，进展光谱数据采集，这局部各个厂家差异不大，并已有可能进展形成一个通用仪器操作平台软件；另一局部是数据处理软件，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局部组成，其核心是校正模型建立局部软件，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，以便尽可能准确地供给样品信息。三．红外光谱仪的应用红外吸取光谱具有高度的特征性，除光学异构外〔指分子构造完全一样，物理化学不同所形成，又称立体异构〕，没有两种化合物的红外光谱是完全一样的。红外光谱中性方面，是紫外、核磁、质谱等构造分析方法所不及的。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、的定性与构造分析中已得到普及应用。红外吸取光谱法也有其局限性，即有些物质不能产生红外吸取峰。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

N等〕2以及对称分子都无吸取峰：有些物质不能用红外光谱法鉴别，例如光学异构体，不同分核磁、质谱等方法协作。此外，红外光谱中的一些吸取峰，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－紫外吸取光谱法。2Si3N4中OH、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、催化剂外表构造、化过测定简振频率、计算力常数来推想化学键的强弱等等。四．红外试样制备对试样的要求试样应为“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。试样不含有水〔水可产生红外吸取且可侵蚀盐窗〕；T在适宜范围。制样方法液体或溶液试样沸点低易挥发的样品：液体池法。高沸点的样品：液膜法〔夹于两窗片之间〕。固体式样压片法：1~2mg样品+200mgKBr→枯燥处理→研细。粒度小于2 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，因此该法不适于争论饱和烷烃)。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KBr1.2.不2.KBr受潮或结块订正方法1.KBr2.枯燥。1.2.不规章疙瘩或全部呈云雾状混浊3.呈半透亮或云雾状混浊缘由1.2.样品受潮3.1.2.3.选用其他制样方法。消灭不规章云雾状混浊3.1.2.抽3.1.2.检查真空度，延长抽真空时间3.调换的或重抛加明显。径全息凹面光栅，可以大大降低扫描时间〔2s左右〕；承受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)检测器和承受电荷耦合器件〔ChargerCoupledDevice，CCD〕，这类仪器承受全息光栅分光，加之检测器的通道数在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。可以便利器和在线器使用。声光可调滤光型近红外光谱仪器被认为是20世纪90年月近红外光谱技术最突出的进展。由于承受声光器件分光，该仪器的最大特点是无机械移动部件，测量速度快、精0.01nm4000nm/s。C-H、O-H、N-H等官能基。由于这些吸取都工、石油化工、制药、烟草、纺织等领域。其次章紫外－可见光谱法及相关仪器UV-VISSpectrometry&Instrument一．紫外－可见吸取光谱概述60年古1617年和朗伯(Lambert)1760年所发表的文章，从而奠定了分光光度法的理论根底，这就是著名的朗伯－比尔定律。1．紫外－可见吸取光谱的形成分子吸光光度法是最精准的。紫外－可见吸取光谱是物质中分子吸取200-800nm子吸取光谱产生于价电子和分子轨道上的电子在电子能级跃迁〔是处在某一种运动状态之中。每一种状态都具有肯定的能量，属于肯定的能级。这些电〔〕这些电子吸取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取肯定的能量辐射。具有不同分子构造的各种物质，有对的特性而建立起来的，它属于分子吸取光谱。跃迁所吸取的能量符合波尔条件：二．紫外－可见分光光度计

hv E E21 2 11854(Duboscq)和奈斯勒(Nessler)等人将此理论应用于定量分析化学领1918年，美国国家标准局制成了第一台紫外可见分也不断扩大。紫外－可见分光光度计的主要部件光源单色器吸取池光源单色器吸取池检测器信号指示系统光源钨丝灯和卤钨灯；气体放电光掉用于紫外光区，如氢灯和氘灯。340～2500nm，这类光源的辐射能量与施加的外加电4n〔n>l〕成正比。因此必需严格掌握灯丝电压，仪器必需备有稳压装置。160～375nm范围内产生连续光源。3～5倍。单色器〔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。350～3200nm的波长范围，即只能用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预原理制成的。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、几乎均匀全都的区分力量。它具有色散波长范围宽、区分本领高、本钱低、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。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。吸取池吸取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，玻璃吸取池只能用于可见光区。为削减光的反射损失，吸取池的光学面必需由于吸取池材料的本身吸光特征以及吸取池的光程长度的精度等对分析结果都有影响。检测器定性好等。300～800nm500～600nm最为灵敏。这种而只能用于低档的分光光度计中。金属片为阴极，阴极的内外表涂有光敏层，在圆柱形的中心置一金属丝为阳极．承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210～625nm；后者是在阴极外表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、不易疲乏等优点。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信号指示系统处埋。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。单光束分光光度计其光路示意图如前图〔紫外－可见分光光度计的根本构造图〕所示，经单色器分光后的一束平行光，轮番通过参比溶液和样品溶掖，以进展吸光度的测定。这种类型的分751724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710型、730型和740型，日立220210，UNICAMSP－700单色器

切光器M1

M3参比池光源c．双波长分光光度计

样品池M2 切光器M4单波长双光束分光光度计原理图

光电倍增管其根本光路如以下图所示。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肯定的频率交替照耀同一吸取ΔA(ΔA1A2)。〔如生物组织液的分析，以及存在背景于扰或共存组分吸取干扰的状况下，利用双波长分光光度法，往往能提高光度随时间变化的曲线，还能进展化学反响动力学争论。吸取池吸取池切光器单色器切光器单色器光源单色器双波长分光光度计光路示意圈紫外－可见分光光度计的各项指标含义波长准确度与准确性〔一般在0.1-0.8nm之间〕的构造就毫无意义了。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，用来调整入射单色光的纯度和强度，0.1－10nmc.噪音〔0.0008-0.008〕表征仪器做稀溶液的力量。这个指标越小越好。d.吸光度准确性〔0.1%-2.0%之间〕进展。〔0.2%-5.0%之间〕吸光度范围一般在0-8范围的好坏。f.杂散光〔0.02%-0.3%T〕属于入射光束的其它光线。这个值越小越好。g.区分率〔0.03-0.3〕0.2nm，365.02、365.48、366.33nmh.能量〔0.5-1〕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。〔190-1100nm〕、基线漂移、稳定性、吸光度范围等，这些指标都简洁理解，就不一一说明白。4．紫外－可见分光光度计的校正光度校正。一般要在紫外区和可见区分别校正。常承受下述的方法来进展校正。者用于可见光区，后者则对紫外和可见光区都适用。4K2CrO4

标准溶液来校正吸光度标度。将0.04克K

CrO

1dm30.0524mol/dm3