光谱分析仪器

1、光谱分析技术及相关仪器检验实验教学中心,内 容 提 要,光谱分析技术基础理论与光谱技术分类,紫外-可见分光光度计,荧光光谱仪,原子光谱分析仪,光谱分析（Spectral Analysis）：指所有对物质发射辐射能的能谱分析或对辐射能与物质相互作用引起的能谱改变的分析。 光谱分析法：基于物质发射的电磁辐射及电磁辐射与物质的相互作用而建立起来的分析方法。,本章目录,第一节 光谱分析技术基础理论与分类 第二节 紫外-可见分光光度计 第三节 荧光光谱仪 第四节 原子光谱分析仪,第一节 光谱分析技术基础理论与分类,吸收光谱（absorption spectrum）即物质对不同波长光的吸收程度不同而产生的

2、光谱。 发射光谱是由物质分子或原子吸收了外来的能量后发生分子或原子间的能级跃迁而产生的光谱。,光谱,白光是波长400750nm范围内的各种波长光的混合光。当它通过棱镜后，白光中各种波长的光被彼此分离开来，从而得到了各种不同颜色的单色光光谱。,单色光、复合光和互补色光,（1）具有同一种波长的光，称为单色光。 （2）含有多种波长的光称为复合光。 （3）如果把适当颜色的两种光按一定强度比例混合可 得到白光，这两种颜色的光称为互补色光。 （4）白光（太阳光）：由各种单色光组成的复合光。,一、光谱分析技术的基础理论,光的波粒二象性：微粒性 波动性 E 为光子的能量；为光波的频率（Hz）；h为普朗克常数（

3、6.626）； c为光速（2.9977108ms）；为光波的波长,一、光谱分析技术的基础理论,物质的吸收光谱:在连续光谱中某些波长的光被物质吸收后产生的光谱被称作吸收光谱,包括分子吸收光谱和原子吸收光谱。吸收光谱取决于物质的结构。,物质对光的选择性吸收,不同的物质只对不同的、特定波长的光有较强的吸收。,波长,吸光度,a b,A,B,同一物质（溶液）不同浓度的吸收曲线,吸光度,波长,a,C3 C2 C1,C3 C2 C1,吸收曲线的讨论：,1. 同一种物质对不同波长的吸光度不同。吸光度最大处对应的波长成为最大波长max。 2. 不同浓度的同一种物质，其吸收曲线形状相似、 max不变。而对于不同物

4、质，他们的吸收曲线形状、 max不同。 3. 吸收曲线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。 4. 不同浓度的同一物质，在某一波长下吸光度A有差异，在max处吸光度A的差异最大。此特性可作为物质定量分析的依据。 5. 在max处吸光度随着浓度变化的幅度最大，所以测定最灵敏。吸收曲线是定量分析中选择入射光波长的重要依据。,一、光谱分析技术的基础理论,朗伯-比尔定律： I0：入射光强度 C:溶液浓度 b:液层厚度 I:透射光强度 T:透光度 A:吸光度 k:吸光系数,I0,I,朗伯比尔定律,当一束平行单色光照射到溶液时，光的一部份Ia被吸收，一部份It透过溶液，一部份Ir被吸收池表

5、面反射。则入射光的强度IO应为： IO=Ia+It +Ir,如果用同样质料的比色皿，则Ir基本不变，并且通常反射损失量Ir很小，其影响可以消除。 则： IO=Ia+It,（1）透射比T,It ： 透过光强度 ； Io ：入射光强度,T愈大，说明溶液对光的吸收愈小。,（2）吸光与透度射比,A : 吸光度 ; T: 透射比,伯朗（Lambert）定律：(1760年）,当试验条件及溶液浓度c一定时，吸光度A与溶液层厚度b成正比：,Lambert定律适用于均匀介质。,比耳（Beer）定律： （1852年）,当试验条件及液层厚度b一定时，吸光度A与溶液浓度c成正比:,Beer定律仅适用于单色光。,朗伯比

6、尔定律(光吸收定律)：当用一束单色光照射吸收物质的溶液时，其吸光度与液层厚度及溶液浓度的乘积成正比,k: 吸光系数（摩尔吸光系数/质量吸光系数） b: 溶液层厚度 c: 溶液的浓度（mol/L ； g/L）,吸光系数k (absorptivity),K为比例系数，与溶液性质、温度和入射波长有关。如果上述因素中除吸收物质外，其他因素皆固定不变时，则吸光系数只与吸收物质的性质有关，可作为该物质吸光能力大小的特征数据。 当浓度以gL表示时，称k为吸光系数，以a表示，即： 当浓度以Mol/L表示时，称k为摩尔吸光系数，以表示，即：,吸光度的可加性,如有一复杂试样，其中有几个组分，各组分均有其K、C、A

7、，那么溶液的吸光度即为各组分吸光度之和。 A=A1+A2+An =k1lc1+k2lc2+knlcn,一、光谱分析技术的基础理论,朗伯-比尔定律的适用条件： 1.入射光为单色光。波长范围越大，单色光纯度越低，偏离越大； 2.溶液中邻近分子的存在并不改变每一给定分子的特性，即分子间互不干扰。 3.适用于分子吸收和原子吸收。,二、光谱分析技术的分类,分子吸收法: 可见与紫外分光光度法、红外光谱法 分子光谱 分子发射法: 分子荧光光度法 光谱技术 原子吸收法：原子吸收法 原子光谱 原子发射法：发射光谱分析法、原子荧光法等,第二节 紫外-可见分光光度计,分光光度计:能从含有各种波长的混合光中将每一单色

8、光分离出来并测量其强度的仪器。 特点： 分析精密度高 测量范围广 分析速度快 样品用量少,第二节 紫外-可见分光光度计,根据使用的波长范围不同分为紫外光区、可见光区、红外光区以及万用（全波段）分光光度计等。,第二节 紫外-可见分光光度计,紫外-可见分光光度计：工作波段在200nm800nm的分光光度计。 其中： 200nm400nm为紫外光区。 400nm800nm为可见光区。 属于分子吸收光谱仪。,721 可见分光光度计,第二节 紫外-可见分光光度计,722系列 可见分光光度计,第二节 紫外-可见分光光度计,SP-756P紫外可见分光光度计,第二节 紫外-可见分光光度计,光源,单色器,吸收池

9、,检测器,显示系统,一、紫外-可见分光光度计的基本结构和工作原理,紫外-可见分光光度计的基本结构示意图,光源（light source）：提供入射光的装置。 要求: 1.能在所需波长范围的光谱区域内发射连续光谱； 2.有足够的辐射强度并能长时间稳定。 常用的光源有热辐射灯（钨灯、卤钨灯等），气体放电灯（氢灯、氘灯及氙灯等），金属弧灯（各种汞灯）等。,一、紫外-可见分光光度计的基本结构和工作原理,几种常见光源比较,一、紫外-可见分光光度计的基本结构和工作原理,单色器（Monochromator）：是将来自光源的复合光分解为单色光并分离出所需波段光束的装置。 入射狭缝：限制杂散光进入； 色散元件：

10、将复合光分解为 单色光，有棱镜和光栅两种； 准直镜：将来自色散元件的 平行光束聚集在出射狭缝上； 出射狭缝：将固定波长范围 的光射出单色器，可以限制 通带宽度。,一、紫外-可见分光光度计的基本结构和工作原理,吸收池（absorption cell）：是用来盛放被测溶液的器件。在可见光区常用无色光学玻璃或塑料制作；在紫外区需用能透紫外线的石英或熔凝石英制作。 同一套吸收池的厚度、透光面的透射、反射、折射应严格保持一致。指纹、油污及池壁上的沉淀物都会影响吸收池的透光性能。,一、紫外-可见分光光度计的基本结构和工作原理,通过改进吸收池的几何形状，可提高“光程/体积比”，即尽可能延长单位体积的光程。常

11、用的有： 微型吸收池（Microdrill absorption cell） ：“光程/体积比”提高了近10倍。 多光路吸收池（Multipie-path absorption cell）：在吸收池壁上装有反射镜，使光线在溶液中经多次反射后才离开吸收池，大大增加了有效光程，提高了测定的灵敏度。,一、紫外-可见分光光度计的基本结构和工作原理,检测器：把光信号转换为电信号的装置。 对检测器的要求： 1.产生的电信号与照射到它上面的光强有恒定的函数关系； 2.波长响应范围大； 3.灵敏度高； 4.响应速度快，一般要求小于10-8s； 5.产生的电信号易于检测、放大，噪声低。,一、紫外-可见分光光度计

12、的基本结构和工作原理,检测器工作原理,光照射在某些金属表面，会有光电子从金属表面逸出，这种光电效应称为外光电效应。利用外光电效应可以制成光电管和光电倍增管。 光深入到物体内部，将物体内部原子中的一部分束缚电子激发成自由电子，但这些电子并不逸出物体，而是留在物体内部从而使物体导电性增强，称为内光电效应。利用内光电效应可制成光敏电阻、光敏二极管以及光电池。,一、紫外-可见分光光度计的基本结构和工作原理,几种常用检测器比较,一、紫外-可见分光光度计的基本结构和工作原理,信号显示系统: 是把放大的信号以适当的方式显示或记录下来的装置。,一、紫外-可见分光光度计的基本结构和工作原理,二、影响分光光度法准

13、确性的因素,单色性不纯的影响 杂散光的影响 吸收池的影响 电压、检测器负高压波动的影响 其它因素的影响,（一）单色性不纯的影响 光的吸收定律只是在入射光为单色光的条件下成立，而通常所指的单色光是指有一定谱带宽度的光谱。由于单色器的类型和质量不同，得到的单色光纯度不同，加上使用中狭缝宽度调节不当，都可造成入射光的单色性不纯。从而使仪器读数不准，造成测量误差。,二、影响分光光度法准确性的因素,（二）杂散光的影响： 有两种原因引起的杂散光： 1. 仪器中光学、机械零件的反射和散射等原因使所采用的测定波长的光偏离正常光路，在不通过样品的情况下直接照射到检测器。这种杂散光波长与测定波长相同； 2. 由仪

14、器的光学系统设计制作缺陷引起。如不必要的反射面、光束孔径不匹配、光学元件表面的擦痕、光学系统的像差、不均匀色散以及由于机械零部件加工不良、位置错移、仪器内壁防眩黑漆脱落等。,二、影响分光光度法准确性的因素,（三）吸收池的影响 由于吸收池的质量不好或使用保管不善，吸收池不配套，透光面被污染上油污、指纹、沉淀，吸收池与光路不垂直等原因都可影响检测结果的准确性。,二、影响分光光度法准确性的因素,（四）电压、检测器负高压波动的影响 如果仪器电源电压波动过大，超过了仪器的稳压范围或稳压器质量不好，都可引起光源电压、检测器负高压波动，造成光源光强波动和检测器噪声增大，使捡测结果准确度降低。,二、影响分光光

15、度法准确性的因素,（五）其它因素的影响 吸光度读数刻度误差、仪器安装环境（如振动、温度变化）、化学因素（如荧光、溶剂效应等）等也可影响捡测结果的准确度。,二、影响分光光度法准确性的因素,三、紫外-可见分光光度计的类型,按其光学系统分可分为 单波长分光光度计 单光束单波长分光光度计 双光束单波长分光光度计 双波长分光光度计,单波长单光束分光光度计特点 单光束光路，从光源到试样至接收器只有一个光通道； 仪器只有一个色散元件，工作波长范围较窄； 通常采用直接接收放大显示的简单电子系统，用电表或数字显示； 结构简单、附件少、功能范围小，不能做特殊试样如浑浊样品、不透明样品等的测定。 检测准确性不够稳定

16、，不能用于精密分析。,三、紫外-可见分光光度计的类型,单波长单光束分光光度计,三、紫外-可见分光光度计的类型,721型分光光度计光路图,三、紫外-可见分光光度计的类型,751型分光光度计光路图,三、紫外-可见分光光度计的类型,单波长双光束分光光度计 在出射狭缝和样品吸收池之间增加了一个光束分裂器或斩波器，用一定的频率将一个光束交替分成两路，使一路经过参比溶液，另一路经过样品溶液，然后由一个检测器交替接收或由两个匹配器分别接收两路信号。,三、紫外-可见分光光度计的类型,单波长双光束分光光度计特点 1.从光源到检测器有试样光路和参考光路两条通路； 2.采用两个光栅或棱镜加光栅的双单色器，能有效地提

17、高分辨率和降低杂散光； 3.可以自动进行波长扫描、自动记录光谱曲线，也可以外接计算机，实现自动化运行； 4.可装备各种附件，功能范围宽。,三、紫外-可见分光光度计的类型,单波长双光束分光光度计,三、紫外-可见分光光度计的类型,双波长分光光度计工作原理 将从同一光源发出的光分为两束，分别经两个单色器分光后得到两束不同波长（1，2）的单色光，经斩光器使两束光以一定频率交替照射同一样品，测定两个波长下的吸光度差值（A=A1-A2），将A用于计算结果。,三、紫外-可见分光光度计的类型,双波长分光光度计,三、紫外-可见分光光度计的类型,双波长分光光度计波长选择原则 1.被测物在一个波长上有最大吸收峰，

18、在另一个波长上没有吸收或很少吸收； 2.非被测物在两个波长上的吸收相同。,三、紫外-可见分光光度计的类型,双波长分光光度计优点,只要1、2选择适当，A就是消除了非特征性吸收干扰的吸光度值。将A用于计算结果能较好的解决由于非特征吸收信号（如试样的浑浊、吸收池与空气界面以及吸收池与溶液界面的折射差别等）影响而带来的误差，结果更准确。,三、紫外-可见分光光度计的类型,四、紫外-可见分光光度计性能评价指标,(一)波长准确度和波长重复性 (二)光度准确度 (三)光度线性范围 (四)分辨率 (五)光谱带宽 (六)杂散光 (七)基线稳定度 (八)基线平直度,(一)波长准确度和波长重复性 波长准确度是指仪器波

19、长指示器上所示波长值与仪器此时实际输出的波长值之间的符合程度。 波长重复性是指在对同一个吸收带或发射线进行多次测量时，峰值波长测量结果的一致程度。 波长误差来源于色散元件传动机构的运动误差、波长度盘的刻划误差、狭缝中心位置偏移和装校误差等。而波长重复性则取决于上述各种机构中间隙的稳定性。,四、紫外-可见分光光度计性能评价指标,(二)光度准确度 光度准确度是指仪器在吸收峰上读出的透射率或吸光度与已知真实透射率或吸光度之间的偏差。该偏差越小，光度准确度越高。 光度准确度测试方法主要有标准溶液法和滤光片法。标准溶液多采用酸性重铬酸钾溶液。,四、紫外-可见分光光度计性能评价指标,(三)光度线性范围 指

20、仪器光度测量系统对于照射到接收器上的辐射功率与系统的测定值之间符合线性关系的功率范围，即仪器的最佳工作范围。 检测方法溶液稀释法：配制适当浓度的溶液，按照一定的倍数逐步稀释，分别测定其吸光度，根据测得的吸光度计算吸光系数，以吸光度为横坐标，相应的吸光系数为纵坐标，绘制吸光系数-吸光度曲线，曲线的平坦区域即为仪器的线性范围。,四、紫外-可见分光光度计性能评价指标,(四)分辨率 指仪器对于紧密相邻的峰可分辨的最小波长间隔，此间隔越小分辨率越高。它是分光光度计质量的综合反映。 单色器输出的单色光的光谱纯度、强度以及检测器的光谱灵敏度等是影响仪器分辨率的主要因素。,四、紫外-可见分光光度计性能评价指标

21、,(五)光谱带宽 光谱带宽（Spectral band width）是指从单色器射出的单色光最大强度的1/2处的谱带宽度。它与狭缝宽度、分光元件、准直镜的焦距有关，可以认为是单色器的线色散率的倒数与狭缝宽度的乘积。 测量方法：测量钠双线（589.0nm、589.6nm）的宽度。由于元素灯谱线本身的宽度大大小于单色器的宽度，故测得的光谱带宽可以认为就是单色器的光谱带宽。,四、紫外-可见分光光度计性能评价指标,(六)杂散光 除所需波长单色光以外其余所有的光都是杂散光，是测量过程中的主要误差来源，会严重影响检测准确度。 可用截止滤光器测定杂散光：截止滤光器对边缘波长或某一波长的光可全部吸收，而对其它

22、波长的光却有很高的透光率，因此测定某种截止滤光器在边缘波长或某一波长的透光率，即表示杂散光的强度。,四、紫外-可见分光光度计性能评价指标,(七)基线稳定度 是指在不放置样品的情况下，扫描100%T或0%T时读数偏离的程度，是仪器噪声水平的综合反映。一般取最大的峰缝之间的值作为绝对噪声水平。如果基线稳定度差，光度准确度就低。,四、紫外-可见分光光度计性能评价指标,(八)基线平直度 是指在不放置样品的情况下，扫描100%T或0%T时基线倾斜或弯曲的程度。 在高吸收时，0%线的平直度对读数的影响大；在低吸收时，100%线的平直度对读数的影响大。 基线平直度不好，可使样品吸收光谱中各吸收峰间的比值发生

23、变化，给定性分析造成困难。,四、紫外-可见分光光度计性能评价指标,五、紫外-可见分光光度计常见故障及排除方法,分光光度计常见故障包括光路、电路故障。根据故障不同应采取不同的排除措施。接通电源后，指示灯不亮，仪器不工作，可能是电路故障；读数表不能调零（即0T）和不能置100T则可能是光路故障或微电流放大器损坏。需根据具体情况采取不同的处理方法。,常见故障及排除方法,1.单色光偏差问题 2.光门出现问题 3.面板上调零和调100%电位器问题 4.电路部分问题 5.其他故障,分析条件的选择,一、仪器测量条件的选择 1.适宜的吸光度范围 根据朗伯-比尔定律微分后可知，当A=0.4343时，吸光度测量误

24、差最小。 最适宜的测量范围为0.2-0.8之间。,2.入射波长的选择,根据被测组分的吸收光谱曲线，选择最强吸收带的最大吸收波长为入射波长。当最强吸收峰的峰形比较尖锐时，往往选用吸收稍低，峰形稍平坦的次强峰或肩峰进行测量。,3.狭缝宽度的选择,为了选择合适的狭缝宽度，应以减少狭缝宽度时试样的吸光度不再增加为准。一般来说，狭缝宽度大约是试样吸收峰半宽度的十分之一。,二、显色条件的选择,对多种物质进行测量，常利用显色反应将被测组分转变为在一定波长范围有吸收的物质。常见的显色反应有配位反应、氧化还原反应等。,显色反应必须满足一下条件：,1.反应的生成物必须在紫外-可见光区有较强的吸收能力，即摩尔吸光系数较大； 2.反应有较高的选择性，即被测组分生成的化合物吸收曲线应与共存物质的吸收光谱有明显的差别； 3.反应生成的产物有足够的稳定性，以保证测量过程中溶液的吸光度不变； 4.反应生成物的组成恒定。,二、显色条件的选择,1.酸度 显色反应最适宜的酸度范围可通过实验来确定：测定某一固定浓度的试样的吸光度随