02-2.光谱法仪器与光学仪器.ppt

02 15 26 anintroductiontoopticalanalysis instrumentsforspectro metryandopticalparts 第二章光谱分析法导论 第二节光谱法仪器与光学元件 02 15 26 一 光谱分析仪器原理和基本结构1 光谱分析仪器原理例 紫外 可见吸收光谱 朗伯比耳定律 02 15 26 2 光谱分析仪器基本结构 1 光源 辐射源 2 色散元件 单色器 3 盛装样品的容器 4 检测器或换能器 5 信号处理器或读出装置 显示与数据处理 mainpartsofspectrometry 02 15 26 02 15 26 二 光源系统 要求有足够的输出功率以便容易检测和测定 有足够的稳定性 在仪器设计中 常将光源发出的光分为二束 一束通过试样 另一束不通过试样 测量两束光信号比作为分析的变量 用以克服光源稳定性带来的问题 02 15 26 依据方法不同 采用不同的光源 火焰 灯 激光 电火花 电弧等依据光源性质不同 分为 1 连续光源 应用于紫外 可见吸收 分子荧光 分子磷光 红外吸收光谱中 能在较大波长范围提供连续波长的光源如 氢灯 氘灯 钨丝灯等在紫外光区最普通的光源是氢灯或氘灯 需要特别强的光源时 选用高压 充有氩气 氦气或汞蒸气的充气弧灯 可见光区 采用钨丝灯 红外光源 采用将惰性固体加热到1500 2000K 02 15 26 02 15 26 2 线光源 应用于原子吸收 原子荧光以及拉曼光谱中提供特定波长的光源 常见的有 金属蒸气灯 汞灯 钠蒸气灯 空心阴极灯 无极放电灯等 紫外和可见光区 汞蒸气灯和钠蒸气灯原子吸收和原子荧光光谱 空心阴极灯和无极放电灯 02 15 26 空心阴极灯 02 15 26 3 激光光源 高单色性 方向性强 亮度高 相干性好拉曼光谱 分子吸收光谱 发射光谱 傅立叶变换红外光谱等 02 15 26 三 波长选择系统 02 15 26 色散元件的功能 使光发生色散 使光按照波长顺序排列 常用光栅或棱镜狭缝的功能 采光 即采集按照波长顺序排列的而一定波段的光进入检测系统进行检测狭缝的选择 狭缝越小 光谱的分辨率越高 但狭缝太小光信号太弱 检测器难以有效测到光信号 如果进行定量测定 则适当采用较大宽度的狭缝 02 15 26 一 单色器 将复合光分解成单色光或有一定宽度的谱带的装置 主要部件 1 进 出口狭缝 2 准直装置 透镜或反射镜 使辐射束成为平行光线传播的透镜或反射镜 3 色散元件 棱镜 光栅 使不同波长的辐射以不同的角度进行传播 4 聚焦透镜或凹面反射镜 使每个单色光束在单色器的出口曲面上成像 02 15 26 棱镜单色仪 用来色散紫外 可见和红外辐射 02 15 26 光栅单色仪 02 15 26 二 棱镜 根据光的折射现象进行分光 棱镜对不同波长的光具有不同的折射率 波长长的光 折射率小 波长短的光 折射率大 平行光经过棱镜后按波长顺序排列成为单色光 经聚焦后在焦面上的不同位置上成像 获得按波长展开的光谱 02 15 26 棱镜的光学特性可用色散率和分辨率来表征 1 色散率角色散率 用d d 表示 表示偏向角 对波长的变化率 棱镜的顶角 越大或折射率n越大 角色散率越大 分开两条相邻谱线的能力越强 但顶角越大 反射损失也增大 通常为60度角 02 15 26 2 分辨率 相邻两条靠得很近的谱线分开的能力 两条相邻谱线的平均波长 两条谱线的波长差 b 棱镜的底边长度 n 棱镜介质材料的折射率 棱镜的分辨能力取决于棱镜的几何尺寸和材料 分辨率与波长有关 长波的分辨率要比短波的分辨率小 棱镜分离后的光谱属于非均排光谱 02 15 26 四 光栅 通过在平板玻璃或金属板上刻划出一道道等宽 等间距的刻痕制成 常用的光栅刻痕密度每毫米为1200条 1800条或2400条 根据工作方式不同分为 透射光栅 反射光栅 平面反射光栅 凹面反射光栅 02 15 26 02 15 26 光栅的性能指标 光栅的特性可用色散率和分辨率来表征A 当入射角不变时 光栅的角色散率可通过对光栅公式求导得到 d d 为衍射角对波长的变化率 即光栅的角色散率 当 很小 且变化不大时 cos 1 光栅的角色散率决定于光栅常数d和光谱级数K 可见光栅的角色散率为一个常数 不随波长改变 是均排光谱 优于棱镜之处 02 15 26 B 光栅的线色散率 f为会聚透镜的焦距 在实际工作中 常用倒线色散率 用d dl表示d dl值越大 色散率越小 D 02 15 26 C 光栅的分辨能力 在波长相近的两条谱线中 当一条谱线波长的极大值正好落在另一条谱线波长的极小值上时 认为这两条线是可分辨的 实际工作中 两图中间的光强约为中央最大的80 在这种情况下 两谱线中央最大距离即是光学仪器能分辨的最小距离 可分离的最小波长间隔 02 15 26 D 光栅的分辨率R 光栅的分辨率R等于光谱级次 K 与光栅刻痕条数 N 的乘积 光栅越宽 单位刻痕数越多 R越大 如 宽度50mm N 1200条 mm 一级光谱的分辨率 R 1 50 1200 6 104 02 15 26 4 光栅与棱镜的比较作为色散元件 光栅比棱镜要好 光栅的色散几乎与波长无关在相同色散率时 光栅的尺寸要小光栅对棱镜不适用的远紫外远红外区可以用光栅的杂散辐射 高级光谱干扰等问题已经可以解决比较高的光栅价格已经降下来 5 光栅光谱与棱镜光谱的比较1 光栅光谱为匀排光谱 棱镜光谱为非匀排光谱 短波疏 长波密 2 光栅光谱分级 棱镜光谱不分级 02 15 26 五 狭缝 由金属构成 在原子发射光谱分析中 定性分析时 减小狭缝宽度 使相邻谱线的分辨率提高 定量分析时 增大狭缝宽度 可得到较大的谱线强度 02 15 26 四 试样引入系统 光源与试样相互作用的场所 1 吸收池紫外 荧光分析法 石英比色皿可见分光光度法 玻璃比色皿红外分光光度法 将试样与溴化钾压制成透明片 02 15 26 2 特殊装置原子吸收分光光度法 雾化器中雾化 在火焰中 元素由离子态 原子 原子发射光谱分析 试样喷入火焰 02 15 26 五 检测系统 1 光子检