光谱分析技术与相关仪器_分光光度计

第四章光谱分析技术与相关仪器 光谱分析 SpectralAnalysis 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 第一节光谱分析技术基础理论与分类 吸收光谱 absorptionspectrum 即物质对不同波长光的吸收程度不同而产生的光谱 每一种物质都有其特定的吸收光谱 可以根据物质的吸收光谱来分析物质的结构和含量 这就是吸收光谱分析的基础 发射光谱 emissionspectra 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 通过测定物质的发射光谱来分析物质的结构和含量的方法称为发射光谱分析法 一 光谱分析技术的基础理论 一 光的特征 光是电磁波谱 表1电磁波谱 二 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 吸收光谱取决于物质的结构 包括分子吸收光谱和原子吸收光谱 物质分子内部有三种运动方式 即电子相对于原子核的运动 分子内原子在其平衡位置附近的振动和分子本身绕其中心的转动 分子能级 电子能级Ee 振动能级Ev和转动能级Er 分子光谱 电子光谱 在紫外 可见光区 Ee Ev Er 振动光谱 在红外区 Ev Er改变 转动光谱 在远红外或微波区 只有Er改变 在一般测量中 通常采用液体样品 由于分子的相互作用及各种谱带的展宽效应 实际得到的是一个宽的吸收带 这是分子吸收光谱的特征 原子吸收光谱通常是线状光谱 只包括外层电子跃迁吸收的能量 位于光谱的紫外区和可见光区 三 光的吸收定律 I I0e x 稀溶液 I I0e cx I I0 e cx 朗伯 比尔 Lamber Beer 定律 透光度 透射率 T Transmissivity Relativetransmittance 吸光度A Absorbency A lgT kbc e ln10 lge cx 10 kcb 适用条件 T I I0 10 kcb 1 单色光入射 2 溶液中溶质分子互不干扰 即稀溶液 朗伯 Lamber 定律 e cx 比例常数k称为吸光系数 absorptivity 1 溶液以摩尔浓度 mol L 表示 k称为摩尔吸光系数 molarabsoptivity 用 表示 2 溶液以百分浓度 g L 表示 k称为比吸光系数 用a表示 和a与多种因素有关 入射光波长 温度 溶剂性质及吸收物质的性质等 意义 稀溶液在一定波长下测得的液层厚度为1cm的吸光度值外推至溶液浓度为1mol L的吸光度值 意义 溶液浓度为1g L液层厚度为lcm时在一定波长下测得的吸光度值 四 物质的发射光谱 发射光谱 物质所发射的光被光谱仪器分解而成的光谱 发射光谱有三种 a 线状光谱由原子或离子被激发而发射 b 带状光谱由分子被激发而发射 c 连续光谱由炙热的固体或液体所发射 不同元素的线光谱在谱线的多少 排列位置 强度等方面都不相同 不存在任何有相同的线光谱的两种元素 发射光谱分析方法就是根据每种元素特有的线光谱来识别或检查各种元素 物质发射光谱的产生机理 物质的分子或原子吸收了外来能量后 可从基态跃迁至激发态 处于激发态的分子或原子是不稳定的 会很快地从激发态自发回到基态 吸收的能量以发光的形式释放出来 此时发出的光谱即该物质的发射光谱 二 光谱技术的分类 光谱技术 分子光谱 原子光谱 分子吸收法 可见与紫外分光光度法 红外光谱法 分子发射法 分子荧光光度法 原子吸收法 原子吸收法 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光分离出来并测量其强度的仪器 优点 分析精密度高 测量范围广 分析速度快 样品用量少 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 紫外 可见分光光度计属于分子吸收光谱仪 工作波段在200nm 800nm的分光光度计 其中 200nm 400nm为紫外光区 400nm 800nm为可见光区 721可见分光光度计 722系列可见分光光度计 751分光光度计 SP 756P紫外可见分光光度计 T6新世纪 国家 十五 科技攻关成果 北京普析通用仪器有限责任公司 一 紫外 可见分光光度计的基本结构和工作原理 基本结构 光源 单色器 吸收池 检测器 放大显示系统 一 光源 lightsource 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 1 钨灯 波长范围为320 2500nm 2 卤钨灯 提高寿命和发光效率 3 氢灯和氘灯 波长范围为185 375nm 4 汞灯 在254 734nm范围产生一系列光谱线 用其特征谱线来校正分光光度计单色器的波长刻度 1998年 首次采用闪光氙灯作为光源 二 单色器 单色器 monochromator 是一种把来自光源的复合光分解为单色光 并分离出所需波长光束的装置 组成 入射狭缝 准直镜 色散元件 出射狭缝 入射狭缝 限制杂散光进入 色散元件 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 单色器的性能直接影响射出光的纯度 从而影响测定的灵敏度 选择性及校正曲线的线性范围 单色器质量好坏 主要取决于色散元件的质量 棱镜单色仪 光栅单色仪 三 吸收池 吸收池 absorptioncell 又称为比色皿或液槽 一般由玻璃 石英或熔凝石英等材料制成 是用来盛放被测溶液和决定透光液层厚度的器件 常用吸收池光程为0 1 l0cm 1cm光程吸收池最常用 光程 体积比对测量的影响 1 微型吸收池 2 多光路吸收池 A kbc 提高光程 体积比 0 2cm ml 2 0cm ml 四 检测器 在测量中须把光信号变化转换成电信号的变化才能定量测量 这种把光信号转换成电信号的装置称为光电转换器 检测器 对检测器的要求主要有 产生的电信号必须与照射到它上面的光束的强度有恒定函数关系 必须能对一个很大的波长范围的光具有响应 否则应用局限性大 灵敏度要高 响应速度要快 产生的电信号要易于检测或放大且噪声要低 常用检测器 光电管 光电倍增管 光电二极管阵列 光电池 电荷耦合器件 1 光电管 光电管 phototube 是由封装在真空封套里的一个半圆柱面形阴极和一个丝状阳极组成 阴极的凹面上有一层对光敏感的碱金属或其氧化物 受光照射可发射光电子 当在两极间加上电压时 即会产生光电流 流经负载电阻 一般106 109 时会产生一定电压降 经放大后将信号输给指示仪表或记录仪 紫敏光电管阴极表面涂有锑和铯 适用200 625nm 红敏光电管阴极表面涂有银或氧化铯 适用625 1000nm 2 光电倍增管 光电倍增管 photomultiplier 是由一个光阴极和多个二次发射电极 打拿极 和阳极所组成 其灵敏度比光电管要高得多 9 12个打拿级 1个光电子可产生106 108个电子 可检10 8 10 9s短脉冲信号 3 光电二极管阵列 光电二极管阵列 photodiodearray 检测器为多道光检测器 可同时检测多个波长的光强度 优点 不怕强光 耐振动 耐冲击 小型 重量轻 耗电少 寿命长 可靠性高及读出速度快等优点 不存在时间滞后现象 可应用于化学反应动力学研究 某些半导体材料受光照射时 背光面和受光面之间会产生电位差 在两面之间可检测到电流 这种光电转换元件即为光电池 4 光电池 常用的有硒光电池 硅光电池等 光电池所产生的光电流与入射光强成正比 光电池的优点是结实 便宜 使用方便 不用外接电源 只要受光照射 便能产生电流 应用起来很方便 缺点是容易受潮而使其产生的电流大小不稳定 平时保存要防潮 防光 最好用深色纸包起来放人干燥器皿中 与硒光电池相比硅光电池最大的优点是使用寿命长 可用10年以上 几乎无疲劳现象 是很受欢迎的一种新型光电池 电荷耦合器件 charge coupleddevices CCD 是一种新型固体多道光学检测器件 它是在大规模硅集成电路工艺基础上研制而成的模拟集成电路芯片 它可以借助必要的光学和电路系统 将光谱信息进行光电转换 储存和传输 在其输出端产生波长 强度二维信号 信号经放大和计算机处理后在末端显示器上同步显示出人眼可见的图谱 无须感光板那样的冲洗和测量黑度的过程 目前这类检测器已经在光谱分析的许多领域获得了应用 5 电荷耦合器件 五 信号显示系统 信号显示系统是把放大的信号以适当方式显示或同时记录下来 常用的信号显示装置有直读检流计 电位调节指零装置以及自动记录和数字显示装置等 目前很多型号的分光光度计装配有计算机系统 一方面可对分光光度计进行操作控制 另一方面可将数据直接显示在CRT或液晶显示器上 并对数据进行处理 记录 打印 也可将数据上传到网络 二 影响分光光度法准确性的因素 一 单色性不纯的影响 二 杂散光的影响 引起杂散光的原因 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单色器 这种杂散光波长与测定波长相同 2 由仪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 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捡测结果的准确性 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 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 三 紫外 可见分光光度计的类型 一 单波长单光束分光光度计 按其光学系统分类 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 单光束光路 从光源到试样至接收器只有一个光通道 检测准确性不够稳定 不能用于精密分析 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 1 可见分光光度计 钨灯 721型可见分光光度计 自准式棱镜色散系统 适用波长360 800nm 钨灯作为光源 指针显示 改进型号 722 7230等 2 紫外 可见分光光度计 751型可见分光光度计 自准式棱镜色散系统 适用波长200 1000nm 可用于紫外 可见和近红外光谱测定 光源 钨灯320 1000nm 氢灯200 320nm 改进 棱镜 光栅指针 数码打印浓度换算波长自动扫描 色散元件 石英棱镜 两个滤光片 365nm 580nm 可在必要时清除杂光的影响 吸收池 配有石英和玻璃两种 光电转换器 紫敏和红敏两种 二 单波长双光束分光光度计 1 同时测量参比池和样品池 2 双单色器 提高分辨率降低杂散光 3 自动测量 4 附件扩展功能 常用型号 北京普析通用公司TU 1221型 T6 岛津UV 2501型 PE的Lambda系列及HP的8453型等 特点 三 双波长分光光度计 为克服由于非特征吸收信号 如试液混浊引起的散射 比色皿与空气界面和比色皿与溶液界面的折射差别等 影响而带来测定误差 而设计双波长分光光度计 测定高浓度试样和混浊试样以及多组分混合物的定量分析具有很大优越性 提高了测量灵敏度和准确度 四 紫外 可见分光光度计的性能指标及评价 一 波长准确度和波长重复性 1 波长准确度 波长精度 是指仪器波长指示器上的波长值与仪器此时输出的实际波长值之间的符合程度 可用二者之差 波长误差 来衡量其准确性 波长误差来源 色散元件传动机构运动误差 波长刻度盘刻划误差 显示误差 狭缝中心偏移和装调误差等 测定方法 最常用低压汞灯发射谱线法 常用谱线 579 0nm 576 9nm 546 1nm 435 8nm 404 5nm 364 9nm 253 7nm 校正指标 光栅光度计 全波段的波长误差不超过 1nm棱镜光度计 低于400nm时 不大于 1nm高于400nm时 不大于 2nm 2 波长重复性 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 通常取测量结果的最大值与最小值之差来衡量 二 光度准确度 光度准确度 photometricaccuracy 又称测光精度 是指仪器上测得的透光度或吸光度与真实值之间的偏差 该偏差越小 准确度越高 测定方法 酸性重铬酸钾 K2Cr2O7 法 用AR AnalyticReagent 级重铬酸钾110 干燥1h 制成两种溶液 溶液 50mg 0 5mg L 吸光度范围0 2 0 7溶液 100mg 1 0mg L 吸光度范围0 4 1 4 用0 005mol L硫酸制成参比液 三 光度线性范围 仪器的光度线性范围 也就是仪器的最佳工作范围 在此线性范围内测得的物质的吸光系数才是一个常数 检查方法 将吸光物质配成一系列不同浓度溶液 测定吸光度 计算吸光系数 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 分辨率 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 是衡量分光光度计性能的重要指标之一 因素 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 测试方