紫外可见分光光度计基础PPT课件

UV-VIS-NIRSpectrophotometerSalesTraining,基础理论和知识ChemicalAnalysisGroup,May18,2020,.,1,概览,光谱学基础紫外光谱背景知识分光光度计分类分光光度计组件分光光度计指标解读,光是一种电磁波，具有波粒二相性。波动性：可用波长()、频率()和速度（C）等来描述。,光谱学基础,=C/式中：为频率C为光速为波长,光是一种电磁波，具有波粒二相性。粒子性：可用光量子的能量来描述,光谱学基础,E=h=hC/式中：E为光量子能量h为普朗克常数为频率C为光速为波长,光谱学基础,200nm,380nm,780nm,2.5um,10nm,光谱区域：,25um,1mm,不同波长下的光具有不同的能量，波长越短，能量越高；特定波长的光被分子吸收后，可引起分子运动能级的跃迁。,低能级,高能级,光谱学基础,分子能级：,E总E平E转E振E电E电旋E核,分子的总能量包括：平移运动的能量分子绕自身某一轴的转动能分子内化学键的振动能核外电子在某个分子轨道上做轨道运动的能量电子自旋能原子核自旋能等；分子的能级是量子化的；分子吸收能量后，可以从低能级跃迁到高能级。,光谱学基础,低能级,高能级,能级跃迁所吸收电磁波的波长与轨道能级差之间的关系：,平移运动：能级差小，近似认为连续变化，不产生光谱；分子转动：能级差一般在510-3510-2ev之间，：24.8248um，远红外区；分子振动：能级差一般在0.051ev之间，：1.2424.8um，近、中红外区；电子运动：能级差一般在120ev之间；：62nm1.24um，远紫外、紫外可见和部分近红外；,紫外光谱,紫外光谱：由分子中价电子的跃迁而产生。分子中价电子经紫外或可见光照射时，电子从低能级跃迁到高能级，此时电子就吸收了相应波长的光，这样产生的吸收光谱叫紫外光谱。紫外吸收光谱的波长范围是100-400nm(纳米),其中100-200nm为远紫外区，200-400nm为近紫外区,一般的紫外光谱是指近紫外区。,紫外光谱,化合物价电子跃迁：可以跃迁的电子有：电子,电子和n电子。跃迁的类型有：*,n*,*,n*。各类电子跃迁的能量大小见下图：,紫外光谱,紫外光谱图：是由横坐标、纵坐标和吸收曲线组成的。横坐标表示吸收光的波长，用nm（纳米）为单位。纵坐标表示吸收光的吸收强度，可以用A(吸光度)、T(透射比或透光率或透过率)、1-T(吸收率)、(吸收系数)中的任何一个来表示。吸收曲线表示化合物的紫外吸收情况。曲线最大吸收峰的横坐标为该吸收峰的位置，纵坐标为它的吸收强度。,紫外光谱,发色团：凡能吸收紫外光或可见光而引起电子能级跃迁的基团称为发色团。主要指那些具有不饱和键或不饱和键上连有杂原子的基团，如：CC、CO,紫外光谱,发色团：,紫外光谱,助色团：当含有杂原子的饱和基团与发色团相连时，吸收波长会发生较大的变化。这种含杂原子的饱和基团被称为助色团，例如：OH、NH2、OR、卤素等。,紫外光谱,助色团：,紫外光谱,红移和紫移：有机化合物的结构发生变化或测试条件发生变化时，其吸收波长向长波长方向移动的现象称为红移；其吸收波长向短波长方向移动的现象称为紫移。取代基的变更或溶剂种类的改变可引起吸收谱带的红移或紫移。,紫外光谱,增色效应和减色效应：当有机化合物的结构发生变化或溶剂改变时，在吸收峰红移或紫移的同时，常伴有吸光度A的增强或减弱，我们将吸光度增加的效应称为增色效应，将吸光度减小的效应称为减色效应。,A,红移,紫移,减色效应,增色效应,光度计定性分析,同种物质，即使浓度不同，但吸收曲线形状和max大致相同，将扫描结果与标准谱图比对，进行定性分析。紫外光谱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。,紫外定性分析,紫外定量分析,朗伯比尔定律：1760年，Lambert：如果溶液的浓度一定，则光对物质的吸收程度与它通过的溶液厚度成正比：ALg（I0/I）K0L1852年，Beer：光的吸收和光所遇到的吸光物质的数量有关；如果吸光物质溶于不吸光的溶剂中，则吸光度和吸光物质的浓度成正比。即当单色光通过液层厚度一定的有色溶液时，溶液的吸光度与溶液的浓度成正比：ALg（I0/I）K1CLambert-Beer：AK*C*L,光度计定量分析,LambertBeer定律：,I0,I,L,A：吸光度T：透过率K：吸光系数C：样品浓度L：光程I/I0:透射光强度/入射光强度,适用范围：,入射光为平行单色光吸收体系是均匀分布的连续体系光与物质的作用仅限于吸收过程，没有荧光和光化学现象吸收过程中各物质无相互作用,紫外定量分析,光度计定量分析,定量：配置不同浓度的标样，建立工作曲线。未知浓度的样品与工作曲线比对，得到其浓度值。,紫外定量分析,光度计大致结构,1.单光束,简单，价廉，适于在给定波长处测量吸光度或透光度，一般不能作全波段光谱扫描，要求光源和检测器具有很高的稳定性。,光度计分类,2.双光束,自动记录，快速全波段扫描。可消除光源不稳定、检测器灵敏度变化等因素的影响，特别适合于结构分析。仪器复杂，价格较高。,光度计分类,3.实时双光束,消除光源变化对仪器稳定性带来的影响。,检测器,光源,r,s,s/r,样品光束,参比光束,检测器r,PC,光度计分类,双光束仪器实现方式,双光束的几种实现方式：,光度计分类,双光束仪器实现方式,经典的双光束,光度计分类,1.光源,在整个紫外光区或可见光谱区可以发射连续光谱，具有足够的辐射强度、较好的稳定性、较长的使用寿命。,钨灯（Vis）：辐射波长范围在3203300nm，约20005000小时使用寿命。氢、氘灯（UV）：发射185400nm的连续光谱，约5002000小时使用寿命。脉冲氙灯（UVVis）：发射1852000nm，Cary50，20000小时使用寿命。,光度计光源,1.氘灯,光度计光源,氘灯（UV）：能量最高点在230nm左右；在656.1nm和486nm具有两条特征谱线，可用于波长校准；有3个引脚（阴极2、阳极1）对供电电流的稳定性要求很高，电流波动1，光通量波动6.7，需要15分钟左右的时间预热稳定。,1.氘灯的寿命,光度计光源,45,1.氘灯的稳定性,光度计光源,1.钨灯,光度计光源,钨灯的强度要远高于氘灯，一般来说寿命也要长于氘灯。氘灯、钨灯在扫描的过程中自动切换。两只引脚，部分正负，可以互换。对供电电压的稳定性要求很高。电压波动1，光通量波动3.4。,1.氙灯,光度计光源,脉冲氙灯特点：1.光谱范围宽，覆盖整个紫外可见区域。,1.氙灯,光度计光源,脉冲氙灯特点：2.瞬间高能量输出,1.氙灯,光度计光源,脉冲氙灯特点：3.长寿命，Cary50脉冲氙灯寿命可达20000个小时。,1.氙灯,光度计光源,脉冲氙灯特点：4.稳定性相对于氘灯钨灯要稍差。,2.外光路,光度计外光路,2.外光路,光度计外光路,3.单色器结构,将光源发射的复合光分解成单色光并可从中选出一任波长单色光的光学系统。入射狭缝：光源的光由此进入单色器；准光装置：透镜或返射镜使入射光成为平行光束；色散元件：将复合光分解成单色光；,聚焦装置：透镜或凹面反射镜，将分光后所得单色光聚焦至出射狭缝；出射狭缝。,光栅单色器构成图,光度计单色器,3.单色器光栅原理,光度计单色器,光栅方程：m=d(sini+sin)对于相同的光谱级数m，以同样的入射角i投射到光栅上的不同波长1、2、3组成的混合光，每种波长产生的干涉极大都位于不同的角度位置；即不同波长的衍射光以不同的衍射角出射。这就说明：对于给定的光栅，不同波长的同一级主极大或次极大都不重合，而是按照波长的次序顺序排列，形成一系列分立的谱线。这样，混合在一起入射的各种不同波长的复合光，经光栅衍射后彼此被分开了。,3.单色器滤光片轮,光度计单色器,为了消除光栅分光产生的次级光的影响，紫外可见分光光度计都设计有多个截止滤光片，这些滤光片装在一个电机带动的滤光片轮上，当扫描到某个波长时，特定的滤光片将自动转入光路，只让某一个波段的光通过。,3.单色器棱镜单色器,光度计单色器,单色器一般可以分为棱镜单色器和光栅单色器：,3.单色器棱镜单色器,光度计单色器,3.单色器光栅单色器,光度计单色器,3.单色器光栅单色器,光度计单色器,3.单色器光栅单色器,光度计单色器,3.单色器光栅单色器,光度计单色器,3.单色器波长驱动机构,光度计单色器,波长驱动机构凸轮/扇形齿轮：,3.单色器波长驱动机构,光度计单色器,波长驱动机构正弦机构：,4.样品室,样品室内根据测试需要可放置：1）各种类型的吸收池和相应的池架附件；2）固体样品架；3）漫反射附件积分球；4）镜面反射附件；5）光纤耦合器对样品仓要求：1）尺寸比较大，方便放置样品和各种附件；2）设计合理，更换附件时自动定位；3）密封，外部光线不能进入。,光度计样品室,4.样品室,在样品室左右两边都有窗片，以将样品室与光学仓和检测器仓分离，窗片的材质一般是石英；在光度计中，为了提高光通量，多采用反射镜而很少采用透镜；这两个窗片的材质和光源的外壳材质一样，会影响到仪器的检测波长范围，主要是做低紫外的检测时；Cary4000/5000/6000i做低紫外检测时，可以将这两个窗片取下。,光度计样品室,5.检测器,利用光电效应将透过吸收池的光信号变成可测的电信号紫外可见分光光度计的紫外可见区的检测器主要有：硅光电池光电二极管光电倍增管二极管阵列检测器近红外区的检测器主要有：PbSInGaAs,光度计检测器,5.检测器,硅光电池,光度计检测器,光电池是一种简单的光电转换元件优点：简单、便宜、使用方便，不需要附加电源，可以直接使用；缺点：响应时间较长、有疲劳效用和温度效应、噪声较大、灵敏度不高。,5.检测器,光电池光谱响应特性,光度计检测器,硅光电池：可见区灵敏度较高，波长可以覆盖1901100nm,5.检测器,光电二极管,光度计检测器,光电二极管是一个带有反向偏置电压的半导体二极管，即电源的负极与光电二极管的正极相联，电源的负极通过负载电阻R与它的负极相联。,5.检测器,光电倍增管,光度计检测器,K为光阴极，D1、D2为二次反射极（打拿极，一般设计为凹面形）、A为阳极；当有光照射到K上时，K上的光敏材料就发射光电子，这些光电子受电场加速，到达D1，由于D1的发射系数被设计成大于1，因此，有较多的二次电子被电场加速到D2，以后逐级放大，最后，在A上形成很强的光电流信号输出。,5.检测器,二极管阵列检测器,光度计检测器,特点：任何一次测试，都得到全波长下所有数据，无需光栅转动扫描。全波长扫描速度很快。,5.检测器,PbS,光度计检测器,为近红外区的检测器，波长范围可以覆盖7003300nm；灵敏度对温度比较敏感，所以一般需要半导体控温。InGaAs：近红外区灵敏度要优于PbS，其工作方式类似与光电倍增管。但是波长范围比较窄：7001800nm或者7002500nm（受温度影响）。,6.电路控制、软件、结果显示系统,给仪器供电，通过软件控制其操作，并将结果以指针、数字或者图表的形式显示出来。,光度计数据处理/显示系统,波长准确度,仪器对标准物质波长的实际测定值与理论值之间的差距或者是利用仪器光源（一般是氘灯，486和656.1nm）的特征发射峰作为波长的基准。,氧化钬波长标准溶液,光度计指标介绍,波长准确度,波长重复性,氘灯在486nm处的峰,仪器多次波长扫描结果最大值与最小值的差距。,光度计指标介绍,光度准确度,仪器在特定波长下对标准物质A/T的实际测定值与理论值之间的差距。,测试物质：中性滤光片、K2CrO4、K2Cr2O7,光度计指标介绍,光度（吸光度/透过率）重复性,相同条件下进行多次（一般是3次）平行测定，各平行测定结果之间最大值和最小值的差异。准确度和重复性都好才能提供准确的测试结果。,光度计指标介绍,基线漂移,光度计开机预热2h，试样和参比都是空气，吸光度值为0Abs，对时间扫描连续测试1h，这1h内最大吸光度和最小吸光度的差。它取决于光源稳定性、电路设计和电子元器件的稳定性等。,光度计指标介绍,噪声,仪器检测到的非有用信号的总和。有两个来源：1光源2仪器内部固有的电子噪声提高信躁比，必须有良好的电气设计，噪声可以通过多次测量后取平均值消除。噪声影响仪器测试低浓度物质（低吸光度）的准确性。,光度计指标介绍,杂散光,非选择波长的光在检测器上产生的信号。,杂散光直接限制被分析测试样品的浓度上限。杂散光越大，对高吸光度样品的测试结果影响越大。,不同杂散光导致Lambert-Beer定律的偏离,光度计指标介绍,仪器的杂散光，噪声，基线平直度，带宽，样品性质，比色皿等都对光度准确度有影响。,光度范围,吸光度保持线性的范围。影响仪器的测量上限。,Cary4000/5000/6000i8ABS实验,光度计指标介绍,光谱带宽