光谱分析技术

1、1.1光-电磁辐射光是一种电磁波，它在电场和磁场两个正交面内波动前进。两个波峰或波谷之间的距离为波长，以表示。电磁辐射是高速通过空间传播的光子流，具有波动性和微粒性。量子论认为，辐射能的发射或吸收不是连续的，而是量子化的。这种能量的最小单位为“光子”；每个光子具有的能量E与其频率及波长之间的关系为：E=h=hc=hc式中，E为光子的能量，单位为电子伏（eV）或焦耳（J），1eV=1.602×10-19J；h为普朗克常数，h=6.626×10-34焦耳秒（Js）；为频率，单位为赫兹（Hz）或秒-1（S-1），表示电磁波每秒振动的次数；c为光速，c=2.998×101

2、0厘米/秒（cm/s）；为波长，单位为米（m）、厚米（cm）、微米（m）或纳米（nm），1m=102cm=106m=l09nm；为波数，单位为厘米-1（cm-1），表示电磁波单位距离（cm）中振动的数目，与波长（cm）互为倒数关系。将各种电磁辐射按照波长或频率的大小顺序排列起来即称为电磁波谱。表1-1列出了用于光谱分析的电磁波的有关参数。射线的波长最短，能量最高；无线电波区波长最长，其能量最低。若波长或频率已知，可以计算出在各电磁波区产生不同类型跃迁所需的能量，反之亦然。例如，使分子或原子的价电子激发所需的能量为1 20eV，可以算出该能量范围相应电磁波的波长为124062nm。对于波长很短（

3、小于10 nm) ，能量大于102 eV（ 如射线和X 射线）的电磁波谱，粒子性比较明显，称为能谱，由此建立起来的分析方法，称为能谱分析法。波长大于1mm、能量小于10-3eV （如微波和元线电波）的电磁波谱，波动性比较明显，称为波谱，由此建立起来的分析方法， 称为波谱分析法。波长及能量介于两者之间的电磁波谱，通常借助于光学仪器获得，称为光学光谱，由此建立起来的分析方法，称为光学光谱分析法，简称为光谱分析法。1.2光与物质的相互作用光与物质相互接触时，就会与物质相互作用，作用的性质随光的波长（能量）及物质的性质而异。光与物质相互作用的方式有发射、吸收、反射、折射、散射、干涉、衍射、偏振等。（1

4、）光的透射、吸收和发射光通过透明介质时，如果只是引起了微粒的价电子相对于原子核的振动，它所需要的光能，只是瞬时（10-1410-15s）地被微粒所保留，当物质回到其原来的状态时，又毫无保留地将能量（光）重新发射出来，在这个过程中没有净能量的变化，因此光的频率也就没有变化，只是传播速度减慢了，这种现象称为光的透射。当光与物质接触时，某些频率的光被选择性吸收并使其强度减弱，这种现象称为物质对光的吸收。光被物质吸收的实质就是光的能量已转移到物质的分子或原子中去了。这样，某些频率的光减少或者消失，而物质内部的能量增加了，即物质中的分子或原子由能量较低的状态上升为能量较高的状态。根据吸收物质的状态、光的

5、能量（频率或波长）以及吸收光谱的不同，可分为分子吸收和原子吸收。当受激物质（或受热能、电能或其他外界能量所激发的物质）从高能态回到低能态时，往往以光辐射的形式释放出多余的能量，这种现象称为光的发射。按其发生的本质，可分为原子发射、分子发射和X射线等（2）光的散射和折射光通过不均与介质时，如果有一部分光沿着其他方向传播，这种现象称为光的散射。根据散射的起因，可以分为丁铎尔散射、瑞利散射、拉曼散射以及康普顿效应等。当光从一种透明介质进入另一种透明介质时，光束前进方向发生改变的现象，称为光的折射。介质的折射率定义为光在真空中的速度与光在该介质中的速度之比。折射是由于光在不同介质中的传播速度不同而引起

6、的。物质对光的折射率随着光的频率的变化而变化，这种现象称为"色散"。利用色散现象可以将波长范围很宽的复合光分散开来，成为许多波长范围狭小的"单色光"，这种作用称为"分光"。在光谱分析中，可利用色散现象（如棱镜）获得单色光。（3）光的反射（全反射和漫反射）当一束平行的入射光线射到粗糙物质（如纸张和高分子颗粒等）的表面时，表面会把光线向着四面八方反射，入射线虽然互相平行，但由于各点的法线方向不一致，造成反射光线向不同的方向无规则地反射，这种反射称为"漫反射"（diffuse reflectance），其反射的光称为漫反

7、射光。漫反射光是指从光源发出的光进入样品内部，经过多次反射、折射、散射及吸收后返回样品表面的光。漫反射光是与样品内部分子发生作用以后的光，携带有丰富的样品组成和结构信息。与漫透射光相比，虽然透射光中也负载有样品组成和结构的信息，但是透射光的强度受样品的厚度及透射过程光路的不规则性影响，因此，漫反射测量在提取样品组成和结构信息方面更为直接可靠。漫反射是红外和近红外光谱常用的一种测量方式。当光由光密（折射率大）介质射到光疏（折射率小）介质的界面时，只产生反射而不产生折射的现象称为全反射。光由光密介质进入光疏介质时，要远离法线折射，当入射角增加到某种情形时，折射线沿表面进行，即折射角为90o，该入射

8、角称为临界角。若入射角大于临界角，则无折射，全部光线均反射回光密介质即全反射。当光线由光疏介质在射到光密介质时，因为光线靠近法线折射，不会发生全反射。产生全反射的条件是：光必须由光密介质射向光疏介质，且入射角必须大于临界角。光纤和衰减全反射（ATR）附件都是基于全反射原理制成的。（4）光的干涉、衍射和偏振当频率、振动（方向）、周相相同（或周相差保持恒定）的光源所发射的相干光波互相叠加时，可以产生明暗相间的条纹，这种现象称为光的干涉。光波绕过障碍物而弯曲向后传播的现象，称为光的衍射。只有小孔或障碍物的尺寸比光波的波长小，或者跟波长差不多时，光才能发生明显的衍射现象。衍射现象是干涉的结果。光分析中

9、常利用光在（反射式）光栅（通常由镀铝的光学平面或凹面上刻印等问距、等宽的平行沟槽制成）上产生的衍射和干涉现象进行分光。利用分子晶体对X射线的衍射作用，产生了X射线衍射分析技术。自然光通过某些物质后，变为只在一个固定方向有振动的光，称为平面偏振光，这种现象，称为偏振。平面偏振光可看作是由周期、振幅都相同，而旋转方向相反的左、右圆偏振光叠加而成。当它进入旋光活性物质时，有两种情况：一种是构成偏振光的左、右两圆偏振光的传播速度变得不一样，这种现象称为旋光色散；另一种情况是偏振光与物质相互作用后，由于对左、右圆偏振光的吸收情况不同，导致两圆偏振光的振幅和能量也不相同，并形成一个沿着椭圆运动的椭圆偏振光

10、，这种现象称为圆二色性。1.3光谱分析法光学分析法是根据物质发射的电磁辐射或电磁辐射与物质相互作用而建立起来的一类分析化学方法。光学分析法可以分为光谱法和非光谱法两大类。光谱法是基于物质与辐射能作用时，测量由物质内部发生量子化的能级之间的跃迁而产生的发射、吸收或散射辐射的波长和强度进行分析的方法。光谱法可分为原子光谱和分子光谱。原子光谱由原子外层或内层电子能级的变化产生的，没有叠加分子振动和转动能级跃迁，发射或吸收的是一些频率（或波长）不连续的辐射，它的表现形式为线光谱，如原子发射光谱法、原子吸收光谱法、原子荧光光谱法以及X射线荧光光谱法等。分子光谱是由分子中电子能级、振动和转动能级的变化产生

11、的，表现形式为带光谱。属于这类分析方法的有紫外-可见分光光度法、近红外光谱、红外光谱法、分子荧光光谱法和分子磷光光谱法等。通常，物质发出的光，是包含多种频率成分的光，称为复合光。光谱分析中，常常采用一定的方法获得只包含一种频率成分的光（即单色光）来做为分析手段。实际上，普通分析方法所获得的单色光往往不只包含一种频率成分。单色光的单色性通常用光谱线的宽度（或半宽度）来表示。谱线的宽度越窄，光谱线所包含的频率（或波长）范围越窄，表示光的单色性越好。例如，日光中红色光的波长范围是640680nm，而金属钠蒸气所发射的黄色光波长范围是589.0589.6nm，光谱宽度仅为0.6nm，说明钠的黄光比日光

12、中的红光单色性好得多。再如，普通的氦氖激光器发射光的波长为632.8nm，其宽度只有10-6nm，可见，激光是一种理想的单色光。非光谱法是基于物质与辐射相互作用时，测量辐射的某些性质如折射、散射、干涉、衍射和偏振等变化的分析方法。非光谱法不涉及物质内部能级的跃迁，电磁辐射只改变了传播方向、速度或某些物理性质。属于这类分析方法的有折射法、偏振法、光散射法、干涉法、衍射法、旋光法和圆二色性法等。分析化学中常用的光学分析法是光谱法，它是一种从物质光谱中提取有用信息来确定物透射的组成、含量和结构的仪器分析方法。如图所示，电磁辐射与物质相互作用可产生发射、吸收和散射三种类型的光谱。（1）发射光谱物质通过

13、电致激发、热致激发或光致激发等激发过程获得能量，变为激发态原子或分子，当从激发态过渡到低能态或基态时产生发射光谱，多余的能量以光的形式发射出来：M*M十h通过测量物质的发射光谱的波长和强度来进行定性和定量分析的方法叫做发射光谱分析法。根据发射光谱所在的光谱区和激发方法不同，发射光谱法分为射线光谱法、X射线荧光分析法、原子发射光谱法、原子荧光光谱法、分子荧光光谱法、分子磷光光谱法和化学发光法等。（2）吸收光谱当物质所吸收的电磁辐射能与该物质的原子核、原子或分子的两个或多个能级间跃迁所需的能量满足E=h的关系时，将产生吸收光谱。M十hM*吸收光谱法包括穆斯堡尔光谱法、原子吸收光谱法、紫外-可见光谱

14、法、近红外光谱法和红外光谱法等。（3）Raman散射频率为0的单色光照射到透明物质上，物质分子会发生散射现象。如果这种散射是光子与物质分子发生能量交换的，即不仅光子的运动方向发生变化，它的能量也发生变化，则称为Raman散射。这种散射光的频率与入射光的频率不同，称为Raman位移。Raman位移的大小与分子的振动和转动的能级有关，利用Raman位移研究物质结构和组成的方法称为Raman光谱法。由以上光谱为基础建立起来的光分析法，称为光谱分析方法。1.4分子能级与分子光谱分子是由化学键相连的原子组成，具有确定的构型，化学键涉及到原子核外电子的相互作用。所以，考察分子的运动状态，应包括分子的整体平

15、动、转动、核间的相对位置变化的振动和电子运动。因此，分子的能量可以看作由分子的平动能Et、分子的振动能EV、转动能Er、和电子运动能Ee组成，即：E=Et十Ev+Er十Ee。由于原子核和电子的质量相差很大（最轻原子核的质子质量是电子的1840倍），运动速度也有较大差别，因此，它们间的相互作用可以忽略，它们各自的运动在力学上可以独立处理。在原子核的相对运动中，分子整体平动的平动能只是温度的函数，它对分子本身的核间运动及电子运动影响可以忽略，故与分子光谱有关的能量变化可看作分子的转动、振动和电子运动的能量变化。分子的这三种运动状态都具有一定的能量，属于一定的能级。图是双原子分子能级示意图，图中EA

16、和EB表示不同能量的电子能级，在每个电子能级中因振动能量不同又分为若干个振动能级，=0，1，2，3，；在同一电子能级和同一振动能级中，还因转动能量不同分为若干个转动能级J=0，1，2，3，；当它们受到电磁辐射的激发时，会从一个能级转移到另一个能级，称为跃迁。按量子理论，它们是不连续的，即具有量子化的性质。一个分子吸收了外来辐射之后，它的能量变化E为其振动能变化Ev、转动能变化Er以及电子运动Ee能量变化之和，即E=Ev+Er+Ee。物质对不同波长的光线具有不同的吸收能力，物质也只能选择性地吸收那些能量相当于该分子振动能变化Ev、转动能变化Er及电子运动能量变化Ee的辐射。分子的Ee、Ev和Er

17、能级间隔在数量级上有差别，约分别为10141015cm-1、102104cm-1和1102cm-1。当用能量接近于Er的微波或远红外光（1102cm-1）与物质的分子作用时，由于其能量不足以引起电子能级和振动能级变化，只能引起分子转动能级的变化，所得的吸收光谱称之为分子转动吸收光谱，纯转动光谱为线光谱。能量接近Ev的中红外和近红外光（102104cm-1）与分子作用时，由于其能量不足以引起电子能级变化，只能引起分子振动能级变化并伴随转动能级的变化，此时，分子产生的吸收光谱称为振动-转动光谱或振动光谱。振动光谱以谱带形式出现。只有在气态或极稀的非极性溶液中才能观测到振动谱线，这些谱线是由于处于同

18、一振动能级内不同转动能级向较高振动能级的不同转动能级之间的跃迁所致，谱线之间的频率差与分子的转动能级相关，称为红外光谱的精细结构。对应于分子内振动能级改变的光谱技术还有拉曼光谱，它是观测拉曼散射光的光谱。能量接近于Ee的紫外和可见光（10141015cm-1）与物质分子作用时，可引起电子能级之间的跃迁，并伴随分子的振动和转动能级的变化，产生的吸收光谱称为紫外-可见光谱（200800nm），其图谱的特征是带状谱，由于这种光谱主要是起源于价电子能级之间的跃迁，故也称为电子光谱。对应于分子内电子能级改变的光谱技术还有分子的荧光光谱和磷光光谱，它们是发射光谱，其发射波长比相应的紫外-可见光谱的吸收光的

19、波长要长。各种物质分子内部结构的不同，分子的能级差异很大，各种能级之间的间隔也互不相同，这样就决定了它们对不同波长光的选择吸收。如果改变通过某一吸收物质的入射光的波长，并记录该物质在每一波长处的吸光度，然后以波长为横坐标，以吸光度为纵坐标作图，这样得到的谱图称为该物质的吸收光谱或吸收曲线。某物质的吸收光谱反映了它在不同的光谱区域内吸收能力的分布情况，可以从峰形、峰强、峰的位置及其数目研究物质的内部结构和含量。1.5朗伯-比尔定律朗伯-比尔定律是吸收光谱的基本定律，也是吸收光谱定量分析的理论基础。其物理意义如图所示，当一束平行单色光垂直通过某一均匀非散射的吸光物质时，其吸光度A与吸光物质的浓度c

20、及吸收层厚度（光程）l成正比。朗伯-比尔定律可表示为:A=lgI0It=lg1T=Klc式中，A为吸光度，无单位，但在一些仪器上常用AU或A表示，如1.0AU或1.0A表示吸光度为1.0；I0为入射光的强度；It为透射光的强度；T为透射比或称透过率；l为吸收介质的厚度或称光程，一般以cm为单位；c为吸光物质的浓度，单位可以是g/mL或mol/mL等；K为吸收系数或摩尔吸收系数，它与溶液的性质、温度及入射光波长等因素有关。K的单位与c采用的单位有关，c以g/ml为单位时，K称为吸光系数，用a表示，单位为L/(gcm)；c以mol/mL为单位时；K称为摩尔吸光系数，用表示，单位为mL/（molcm

21、）。当光程一定时，吸光度A与浓度c呈线性关系，透过率T与浓度c则不是线性关系。比a更常用，有时吸收光谱如紫外-可见光谱的纵坐标用或lg表示，并以最大摩尔吸光系数max表示吸光强度。在特定波长和溶剂的情况下，摩尔吸光系数是吸光质点的一个特征常数。在数值上等于吸光物质的浓度为1mol/mL、液层厚度为lcm时溶液的吸光度，它是物质吸光能力的量度，可作为定性分析的参考和估量定量分析方法的灵敏度。值越大，方法的灵敏度越高。当介质中含有多种吸光组分时，只要各组分间不存在着相互作用，则在某一波长下介质的总吸光度是各组分在该波长下吸光度的加合，这一规律称为吸光度的加合性。吸光度具有加合性是对多元混合物进行光

22、谱定量分析的基础。朗伯-比尔定律的成立是有前提的，即：入射光为平行单色光且垂直照射；吸光物质为均匀非散射体系；吸光质点之间无相互作用；辐射与物质之间的作用仅限于光吸收过程，无荧光和光化学现象发生。对于实际测量体系，因不完全符合朗伯-比尔定律成立的前提条件，吸光度和浓度之间的关系常会出现偏离朗伯-比尔定律的现象。造成偏离的原因是多方面的，通常可归成两类，一类与样品有关，如介质不均匀、溶液浓度过高或化学反应（如水解、解离）引起的偏离等；另一类则与仪器有关，如非单色光、噪声、杂散光或非平行人射光引起的偏离等。可采用选择波长、对光谱进行预处理以及控制吸光度的范围（理论最佳值为0.434，通常在0.20

23、.8范围内）等方法降低这些引起偏离的因素的影响。采用化学计量学的多元定量校正方法可在一定程度上消除非线性的影响，但仍需注意尽可能避免引起偏离朗伯-比尔定律情况的发生。1.6漫反射理论对于透明的真溶液，透射光谱遵循朗伯-比尔定律，显然这一定律不适用于固体测量时的漫反射光谱。如图所示，当光与固体颗粒发生相互作用吸收时，可产生反射、吸收、透射、散射等情况，其中反射包括镜面反射和漫反射。漫反射光是入射光进入样品内部后，经过多次反射、折射、衍射和吸收后返回表面的光，因此，负载了样品的结构和组成信息，可用于定量和定性分析。固体颗粒样品的透射光虽然也含有这样的信息，但透射光强受装填密度和厚度的影响很大，应用

24、于定量分析较为困难。当样品足够厚时，可忽略透射光，对于镜面反射也可以通过特殊的检测方式予以消除。这样，可以推导出以下公式：R*=1+KS-KS2+2KS式中，K为漫反射吸收系数，取决于漫反射体的化学组成；S为散射系数，取决于漫反射体的物理特性；R*为漫反射体的绝对漫反射率，它是K/S的函数。R*不易测定，实际测定的是相对漫反射率R，即以硫酸钡等材料作为参比物质（K0，R*,1），漫反射体无穷厚度时的漫反射率为：R=R*样品R*参比1+KS-KS2+2KS如同透射光谱的吸光度那样，定义漫反射吸光度A为：A=-lgR=-lg1+KS-KS2+2KS可以看出，漫反射吸光度A与K/S的关系为一对数曲线

25、（见图）。在一定浓度范围内，A与K/S间可近似呈直线关系。当样品浓度不高时，吸收系数K与样品浓度c成正比。若散射系数S为一常数时，漫反射吸光度A与样品浓度c的关系可表示为：A=a + bc。漫反射吸光度A是漫反射光谱定量分析时常用的测量参数，其前提是散射系数S保持不变，样品颗粒的形状、粒径大小和分布等多种因素均影响光的散射，且样品的浓度范围有一定的限制。因此，采用漫反射测量方式时，需要从样品制备到数据处理全过程加以注意。通过上述公式可解出K/S的表达式：KS=1-R22R将上式右侧定义为一个函数，即Kubelka-Munk（K-M）函数：FR1-R22R=KS可以看出，当散射系数S为一常数时，

26、K-M函数与吸收系数K成正比，又因为当样品浓度不高时，吸收系数K与样品浓度c成正比，所以K-M函数与浓度的关系可表示为：FR=KS=bcS=bc该表达式与朗伯-比尔定律相似，但系数b除与吸收系数K和光程有关外，还与散射系数S有关。可以证明，对于多组分体系，漫反射光谱不具有光谱的吸光度加合性。采用K-M函数表示时，与透射光谱相似，多组分体系的漫反射光谱具有K-M函数的加合性。尽管如此，在进行漫反射光谱定量分析时，实际上还大都采用漫反射吸光度光谱，这是因为吸光度概念和解释较易接受，更为重要的是采用化学计量学方法（如谱图预处理和多元校正方法等）可以在一定程度上解决这种非线性问题。1.7 ATR理论衰

27、减全反射（attenuated total reflectance，ATR），是分子光谱尤其是红外光谱重要的实验方法之一。ATR通过样品表面的反射信号获得样品表层化学成分的结构信息，大大简化了制样过程，极大地扩展了光谱法的应用范围。使许多采用传统透射法不能测量，或者样品制备过程十分复杂、难度大、而效果又不理想的测试成为可能。因此，被广泛应用于塑料、纤维、橡胶、涂料、教合剂、重质油品等物质的分析。衰减全反射的测量原理可以简单地概括为：当高折射率的材料（称为ATR晶体，如Si、蓝宝石、金刚石、Ge、ZnSe和KRS-5等）与低折射率的样品（如溶液）接触，光在ATR晶体中传播并以一定的入射角度到达与

28、样品接触界面时，如果入射角大于临界角c，光线在界面处将会发生全反射。在光反射处，光会延伸到样品介质产生驻波，即隐失波（evanescent wave）。如果隐失波被样品成分吸收，会造成反射光能量的损失。此时，反射光就载有与样品物化性质有关的光谱信息。ATR的光谱强度取决于有效穿透厚度、反射次数、样品与反射晶体的紧密贴合程度、样品本身吸收的大小。单次有效穿透深度D取决于入射光的波长、晶体的折射率、样品的折射率和光线在晶体界面的入射角，可由下式计算：D=2sin2-ns/n121/2式中，入射光的波长；n1为ATR晶体的折射率；ns为样品的折射率；为入射角。可以看出，晶体折射率越大、入射角越大，穿

29、透深度越浅；样品折射率越高、人射光波长越长（波数越小），穿透深度越深。有机物折射率一般在1.01.5之间，如果有机物折射率取1.25，采用ZnSe作为晶体材料（其折射率为2.43），入射角为45°，则单次穿透深度D约0.1。在4000650cm-1区间，穿透深度约为0.251.55m。由此可见，采用ATR附件测得的中红外光谱，在高频端和低频端的穿透深度相差近一个数量级。计算样品的穿透深度时，样品与晶体的接触是一种理想的接触。空气与晶体的接触以及液体与晶体的接触都属于理想的接触。当固体样品与晶体表面接触不好时，红外光穿透样品的深度比计算值要小得多。如图所示，根据样品的吸收情况可以选择不同反射次数的ATR晶体，以得到满意的光谱强度。对于多次全反射晶体，其有效光程L=DN，D为单次有效穿透深度，N为反射次数，N=l/tcos，为入射角，l为晶体的长度，t为晶体的厚度。若光的波长、反射次数以及样品与反射晶体的紧密贴合程度一定，ATR的光谱强度只与样品本身的性质有关。ATR测量方式的主要缺点是其有效光程与测定样品有关，只有当溶液