02-2.光谱法仪器与光学仪器课件

1、22:44:11,an introduction to optical analysis,instruments for spectro-metry and optical parts,第二章 光谱分析法导论,第二节 光谱法仪器与光学元件,22:44:11,一、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,22:44:11,2、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),main parts of spectrometry,22:

2、44:11,22:44:11,二、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.,22:44:11,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

3、灯. 红外光源,采用将惰性固体加热到1500-2000K,22:44:11,22:44:11,2、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,22:44:11,空心阴极灯,22:44:11,3、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,22:44:11,三、波长选择系统,22:44:11,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

4、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.,22:44:11,（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,22:44:11,棱镜单色仪用来色散紫外、可见和红外辐射,

5、22:44:11,光栅单色仪,22:44:11,（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；,22:44:11,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；,22:44:11,（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

6、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。,22:44:11,（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）；,22:44:11,22:44:11,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

7、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）。,22:44:11,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=,22:44:11,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

8、的最小波长间隔）；,22:44:11,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=1501200=6104,22:44:11,（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,22:44:11,（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。,22:44:11,四、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,22:44:11,（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；,22:44:11,五、检测系统,（1）光子检测器