光譜基礎知識

1、光譜分析基礎知識光譜分析基礎知識基本概念基本概念光學分析法是根據(jù)物質(zhì)發(fā)射的電磁輻射或電磁輻射與物質(zhì)相互作用而建立起來的一類分析化學方法。1電磁輻射電磁輻射電磁輻射是高速通過空間的光子流，通常簡稱為光。它具有二象性，即：波動性和粒子性。波動性表現(xiàn)在光的折射、衍射和干涉等現(xiàn)象；粒子性表現(xiàn)在光電效應等現(xiàn)象。光譜基礎知識 每個光子的能量（EL）與其頻率（）、波長（）及波數(shù)（）之間的關系為：EL=h = hc/ = hc 式中：h為普朗克常數(shù)（Planck constant），其值為6.62610-34Js; c為光速，其值為31010 cm s-1；為波數(shù)（wave number），其單位為cm-1；

2、為波長（wave length），單位為cm。 由上式可知：電磁輻射的波長越短，其光子的能量就越高。光譜基礎知識 普朗克認為：物質(zhì)對輻射能的吸收和發(fā)射是不連續(xù)的、是量子化的。 當物質(zhì)內(nèi)的分子或原子發(fā)生能級躍遷時，若以輻射能的形式傳遞能量，則輻射能一定等于物質(zhì)的能級變化，即： E=EL=h= hc/光譜基礎知識例例 ：某電子在能量差為3.37510-19 J的兩能級間躍遷，其吸收或發(fā)射光的波長為多少納米？ 解：解：根據(jù) E=EE=EL L=h=h = hc/= hc/ 得： = hc/E =6.62610-34Js31010 cms-1/3.37510-19J =5.8910-5cm =589

3、nm光譜基礎知識2. 電磁波譜電磁波譜 將各種電磁輻射按照波長或頻率的大小順序排列起來即稱為電磁波譜電磁波譜。 各波譜區(qū)所具有的能量不同，其產(chǎn)生的機理也各不相同。 光譜基礎知識光譜光譜的定義的定義廣義廣義：各種電磁波輻射都叫做光譜光譜。 自然界的一切物質(zhì)可以與各種頻率的電磁波輻射發(fā)生相互作用，這種作用表現(xiàn)為對光的吸收或吸收光后再發(fā)射出各種波長的光，這取決于各自的特殊物質(zhì)結(jié)構(gòu)。 根據(jù)各種不同的物質(zhì)吸收或者發(fā)射出某一特征頻率的光信號及信號強度的大小可以實現(xiàn)對物質(zhì)的定性與定量分析。光譜基礎知識光譜分析，一般依其波長及其測定的方法可以分為：射線（0.0051.4 ）； X射線（0.1100 ）； 光學

4、光譜（光學光譜（100 1000 m）； 微波波譜（0.1100 cm）。 狹義狹義：通常所說的光譜，一般僅指光學光譜光學光譜而言。光譜基礎知識根據(jù)輻射能傳遞的情況可以分為：吸收光譜發(fā)射光譜（包括：發(fā)光光譜）散射光譜（如：拉曼光譜）光譜基礎知識波長及其測定的方法：真空紫外光光譜：10200 nm近紫外光光譜：200400 nm可見光譜：400800 nm 近紅外光譜：800 nm2.5 m中紅外光譜： 2.550 m 遠紅外光譜： 501000 m外形: 線狀 帶狀 連續(xù)電磁波輻射的本質(zhì)：原子光譜和分子光譜光譜基礎知識a. 吸收光譜吸收光譜 當電磁輻射通過某些物質(zhì)時，物質(zhì)的原子或分子吸收與其能

5、級躍遷相對應的能量，由基態(tài)或低能態(tài)躍遷到較高的能態(tài)，這種基于物質(zhì)對輻射能的選擇性吸收而得到的原子或分子光譜為吸收光譜吸收光譜。能層理論：能層能層（英語：Energy level）理論是一種解釋原子核外電子運動軌道的一種理論。它認為電子只能在特定的、分立的軌道上運動，各個軌道上的電子具有分立的能量，這些能量值即為能級能級。電子可以在不同的軌道間發(fā)生躍遷，電子吸收能量可以從低能級躍遷到高能級或者從高能級躍遷到低能級從而輻射出光子。氫原子的能級可以由它的光譜顯示出來。光譜基礎知識 原子吸收光譜為一些暗線，分子吸收光譜為一些暗帶。 根據(jù)物質(zhì)對不同波譜區(qū)輻射能的吸收，建立了各種吸收光譜法，例如：紫外-可

6、見分子吸收光譜法，紅外光譜法等。光譜基礎知識b. 發(fā)射光譜發(fā)射光譜 物質(zhì)的分子、原子或離子接受外界能量，使其由基態(tài)或低能態(tài)躍遷到高能態(tài)(激發(fā)態(tài))，再由高能態(tài)躍遷回低能態(tài)或基態(tài)，而產(chǎn)生的光譜稱為發(fā)射光譜發(fā)射光譜。 常用的有：原子發(fā)射光譜原子發(fā)射光譜和熒光光譜熒光光譜。 光譜基礎知識 對于原子發(fā)射光譜原子發(fā)射光譜，由于每種元素的原子結(jié)構(gòu)不同，發(fā)射的譜線各有其特征性，可以根據(jù)元素的特征譜線進行定性分析，根據(jù)譜線的強度與物質(zhì)含量的關系進行定量分析。光譜基礎知識 熒光光譜熒光光譜實質(zhì)上是一種發(fā)射光譜，它的產(chǎn)生是由于某些物質(zhì)的分子或原子在輻射能作用下躍遷至激發(fā)態(tài)，在返回基態(tài)的過程中，先以無輻射躍遷的形式釋

7、放出部分能量，回到第一電子激發(fā)態(tài)，然后再以輻射躍遷的形式回到基態(tài)，由此產(chǎn)生的光譜稱為熒光光譜。熒光光譜分為分子熒光光譜和原子熒光光譜。光譜基礎知識產(chǎn)生熒光的原因產(chǎn)生熒光的原因 熒光物質(zhì)的分子吸收了特征頻率的光能后，由基態(tài)躍遷到能級較高的第一電子激發(fā)態(tài)或第二電子激發(fā)態(tài)，然后通過無輻射躍遷返回到第一電子激發(fā)態(tài)的最低振動能級上，再從該能級降落至基態(tài)的各個不同的振動能級上，同時放出相應能量的分子熒光，最后以無輻射形式回到基態(tài)的最低振動能級。 光譜基礎知識 圖圖3-1 吸收光譜和熒光光譜能級躍遷示意圖光譜基礎知識 需要注意的是：需要注意的是：（1）整個過程是在單線態(tài)之間進行的；（2）產(chǎn)生熒光的過程極快，

8、約在10-8秒左右內(nèi)完成；（3）熒光的產(chǎn)生是由第一電子激發(fā)態(tài)的最低振動能級開始，而與熒光分子被激發(fā)至哪一個能級無關。因此，熒光光譜的形狀和激發(fā)光的波長無關。光譜基礎知識c. 散射光譜散射光譜 當物質(zhì)分子吸收了頻率較低的光能后，并不足以使分子中的電子躍遷到電子的激發(fā)態(tài)，而只是上升到基態(tài)中較高的振動能級上去，若在10-15 s10-12 s返回到原能級，此時輻射出和激發(fā)光相同波長的光，稱為瑞利散射瑞利散射；若返回到較原能級稍高或稍低的振動能級上，輻射出較激發(fā)光波長稍長或稍短的光，稱為拉曼散射拉曼散射。散射出較激發(fā)光波長稍長的光叫紅伴線紅伴線，散射出較激發(fā)光波長稍短的光叫蘭伴線蘭伴線。光譜基礎知識光

9、譜分析方法的分類光譜分析方法的分類根據(jù)物質(zhì)對不同波譜區(qū)輻射能的吸收和發(fā)射，建立了不同的光譜分析方法。 紫外-可見分子吸收光譜法原子熒光發(fā)射光譜法原子吸收光譜法電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法X射線原子熒光發(fā)射光譜法 光譜基礎知識光譜分析法的主要儀器設備光譜分析法的主要儀器設備1. 儀器種類儀器種類（1）紫外-可見分光光度法儀器紫外-可見分光光度計（Ultraviolet-Visible Spectrophotometer）（2）原子熒光發(fā)射光譜法儀器原子熒光分光光度計（AFS)光譜基礎知識（3）原子吸收分光光度法儀器原子吸收光譜儀（Atomic Absorption Spectrometer）（

10、4）原子發(fā)射光譜法儀器電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀（Inductively Coupled Plasma Atomic Emission Spectrometer）（5）X射線原子熒光發(fā)射光譜法儀器X射線原子熒光光譜儀（X-Ray Fluorescence Spectrometer）光譜基礎知識各種光譜分析法在用途上各自的優(yōu)勢與局各種光譜分析法在用途上各自的優(yōu)勢與局限性限性. 紫外紫外-可見分光光度法可見分光光度法 優(yōu)點優(yōu)點：此法應用極其廣泛，可以應用于絕大部分無機元素的常量、微量甚至痕量分析，也可用于無機陰離子的定量分析。在有機物和陰離子的定性、定量分析中的應用，非其它光譜法所能做到的。

11、與其它光譜儀器比較，還有一個顯著的特點是：價格便宜、易于操作和容易普及。 光譜基礎知識缺點缺點：進行測定時，需一個元素一個元素地進行分析；且大多需要顯色劑；樣品處理較復雜，不如其它光譜法迅速。光譜基礎知識. 原子熒光發(fā)射光譜法原子熒光發(fā)射光譜法原子熒光光度計是通過測量待測元素的原子蒸氣在輻射能激發(fā)下產(chǎn)生的熒光發(fā)射強度，來確定待測元素含量的方法。氣態(tài)自由原子吸收特征波長輻射后，原子的外層電子從基態(tài)或低能級躍遷到高能級經(jīng)過約10-8s，又躍遷至基態(tài)或低能級，同時發(fā)射出與原激發(fā)波長相同或不同的輻射，稱為原子熒光。光譜基礎知識優(yōu)點優(yōu)點：（1）有較低的檢出限，靈敏度高。特別對Cd、Zn等元素有相當?shù)偷臋z

12、出限，Cd可達0001ngcm-3、Zn為0.04ngcm-3。由于原子熒光的輻射強度與激發(fā)光源成比例，采用新的高強度光源可進一步降低其檢出限（2）干擾較少，譜線比較簡單，采用一些裝置，可以制成非色散原子熒光分析儀。這種儀器結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜。（3）分析校準曲線線性范圍寬，可達35個數(shù)量級。（4）由于原子熒光是向空間各個方向發(fā)射的，比較容易制作多道儀器，因而能實現(xiàn)多元素同時測定。光譜基礎知識原子熒光光度計儀器構(gòu)造光譜基礎知識1.激發(fā)光源：可用連續(xù)光源或銳線光源。常用的連續(xù)光源是氙弧燈，常用的銳線光源是高強度空心陰極燈、無極放電燈、激光等。連續(xù)光源穩(wěn)定，操作簡便，壽命長，能用于多元素同時分析，但

13、檢出限較差。銳線光源輻射強度高，穩(wěn)定，可得到更好的檢出限。2、原子化器：原子熒光分析儀對原子化器的要求與原子吸收光譜儀基本相同。光譜基礎知識3、光學系統(tǒng)：光學系統(tǒng)的作用是充分利用激發(fā)光源的能量和接收有用的熒光信號，減少和除去雜散光。色散系統(tǒng)對分辨能力要求不高，但要求有較大的集光本領，常用的色散元件是光柵。非色散型儀器的濾光器用來分離分析線和鄰近譜線，降低背景。非色散型儀器的優(yōu)點是照明立體角大，光譜通帶寬，集光本領大，熒光信號強度大，儀器結(jié)構(gòu)簡單，操作方便。缺點是散射光的影響大。4、檢測器：常用的是光電倍增管，在多元素原子熒光分析儀中，也用光導攝象管、析象管做檢測器。檢測器與激發(fā)光束成直角配置，

14、以避免激發(fā)光源對檢測原子熒光信號的影響。光譜基礎知識工作曲線法工作曲線法 先配一系列不同濃度的標準溶液并分別測定其熒光值，然后將減去試劑空白熒光值的標準溶液熒光值與其相應濃度作圖，即得其工作曲線。 根據(jù)試液及試液空白熒光值，在此曲線上即可找到試液的濃度。同時根據(jù)工作曲線的線性情況，可確定試液的最高濃度范圍。光譜基礎知識R=0.999337光譜基礎知識. 原子吸收光譜法原子吸收光譜法優(yōu)點優(yōu)點：對于一些常見金屬元素，例如：例如：Cu、Zn、Fe、Mn、Ca、Mg、Pb、K和Na等很容易測定。缺點缺點：對一些難熔金屬，例如例如：Be、Al、Sc、Y、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Th、U、稀土元

15、素及B等，靈敏度不令人滿意。光譜基礎知識4. 原子發(fā)射光譜原子發(fā)射光譜法法 優(yōu)點優(yōu)點：樣品處理較簡單，背景干擾較少，能同時進行幾十種元素的定性和定量分析。 缺點缺點：對于高含量樣品（1 %），則準確度較差，用于超微量ngg-1級元素的分析，靈敏度尚不能滿足需要；對一些非金屬元素，例如：例如：鹵素等的測定，靈敏度很低；儀器設備價格昂貴，不易普及。光譜基礎知識5. X射線原子熒光發(fā)射光譜法射線原子熒光發(fā)射光譜法 優(yōu)點優(yōu)點：做到無損分析；由于譜線簡單、干擾少，做眾多元素定性分析十分方便；對于化學性質(zhì)相似的元素，例如：例如：稀土、Nb和Ta、Zr和Hf、鉑族元素等，不必進行復雜的分離工作，便可成功地進

16、行單獨分析。 缺點缺點：靈敏度不夠高，最低一般測萬分之幾的含量；需標樣；儀器價格昂貴、結(jié)構(gòu)復雜、不易普及。光譜基礎知識色譜色譜色譜又稱色層法或?qū)游龇ǎ且环N物理化學分析方法，它利用不同溶質(zhì)（樣品）與固定相和流動相之間的作用力（分配、吸附、離子交換等）的差別，當兩相做相對移動時，各溶質(zhì)在兩相間進行多次平衡，使各溶質(zhì)達到相互分離。色譜法利用不同物質(zhì)在不同相態(tài)的選擇性分配，以流動相對固定相中的混合物進行洗脫，混合物中不同的物質(zhì)會以不同的速度沿固定相移動，最終達到分離的效果。在色譜法中，靜止不動的一相（固體或液體）稱為固定相（stationary phase） ；運動的一相（一般是氣體或液體）稱為流動

17、相（mobile phase）。光譜基礎知識按兩相按兩相狀態(tài)狀態(tài):氣相色譜法 氣固色譜法 氣液色譜法等按按固定相的幾何固定相的幾何形式：形式：柱色譜法紙色譜法：紙色譜法是利用濾紙作固定液的載體，把試樣點在濾紙上，然后用溶劑展開，各組分在濾紙的不同位置以斑點形式顯現(xiàn)，根據(jù)濾紙上斑點位置及大小進行定性和定量分析。薄層色譜法按分離原理按分離原理：吸附色譜法 分配色譜法 等光譜基礎知識高效液相色高效液相色譜譜高效液相色譜 （HPLC）是目前應用最多的色譜分析方法，高效液相色譜系統(tǒng)由流動相儲液體瓶、輸液泵、進樣器、色譜柱、檢測器和記錄器組成，其整體組成類似于氣相色譜，但是針對其流動相為液體的特點作出很多

18、調(diào)整。HPLC的輸液泵要求輸液量恒定平穩(wěn)；進樣系統(tǒng)要求進樣便利切換嚴密；由于液體流動相粘度遠遠高于氣體，為了減低柱壓高效液相色譜的色譜柱一般比較粗，長度也遠小于氣相色譜柱。HPLC應用非常廣泛，幾乎遍及定量定性分析的各個領域。光譜基礎知識色譜理論色譜理論關于保留時間的關于保留時間的理論理論保留時間是是指從進樣開始到某一組分濃度達到最大值所需要的時間，不同的物質(zhì)在不同的色譜柱上以不同的流動相洗脫會有不同的保留時間，因此保留時間是色譜分析法比較重要的參數(shù)之一保留時間由物質(zhì)在色譜中的分配系數(shù)決定tR = t0(1 + KVs / Vm)式中tR表示某物質(zhì)的保留時間，t0是色譜系統(tǒng)的死時間，即流動相進入色譜柱到流出色譜柱的時間，這個時間由色譜柱的孔隙、流動相的流速等因素決定。K為分配系數(shù)，Vs，Vm表示固定相和流動相的體積。這個公式又叫做色譜過程方程，是色譜學最基本的公式之一光譜基礎知識基于熱力學的塔板基于熱力學的塔板理論理論塔板理論是色譜學的基礎理論，塔板理論將色譜柱看作一個分餾塔，待分離組分在分餾塔的塔板間移動，在每一個塔板內(nèi)組分分子在固定相和流動相之間形成平衡，隨著流動相的流動，組分分子不斷從一個塔板移動到下一個塔板，并不斷形成新的平衡。一個色譜柱的塔板數(shù)越多，則其分離效果就