光譜分析實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、專(zhuān)業(yè)：材料 0902姓名：王應(yīng)愷實(shí)驗(yàn)報(bào)告學(xué)號(hào)：81日期：地點(diǎn)：曹樓 230課程名稱(chēng)： 材料科學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)老師：?jiǎn)绦裆煽?jī)：實(shí)驗(yàn)名稱(chēng)： 光譜分析實(shí)驗(yàn)類(lèi)型：同組學(xué)生姓名：一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵螅ū靥睿┒?、?shí)驗(yàn)內(nèi)容和原理（必填）三、主要儀器設(shè)備（必填）四、操作方法和實(shí)驗(yàn)步驟五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄和處理六、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析（必填）七、討論、心得一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康耐ㄟ^(guò)本實(shí)驗(yàn)了解紫光 / 可見(jiàn)光光度計(jì)、 傅里葉變換紅外光譜儀 （FTIR）和熒光光譜儀的基本原理、主要用途和實(shí)際操作過(guò)程。掌握玻璃透光率、薄膜吸收光譜、固體粉末紅外光譜和固體發(fā)光材料熒光光譜的測(cè)試方法。學(xué)習(xí)分析影響測(cè)試結(jié)果的主要因素。裝二、實(shí)驗(yàn)原理電磁波可與多

2、種物質(zhì)相互作用。 如果這種作用導(dǎo)致能量從電磁波轉(zhuǎn)移至物質(zhì)，就稱(chēng)為吸收。訂當(dāng)光波與某一受體作用時(shí)，光子和接受體之間就存在碰撞。光子的能量可被傳遞給接受體而線(xiàn)被吸收，由此產(chǎn)生吸收光譜。通常紫外和可見(jiàn)光的能量接近于某兩個(gè)電子能級(jí)地能量差，故紫外與可見(jiàn)光吸收光譜起源于價(jià)電子在電子能級(jí)之間的躍遷，又稱(chēng)為電子光譜。當(dāng)一束平行單色光照射到非散射的均勻介質(zhì)時(shí)，光的一部分將被介質(zhì)所反射，一部分被介質(zhì)吸收，一部分透過(guò)介質(zhì)。如果入射光強(qiáng)度為I0. 反射光強(qiáng)度為 Ir ，吸收光強(qiáng)度為 Ia ，透過(guò)光強(qiáng)度為 It ，則有 I0=Ir+Ia+It投射光強(qiáng)度與入射光強(qiáng)度之比稱(chēng)為透光率T=It/I0當(dāng)一束具有連續(xù)波長(zhǎng)的紅外光

3、照射某化合物時(shí)，其分子要吸收一部分光能轉(zhuǎn)變?yōu)榉肿拥恼饎?dòng)能量或轉(zhuǎn)動(dòng)能量。此時(shí)若將其透過(guò)的光用單色器進(jìn)行色散，就可得到一帶暗條的譜帶。以紅外光的波長(zhǎng)或波數(shù)為橫坐標(biāo)，以吸收率或者透過(guò)率百分?jǐn)?shù)為縱坐標(biāo)，把該譜帶記錄下來(lái)，就可得到該化合物的紅外吸收光譜圖。不同的化合物均有標(biāo)準(zhǔn)特征譜，將實(shí)驗(yàn)所得的光譜與標(biāo)準(zhǔn)譜對(duì)照，就可進(jìn)行分子結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)研究和化合組成的分析。可由吸收峰的位置和形狀來(lái)推知被測(cè)物的結(jié)構(gòu)，按照特征峰的強(qiáng)度來(lái)測(cè)定混合物中各組分的含量。當(dāng)分子吸收來(lái)自光輻射的能量后，其本身就由處于穩(wěn)定的基態(tài)躍遷至不穩(wěn)定的激發(fā)態(tài)：M+h。激發(fā)態(tài)是不穩(wěn)定的，壽命極短，激發(fā)態(tài)分子會(huì)迅速以向周?chē)峄蛟侔l(fā)射電磁波（熒光或磷光

4、）的方式回到基態(tài)：M+熒光（或磷光）。任何能產(chǎn)生熒光（或磷光）的物質(zhì)都具有兩個(gè)特征光譜：激發(fā)光譜和發(fā)射光譜。激發(fā)光譜：熒光（或磷光）為光致發(fā)光，因此必須選擇合適的激發(fā)光波長(zhǎng)，這可通過(guò)激發(fā)光譜曲線(xiàn)來(lái)確定。選擇熒光（或磷光）的最大發(fā)射波長(zhǎng)為測(cè)量波長(zhǎng)（監(jiān)控波長(zhǎng)），改變激發(fā)光的波長(zhǎng)，測(cè)量熒光強(qiáng)度變化。以激發(fā)光波長(zhǎng)為橫坐標(biāo)，熒光強(qiáng)度為縱坐標(biāo)作圖，即可獲得激發(fā)光譜。激發(fā)光譜形狀與吸收光譜形狀極為相似，經(jīng)校正后的激發(fā)光譜與吸收光譜不僅形狀相同，而且波長(zhǎng)位置一致。這是因?yàn)槲镔|(zhì)吸收能量的過(guò)程就是激發(fā)過(guò)程。發(fā)射光譜：將激發(fā)波長(zhǎng)固定在最大激發(fā)波長(zhǎng)處，然后掃描發(fā)射波長(zhǎng)，測(cè)定不同波長(zhǎng)處的熒光（或磷光）強(qiáng)度，即可得到熒光

5、（或磷光）發(fā)射光譜。三、儀器簡(jiǎn)介1紫外 / 可見(jiàn)光分光光度計(jì)PE 公司的 Lambda20雙光束紫外 / 可見(jiàn)光分光光度計(jì)，測(cè)量光譜范圍 190-1100nm；雜散光 %T；波長(zhǎng)精度；最高掃描速度 2880nm/min。該儀器的整個(gè)操作過(guò)程可完全由計(jì)算機(jī)控制，隨機(jī)提供的 UV-Winlab 窗口式操作軟件，使樣品測(cè)試、結(jié)果處理、圖形變換和實(shí)驗(yàn)報(bào)告編程及實(shí)驗(yàn)結(jié)果都可在計(jì)算機(jī)中方便地完成。2. 傅里葉變換紅外光譜儀（ FTIR）早起提供的紅外光譜儀多為色散型雙光束分光光度計(jì)， 它們的構(gòu)造系統(tǒng)基本上與紫外 / 可見(jiàn)光分光光度計(jì)一樣。但這類(lèi)有兩個(gè)明顯的缺陷，一是這種色散型紅外分光光度計(jì)是借助依次測(cè)定從

6、出射狹縫分出來(lái)的“單色光”而獲得樣品光譜的，在通常的紅外分光光光度計(jì)中，要得到一張可用的譜圖至少要 2 分種左右時(shí)間。另一個(gè)缺陷是必須使用狹縫，故進(jìn)入單色器的光能不能太低，否則檢測(cè)困難，這使得鏡反射光譜、常溫樣品的紅外發(fā)射光譜和光源能量小的遠(yuǎn)紅外光譜儀等受到限制。因此，隨著計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理技術(shù)的發(fā)展，目前大量使用的紅外光譜儀為傅里葉變換紅外光譜儀（ FTIR）。傅里葉變換紅外光譜儀由邁克爾遜干涉儀和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組合而成，它的工作原理就是邁克爾遜干涉儀的工作原理。Nicolet 公司的 Avatar360 傅里葉變換紅外光譜儀，測(cè)量范圍 4000-400cm-1；分辨率；信噪比 15000:1 。

7、該儀器的整個(gè)操作過(guò)程完全由計(jì)算機(jī)控制，隨機(jī)提供的窗口式操作軟件，使樣品測(cè)試、結(jié)果處理、圖形變換、結(jié)果打印都可在計(jì)算機(jī)中方便地完成。3. 熒光光譜儀日立公司的 F-4500 熒光光譜儀，測(cè)量光譜范圍200-730nm，最高靈敏度 S/N100:1, 最快掃描速度 30000nm/min。該儀器整個(gè)操作過(guò)程可完全由計(jì)算機(jī)控制， 隨機(jī)提供的 UV-Winlab 窗口式操作軟件，使樣品測(cè)試、結(jié)果處理、圖形變換和實(shí)驗(yàn)報(bào)告編程及實(shí)驗(yàn)結(jié)果都可在計(jì)算機(jī)中方便地完成。四、實(shí)驗(yàn)步驟和操作方法（一）固體試樣的紅外吸收光譜測(cè)試1. 樣品制備1. 本實(shí)驗(yàn)進(jìn)行固體式樣的紅外光譜分析采用壓片法制備樣品。壓片法是指把固體樣品

8、分散在堿金屬鹵化物中并壓成透明薄片來(lái)減少粒子的散射影響， 同時(shí)還排除了溶劑等的吸收干擾，能一次完整地獲得樣品的吸收光譜， 且薄片的厚度和樣品濃度可用天平精確稱(chēng)取， 便于定量分析。(1) 樣品：KBr=1：20 的混合物放于潔凈的瑪瑙研缽中，并在紅外干燥燈下均勻研磨，使其顆粒在 2左右。(2) 將少量研磨好的混合物小心鏟入簡(jiǎn)易壓膜裝置中并攤勻，旋轉(zhuǎn)螺帽盡量壓緊，并在壓力下保持 2-3 分鐘，然后將兩邊的螺帽旋出，觀(guān)察螺母中的薄片，應(yīng)為半透明狀，如果不透裝明，則薄膜太厚，表明放入的樣品太多，需將壓好的薄膜搗碎清理掉，重新壓片。 （注意膜不破，均勻 且透光）2. 紅外光譜測(cè)試(1) 檢查 Avata

9、r360 傅里葉變化紅外光譜儀電源開(kāi)關(guān)置“關(guān)”位置，光譜儀樣品室中無(wú)任何樣品。(2) 打開(kāi)計(jì)算機(jī)開(kāi)關(guān)，計(jì)算機(jī)自動(dòng)進(jìn)入 Windows桌面。(3) 打開(kāi)光譜儀開(kāi)關(guān)， 光譜儀左后方的電源指示燈與掃描指示燈亮， 此時(shí)在計(jì)算機(jī)的 Windows 桌面上雙擊“圖標(biāo)，計(jì)算機(jī)進(jìn)入 OMNIC窗口，掃描指示燈開(kāi)始閃亮。(4) 打開(kāi)樣品室，將壓有薄膜樣品的螺母放入光譜儀的樣品室中，關(guān)上樣品室。(5) 在 OMNIC窗口的“Experimental ”處選擇 Ddfault-default，該實(shí)驗(yàn)程序的基本參數(shù)為掃描次數(shù) 32 次，分辨率 4cm-1 ，如果要改變實(shí)驗(yàn)參數(shù)，可在“Collect ”中進(jìn)入 Expe

10、riment setup 進(jìn)行修改。(6) 單擊 OMNIC窗口第三行的第二個(gè)圖標(biāo)（ Collect Sample 圖標(biāo)），儀器開(kāi)始對(duì)樣品進(jìn)行光測(cè)試，測(cè)試結(jié)束后，顯示屏上將自動(dòng)顯示要求進(jìn)行背底測(cè)試掃描的窗口(7) 打開(kāi)樣品室，取出樣品，然后關(guān)上樣品室， 在要求進(jìn)行背底測(cè)試掃描的窗口上單擊 “OK”，儀器開(kāi)始進(jìn)行背底測(cè)試掃描， 同時(shí)對(duì)前面測(cè)試的樣品進(jìn)行自動(dòng)背底扣除， 在顯示屏上顯示已扣除背底的紅外吸收光譜圖。(8) 在 OMNIC窗口的“ file ”中保存所測(cè)試的光譜圖。 3. 測(cè)試結(jié)果處理分別進(jìn)行投射光譜和吸收光譜的互換，自動(dòng)基線(xiàn)校正，自動(dòng)尋峰，坐標(biāo)歸一化。根據(jù)結(jié)果，進(jìn)行充分的光譜圖形處理。

11、（二）光功能薄膜的紫外/ 可見(jiàn)光吸收光譜測(cè)試（測(cè)光的透過(guò)率）1. 檢查電源開(kāi)關(guān)置“關(guān)”位置，光度計(jì)樣品室光路上無(wú)任何阻擋物。2. 打開(kāi)電源，啟動(dòng)計(jì)算機(jī)，進(jìn)入“ UV Winlab ”操作程序。3. 打開(kāi)光度計(jì)電源， 光度計(jì)首先自動(dòng)進(jìn)行自檢。 一段時(shí)間后， 屏上出現(xiàn) “ RemoteStandard ”，表明一切正常。4. 進(jìn)入下一個(gè)界面“ Scan”，設(shè)置參數(shù)（包括起始波長(zhǎng)等）：Start Wavelength:800nm Ordinate max:End Wavelength:350nm;Ordinate min:Data Interval:5. 進(jìn)入“ inst. ”界面，設(shè)置參數(shù)：裝 O

12、rdinate mode:A; Scan Speed:240nm; Smooth:2nm; Lamp UV:off ； Lamp Vis:on訂 6. 在參比式樣架和樣品式樣架上分別放入沒(méi)有鍍上光功能薄膜的兩塊空白玻璃基板，蓋上樣品室，單擊“ Autozero ”光度計(jì)進(jìn)行自動(dòng)校零。線(xiàn)7.校零結(jié)束后，打開(kāi)樣品室， 在樣品式樣架上放入鍍有光功能薄膜的玻璃樣品，蓋上樣品室。單擊“ Start ”，開(kāi)始樣品測(cè)試，結(jié)束后保存結(jié)果。作出圖并倒數(shù)出數(shù)據(jù)。8. 數(shù)據(jù)處理。（三）發(fā)光材料的熒光光譜測(cè)試1. 檢查 F-4500 熒光光譜儀電源開(kāi)關(guān)置“關(guān)”位置，光譜儀樣品室中無(wú)任何樣品。2. 打開(kāi)光譜儀主機(jī)電源開(kāi)

13、關(guān)，預(yù)熱 5 分鐘，按下燈電源，再過(guò) 5 分鐘，打開(kāi)“ run ”。裝訂線(xiàn)3. 雙擊“ FLSolutuons ”，進(jìn)入熒光光譜儀的控制窗口，進(jìn)入測(cè)試狀態(tài)。4. 打開(kāi)樣品室，將待測(cè)試樣放入樣品室，關(guān)上。5. 為測(cè)定激發(fā)光譜，在“ Method”設(shè)置參數(shù)。6. 設(shè)置完成后，按測(cè)試控制畫(huà)面的“ Measure”，儀器開(kāi)始為測(cè)定樣品的激發(fā)光譜，在熒光光譜儀控制窗口的“ Method”中在設(shè)置參數(shù)。7. 按“ Measure” 一起開(kāi)始測(cè)試激發(fā)光譜。測(cè)試激發(fā)光譜。8. 為測(cè)定樣品的發(fā)射光譜，在熒光光譜儀控制窗口的“ Method”中在設(shè)置參數(shù)9. 設(shè)置完成后，按測(cè)試控制畫(huà)面的“ Measure”，儀器

14、開(kāi)始自動(dòng)測(cè)試發(fā)射光譜。五實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及處理（一）紅外光譜圖見(jiàn)下。（二）光的透過(guò)率隨波長(zhǎng)的變化關(guān)系及圖見(jiàn)下。（三）首先是設(shè)定熒光（磷光）的最大發(fā)射波長(zhǎng)為467nm為監(jiān)控波長(zhǎng)，改變激發(fā)光的波長(zhǎng)，測(cè)量熒光強(qiáng)度的變化，得到激發(fā)光譜作圖見(jiàn)下。并找出最大熒光光強(qiáng)對(duì)應(yīng)的為 541nm最大激發(fā)波長(zhǎng)。 將激發(fā)波長(zhǎng)固定在最大激發(fā)波長(zhǎng)處， 然后掃描發(fā)射波長(zhǎng)， 測(cè)定不同波長(zhǎng)處的熒光強(qiáng)度，得到發(fā)射光譜，作圖并得到在 469nm處光強(qiáng)最大，即最大發(fā)射波長(zhǎng)為 469nm，與原先的467nm相近。六實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論根據(jù)實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)導(dǎo)出在origin中作圖并進(jìn)行分析，如下：（一）紅外光譜圖圖 1、紅外光譜圖（二）光透過(guò)率隨波長(zhǎng)變化

15、的曲線(xiàn)：圖 2、光透過(guò)率隨波長(zhǎng)變化的曲線(xiàn)（三） KBr 激發(fā)光譜圖：圖 3、KBr 激發(fā)光譜圖發(fā)射光譜：圖 4、發(fā)射光譜七思考題1. 簡(jiǎn)述傅里葉變換紅外光譜儀的測(cè)試原理？因?yàn)楦道锶~變換紅外光譜儀由邁克耳遜干涉儀和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組合而成，所以它的工作原理就是邁克耳遜干涉儀的原理。邁克耳遜干涉儀是利用分振幅法產(chǎn)生雙光束以實(shí)現(xiàn)干涉。如圖所示，圖中 M1和 M2是在相互垂直的兩臂上放置的兩個(gè)平面反射鏡，其中 M1是固定的； M2由精密絲桿控制，可沿臂軸前、后移動(dòng)，移動(dòng)的距離由刻度轉(zhuǎn)盤(pán)( 由粗讀和細(xì)讀2 組刻度盤(pán)組合而成 ) 讀出。在兩臂軸線(xiàn)相交處，有一與兩軸成 45°角的平行平面玻璃板 G1，

16、它的第二個(gè)平面上鍍有半透（半反射）的銀膜，以便將入射光分成振幅接近相等的反射光和透射光，故 G1又稱(chēng)為分光板。 G2也是平行平面玻璃板，與 G1平行放置，厚度和折射率均與 G1相同。由于它補(bǔ)償了光線(xiàn)和因穿越 G1次數(shù)不同而產(chǎn)生的光程差，故稱(chēng)為補(bǔ)償板。透過(guò) G1向著 M1前進(jìn)，這兩束光分別在 M2、M1上反射后逆著各自的入射方向返回， 最后都達(dá)到 E 處。因?yàn)檫@兩束光是相干光，因而在 E 處的觀(guān)察者就能夠看到干涉條紋。由 M1反射回來(lái)的光波在分光板 G1 的第二面上反射時(shí)，如同平面鏡反射一樣，使 M1在M2附近形成 M1的虛像 M1，因而光在邁克爾遜干涉儀中自 M2和 M1的反射相當(dāng)于自 M2和

17、M1的反射。由此可見(jiàn)，在邁克爾遜干涉儀中所產(chǎn)生的干涉與空氣薄膜所產(chǎn)生的干涉是等效的。當(dāng) M2和 M1平行時(shí) ( 此時(shí) M1和 M2嚴(yán)格互相垂直 ) ，將觀(guān)察到環(huán)形的等傾干涉條紋。一般情況下， M1和 M2形成一空氣劈尖，因此將觀(guān)察到近似平行的干涉條紋( 等厚干涉條紋 ) 。最后，將干涉條紋進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最后得到我們想要的數(shù)據(jù)結(jié)果。2. 紫外 / 可見(jiàn)分光光度計(jì)定量分析法的依據(jù)是什么？比耳 (Beer) 確定了吸光度與溶液濃度及液層厚度之間的關(guān)系，建立了光吸收的基本定律。1. 朗伯定律當(dāng)溶液濃度一定時(shí)，入射光強(qiáng)度與透射光強(qiáng)度之比的對(duì)數(shù)，即透光率倒數(shù)的對(duì)數(shù)與液層厚度成正比。人們定義：溶液對(duì)單色光的

18、吸收程度為吸光度。公式表示為A=Lg（ I0/It ）2. 比耳定律當(dāng)一束單色光通過(guò)液層厚度一定的均勻溶液時(shí)，溶液中的吸光物質(zhì)的濃度增大 dC，則透射光強(qiáng)度將減弱 dI ，-dI 與入射光光強(qiáng)度 I 與 dc 的積成正比。 ?dI I ·dc -dI/I=k3 ·dc A=Lg（I0/It ）=K4 ·C 這是吸光度與濃度的定量關(guān)系，是紫外可見(jiàn)分光光度分析的定量依據(jù)，稱(chēng) Beer定律，k4與入射光波長(zhǎng)、溶液性質(zhì)、液層厚度及溫度有關(guān)，故當(dāng)上述條件一定時(shí)，吸光度與溶液濃度成正比 .3. 朗伯 - 比耳定律若同時(shí)考慮液層厚度和溶液濃度對(duì)吸光度的影響，即把朗伯定律和比耳定律合并起來(lái)得：A =k b CK 與入射光波長(zhǎng)、溶液性質(zhì)及溫度有關(guān)的常數(shù)當(dāng)一束波長(zhǎng)為 的單色光通過(guò)均勻溶液時(shí)，其吸光度與溶液濃度和光線(xiàn)通過(guò)的液層厚度的乘積成正比。即為朗伯比耳定律。其中 K 的取值與 C、b 的單位不同而不同。若 C 以g/L表示， b 以cm 表示。則 K以a 表示，稱(chēng)吸光系數(shù)，單位 L/ A = a b C3. 紅外光譜分析重固體試樣的常用制樣方法有哪些？1 ）壓片法將 12mg試樣與 200mg純 KBr 研細(xì)均勻，置于模具中，用 (510)x107Pa 壓力