武大仪器分析课件上课讲义.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,分析化学,(,下,),仪 器,分 析,多媒体课件,王 长 发 编 写、制 作,第,1,章 绪 论,Introduction,1.1,分析化学的发展和仪器分析的地位,1.2,仪器分析方法的分类,1.3,分析仪器,1.1,分析化学的发展和仪器分析的地位,1.1.1,经典分析化学,一般的说，仪器分析是指采用比较复杂或特殊的仪器设备，通过测量物质的某些物理或物理化学性质的参数及其变化来获取物质的化学组成、成分含量及化学结构等信息的一类方法。,这些方法一般都有独立的方法原理及理论基础。,1.1.2,仪器分析的产生,是科学技术发展的需要、必然，也是科学技术发展的结晶。,生产,科学,技术,理论,对象,（问题）,技术,1.灵敏度高，检出限低。,2.,选择性好。,3.,操作简便,分析速度快,易于实现自动化。,4.相对误差一般较大。,5.价格一般来说比较昂贵。,1.1.3,仪器分析的特点,1.1.4,分析化学向分析科学发展,分析化学的三次巨大变革,分析化学的第一次巨大变革，以分析天平的发明和溶液理论体系的建立（四大平衡的建立）为标志。,分析化学的第二次巨大变革,第二次世界大战前后的科学技术,物理学和电子技术的发展为仪器分析奠定了基础,核磁共振（,NMR），B loch F，PurcellE M。,极谱，,Heyrovsky J。,气相色谱，,Martin A T P，Synge R L M,分析化学的第三次巨大变革,计算机的发明,尤其微型计算的发展，给仪器分析带来 全新的革命。,分析仪器与计算机,分析仪器,热、光、电新技术,新型材料、电子器件,操作,分,析,对,象,控制,信号,实,施,检,测,数据库,信息,数,据,处,理,方法,描述,报,告,结,果,判断,多媒体计算机,人工智能,专家系统,最优化技术,自动化技术,仪器分析应用领域,社会：,体育（兴奋剂）、生活产品质量（鱼新鲜度、食品添加剂、农药残留量）、环境质量（污染实时检测）、法庭化学（,DNA,技术，物证）,化学：,新化合物的结构表征；分子层次上的分析方法；,生命科学：,DNA,测序；活体检测；,环境科学：,环境监测；污染物分析；,材料科学：,新材料，结构与性能；,药物：,天然药物的有效成分与结构，构效关系研究；,外层空间探索：,微型、高效、自动、智能化仪器研制。,仪器分析的发展趋势,科学仪器的创新是知识创新和技术创新的重要内容。发展科学仪器应当视为国家战略。,分析仪器是科学仪器的重要组成部分,。分析仪器工业是高技术信息产业。分析仪器的发展是现代科学、经济和社会发展的重要基础和推动力之一。分析仪器的主要应用领域正向生物医学领域转移分析仪器本身将不断微型化、智能化但人类向时间和空间的两个极限挑战所需的高级精密仪器也不容忽视生命过程、生产、科研和社会活动大量需要的将是在线、非侵入、非损坏、原位、实时、多维分析仪器。,分析仪器是人们感觉器官的延伸,它所测量或所获取的主要是物质的质和量的信息。以一切可能的（化学的、物理的、生物医学的、数学的等等）方法和技术，利用一切可以利用的物质属性，对一切需要加以表征、鉴别或测定的物质组分（包括无机和有机组分）及其形态、状态（以及能态）、结构、分布（时、空）等进行表征、鉴别和测定，以求对样品所代表的问题有一个基本的了解。这是当今分析科学也是分析仪器发展所面临的任务。,分析仪器的微型化和智能化,随着分子计算机、,DNA,计算机、光子计算机、量子计算机等的不断推出，计算机也将越来越微型化。计算机（电脑）与人脑的结合将不再是一个梦、带有植入式电脑的人的智能将大大超过不带电脑的“自然人”。,分析仪器的大众化、个性化和日用品化，贵重仪器的网络化,随着经济全球化和全球网络化，大型实验室的数量将减少，但其资源（特别是其精密贵重仪器）将得到更充分的发挥。因为它可以面向全世界为所有“网民”服务，实际上，现在就已有人在建立利用全球主要实验室资源的“网络实验室”了。,建立和发展虚拟仪器概念,由电子测量仪器新发展中出现的虚拟仪器概念已经逐步被更多领域所接受，对实现,“,柔性,”,分析检测系统具有明显的推动作用。利用现有的计算机，加上适当设计的仪器硬件和专门的应用软件，构成虚拟仪器，使其既具有传统仪器的基本功能、又能由用户根据自己的需求变化随时定义，实现多种多样的应用要求.虚拟仪器不但灵活可变、功能强大，而且作用方便，便于技术升级更新，价格也低廉（尤其仪器系统的使用维护费用低）。,仪器=,AD DA CPU,十软件,观念更新应该努力汲取新思想并动手实践。谁醒悟得早、动手得快，谁就会当排头兵占尽天机、抢占市场。,“软件就是仪器”,预示了全新的分析仪器科技和产业的发展潮流，将会迅速改变世界分析仪器行业面貌的！,分析仪器的主要应用领域正向着生物医学领域转移,分析仪器在保障人类健康生活、监控病人病情、预防灾害发生等方面也都起着重大的作用。,没有新型,DNA,分析仪的进一步发展，人类也很难在防病、治病特别是在防治癌症和各种遗传病方面对现有基因图谱加以利用。,分析化学,主要发展趋向,化学计量学,在线分析,实时分析,原位分析,活体分析,教育,定性,传感器,固定化,接口,自动化,微型化,新原理,新技术,新仪器,分离技术,联用技术,仪器和计算机,其它科技领域,生物分析,环境分析,过程分析,表面分析,大分子表征,化学图象,无损分析,单细胞分析,单分子单聚集体分析,生物芯片,1.1.6,分析化学发展中的创新成就,分析化学伴随着科学发现和技术创新同步发展，诺贝尔奖亦反映了近,100,年来分析化学，主要是仪器分析发展中里程碑式科学发明和技术进步。,仪器分析发展是多学科相互渗透、交叉发展的结果，这些成就分布在物理、化学等各个领域。,1.2,仪器分析的类型,仪器分析,电分析化学法,光学分析法,分离分析法,热分析法,分析仪器联用技术,质谱分析法,1.2.1,光学分析方法,光分析法,原子吸收法,红外法,原子发射法,核磁法,荧光法,紫外可见法,分子光谱,原子光谱,1.2.2,电分析化学方法,电分析化学法,电位分析法,电解分析法,电泳分析法,库仑分析法,极谱与伏安分析法,电导分析法,1.2.3,色谱分析法,色谱分析法,气相色谱法,薄层色谱法,液相色谱法,激光色谱法,电色谱法,超临界色谱法,质谱，热分析，放射分析,1.2.4,其他仪器分析方法,1.3,分析仪器,分析仪器涉及仪器物理原理、研发、设计、制造和装配等。,化学家常根据研究工作需要，实验室条件，利用各种元器件和商品仪器组件、配件，设计、组装各种性能和用途的分析仪器。,自组装仪器一般不仅具有机动、灵活、实用、成本低等特点，也是发展新型分析仪器的重要途径。,1.3.1,分析仪器的类型,通用分析仪器,色谱仪,电化学分析仪,质谱仪,热分析仪,核磁共振波谱仪,光谱仪,分离分析仪器,原子分析仪器,联用分析仪器,数据处理仪器,试样预处理仪器,分子分析仪器,1.3.1,分析仪器的类型,专用分析仪器,环境分析仪器,生物医学,分析仪器,过程分析仪器,1.3.2,分析仪器的基本结构单元,现代分析仪器品种繁多，型号多变，结构各异，计算机应用和智能化程度等差别很大。,仪器一般都包括如图所示的四个基本结构单元或系统，且每个单元都与计算机控制有关。,信息发生器和信息处理单元之间有些功能互相重叠。,1.3.2.1,试样系统,功能：分析试样的引进或放置。,可包括功能：试样物理、化学状态改变、成分分离等。,要求：试样性质不得改变。,不同仪器的试样系统差别很大，甚至有些没有试样系统（在线分析仪器）。,1.3.2.2,能源,功能：提供与被分析物或系统发生作用的探测能源。,类型包括：电磁辐射、场、电能、机械能、核能等。,例：光分析仪器的光源，,X,射线衍射仪的,X,光管等。,1.3.2.3,信息发生器,信息发生器,检测器,转换器,传感器,1.3.2.3,信息发生器,检测器：通常是一个机械、电或化学装置，在外能作用下，基于检测物质的物理、化学性质产生检测信息或信号，如电信号、发射电磁波、核辐射、电子流、热能、压力、粒子或分子等。,作用：整个仪器的接收装置，指示或记录物理或化学量，分析物或系统环境中存在的某个变量或它的变化。如：,UV,检测器。,1.3.2.3,信息发生器,转换器：将非电信号转换成电信号或相反的特殊装置。,如：光电倍增管、光电二极管、光电池、热敏电阻、热电堆等。,光电倍增管实物图,1.3.2.3,信息发生器,转换器：一类能连续、可逆地监测特殊化学成分的分析装置或器件，能将某些化学成分感应转变成电信号。,如：玻璃电极、光纤传感器等。,1.3.2.4,信息处理单元,功能：信号或信息接收及处理。,包括：信号的放大、衰减、相加、差减、积分、微分、数字化、变换、存储等。,模量信号,数字信号处理,数字信号,模数变换,1.3.2.5,信息显示单元,功能：将电信号或信息转变成人们能直接观察和理解的信息，,包括：表头、记录仪、示波器、显示器、打印机等,。,通常，这种信号转换采用阴极射线管阿拉伯数字或图形输出，在有些情况下，可直接给出分析物组分和相对浓度等。,1.3.3,分析仪器的性能指标,为了评价分析仪器的性能，需要一定的性能参数与指标。,根据这些参数可对同一类型的不同型号仪器进行比较，作为购置仪器、考察仪器工作状况的依据,;,亦可对不同类型仪器进行比较，预测其用途。,1.3.3.1,精密度,(precision),同一分析仪器的同一方法多次测定所得到数据间的一致程度，是表征随机误差大小的指标，即重现性。,按国际纯粹与应用化学联合会,(IUPAC),规定，用相对标准差,d,r,表示精密度,(,也记为,RSD%):,1.3.3.2,灵敏度,(sensitivity),区别具有微小浓度差异分析物能力的度量。,灵敏度决定于校准曲线的,斜率,和仪器设备的,重现性或精密度,。,根据,IUPAC,规定，灵敏度用校准灵敏度表示,(calibration sensitivity),。,仪器校准灵敏度随选用的标准物和测定条件不同，测定的灵敏度不一致。给出灵敏度数据时，一般应提供测定条件和样品。,1.3.3.2,灵敏度,(sensitivity),人们认为，灵敏度在具有重要价值的数学处理中，需要包括精密度。因而提出分析灵敏度,S,a,(analytical sensitivity),的定义,:,式中,S,仍为校正曲线斜率，,s,s,为测定标淮偏差。,分析灵敏度具有的优点是对仪器放大系数相对不敏感。,1.3.3.3,检出限,(detection limit),又称检测下限或最低检出量等，定义为一定置信水平下检出分析物或组分的最小量或最小浓度。,它取决于分析物产生信号与本底空白信号波动或噪声统计平均值之比。,最小可鉴别的分析信号,S,m,至少应等于空白信号平均值,S,bla,加,k,倍空白信号标淮差,s,bl,之和,:,1.3.3.3,检出限,(detection limit),测定,S,m,的实验方法是通过一定时间内,2030,次空白测定，统计处理得到,S,bla,和,s,bl,，然后，按检出限定义可得最低检测浓度,C,m,或最低检测量,Q,m,:,灵敏度愈高，检出限愈低。,灵敏度指分析信号随组分含量变化的大小，与仪器信号放大倍数有关；而检出限与空白信号波动或仪器噪声有关，具有明确统计含义。,或,1.3.3.4,动态范围,(dynamic range),定量测定最低浓度,(LOQ),扩展到校准曲线偏离线性响应,(LOL),的浓度范围。,定量测定下限一般取等于,10,倍空白重复测定标淮差，或,10s,bl,。这点相对标淮差约,30%,，随浓度增加而迅速降低。检测上限，相对标准差是,100%,。,1.3.3.5,选择性、响应速度,选择性是指避免试样中含有其他组分干扰组分测定的程度。,没有一个分析方法能完全避免其他组分干扰，因而降低干扰是分析常需要的步骤。,响应速度是指仪器对检测信号的反应速度，定义为仪器达到信号总变化量一定百分数所需的时间。,1.3.3.7,分辨率,(resolution),仪器鉴别由两相近组分产生信号的能力。,不同类型仪器分辨率指标各不相同：光谱仪器指将波长相近两谱线,(,或谱峰,),分开的能力,;,质谱仪器指分辨两相邻质量组分质谱峰的分辨能力。,需要指出的是目前国内外关于各种分析仪器性能及指标尚无统一认识和标准，有些性能含义仍存在一定争议。,1.3.4,分析仪器和方法校正,仪器分析中将分析仪器产生的各种响应信号值转变成被测物质的质或量的过程称为校正，一般包括分析仪器的特征性能指标和定量分析方法校正。,各类仪器分析定量方法校正，即建立仪器输出的测定信号与被分析物质浓度或量的关系。最普通的方法是用一组含待测组分量不同的标准试样或基准物质配成浓度不同溶液作出校正曲线。,1.3.4,分析仪器和方法校正,各类仪器定量方法校正，根据标准物不同，一般可分为外标法和内标法两大类。,外标法,的共同点是所使用的标准物质与被测定物是同一物质,;,内标法,的标准物与被测定物不是同一物质。,需要指出，在多组分同时定量测定中，可能结合采用外标法和内标法。个别仪器定量方法校正可能需采用非仪器方法，如化学定量分析校正。,清楚明了方法原理，弄懂记着基本概念。,知晓分清仪器装置，着重熟悉关键部件。,理解方法理论公式，熟练使用重点公式。,第,2,章 光谱分析法导论,光分析法的基础包括两个方面：,其一为能量作用于待测物质后产生光辐射，该能量形式可以是光辐射和其他辐射能量形式，也可以是声、电、磁或热等能量形式；,其二为光辐射作用于待测物质后发生某种变化，这种变化可以是待测物质物理化学特性的改变，也可以是光辐射光学特性的改变。,基于此，可以建立一系列的分析方法，这些分析方法均可称为光分析法。,2.1,电磁辐射的性质,2.1.1,电磁辐射的波动性,电磁辐射具有波动性，其许多性质可以用经典的正弦波加以描述，通常用周期（,T,）、波长（,）、频率（,）和波数（）等进行表征。,电磁波按所处波长或频率的不同区域，分为无线电波、微波、红外光、可见光、紫外光、,X,射线等。,电磁辐射可以在空间进行传播，传播速率等于光速,c,2.1.1,电磁辐射的波动性,2.1.2,电磁辐射的微粒性,电磁辐射还具有微粒性，表现为电磁辐射的能量不是均匀连续分布在它传播的空间，而是集中在辐射产生的微粒上。,因此，电磁辐射不仅具有广泛的波长（或频率、能量）分布，而且由于电磁辐射波长和频率的不同而具有不同的能量和动量，通常用,eV,表示电磁辐射的能量，,1 eV,为一个电子通过,1V,电压降时所具有的能量。,2.1.3,电磁波谱,电磁辐射具有广泛的波长（或频率、能量）分布，将电磁辐射按其波长（或频率、能量）顺序排列，即为电磁波谱。,与不同量子跃迁对应的电磁辐射具有不同的波长（或频率、能量）区域，而且产生的机理也不相同。通常以一种量子跃迁为基础可以建立一种电磁波谱方法，不同的量子跃迁对应不同的波谱方法。,吸收；发射；共振。,2.1.4,电磁辐射与物质的相互作用,2.1.4.1,吸收,当电磁波作用于固体、液体和气体物质时，若电磁波的能量正好等于物质某两个能级（如第一激发态和基态）之间的能量差时，电磁辐射就可能被物质所吸收，此时电磁辐射能被转移到组成物质的原子或分子上，原子或分子从较低能态吸收电磁辐射而被激发到较高能态或激发态。,2.1.4.1,吸收,1.,原子吸收,当电磁辐射作用于气态自由原子时,电磁辐射将被原子所吸收。,原子外层电子任意两能级之间的能量差所对应的频率基本上处于紫外或可见光区，气态自由原子主要吸收紫外或可见电磁辐射。,电子能级数有限，吸收的特征频率也有限。,原子通常处于基态，由基态向更高能级的跃迁具有较高的概率。,在现有的检测技术条件下，通常只有少数几个非常确定的频率被吸收，表现为原子中的基态电子吸收特定频率的电磁辐射后，跃迁到第一激发态、第二激发态或第三激发态等。,2.1.4.1 吸收,2.1.4.1 吸收,2.,分子吸收,当电磁辐射作用于分子时，电磁辐射也将被分子所吸收。分子除外层电子能级外，每个电子能级还存在振动能级，每个振动能级还存在转动能级，因此分子吸收光谱较原子吸收光谱要复杂得多。分子的任意两能级之间的能量差所对应的频率基本上处于紫外、可见和红外光区，因此,分子主要吸收紫外、可见和红外电磁辐射，表现为紫外,-,可见吸收光谱和红外吸收光谱。,2.1.4.1 吸收,由于振动能级相同但转动能级不同的两个能级之间的能量差很小，由同一能级跃迁到该振动能级相同但转动能级不同的两个跃迁的能量差也很小，因此对应的吸收频率或波长很接近，通常的检测系统很难分辨出来，而分子能量相近的振动能级又很多，因此，表观上分子吸收的量子特性表现不出来，而表现为对特定波长段的电磁辐射的吸收，光谱上表现为,连续光谱,。,分子的总能量分子通常包括三个部分：,分子,电子,振动,转动,2.1.4.1 吸收,图,2-3,电子能级的吸收跃迁示意图,图,2-4,分子振动能级的吸收跃迁示意图,2.1.4.1 吸收,3.,磁场诱导吸收,将某些元素原子放入磁场，其电子和核受到强磁场的作用后，它们具有磁性质的简并能级将发生分裂，并产生具有微小能量差的不同量子化的能级，进而可以吸收低频率的电磁辐射。,以自旋量子数为,1/2,的常见原子核,1,H,、,13,C,、,19,F,及,31,P,等为例，自旋量子数为,1/2,的能级实际上是磁量子数分别为,+1/2,和,-1/2,但自旋量子数均为,1/2,的两个能级的简并能级，该两个能级在通常情况下能量相同，只有在外磁场作用下，由于不同磁量子数的能级在磁场中取向不同，因而与磁场的相互作用也不同，最终导致能级的分裂。,2.1.4.1 吸收,这种磁场诱导产生的不同能级间的能量差很小，对于原子核，一般吸收,30500MHz,（,=100060 cm,）的射频无线电波，而对于电子来讲，则吸收频率为,9500 MHz,（,=3 cm,）左右的微波，据此分别建立了核磁共振波谱法（,NMR,）和电子自旋共振波谱法（,ESR,）。,2.1.4.2,发射,当原子、分子和离子等处于较高能态时，可以以光子形式释放多余的能量而回到较低能态，产生电磁辐射，这一过程叫做,发射跃迁,。,2.1.4.2 发射,1.,原子发射,当气态自由原子处于激发态时，将发射电磁波而回到基态，所发射的电磁波处于紫外或可见光区。通常采用的电、热或激光的形式使样品原子化并激发原子，一般将原子激发到以第一激发态为主的有限的几个激发态，致使原子发射具有限的特征频率辐射，即特定原子只发射少数几个具有特征频率的电磁波。,2.1.4.2 发射,2.,分子发射,与分子外层电子能级、振动能级和转动能级相关。,激发不能采用电热等极端形式，而采用光激发或化学能激发。,基本上处于紫外、可见和红外光区，因此,分子主要发射紫外、可见电磁辐射，据此建立了荧光光谱法、磷光光谱法和化学发光法。,图,2-8,分子发射示意图,2.1.4.2 发射,2.,分子发射,通过光激发而处于高能态的原子和分子的寿命很短，它们一般通过不同的弛豫过程返回到基态，这些弛豫过程分为辐射弛豫和非辐射弛豫。,辐射弛豫通过分子发射电磁波的形式释放能量，而非辐射弛豫通过其他形式释放能量。,图,2-9,辐射弛豫和非辐射弛豫示意图,2.1.4.4,折射和反射,当光作用于两种物质的界面时，将发生折射和反射现象，光的折射和反射如图,2-10,所示。图中,AO,为入射光，,OB,为反射光，,OC,为折射光，,NN,为法线，,i,为入射角，,i,为反射角，,r,为折射角。,2.1.4.5,干涉和衍射,当频率相同、振动相同、相位相等或相差保持恒定的波源所发射的相干波互相叠加时，会产生波的干涉现象。,光波绕过障碍物而弯曲地向它后面传播的现象，称为波的衍射现象。,图,2-11,单缝衍射示意图,2.2,光学分析法,2.2.1,非光谱法,2.2.1.1,折射法,基于测量物质折射率的方法称为折射法。可用于纯化合物的定性及纯度测定，并可用作二元混合物的定量分析，还可得到物质的基本性质和结构的某些信息。方法简单，但应用范围有限。,目前，已有携带式,Rayleigh,干涉仪可供实际工作应用。这种方法已被应用于研究水、胶体溶液、发酵液、牛奶以及测定血浆、血液中的二氧化碳，酶的活性和重水浓度等。,2.2.1,非光谱法,2.2.1.2,旋光法,溶液的旋光性与分子非对称结构有密切的关系，因此，旋光法可作为鉴定物质化学结构的一种手段。它对于研究某些天然产物及络合物的立体化学问题，更有特殊的效果。此外，它还可用于物质纯度的鉴定，例如“糖量计”就是专用于测定具有旋光性的糖含量。,2.2.1.3,比浊法,本法是测量光线通过胶体溶液或悬浮液后的散射光强度来进行定量分析，主要适用于测定,BaSO,4,、,AgCl,及其他胶体沉淀溶液的浓度。,2.2.1.4,衍射法,1.X,射线衍射法,以,X,射线照射晶体时，由于晶体的点阵常数与,X,射线的波长为同一个数量级（约,10,-8,cm,），故可产生衍射现象。,Bragg,（布拉格）方程表示,X,射线的波长,、衍射角,与晶格间距,d,的关系，即,2.,电子衍射法,在电镜中，电子透镜使衍射束会聚成为衍射斑点，晶体试样的各衍射点构成了衍射图。电子衍射的衍射角小，一般为,12,；形成衍射图的时间短，只需几秒钟。但电子束的穿透能力小，所以只适用于研究薄晶体。,2.2.2 光谱法,光谱分析方法涉及不同能级之间的跃迁，这种跃迁可以是吸收辐射的跃迁，也可以是发射辐射的跃迁。,由此建立了基于外层电子能级跃迁的光谱法、基于转动及振动能级跃迁的光谱法、基于内层电子能级跃迁的光谱法、基于原子核能级跃迁的光谱法，以及,Raman,散射光谱法。,2.2.2.1 基于原子、分子外层电子能级跃迁的光谱法,包括原子吸收光谱法、原子发射光谱法、原子荧光光谱法、紫外,-,可见吸收光谱法、分子荧光光谱法、分子磷光光谱法、化学发光分析法，吸收或发射光谱的波段范围在紫外,-,可见光区，即,200nm,800nm,之间。,对于原子来讲，其外层电子能级和电子跃迁相对简单，只存在不同的电子能级，因此其外层电子的跃迁仅仅在不同电子能级之间进行，光谱为线光谱。,对于分子来讲，其外层电子能级和电子跃迁相对复杂，不仅存在不同的电子能级，而且存在不同的振动和转动能级，宏观上光谱为连续光谱，即带光谱。,2.2.2.1 基于原子、分子外层电子能级跃迁的光谱法,1.,原子吸收光谱法,基于基态原子外层电子对其共振发射的吸收的定量分析方法，其定量基础是,Lambert-Beer(,朗伯,-,比尔,),定律。可定量测定周期表中六十多种金属元素，检出限在,ng/mL,水平。,2.,原子发射光谱法,基于受激原子或离子外层电子发射特征光学光谱而回到较低能级的定量和定性分析方法。其定量基础是受激原子或离子所发射的特征光强与原子或离子的量呈正比相关；其定性基础是受激原子或离子所发射的特征光的频率或波长由该原子或离子外层的电子能级所决定。,2.2.2.1 基于原子、分子外层电子能级跃迁的光谱法,3.,原子荧光光谱法,气态自由原子吸收特征波长的辐射后，原子外层电子从基态或低能态跃迁到高能态，约经,10,-8,s,，又跃迁至基态或低能态，同时发射出与原激发波长相同或不同的辐射，称为原子荧光。,4.,紫外,-,可见吸收光谱法,紫外,-,可见吸收光谱是一种分子吸收光谱法，该方法利用分子吸收紫外,-,可见光，产生分子外层电子能级跃迁所形成的吸收光谱，可进行分子物质的定量测定，其定量测定基础是,Lambert-Beer,定律。,2.2.2.1 基于原子、分子外层电子能级跃迁的光谱法,5.,分子荧光光谱法和分子磷光光谱法,分子吸收电磁辐射后激发至激发单重态，并通过内转移和振动驰豫等非辐射驰豫释放部分能量而到达,第一激发单重态的最低振动能层,，然后通过发光的形式跃迁返回到基态，所发射的光即为荧光。,当分子吸收电磁辐射后激发至激发单重态，并通过内转移、振动驰豫和系间窜跃等非辐射驰豫释放部分能量而到达,第一激发三重态的最低振动能层,，然后通过发光的形式跃迁返回到基态，所发射的光即为磷光。,2.2.2.2基于分子转动、振动能级跃迁的光谱法,基于分子转动、振动能级跃迁的光谱法即红外吸收光谱法，红外吸收光谱的波段范围在近红外光区和微波光区之间，即,750nm,1000m,之间，是复杂的带状光谱。,不存在电子能级之间的跃迁，只存在振动能级和转动能级之间的跃迁，而分子中官能团的各种形式的振动和转动直接反映在分子的振动和转动能级上，分子精细而复杂的振动和转动能级，蕴涵了大量的分子中各种官能团的结构信息，因此，只要能精细地检测不同频率的红外吸收，就能获得分子官能团结构的有效信息。通常情况下，红外吸收光谱是一种有效的结构分析手段。,2.2.2 光谱法,2.2.2.3,基于原子内层电子能级跃迁的光谱法,与原子内层电子能级跃迁相关的光谱法为,X,射线分析法，它是基于高能电子的减速运动或原子内层电子跃迁所产生的短波电磁辐射所建立的分析方法，包括,X,射线荧光法、,X,射线吸收法和,X,射线衍射法。,2.2.2.4,基于原子核能级跃迁的光谱法,基于原子核能级跃迁的光谱法为核磁共振波谱法。在强磁场作用下，核自旋磁矩与外磁场相互作用分裂为能量不同的核磁能级，核磁能级之间的跃迁吸收或发射射频区的电磁波。,2.2.2.5,基于Raman散射的光谱法,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所产生，则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，其散射光的频率与入射光的频率不同，产生,Raman,位移。,Raman,位移的大小与分子的振动和转动能级有关，利用,Raman,位移研究物质结构的方法称为,Raman,光谱法。,2.2.2.6,光谱的形状,1.,线光谱,2.,带光谱,2.2.2.6,光谱的形状,3.,连续光谱,固体在炽热状况下会产生黑体辐射，黑体辐射是通过热能激发凝聚体中无数原子和分子振荡所产生的辐射，其辐射波长范围随温度的升高向短波方向扩展。由于无数原子和分子振荡所产生辐射跃迁的能量非常接近，因而表现为连续光谱，这种连续光谱实际上是无数谱线紧密排列在一起所形成的。,一般来说，在原子光谱分析中连续光谱是一种干扰因素。但是，黑体辐射所产生的连续光谱可以用做连续光源，典型的例子是生活中的白炽灯。,2.2.2.7光谱法的分类,2.2.2.7光谱法的分类,2.3光谱分析仪器,2.3.1.1.光谱分析仪器原理,光谱分析仪器是在物质与光的吸收、发射、散射等相互作用基础上，根据相应的光谱分析原理构建起来的。,紫外,-,可见吸收光谱原理：,构建紫外,-,可见吸收光谱仪的核心就是要能够检测不同波长的吸光度值,A,，而吸光度值,A,不是一个可直接检测的信号，构建紫外,-,可见吸收光谱仪的核心转化为要能够检测不同波长的入射光强度,I,0,与出射光强度,I,。,2.3.1.2.光谱分析仪器基本结构,2.3.1.2.光谱分析仪器基本结构,典型的光谱仪一般都由五个部分组成，即：,1.,稳定的光源系统；,2.,样品引入系统；,3.,波长选择系统，通常是色散元件和狭缝组成的单色器；,4.,检测系统，一般是将辐射能转换成电信号；,5.,信号处理或读出系统，并在标尺、示波器、数字计、记录纸等显示器上显示转换信号。,根据光谱分析仪器结构及光与物质的相互作用差异，可以将光谱分析仪分为三大类，即吸收光谱仪、吸收,/,发射和光散射光谱仪以及发射光谱析仪。,2.3.1.2.光谱分析仪器基本结构,2.3.2.光源系统,2.3.2.1,连续光源,理想的连续光源应该具备如下条件：,1.,足够的光强度；,2.,在所属波长区域内发射连续光谱；,3.,其发射强度与波长无关，即光源发射的光在所属波长区域强度恒定不变。,2.3.2.2,线光源,发射几条不连续谱线的线光源广泛应用于原子吸收、原子荧光光谱及拉曼光谱中。,金属蒸气灯：汞蒸气灯和钠蒸气灯是常见的金属蒸气灯。,空心阴极灯：阴极呈空心圆柱型的气体放电管。其阴极内腔衬上或者熔入了被测元素的金属或化合物，阳极用有吸气性能的其他金属制成，放电管内充有一定压力的惰性气体氖气或氩气。,2.3.2.3,脉冲光源,线光源和连续光源都可以通过脉冲最大发光强度下，采用脉冲方式发光的脉冲光源可以延长光源寿命。,脉冲光源的最大应用在与时间分辨技术的结合，如荧光寿命分析。当脉冲光激发待测物质至高能态后，激发光停止，这时荧光开始衰减，通过时间分辨技术即可检测荧光衰减的动力学过程，并基于不同物质荧光半衰期的不同，进行不同物质的分辨和分别测定，或消除背景干扰等。,激光器是典型的脉冲光源，通过原子或分子受激辐射产生激光。与普通光源相比，单色性好、强度高、相干性好，除用作强光源外，普遍用于时间分辨光谱分析。,2.3.3.波长选择系统,理论上，光谱分析所检测的信号，不管是吸收信号、发射信号或散射信号，都应该是单一波长光的信号。实际上单一波长光是相对的一个概念，即从波长选择系统输出的信号不可能是真正意义上的单色光，而是具有极小带宽的连续光。,2.3.3.波长选择系统,在许多光谱分析中，通常将狭缝采集的具有极小带宽的连续光作为单色光处理。狭缝越小，所采集的光越接近单色光，不仅可以增加光谱测定的分辨率，使所得光谱越真实，同时也是利用光谱方法进行定量测定的必要条件。如荧光光谱定量分析时，必须固定波长，才能保证荧光强度（I,f,）与物质的量浓度（c）成正比。,狭缝越小，光谱的分辨率越高，越接近真实光谱，但狭缝太小可能导致通过狭缝的光通量太小，光信号太弱，以至于现有的检测器难以有效地检测到光信号。,2.3.3.1.,单色器,典型的单色器主要由五个部分组成：,1.,入射狭缝；,2.,准直装置，功能是使光束成平行光线传播；,3.,色散装置，即棱镜或光栅；,4.,聚焦透镜或凹面反射镜；,5.,出射狭缝。,2.3.3.2,滤光片,吸收滤光片：,由有色玻璃或夹在两片玻璃间的分散在明胶薄层中的吸光染料组成，因此只适用于可见光区的波带选择，而且其所选光波带的带宽较宽，透射效率低，只能用于较简单的以定量测定为主的光度计中。,干涉滤光片：,通过光的干涉作用而获得窄的辐射带宽，通常由两层半透明银膜和银膜间的介电薄膜（常为氟化钙或氟化镁）组成。介电膜的厚度决定了透射光的波长。当光线通过第一层银膜后，将在第二层银膜上反射，并随之在第一层膜的内侧反射。,2.3.3.3,棱镜,2.3.3.4,光栅,光栅分为透射光栅和反射光栅。近代光谱仪主要采用反射光栅作为色散元件，典型的反射光栅是平面反射光栅和凹面反射光栅。,1.,光栅公式,光栅色散作用的产生是多缝干涉和单缝衍射二者联合作用的结果。,光栅的色散作用满足光栅方程：,2.3.3.4,光栅,2.,几种典型的光栅,凹面反射光栅：通过在凹面反射镜上沿其弦刻出等间距、等宽度的平行刻痕线而制成，它不仅起色散分光作用，同时其凹面又具有将光线聚焦于出射狭缝的聚焦作用，因而不需要聚焦物镜。,闪耀光栅：采用定向闪耀的办法，将光栅刻制成沟槽面与光栅平面成一确定角度的锯齿结构，使衍射的辐射强度集中可发生色散的光谱级上。,2.3.3.4,光栅,2.,几种典型的光栅,中阶梯光栅刻槽密度较小（如,8,80,条,/mm,），但刻槽深度大（为数微米），闪耀角大，对紫外,-,可见光谱区工作级次达,40,120,级，因此谱级重叠十分严重。为了将不同级次的重叠谱线分开，通常采取交叉色散的原理，即使谱线色散方向和谱级散开方向正交，在焦面上形成一个二维色散图像。,2.3.3.4,光栅,2.,几种典型的光栅,全息光栅是为避免机刻光栅和复制机刻光栅的衍射光谱中出现“鬼线”而发展起来的光栅。,制造过程大致如下：在磨制好的光学玻璃基坯上涂上一层给定厚度的光敏物质后，将其放入单色激光双光束干涉场内曝光，然后在特殊溶剂中“显影”，则基坯上形成与整套干涉条纹的明暗强弱相当、有一定截面形状的槽线。将显影后的基坯再放入真空系统中镀反射铝膜和保护膜就得到全息光栅。,目前可在,50cm,的形面上制造,6 000,条,/mm,的全息光栅。,2.3.3.4,光栅,3.光栅单色器的性能指标,单色器的质量取决于它的色散能力和分辨能力等。光栅的色散有角色散和线色散之分：,当,很小（小于,20,o,）时，,cos1,，则,2.3.3.4,光栅,3.光栅单色器的性能指标,单色器的分辨能力是仪器分辨相邻两条谱线的能力。根据Rayleigh准则，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谱线波长的极小值上时，则认为这两条线是可分辨的。,2.3.3.5,狭缝,狭缝由金属构成，且要求两片刀口的边缘正好平行并落在同一平面上。,选定单色器入射狭缝宽度时，以,W,（,）表示单色器出射光的带宽，,S,（,m,）表示出射狭缝宽度，,D,（,/mm,）表示单色器的线色散率，则它们相互间具有如下关系：,2.3.4.样品引入系统,电弧原子发射光谱：,固体样品，放电体系下电极的凹槽内；,高压火花原子发射光谱：,直接将金属样品制成电极；,等离子体原子发射光谱：,溶液样品，直接喷雾进样；,火焰原子吸收光谱：,溶液样品，直接喷雾进样；,石墨炉原子吸收光谱：,溶液样品，注射器直接加入石墨炉；,原子荧光光谱：,溶液样品，喷雾进样；,分子光谱：,常温常压下的固体、液体或气体样品，因此只需要一个透光容器和相应的样品架即可，或者制成透光的固态或液态样品形式直接引入光路。,玻璃容器：,普通光学玻璃和石英玻璃；,固体压片或液膜：,红外光谱。,2.3.4.样品引入系统,样品的介质条件：,原子光谱：对样品的介质条件要求不高，基本上只要能保证有效进样和有效原子化，同时不损害进样和原子化系统就可。,紫外,-,可见吸收光谱、分子荧光光谱、分子磷光光谱、化学发光光谱均适用于紫外,-,可见波段，均采用溶液样品，原因是水及一般的溶剂在紫外,-,可见波段均不吸光。,红外光谱：由于水及一般溶剂均有红外活性，因而不能采用溶液样品，通常采用的溴化钾固体压片，也是基于溴化钾在红外波段没有红外活性且其固体压片透光的事实。,2.3.5.检测系统,2.3.5.1,理想的检测器,在整个研究波长范围内对光辐射有恒定的响应；,具有高灵敏度、高信噪比、响应时间快的特点；,在没有光辐射时，检测器输出信号应该为零；,响应光辐射所产生的信号还应该正比于光辐射的强度。,实际上，理想检测器是不存在的，主要是因为实际的检测器不可能在整个研究波长范围内对光辐射有恒定的响应，与实际光源相关的作用于检测器的光辐射强度,I,也是波长的函数，实际检测器还存在暗信号输出,S,0,。,2.3.5.2,光电检测器,光电检测器是将光信号转换为可量化输出的电信号的检测器。,一类检测器的信号转换功能主要通过光敏材料来实现，当光作用于光敏材料时，光敏材料释放出电子，由此实现光电转换；,另一类检测器的信号转换功能主要通过半导体材料来实现，当光作用于半导体材料时，半导体材料的导电特性将发生改变，并实现光电转换。,2.3.5.2,光电检测器,由于光敏材料释放出电子以及半导体材料导电特性改变均需要一定的能量，而光能量的大小与波长呈反比，因此光敏材料和半导体材料只对紫外光、可见光和近红外光敏感，相应的光电检测器只适用于紫外到近红外光区的光谱检测。,所对应的光谱法包括原子吸收光谱、原子发射光谱、原子荧光光谱、紫外,-,可见吸收光谱、分子荧光光谱、分子磷光光谱、化学发光以及近红外光谱。,红外光的能量较低，不足以使光敏材料释放出电子，或使半导体材料的导电特性发生改变，因此,光电检测器不能用做红外光谱的检测器。,2.3.5.2,光电检测器,常见的光电检测器包括硒光电池、真空光电管、光导检测器、硅二极管、光电倍增管以及硅二极管阵列和电荷转移器件等。,硒光电池、真空光电管、光导检测器、硅二极管和光电倍增管为单波长检测器，它们均需要通过狭缝采光，将不同波长的光投射到检测器上分别检测。,硅二极管阵列和电荷转移器件为多道检测器，它们本质上是多个单波长检测器的集成，可进行多波长同时测定。,2.3.5.2,