1、第四章第四章 光谱分析技术及相关仪器光谱分析技术及相关仪器内内 容容 提提 要要光谱分析技术基础理论与光谱技术分类光谱分析技术基础理论与光谱技术分类 紫外紫外-可见分光光度计可见分光光度计 荧光光谱仪荧光光谱仪 原子光谱分析仪原子光谱分析仪 F光谱分析（光谱分析（Spectral AnalysisSpectral Analysis）：指所有对物质发射辐射能的能谱分析或对辐射能与物质相互作用引起的能谱改变的分析。F光谱分析法：光谱分析法：基于物质发射的电磁辐射及电磁辐射与物质的相互作用而建立起来的分析方法。常用光谱分析仪器常用光谱分析仪器紫外紫外-可见分光光度计可见分光光度计原子吸收分光光度计原
2、子吸收分光光度计红外光谱仪红外光谱仪原子发射光谱仪原子发射光谱仪荧光分析仪荧光分析仪原子荧光分析仪等原子荧光分析仪等第一节第一节 光谱分析技术基础理论与分类光谱分析技术基础理论与分类F吸收光谱吸收光谱（absorption spectrum）即物质对不同波长光的吸收程度不同而产生的光谱。F发射光谱发射光谱是由物质分子或原子吸收了外来的能量后发生分子或原子间的能级跃迁而产生的光谱。一、光谱分析技术的基础理论一、光谱分析技术的基础理论J光的波粒二象性：微粒性 波动性 E 为光子的能量；为光波的频率（Hz）；h为普朗克常数（6.626）；c为光速（2.9977108ms）；为光波的波长 hchEhc
3、hEEE02S2S1S0S3E2E0E1E302EEhh 一、光谱分析技术的基础理论一、光谱分析技术的基础理论J物质的吸收光谱:在连续光谱中某些波长的光被物质吸收后产生的光谱被称作吸收光谱,包括分子吸收光谱和原子吸收光谱。吸收光谱取决于物质的结构。一、光谱分析技术的基础理论一、光谱分析技术的基础理论J朗伯-比尔定律：I0：入射光强度 C:溶液浓度 b:液层厚度 I:透射光强度 T:透光度 A:吸光度 k:吸光系数kbcIIT100kbcTIIIITA1lglglglg00bI0I一、光谱分析技术的基础理论一、光谱分析技术的基础理论朗伯-比尔定律的适用条件：1.入射光为单色光。波长范围越大，单色
4、光纯度越低，偏离越大；2.溶液中邻近分子的存在并不改变每一给定分子的特性，即分子间互不干扰。3.适用于分子吸收和原子吸收。一、光谱分析技术的基础理论一、光谱分析技术的基础理论J发射光谱发射光谱:物质所发射的光被光谱仪器分解而成的光谱。J发射光谱分析方法就是根据每种元素特有的线光谱来识别或检查各种元素。发射光谱发射光谱线状光谱线状光谱由原子或离子被激 发而发射 带状光谱带状光谱由分子被激发而发射 连续光谱连续光谱由炙热的固体或液 体所发射 二、光谱分析技术的分类二、光谱分析技术的分类 分子吸收法:可见与紫外分光光度法、红外光谱法 分子光谱 分子发射法:分子荧光光度法光谱技术 原子吸收法：原子吸收
5、法 原子光谱 原子发射法：发射光谱分析法、原子荧光法等 第二节第二节、紫外、紫外-可见分光光度计可见分光光度计 分光光度计分光光度计:能从含有各种波长的混合光中将每一单色光分离出来并测量其强度的仪器。分析精密度高 测量范围广 分析速度快 样品用量少 射射线线x射射线线紫紫外外光光红红外外光光微微波波无无线线电电波波10-2 nm 10 nm 102 nm 104 nm 0.1 cm 10cm 103 cm 105 cm可可 见见 光光 第二节第二节、紫外紫外-可见分光光度计可见分光光度计根据使用的波长范围不同分为紫外光区、可见光区、红外光区以及万用（全波段）分光光度计等。第二节第二节、紫外紫外
6、-可见分光光度计可见分光光度计紫外-可见分光光度计：工作波段在200nm800nm的分光光度计。其中：200nm400nm为紫外光区。400nm800nm为可见光区。属于分子吸收光谱仪。721 可见分光光度计可见分光光度计 722系列系列 可见分光光度计可见分光光度计 SP-756P紫外可见分光光度计紫外可见分光光度计 TENSOR系列红外光谱仪系列红外光谱仪 0.208一、紫外一、紫外-可见分光光度计的基本结构和工作原理可见分光光度计的基本结构和工作原理紫外紫外-可见分光光度计的基本结构示意图可见分光光度计的基本结构示意图 光源（光源（light sourcelight source）：）：
7、提供入射光的装置。要求:1.能在所需波长范围的光谱区域内发射连续光谱；2.有足够的辐射强度并能长时间稳定。常用的光源有热辐射灯（钨灯、卤钨灯等），气体放电灯（氢灯、氘灯及氙灯等），金属弧灯（各种汞灯）等。一、紫外一、紫外-可见分光光度计的基本结构和工作原理可见分光光度计的基本结构和工作原理几种常见光源比较几种常见光源比较光源波长范围(nm)特 点钨灯3202500钨丝易蒸发，寿命短。用于可见光区卤钨灯3202500加入卤素使用寿命延长，稳定性好氢灯185375用于紫外区氘灯185375发光强度比氢灯高35倍汞灯254734用于紫外或荧光分析仪一、紫外一、紫外-可见分光光度计的基本结构和工作原理
8、可见分光光度计的基本结构和工作原理单色器（单色器（MonochromatorMonochromator）：）：是将来自光源的复合光分解为单色光并分离出所需波段光束的装置。入射狭缝：限制杂散光进入；色散元件：将复合光分解为 单色光，有棱镜和光栅两种；准直镜：将来自色散元件的 平行光束聚集在出射狭缝上；出射狭缝：将固定波长范围 的光射出单色器，可以限制 通带宽度。一、紫外一、紫外-可见分光光度计的基本结构和工作原理可见分光光度计的基本结构和工作原理吸收池（吸收池（absorption cellabsorption cell）：）：是用来盛放被测溶液的器件。在可见光区常用无色光学玻璃或塑料制作；在紫
9、外区需用能透紫外线的石英或熔凝石英制作。同一套吸收池的厚度、透光面的透射、反射、折射应严格保持一致。指纹、油污及池壁上的沉淀物都会影响吸收池的透光性能。一、紫外一、紫外-可见分光光度计的基本结构和工作原理可见分光光度计的基本结构和工作原理J通过改进吸收池的几何形状，可提高“光程/体积比”，即尽可能延长单位体积的光程。常用的有：微型吸收池（微型吸收池（MicrodrillMicrodrill absorption cell absorption cell）：“光程/体积比”提高了近10倍。多光路吸收池（多光路吸收池（MultipieMultipie-path absorption-path ab
10、sorption cellcell）：）：在吸收池壁上装有反射镜，使光线在溶液中经多次反射后才离开吸收池，大大增加了有效光程，提高了测定的灵敏度。一、紫外一、紫外-可见分光光度计的基本结构和工作原理可见分光光度计的基本结构和工作原理检测器：检测器：把光信号转换为电信号的装置。对检测器的要求：1、产生的电信号与照射到它上面的光强有恒定的函数关系；2、波长响应范围大；3、灵敏度高；4、响应速度快，一般要求小于10-8s；5、产生的电信号易于检测、放大，噪声低。一、紫外一、紫外-可见分光光度计的基本结构和工作原理可见分光光度计的基本结构和工作原理检测器工作原理检测器工作原理 光照射在某些金属表面，会
11、有光电子从金属表面逸出，这种光电效应称为外光电效应。利用外光电效应可以制成光电管和光电倍增管。光深入到物体内部，将物体内部原子中的一部分束缚电子激发成自由电子，但这些电子并不逸出物体，而是留在物体内部从而使物体导电性增强，称为内光电效应。利用内光电效应可制成光敏电阻、光敏二极管以及光电池。一、紫外一、紫外-可见分光光度计的基本结构和工作原理可见分光光度计的基本结构和工作原理几种常用检测器比较几种常用检测器比较检测器 工 作 原 理 特 点光电管外光电效应简单,灵敏度低光电倍增管外光电效应与多级二次发射体相结合灵敏度比光电管高200多倍光电二极管阵列外光电效应，由一行光敏区和二行读出寄存器构成可
12、同时检测多个波长的光强度。寿命长、光谱响应范围宽、可靠性高、读出速度快光电池内光电效应结实、便宜、使用方便。但产生的电流大小不稳定电荷耦合器件模拟集成电路芯片能同时多谱线检测，极大地提高分析速度一、紫外一、紫外-可见分光光度计的基本结构和工作原理可见分光光度计的基本结构和工作原理信号显示系统信号显示系统:是把放大的信号以适当的方式显示或记录下来的装置。一、紫外一、紫外-可见分光光度计的基本结构和工作原理可见分光光度计的基本结构和工作原理信号显示装置信号显示装置直读直读检流计检流计电位调节电位调节指零装置指零装置自动记录自动记录和数字显和数字显示装置示装置二、影响分光光度法准确性的因素二、影响分
13、光光度法准确性的因素F 单色性不纯的影响单色性不纯的影响F 杂散光的影响杂散光的影响F 吸收池的影响吸收池的影响F 电压、检测器负高压波动的影响电压、检测器负高压波动的影响F 其它因素的影响其它因素的影响（一）单色性不纯的影响（一）单色性不纯的影响 光的吸收定律只是在入射光为单色光的条件下成立，而通常所指的单色光是指有一定谱带宽度的光谱。由于单色器的类型和质量不同，得到的单色光纯度不同，加上使用中狭缝宽度调节不当，都可造成入射光的单色性不纯。从而使仪器读数不准，造成测量误差。二、影响分光光度法准确性的因素二、影响分光光度法准确性的因素（二）杂散光的影响：（二）杂散光的影响：有两种两种原因引起的
14、杂散光：1.仪器中光学、机械零件的反射和散射等原因使所采用的测定波长的光偏离正常光路，在不通过样品的情况下直接照射到单色器。这种杂散光波长与测定波长相同；2.由仪器的光学系统设计制作缺陷引起。如不必要的反射面、光束孔径不匹配、光学元件表面的擦痕、光学系统的像差、不均匀色散以及由于机械零部件加工不良、位置错移、仪器内壁防眩黑漆脱落等。二、影响分光光度法准确性的因素二、影响分光光度法准确性的因素（三）吸收池的影响（三）吸收池的影响 由于吸收池的质量不好或使用保管不善，吸收池不配套，透光面被污染上油污、指纹、沉淀，吸收池与光路不垂直等原因都可影响捡测结果的准确性。二、影响分光光度法准确性的因素二、影
15、响分光光度法准确性的因素（四）电压、检测器负高压波动的影响（四）电压、检测器负高压波动的影响 如果仪器电源电压波动过大，超过了仪器的稳压范围或稳压器质量不好，都可引起光源电压、检测器负高压波动，造成光源光强波动和检测器噪声增大，使捡测结果准确度降低。二、影响分光光度法准确性的因素二、影响分光光度法准确性的因素（五）其它因素的影响（五）其它因素的影响 吸光度读数刻度误差、仪器安装环境（如振动、温度变化）、化学因素（如荧光、溶剂效应等）等也可影响捡测结果的准确度。二、影响分光光度法准确性的因素二、影响分光光度法准确性的因素三、紫外三、紫外-可见分光光度计的类型可见分光光度计的类型J按其光学系统分可
16、分为 单波长分光光度计 单光束单波长分光光度计 双光束单波长分光光度计 双波长分光光度计 单波长单光束分光光度计特点单波长单光束分光光度计特点 单光束光路，从光源到试样至接收器只有一个光通道；仪器只有一个色散元件，工作波长范围较窄；通常采用直接接收放大显示的简单电子系统，用电表或数字显示；结构简单、附件少、功能范围小，不能做特殊试样如浑浊样品、不透明样品等的测定。检测准确性不够稳定，不能用于精密分析。检测准确性不够稳定，不能用于精密分析。三、紫外三、紫外-可见分光光度计的类型可见分光光度计的类型单波长单光束分光光度计单波长单光束分光光度计0.208三、紫外三、紫外-可见分光光度计的类型可见分光
17、光度计的类型721型分光光度计光路图型分光光度计光路图三、紫外三、紫外-可见分光光度计的类型可见分光光度计的类型751型分光光度计光路图型分光光度计光路图三、紫外三、紫外-可见分光光度计的类型可见分光光度计的类型单波长双光束分光光度计单波长双光束分光光度计 在出射狭缝和样品吸收池之间增加了一个光束分裂器或斩波器，用一定的频率将一个光束交替分成两路，使一路经过参比溶液，另一路经过样品溶液，然后由一个检测器交替接收或由两个匹配器分别接收两路信号。三、紫外三、紫外-可见分光光度计的类型可见分光光度计的类型单波长双光束分光光度计特点单波长双光束分光光度计特点1.从光源到检测器有试样光路和参考光路两条通
18、路；2.采用两个光栅或棱镜加光栅的双单色器，能有效地提高分辨率和降低杂散光；3.可以自动进行波长扫描、自动记录光谱曲线，也可以外接计算机，实现自动化运行；4.可装备各种附件，功能范围宽。三、紫外三、紫外-可见分光光度计的类型可见分光光度计的类型比值比值单波长双光束分光光度计单波长双光束分光光度计三、紫外三、紫外-可见分光光度计的类型可见分光光度计的类型双波长分光光度计工作原理双波长分光光度计工作原理 将从同一光源发出的光分为两束，分别经两个单色器分光后得到两束不同波长（1，2）的单色光，经斩光器使两束光以一定频率交替照射同一样品，测定两个波长下的吸光度差值（A=A1-A2），将A用于计算结果。
19、三、紫外三、紫外-可见分光光度计的类型可见分光光度计的类型双波长分光光度计波长选择原则双波长分光光度计波长选择原则1.被测物在一个波长上有最大吸收峰，在另一个波长上没有吸收或很少吸收；2.非被测物在两个波长上的吸收相同。三、紫外三、紫外-可见分光光度计的类型可见分光光度计的类型双波长分光光度计优点双波长分光光度计优点 只要1、2选择适当，A就是消除了非特征性吸收干扰的吸光度值。将A用于计算结果能较好的解决由于非特征吸收信号（如试样的浑浊、吸收池与空气界面以及吸收池与溶液界面的折射差别等）影响而带来的误差，结果更准确。双波长分光光度计双波长分光光度计三、紫外三、紫外-可见分光光度计的类型可见分光
20、光度计的类型 四、紫外四、紫外-可见分光光度计性能评价指标可见分光光度计性能评价指标F(一一)波长准确度和波长重复性波长准确度和波长重复性 F(二二)光度准确度光度准确度 F(三三)光度线性范围光度线性范围 F(四四)分辨率分辨率 F(五五)光谱带宽光谱带宽F(六六)杂散光杂散光 F(七七)基线稳定度基线稳定度F(八八)基线平直度基线平直度(一一)波长准确度和波长重复性波长准确度和波长重复性 波长准确度是指仪器波长指示器上所示波长值与仪器此时实际输出的波长值之间的符合程度。波长重复性是指在对同一个吸收带或发射线进行多次测量时，峰值波长测量结果的一致程度。波长误差来源于色散元件传动机构的运动误差
21、、波长度盘的刻划误差、狭缝中心位置偏移和装校误差等。而波长重复性则取决于上述各种机构中间隙的稳定性。四、紫外四、紫外-可见分光光度计性能评价指标可见分光光度计性能评价指标(二二)光度准确度光度准确度 光度准确度是指仪器在吸收峰上读出的透射率或吸光度与已知真实透射率或吸光度之间的偏差。该偏差越小，光度准确度越高。光度准确度测试方法主要有标准溶液法和滤光片法。标准溶液多采用酸性重铬酸钾溶液。四、紫外四、紫外-可见分光光度计性能评价指标可见分光光度计性能评价指标(三三)光度线性范围光度线性范围 指仪器光度测量系统对于照射到接收器上的辐射功率与系统的测定值之间符合线性关系的功率范围，即仪器的最佳工作范
22、围。检测方法溶液稀释法：配制适当浓度的溶液，按照一定的倍数逐步稀释，分别测定其吸光度，根据测得的吸光度计算吸光系数，以吸光度为横坐标，相应的吸光系数为纵坐标，绘制吸光系数-吸光度曲线，曲线的平坦区域即为仪器的线性范围。四、紫外四、紫外-可见分光光度计性能评价指标可见分光光度计性能评价指标(四四)分辨率分辨率 指仪器对于紧密相邻的峰可分辨的最小波长间隔，此间隔越小分辨率越高。它是分光光度计质量的综合反映。单色器输出的单色光的光谱纯度、强度以及检测器的光谱灵敏度等是影响仪器分辨率的主要因素。四、紫外四、紫外-可见分光光度计性能评价指标可见分光光度计性能评价指标(五五)光谱带宽光谱带宽 光谱带宽（S
23、pectral band width）是指从单色器射出的单色光最大强度的1/2处的谱带宽度。它与狭缝宽度、分光元件、准直镜的焦距有关，可以认为是单色器的线色散率的倒数与狭缝宽度的乘积。测量方法：测量钠双线（589.0nm、589.6nm）的宽度。由于元素灯谱线本身的宽度大大小于单色器的宽度，故测得的光谱带宽可以认为就是单色器的光谱带宽。四、紫外四、紫外-可见分光光度计性能评价指标可见分光光度计性能评价指标(六六)杂散光杂散光 除所需波长单色光以外其余所有的光都是杂散光，是测量过程中的主要误差来源，会严重影响检测准确度。可用截止滤光器测定杂散光：截止滤光器对边缘波长或某一波长的光可全部吸收，而对
24、其它波长的光却有很高的透光率，因此测定某种截止滤光器在边缘波长或某一波长的透光率，即表示杂散光的强度。四、紫外四、紫外-可见分光光度计性能评价指标可见分光光度计性能评价指标(七七)基线稳定度基线稳定度 是指在不放置样品的情况下，扫描100%T或0%T时读数偏离的程度，是仪器噪声水平的综合反映。一般取最大的峰缝之间的值作为绝对噪声水平。如果基线稳定度差，光度准确度就低。四、紫外四、紫外-可见分光光度计性能评价指标可见分光光度计性能评价指标(八八)基线平直度基线平直度 是指在不放置样品的情况下，扫描100%T或0%T时基线倾斜或弯曲的程度。在高吸收时，0%线的平直度对读数的影响大；在低吸收时，10
25、0%线的平直度对读数的影响大。基线平直度不好，可使样品吸收光谱中各吸收峰间的比值发生变化，给定性分析造成困难。四、紫外四、紫外-可见分光光度计性能评价指标可见分光光度计性能评价指标五、紫外五、紫外-可见分光光度计常见故障及排除方法可见分光光度计常见故障及排除方法 L 分光光度计常见故障包括光路、电路故障。根据故障不同应采取不同的排除措施。接通电源后，指示灯不亮，仪器不工作，可能是电路故障；读数表不能调零（即0T）和不能置100T则可能是光路故障或微电流放大器损坏。需根据具体情况采取不同的处理方法。第三节第三节 荧光光谱仪荧光光谱仪某些物质吸收光能量后，可发射波长与激发光波长相同或不同的光，当激
26、发光源停止照射试样，再发射过程立即停止，这种再发射的光称为荧光（fluorescence）。包括分子荧光和原子荧光。荧光分析法：通过测定物质分子产生的荧光强度进行物质的定性与定量分析的方法。荧光光谱仪：采用荧光分析法来测量的仪器。荧光产生机理 物质的分子吸收了照射光的能量后，处于基态最低能级的分子被激发到第一电子激发态和其它电子激发态的各个振动能级。到达激发态的各个振动能级的分子，和周围的分子（如溶剂分子）碰撞，并把部分能量以热能的形式传给周围的分子，自己降落到单线第二电子激发态的最低振动能级。然后，由此最低振动能级向基态的各个振动能级跃迁，同时以发光的形式释放出其能量。这种光即为荧光。第三节
27、第三节 荧光光谱仪荧光光谱仪荧光分析的特点荧光分析的特点J优点：灵敏度高（可达10-12g数量级）；选择性强，有利于分析复杂的多组分混合物；用样量少、特异性好、操作简便。L缺点：对温度、pH值等因素变化比较敏感；应用范围较窄，只能用来测量发荧光的物质，或与某些试剂作用后发荧光的物质。第三节第三节 荧光光谱仪荧光光谱仪（一）激发光谱和荧光光谱（一）激发光谱和荧光光谱 任何发射荧光的物质都具有两个特征光谱，即激发光谱（excitation spectrum）和荧光光谱(fluorescence spectrum)。它们是荧光分析中定性和定量的基础。一、荧光分析的基本原理一、荧光分析的基本原理 激发
28、光谱激发光谱：将激发光的光源用单色器分光，连续改变激发光波长，固定荧光发射波长，测定不同波长的激发光照射下，物质溶液发射的荧光强度的变化。以激发光波长为横坐标，荧光强度为纵坐标作图，即可得到荧光物质 的激发光谱。从激 发光谱图上可找到 发生荧光强度最强 的激发波长ex。一、荧光分析的基本原理一、荧光分析的基本原理荧光光谱：荧光光谱：用ex作激发光源，并固定强度，让物质发射的荧光通过单色器分光，测定不同波长的荧光强度。以荧光波长为横坐标，荧光强度为纵坐标作图，便得荧光光谱。荧光光谱中荧光强度最强的波长为 em。荧光物质的ex和em 是鉴定物质的根据，也 是定量测定中所选用的 最灵敏的波长。一、荧
29、光分析的基本原理一、荧光分析的基本原理（二）物质的分子结构和荧光的关系（二）物质的分子结构和荧光的关系 强荧光物质在分子结构上具有如下特征：具有大的共轭-双键结构，共轭体系越大，越容易产生荧光。具有刚性平面结构。荧光量子产率高的荧光物质，其分子多为平面构型，并具有一定的刚性。具有最低的单线电子激发态S1为-型。若取代基团为给电子取代基，荧光强度增加。一、荧光分析的基本原理一、荧光分析的基本原理二、荧光光谱仪二、荧光光谱仪 荧光光谱仪的工作原理荧光光谱仪的工作原理 荧光物质所发出的荧光强度在激发光的频率、强度以及液层厚度不变时与溶液的浓度成正比。由此可以通过测定荧光强度来求出该物质的含量。荧光分
30、析法所测量的是待测物质所发射的荧光强弱，而不是物质对光谱的吸收强弱，属于发射光谱分析，荧光光度计和荧光分光光度计属于发射光谱仪器。荧光光谱仪分类荧光光谱仪分类 荧光光度计（fluorophotometer）荧光分光光度计（fluorospectrophotometer）二者的区别在于荧光光度计采用滤光片做单色器，结构较简单，功能也较差，而荧光分光光度计采用棱镜或光栅为色散元件，结构较复杂，功能较强，但价格远远高于荧光光度计。二、荧光光谱仪二、荧光光谱仪 Fluoscence荧光分光光度计荧光分光光度计FP-6500荧光分光光度计 Jasco荧光光谱仪荧光光谱仪 ARL 9800 系列系列 X射
31、线荧光光谱仪射线荧光光谱仪 荧光光谱仪的主要结构荧光光谱仪的主要结构激光光源：激发样品中荧光分子产生荧光。常用汞弧灯、氢弧灯及氘灯等。单色器：分离出所需要的单色光。仪器有两个单色器，一是激发单色器，用于选择激发光波长；二是发射单色器，用于选择发射到检测器上的荧光波长。样品池：放置测试样品，用石英做成。检测器：接受光信号并将其转变为电信号。记录显示系统：检测器出来的电信号经过放大器放大后，由记录仪记录下来，并可数字显示和打印。二、荧光光谱仪二、荧光光谱仪0.208激发激发荧光光度计结构示意图荧光光度计结构示意图发射发射荧光光谱仪典型配置荧光分光光度计光路图荧光分光光度计光路图荧光分光光度计光路图
32、荧光分光光度计光路图荧光光谱仪的使用与维护荧光光谱仪的使用与维护 严格按照仪器规定的操作步骤进行操作。一旦仪器出了故障，特别是光学部件的故障，必须请专门人员进行检修。在使用过程中应注意以下问题：1.电源：电压，电流，电源的稳定须符合仪器的规定。2.光源：启动后需预热20min，灯及其窗口须保持清洁。3.单色器：应注意防潮、防尘、防污和防机械损伤。4.光电倍增管：加高压时切不可受外来光线直接照射。5.样品池：使用时应同一个方向插放，不能经常磨擦。6.防止眼睛损伤：操作者不能直视光源，以免紫外线损伤眼睛。二、荧光光谱仪二、荧光光谱仪三、荧光光谱仪的应用三、荧光光谱仪的应用J常规分析（如定性和定量分
33、析、化学表征、色谱流出物的检测等）；J获得分子信息（如测量分子内间距、决定键合平衡、研究结构变化等）；J医药研究（如研究膜结构和功能、确定抗体的形态、研究生物分子的异质性、评价药物的相互作用、确定酶的活性和反应、荧光免疫分析、监测体内化学过程等）；J环境监测（如水和空气中污染物的鉴别和计量等）。第四节第四节 原子光谱分析仪原子光谱分析仪（atomic spectrum analyzer）F优点:分析速度快、操作简便、选择性好、灵敏度高、测定范围广、试剂用量少等，可同时测定多种元素，不必进行复杂的分离处理。L缺点:测定多个不同元素时需更换元素灯，有些元素的测定灵敏度还有待提高。原子光谱原子光谱分
34、析仪器分析仪器原子吸原子吸收光收光谱仪谱仪原子发原子发射光射光谱仪谱仪原子荧原子荧光光光光谱仪谱仪一、原子吸收法和原子吸收光谱仪一、原子吸收法和原子吸收光谱仪 F原子吸收光谱法(Atomic Absorption Spectroscopy，AAS)基本原理：基本原理：从空心阴极灯或光源中发射出一束特定波长的入射光，在原子化器中待测元素的基态原子蒸汽对其产生吸收，通过测定吸收特定波长的光量大小，可求出待测元素的含量。原子吸收光谱法优点：J灵敏度高、精确高；J选择性好、干扰少；J速度快，易于实现自动化；J可测元素多、范围广；J结构简单、成本低。F原子吸收光谱仪（atomic absorption
35、spectrometer）：采用原子吸收光谱法进行测量的仪器，又称原子吸收分光光度仪，是20世纪50年代中期出现并逐渐发展起来的一种新型仪器。结构原理与普通分光光度计相似，只是用锐线光源代替了连续光源，用原子化器代替通常的吸收池。一、原子吸收法和原子吸收光谱仪一、原子吸收法和原子吸收光谱仪F原子吸收光谱仪工作原理原子吸收光谱仪工作原理 光源发生相应待测元素特征波长的射线穿过火焰，把试样的溶液以细粒子流的形式喷射到火焰上，部分射线被吸收。吸收的强度与试样的浓度成正比，通过测量吸收量并将其与标准溶液进行对比，即可确定待测物质浓度。不同元素外层电子结构不同，其原子的吸收光谱也不同，因此测量原子吸收光
36、谱也可以对物质进行定性分析。一、原子吸收法和原子吸收光谱仪一、原子吸收法和原子吸收光谱仪F原子吸收光谱仪的种类原子吸收光谱仪的种类 单光束型：单光束型：仪器结构简单，价格便宜，维护方便，应用比较普遍，但不能克服光源灯不稳定带来的零漂。双光束型：双光束型：仪器构造比较复杂，能够克服零漂，而且速度也较快，但价格也较昂贵。一、原子吸收法和原子吸收光谱仪一、原子吸收法和原子吸收光谱仪一、原子吸收法和原子吸收光谱仪一、原子吸收法和原子吸收光谱仪原子吸收光谱仪主要部件原子吸收光谱仪主要部件（1 1）光源系统）光源系统（2 2）原子化器）原子化器（3 3）分光系统）分光系统 （4 4）检测系统）检测系统 （
37、1 1）光源系统：）光源系统：发射被测元素的特征共振辐射。基本要求：光谱纯度高，只发射待测元素光谱，不含杂质元素辐射；发射较窄的谱线。发射的共振线强度高且稳定，背景小；稳定性好，30分钟内漂移不超过1；起辉电压低；结构牢固可靠，使用方便；有较长的寿命，价格便宜。常用类型：空心阴极灯 蒸气放电灯 无极放电灯一、原子吸收法和原子吸收光谱仪一、原子吸收法和原子吸收光谱仪（2 2）原子化器：）原子化器：提供能量将液态试样中的待测元素干燥蒸发使之转变成原子态的蒸气。常用类型：火焰原子化器 无火焰原子化器一、原子吸收法和原子吸收光谱仪一、原子吸收法和原子吸收光谱仪火焰原子化器 常用的是预混合型原子化器，具
38、有简单、快速、对大多数元素有较高的灵敏度和检测极限的优点，使用最广泛。无火焰原子化器 常用的是石墨炉原子化器。其电极插入样品时触点时好时坏、重复性差、设备复杂、不易掌握，但与火焰原子化器相比具有较高的原子化效率、灵敏度和检测极限。（3 3）分光系统：）分光系统：将所需要的共振吸收线分离出来。组成：入射和出射狭缝、反射镜和色散元件 关键部件：色散元件，可以是棱镜或衍射光栅。只要能将共振线与邻近线分开到一定程度即可，不要求过高的线色散率。要保证既要将谱线分开，又要有一定的出射光强度。一、原子吸收法和原子吸收光谱仪一、原子吸收法和原子吸收光谱仪（4 4）检测系统）检测系统 ：组成：检测器（光电倍增管
39、）、同步检波放大器、对数变换器、指示仪表等。作用：将接收到的光信号转变成电信号，然后再经同步检波放大器放大，同时把接收到的非被测信号滤掉。放大了的被测信号进入对数变换器进行对数变换，变成线性信号，在指示仪表上显示出来。一、原子吸收法和原子吸收光谱仪一、原子吸收法和原子吸收光谱仪光电倍增管AA5800AA5800原子吸收分光光度计原子吸收分光光度计AA5800AA5800原子吸收分光光度计原子吸收分光光度计 ZEEnit650高级石墨炉原子吸收光谱仪高级石墨炉原子吸收光谱仪 一、原子吸收法和原子吸收光谱仪一、原子吸收法和原子吸收光谱仪原子吸收分光光度计结构示意图原子吸收分光光度计结构示意图原子吸
40、收光谱仪分光系统示意图原子吸收光谱仪分光系统示意图一、原子吸收法和原子吸收光谱仪一、原子吸收法和原子吸收光谱仪F原子吸收光谱仪的性能评价指标原子吸收光谱仪的性能评价指标 特征浓度：特征浓度：指产生1吸收或0.0044吸光度时所对应的被测元素的浓度或质量。特征浓度S值越小，表示原子吸收光谱仪对某个元素在一定条件下的分析灵敏度越高。特征浓度不能用来表征某仪器对某元素能被检出所需要的最小浓度，但可以用于估算较适宜的浓度测量范围及取样量。一、原子吸收法和原子吸收光谱仪一、原子吸收法和原子吸收光谱仪F检出限：检出限：表示在选定的实验条件下，被测元素溶液能给出的测量信号3倍于标准偏差时所对应的浓度（单位：
41、mg/L）。无火焰光谱仪器中常用绝对检出限表示，单位为g。检出限既反映仪器的质量和稳定性，也反映仪器对某元素在一定条件下的检出能力。检出限比特征浓度有更明确的意义。检出限越低，说明仪器性能越好，对元素的检出能力越强。一、原子吸收法和原子吸收光谱仪一、原子吸收法和原子吸收光谱仪F原子吸收光谱仪常见故障及处理方法原子吸收光谱仪常见故障及处理方法 原子吸收光谱仪在工作过程中常见的故障有：没有吸收、灵敏度低、重现性差、表头回零差、仪器噪音大、曲线弯曲、分析结果误差大和废液不畅通等，要根据具体情况作出不同处理。一、原子吸收法和原子吸收光谱仪一、原子吸收法和原子吸收光谱仪二、原子发射光谱仪二、原子发射光谱
42、仪 F原子发射光谱法：是根据处于激发态的待测元素原子回到基态时发射的特征谱线对待测元素进行分析的方法。由于待测元素原子的能级结构不同，因此发射谱线的特征不同，据此可对样品进行定性分析；根据待测元素原子的浓度不同，因此发射强度不同，可实现元素的定量检测。F原子发射光谱分析特点原子发射光谱分析特点J优点：可同时测定一个样品中的多种元素；分析速度快；检出限低，可达ng/mL级；准确度较高，相对误差可达l以下；试样消耗少；ICP光源校准曲线线性范围宽，可达 46个数量级。二、原子发射光谱仪二、原子发射光谱仪L缺点：高含量分析的准确度较差；常见的非金属元素如氧、硫、氮、卤素等谱线在远紫外区一般的光谱仪尚
43、无法检测；还有些非金属元素，如P、Se、Te等，由于其激发电位高，灵敏度较低。二、原子发射光谱仪二、原子发射光谱仪F常用激发方式：火花式与ICP两种 火花式：火花式：激发源是高压电火花源，它提供单变或振荡电流脉冲。该方法能进行固体样品的多元素分析；电感耦合等离子体（电感耦合等离子体（ICPICP）式：）式：等离子体是由无线电波或在微波范围内的电磁波在惰性气体（氩气）中进行无极或单极感应放电所产生。该方法可进行溶液元素分析。二、原子发射光谱仪二、原子发射光谱仪F原子发射光谱仪：利用试样中原子或离子所发射的特征谱线的波长或强度来检测元素的存在和含量的仪器。常用类型：1.火焰光度计和火焰分光光度计
44、2.摄谱仪和光电直读光谱仪 3.激光显微发射光谱仪 二、原子发射光谱仪二、原子发射光谱仪 6400A 火焰光度计火焰光度计 F摄谱仪：是用光栅或棱镜做色散元件，采用照相方式用感光板记录试样光谱的原子发射光谱仪器。可以把试样的谱线拍摄长期保存备查。摄谱仪聚光性强，有利于提高灵敏度。类型：棱镜摄谱仪、光栅摄谱仪 构成：光源、分光系统、检测系统二、原子发射光谱仪二、原子发射光谱仪二、原子发射光谱仪二、原子发射光谱仪棱镜摄谱仪棱镜摄谱仪光栅摄谱仪光栅摄谱仪摄谱仪的激发光源摄谱仪的激发光源 基本功能：提供使试样中被测元素原子化和原子激发发光所需要的能量。要求：灵敏度高，稳定性好，光谱背景小，结构简单，操
45、作安全。常用激发光源：电弧光源、电火花光源、电感耦合高频等离子体光源（ICP光源）等。二、原子发射光谱仪二、原子发射光谱仪光 源蒸发温度激发温度（K）放电稳定性应用范围直流电弧高40007000稍差定性分析，矿物、纯物质、难挥发元素的定量分析交流电弧中40007000较好试样中低含量组分的定量分析电火化低瞬间10000好金属与合金、难激发元素的定量分析ICP很高60008000 最好溶液的定量分析几种光源的比较几种光源的比较二、原子发射光谱仪二、原子发射光谱仪摄谱仪的光学系统摄谱仪的光学系统 作用：把样品被蒸发和激发产生的辐射光进行分光。组成：照明系统、准光系统、色散系统和投影系统。二、原子发
46、射光谱仪二、原子发射光谱仪照明系统：照明系统：指光源到狭缝之间的部分，由透镜组组成。作用是把光源的光聚焦于狭缝上，使尽可能多的光进入狭缝；让光源不同部位发出的光均匀地照射到狭缝各个部位；并使光源电极头所发射出的连续光谱不进入狭缝。准光系统：准光系统：由狭缝和准直镜构成，作用是将光源发出的光转变为平行光束，使其到达分光元件的第一入射面的各点时，入射角度都相同。又称为准光管和平行光管。二、原子发射光谱仪二、原子发射光谱仪色散系统：色散系统：指光谱仪的分光元件或色散元件。可以是光栅、单个棱镜或多个棱镜。其作用是通过分光元件所产生的色散，将复合光分成单色光。投影系统：投影系统：从物镜到其焦面这一部分称
47、为光谱仪的投影系统或“暗箱”。作用是将色散后的单色光束，经物镜聚焦在其焦面上，形成按波长顺序排列的狭缝的像，即光谱。二、原子发射光谱仪二、原子发射光谱仪摄谱仪的检测系统摄谱仪的检测系统 摄谱仪用感光板来检测发射光谱。感光板由照相乳剂均匀地涂布在玻璃板上而成。用测微光度计测量感光板上的照相乳剂感光后变黑的黑度以确定谱线的强度。与相同条件下的标准样品谱线比较，从而测定试样成分含量。二、原子发射光谱仪二、原子发射光谱仪F光电直读光谱仪光电直读光谱仪 用光电倍增管接收和记录谱线的方法称为光电直读法。光电直读光谱仪与摄谱仪的区别在于用光电倍增管和有关电子电路代替感光板。二、原子发射光谱仪二、原子发射光谱
48、仪光电直读光谱仪分类光电直读光谱仪分类 多道直读光谱仪：多道直读光谱仪：采用光电倍增管作为检测器，分析速度快，准确度优于摄谱仪；对信号放大能力强，可同时分析含量差别较大的不同元素；适用于较宽的波长范围。单道扫描光谱仪：单道扫描光谱仪：采用光电倍增管作为检测器，波长选择更为灵活方便，分析样品的范围更广，适用于较宽的波长范围。但分析速度受到一定限制。全谱直读光谱仪：全谱直读光谱仪：采用固体检测器。速度快，没有任何活动的光学器件，具有较好的波长稳定性。二、原子发射光谱仪二、原子发射光谱仪二、原子发射光谱仪二、原子发射光谱仪SPECTROMAXxSPECTROMAXx全谱直读光谱仪全谱直读光谱仪 IC
49、PICP光谱仪光谱仪光电直读光谱仪特点光电直读光谱仪特点 速度快，可在1min2min显示分析结果；精密度较好，理想条件下测试的重复性可达实际含量的1数量级；一般只能测量一种基体材料内824种元素，可通过将接收器组合成几个“桥”的方式来扩展测量能力，每个“桥”用于一种类型的基体材料；不能象摄谱仪那样长久保存图谱。二、原子发射光谱仪二、原子发射光谱仪三、原子荧光光谱仪三、原子荧光光谱仪F原子荧光光谱分析法（XRF）：利用原子荧光谱线的波长和强度进行物质的定性与定量分析的方法。在一定实验条件下，被测元素的浓度与荧光强度成正比，据此可对物质进行定量分析。特点：设备简单、灵敏度高、光谱干扰少，工作曲线
50、线性范围宽，可以进行多元素测定，应用广泛。原子荧光光谱仪分类原子荧光光谱仪分类 色散型原子荧光光谱仪 非色散型原子荧光光谱仪 两类仪器的结构基本相似，差别在于非色散型仪器不用单色器。三、原子荧光光谱仪三、原子荧光光谱仪色散型原子荧光光谱仪结构特点色散型原子荧光光谱仪结构特点 光谱仪由辐射光源、单色器、原子化器、检测器、显示和记录装置组成。辐射光源用来激发原子使其产生原子荧光；单色器用来选择所需的荧光谱线，排除其他光谱线的干扰；原子化器用来将被测元素转化为原子蒸气；检测器用来检测光信号并转换为电信号，常用光电倍增管；显示和记录装置则用来显示和记录测量结果，包括了电表、数字表、记录仪等。三、原子荧
