第17章 熒光光譜分析儀和原子光譜分析儀教學(xué)指導(dǎo)

1、第十七章 熒光光譜分析儀和原子光譜分析儀首 頁基本要求重點(diǎn)難點(diǎn)講授學(xué)時(shí)內(nèi)容提要1基本要求 1.1掌 握1.1.1掌握熒光分析的基本原理和熒光光譜儀的組成。1.1.2掌握原子吸收分光光度計(jì)和原子發(fā)射光譜儀的基本原理和結(jié)構(gòu)。1.2 熟 悉1.2.1熟悉熒光光譜儀的調(diào)試、使用及維護(hù)。1.2.2熟悉原子吸收分光光度計(jì)的性能。1.3 了 解1.3.1了解熒光光譜儀的臨床應(yīng)用。1.3.2了解原子光譜分析儀的臨床應(yīng)用。2重點(diǎn)難點(diǎn) 2.1重 點(diǎn)熒光光譜儀的基本原理、基本結(jié)構(gòu)、分類、調(diào)試及使用。原子吸收分光光度計(jì)的基本原理、基本結(jié)構(gòu)及使用。2.2 難點(diǎn)2.2.1熒光光譜儀的基本原理和基本結(jié)構(gòu)。2.2.2原子吸收

2、分光光度計(jì)和原子發(fā)射光譜儀的異同。3講授學(xué)時(shí) 建議4學(xué)時(shí)6學(xué)時(shí)4內(nèi)容提要 4.1熒光光譜儀4.1.1 熒光發(fā)生的機(jī)制物質(zhì)的分子吸收了照射光（如紫外線）的高能量后，處于基態(tài)最低能級(jí)的分子，被激發(fā)到第一電子激發(fā)態(tài)和其它電子激發(fā)態(tài)的各個(gè)振動(dòng)能級(jí)。到達(dá)激發(fā)態(tài)的各個(gè)振動(dòng)能級(jí)的分子，和周圍的分子（如溶劑分子）碰撞，并把部分能量以熱能的形式傳給周圍的分子，自己降落到單線第二電子激發(fā)態(tài)的最低振動(dòng)能級(jí)。然后，由此最低振動(dòng)能級(jí)向基態(tài)的各個(gè)振動(dòng)能級(jí)躍遷，同時(shí)以發(fā)光的形式釋放出其能量。簡(jiǎn)言之，物質(zhì)經(jīng)高能量射線激發(fā)后，所發(fā)出的比原激發(fā)光波較長(zhǎng)的可見光稱為熒光。熒光的發(fā)生和強(qiáng)度與物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)有著密切的關(guān)系。4.1.2激

3、發(fā)光譜和熒光光譜任何發(fā)射熒光的物質(zhì)都具有兩個(gè)特征光譜，即激發(fā)光譜和熒光光譜。它們是熒光分析中定性和定量的基礎(chǔ)。 激發(fā)光譜：將激發(fā)光的光源用單色器分光，連續(xù)改變激發(fā)光波長(zhǎng)，固定熒光發(fā)射波長(zhǎng)，測(cè)定不同波長(zhǎng)的激發(fā)光照射下，物質(zhì)溶液發(fā)射的熒光強(qiáng)度的變化，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，即可得到熒光物質(zhì)的激發(fā)光譜。從激發(fā)光譜圖上可找到發(fā)生熒光強(qiáng)度最強(qiáng)的激發(fā)波長(zhǎng)ex。熒光光譜：選擇ex作激發(fā)光源，并固定強(qiáng)度，而讓物質(zhì)發(fā)射的熒光通過單色器分光，測(cè)定不同波長(zhǎng)的熒光強(qiáng)度。以熒光波長(zhǎng)作橫坐標(biāo)，熒光強(qiáng)度為縱坐標(biāo)作圖，便得熒光光譜。熒光光譜中熒光強(qiáng)度最強(qiáng)的波長(zhǎng)為 em 。 熒光物質(zhì)的最大激發(fā)波長(zhǎng)（ex）和

4、最大熒光波長(zhǎng)（em）是鑒定物質(zhì)的根據(jù)，也是定量測(cè)定中所選用的最靈敏的波長(zhǎng)。4.1.3 熒光光譜儀的工作原理和主要結(jié)構(gòu) 對(duì)于某一熒光物質(zhì)的稀溶液，在激發(fā)光的頻率、強(qiáng)度以及液層厚度不變時(shí)，此熒光物質(zhì)所發(fā)出的熒光強(qiáng)度與溶液的濃度成正比關(guān)系。由此可以通過測(cè)定熒光強(qiáng)度來求出該物質(zhì)的含量。熒光分析法和紫外、原子吸收分析方法有本質(zhì)的不同。它所測(cè)量的是待測(cè)物質(zhì)所發(fā)射的熒光強(qiáng)弱，而不是物質(zhì)對(duì)光譜的吸收強(qiáng)弱，屬于發(fā)射光譜分析。 熒光分光光度計(jì)的結(jié)構(gòu)包括五個(gè)基本部分：激光光源：用來激發(fā)樣品中熒光分子產(chǎn)生熒光。常用汞弧燈、氫弧燈及氘燈等，目前熒光分光光度計(jì)以用氘燈為多。單色器：用來分離出所需要的單色光。儀器中具有兩個(gè)

5、單色器，一是激發(fā)單色器，用于選擇激發(fā)光波長(zhǎng)；二是發(fā)射單色器，用于選擇發(fā)射到檢測(cè)器上的熒光波長(zhǎng)。樣品池：放置測(cè)試樣品，用石英做成。檢測(cè)器：作用是接受光信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。記錄顯示系統(tǒng)：檢測(cè)器出來的電信號(hào)經(jīng)過放大器放大后，由記錄儀記錄下來，并可數(shù)字顯示和打印。4.1.4熒光光譜儀的應(yīng)用熒光光譜儀的主要用途包括：常規(guī)分析（如定性和定量分析、化學(xué)表征、色譜流出物的檢測(cè)等）；獲得分子信息（如測(cè)量分子內(nèi)間距、決定鍵合平衡、研究結(jié)構(gòu)變化等）；用于醫(yī)藥研究（如何研究膜結(jié)構(gòu)和功能、確定抗體的形態(tài)、研究生物分子的異質(zhì)性、評(píng)價(jià)藥物的相互作用、確定酶的活性和反應(yīng)、熒光免疫分析、監(jiān)測(cè)體內(nèi)化學(xué)過程等）；環(huán)境監(jiān)測(cè)（如

6、水和空氣中污染物的鑒別和計(jì)量）等。4.2 原子光譜分析儀4.2.1 原子光譜分析儀特點(diǎn)與分類原子光譜分析儀具有分析速度快、操作簡(jiǎn)便、選擇性好、靈敏度高、測(cè)定范圍廣、試劑用量少等多種優(yōu)點(diǎn)，可同時(shí)測(cè)定多種元素，一般情況下不必進(jìn)行復(fù)雜的分離處理。缺點(diǎn)是不能同時(shí)測(cè)定多個(gè)元素，而且有些元素的測(cè)定靈敏度還有待提高。原子光譜分析儀器主要有原子吸收光譜儀、原子發(fā)射光譜儀和原子熒光光譜儀。4.2.2 原子吸收光譜儀 原子吸收光譜儀基本工作原理是測(cè)定氣態(tài)的自由原子對(duì)某種特定光譜的吸收。其結(jié)構(gòu)原理與普通的分光光度計(jì)是相似的，只是用銳線光源代替了連續(xù)光源，用原子化器代替通常的吸收池?？招年帢O燈或無極放電燈發(fā)生相應(yīng)待測(cè)

7、元素特征波長(zhǎng)的射線，它穿過火焰，把試樣的溶液以細(xì)粒子流的形式噴射到火焰上，部分射線被吸收。這一部分正比于試樣的濃度，測(cè)量吸收量將其與標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行對(duì)比，從而確定濃度。原子吸收光譜儀基本結(jié)構(gòu)由光源、原子化器、分光系統(tǒng)及檢測(cè)系統(tǒng)四個(gè)主要部件組成。光源的作用是發(fā)射被測(cè)元素的特征共振輻射。應(yīng)用較多的有空心陰極燈、蒸氣放電燈和無極放電燈。原子化器作用是提供能量將液態(tài)試樣中的待測(cè)元素干燥蒸發(fā)使之轉(zhuǎn)變成原子態(tài)的蒸氣。常用的有火焰原子化器和無火焰原子化器兩種。分光系統(tǒng)作用是將所需要的共振吸收線分離出來。分光系統(tǒng)的關(guān)鍵部件是色散元件，可以是棱鏡或衍射光柵。檢測(cè)系統(tǒng)是將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，然后再經(jīng)同步檢波放

8、大器放大，同時(shí)把接收到的非被測(cè)信號(hào)濾掉。放大了的被測(cè)信號(hào)進(jìn)入對(duì)數(shù)變換器進(jìn)行對(duì)數(shù)變換，變成線性信號(hào)，在指示儀表上顯示出來。原子吸收光譜儀的性能包括波長(zhǎng)精度、分辨率、對(duì)某個(gè)元素的特征濃度和檢出限等。4.2.3 原子發(fā)射光譜儀 原子發(fā)射光譜法是根據(jù)處于激發(fā)態(tài)的待測(cè)元素原子回到基態(tài)時(shí)發(fā)射的特征譜線對(duì)待測(cè)元素進(jìn)行分析的方法。氣態(tài)離子或分子受熱或電激發(fā)時(shí)會(huì)發(fā)生紫外和可見光域內(nèi)的特征輻射。發(fā)射光譜就是提供足夠能量的光源，使試樣蒸發(fā)并將各組分轉(zhuǎn)變成氣態(tài)原子或離子，然后引起氣體中各基本粒子的電激發(fā)，被激發(fā)的原子或離子回到基態(tài)時(shí)發(fā)射出每個(gè)元素的特征譜線，研究特征譜線的波長(zhǎng)和強(qiáng)度就可以對(duì)被測(cè)試樣進(jìn)行定性和定量分析。

9、由于待測(cè)元素原子的能級(jí)結(jié)構(gòu)不同，因此發(fā)射譜線的特征不同，據(jù)此可對(duì)樣品進(jìn)行定性分析；而根據(jù)待測(cè)元素原子的濃度不同，因此發(fā)射強(qiáng)度不同，可實(shí)現(xiàn)元素的定量檢測(cè)。有許多種激發(fā)方式可以激發(fā)光譜，最新技術(shù)常用的是火花式與ICP兩種方式。利用試樣中原子或離子所發(fā)射的特征譜線的波長(zhǎng)或強(qiáng)度來檢測(cè)元素的存在和含量的儀器稱為原子發(fā)射光譜儀。主要有火焰光度計(jì)、火焰分光光度計(jì)、攝譜儀、光電直讀光譜儀和激光顯微發(fā)射光譜儀等。它們的基本原理相同，結(jié)構(gòu)上略有差別。目前常用的是攝譜儀和光電直讀光譜儀兩類。.攝譜儀是用光柵或棱鏡做色散元件，用照相法記錄光譜的原子發(fā)射光譜儀器，由光源、分光系統(tǒng)、檢測(cè)系統(tǒng)三部分構(gòu)成，常用的激發(fā)光源有電

10、弧光源、電火花光源、電感耦合高頻等離子體光源即ICP光源等。光學(xué)系統(tǒng)的作用是把樣品在激發(fā)源被蒸發(fā)和激發(fā)而產(chǎn)生的輻射光進(jìn)行分光，由照明系統(tǒng)、準(zhǔn)光系統(tǒng)、色散系統(tǒng)和投影系統(tǒng)組成。檢測(cè)系統(tǒng)是用感光板來檢測(cè)發(fā)射光譜。感光板由照相乳劑均勻地涂布在玻璃板上而成。通過測(cè)微光度計(jì)測(cè)量感光板上的照相乳劑感光后變黑的黑度以確定譜線的強(qiáng)度，然后與相同條件下的標(biāo)準(zhǔn)樣品譜線比較，從而測(cè)定試樣成分含量。攝譜儀最大特點(diǎn)是檢測(cè)系統(tǒng)以感光板采用照相方式記錄試樣的光譜，可以把試樣的譜線拍攝長(zhǎng)期保存?zhèn)洳?。用光電倍增管接收和記錄譜線的方法稱為光電直讀法。光電直讀光譜儀與攝譜儀的區(qū)別在于用光電倍增管和有關(guān)電子電路代替感光板。光電直讀光譜

11、儀分為多道直讀光譜儀、單道掃描光譜儀和全譜直讀光譜儀三種。前兩種儀器采用光電倍增管作為檢測(cè)器，后一種采用固體檢測(cè)器。多道直讀光譜儀的優(yōu)點(diǎn)是分析速度快，準(zhǔn)確度優(yōu)于攝譜儀；光電倍增管對(duì)信號(hào)放大能力強(qiáng)，可同時(shí)分析含量差別較大的不同無素；適用于較寬的波長(zhǎng)范圍。但由于儀器結(jié)構(gòu)限制，多道直讀光譜儀的出射狹縫間存在一定距離，使利用波長(zhǎng)相近的譜線有困難。單道掃描光譜儀的波長(zhǎng)選擇更為靈活方便，分析樣品的范圍更廣，適用于較寬的波長(zhǎng)范圍。但由于完成一次掃描需要一定時(shí)間，因此分析速度受到一定限制。全譜直讀光譜儀不僅克服了多道直讀光譜儀譜線少和單道掃描光譜儀速度慢的缺點(diǎn)，而且所有的元件都牢固地安置在機(jī)座上成為一個(gè)整體，

12、沒有任何活動(dòng)的光學(xué)器件，因此具有較好的波長(zhǎng)穩(wěn)定性。4.2.4原子熒光光譜儀原子熒光光譜分析法是利用原子熒光譜線的波長(zhǎng)和強(qiáng)度進(jìn)行物質(zhì)的定性與定量分析的方法。在一定實(shí)驗(yàn)條件下，被測(cè)元素的濃度與熒光強(qiáng)度成正比，因而可據(jù)此對(duì)物質(zhì)進(jìn)行定量分析。原子熒光光譜分析法具有設(shè)備簡(jiǎn)單、靈敏度高、光譜干擾少，工作曲線線性范圍寬，可以進(jìn)行多元素測(cè)定等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用廣泛。原子熒光光譜儀分為色散型和非色散型兩類，兩類儀器的結(jié)構(gòu)基本相似，差別在于非色散儀器不用單色器。色散型光譜儀由輻射光源、單色器、原子化器、檢測(cè)器、顯示和記錄裝置組成。輻射光源用來激發(fā)原子使其產(chǎn)生原子熒光，可使用連續(xù)光源或銳線光源，常用的連續(xù)光源是氙弧燈，而可

13、用的銳線光源有高強(qiáng)度空心陰極燈、無極放電燈及可控溫度梯度原子光譜燈和激光；單色器用來選擇所需的熒光譜線，排除其他光譜線的干擾；原子化器用來將被測(cè)元素轉(zhuǎn)化為原子蒸氣，分為火焰、電熱和電感耦合等類型；檢測(cè)器用來檢測(cè)光信號(hào)并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，常用的檢測(cè)器是光電倍增管；顯示和記錄裝置則用來顯示和記錄測(cè)量結(jié)果，包括了電表、數(shù)字表、記錄儀等。4.3 光譜分析方法的進(jìn)展廣泛采用新技術(shù)。目前普遍采用EDA（電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化）、CAM（計(jì)算機(jī)輔助制造）、CAT（計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試）、DSP（數(shù)字信號(hào)處理）、ASIC（專用集成電路）及SMT（表面貼裝技術(shù)）等。從傳統(tǒng)光學(xué)儀器轉(zhuǎn)變現(xiàn)代光學(xué)儀器，關(guān)鍵在于計(jì)算機(jī)化，而微電子技術(shù)是基礎(chǔ)。光譜儀器發(fā)展最快，發(fā)達(dá)國(guó)家80年代已實(shí)現(xiàn)微機(jī)化，現(xiàn)已向聯(lián)用技術(shù)、全自動(dòng)化（如內(nèi)裝機(jī)械手等機(jī)器人系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)無人操作），實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)自動(dòng)化及智能化方向發(fā)展。新技術(shù)新元件的引人，為快速、準(zhǔn)確、可靠的在線檢測(cè)和監(jiān)控創(chuàng)造了條件。 未來幾年，由于高新技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，將進(jìn)一步推動(dòng)光學(xué)儀器實(shí)現(xiàn)光機(jī)電算一體化和智能化。現(xiàn)今的智能化儀器更確切地應(yīng)稱為“微機(jī)化”儀器。而更高程度的智能化是信息技術(shù)的最高層次，應(yīng)包括理解、推理、判斷與分析等一系列功能，是數(shù)值、邏輯與知識(shí)的結(jié)合分析結(jié)果，智能化的標(biāo)志是知識(shí)的表達(dá)與應(yīng)用。電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和光電器件的不斷發(fā)展和功能的完善，為儀器