第一章光譜技術(shù)

1、第一章第一章 光光 譜譜 技技 術(shù)術(shù) 作作 者者: 王王 英英 聯(lián)系電話聯(lián)系電話:許多物質(zhì)有顏色許多物質(zhì)有顏色,大量大量無色的物質(zhì)無色的物質(zhì)可以與可以與顯色顯色劑劑作用生成作用生成有色的物質(zhì)有色的物質(zhì)，這些有色的物質(zhì)，這些有色的物質(zhì)顏色的顏色的深淺與其濃度成正相關(guān)深淺與其濃度成正相關(guān)，則濃度越大，顏色越深。，則濃度越大，顏色越深。故故通過測定物質(zhì)顏色的深淺來對物質(zhì)進(jìn)行定量分通過測定物質(zhì)顏色的深淺來對物質(zhì)進(jìn)行定量分析的方法析的方法，稱為，稱為比色分析法。比色分析法。 一、比色分析發(fā)展的概況：一、比色分析發(fā)展的概況： 最早的最早的納氏比色法納氏比色法是按是按濃度濃度從從低

2、低到到高高，配好，配好系列標(biāo)準(zhǔn)管，然后將待測樣品與標(biāo)準(zhǔn)管進(jìn)行比較系列標(biāo)準(zhǔn)管，然后將待測樣品與標(biāo)準(zhǔn)管進(jìn)行比較定量，如定量，如黃疸指數(shù)黃疸指數(shù)的測定，它屬于的測定，它屬于目力比色法目力比色法。這種這種方法很簡單方法很簡單，但人為，但人為誤差很大誤差很大。 概概 述述 后來造出后來造出光電比色計(jì)光電比色計(jì)，其原理是，其原理是一束平行單色一束平行單色光光通過一定厚度的通過一定厚度的有色溶液有色溶液時(shí)，一部分光被吸收，時(shí)，一部分光被吸收，未被吸收的光透過溶液照到光電池上，光電池將光未被吸收的光透過溶液照到光電池上，光電池將光能轉(zhuǎn)換成電能，推動檢流計(jì)偏轉(zhuǎn)，再和標(biāo)準(zhǔn)管比較能轉(zhuǎn)換成電能，推動檢流計(jì)偏轉(zhuǎn)，再和標(biāo)

3、準(zhǔn)管比較可計(jì)算出待測溶液的濃度?？捎?jì)算出待測溶液的濃度。 我國早年生產(chǎn)的光電比色計(jì)有我國早年生產(chǎn)的光電比色計(jì)有 58-1G等。等。 光電比色計(jì)用光電比色計(jì)用濾光片濾光片來分光，只適合在有限波來分光，只適合在有限波長內(nèi)測量，不能滿足不同分析工作的需要。長內(nèi)測量，不能滿足不同分析工作的需要。 為了克服以上不足制造了性能更好的為了克服以上不足制造了性能更好的分光光度分光光度計(jì)計(jì)，分光光度，分光光度計(jì)計(jì)將分析區(qū)域擴(kuò)展到將分析區(qū)域擴(kuò)展到紅外和紫外紅外和紫外波段。波段。這樣許多用普通比色法無法進(jìn)行分析的無色物質(zhì)，這樣許多用普通比色法無法進(jìn)行分析的無色物質(zhì)，只要在紅外或紫外區(qū)域內(nèi)只要在紅外或紫外區(qū)域內(nèi)有適當(dāng)

4、的吸收峰有適當(dāng)?shù)奈辗?，便可以，便可以用相?yīng)的分光光度用相應(yīng)的分光光度計(jì)計(jì)加以測定。從而大大擴(kuò)展了物加以測定。從而大大擴(kuò)展了物質(zhì)的測定范圍，尤其是在有機(jī)化合物檢測方面的應(yīng)質(zhì)的測定范圍，尤其是在有機(jī)化合物檢測方面的應(yīng)用。用。 分光光度分光光度計(jì)分計(jì)分吸收光譜儀吸收光譜儀和和發(fā)射光譜儀發(fā)射光譜儀兩類。兩類。 發(fā)射光譜儀主要有光柵光譜儀、熒光分光光度發(fā)射光譜儀主要有光柵光譜儀、熒光分光光度計(jì)和火焰光度計(jì)。計(jì)和火焰光度計(jì)?？梢娂白贤夥止夤舛扔?jì)、紅外分可見及紫外分光光度計(jì)、紅外分光光度計(jì)等為吸收光譜儀。光光度計(jì)等為吸收光譜儀。 根據(jù)物質(zhì)具有根據(jù)物質(zhì)具有吸收吸收、發(fā)射發(fā)射或或散射光譜散射光譜譜系的譜系的特

5、征，來測定其特征，來測定其性質(zhì)、結(jié)構(gòu)性質(zhì)、結(jié)構(gòu)或或含量含量的一類分析技的一類分析技術(shù)稱為術(shù)稱為光譜光譜分析分析技術(shù)技術(shù)。 光譜分析技術(shù)包括光譜分析技術(shù)包括吸收光譜分析吸收光譜分析、發(fā)射光譜發(fā)射光譜分析分析和和散射光譜分析散射光譜分析三大類。三大類。 它具有靈敏、快速、準(zhǔn)確、簡便等優(yōu)點(diǎn)，是它具有靈敏、快速、準(zhǔn)確、簡便等優(yōu)點(diǎn)，是一種最常用的生化分析技術(shù)。一種最常用的生化分析技術(shù)。 常用的有：可見及紫外分光光度法、常用的有：可見及紫外分光光度法、紅外分紅外分光光度法、光光度法、熒光法，原子吸收光譜法、火焰光度熒光法，原子吸收光譜法、火焰光度法及比濁法等。法及比濁法等。二二、光譜分析技術(shù)光譜分析技術(shù)第

6、一節(jié)第一節(jié) 光譜分析的基本原理光譜分析的基本原理一、光的基本性質(zhì)一、光的基本性質(zhì) 光是一種光是一種電磁波電磁波，是，是能能的一種的一種表現(xiàn)形式表現(xiàn)形式，是一種以是一種以巨大速度巨大速度通過空間傳播的通過空間傳播的光量子流光量子流，在不同的介質(zhì)可發(fā)生在不同的介質(zhì)可發(fā)生反射、折射、衍射、色散反射、折射、衍射、色散和偏振和偏振等現(xiàn)象。等現(xiàn)象。 光是電，電是光，光是電，電是光，光電可相互轉(zhuǎn)換光電可相互轉(zhuǎn)換。 光具有波動性光具有波動性，以波動的形式進(jìn)行傳播，并可，以波動的形式進(jìn)行傳播，并可用用波長波長、頻率頻率、傳播、傳播速度速度等參數(shù)來描述。等參數(shù)來描述。 兩個(gè)波峰之間的距離為波長（兩個(gè)波峰之間的距離

7、為波長（ ），單位時(shí)間內(nèi)），單位時(shí)間內(nèi)通過某一點(diǎn)波的數(shù)目為頻率（通過某一點(diǎn)波的數(shù)目為頻率（ ）, c為光速。為光速。 波長與頻率之間的關(guān)系是：波長與頻率之間的關(guān)系是： 不同波長的光具有不同的能量，光的不同波長的光具有不同的能量，光的能量能量與光的與光的波長波長成成反比反比，波長越長（頻率越低），能量越小；波，波長越長（頻率越低），能量越小；波長越短（頻率越高），則能量越大。紫外光的波長小長越短（頻率越高），則能量越大。紫外光的波長小于可見光和紅外光的波長，因此，紫外光的能量大于于可見光和紅外光的波長，因此，紫外光的能量大于可見光和紅外光的能量。可見光和紅外光的能量。c二、光譜二、光譜 光譜是復(fù)

8、合光（白光）經(jīng)色散后的光譜是復(fù)合光（白光）經(jīng)色散后的單色光單色光按一定按一定順序順序排成一幅排成一幅光的色譜光的色譜。 光譜又可分為光譜又可分為發(fā)射光譜發(fā)射光譜、吸收光譜吸收光譜和和散射光譜散射光譜。 1. 發(fā)射光譜發(fā)射光譜 發(fā)光體發(fā)光體通過通過三棱鏡三棱鏡或或光柵光柵色散后得到的色散后得到的光譜光譜，為為發(fā)射光譜發(fā)射光譜，不同的發(fā)光體（光源）有其獨(dú)特的發(fā)，不同的發(fā)光體（光源）有其獨(dú)特的發(fā)射光譜。射光譜。 2. 吸收光譜吸收光譜 物質(zhì)的原子或分子物質(zhì)的原子或分子對光選擇性地吸收對光選擇性地吸收而得到的而得到的光譜，為光譜，為吸收光譜吸收光譜。 （1） 對對固體物質(zhì)固體物質(zhì)來說，當(dāng)復(fù)合光照射到物

9、質(zhì)上，來說，當(dāng)復(fù)合光照射到物質(zhì)上，物質(zhì)對于不同波長的光吸收、透過、反射、折射的物質(zhì)對于不同波長的光吸收、透過、反射、折射的程度不同而使物質(zhì)呈現(xiàn)不同的顏色。程度不同而使物質(zhì)呈現(xiàn)不同的顏色。 對各種波長的光對各種波長的光完全吸收完全吸收則呈現(xiàn)則呈現(xiàn)黑色黑色；完全反完全反射射則呈現(xiàn)則呈現(xiàn)白色白色；吸收程度差不多吸收程度差不多則呈現(xiàn)則呈現(xiàn)灰色灰色。 如果某如果某固體物質(zhì)固體物質(zhì)只吸收了部分波長的光，這種只吸收了部分波長的光，這種物質(zhì)則呈現(xiàn)出物質(zhì)則呈現(xiàn)出反射光的顏色反射光的顏色。 （2） 對對溶液溶液來說，溶液呈現(xiàn)不同的顏色，是由來說，溶液呈現(xiàn)不同的顏色，是由于溶液中的分子或離子于溶液中的分子或離子選擇

10、性地吸收某種波長的光選擇性地吸收某種波長的光所引起的。所引起的。 如果各種光如果各種光透過程度相同透過程度相同，這種溶液是，這種溶液是無色透無色透明明的。的。 若只讓一部分波長的光透過，其它波長的光被若只讓一部分波長的光透過，其它波長的光被吸收，這溶液則呈現(xiàn)出吸收，這溶液則呈現(xiàn)出透過光的顏色透過光的顏色，是它吸收光，是它吸收光的互補(bǔ)顏色。的互補(bǔ)顏色。 表表1-1列了物質(zhì)顏色與吸收光顏色之間的關(guān)系。列了物質(zhì)顏色與吸收光顏色之間的關(guān)系。 將表中相對應(yīng)的光按一定的比例混合，可將表中相對應(yīng)的光按一定的比例混合，可以成為白光，因此，這兩種光稱為互補(bǔ)色光。以成為白光，因此，這兩種光稱為互補(bǔ)色光。表表1-1

11、 物質(zhì)的顏色和吸收光顏色的關(guān)系物質(zhì)的顏色和吸收光顏色的關(guān)系 物質(zhì)的顏色物質(zhì)的顏色 吸收光吸收光 顏色顏色 波長（波長（nm） 黃、綠黃、綠 紫紫 400450 黃黃 藍(lán)藍(lán) 450480 橙橙 青、藍(lán)青、藍(lán) 480490 紅紅 青青 490500 紫、紅紫、紅 綠綠 500560 紫紫 黃、綠黃、綠 560580 藍(lán)藍(lán) 黃黃 580600 青、藍(lán)青、藍(lán) 橙橙 600650 青青 紅紅 650750 第二節(jié)第二節(jié) 吸收光譜分析法吸收光譜分析法一、吸收光譜分析法的基本定律一、吸收光譜分析法的基本定律 朗伯朗伯-比爾比爾（Lambert-Beer）定律是討論）定律是討論吸收吸收光能光能與與溶液濃度溶液

12、濃度和和液層厚度液層厚度之間關(guān)系的基本定律，之間關(guān)系的基本定律，它是分光分析的理論基礎(chǔ)。它是分光分析的理論基礎(chǔ)。 朗伯朗伯-比爾定律適用于比爾定律適用于可見光、紫外光、紅外可見光、紫外光、紅外光光和和均勻非散射均勻非散射的液體。的液體。透光度：透光度：透過光強(qiáng)度（透過光強(qiáng)度（I）與與入射光強(qiáng)度（入射光強(qiáng)度（I0）之之比比用用 T 表示表示： T = I / I0 T100稱為百分透光度（稱為百分透光度（T% ）。）。吸光度：吸光度：透光度的負(fù)對數(shù)透光度的負(fù)對數(shù)用用A表示表示 A = -LgT= Lg I0/I A = kbc 式中式中k為吸光系數(shù)（常數(shù)），為吸光系數(shù)（常數(shù)），c為濃度，為濃度，

13、b為液層厚為液層厚度，該式是分光分析的度，該式是分光分析的定量公式定量公式。 I0I二、偏離朗伯二、偏離朗伯-比爾定律的因素比爾定律的因素 被測物質(zhì)的被測物質(zhì)的濃度濃度與與吸光度吸光度成成正比正比，以兩者關(guān)系作，以兩者關(guān)系作圖得到圖得到一條通過原點(diǎn)一條通過原點(diǎn)的的直線直線。但在實(shí)際測定中，往往。但在實(shí)際測定中，往往有偏離定律的現(xiàn)象。導(dǎo)致偏離定律的主要原因有有偏離定律的現(xiàn)象。導(dǎo)致偏離定律的主要原因有光學(xué)光學(xué)和和化學(xué)化學(xué)兩方面的因素。兩方面的因素。1、光學(xué)因素、光學(xué)因素 朗伯朗伯-比爾定律比爾定律成立成立的的重要前提重要前提是是單色光單色光，但在，但在實(shí)際測定中使用的入射光并不是實(shí)際測定中使用的入

14、射光并不是100 %純的單色光，純的單色光，會有其它波長的光混雜入，不純的單色光是引起偏會有其它波長的光混雜入，不純的單色光是引起偏離的離的主要因素。主要因素。 比色分析要比色分析要注意校準(zhǔn)波長注意校準(zhǔn)波長，特別是在氣候變化時(shí)。，特別是在氣候變化時(shí)。2、化學(xué)因素、化學(xué)因素 被測物的被測物的濃度、濃度、pH、溶劑和溫度、溶劑和溫度等均可影響比色等均可影響比色分析的分析的線性線性，被測物的離解、締合，被測物的離解、締合或或形成新的物質(zhì)等形成新的物質(zhì)等原因也可導(dǎo)致溶液各組分間比例發(fā)生變化，若各組分原因也可導(dǎo)致溶液各組分間比例發(fā)生變化，若各組分的吸光系數(shù)差別較大，則吸光度與濃度間的關(guān)系也會的吸光系數(shù)差

15、別較大，則吸光度與濃度間的關(guān)系也會偏離直線。偏離直線。 在應(yīng)用朗伯在應(yīng)用朗伯-比爾定律的實(shí)際工作中，溶液應(yīng)該是比爾定律的實(shí)際工作中，溶液應(yīng)該是一個(gè)一個(gè)均勻體系均勻體系，否則吸光度與溶液的濃度不成直線關(guān)，否則吸光度與溶液的濃度不成直線關(guān)系。系。 各份待測各份待測溶液顏色的溶液顏色的深淺深淺要相近。要相近。3、透光度與吸光度轉(zhuǎn)換的誤差、透光度與吸光度轉(zhuǎn)換的誤差 為了減少誤差，掌握好儀器的透光度或吸光度為了減少誤差，掌握好儀器的透光度或吸光度的讀數(shù)范圍至關(guān)重要，因而透光度與吸光度的準(zhǔn)確的讀數(shù)范圍至關(guān)重要，因而透光度與吸光度的準(zhǔn)確度是衡量儀器精度的指標(biāo)之一。度是衡量儀器精度的指標(biāo)之一。三、吸收光譜分析

16、的特點(diǎn)三、吸收光譜分析的特點(diǎn)1、可見光分光分析特點(diǎn)：、可見光分光分析特點(diǎn)： （1）靈敏度高）靈敏度高 最低的檢測濃度可達(dá)最低的檢測濃度可達(dá)10-7g/ml，通常物質(zhì)濃度在，通常物質(zhì)濃度在10-510-2mol/L范圍內(nèi)較為合適。范圍內(nèi)較為合適。（2）操作簡便、快速、應(yīng)用廣泛、重服性好）操作簡便、快速、應(yīng)用廣泛、重服性好 。（3）可見光的）可見光的比色池比色池以以光學(xué)玻璃光學(xué)玻璃作入射和出射光學(xué)面。作入射和出射光學(xué)面。2、紫外分光分析特點(diǎn)：、紫外分光分析特點(diǎn)： 紫外分光分析法除具備靈敏度高、操作簡便及應(yīng)紫外分光分析法除具備靈敏度高、操作簡便及應(yīng)用廣泛等特點(diǎn)外，更重要的是用廣泛等特點(diǎn)外，更重要的是

17、無需顯色無需顯色，無論是有色，無論是有色或無色溶液，只要在紫外光區(qū)有特異性吸收峰即可進(jìn)或無色溶液，只要在紫外光區(qū)有特異性吸收峰即可進(jìn)行定性或定量分析，故行定性或定量分析，故不破壞標(biāo)本不破壞標(biāo)本。 紫外分光分析法的紫外分光分析法的比色池比色池要求用要求用不吸收紫外線不吸收紫外線的的石英玻璃石英玻璃作入射和出射的光學(xué)面作入射和出射的光學(xué)面 。 紫外分光分析法除可采用標(biāo)準(zhǔn)品比較檢測外，還紫外分光分析法除可采用標(biāo)準(zhǔn)品比較檢測外，還可采用被測物質(zhì)的可采用被測物質(zhì)的克分子吸光系數(shù)克分子吸光系數(shù)計(jì)算其含量，而計(jì)算其含量，而無無需標(biāo)準(zhǔn)管。需標(biāo)準(zhǔn)管。四、可見紫外分光分析儀四、可見紫外分光分析儀（一）（一）儀儀器的主要部件器的主要部件 1、光、光 源源 : 白熾燈、氫弧燈或氘燈白熾燈、氫弧燈或氘燈 (3601000nm )(150400nm )2、單、單 色色 器器: 濾光片、三梭鏡、光濾光片、三梭鏡、光 柵柵 3、吸、吸 收收 池池: 比色杯（玻璃杯或石英杯）比色杯（玻璃杯或石英杯）4、檢、檢 測測 器器: 硒光電池、光電管、光電倍增管硒光電池、光電管、光電倍增管5、指、指 示示 器器: 檢流計(jì)、微安表、數(shù)字顯示器檢流計(jì)、微安表、數(shù)字顯示器 6、其、其 它：它：1.數(shù)字顯示器數(shù)字顯示器 2.吸光度調(diào)零旋鈕吸光度調(diào)零旋鈕 3.選擇開關(guān)選擇開關(guān) 4.吸光度調(diào)斜率電位器