3光谱分析基础及紫外-可见光分光光度计

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一、紫外-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 检测器
光电管 光电倍增 管 光电二极 管阵列 光电池 电荷耦合 器件
工作原理
外光电效应 外光电效应与多级二次发 射体相结合 外光电效应,由一行光敏 区和二行读出寄存器构成 内光电效应 模拟集成电路芯片


简单,灵敏度低 灵敏度比光电管高200多倍 可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 结实、便宜、使用方便。但产生 的电流大小不稳定 能同时多谱线检测,极大地提高 分析速度
一、紫外-可见分光光度计的基本结构和工作原理

信号显示系统: 是把放大的信号以 适当的方式显示或 记录下来的装臵。
信 号 显 示 装 置
直读 检流计
电位调节 指零装臵
自动记录 和数字显 示装臵
三、紫外-可见分光光度计的类型

按其光学系统分可分为 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


光谱分析 :对物质发射的辐射能能谱进行的 分析或对辐射能与物质相互作用引起的能谱 改变进行的分析。 光谱分析法 :基于物质发射的电磁波辐射 及电磁辐射与物质的相互作用而建立起来的 分析方法。
光谱分析基础理论

吸收光谱:即物质对不同波长光的吸收程度 不同而产生的光谱。其吸收光谱取决于物质 的结构.包括原子吸收光谱和分子吸收光谱
狭缝
狭缝通常有两块加 工为锐边缘的金属片 组成,其边缘保持平 行,并处处于同一平 面上。
色散元件

分棱镜和光栅两种
当光线进入棱镜后,由 棱镜的铝反射面反射回 来再进入空气,由于经 过两次棱镜,其效果相 当于一个顶角对折起来 的600等腰棱镜。
铝镀面
棱镜色散示意图
光 栅

色散均匀、谱线清晰、工作波段宽是棱镜 无法比拟的
(3)同一物质不同浓度的溶液,在一定波长处
吸光度随溶液的浓度的增加而增大。这个特性可
作为物质定量分析的依据。在测定时,只有在
λ

max
处测定吸光度,其灵敏度最高。
因此,吸收曲线是吸光光度法中选择测量波长
的依据。
光谱分析技术的基础理论

朗伯-比尔定律:
I T 10 kbc I0 I0 I 1 A lg T lg lg lg kbc I0 I T
光谱分析基础及紫外 -可见光分光光度计
主要内容

光谱基础知识

郎伯_比尔吸收定理


紫外可见光分光光度计的原理和结构 紫外可见光分光光度计的性能评价
光 谱(spectrum)
各种颜色的波长范围
/nm 400-450 450-480 颜色 互补色


黄绿

480-490 490-500 500-560 560-580 580-610 610-650 650-760
原子吸收光谱原理

只有光子的能量与被照射物质粒子的基态和 激发态能量之差相等时,才能被吸收。
S3 E3 E2 E1
S2
h S1
h E2 E0

S0
E0
hc E E2 E0 h
分子吸收光谱原理

物质分子内的三种运动方式:1.电子相对与 原子核的运动、2.分子内原子在其平衡位臵 移动、3.分子本身绕其中心转动 三种运动方式决定分子具有三种能级:电 子能级、振动能级、转动能级
I0 I
I0:入射光强度 b:液层厚度 T:透光度 k:吸光系数
当用一束单色光照 射到吸收溶液时, 其吸光度与液层厚 度及溶液的体积成 正比。
C:溶液浓度 I:透射光强度 A:吸光度
b
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,单色光 纯度越低,对郎伯-比尔定律的偏离越大; 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

黑体辐射:白炽灯、液、固灼热发光 连续光谱


当依次将各种波长的单色光通过某一有色 溶液,测量每一波长下有色溶液对该波长 光的吸收程度(吸光度A),然后以波长为 横坐标,吸光度为纵坐标作图,得到一条 曲线,称为该溶液的吸收曲线,亦称为吸 收光谱。
λmax
吸光度最大处对应 的波长称为最大吸收 波长λmax
吸收曲线讨论:

(1)同一种物质对不同波长光的吸光度不同。吸
光度最大处对应的波长称为最大吸收波长λmax
(2)不同浓度的KMnO4溶液的光吸收曲线形状相
似,其最大吸收波长不变; 不同物质吸收曲线的形状和最大吸收波长均不相 同。 光吸收曲线与物质特性有关,故据此可作为物质定 性分析的依据。


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-可见分光光度计的类型
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。
绿蓝 蓝绿 绿 黄绿 黄 橙 红
橙 红 红紫 紫 蓝 绿蓝 蓝绿
光 的特征
光的波粒二象性:
微粒性 波动性
E h
hc

E 为光子的能量;ν为光波的频率(Hz); h为普朗克常数(6.626×10-34 J.s ); c为光速(2.9977×108m/s);λ为光波的波长
光谱分析(spectral analysis)
X 射 线 荧 光
化 学 发 光
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称 为分光光度计。
紫外-可见光分光光度计
一、紫外-可见分光光度计的基本结构和工作原理
0.208
光源
单色器
吸收池
检测器
显示系统
紫外-可见分光光度计的基本结构示意图
一、紫外-可见分光光度计的基本结构和工作原理

分子吸收光谱原理
当用可见光照射分
子时,价电子可以
跃迁产生吸收光谱 ,在电子能级变化
的同时,不可避免
地伴随分子振动和 转动的能级变化。 因此他包含了大量 谱线,并由于这些 谱线的重叠而成为 连续的吸收带。
光谱种类
原子光谱:吸收、发射、荧光 线状光谱

分子光谱:紫外、可见、红外等吸收光谱 带状光谱 I
光谱分析技术的基础理论


发射光谱: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。 发散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。
产生机理:物质分子或原子吸收外来 能量后,可从基态跃迁至激发态。处 于激发态的分子或原子是不稳定的, 会很快从激发态自发回到基态,吸收 的能量以发光的形式释放出来。


单色器(Monochromator):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臵。 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:1.从入射狭缝来的 光线经准直镜反射,变为平 行光投照到色散元件上;2. 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-可见分光光度计的基本结构和工作原理


检测器:把光信号转换为电信号的装臵。 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-可见分光光度计的基本结构和工作原理
检测准确性不够稳定,不能用于精密分析。
三、紫外-可见分光光度计的类型
721型分光光度计光路图
30o棱镜
三、紫外-可见分光光度计的类型
751型分光光度计光路图
30o棱镜
三、紫外-可见分光光度计的类型
单波长双光束分光光度计
光束分裂器 光源 单色器
比值
吸收池
检测器
显示 系统
三、紫外-可见分光光度计的类型
原 子 发 射
原 子 吸 收
原 子 荧 光
X 射 线 荧 光
紫 外 可 见
红 外 可 见
分 子 荧 光
分 子 磷 光
核 磁 共 振
化 学 发 光
原子光谱法 光谱分析法 吸收光谱法
分子光谱法
发射光谱法
原 子 吸 收ຫໍສະໝຸດ 紫 外 可 见红 外 可 见
核 磁 共 振
原 子 发 射
原 子 荧 光
分 子 荧 光
分 子 磷 光
光源(light source):提供入射光的装臵。 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-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
检测器工作原理


光照射在某些金属表面,会有光电子从金属表 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。
光源 钨灯 卤钨灯 波长范围(nm) 320~2500 320~2500 特 点
氢灯
氘灯 汞灯
185~375
185~375 254~734
钨丝易蒸发,寿命短。用 于可见光区 加入卤素使用寿命延长, 稳定性好 用于紫外区 发光强度比氢灯高3~5倍 用于紫外或荧光分析仪
氙灯
氢灯
钨灯
一、紫外-可见分光光度计的基本结构和工作原理
原指大量等宽、等间距的平行狭缝所组成 的元件 实际所使用的光栅多为反射型复制光栅, 它是在平面玻璃上黏结上一定角度刻槽的 铝反射膜而制成


准直镜
为一凹面反射镜 若一束平行与主轴 的近轴光线,射到凹 面镜上时,它的反射 光线将会聚于主轴焦 平面上 若是一束不平行与主轴的近轴光线投射到凹面镜 上时,它的反射关线将会聚与凹面镜的焦平面上 光的可逆性
一、紫外-可见分光光度计的基本结构和工作原理



吸收池(absorption cell):又称比色皿, 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。 国际规定,液层厚度为10mm的比色皿为标准 比色皿。
图5 双光束分光光度计结构示意图
三、紫外-可见分光光度计的类型
双波长分光光度计
三、紫外-可见分光光度计的类型

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(λ1,λ2) 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 (ΔA=Aλ1-Aλ2),将ΔA用于计算结果。
双波长分光光度计
三、紫外-可见分光光度计的类型
单波长单光束分光光度计
0.208
光源
单色器
吸收池
检测器
显示 系统
三、紫外-可见分光光度计的类型
单波长单光束分光光度计特点
①单光束光路,从光源到试样至接收器只有一个 光通道; ②仪器只有一个色散元件,工作波长范围较窄; ③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; ④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。
一、紫外-可见分光光度计的基本结构和工作原理
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(Microdrill absorption cell) :“光程/体积比”提高了近10倍。 多光路吸收池(Multipie-path absorption cell):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。
中央阳极式光电管工作原理

玻璃泡内的一半内壁上涂以金属膜作阴极, 阳极一般为一圆环形,位于玻璃泡的中央, 使用时在阳极和阴极之间加上几十至几百 伏的电压。在没有光照射时,光电管内无 电流通过,当有光照射阴极K时,阴极便发 射电子,在所加电压产生的电场的作用下, 电子奔向阳极,经外回路后,又返回阴极。 这样便在电路中出现了电流。
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