3光谱分析基础及紫外-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
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
特
点
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
紫
蓝
黄绿
黄
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。