化学与生物分析方法

化学与生物分析方法

题目：“光谱”的技术原理、实验仪器及光谱的应用

学院(系)：园艺学院

专业年级：果树2016级

姓名：张琪

学号：2016050231

“光谱”的技术原理、实验仪器及光谱的应用

我们通常所讲到光谱仅指光学光谱而言，从物质(固、液、气)加热或用光或用电激发射光谱时得到三种类型的光谱：

①线光谱是由于在高温下，物质蒸发出来形成蒸汽云，物质中的原子和离子以气态的形式存在，这时原子间的相互作用力很小，它们接受能量以后，发射谱线完全由单个原子或离子的外层电子轨道能级所决定，它辐射出不连续的明亮线条叫线光谱。就其产生方式而言又可分为发射光谱(明线)和吸收光谱(暗线)两种，如果是原子激发产生的光谱，称原子光谱，如果离子激发所产生的光谱称离子光谱。

②带光谱是由分子受激发振动而产生的明亮光带和暗区组成的光谱。如在光谱分析中采用炭电极，在高温时，炭与空气中氮化合生成氰带(CN)分子，当氰分子在电弧中激发时产生的光谱，称氰带。

③连续光谱是由于灼烧的固体热辐射而产生的从短波到长波的连续光谱（用高分辨力的仪器也不可能将其分开），所以连续光谱是无限数的线光谱或带光谱集合体。

我们通常讲的光谱分析，一般是指“原子发射光谱分析”，光电光谱分析中元素波长都是元素的原子光谱和离子光谱。

原理

任何元素的原子都是由原子核和绕核运动的电子组成的，原子核外电子按其能量的高低分层分布而形成不同的能级，因此，一个原子核可以具有多种能级状态。

能量最低的能级状态称为基态能级（E0=0），其余能级称为激发态能级，而能最低的激发态则称为第一激发态。正常情况下，原子处于基态，核外电子在各自能量最低的轨道上运动。

如果将一定外界能量如光能提供给该基态原子，当外界光能量E恰好等于该基态原子中基态和某一较高能级之间的能级差E时，该原子将吸收这一特征波长的光，外层电子由基态跃迁到相应的激发态，而产生原子吸收光谱。

电子跃迁到较高能级以后处于激发态，但激发态电子是不稳定的，大约经过10-8秒以后，激发态电子将返回基态或其它较低能级，并将电子跃迁时所吸收的能量以光的形式释放出去，这个过程称原子发射光谱。可见原子吸收光谱过程吸收辐射能量，而原子发射光谱过程则释放辐射能量。

实验仪器

①棱镜光谱仪

棱镜光谱仪是利用棱镜的色散作用，将非单色光按波长分开的装置。其结构

的主要部分为棱镜前的平行光管、棱镜和棱镜后的望远物镜L2。棱镜前的平行光管，是由一会聚透镜L1和放在它第一焦面的狭缝S所组成。当非单色光照射狭缝后，经平行光管产生非单色的平行光束。这些非单色平行光束通过棱镜后，不同波长的平行光束经过折射后，方向不同。再经过棱镜后的望远物镜L2，不同方向（即不同波长）的平行光束，会聚到望远物镜后焦面上的不同地方，形成一系列离散的不同波长的狭缝像，这便是光谱。若光谱仪中的望远物镜后，再装上一目镜，用以直接观察光谱，此种光谱仪就称为分光镜。若在望远物镜的后焦面上，放一狭缝，将某种波长的光分离开来，则称为单色仪。若在望远物镜的后焦面上，放一暗盒，把不同波长的狭缝像拍摄下来，则称为棱镜摄谱仪。

②衍射光栅光谱仪

衍射光栅光谱仪，是将成分复杂的光分解为光谱线的科学仪器。通过光谱仪对光信息的抓取、以照相底片显影，或电脑化自动显示数值仪器显示和分析，从而测知物品中含有何种元素。光栅光谱仪被广泛应用于颜色测量、化学成份的浓度测量或辐射度学分析、膜厚测量、气体成分分析等领域中。

当一束复合光线进入单色仪的入射狭缝，首先由光学准直镜汇聚成平行光，再通过衍射光栅色散为分开的波长（颜色）。利用每个波长离开光栅的角度不同，由聚焦反射镜再成像出射狭缝。通过电脑控制可精确地改变出射波长。

③干涉成像光谱仪

干涉成像光谱仪是利用干涉原理获得一系列随光程差变化的干涉图样，通过反演可以得到目标物体的二维空间图像和一维光谱信息的仪器。原理是将目标的光分成两束，通过控制两束光的光程差，并使两束光在感光元件处相遇发生干涉，从而获得的是一系列不同光程差得到的干涉图样。干涉图样经过一些列的处理、反演后才能够得到物体的图像——光谱三维信息，即目标每一点的光谱曲线。④紫外可见光谱仪

紫外可见光谱仪，是利用紫外可见光谱法工作的仪器。普通紫外可见光谱仪，主要由光源、单色器、样品池（吸光池）、检测器、记录装置组成。紫外可见光谱仪设计一般都尽量避免在光路中使用透镜，主要使用反射镜，以防止由仪器带来的吸收误差。当光路中不能避免使用透明元件时，应选择对紫外可见光均透明的材料（如样品池和参考池均选用石英玻璃）。紫外可见光谱仪主要用于化合物的鉴定、纯度检查、异构物的确定、位阻作用的测定、氢键强度的测定以及其他相关的定量分析之中，但通常只是一种辅助分析手段，还需借助其他分析方法，例如红外、核磁、EPR等综合方法对待测物进行分析，以得到精准的数据。

⑤近红外光谱仪

近红外光（Near Infrared，NIR）是介于可见光（VIS）和中红外光（MIR）之

间的电磁波，ASTM 定义的近红外光谱区的波长范围为780~2526nm （12820～3959cm1），习惯上又将近红外区划分为近红外短波（780~1100nm）和近红外长波（1100~2526nm）两个区域。

近红外光谱主要是由于分子振动的非谐振性使分子振动从基态向高能级跃迁时产生的，记录的主要是含氢基团X－H（X=C、N、O）振动的倍频和合频吸收。不同团（如甲基、亚甲基，苯环等）或同一基团在不同化学环境中的近红外吸收波长与强度都有明显差别，NIR 光谱具有丰富的结构和组成信息，非常适合用于碳氢有机物质的组成与性质测量。但在NIR区域，吸收强度弱，灵敏度相对较低，吸收带较宽且重叠严重。因此，依靠传统的建立工作曲线方法进行定量分析是十分困难的，化学计量学的发展为这一问题的解决奠定了数学基础。其工作原理是，如果样品的组成相同，则其光谱也相同，反之亦然。

⑥红外光谱仪

红外光谱仪是利用物质对不同波长的红外辐射的吸收特性，进行分子结构和化学组成分析的仪器。红外光谱仪通常由光源，单色器，探测器和计算机处理信息系统组成。根据分光装置的不同，分为色散型和干涉型。对色散型双光路光学零位平衡红外分光光度计而言，当样品吸收了一定频率的红外辐射后，分子的振动能级发生跃迁，透过的光束中相应频率的光被减弱，造成参比光路与样品光路相应辐射的强度差，从而得到所测样品的红外光谱。

⑦远红外光谱仪

一般将25-1000μm的红外波段划为远红外区。此区内的吸收谱带主要是气体分子中的纯转动跃迁、振动-转动跃迁和液体与固体中重原子的伸缩振动（如υS-S,γC-Br等）、某些变角振动、骨架振动，以及晶体中的晶格振动所引起的。由于低频骨架振动能灵敏地反应物质结构的变化，所以对异构体研究特别方便。此外，对于有机金属化合物（包括络合物）、氢键、吸附现象的定量分析，远红外光谱也很有效。在环境分析测试中，远红外光谱区光源能量弱，除非其他波段没有合适的谱带，一般都不在此区内做定量分析。

光谱学应用

1.光谱技术在环境监测中的应用

碳的氧化物、硫的氧化物、氮的氧化物和臭氧等是世人关注的大气污染分子,用一些常规谱分析仪器可以监测它们.例如用紫外光度计测定空气中的臭氧浓度,紫外荧光技术测定SO2浓度,化学发光方法分析氮的氧化物以及用气体滤波相关技术测定一氧化碳浓度等.然而,这些仪器的缺点是功能单一,只能做定点测量.为了扩大被测量样品的种类和测量范围,在危险、不易接近或遥远的地方监测污染物,则需要研究和开发其他的光谱技术.20世纪70年代后期,美国、德国、日本、