光譜基礎(chǔ)知識

1、光譜分析基礎(chǔ)知識光譜分析基礎(chǔ)知識 基本概念基本概念 光學(xué)分析法是根據(jù)物質(zhì)發(fā)射的電磁輻射或 電磁輻射與物質(zhì)相互作用而建立起來的一類分 析化學(xué)方法。 1電磁輻射電磁輻射 電磁輻射是高速通過空間的光子流，通常簡 稱為光。它具有二象性，即：波動性和粒子性。波 動性表現(xiàn)在光的折射、衍射和干涉等現(xiàn)象；粒子性 表現(xiàn)在光電效應(yīng)等現(xiàn)象。 每個(gè)光子的能量（EL）與其頻率（）、 波長（）及波數(shù)（）之間的關(guān)系為： EL=h = hc/ = hc 式中：h為普朗克常數(shù)（Planck constant），其 值為6.62610-34Js; c為光速，其值為31010 cm s-1； 為波數(shù)（wave number），其單

2、位為cm-1；為波長 （wave length），單位為cm。 由上式可知：電磁輻射的波長越短，其 光子的能量就越高。 普朗克認(rèn)為：物質(zhì)對輻射能的吸收和發(fā) 射是不連續(xù)的、是量子化的。 當(dāng)物質(zhì)內(nèi)的分子或原子發(fā)生能級躍遷 時(shí)，若以輻射能的形式傳遞能量，則輻射能 一定等于物質(zhì)的能級變化，即： E=EL=h= hc/ 例例 ：某電子在能量差為3.37510-19 J的兩能 級間躍遷，其吸收或發(fā)射光的波長為多少納 米？ 解：解：根據(jù) E=EE=EL L=h=h = hc/= hc/ 得： = hc/E =6.62610-34Js31010 cms-1/3.37510-19J =5.8910-5cm =5

3、89 nm 2. 電磁波譜電磁波譜 將各種電磁輻射按照波長或頻率的大 小順序排列起來即稱為電磁波譜電磁波譜。 各波譜區(qū)所具有的能量不同，其產(chǎn)生 的機(jī)理也各不相同。 光譜光譜的定義的定義 廣義廣義：各種電磁波輻射都叫做光譜光譜。 自然界的一切物質(zhì)可以與各種頻率的電 磁波輻射發(fā)生相互作用，這種作用表現(xiàn)為對 光的吸收或吸收光后再發(fā)射出各種波長的光， 這取決于各自的特殊物質(zhì)結(jié)構(gòu)。 根據(jù)各種不同的物質(zhì)吸收或者發(fā)射出 某一特征頻率的光信號及信號強(qiáng)度的大小可 以實(shí)現(xiàn)對物質(zhì)的定性與定量分析。 光譜分析，一般依其波長及其測定的方法 可以分為：射線（0.0051.4 ）； X射線（0.1100 ）； 光學(xué)光譜（光

4、學(xué)光譜（100 1000 m）； 微波波譜（0.1100 cm）。 狹義狹義：通常所說的光譜，一般僅指光學(xué)光譜光學(xué)光譜 而言。 根據(jù)輻射能傳遞的情況可以分為： 吸收光譜 發(fā)射光譜（包括：發(fā)光光譜） 散射光譜（如：拉曼光譜） 波長及其測定的方法： 真空紫外光光譜：10200 nm 近紫外光光譜：200400 nm 可見光譜：400800 nm 近紅外光譜：800 nm2.5 m 中紅外光譜： 2.550 m 遠(yuǎn)紅外光譜： 501000 m 外形: 線狀 帶狀 連續(xù) 電磁波輻射的本質(zhì)：原子光譜和分子光譜 a. 吸收光譜吸收光譜 當(dāng)電磁輻射通過某些物質(zhì)時(shí)，物質(zhì)的原 子或分子吸收與其能級躍遷相對應(yīng)的能

5、量， 由基態(tài)或低能態(tài)躍遷到較高的能態(tài)，這種基 于物質(zhì)對輻射能的選擇性吸收而得到的原子 或分子光譜為吸收光譜吸收光譜。 能層理論：能層能層（英語：Energy level）理論是一種解釋原子核外電子 運(yùn)動軌道的一種理論。它認(rèn)為電子只能在特定的、分立的軌道上運(yùn)動， 各個(gè)軌道上的電子具有分立的能量，這些能量值即為能級能級。電子可以在 不同的軌道間發(fā)生躍遷，電子吸收能量可以從低能級躍遷到高能級或者 從高能級躍遷到低能級從而輻射出光子。氫原子的能級可以由它的光譜 顯示出來。 原子吸收光譜為一些暗線，分子吸收光 譜為一些暗帶。 根據(jù)物質(zhì)對不同波譜區(qū)輻射能的吸收， 建立了各種吸收光譜法，例如：紫外-可見 分

6、子吸收光譜法，紅外光譜法等。 b. 發(fā)射光譜發(fā)射光譜 物質(zhì)的分子、原子或離子接受外界能量， 使其由基態(tài)或低能態(tài)躍遷到高能態(tài)(激發(fā)態(tài))， 再由高能態(tài)躍遷回低能態(tài)或基態(tài)，而產(chǎn)生的光 譜稱為發(fā)射光譜發(fā)射光譜。 常用的有：原子發(fā)射光譜原子發(fā)射光譜和熒光光譜熒光光譜。 對于原子發(fā)射光譜原子發(fā)射光譜，由于每種元素的原子 結(jié)構(gòu)不同，發(fā)射的譜線各有其特征性，可以根 據(jù)元素的特征譜線進(jìn)行定性分析，根據(jù)譜線的 強(qiáng)度與物質(zhì)含量的關(guān)系進(jìn)行定量分析。 熒光光譜熒光光譜實(shí)質(zhì)上是一種發(fā)射光譜，它的 產(chǎn)生是由于某些物質(zhì)的分子或原子在輻射能 作用下躍遷至激發(fā)態(tài)，在返回基態(tài)的過程 中，先以無輻射躍遷的形式釋放出部分能 量，回到第

7、一電子激發(fā)態(tài)，然后再以輻射躍 遷的形式回到基態(tài)，由此產(chǎn)生的光譜稱為熒 光光譜。 熒光光譜分為分子熒光光譜和原子熒光 光譜。 產(chǎn)生熒光的原因產(chǎn)生熒光的原因 熒光物質(zhì)的分子吸收了特征頻率的光 能后，由基態(tài)躍遷到能級較高的第一電子激 發(fā)態(tài)或第二電子激發(fā)態(tài)，然后通過無輻射躍 遷返回到第一電子激發(fā)態(tài)的最低振動能級 上，再從該能級降落至基態(tài)的各個(gè)不同的振 動能級上，同時(shí)放出相應(yīng)能量的分子熒光， 最后以無輻射形式回到基態(tài)的最低振動能 級。 圖圖3-1 吸收光譜和熒光光譜能級躍遷示意圖 需要注意的是：需要注意的是： （1）整個(gè)過程是在單線態(tài)之間進(jìn)行的； （2）產(chǎn)生熒光的過程極快，約在10-8秒左右 內(nèi)完成；

8、（3）熒光的產(chǎn)生是由第一電子激發(fā)態(tài)的最低 振動能級開始，而與熒光分子被激發(fā)至哪一 個(gè)能級無關(guān)。因此，熒光光譜的形狀和激發(fā) 光的波長無關(guān)。 c. 散射光譜散射光譜 當(dāng)物質(zhì)分子吸收了頻率較低的光能后，并不 足以使分子中的電子躍遷到電子的激發(fā)態(tài)，而只 是上升到基態(tài)中較高的振動能級上去，若在10-15 s10-12 s返回到原能級，此時(shí)輻射出和激發(fā)光相 同波長的光，稱為瑞利散射瑞利散射；若返回到較原能級 稍高或稍低的振動能級上，輻射出較激發(fā)光波長 稍長或稍短的光，稱為拉曼散射拉曼散射。散射出較激發(fā) 光波長稍長的光叫紅伴線紅伴線，散射出較激發(fā)光波長 稍短的光叫蘭伴線蘭伴線。 光譜分析方法的分類光譜分析方

9、法的分類 根據(jù)物質(zhì)對不同波譜區(qū)輻射能的吸收和 發(fā)射，建立了不同的光譜分析方法。 紫外-可見分子吸收光譜法 原子熒光發(fā)射光譜法 原子吸收光譜法 電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法 X射線原子熒光發(fā)射光譜法 光譜分析法的主要儀器設(shè)備光譜分析法的主要儀器設(shè)備 1. 儀器種類儀器種類 （1）紫外-可見分光光度法儀器紫外-可見 分光光度計(jì) （Ultraviolet-Visible Spectrophotometer） （2）原子熒光發(fā)射光譜法儀器原子熒光 分光光度計(jì)（AFS) （3）原子吸收分光光度法儀器原子吸收 光譜儀 （Atomic Absorption Spectrometer） （4）原子發(fā)射光譜法

10、儀器電感耦合等離 子體原子發(fā)射光譜儀（Inductively Coupled Plasma Atomic Emission Spectrometer） （5）X射線原子熒光發(fā)射光譜法儀器X射 線原子熒光光譜儀 （X-Ray Fluorescence Spectrometer） 各種光譜分析法在用途上各自的優(yōu)勢與局各種光譜分析法在用途上各自的優(yōu)勢與局 限性限性 . 紫外紫外-可見分光光度法可見分光光度法 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：此法應(yīng)用極其廣泛，可以應(yīng)用于絕 大部分無機(jī)元素的常量、微量甚至痕量分析， 也可用于無機(jī)陰離子的定量分析。在有機(jī)物和 陰離子的定性、定量分析中的應(yīng)用，非其它光 譜法所能做到的。 與其它光

11、譜儀器比較，還有一個(gè)顯著的特 點(diǎn)是：價(jià)格便宜、易于操作和容易普及。 缺點(diǎn)缺點(diǎn)：進(jìn)行測定時(shí)，需一個(gè)元素一個(gè)元素 地進(jìn)行分析；且大多需要顯色劑；樣品處 理較復(fù)雜，不如其它光譜法迅速。 . 原子熒光發(fā)射光譜法原子熒光發(fā)射光譜法 原子熒光光度計(jì)是通過測量待測元素的原子 蒸氣在輻射能激發(fā)下產(chǎn)生的熒光發(fā)射強(qiáng)度， 來確定待測元素含量的方法。氣態(tài)自由原子 吸收特征波長輻射后，原子的外層電子從基 態(tài)或低能級躍遷到高能級經(jīng)過約10-8s，又 躍遷至基態(tài)或低能級，同時(shí)發(fā)射出與原激發(fā) 波長相同或不同的輻射，稱為原子熒光。 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)： （1）有較低的檢出限，靈敏度高。特別對Cd、Zn 等元素有相當(dāng)?shù)偷臋z出限，Cd可達(dá)0

12、001ngcm-3、 Zn為0.04ngcm-3。由于原子熒光的輻射強(qiáng)度與激 發(fā)光源成比例，采用新的高強(qiáng)度光源可進(jìn)一步降低 其檢出限 （2）干擾較少，譜線比較簡單，采用一些裝置， 可以制成非色散原子熒光分析儀。這種儀器結(jié)構(gòu)簡 單，價(jià)格便宜。 （3）分析校準(zhǔn)曲線線性范圍寬，可達(dá)35個(gè)數(shù)量 級。 （4）由于原子熒光是向空間各個(gè)方向發(fā)射的，比 較容易制作多道儀器，因而能實(shí)現(xiàn)多元素同時(shí)測定。 。 原子熒光光度計(jì)儀器構(gòu)造 1.激發(fā)光源：可用連續(xù)光源或銳線光源。常 用的連續(xù)光源是氙弧燈，常用的銳線光源是 高強(qiáng)度空心陰極燈、無極放電燈、激光等。 連續(xù)光源穩(wěn)定，操作簡便，壽命長，能用于 多元素同時(shí)分析，但檢出

13、限較差。銳線光源 輻射強(qiáng)度高，穩(wěn)定，可得到更好的檢出限。 2、原子化器：原子熒光分析儀對原子化器 的要求與原子吸收光譜儀基本相同。 3、光學(xué)系統(tǒng)：光學(xué)系統(tǒng)的作用是充分利用激發(fā) 光源的能量和接收有用的熒光信號，減少和除 去雜散光。色散系統(tǒng)對分辨能力要求不高，但 要求有較大的集光本領(lǐng)，常用的色散元件是光 柵。非色散型儀器的濾光器用來分離分析線和 鄰近譜線，降低背景。非色散型儀器的優(yōu)點(diǎn)是 照明立體角大，光譜通帶寬，集光本領(lǐng)大，熒 光信號強(qiáng)度大，儀器結(jié)構(gòu)簡單，操作方便。缺 點(diǎn)是散射光的影響大。 4、檢測器：常用的是光電倍增管，在多元素原 子熒光分析儀中，也用光導(dǎo)攝象管、析象管做 檢測器。檢測器與激發(fā)光

14、束成直角配置，以避 免激發(fā)光源對檢測原子熒光信號的影響。 工作曲線法工作曲線法 先配一系列不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)溶液并分別 測定其熒光值，然后將減去試劑空白熒光值 的標(biāo)準(zhǔn)溶液熒光值與其相應(yīng)濃度作圖，即得 其工作曲線。 根據(jù)試液及試液空白熒光值，在此曲線 上即可找到試液的濃度。同時(shí)根據(jù)工作曲線 的線性情況，可確定試液的最高濃度范圍。 R=0.999337 . 原子吸收光譜法原子吸收光譜法 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：對于一些常見金屬元素，例如：例如： Cu、Zn、Fe、Mn、Ca、Mg、Pb、K和Na 等很容易測定。 缺點(diǎn)缺點(diǎn)：對一些難熔金屬，例如例如：Be、Al、 Sc、Y、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Th、U、

15、 稀土元素及B等，靈敏度不令人滿意。 4. 原子發(fā)射光譜原子發(fā)射光譜法法 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：樣品處理較簡單，背景干擾較少， 能同時(shí)進(jìn)行幾十種元素的定性和定量分析。 缺點(diǎn)缺點(diǎn)：對于高含量樣品（1 %），則準(zhǔn) 確度較差，用于超微量ngg-1級元素的分 析，靈敏度尚不能滿足需要；對一些非金屬 元素，例如：例如：鹵素等的測定，靈敏度很低； 儀器設(shè)備價(jià)格昂貴，不易普及。 5. X射線原子熒光發(fā)射光譜法射線原子熒光發(fā)射光譜法 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：做到無損分析；由于譜線簡單、干 擾少，做眾多元素定性分析十分方便；對于 化學(xué)性質(zhì)相似的元素，例如：例如：稀土、Nb和 Ta、Zr和Hf、鉑族元素等，不必進(jìn)行復(fù)雜的 分離工作，便可成

16、功地進(jìn)行單獨(dú)分析。 缺點(diǎn)缺點(diǎn)：靈敏度不夠高，最低一般測萬分 之幾的含量；需標(biāo)樣；儀器價(jià)格昂貴、結(jié) 構(gòu)復(fù)雜、不易普及。 色譜色譜 色譜又稱色層法或?qū)游龇?，是一種物理化學(xué)分析方法， 它利用不同溶質(zhì)（樣品）與固定相和流動相之間的作 用力（分配、吸附、離子交換等）的差別，當(dāng)兩相做 相對移動時(shí)，各溶質(zhì)在兩相間進(jìn)行多次平衡，使各溶 質(zhì)達(dá)到相互分離。色譜法利用不同物質(zhì)在不同相態(tài)的 選擇性分配，以流動相對固定相中的混合物進(jìn)行洗脫， 混合物中不同的物質(zhì)會以不同的速度沿固定相移動， 最終達(dá)到分離的效果。 在色譜法中，靜止不動的一相（固體或液體）稱為固 定相（stationary phase） ；運(yùn)動的一相（一般是

17、氣 體或液體）稱為流動相（mobile phase）。 按兩相按兩相狀態(tài)狀態(tài): 氣相色譜法 氣固色譜法 氣液色譜法等 按按固定相的幾何固定相的幾何形式：形式： 柱色譜法 紙色譜法：紙色譜法是利用濾紙作固定液 的載體，把試樣點(diǎn)在濾紙上，然后用溶劑 展開，各組分在濾紙的不同位置以斑點(diǎn)形 式顯現(xiàn)，根據(jù)濾紙上斑點(diǎn)位置及大小進(jìn)行 定性和定量分析。 薄層色譜法 按分離原理按分離原理： 吸附色譜法 分配色譜法 等 高效液相色高效液相色譜譜 高效液相色譜 （HPLC）是目前 應(yīng)用最多的色譜分析方法，高效 液相色譜系統(tǒng)由流動相儲液體瓶、 輸液泵、進(jìn)樣器、色譜柱、檢測 器和記錄器組成，其整體組成類 似于氣相色譜，

18、但是針對其流動 相為液體的特點(diǎn)作出很多調(diào)整。 HPLC的輸液泵要求輸液量恒定平 穩(wěn)；進(jìn)樣系統(tǒng)要求進(jìn)樣便利切換 嚴(yán)密；由于液體流動相粘度遠(yuǎn)遠(yuǎn) 高于氣體，為了減低柱壓高效液 相色譜的色譜柱一般比較粗，長 度也遠(yuǎn)小于氣相色譜柱。HPLC應(yīng) 用非常廣泛，幾乎遍及定量定性 分析的各個(gè)領(lǐng)域。 色譜理論色譜理論 關(guān)于保留時(shí)間的關(guān)于保留時(shí)間的理論理論 保留時(shí)間是是指從進(jìn)樣開始到某一組分濃度達(dá)到最大值 所需要的時(shí)間，不同的物質(zhì)在不同的色譜柱上以不同的 流動相洗脫會有不同的保留時(shí)間，因此保留時(shí)間是色譜 分析法比較重要的參數(shù)之一 保留時(shí)間由物質(zhì)在色譜中的分配系數(shù)決定 tR = t0(1 + KVs / Vm) 式中tR表示某物質(zhì)的保留時(shí)間，t0是色譜系統(tǒng)的死時(shí)間， 即流動相進(jìn)入色譜柱到流出色譜柱的時(shí)間，這個(gè)時(shí)間由 色譜柱的孔隙、流動相的流速等因素決定。K為分配系 數(shù)，Vs，Vm表示固定相和流動相的體積。這個(gè)公式又 叫做色譜過程方程，是色譜學(xué)最基本的公式之一 基于熱力學(xué)的塔板基于熱力學(xué)的塔板