光谱分析原理及其方法Word格式.docx

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光谱分析对于研究天体的化学组成也很有用。

十九世纪初，在研究太阳光谱时，发现它的连续光谱中有许多暗线。

最初不知道这些暗线是怎样形成的，后来人们了解了吸收光谱的成因，才知道这是太阳内部发出的强光经过温度比较低的太阳大气层时产生的吸收光谱。

仔细分析这些暗线，把它跟各种原子的特征谱线对照，人们就知道了太阳大气层中含有氢、氦、氮、碳、氧、铁、镁、硅、钙、钠等几十种元素。

根据分析原理光谱分析可分为发射光谱分析与吸收光谱分析二种；

根据被测成分的形态可分为原子光谱分析与分子光谱分析。

光谱分析的被测成分是原子的称为原子光谱,被测成分是分子的则称为分子光谱。

分子光谱中常见的是红外光谱（IR）、紫外光谱（Uv-Vis）、核磁共振（NMR），核磁共振中常见的是氢核磁共振（1HNMR）和碳核磁共振（12CNMR）。

（资料来源于XX百科）

1.分子光谱法

分子光谱法是由分子中电子能级，振动和转动能级的变化产生的，表现为带色谱。

基于物质分子与电磁辐射作用时,物质内部发生了量子化的能级之间的跃迁,测量由此产生的反射,吸收或散射辐射的波长和强度而进行分析的方法,称为分子光谱分析法。

如紫外可见分光光度法,分子荧光光谱法,红外及拉曼光谱法,核磁共振波谱法等[1]。

1.1紫外-可见分光光度法（Uv-Vis）

组成：

光源、单色器、样品池、检测器。

光源：

①能提供连续的辐射；

②光强度足够大；

③在整个光谱区内光谱强度不随波长有明显变化；

④光谱范围宽；

⑤使用寿命长，价格低。

钨灯——可见光区320～2500nm，氢灯或氘灯——紫外光区195－375nm，U3010（碘钨灯、氘灯）波长范围190-900nm。

单色器：

包括狭缝、准直镜、色散元件。

吸收池：

玻璃——由于吸收紫外UV光，仅适用于可见光区；

石英——适用于紫外和可见光区。

检测器（将光信号转变为电信号的装置）：

光电管；

光电倍增管；

二极管阵列检测器。

记录装置：

讯号处理和显示系统。

紫外可见分光光度法（Uv-Vis法）具有设备简单、适用性广、准确度和精密度高等特点。

在有机化学、生物化学、食品检验、医疗卫生、环境保护、肿瘤诊断、生命科学等各个领域和科研生产工作中都已得到了广泛的应用。

1.1.1紫外-可见分光光度法原理

紫外可见分光光度法的定量分析基础是朗伯一比尔（Lambert—Beel-）定律。

即物质在一定浓度的吸光度与它的吸收介质的厚度呈正比，其数学表示式如下：

A=abc

式中：

A—吸光度；

a—摩尔吸光系数；

b—吸收介质的厚度；

c—吸光物质的浓

紫外--可见分光光度法：

是根据物质分子对波长为200-760nm这一范围的电磁波的吸收特性所建立起来的一种定性、定量和结构分析方法。

操作简单、准确度高、重现性好。

波长长（频率小）的光线能量小，波长短（频率大）的光线能量大。

分光光度测量是关于物质分子对不同波长和特定波长处的辐射吸收程度的测量。

1.1.2紫外-可见光分光光度计操作步骤以及样品要求

操作规程：

①打开仪器开关，仪器使用前应预热30分钟。

②转动波长旋钮，观察波长显示窗，调整至需要的测量波长。

③根据测量波长，拨动光源切换杆，手动切换光源。

200-339nm使用氘灯，切换杆拨至紫外区；

340nm-1000nm使用卤钨灯，切换杆拨至可见区。

④调T零在透视比（T）模式，将遮光体放入样品架，合上样品室盖，拉动样品架拉杆使其进入光路。

按下“调0%”键，屏幕上显示“000.0”或“-000.0”时，调T零完成。

⑤调100%T/OA先用参比（空白）溶液荡洗比色皿2-3次，将参比（空白）溶液倒入比色皿，溶液量约为比色皿高度的3/4，用擦镜纸将透光面擦拭干净，按一定的方向，将比色皿放入样品架。

合上样品室盖，拉动样品架拉杆使其进入光路。

按下“调100%”键，屏幕上显示“BL”延时数秒便出现“100.0”（T模式）或“000.0”、“-000.0”（A模式）。

调100%T/OA完成。

⑥测量吸光度：

参照操作步骤③、步骤④。

在吸光度（A）模式，参照步骤⑤调100%T/OA。

用待测溶液荡洗比色皿2-3次，将待测溶液倒入比色皿，溶液量约为比色皿高度的3/4，用擦镜纸将透光面擦拭干净，按一定的方向，将比色皿放入样品架。

合上样品室盖，拉动样品架拉杆使其进入光路，读取测量数据。

⑦测量透视比：

在透视比（T）模式，参照步骤⑤调100%T/OA。

用待测溶液荡洗比色皿2-3次，将待测溶液倒入比色皿，溶液量约为比色皿高度的3/4，用擦镜纸将透光面擦拭干净，按一定的方向，将比色皿放入样品架。

⑧浓度测量：

在透视比（T）模式，参照步骤⑤调100%T/OA。

用标准浓度溶液荡洗比色皿2-3次，将标准浓度溶液倒入比色皿，溶液量约为比色皿高度的3/4，用擦镜纸将透光面擦拭干净，按一定的方向，将比色皿放入样品架。

按下“功能键”切换至浓度（C）模式。

按下“▲”或“▼”键，设置标准溶液浓度，并按下“确认”键。

注意事项：

使用紫外光谱测量浓度时，需要制备不同浓度的标准品，并绘制标准曲线，然后根据所测的紫外吸收光谱曲线，计算得到结论。

操作时，注意需要提前预热20分钟。

样品制备好了以后不能长时间的放置。

对于不同的物质，需要在特定的波长下进行吸收检测。

对于样品检测时，需要及时冲洗干净玻璃皿。

1.1.3紫外-可见分光光度法仪器与应用

紫外可见分光光度计是一类很重要的分析仪器,无论在物理学、化学、生物学、医学、材料学、环境科学等科学研究领域,还是在化工、医药、环境检测、冶金等现代生产与管理部门,紫外可见分光光度计督有广泛而重要的应用。

紫外可见分光光度计有着较长的历史,其主要理论框架早已建立,制作技术相对成熟。

但构成紫外可见分光光度计的光、机、电、算等任何一方面的新技术都可能再推动紫外可见分光光度计整体性能的进步。

在追求准确、快速、可靠的同时,小型化、智能化、在线化、网络化成为了现代紫外可见分光光度计新的增长点。

紫外可见分光光度计作为一项产业,用户的需求是其发展的根本动力,面向客户、以人为本是设计和制造紫外可见分光光度计应该遵循的法则[2]。

应用范围包括：

①定量分析，广泛用于各种物料中微量、超微量和常量的无机和有机物质的测定。

②定性和结构分析，紫外吸收光谱还可用于推断空间阻碍效应、氢键的强度、互变异构、几何异构现象等。

③反应动力学研究，即研究反应物浓度随时间而变化的函数关系，测定反应速度和反应级数，探讨反应机理。

④研究溶液平衡，如测定络合物的组成，稳定常数、酸碱离解常数等。

1.2红外光谱法（IR）

红外光谱 

（InfraredSpectroscopy,IR）的研究开始于20世纪初期，自1940年商品红外光谱仪问世以来，红外光谱在有机化学研究中得到广泛的应用。

近几十年来一些新技术（如发射光谱、光声光谱、色—红联用等）的出现，使红外光谱技术得到更加蓬勃的发展。

1.2.1红外光谱分析原理

将一束不同波长的红外射线照射到物质的分子上，某些特定波长的红外射线被吸收，形成这一分子的红外吸收光谱。

每种分子都有由其组成和结构决定的独有的红外吸收光谱，据此可以对分子进行结构分析和鉴定。

红外吸收光谱是由分子不停地作振动和转动运动而产生的，分子振动是指分子中各原子在平衡位置附近作相对运动，多原子分子可组成多种振动图形。

当分子中各原子以同一频率、同一相位在平衡位置附近作简谐振动时，这种振动方式称简正振动（例如伸缩振动和变角振动）。

分子振动的能量与红外射线的光量子能量正好对应，因此当分子的振动状态改变时，就可以发射红外光谱，也可以因红外辐射激发分子而振动而产生红外吸收光谱。

分子的振动和转动的能量不是连续而是量子化的。

但由于在分子的振动跃迁过程中也常常伴随转动跃迁，使振动光谱呈带状。

所以分子的红外光谱属带状光谱[3]。

1.2.2红外光谱法操作步骤以及样品要求

操作步骤：

开机→仪器自检→软件操作→整理绘图。

环境要求（室内温度：

18℃～25℃相对湿度：

≤60%）。

开机：

开启电源稳压器，打开电脑、打印机及仪器电源。

建议在操作仪器采集谱图前，先让仪器稳定20分钟以上。

仪器自检：

按【OMNIC】打开软件后，仪器将自动检测并在右上角【状态】出现绿色【√】。

这样表示电脑和仪器通讯正常。

软件操作：

进入【采集】菜单的【实验设置】，进入【诊断】观察红外信号是否正常，如果正常就直接跳到下一步，如果不正常（比如说最大值小于4），就按【准直】进行光路自动校准，如果还是不正常，就先按【重置光学台】，等几秒钟再按【准直】；

将背景样品放入样品仓或以空气为背景，按【COLBKG】采集背景光谱；

将测试样品放入样品舱，按【COLSMP】采集红外光谱；

需要时，按BSLNCOR自动校正基线，或进行平滑处理等其它数据处理；

需要时，按【制图检索】进行谱图检索和红外谱图解析；

按【FINDAKS】识别谱峰；

打印。

样品要求以及注意事项：

参照池和吸收池应是一对经校正好的匹配的吸收池，材料和规格一致；

使用前后应将洗手池洗净，测量时不能用手接触窗口；

已匹配好的比色皿不能用炉子和火焰干燥，不能加热，以免引起光程长度上的改变；

选择适宜波长的入射光，由于有色物质对光有选择性吸收,为了使测定结果有较高的灵敏度,必须选择溶液最大吸收波长的入射光；

控制吸光度A的准确的读数范围,由朗伯-比耳定律可知,吸光度只有控制在0.2--0.7读数范围内时,测量的准确度较高；

选择参比溶液，参比溶液是用来调节仪器工作零点的。

若样品溶液，试剂，显色剂无色可用蒸馏水作参比溶液，反之应采用不加显色剂的样品液作参比溶液。

1.2.3红外光谱仪器及其应用

近红外光谱仪器的基本结构与一般光谱仪器一样,都是由光源系统、分光系统、样品室、检测器、控制和数据处理系统及记录显示系统组成。

根据光的分光方式,近红外光谱仪可分为滤光片型、色散型（光栅、棱镜）、傅里叶变换型（FT）、声光可调滤光型（AOTF）和固定光路多通道检测型等五种类型。

近红外光谱分析技术就是利用化学物质在近红外光谱区内的光学特性，快速测定样品中一种或多种化学成分含量及特性的物理测定技术。

近红外光（NIR）是介于可见光（VLS）与中红外（MIR）之间的电波，美国材料检测协会（ASTM）将波长在780～2526nm间的光谱区定义为近红外光谱区，近红外光谱主要通过透射光谱技术或反射光谱技术获得。

近红外光谱分析技术可用于肉制品中蛋白质、氨基酸、脂肪、水分以及其它营养成分的快速检测。

近红外光谱分析技术具有无污染、无破坏且快捷、成本低廉、分析项目广、高效、绿色环保等特点，在许多领域如农业、食品、石油化工、医药、纺织化妆品等行业中都得到研究和应用，为非接触式在线无损检测提供了较为有利的条件和前景。

利用近红外光谱的优点有：

①.简单方便，有不同的测样器件可直接测定液体、固体、半固体和胶状体等样品，检测成本低。

②.分析速度快，一般样品可在1min内完成。

③.适用于近红外分析的光导纤维易得到，故易实现在线分析及监测，极适合于生产过程和恶劣环境下的样品分析。

④.不损伤样品可称为无损检测。

⑤.分辨率高可同时对样品多个组分进行定性和定量分析等。

所以目前近红外技术在食品产业等领域应用较广泛。

近红外区域是人们最早发现的非可见光区域。

但由于物质在该谱区的倍频和合频吸收信号弱，谱带重叠，解析复杂，受当时的技术水平限制，近红外光谱“沉睡”了近一个半世纪。

进入90年代，近红外光谱在工业领域中的应用全面展开，有关近红外光谱的研究及应用文献几乎呈指数增长，成为发展最快、最引人注目的一门独立的分析技术。

由于近红外光在常规光纤中具有良好的传输特性，使近红外谱在在线分析领域也得到了很好的应用，并取得良好的社会效益和经济效益，从此近红外光谱技术进入一个快速发展的新时期[4]。

1.3核磁共振（NMR）

核磁共振（NuclearMagneticResonance,NMR）是以原子核自旋的共振跃迁为探测对象的谱学方法。

1.3.1核磁共振原理及特点

核磁共振原理是原子核在磁场中受到磁化，自旋角动量发生进动，当外加能量（射频场）与原子核震动频率相同时，原子核吸收能量发生能级跃迁，产生共振吸收信。

原子核带有正电,许多元素的原子核进行自旋运动。

通常情况下，原子核自旋轴的排列是无规律的,但将其置于外加磁场中时,核自旋空间取向从无序向有序过渡，自旋系统的磁化矢量由零逐渐增长,当系统达到平衡时,磁化强度达到稳定值。

如果此时核自旋系统受到外界作用,如一定频率的射频激发原子核即可引起共振效应。

在射频脉冲停止后,自旋系统已激化的原子核,不能维持这种状态,将回复到磁场中原来的排列状态,同时释放出微弱的能量,成为射电信号,把这许多信号检出,并使之能进行空间分辨,就得到运动中原子核分布图像。

磁共振最常用的核是氢原子核质子,因为它的信号最强,在人体组织内也广泛存在。

相比于其他传统的检测方法，核磁共振法能够保持样品的完整性，是一种非破坏性的检测手段，操作方法简单快速，测量精确，重复性高；

样品无需添加溶剂，定量测定无需标样；

测量结果受材料样本大小与外观色泽的影响较小，且不受操作员的技术和判断所影响。

另外,利用该技术可在短时间内同时获得样品中多种组分的弛豫时间曲线图谱，从而能准确地对样品进行分析鉴定。

1.3.2核磁共振波谱仪操作要求

利用不同元素原子核性质的差异分析物质的磁学式分析仪器。

这种仪器广泛用于化合物的结构测定，定量分析和动物学研究等方面。

它与紫外、红外、质谱和元素分析等技术配合，是研究测定有机和无机化合物的重要工具。

原子核除具有电荷和质量外，约有半数以上的元素的原子核还能自旋。

由于原子核是带正电荷的粒子，它自旋就会产生一个小磁场。

具有自旋的原子核处于一个均匀的固定磁场中，它们就会发生相互作用，结果会使原子核的自旋轴沿磁场中的环形轨道运动,这种运动称为进动。

自旋核的进动频率ω0与外加磁场强度H0成正比，即ω0=γH0，式中γ为旋磁比,是一个以不同原子核为特征的常数,即不同的原子核各有其固有的旋磁比γ，这就是利用核磁共振波谱仪进行定性分析的依据。

从上式可以看出，如果自旋核处于一个磁场强度H0的固定磁场中,设法测出其进动频率ω0，就可以求出旋磁比γ，从而达到定性分析的目的。

同时，还可以保持ω0不变,测量H0，求出γ,实现定性分析。

核磁共振波谱仪就是在这一基础上，利用核磁共振的原理进行测量的[5]。

2.原子光谱法

原子光谱法是由原子外层或内层电子能级的变化产生的，它的表现形式为线光谱。

属于这类分析方法的有原子发射光谱法（AES）,原子吸收光谱法（AAS）,原子荧光光谱法（AFS）以及X射线荧光光谱法（XFS）等。

原子光谱学是通过原子与离子的相互作用所伴随的电磁.辐射来研究它们的。

尤其是在这种相互作用中，随着原子中内部电子的重新排列，该辐射被吸收或被散射。

原子光谱学家们非常重视这些相互作用过程与辐射频率（或等价于辐射波长）的关系。

原子光谱学的核心是分类学，它对所产生的数据的编制和解释是特别重要的。

原子光谱学的妙处就在于量子力学不仅建立在库仑势中运动的单电子能级分类学上，而且为多电子原子的分类学研究提供了一个框架。

这就是多电子原子不断引起科李家们对原子光谱学感兴趣的微妙奥秘之处[6]。

原子光谱的常规分析主要仍使用比色、原子吸收、直读光谱和ICP-AES。

随着计算机、光纤、激光等高科技尖端技术的发展,传感器、质谱以及联用技术等发展很快,促进了原子光谱学及原子光谱分析的快速发展。

2.1原子吸收光谱法（AAS）

2.1.1原子吸收光谱的基本原理

在自然界中，一切物质的分子均由原子组成，而原子由一个原子核和核外电子构成。

原子核内有中子和质子，质子带正电，核外电子带负电，其电子数目和构型决定了该元素的物理和化学性质。

电子按一定的轨道绕核旋转，根据电子轨道离核的距离，有不同的能量级，可分为不同的壳层，而每一壳层所允许的电子数是一定的。

当原子处于正常状态时，每个电子趋向占有低能量的能级，这时原子所处的状态叫基态（E0）。

在热能、电能或光能的作用下，原子中的电子吸收一定的能量，处于低能态的电子被激发跃迁到较高的能态，原子此时的状态叫激发态（Eq），原子从基态向激发态跃迁的过程是吸能过程。

处于激发态的原子是不稳定的，一般在8～10s内就要返回到基态（E0）或较低的激发态（Ep）。

此时，原子释放出多余的能量，辐射出光子束，其辐射能量的大小由下列公式表示：

△E=Eq-Ep（或E0）=hf=hc/λ

（1）

h为普朗克常数，其值为6．6262×

10－34J·

S；

f和λ是电子从Eq能级返回到Ep（或E0）能级时所发射光谱的频率和波长c为光速。

Eq、Ep或E0值的大小与原子结构有关，不同元素的Eq、Ep和E0不相同，一般元素的原子只能发射由其Eq、Ep或E0决定的特定波长或频率的光，

即：

f＝Eq－Ep（或E0）/h

（2）

物质的原子都具有特定的原子结构和外层电子排列，因此不同的原子被激发后，其电子具有不同的跃迁，能辐射出不同波长光，即每种元素都有其特征的光谱线。

在一定的条件下，一种原子的电子可能在多种能态间跃迁，并辐射不同特征波长的光。

这些光是一组按次序排列的不同波长的线状光谱，这些谱线可作鉴别元素的依据，对素作定性分析，而谱线的强度与元素的含量成正比，依此可测定元素的含量。

某种元素被激发后，核外电子从基态E0激发到最接近基态的最低激发态E1为共振激发。

当其又回到E0时，发出的辐射光线即为共振线（resonanceline）。

基态原子吸收共振线辐射也可以从基态上升至最低激发态，由于各种元素的共振线不相同，并具有一定的特征性，所以原子吸收仅能在同种元素的一定特征波长中观察，当光源发射的某一特征波长的光通过待测样品的原子蒸气时，原子的外层电子将选择性地吸收其同种元素所发射的特征谱线，使光源发出的入射光减弱，将特征谱线因吸收而减弱的程度用吸光度A表示，A与被测样品种的待测元素含量成正比，即基态原子的浓度越大，吸收的光量越多。

通过测定吸收的光量，就可以求出样品中待测金属及类金属物质的含量。

对于大多数金属元素而言，共振线是该元素所有谱线中最灵敏的谱线，这就是原子吸收光谱分析法的原理，也是该法之所以有较好选择性、可以测定微量元素的根本原因[7]。

2.1.2原子吸收光谱的仪器

原子吸收光谱分析仪器装置的原理是通过火焰、石墨炉等将待测元素在高温或是化学反应作用下变成原子蒸气,由光源灯辐射出待测元素的特征光,在通过待测元素的原子蒸气时发生光谱吸收,透射光的强度与被测元素浓度成反比,在仪器的光路系统中,透射光信号经光栅分光,将待测元素的吸收线与其他谱线分开。

经过光电转换器,将光信号转换成电信号,由电路系统放大、处理,再由CPU及外部的电脑分析、计算,最终在屏幕上显示待测样品中微量及超微量的多种金属和类金属元素的含量和浓度,由打印机根据用户要求打印报告单。

仪器主要由5部分组成:

光源、原子化器、光路系统、电路系统、电脑系统（见图1）

何华焜等[8]就AAS仪器的关键部件光源、分光系统与光电检测器件以及实验室研发的连续光源（CS）AAS仪器装置近年来取得的进步进行了评述,对CS-AAS仪器装置的发展现状与未来作了分析讨论。

此外,还对二极管激光器光源进入AAS领域后引起的变化和各种小型、微型原子化器的出现所兴起小型专用AAS实验仪器装置,以及一次测量背景校正技术的商品化等等作了深入的分析讨论。

李昌厚[9]论述了原子吸收分光光度计仪器及其应用的最新进展。

何嘉耀、何华焜对在2004年推向市场的两种商品仪器所采用的两种新的背景校正方法,从方法的原理、演变与形成过程及分析性能等方面进行了较为详细的讨论和解析,指出商品仪器背景校正的测量技术正由两次测量完成发展到了用一次测量完成的新阶段。

朱琦蕾介绍了石墨炉原子吸收仪器研究应用进展。

原霞、孙汉文等[10]就石墨炉原子吸收光谱分析悬浮进样技术进行了概述,分析比较了与其他进样技术的不同。

陈伟光等[11]评述了原子吸收光谱法在环境及生物样品分析中的应用。

随着原子化器和检测器的小型化,钨丝原子吸收光谱分析仪在便携式分析仪器方面显示了很大的潜力,吴鹏等对钨丝在原子吸收光谱分析中的应用进行了综述。

郭寿鹏等论述了多元配合物在原子吸收光谱法中的应用,重点介绍了AAS法在间接测定元素成分方面的发展现状。

2.2原子荧光光谱分析（AFS）

2.2.1原子荧光光谱分析原理及应用

原子荧光光谱法（AFS）因化学蒸气分离、非色散光学系统等特性，是测定微量砷、锑、铋、汞、硒、碲、锗等元素最成功的分析方法之一。

原子荧光光谱法（AFS）是介于原子发射光谱（AES）和原子吸收光谱（AAS）之间的光谱分析技术。

它的基本原理是基态原子（一般蒸汽状态）吸收合适的特定频率的辐射而被激发至高能态，而后激发过程中以光辐射的形式发射出特征波长的荧光[12]。

原子荧光光谱分析法是测量待测元素的原子蒸气在一定波长的辐射能激发下发射的荧光强度进行定量分析的方法。

原子荧光的波长在紫外、可见光区。

气态自由原子吸收特征波长的辐射后，原子的外层电子从基态或低能态跃迁到高能态，约经10-8秒，又跃迁至基态或低能态，同时发射出荧光。

若原子荧光的波长与吸收线波长相同，称为共振荧光；

若不同，则称为非共振荧光。

共振荧光强度大，分析中应用最多。

在一定条件下，共振荧光强度与样品中某元素浓度成正比。

该法的优点是灵敏度高，目前已有20多种元素的检出限优于原子吸收光谱法和原子发射光谱法；

谱线简单；

在低浓度时校准曲线的线性范围宽达3~5个数量级，特别是用激光做激发光源时更佳。

主要用于金属元素的测定，在环境科学、高纯物质、矿物、水质监控、生物制品和医学分析等方面有广泛的应用[13]。

2.2.2原子荧光光谱分析仪器

目前，国产原子荧光谱仪占据国内近90%的市场，是国产分析仪器的骄傲。

在