仪器分析原理解析Word下载.docx

仪器分析原理解析Word下载.docx

《仪器分析原理解析Word下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《仪器分析原理解析Word下载.docx（77页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

有钠灯与汞灯.

钠灯:

主要产生589.6nm与589.0nm

汞灯:

主要产生254~734nm

注:

D2Lamp在656.1nm与486.0nm有吸收峰，

SP8001就是利用MeasureBandwidth

来看656.1nm是否有吸收,来判断WLAccuracy

至于Cary50的Xe灯在541.9nm有吸收.

（a）*波长选择器:

棱镜（Prism）

单色器（Monochromator）

光栅（Grating）

吸收滤光镜（Absorption）

滤光镜（Filter）

干涉滤光镜（InterferenceFilter）

UV-Vis的原理:

光谱仪乃是观察电磁波的波长与侦测物之间的作用情形.波长范围如下:

（紫外光）（可见光）（红外光）

真空紫外光远紫外近紫外蓝光黄光红光近红外光

100200300400500600700800nm

UV-Vis在光波长200~800nm范围内,去侦测由化合物分子外层

轨道电子跃迁的能量.（1nm=10-9;

1μm=10-6;

波数cm-1*波长μm=10000;

1A0=10-10）

当光的能量达到电子跃迁所需的能量时,电子将会从化合物基底状态

轨域跃迁至高能量的分子轨域,这个波长的”光能量”同时被化合物分子

所吸收,而有吸收光谱显示出来,因此紫外光\可见光光谱吸收又可称为

电子吸收光谱,因为电子会吸收光能量,进而造成而有跃迁的现象,由于

一般玻璃会吸收紫外光（350nm以下）,所以此时Cuvette必须使用石英玻璃

或是融合硅材质.

目前我们UV/Vis的系统提供波长的Range各是多少?

Ans:

SP8001:

200-1100nm;

Cary50:

190-1100nm.

2PC:

200-1100nm所以依每个仪器设计而定

λA

λ

1个sine波;

λ是指波长;

A代表振幅

所谓单色（光）器（MonoChromator）:

所谓单色器主要将由光源辐射出来的多色光经由分离的过程

分离成所需的单色光,利用”部分的”单色光来进行光谱分析,所以这种装置就叫做单色器,有棱镜（分光）单色器与光栅（分光）单色器两种,用于定性与定量.

单色（光）器的主要组件有:

Len;

FocalMirror;

Prism或Grating

EnteranceSlit;

ExitSlit

棱镜单色器装置如下:

利用光穿透的原理

聚焦平面

光源Sample

Slit（入射狭缝）平行透镜（Lens）棱镜聚焦透镜Slit（出口狭缝）

注:

实线代表我们所要的波长,通过Slit（出口狭缝）

虚线代表我们没有用到的波长,被焦聚平面檔掉.

透镜（Lens）的介绍:

它通常会具有两个或多个折射面,其材料常以高透明的

玻璃或石英（Quartz）来制造,因为此种材料物性的折射率

才会一致.

聚焦透镜（FocalMirrors）或称反射镜（Mirrors）的介绍:

将分离出的光束聚焦,准确的到达通过样品.

棱镜的介绍：

功能：

在于用来分光,可以用来分散紫外光;

可见光或红外幅射

或改变光束方向.

棱镜结构材料：

a.必须能透过该频率（波长）范围的辐射.

b.其折射率必须很低,以减少反射损失.

c.色散（折射）程度的决定是依折射率随频率改变的速率而定.

棱镜常用材料：

石英棱镜：

适用于紫外光、可见光、近红外光区（在3000nm左右）

玻璃棱镜：

在350-2000nm的波长范围有较佳的分析能力.

玻璃与石英的比较：

在波长范围350-2000nm处,玻璃较石英适合用来制造棱镜,因为玻璃

在这个频率范围内,它的折射率随波长改变而变的”变化频率”会比较大.

然而在波长350nm以下的区域,虽然折射率快速增大,但是相对应的

玻璃吸收效应也快速增加,因此玻璃在350nm以下的区域并不适合作为棱镜.

θ

由上图我们由虚线与透射光束构成的θ,得知由棱镜来分光造成的

色散幅射,是非线性的.

REDSAMPLE

WHITEBLUE

a

aRED

BLUESAMPLE

WHITE

此2图是指复色光穿越棱镜后拆成各成份的波长

代表电动马达带动棱镜转动的方向

目前公司的PDA（D2LAMP）仪器就是棱镜来分光的.

棱镜分光与光栅分光的好坏处?

何时该用何种较好?

请用330-PDA及UV-1201来说明?

同时说明为什么Grating

的StrayLight大于棱镜分光?

Ans:

因为光栅的色散呈线性;

所以紫外光与可见光的带宽是一样的,

不过坏处是容易产生StaryLight,至于棱镜因紫外光的带宽部份

较广,非常合适USER用于有机物的量测,因为目前最常被使用的

Sample大都是有机物质,且在紫外光区都有吸收.

就330PDA用D2LAMP来讲是用棱镜（后分光）,所以分析速度

快,不过如果是采用Grating分光,则需用到步进马达来带动

Grating造成分光,所以在分析速度方面则慢了许多.

至于UV-1201是SingleBean也是D2Lamp不过它是用

Grating分光,所以分析速度较慢因为需要用到步进马达

来带动Grating才能造成分光的效果.

目前公司利用棱镜分光有那些机型?

Ans:

Sp-810;

Sp-830;

Sp-850;

Sp-870

（范围在330-999nm可见光区）

光栅单色器装置如下:

利用绕射原理,使光束产生分光效果.

凹面镜

聚焦平面（FocalMirror）

入口slit反射光栅（Grating）出口slit

Grating放大图：

《单色光：

入射角（i）》《绕射光:

反射角（r）》

光栅垂直法线（N）

1（i）2（i）31（r）2（r）3

由此图我们知道利用Grating分光几乎呈线性,因为反射角会随波长改变的情况很小,所以入射角（i）等于出射角（r）,不过分辨率没有用棱镜分光的好,但为什么会有较大的StrayLight,由Grating放大图我们发现Grating表面因机械切割而呈锯齿状.所以有较大的StrayLight,不过就VarianAA的Grating来讲,因为它是用雷射切割,不是采用机械切割相对VarianAA的Grating的平面较平坦,所以产生StrayLight比较小.

请就Shimadzu2401及Cary100来比较?

Shimadzu2401的Slit是采用做好的五种规格的Slit宽度,供USER选择.

但是就Cary100来讲Slit是用步进马达来调整Slit宽度,相对提供了

USER更多的选择空间.

为什么红外光能量较弱而UV较强?

因为红外光:

波长大,能量小

紫外光:

波长小,能量大

作为单色器材质所需的条件:

1.必须能透过该频率范围的光束

2.折射率必须很低,以减少因反射（R%）所造成的吸收损失.

所谓色散,是指不同材质的折射率会随着频率或波长的不同而改变

的现象.

为什么Grating的分辨率没有棱镜分光好?

而且为什么大尺寸的棱镜的分辨率较小尺寸的棱镜好?

解析力（ResolvingPower）:

R=λ/dλ

对棱镜而言R=λ/dλ=b（dn/dλ）

其中λ:

指棱镜要分解某段放射线（如460.2与460.3）,取平均波长（460.25）

dn/dλ:

色散平均值,表示折射率随波长而变的关系

例如:

460.2与460.3的色散值,然后取平均值.

b:

棱镜基座的宽度（尺寸）

所以由公式可知假设（dn/dλ）的值一样,如b的数值愈大,

代表尺寸变大,则分辨率愈高,所以大尺寸的棱镜分辨率较小尺寸高.

因为Grating的分辨率:

R=λ/△λ

指棱镜要分解某放射线（如460.2与460.3）,取平均波长（460.25）

λ:

指波长相减,如（460.3–460.2）

由公式得知,光栅分辨率随波长的增加而减少,

所以它的分辨率不如棱镜

棱镜与光栅色散的不同:

棱镜的色散不具线性,表示反射角容易因波长的改变而有很大的改变

光栅的色散呈线性,表示反射角不会因波长的改变而有太大的改变

在光色散效果上,光栅Grating与棱镜Prism有何优缺点?

在作为色散组件上,光栅优于棱镜,其优点如下:

1.色散不会因波长而变故几乎呈线性,可使单色器的设计更简单

2.一样尺寸,Grating的色散效果优于Prism.

不过较大尺寸的Prism的分辨率就优于较小尺寸的Prism.

3.Grating可用于远紫外光区（Far-UV）与远红外光区（Far-IR）

但是Prism在远紫外光区与远红外光区,却会发生吸收的现象.

4.棱镜的反射角度受限制,也就是指”长波”之间距离较”短波”更为接近

至于光栅的反射角度θ都一样.

5.棱镜对温度变化敏感.

光栅的缺点:

会产生StrayRadiation光会产生散乱的辐射现象,

就是所谓的迷光（不该出现的光）

散乱辐射（ScatteredRadition）:

是指单光器的出口光束含有不同光学部位所产生的不同波长的辐射

以及由灰尘粒子所产生的散射所以引起,StaryRadiation愈严重,

会导致Beer’sLaw（CalibrationCurve）有负偏差（NegativeDeviation）.

迷光的影响:

StrayLightReaction可以决定仪器最大的吸收值范围

所以过高浓度的Sample也会造成仪器测试结果有Stray

Light的现象（HighOrderSpectrum）,应视仪器Stray

Light规格来决定最大的吸收值范围,再决定Sample的浓

度应该如何来配合.

如果Beer-LambertLaw产生偏移,而且浓度无法再稀释,我们应如何处理?

ANS:

利用波长控制ABS就可以控制CalibrationCurve.

为什么高浓度会造成吸亮度与浓度不呈线性:

在高浓度时（通常＞0.01M）,造成吸收物种之间的平均距离减少,而使

得各粒子间的平均距离减少,造成各粒子互相影响对方的电荷分布,这影

响会改变粒子本身吸收一定波长的能力,所以影响程度与浓度高低有关,

若此现象一旦发生就会使吸亮度与浓度无法呈线性关系.

（理想的abs值在0.1-0.8的范围内）

狭缝（Slit）的介绍及重要性:

狭缝宽度（SlitWidth）就是供光束通过的小孔的孔径,所以较窄的狭缝宽度,会得到较高节分辨率,但是相对的孔径愈小通过的光束能量也愈小,也使得**Signal与Noise的比（简称S/N比）增加,所得出来的Spectrum

因abs不正常上升相对的分辨率也变差了,愈不遵守Beer’slaw.

至于SlitWidth愈宽,则会造成很多光束辐射通过Slit的困扰.

Signal:

指一个Sample的abs代表一个Signal

Noise:

指在无Sample状态下,Signal在短时间的改变量,称为Noise

Signal与Noise的比:

通常S/N最好需>

5

在何种状态下,必须用到极低的Slit?

用在稀薄的样品（如气体）,因为极低Slit的S/N会提高,

也就是说讯号值提高,所以如果S/N变小,而且又是稀薄样品,

会因为Noise噪声值的比例过大,导致无法读出正确讯号值.

一部好的光学仪器设计应该有的条件？

1.HighResolution高光谱分辨率,利于USER判断所需的PEAK

2.HighLightThroughput高光穿透率,方便得到最好的结果

3.LowStrayLight低迷光,方便得到最好的线性结果

带宽SBW（SpectrumBandwidth）的介绍:

带宽（Bandwidth）:

Bandwidth愈小,分辨率愈高.（所以与Slit宽度有关）

由下图可知带宽的形成

波长范围的大小,其表示方式是指缝宽（SpectralSlitWidth）

与最高强度的一半（半高宽）来当做光谱的”带宽”.

“光谱带宽”的目的在于提供单色器产生”光的定量法”.

也就是利用Slit的孔径尺寸来决定通过光束的能量.

强

度

最高强度的一半

nm

光谱带宽

光谱缝宽

波长1nm

问题:

减少Slit的宽度,可以增加光谱纯度也就是增加分辨率,

但是应该减多少才好?

减少”狭缝宽”有一定的限度,当Slit减少,到达Sample与侦测器的”光能量”也减少,虽然高强度光源可以允许相当小的缝宽,不过还是要依侦测器的LOD最小侦测极限与灵敏度来决定Slit的尺寸,因为高灵敏度的侦测器对于

因光电子造成的”背景Noise”也更容易侦测的到并扣除,相对避免光谱图形的质量因噪声影响而打折扣.

滤光镜（Filter）的介绍与重要性:

主要将不需要的波长范围,利用吸收或干涉,使它消失不见,就是将光束纯化,

因波长选择的分辨率差只适合用于定性分析,并不适于定量分析

滤光镜主要分为:

吸收滤光镜（AbsorptionFilter）:

只限于可见光区

也就是说可见光区的一部份几乎完全穿透,至于其他波长范围

被AbsorptionFilter所吸收截断.

干涉滤光镜（InterfenceFilter）:

可用于紫外光;

可见光与红外光区.

利用光学干涉原理.也就是说利用两层金属薄膜,会对部份光束

造成干涉而反射,并允许其他光束通过.

干涉滤光镜与吸收滤光镜两者的比较:

吸收滤光镜的透光率T%小,相对的分辨率差（PeakApex较不尖）,造成

的带宽也较大（半高宽较宽）

T%干涉滤光镜带宽小~2nm

吸收滤光镜带宽大~20nm

nm

总结:

SlitWidthBandwidthResolutionSensitivity

SlitWidthBandwidthResolutionSensitivity

Sensitivity:

表示”测量值”不是很精准

（c）

光子侦测器光电池光电管光电倍增管

侦测器Detector（Photo;

UV-Vis）

热侦测器Termocouple;

Bolometer

（HeatDetecor;

IR）PneumetricDetector

光子侦测器利用光子效应,可适用UV-Vis光区,因为IR的光子能量

并不足以引起Phototube的感应.

TermalDetector（orHeatDetector）:

利用热效应,可适用于红外光区.

侦测器Detector的性质:

a.必须对大范围的波长要有感应

b.对低辐射要能敏感

c.反应要快速,并能产生放大讯号

d.稳定性杂音（Noise）要低

e.产生的讯号必须直接与光束能量成正比.

光电倍增管PMT（PhotoMultiplierTube）组成原理:

利用电子撞击二极管可以产生更多的电子,相对光也较强.

因为PMT的每一光子可以产生106~107个电子,如此讯号会变大

方便User判读图谱结果,也就是将光讯号经由PM-Tube转换成

电子讯号放大.

ThermalDetector（HeatDetector）原理:

藉由涂黑的表面吸收红外线辐射而造成温度的变化

如此就会产生光放热的现象,此发热的表面再与Transducer

相接,此Transducer（传导器）可以将热讯号转成电子讯号.

为什么Sample要放在单光器与侦测器之间?

因为Sample直接照射紫外线由于光能量太过强烈,

会造成Sample分解的光解现象.

因为紫外光的吸收,是由基态电子吸收跃迁到激发态电子,由于

激发态电子生命极短,当由激发态电子回到基态电子的过程中,

同时放射出能量,而被Detector侦测到,所以较强.

何处是UV与Vis的分界点?

通常在340-360nm作切换,不过不同仪器有不同的设计.

为什么在红外线仪器（IR）中Sample可以放置在光源与单光器之间?

因为红外线光子能量较紫外线弱,所以不会有光解的现象.

因为红外光的吸收,是分子中原子振动而造成的吸,所以较弱.

如何测定波长是否准确?

请以HolmiumOxide与Didymium玻璃滤片（FilterGlass）来测试

如果是紫外光区请采用重硌酸钾K2Cr2O7标准液.

玻璃滤片:

是一种对特定波长的光有吸收（如UV）或者具有穿透性（如FTIR）

的着色光学玻璃.

DoubleBean仪器:

将光束利用Grating分成2光束,1光束通过Sample,

另一光束通过Reference（又称Blank）.

公式:

Sampleabs或称OD值=Sample（sample+medium）–Reference（medium）

Beer’sLaw:

（a）穿透率T%（Transmittance）:

=（I）/（I0）×

100%

I:

出射光的功率　I0:

入射光的功率

A:

Absorbance（a=ε:

消光系数b:

Pathlength单位公分;

c:

concentration）

（b）

A=-logT=logI/I0=abc

a=ε:

消光系数或莫耳吸光系数（MloarAbsorptivity）,指任何物质都有

吸光系数且都是固定值,其a值会随溶液的”折射率n”的改变而改变

当c:

待测样品莫耳浓度则折射率n导致ε,于是有负误差

也就造成StrayRadiation,无法呈线性关系,也就无法

符合比尔定律,（一般适用浓度c<

0.01M）

折射率越高,进而造成吸收光的数值越低

当T=0%∴A=∞

当T=10%（0.1）A=+1（-log100.1（0.1=10-1））=∴+1

当T=25%（0.25）A=+0.6

当T=100%A=0

若有StrayRadition:

P0样P

PS品PS

P0:

入射光P:

出射光

PS:

ThePowerOfStrayRadiation散乱辐射强度（迷光）

（ObservedAbsorbance观察到的散乱吸光值）A’=logP0+PS/P+PS

正常吸收值公式A=-logT=logP0/P

结果：

A’（散乱辐射的吸收值）<

A（正常吸收值）

所以当迷光效应情形愈严重,会造成样品吸亮度小于Beer’slaw的预测.

于是产生负误差.

UV-Vis吸收特性:

紫外光与可见光的吸收,通常是由于键结电子的激发作用,

所以吸收峰的波长是与所研究物种的”键结型态”是相关连的.

UV仪器的结构种类的介绍:

（1）种类:

亮度计（Photometer）:

以滤光镜分光.

不过滤光镜不适合作定量分析,因为其波长选择解析能力较差.

分光亮度计（Spectrometer）:

以单色器分光

至于利用单色器分光因为有良好的波长解析能力,产生较窄又

较尖的谱宽,因此相当适用于定量与定性分析.

（2）设计:

分为Single-Bean及Double–Bean:

Single-Bean:

光源滤光镜SampleDetector

Double-Bean:

Sample（sample+medium）侦测器

光源滤光镜运算读出

Reference（Blank）侦测器

Medium=Reference=Blank

侦测器的侦测出来的Sampleabs依公式

Sampleabs=（Sample+Medium）–Reference（Blank）

（3）Singlebean与Doublebean的比较:

Doublebean的优点是PO与P同时量测,可补偿因电波动以外的变化,所以

吸收测量数值较为准确,而且光源、侦测器与放大器会随时间而变的不规则性,所以组件不须如SingleBean那样的高质量,但缺点是组件多而杂.

SingleBean只对于单一波长的吸收作量测,对于用在定性分析上尤其好用,

而且仪器简单、好保养.

请描述SingleBean的坏处?

因为SingleBean无法将环境变因扣除（如温度与湿度变化）

所以容易造成BaselineDrift（基线会飘）,相对的不适合作定量,

所以较适合作定性.

为什么DualBean比DoubleBean好?

　因为DualBean随时（online）把环境变因扣除,所以Baseline稳定,

如果Blank长时间照射另一光束,就会造成Blan