第五版仪器分析光谱法仪器与光学仪器课件.ppt

1、10:50:50优秀课件，精彩无限！1第二节第二节第二节第二节第二节第二节 光谱法仪器与光谱法仪器与光谱法仪器与光谱法仪器与光谱法仪器与光谱法仪器与光学器件光学器件光学器件光学器件光学器件光学器件第二章第二章第二章第二章第二章第二章 光谱分析法导论光谱分析法导论光谱分析法导论光谱分析法导论光谱分析法导论光谱分析法导论 an introduction to optical analysis instruments for spectro-metry and optical parts10:50:51优秀课件，精彩无限！2一、光谱分析仪器原理和基本结构1、光谱分析仪器原理例：紫外-可见吸收光谱-朗

2、伯比耳定律10:50:51优秀课件，精彩无限！32、光谱分析仪器基本结构（1 1）光源）光源(辐射源辐射源)；（2 2）色散元件）色散元件(单色器单色器)；（3 3）盛装样品的容器；）盛装样品的容器；（4 4）检测器或换能器；）检测器或换能器；（5 5）信号处理器或读出装置）信号处理器或读出装置(显示与数据处理显示与数据处理)main parts of spectrometry10:50:52优秀课件，精彩无限！410:50:52优秀课件，精彩无限！5二、光源系统二、光源系统-要求有足够的输出功率以便容易检测和测定要求有足够的输出功率以便容易检测和测定.有足够的稳有足够的稳定性定性.在仪器设计

3、中,常将光源发出的光分为二束,一束通过试样,另一束不通过试样,测量两束光信号比作为分析的变量,用以克服光源稳定性带来的问题.差值A光源单色器吸收池检测器显示光束分裂器10:50:53优秀课件，精彩无限！6 依据方法不同，采用不同的光源：火焰、灯、激光、依据方法不同，采用不同的光源：火焰、灯、激光、电火花、电弧等电火花、电弧等 依据光源性质不同，分为：依据光源性质不同，分为：1 1、连续光源、连续光源：应用于紫外-可见吸收，分子荧光、分子磷光、红外吸收光谱中。能能在较大波长范围提供在较大波长范围提供的光源的光源 如：氢灯、氘灯、钨丝灯等如：氢灯、氘灯、钨丝灯等 在紫外光区最普通的光源是氢灯或氘灯

4、在紫外光区最普通的光源是氢灯或氘灯.需要特别强需要特别强的光源时的光源时,选用高压、充有氩气、氦气或汞蒸气的充气弧灯选用高压、充有氩气、氦气或汞蒸气的充气弧灯.可见光区可见光区,采用钨丝灯采用钨丝灯.红外光源红外光源,采用将惰性固体加热到采用将惰性固体加热到1500-2000K10:50:54优秀课件，精彩无限！710:50:54优秀课件，精彩无限！82、线光源应用于原子吸收、原子荧光以及拉曼光谱中 提供提供的光源，常见的有：金属蒸的光源，常见的有：金属蒸气灯气灯(汞灯、钠蒸气灯汞灯、钠蒸气灯)、空心阴极灯、无极放、空心阴极灯、无极放电灯等；电灯等；紫外和可见光区紫外和可见光区-汞蒸气灯和钠蒸

5、气灯汞蒸气灯和钠蒸气灯原子吸收和原子荧光光谱原子吸收和原子荧光光谱-空心阴极灯和无极放电灯空心阴极灯和无极放电灯10:50:55优秀课件，精彩无限！9空心阴极灯空心阴极灯阴极阴极:钨棒作成圆筒形，筒内熔入被测元素钨棒作成圆筒形，筒内熔入被测元素 阳极阳极:钨棒装有钛钨棒装有钛,锆锆,钽金属作成的阳极钽金属作成的阳极 管内充气：氩或氖称载气，极间加压管内充气：氩或氖称载气，极间加压500-300500-300伏，要求稳流电源伏，要求稳流电源供电。供电。10:50:55优秀课件，精彩无限！10空心阴极灯的原理空心阴极灯的原理空心阴极灯的原理空心阴极灯的原理空心阴极灯的原理空心阴极灯的原理 施加适当

6、电压时，使阴极表面的金属原子溅射出来，溅射出来的金属原子与电子、惰性气体原子及离子发生撞碰而被激发，发射出相应元素的特征谱线-共振谱线。用不同待测元素作阴极材料，可制成相应空心阴极灯。10:50:56优秀课件，精彩无限！113、激光光源高单色性，方向性强，亮度高，相干性好 拉曼光谱，分子吸收光谱，发射光谱，傅立叶变换红外光谱等10:50:56优秀课件，精彩无限！12三、波长选择系统三、波长选择系统三、波长选择系统三、波长选择系统三、波长选择系统三、波长选择系统10:50:57优秀课件，精彩无限！13色散元件的功能：使光发生色散，使光按照波长顺 序排列，常用光栅或棱镜狭缝的功能：采光，即采集按照

7、波长顺序排列的而 一定波段的光进入检测系统进行检测狭缝的选择:一般来说一般来说,狭缝越小，光谱的分辨率越高狭缝越小，光谱的分辨率越高,越接近真越接近真实光谱实光谱.但狭缝太小光信号太弱但狭缝太小光信号太弱,检测器难以有效测到光信检测器难以有效测到光信号号.所以所以,如果需要得到高分辨率光谱如果需要得到高分辨率光谱,可以采用较小宽度可以采用较小宽度的狭缝的狭缝.如果进行定量测定如果进行定量测定,则适当采用较大宽度的狭缝则适当采用较大宽度的狭缝.10:50:58优秀课件，精彩无限！14（一）单色器（一）单色器：将复合光将复合光分解成单色光或有一定宽度的谱带的装置。谱带的装置。主要部件主要部件：（1

8、 1）进、出口狭缝；）进、出口狭缝；（2 2）准直装置）准直装置(透镜或反射镜透镜或反射镜)：使辐射束成为平行光：使辐射束成为平行光 线传播的透镜或反射镜线传播的透镜或反射镜（3）(棱镜、光栅棱镜、光栅)：使：使不同波长不同波长的辐射以的进行传播；（4 4）聚焦透镜或凹面反射镜：使每个单色光束在单色）聚焦透镜或凹面反射镜：使每个单色光束在单色 器的出口曲面上成像器的出口曲面上成像10:50:58优秀课件，精彩无限！15棱镜单色仪棱镜单色仪用来色散紫外、可见和红外辐射用来色散紫外、可见和红外辐射10:50:59优秀课件，精彩无限！16光栅单色仪光栅单色仪有透射光栅和反射光栅。有透射光栅和反射光栅

9、。10:50:59优秀课件，精彩无限！17(二二)滤光片滤光片1、吸收滤光片、吸收滤光片-由有色玻璃或夹在玻璃两片间的分散在由有色玻璃或夹在玻璃两片间的分散在明胶薄层中的吸光染料组成。适用于可见光区。明胶薄层中的吸光染料组成。适用于可见光区。特点：带宽较宽，透射效率低。用于较简单的定量测定，特点：带宽较宽，透射效率低。用于较简单的定量测定，便宜，较好的热稳定性。便宜，较好的热稳定性。2、干涉滤光片、干涉滤光片-由两层半透明银膜和银膜间的介电薄膜由两层半透明银膜和银膜间的介电薄膜（氟化钙或氟化镁）组成。（氟化钙或氟化镁）组成。可获得较窄的辐射宽带。可获得较窄的辐射宽带。波长选择性比吸收滤光片好。

10、波长选择性比吸收滤光片好。10:51:00优秀课件，精彩无限！18（三）棱镜（三）棱镜（三）棱镜（三）棱镜（三）棱镜（三）棱镜根据光的折射现象进行分光根据光的折射现象进行分光根据光的折射现象进行分光 棱镜对不同波长的光具有不同的折射率，波长棱镜对不同波长的光具有不同的折射率，波长长长的光，的光，折射率折射率小小；波长；波长短短的光，折射率的光，折射率大大。平行光经过棱镜后按波长顺序排列成为单色光；经聚焦平行光经过棱镜后按波长顺序排列成为单色光；经聚焦后在焦面上的不同位置上成像，获得按波长展开的光谱；后在焦面上的不同位置上成像，获得按波长展开的光谱；10:51:00优秀课件，精彩无限！19棱镜的

11、棱镜的棱镜的光学特性光学特性光学特性可用可用可用色散率色散率色散率和和和分辨率分辨率分辨率来表征；来表征；来表征；（1 1）色散率）色散率 角色散率：用d/d表示，表示偏向角偏向角对波长的变化率；dd2sin12sin2dd22nn 棱镜的顶角越大或折射率n越大，角色散率越大，分开两条相邻谱线的能力越强，但顶角越大，反射损失也增大，通常为60度角；10:51:01优秀课件，精彩无限！20（2 2 2 2 2 2）分辨率）分辨率）分辨率）分辨率）分辨率）分辨率 相邻两条靠得很近的谱线分开的能力：相邻两条靠得很近的谱线分开的能力：ddnbR ；两条相邻谱线的平均波长；：两条谱线的波长差；b：棱镜的

12、底边长度；n：棱镜介质材料的折射率。棱镜的分辨能力取决于棱镜的几何尺寸和材料；分辨率与波长有关分辨率与波长有关，长波的分辨率要比短波的分辨率小，棱镜分离后的光谱属于非均排光谱非均排光谱。10:51:02优秀课件，精彩无限！21（四）（四）（四）（四）（四）（四）光栅光栅光栅光栅光栅光栅 通过在平板通过在平板玻璃玻璃或或金属板金属板上刻划出一道道上刻划出一道道等宽等宽、等间距等间距的刻痕制的刻痕制成。常用的光栅刻痕密度每毫米为成。常用的光栅刻痕密度每毫米为12001200条、条、18001800条或条或24002400条；条；根据工作方式不同分为：透射光栅，反射光栅（平面反射光栅，凹根据工作方式

13、不同分为：透射光栅，反射光栅（平面反射光栅，凹 面反射光栅）；面反射光栅）；10:51:02优秀课件，精彩无限！22 光栅光谱的产生是多狭缝与单狭缝共同作用的结果，前者决定光谱出现的位置位置，后者决定谱线强度分布谱线强度分布；10:51:03优秀课件，精彩无限！23(1)(1)(1)(1)(1)(1)光栅的色散原理光栅的色散原理光栅的色散原理光栅的色散原理光栅的色散原理光栅的色散原理光栅公式：d(sinsin)=K=n、分别为入射角和衍射角；K或或n为光谱级次,K=0,1,2,整数 d为光栅常数(mm):相邻两刻痕间的距离 为入射光的波长为入射光的波长10:51:03优秀课件，精彩无限！24光

14、栅公式 d(sinsin)=Kdsin为相邻入射光波与的光程差；dsin为相邻衍射光波与的光程差；d(sinsin)为光波 与光波 的总光程差；加号表示衍射光和入射光在光栅法线的同侧减号表示它们在光栅法线的异侧；当一束复合光以一定的入射角照射光栅时，不同波长的单色光在不同衍射角的方向发生干涉。10:51:04优秀课件，精彩无限！25 在某一光谱级次中，即当K,d一定时，波长愈长的单色光，衍射角愈大。对于给定的光栅，可以通过旋转光栅转台来获得需要的波长范围和光谱级次。10:51:05优秀课件，精彩无限！26（2）几种典型的）几种典型的光栅光栅A、凹面反射光栅、凹面反射光栅B、闪耀光栅、闪耀光栅C

15、、中阶梯光栅、中阶梯光栅D、全息光栅、全息光栅10:51:05优秀课件，精彩无限！27(3)3)3)3)3)3)光栅的性能指标光栅的性能指标光栅的性能指标光栅的性能指标光栅的性能指标光栅的性能指标 光栅的特性可用光栅的特性可用色散率和分辨率来表征来表征A、当入射角不变时，光栅的、当入射角不变时，光栅的角色散率可通过对光栅公式求导得到：可通过对光栅公式求导得到：cosdKdd d/d为衍射角对波长的变为衍射角对波长的变化率，即光栅的角色散率。化率，即光栅的角色散率。当当很小，且变化不大时，很小，且变化不大时，cos 1，光栅的角色散率光栅的角色散率决定于光栅常光栅常数数 d 和光谱级数和光谱级数

16、K。可见。可见光栅的角色散率为一个光栅的角色散率为一个常数，不随波长改变，常数，不随波长改变，是均排光谱（优于棱镜之处）。角色散率只与色散元件的性能有关。角色散率只与色散元件的性能有关。10:51:06优秀课件，精彩无限！28B B B、光栅的、光栅的、光栅的、光栅的、光栅的、光栅的线色散率线色散率线色散率线色散率线色散率线色散率dfKdfKfddddlcos f 为会聚透镜的焦距焦距。在实际工作中，常用倒线色散率在实际工作中，常用倒线色散率：用d/dl 表示 d/dl 值越大，色散率越小值越大，色散率越小线色散率还与仪器的焦距有关。D=10:51:06优秀课件，精彩无限！29C C C、光栅

17、的、光栅的、光栅的、光栅的、光栅的、光栅的分辨能力分辨能力分辨能力分辨能力分辨能力分辨能力 光栅的分辨能力根据Rakleigh准则来确定。在波长相近的两条谱线中，当一条谱线波长的极大值正好落在另一条谱线波长的极小值上时，认为这两条线是可分辨的。实际工作中，两衍射图样中间的光强约为中央最大的80%，在这种情况下，两谱线中央最大距离即是光学仪器能分辨的最小距离（可分离的最小波长间隔）；10:51:07优秀课件，精彩无限！30D D D、光栅的、光栅的、光栅的、光栅的、光栅的、光栅的分辨率分辨率分辨率分辨率分辨率分辨率R R R 光栅的分辨率R 等于光谱级次（K）与光栅刻痕条数（N）的乘积：nNNK

18、R 光栅越宽、单位刻痕数越多、R 越大。如：宽度50mm，N=1200条/mm，一级光谱的分辨率：R=1501200=610410:51:07优秀课件，精彩无限！3110:51:08优秀课件，精彩无限！32（五）狭缝（五）狭缝（五）狭缝（五）狭缝（五）狭缝（五）狭缝 狭缝由金属构成，两片刀口的边缘应狭缝由金属构成，两片刀口的边缘应锐利锐利且位于且位于同一平面同一平面上；上；单色器的单色器的进口进口狭缝起着单色器光学系统狭缝起着单色器光学系统虚光源虚光源的作用。复合光经的作用。复合光经色散元件分开后，在色散元件分开后，在出口出口曲面上形成相当于每条光谱线的曲面上形成相当于每条光谱线的像像，即光谱

19、，即光谱。转动转动色散元件可使色散元件可使不同波长不同波长的的光谱线依次通过。光谱线依次通过。10:51:09优秀课件，精彩无限！33 分辨率大小不仅与色散元件的性能有关，也取决于成像的大小，因此希望采用较窄的进口狭缝。分辨率用来衡量单色器能分开最小波长间隔的能力；最小间隔的大小用有效带宽或光谱通带（W）表示：W=D S （D为线色散率；S为狭缝宽度）在原子发射光谱分析中：定性分析时，减小狭缝宽度，使相邻谱线的分辨率提高；定量分析时，增大狭缝宽度，可得到较大的谱线强度。10:51:10优秀课件，精彩无限！34四、试样引入系统四、试样引入系统四、试样引入系统四、试样引入系统四、试样引入系统四、试

20、样引入系统 光源与试样相互作用的场所（1）吸收池）吸收池 紫外，荧光分析法：石英比色皿 可见分光光度法：玻璃比色皿 红外分光光度法：将试样与溴化钾压制成透明片10:51:10优秀课件，精彩无限！35（2）特殊装置）特殊装置 原子吸收分光光度法：雾化器中雾化，在火焰中，元素由离子态原子；原子发射光谱分析：试样喷入火焰；10:51:11优秀课件，精彩无限！36五、检测系统五、检测系统五、检测系统五、检测系统五、检测系统五、检测系统（1）光子检测器）光子检测器 主要有以下几种：硒光电池、光电二极管、光电倍增管、硅二极管阵列检测器、半导体检测器；（2）热检测器）热检测器 主要有：真空热电偶检测器：红外光谱仪中常用的一种 热释电检测器：六、信号处理和读出系统六、信号处理和读出系统 现代分析仪器多配有计算机完成数据采集、信号处理、数据分析、结果打印，工作站软件系统；