光譜分析2—光譜分析法簡介

　　什么是光譜分析？光譜分析的意義？

　　1858-1859年，德國化學家本生和物理學家基爾霍夫著名物理學家進行合作，建立起了第一臺把光譜分析作為主要目的的分光鏡，宣告了光譜分析方法的誕生，奠定了一種新的化學分析方法—光譜分析法的基礎，初步上解決了對于化學物質進行細微的微觀認識并且進行精確研究的這一難題，開創了采用物理的方法來研究化學相關內容的儀器分析法，因此他們兩人被公認為光譜分析法的創始人。（感覺就是這兩個人把兩個學科聯系起來啦）

　　采用光譜學的基本原理與實驗的方法來確定物質的基本結構與化學的組成成分的這一種分析方法我們習慣上稱之為光譜分析法。具有各種各樣結構的物質都具有自身的特征性光譜，光譜分析法就是采用特征光譜來研究物質的結構或者測定化學主要組成成分的一種方法，是以分子和原子的光譜學為基礎建立起的分析方法。光譜定性分析不需要純樣品，只需要利用已知的譜圖，就可以進行光譜的定性分析，能夠同時測定出多種元素或者化合物，省去了比較復雜的分離性操作過程。光譜定量分析建立在相對比較的基礎上，必須有一套標準樣品作為基準，而且要求標準樣品的組成和結構狀態應與被分析的樣品基本一致，這是比較困難的。

　　光譜分析法開創了化學和分析化學的新紀元，不少化學元素通過光譜分析發現，如銣，銫，氦等，在光譜分析法被發現十年之后的1869年，門捷列夫提出元素的周期律，制訂出元素的周期表，這在某種意義上能夠說是得益于光譜分析法的廣泛應用。

　　光譜分析法很好地溝通了物理學、化學以及天文學之間的相互聯系，在農業、天文、汽車、生物、化學、鍍膜、色度計量、環境檢測、薄膜工業、食品、印刷、造紙、喇曼光譜、半導體工業、成分檢測、顏色混合及匹配、生物醫學應用、熒光測量、寶石成分檢測、氧濃度傳感器、真空室鍍膜過程監控、薄膜厚度測量、LED測量、發射光譜測量、紫外/可見吸收光譜測量、顏色測量等領域應用廣泛。（看來自從光譜分析法出現后就用瘋了！）

　　光譜分析方法分類：

　　光譜法依據物質和輻射相互作用的性質，一般分為發射光譜法、吸收光譜法和拉曼散射光譜法。

　　發射光譜法：物質通過電致激發、熱致激發或光致激發等過程獲取能量，變成為激發態的原子或分子，激發態的原子或分子是極不穩定的，它們可能以不同形式釋放出能量從激發態躍遷至基態或低能態，如果這種躍遷是以光輻射形式釋放多余的能量就會產生發射光譜。通過測量物質發射光譜的波長和強度來進行定性、定量分析的方法叫做光譜法。依據光譜區域和激發方式不同，發射光譜有

　　吸收光譜法：是根據物質對不同波長的光具有選擇性吸收而建立起來的一種分析方法。它既可對物質進行定性分析也可定量測定物質含量。通過測量物質對輻射吸收的波長和強度進行分析的方法叫做吸收光譜法，包括紫外、可見光以及紅外吸收光譜等。如果單色器獲得的單色光來測定物質對光的吸收能力，則稱為分光光度法。

　　吸收光譜法的主要分析方法

　　拉曼散射光譜法：

　　某個特定頻率的單色光照射到透明物質上，物質分子會發生散射現象。如果這種散射是光子與物質分子發生能量交換的，即不僅光的運動方向發生變化，能量也發生變化，則稱為拉曼散射。這種散射光的頻率與入射光的頻率不同，叫做拉曼位移。拉曼位移的大小與分子的振動和轉動的能級有關，利用拉曼位移研究物質結構的方法稱為拉曼光譜法。（現在腦子里閃現的是拉曼光譜儀，因為好像不便宜）

　　光譜分析儀簡介

　　不同的光譜分析儀器結構差異很大，但不管光譜分析儀器結構的復雜程度如何，光譜分析儀器一般包括五個基本單元：光源、單色器、樣品容器、檢測器和數據處理系統。各單元從光譜分析原理上，特別是在光譜儀器中起的作用有很大的相近，但采用的具體裝置有很大的不同，此外，從光譜分析儀器光路的設計和在儀器整個裝置的安裝方向也有較大不同。

　　發射光譜儀一般光源與樣品容器并為一個整體，樣品在樣品容器中由光源提供足夠能量而發光，發射光經單色器分光后檢測；

　　吸收光譜儀則由光源發射的光直接(如光源為連續光，則可能需要經過分光)后通過樣品容器，被樣品原子或分子吸收，再射入單色器中進行分光后，被檢測器接收，即可測得其吸收信號；

　　熒光光譜儀結構與吸收光譜儀基本一致，所不同的是，光源發出的光，經過第一單色器(激發光單色器)后，得到所需的激發光，不是在一條直線上通過樣品容器，而是將熒光的測量放在與激發光成一定角度(一般選直角)的方向進行，第二單色器為熒光單色器，主要是消除可能共存的其它光線(入射光和散射光)的干擾，以獲得所需的熒光，熒光作用于檢測器上，得到相應的電信號。

　　光譜分析儀主要部件的簡介

　　1、光源：光譜分析中，光源是提供足夠的能量使試樣蒸發、原子化、激發，產生光譜。光源必須具有足夠的輸出功率和穩定性。由于光源輻射功率的波動與電源功率的變化成指數關系，因此往往需用穩壓電源以保證穩定或者用參比光束的方法來減少光源輸出對測定所產生的影響。光源為連續光源和線光源等。一般連續光源主要用于分子吸收光譜法；線光源用于熒光、原子吸收和Raman光譜法。

　　2、單色器：單色器的主要作用是將復合光分解成單色光或有一定寬度的譜帶。單色器由入射狹縫和出射狹縫、準直鏡以及色散元件，如棱鏡或光柵等組成。

　　棱鏡的作用是把復合光分解為單色光。平行光經色散后按波長順序分解為不同波長的光，經聚焦后在焦面的不同位置成像，得到按波長展開的光譜。色散能力常以色散率和分辨率表示。對于同一種材料的棱鏡，波長越短，角色散率也越大，因此，短波部分的譜線分得較開一些，長波部分的譜線靠得緊些。由于介質材料的折射率n與入射光的波長λ有關，因此棱鏡給出的光譜與波長有關，是非勻排光譜。(從今天開始，我要照顧一周的兔子，看到的世界都變成兔子啦)

　　光柵分為透射光柵和反射光柵，常用反射光柵。反射光柵又可分為平面反射光柵(或稱閃耀光柵)和凹面反射光柵。光柵上準確地刻有寬度和距離都相等的平行線條(刻痕)，可近似地將它看成一系列等寬度和等距離的透光狹縫。光柵是一種多狹縫部件，光柵光譜的產生是多狹縫干涉和單狹縫衍射兩者聯合作用的結果。多狹縫干涉決定光譜出現的位置，單狹縫衍射決定譜線的強度分布。光柵的特性可用色散率、分辨能力和閃耀特性來表征。光柵的角色散率只決定于光柵常數d和光譜級次n，可以認為是常數，不隨波長而變，這樣的光譜稱為“勻排光譜”。

　　閃耀光柵,由于非閃耀光柵其能量分布與單縫衍射相似，大部分能量集中在沒有被色散的“零級光譜”中，小部分能量分散在其它各級光譜。零級光譜不起分光作用，不能用于光譜分析。而色散越來越大的一級、二級光譜，強度卻越來越小。為了降低零級光譜的強度，將輻射能集中于所要求的波長范圍，近代的光柵采用定向閃耀的辦法。即將光柵刻痕刻成一定的形狀，使每一刻痕的小反射面與光柵平面成一定的角度，使衍射光強主最大從原來與不分光的零級光最大重合的方向，轉移至由刻痕形狀決定的反射方向。結果使反射光方向光譜變強，這種現象稱為閃耀，這種光柵稱為閃耀光柵。

　　d、狹縫是由兩片經過精密加工，且具有銳利邊緣的金屬片組成，其兩邊必須保持互相平行，并且處于同一平面上。狹縫寬度對分析有重要意義。單色器的分辨能力表示能分開最小波長間隔的能力。波長間隔大小決定于分辨率、狹縫寬度和光學材料性質等，它用有效帶寬S表示

　　S=DW,式中，D為線色散率倒數；W為狹縫寬度。

　　當儀器的色散率固定時，S將隨W而變化。對于原子發射光譜，在定性分析時一般用較窄的狹縫，這樣可提高分辨率，使鄰近的譜線清晰分開。在定量分析時則采用較寬的狹縫，以得到較大的譜線強度。對于原子吸收光譜分析，由于吸收線的數目比發射線少得多，譜線重疊的概率小，因此常采用較寬的狹縫，以得到較大的光強。當然，如果背景發射太強，則要適當減小狹縫寬度。

　　3、樣品容器不同的光譜儀中，樣品容器的結構差異較大，在反射光譜儀中甚至沒有專門的樣品容器，在吸收光譜中，樣品容器也稱為吸收池。吸收池一般由光透明的材料制成。在紫外光區，采用石英材料；可見光區，則用硅酸鹽玻璃；紅外光區，則可根據不同的波長范圍選用不同材料的晶體制成吸收池的窗口。

　　5、檢測器是將一種類型的信號轉變成另一種類型的信號的器件，如在分光光度計中的光電管，是將光能轉變成電能的元件。檢測器可分為兩類，一類對光子有響應的光檢測器，另一類為對熱產生響應的熱檢測器。光檢測器有硒光電池、光電管、光電倍增管、半導體等。熱檢測器是吸收輻射并根據吸收引起的熱效應來測量入射輻射的強度，包括真空熱電偶、熱釋電檢測器等。

　　7、數據處理系統主要有計算機、數據通信部件和儀器控制及數據處理軟件組成。通常由檢測器將光信號轉換成電信號后，還須經過一定的信號處理器處理，如對電信號進行放大、衰減、積分、微分、相加、差減等；也可通過整流使其變為直流信號，或將其轉變成交流信號。處理的目的是將檢測器檢測到的信號轉變成一種可以被人讀出的信號，如可用檢流計、微安計數字顯示器、計算機顯示和記錄結果。目前，光譜儀器大多數是通過專門的操作軟件在計算機中進行數據處理，可進行儀器操作、定性定量分析、記錄保存等。