光谱分析 药学3

第十章光谱分析法概论第十一章紫外-可见分光光度法第十二章荧光分析法第十三章红外分光光度法第十四章原子吸收分光光度法第十五章核磁共振波谱法第十六章质谱法（可将其归于此类）光谱分析法概论基本概念一、光学分析法分类二、物质运动与电磁辐射光谱分析仪器一、仪器的主要部件二、各部件的作用三、常用的主要部件光谱分析的基本原理一、定律的假设条件二、定律的形成三、定律的使用讨论光谱分析主要内容基本概念一、光学分析法分类等。光学分析法非光谱分析法利用光学性质分析光谱分析法利用光谱分析据检测物质类型据物质能级跃迁方向据检测辐射波长顺序分子光谱法原子光谱法核磁共振波谱法吸收光谱法发射光谱法紫外、可见光谱法红外光谱法电子自旋共振波谱法常用光谱分析法概况：方法物质类型辐射方向波长范围紫外分光光分子吸收紫外光度法价电子跃迁200～400nm可见光分光分子吸收可见光光度法价电子跃迁400～800nm红外光谱法分子吸收红外光振动-转动跃迁0.75～1000m荧光分析法分子发射200～600nm价电子跃迁原子吸收分原子吸收200～800nm分光光度法核外电子跃迁核磁共振原子核吸收60cm～300m波谱自旋跃迁二、物质运动与电磁辐射1.电磁辐射的主要性质：①电磁辐射是一种能量形式；②波粒二象性；E=h=hc/粒子性-具有能量波动性③电磁辐射区段；射线X射线紫外可见红外微波无线电波0.1～10nm400～760nm0.001～1m～0.0003nm200～400nm0.75～1000m1～1000m④其它主要光学性质（注意复习）。光的波动性电磁辐射为正弦波（波长、频率、速度、振幅）。，电磁波不需传播介质，可在真空中传输。磁场传播方向电场单光色平面偏振光的传播y=Asin(t+)=Asin(2vt+)yt1/11/11/()频率相同的正弦波叠加得相同频率的合成正弦波频率不同的正弦波叠加得不同频率的非正弦波；更多的正弦波叠加可形成方波波的叠加（Superposition）平行光束单缝衍射双缝衍射光波的衍射（Diffraction）衍射：当一束平行光通过窄的开口如狭缝时发生弯曲的现象。3101031083106310431023100310-2310-4波数，cm-1102110191017101510131011109107频率，Hz10-410-2100102104106108109波长，nmX射线可见微波射线紫外红外无线电电磁波谱电磁辐射波谱图2.物质运动：①运动的形式：分子(刚体)运动形式--平动转动振动电子跃迁能量依次增加原子（球体）运动形式---电子跃迁②运动的基本规律：a.物质总是使其处于最安定的基态，即当其接受外界能量跃迁至激发态时会很快释放能量返回基态；b.服从量子化规律，即运动能级差为阶梯式变化；c.高能量运动形式发生时伴随低能量运动。3.物质运动与辐射的关系：①辐射是一种能量形式，物质接受合适的辐射（如某种波长的光照）时发生运动能级跃迁（由基态跃迁至相应激发态）当其返回基态时释放的能量也可是辐射形式；②根据ΔE=nhc/n为自然数1.2.3.‥可见物质运动能级所需或所放出的能量对应某种辐射。线光谱带光谱光谱分析仪器一、仪器的主要部件辐射（光）源、分光系统（单色器）、样品池、检测器（传感器）、记录显示系统二、各部件的作用辐射源---提供能量（强度）合适的辐射单色器---产生强度合适±Δ的辐射样品池---盛放样品或产生测量形式检测器---将辐射的强度变化转化成电信号记录显示---将测量结果表示出来三、常用的主要部件辐射源：①光源—根据分析要求产生合适强度、一定类型及一定波长范围的光。②热辐射源—通过通电加热产生强度、波长符合分析要求的辐射。③其它辐射源—通过其它途径（如电磁感应等）产生强度、波长符合分析要求的辐射。分光系统（单色器）：分光系统包括：分光元件、狭缝、准直镜、反射镜等，其主要部件是分光元件。①滤光片—由玻璃中所含某种物质吸收部分光而透过部分光，吸收光与透过光互补（互为补色）。常见类型：带通型—透过一定范围（±Δ）光Δ越小，单色性能越好；截止型—透过一定范围（＜）光。λmax2λλ紫红400-435nm白光绿500-560nm绿蓝480-490nm红610-750nm橙595-610nm黄580-595nm蓝绿490-500nm②棱镜—利用不同波长光的不同折射率分光，入射复合光而射出单色光。分辨率=/Δ=b×dn/db-棱镜有效底边长dn/d-材料色散率产生的光谱长波区密、短波区疏；普通玻璃棱镜—用于可见光区；石英玻璃楞镜—用于紫外光区；性能指标用±Δ表示，Δ值越小，单色性能越好；棱镜的Δ一般比滤光片小，单色性能比滤光片好。棱镜（Prism）：棱镜的色散作用是基于构成棱镜的光学材料对不同波长的光具有不同的折射率。波长大的折射率小，波长小的折射率大。Cornu棱镜bLittrow棱镜（左旋+右旋----消除双像）（镀膜反射）λλ400500600700玻璃棱镜石英棱镜200300350400500700③光栅—复合光线以一定角度入射刻有很多条平行刻痕的光学镜面上衍射及干涉产生单色光。分辨率=/Δ=mNm-光谱级数（一、二、三级）N-光栅总刻痕数（600～1200mm-1)性能指标用±Δ表示，Δ值越小，单色性能越好；一般光栅式仪器的Δ=±1～5nm较好的仪器Δ=0.1～0.5nm。平面透射光栅：dP0P1P0（0级）P1P1P2P2距离相对强度入射光为单色光，那么当入射线垂直于光栅时，=0，n=dsin当入射线不垂直于光栅时，n=d（sin+sin）在零级光谱有最大的光强！ABCDdP0距离相对强度P’1由于CAB=，DAB=，因此，CB=dsin,BD=dsin显然，衍射光束2的运行距离比衍射光束1长（CB+BD）当（CB+BD）是入射波长的整数倍，即当（CB+BD）=n时，两衍射光束发生叠加，并产生明线。因此可得光栅方程：)sin(sindn12平面反射光栅构成：狭缝、准直镜、棱镜或光栅、会聚透镜。入射狭缝准直镜物镜棱镜焦面出射狭缝f入射狭缝准直镜光栅物镜出射狭缝f其中最主要的分光原件为棱镜和光栅。GE2E1GGGE2E2E1E1E1,E2Ebert-FastieCzerny-TurnerLittrow光谱仪几种典型的光学系统检测器（传感器）：工作原理--利用“光电效应”将光强度的变化转化成电信号。①光电池、光敏电阻—当一定强度的光照射其上时，其电池电动势、电阻随之变化。、产生的信号对能量较大的短波较敏感；信号随强度的变化量较小，灵敏度不高；常用于专用仪器作检测器。硒光电池+-SeFe(Cu)h玻璃Ag(Au)透明膜-收集极塑料--(当外电阻400，i=10-100A)优点：光电流直接正比于辐射能；使用方便、便于携带（耐用、成本低）；缺点：电阻小，电流不易放大；响应较慢。只在高强度辐射区较灵敏；长时间使用后，有“疲劳”(fatigue)现象。②光电管、光电倍增管--一定强度的光照射于金属阴极产生自由电子，在两极所加的高压电场作用下产生电流。电流大小与入射光强度成正比；与外加高电压有关，在其饱和电压下达最大值；光电倍增管中随收集极的数量成几何级数增加。响应电流的适应波长范围、灵敏度与电极阴极材料有关。在无光照射时因电子热发射产生暗电流。真空光电管90VDC直流放大阴极R-+光束e阳极丝（Ni）抽真空阴极表面可涂渍不同光敏物质：高灵敏(K,Cs,Sb其中二者)、红光敏(Na/K/Cs/Sb,Ag/O/Cs)、紫外光敏、平坦响应(Ga/As，响应受波长影响小)。产生的光电流约为硒光电池的1/10。优点：阻抗大，电流易放大；响应快；应用广。缺点：有微小暗电流（Darkcurrent，40K的放射线激发）。光电倍增管（photomultipliertube,PMT）石英套光束1个光子产生106~107个电子栅极，Grill阳极屏蔽光电倍增管示意图共有9个打拿极(dynatron)，所加直流电压共为9010V900Vdc90V123456789阳极阴极石英封读出装置R光电倍增管（PMT）电路图优点：高灵敏度；响应快；适于弱光测定，甚至对单一光子均可响应。缺点：热发射强，因此暗电流大，需冷却（-30oC)。不得置于强光(如日光)下，否则可永久损坏PMT！③光二极管阵列—光二极管在一定强度光照射时产生电流，利用紧密排列的光二极管阵列快速、并行采集电流信号。电流大小与入射光强度成正比；每个二极管可快速采集相差2nm的全波长光谱范围内的各种波长信号；阵列多点同时采集信号；可形成三维谱图(A-,A-C)。注：检测灵敏度、性能①②③依此增加。硅二极管p区n区pn结p区n区(反向偏置)耗尽层空穴电子反向偏值—耗尽层(depletionlayer)—pn结电导趋于0(i=0)；光照—耗尽层中形成空穴和电子—空穴移向p区并湮灭—外加电压对pn“电容器”充电—产生充电电流信号(i0)。特点：灵敏度介于真空管和倍增管之间。光电二极管阵列，PDASiO2窗p型硅n型硅基pnpnpnpnpnpn0.025mm2.5mm侧视(crosssection)顶视(topview)光束说明：i.在一个硅片上，许多pn结以一维线性排列，构成“阵列”；ii.每个pn结或元（element，64-4096个）相当于一个硅二极管检测器；iii.硅片上布有集成线路，使每个pn结相当于一个独立的光电转换器；iv.硅片上置于分光器焦面上，经色散的不同波长的光分别被转换形成电信号；v.实现多波长或多目标同时（simultaneously）检测。PDA在灵敏度、线性范围和S/N方面不如光电倍增管。应用较少。电荷转移器件,CTDSiO2绝缘体掺杂n区衬基-5V-10V电极hCTD侧视图（一个电荷转移单元或像素）光子—空穴—空穴聚集（金属-SiO2电容)a行转换器单元b个检测单元/行=ab个像素=二维排列于一片硅片上；类似胶片上的信息存贮；测量两电极间电压变化—CID使电荷移至电荷放大器并测量—CCD衬基5V10Vh-5V-10Ve-v1n型Si衬基5V10V+5V+10V衬基5V10V-10Vv1n型Sin型Siv2衬基5V10V+10Vn型Si电荷形成并聚集测量V1测量V2电荷重新注入CID破坏性读出CCD512320320512pixel高速寄存器123三相时钟输出（存贮）h金属基电极(electrode)SiO2绝缘体(insulator)p型硅----势阱(potentialwell)On-chippreamp1234CID与CCD之比较CTDCIDCCDN型硅半导体P型硅半导体双电极三电极结构反向偏置电容正向偏置电容收集并聚集空穴收集并聚集电子电子移向n层空穴移向p层电荷形成、聚集及迁移过程改变双电极电位使空穴移动，从而测量光致电位差以三相时钟步进方式使电荷移至高速存贮器(逐行扫描)对弱光灵敏性较差对弱光更灵敏光致信号测量方式可在电荷积聚过程中连续测量电荷被移至放大器进行测量与PDA相比，CTD最大的优势在于其二维特性，可作为影像检测器，在电视及航空等领域有广泛应用。光谱分析的基本原理光的吸收定律—Lambert-Beer’slaw一、定律的假设条件1.入射光线：①平行光；②单色光±Δ；③光强度（光功率）I0；2.吸光物质：①气体、液体、固体；②横截面积(S)长度(L或b)长方形；3.入射光线被吸光物质吸收强度(Ia），透过光线强度(Ib），I0=Ia+Ib。二、定律的形成1.规定：Ib/I0---透光率(trasimittance,T)A---吸光度(absorbance,A)A=lgI0/Ib=lg1/T=-lgT2.Lambert’slaw：当入射一定，C一定时，Ab，A=Kb。即：当一定波长入射光照射浓度固定的溶液时，其吸光度与光透过液层的厚度成正比。适