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直读光谱仪原理学习手册第一章光电光谱分析的基本原理一、光谱分析简介1、电磁辐射的基本特征光谱是按照波长（或波数、频率）顺序排列的电磁辐射。天空的彩虹、自然界的极光等均是人们早期观察到的光谱，但它们仅是电磁辐射的很小的一部分可见光谱。还有大量的不能被人们直接看到的和感觉到的光谱，如γ射线、x射线、紫外线、红外线、微波及无线电波等，这些也都是电磁辐射，它们只是频率或波长不同而已。电磁辐射实际是一种以巨大速度通过空间而传播的能量（光量子流），具有波动性和微粒性。就波动性而言，电磁辐射在空间的传播具有波的性质，如同声波、水波的传播一样，可以用速度、频率、波长和振幅这样一些参数来描述，并且传播时不用任何介质，且易于通过真空。在真空中所有电磁辐射的速度相同，常用光速（c）来表示，c的数值为：2.99792*103米/秒。在一定的介质中，它们之间的关系为δ＝V/C=1/λ式中：V-------频率，单位时间内的波数；λ…………波长，为沿波的传播方向、相邻两个波间相位相同的两点之间的距离；δ…………波数，单位长度内波长的个数。C是光速。就电磁辐射的微粒性来说，每个光量子均有其特征的能量ε，它们与波长或频率之间的关系可以用普朗克（Planck）公式表示：ε＝hv＝h（c/λ）波长是相邻间相位相同的两点之间的距离式中：h是普朗克常数，其值为6.626*10-34焦耳/秒2、电磁波谱区域电磁辐射按波长顺序排列称磁波谱。他们是物质内部运动的一种客观反映，也就是说任一波长的光量子的能量ε与物质的内能变化△E=E2-E1=ε＝hv＝h（c/λ）如果已知物质由一种状态，E2过渡到另一种状态E1时，其能量差为△E=E2-E1便可按照公式计算出相应的光量子的波长。下表列出了各辐射区域、波长范围及相应的能及跃迁类型。对于成分分析主要应用近紫外及可见光区。表一电磁波谱区域辐射区域波长范围跃迁类型γ射线区5－140皮米核能级跃迁Х射线区0.01－10.0纳米内层电子能跃迁远紫外区10－200纳米原子及分子近紫外区200－380纳米外层电子可见区380－780纳米能级跃迁近红外区0.78－3微米分子振动中红外区3－30微米能级跃迁远红外区30－300微米分子转动能级跃迁微波区0.3毫米－1米电子自旋和核子旋射频区1－1000米能级跃迁注：1米＝103毫米＝106微米＝109纳米＝1012皮米3、光谱分析内容光谱分析是根据物质的特征光谱来研究化学组成、结构和存在状态的一类分析领域。可细分为原子发射光谱分析、原子吸收光谱分析、分子发射光谱分析、分子吸收光谱分析、X射线荧光光谱分析、红外和拉曼光谱分析等各类分析方法。原子发射光谱分析是根据试样物质中气态原子（或离子）被激发以后，其外层电子辐射跃迁所发射的特征辐射能（不同的光谱），来研究物质化学组成的一种方法。常称为光谱化学分析，也简称为光谱分析。光电光谱分析方法是用光电转换器件进行测量的发射光谱分析。在光电光谱分析中，计算机的应用已很普遍。二、光电光谱分析的基本原理和发展情况1、基本原理测定物质的组成，是人类认识自然，改造自然必要的。物质系由分子或原子所组成。欲测定物质的组成，通常用化学分析法，但光谱分析也是广泛采用的方法。物质都有其属性，通过属性可以区别不同的物质。由于物质的组成不同，在一定条件下物质能发射其特征的光谱。我们就是利用光谱这个属性来测定物质的组成。由于光具有波动物质，所以光的一个标志是它的波长。不同颜色的光彩表明它们的波长不同。由短波的紫光到长波的红光组成全部可见光。按照波长分开而排列的一系列不同波长的光就组成所谓光谱。广义而言，可用于分析工作的光谱的范围可以包括更大电磁波的范围，大约波长范围由10-10至10厘米。但发射光谱分析工作的光谱范围只是紫外光域的一部分，波长约为1600埃－8500埃（可见光域的波长范围约为4000埃－7000埃）。物质能发射光谱，物质对光且有吸收、散射等作用。这些现象都可以利用来作物质的测定。这里讨论的限于发射光谱分析，或者说的严密一些，应称作发射光谱化学分析。但为简单起见，我们就称之为光谱分析。物质发射的光谱有三种，线状光谱、带状光谱及连续光谱。线状光谱系由原子或离子被激发而发射，因此只有当物质在离解成原子或离子时（一般气态或高温下）才发射线状光谱。带状光谱系由分子被激发而发射，而连续光谱系由炙热的固体或液体所发射。在通常进行光谱分析所用的激发光源火焰、电弧或电火花的作用下，分析的物质处在高温的气态下，一般都离解为原子或离子，因而被激发后发射的是线状光谱。所以光谱分析所利用的是线状光谱中的谱线，并且所得结果只能给出组成元素的种类及含量，而不显示物质的分子结构。每一种元素的原子被激发后，可以产生一组其特征的光谱，而特征光谱的出现就能证明此种元素在辐射源中存在。。原子或离子被激发而产生十数万条光谱的谱线已经测定它们的波长。由于测定波长能达很高的准确度，光谱中的大部分谱线都可以无误地确定其由哪一种元素产生。所以光源定性分析是很可靠的办法，即灵敏、快速又简单。周期表上约七十个元素，可以用光谱方法，较容易地定性测定。一般当试样中某一元素的含量不太高时，该元素发射的光谱谱线强度是和它的含量成正比。这个关系成为光谱定量分析的基础，并使光谱定量分析成为非常方便的方法。凡是光谱定性分析能测到的元素，一般都可以做定量分析。光谱定量分析，一般比化学快，并且用较少的试样即可进行。物质发射的光谱需用分光仪器进行观测。分光仪器需有三个元件：狭缝、能将不同波长的光按波长分开和排列成序的三棱镜或光栅和能聚焦成像以形成谱线的光学系统（谱线即为狭缝的像）。谱线落在焦面上，可用感光板摄取，或用目镜观测（限于可见光），或用一出口狭缝接收（使与近旁其它谱线区分）。前一种方式即为一摄谱仪，其次一种方式则为看谱镜，而第三种方式则为单色仪。如在许多谱线处装上出口狭缝，并在出口狭缝后面设置光电接收装置，即成为光电直读光谱议。2、电法光谱分析的发展情况在近代科学技术的发展中，光谱分析的应用在成分分析、结构分析及科学研究中均起到重要的作用。其中原子发射光谱这一分析方法不仅对金属、合金、矿物成分的测定，也对生产过程的控制有着重要的作用，而且已广泛应用于高分子材料、石油化工、农业、医药、环境科学以及生命科学等领域。发射光谱分析根据接收光谱辐射方式的不同而分成三种：看谱法，摄谱法和光电法。由图1可以看出这三种方法基本原理都相同：都是把激发试样获得的复合光通过入射狭缝射在分光元件上，被色散成光谱，通过测量谱线强度而求得试样中分析元素的含量。三种方法的区别在于看谱法用人眼去接收，射谱法用感光板接收，而光电法则使谱线通过放在光谱焦面处的出射狭缝，用光电倍增管接收光谱辐射。光电法是由看谱法及摄谱法发展而来的，主要用来作定量分析。摄谱法的光谱定量分析本来也是一种快速分析方法，但因为要在暗室中处理感光板，测量谱线黑度，分析速度受到限制。为了进一步加快分析速度，有人设想用光电元件来接收光谱线，将光讯号转变为电讯号。这样做可以不进行暗室处理及黑度测量，使分析速度更加提高。光电法的光谱分析随着光电转换技术的完善终于可以实现。最早的光电直读光谱分析用于铝镁工业，后来被广泛用于钢铁工业及其他工业。三、光电光谱分析的特点及应用范围光电光谱分析主要有以下特点：（1）、自动化程度高、选择性好、操作简单、分析速度快、可同时进行多元素定量分析。如在1-2分钟之内可同时对钢中20多个合金元素进行测定，控制冶炼工艺，加速炼钢过程。（2）、校准曲线线性范围宽。由于光电倍增管对信号的放大能力很强，对于不同强度的谱线可使用不同的倍率（相差可达一万倍），因此光电光谱法可用同一分析条件对样品中含量相差悬殊的很多元素从高含量到痕量可同时进行测定。（3）、精度高。采用摄谱法的光谱分析，因感光板及测光方面引入的误差一般在1％以上，而采用光电法时，测量误差可降至0.2％以下，因而具有较高的精确度，有利于进行样品中高含量元素的分析。（4）、检出限低。光电光谱分析的灵敏度与光源性质、仪器状态、试样组成及元素性质等均有关。一般对固体的金属、合金或粉末样品采用火花或电弧光源时，检出限可达0.1～10ppm，对液体样品用ICP光源时检出限可达1纳克－1微克/毫升。用真空光电光谱议时对碳、硫、磷等非金属也有很好的检出限。（5）、在某些条件下，可测定元素的存在方式，如测定钢铁中的酸溶铝、酸不溶铝等。光电光谱分析的不足之处：它仍是一个经验相对的分析方法，试样组成、结构状态、激发条件等难于完全控制，一般需用一套相应的标准样品进行匹配，使光电光谱分析的应用受到一点限制，另外光电光谱法也仅适用于金属元素及部分非金属元素的成分分析，对于元素的价态的测量仍无能为力，有待于与其它分析方法配合使用。光电光谱分析在物理学、化学、生物学等基础学科以及冶金、地质、机械、化工、农业、环保、食品、医药等领域都有其广泛的用途。特别是在钢铁及有色金属的冶炼中控制冶炼工艺具有极其重要的地位，而在地质系统找矿、环保、农业、生物样品中微量元素的检测高纯金属及高纯试剂中痕量的测定以及状态分析方面，光电光谱法都是相当有效的一种分析手段，是其他方法无法取代的。四、光电光谱定量分析1、光谱强度与试样浓度的关系光谱定量分析，主要是样品光谱中分析元素的谱线强度来确定元素的浓度。元素的谱线强度与该元素在试样中浓度的相互关系，可用如下经验公式即赛伯－罗马金公式来表示：I=ACb（1.7.1）式中：I是谱线强度，C是分析元素的浓度，A是与试样的蒸发、激发过程和试样组成的有关的一个参数，常数b的大小则与谱线的自吸收有关。2、内标法和分析线对由于试样的蒸发、激发条件以及试样组成等的任何变化，使参数A发生变化，均会直接影响谱线强度，这种变化往往很难避免，所以在实际光谱分析时，常选用一条比较谱线，用分析线与比较线强度比进行光谱定量分析，以抵偿这些难以控制的变化因素A的影响，所采用的比较线称内标线，提供这种比较线的元素称为内标元素。在光谱定量分析中，内标元素的含量不大，它可以是试样中的基本成份，也可以是以一定的含量加入试样的外加元素。这种按分析线强度比进行光谱定量分析的方法称内标法；所选用的分析线与内标线的组合叫做分析线对。如果分别以α、S，表示分析线，则Iα=AαCbaaIα=AαCboa＝Ao（Ca是常数）由此分析线对的强度比为R=Ia/I=（Aa/Ao）*Cbaa令K=Aa/Ao,C=Ca，b＝ba则R＝KCb在一定浓度范围内，K，b与浓度无关，此式即为内标法定量分析的基本公式。但是，并不是任何元素都可以做内标，任何一对谱线都可以做分析线对，为了使K值是个常数，对于内标元素、内标线、和分析线的选择必须具备下列条件：（1）分析线对应具有相同或相近的激发电位和电离电位，以减少放电温度（激发温度）的改变对分析线对相对强度因离解度激发效率及电离度的变化所引起的影响；（2）内标元素与分析元素应具有相接近对熔点、沸点、化学活性及相近的原子量，以减小电极温度（蒸发温度）的改变对分析线对相对强度因重熔溅射、蒸发、扩散等变化所引起的影响；（3）内标元素的含量，不随分析元素的含量变化而改变，在钢铁分析中常采用基体元素铁作为内标；在制作光谱分析标准样品成体设计时，往往使内标元素含量基体保持一致，以减少基体效应的影响；（4）分析线及内标线自吸收要小，一般内标线常选用共振线，其自吸收系数b＝1，对分析线的选择在低含量时可选用共振线外，在高含量时，可选用自吸收系数b接近1的非共振线；（5）分析线和内标线附近背景应尽量小，且无干扰元素存在，以提高信噪比。实际上，上述条件很难同时满足，例如在钢铁及纯物质中少量成份测定时，由于比较容易达到稳定的激发条件，因而在分析线对中，即使二者的激发电位和电离电位相差较大，仍能得到满意的效果。3、光电光谱定量关系式光电光谱分析中，试样经光源激发后所辐射的光，经入射狭缝到色散系统光栅，经过分光以后各单色光被聚焦在焦面上形成光谱，在焦面上放置若干个出射狭缝，将分析元素的特定波长引出，分别投射到光电倍增管等接收器上，将光能转变成电信号，由积分电容