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1、光谱分析原理及其方法摘要：在电磁辐射条件下，某种物质的某些粒子的能级发生改变，因而产生吸收、发射或散 射辐射等行为，使电磁辐射的强度随波长而变化，从而能够定性、定量此种物质。根据物质 的光谱来鉴别物质及确定它的化学组成和相对含量的方法叫光谱分析。其优点是灵敏，便宜， 易操作，迅速。由于每种原子都有自己的特征谱线，因此可以根据光谱来鉴别物质和确定它 的化学组成。这种方法叫做光谱分析。做光谱分析时，可以利用发射光谱，也可以利用吸收 光谱。这种方法的优点是非常灵敏而且迅速。某种元素在物质中的含量达10-10 克，就可以 从光谱中发现它的特征谱线，因而能够把它检查出来。本文从光谱分析的分类；光谱分析方
2、 法的原理，操作步骤以及样品制备；各种分析方法的应用和特点进行概述。并对光谱分析技 术在化学领域中的重要作用做出探讨。关键词：光谱分析；分子光谱；红外光谱；紫外光谱；核磁共振；原子光谱；原子荧光光谱光谱分析在科学技术中有广泛的应用。例如，在检查半导体材料硅和锗是不是达到了高 纯度的要求时，就要用到光谱分析。在历史上，光谱分析还帮助人们发现了许多新元素。例 如，铷和铯就是从光谱中看到了以前所不知道的特征谱线而被发现的。光谱分析对于研究天 体的化学组成也很有用。十九世纪初，在研究太阳光谱时，发现它的连续光谱中有许多暗线。 最初不知道这些暗线是怎样形成的，后来人们了解了吸收光谱的成因，才知道这是太阳
3、内部 发出的强光经过温度比较低的太阳大气层时产生的吸收光谱。仔细分析这些暗线，把它跟各 种原子的特征谱线对照，人们就知道了太阳大气层中含有氢、氦、氮、碳、氧、铁、镁、硅、 钙、钠等几十种元素。根据分析原理光谱分析可分为发射光谱分析与吸收光谱分析二种；根 据被测成分的形态可分为原子光谱分析与分子光谱分析。光谱分析的被测成分是原子的称为 原子光谱,被测成分是分子的则称为分子光谱。分子光谱中常见的是红外光谱（IR）、紫外 光谱（Uv-Vis）、核磁共振（NMR），核磁共振中常见的是氢核磁共振（1HNMR）和碳核 磁共振（12CNMR）。（资料来源于百度百科）1.分子光谱法分子光谱法是由分子中电子能级
4、，振动和转动能级的变化产生的，表现为带色谱。基于 物质分子与电磁辐射作用时,物质内部发生了量子化的能级之间的跃迁,测量由此产生的反射, 吸收或散射辐射的波长和强度而进行分析的方法,称为分子光谱分析法。如紫外可见分光光 度法,分子荧光光谱法,红外及拉曼光谱法,核磁共振波谱法等1。1.1紫外-可见分光光度法（Uv-Vis）组成：光源、单色器、样品池、检测器。光源：能提供连续的辐射；光强度足够大； 在整个光谱区内光谱强度不随波长有明显变化;光谱范围宽;使用寿命长，价格低。钨 灯可见光区3202500nm,氢灯或氘灯紫外光区195 375nm, U3010 （碘钨灯、 氘灯）波长范围190-900nm
5、。单色器：包括狭缝、准直镜、色散元件。吸收池：玻璃由 于吸收紫外 UV 光，仅适用于可见光区； 石英适用于紫外和可见光区。检测器（将光 信号转变为电信号的装置）：光电管；光电倍增管；二极管阵列检测器。记录装置：讯号处 理和显示系统。紫外可见分光光度法（Uv-Vis法）具有设备简单、适用性广、准确度和精 密度高等特点。在有机化学、生物化学、食品检验、医疗卫生、环境保护、肿瘤诊断、生命 科学等各个领域和科研生产工作中都已得到了广泛的应用。1.1.1 紫外-可见分光光度法原理紫外可见分光光度法的定量分析基础是朗伯一比尔（LambertBeel-）定律。即物质在一 定浓度的吸光度与它的吸收介质的厚度呈
6、正比，其数学表示式如下：A=abc式中：A吸光度；a摩尔吸光系数；b吸收介质的厚度；c吸光物质的浓紫外-可见分光光度法：是根据物质分子对波长为200-760nm这一范围的电磁波的吸收 特性所建立起来的一种定性、定量和结构分析方法。操作简单、准确度高、重现性好。波长 长（频率小）的光线能量小，波长短（频率大）的光线能量大。分光光度测量是关于物质分 子对不同波长和特定波长处的辐射吸收程度的测量。1.1.2 紫外-可见光分光光度计操作步骤以及样品要求操作规程：打开仪器开关，仪器使用前应预热30分钟。转动波长旋钮，观察波长 显示窗，调整至需要的测量波长。根据测量波长，拨动光源切换杆，手动切换光源。 2
7、00-339nm使用氘灯，切换杆拨至紫外区；340nm-1000nm使用卤钨灯，切换杆拨至可见区。 调T零在透视比（T）模式，将遮光体放入样品架，合上样品室盖，拉动样品架拉杆使其 进入光路。按下“调0%”键，屏幕上显示“000.0”或“-000.0”时，调T零完成。调100%T/ OA先用参比（空白）溶液荡洗比色皿2-3次，将参比（空白）溶液倒入比色皿，溶液量约 为比色皿高度的 3/4，用擦镜纸将透光面擦拭干净，按一定的方向，将比色皿放入样品架。 合上样品室盖，拉动样品架拉杆使其进入光路。按下“调100% ”键，屏幕上显示“BL”延 时数秒便出现“100.0”（T模式）或“000.0”、“-0
8、00.0”（A模式）。调100%T/ OA完 成。测量吸光度：参照操作步骤、步骤。在吸光度A）模式，参照步骤调100%T/ OA。用待测溶液荡洗比色皿2-3次，将待测溶液倒入比色皿，溶液量约为比色皿 高度的 3/4，用擦镜纸将透光面擦拭干净，按一定的方向，将比色皿放入样品架。合上样品室盖， 拉动样品架拉杆使其进入光路，读取测量数据。测量透视比：参照操作步骤、步骤。 在透视比（T）模式，参照步骤调100%T/ OA。用待测溶液荡洗比色皿2-3次，将待测溶 液倒入比色皿，溶液量约为比色皿高度的 3/4，用擦镜纸将透光面擦拭干净，按一定的方向， 将比色皿放入样品架。合上样品室盖，拉动样品架拉杆使其进
9、入光路,读取测量数据。浓 度测量：参照操作步骤、步骤。在透视比（T）模式，参照步骤调100%T/ OA。用标 准浓度溶液荡洗比色皿2-3次，将标准浓度溶液倒入比色皿，溶液量约为比色皿高度的3/4， 用擦镜纸将透光面擦拭干净，按一定的方向，将比色皿放入样品架。合上样品室盖，拉动样 品架拉杆使其进入光路。按下“功能键”切换至浓度（C）模式。按下“”或“”键， 设置标准溶液浓度，并按下“确认”键。用待测溶液荡洗比色皿2-3次，将待测溶液倒入比 色皿，溶液量约为比色皿高度的 3/4，用擦镜纸将透光面擦拭干净，按一定的方向，将比色 皿放入样品架。合上样品室盖，拉动样品架拉杆使其进入光路，读取测量数据。注
10、意事项：使用紫外光谱测量浓度时，需要制备不同浓度的标准品，并绘制标准曲线， 然后根据所测的紫外吸收光谱曲线，计算得到结论。操作时，注意需要提前预热20分钟。 样品制备好了以后不能长时间的放置。对于不同的物质，需要在特定的波长下进行吸收检测。 对于样品检测时，需要及时冲洗干净玻璃皿。1.1.3 紫外-可见分光光度法仪器与应用紫外可见分光光度计是一类很重要的分析仪器,无论在物理学、化学、生物学、医学、 材料学、环境科学等科学研究领域,还是在化工、医药、环境检测、冶金等现代生产与管理 部门,紫外可见分光光度计督有广泛而重要的应用。紫外可见分光光度计有着较长的历史,其 主要理论框架早已建立,制作技术相
11、对成熟。但构成紫外可见分光光度计的光、机、电、算 等任何一方面的新 技术都可能再推动紫外可见分光光度计整体性能的进步。在追求准确、 快速、可靠的同时,小型化、智能化、在线化、网络化成为了现代紫外可见分光光度计新的 增长点。紫外可见分光光度计作为一项产业,用户的需求是其发展的根本动力,面向客户、以 人为本是设计和制造紫外可见分光光度计应该遵循的法则2。应用范围包括：定量分析，广泛用于各种物料中微量、超微量和常量的无机和有机物 质的测定。定性和结构分析，紫外吸收光谱还可用于推断空间阻碍效应、氢键的强度、互 变异构、几何异构现象等。反应动力学研究，即研究反应物浓度随时间而变化的函数关系， 测定反应速
12、度和反应级数，探讨反应机理。研究溶液平衡，如测定络合物的组成，稳定常 数、酸碱离解常数等。1.2红外光谱法（IR）红外光谱 （Infrared Spectroscopy, IR） 的研究开始于20世纪初期，自1940年商品红外光 谱仪问世以来，红外光谱在有机化学研究中得到广泛的应用。近几十年来一些新技术 （如 发射光谱、光声光谱、色红联用等） 的出现，使红外光谱技术得到更加蓬勃的发展。1.2.1 红外光谱分析原理组成：光源、单色器、样品池、检测器。光源：能提供连续的辐射；光强度足够大；在整个光谱区内光谱强度不随波长有明显变化;光谱范围宽;使用寿命长，价格低。钨 灯可见光区3202500nm,氢
13、灯或氘灯紫外光区195 375nm, U3010 （碘钨灯、 氘灯）波长范围190-900nm。单色器：包括狭缝、准直镜、色散元件。吸收池：玻璃由 于吸收紫外 UV 光，仅适用于可见光区； 石英适用于紫外和可见光区。检测器（将光 信号转变为电信号的装置）：光电管；光电倍增管；二极管阵列检测器。记录装置：讯号处 理和显示系统。将一束不同波长的红外射线照射到物质的分子上，某些特定波长的红外射线 被吸收，形成这一分子的红外吸收光谱。每种分子都有由其组成和结构决定的独有的红外吸 收光谱，据此可以对分子进行结构分析和鉴定。红外吸收光谱是由分子不停地作振动和转动 运动而产生的，分子振动是指分子中各原子在平
14、衡位置附近作相对运动，多原子分子可组成 多种振动图形。当分子中各原子以同一频率、同一相位在平衡位置附近作简谐振动时，这种 振动方式称简正振动（例如伸缩振动和变角振动）。分子振动的能量与红外射线的光量子能 量正好对应，因此当分子的振动状态改变时，就可以发射红外光谱，也可以因红外辐射激发 分子而振动而产生红外吸收光谱。分子的振动和转动的能量不是连续而是量子化的。但由于 在分子的振动跃迁过程中也常常伴随转动跃迁，使振动光谱呈带状。所以分子的红外光谱属 带状光谱3。1.2.2 红外光谱法操作步骤以及样品要求操作步骤：开机一仪器自检一软件操作一整理绘图。环境要求（室内温度：18C25r 相对湿度：W 6
15、0%）。开机：开启电源稳压器，打开电脑、打印机及仪器电源。建议在操 作仪器采集谱图前，先让仪器稳定20分钟以上。仪器自检：按【OMNIC】打开软件后，仪 器将自动检测并在右上角【状态】出现绿色【V】。这样表示电脑和仪器通讯正常。软件操 作：进入【采集】菜单的【实验设置】，进入【诊断】观察红外信号是否正常，如果正常就 直接跳到下一步，如果不正常（比如说最大值小于4），就按【准直】进行光路自动校准， 如果还是不正常，就先按【重置光学台】，等几秒钟再按【准直】；将背景样品放入样品仓 或以空气为背景，按【COL BKG】采集背景光谱；将测试样品放入样品舱，按COL SMP】 采集红外光谱；需要时，按B
16、SLN COR自动校正基线，或进行平滑处理等其它数据处理；需 要时，按【制图检索】进行谱图检索和红外谱图解析；按【FIND AKS】识别谱峰；打印。样品要求以及注意事项：参照池和吸收池应是一对经校正好的匹配的吸收池，材料和规 格一致；使用前后应将洗手池洗净，测量时不能用手接触窗口；已匹配好的比色皿不能用炉 子和火焰干燥，不能加热，以免引起光程长度上的改变；选择适宜波长的入射光，由于有色 物质对光有选择性吸收,为了使测定结果有较高的灵敏度,必须选择溶液最大吸收波长的入射 光;控制吸光度A的准确的读数范围，由朗伯-比耳定律可知，吸光度只有控制在0.2-0.7读数范 围内时,测量的准确度较高；选择参比溶液，参比溶液是用来调节仪器工作零点的。若样品 溶液，试剂，显色剂无色可用蒸馏水作参比溶液，反之应采用不加显色剂的样品液作参比溶 液。1.2.3 红外光
