一、 光譜分析簡(jiǎn)介
1、 電磁輻射的基本特征
光譜是按照波長(cháng)(或波數、頻率)順序排列的電磁輻射。天空的彩虹、自然界的極光等均是人們早期觀(guān)察到的光譜,但它們僅是電磁輻射的很小的一部分可見(jiàn)光譜。還有大量的不能被人們直接看到的和感覺(jué)到的光譜,如γ射線(xiàn)、x射線(xiàn)、紫外線(xiàn)、紅外線(xiàn)、微波及無(wú)線(xiàn)電波等,這些也都是電磁輻射,它們只是頻率或波長(cháng)不同而已。 電磁輻射實(shí)際是一種以巨大速度通過(guò)空間而傳播的能量(光量子流),具有波動(dòng)性和微粒性。 就波動(dòng)性而言,電磁輻射在空間的傳播具有波的性質(zhì),如同聲波、水波的傳播一樣,可以用速度、頻率、波長(cháng)和振幅這樣一些參數來(lái)描述,并且傳播時(shí)不用任何介質(zhì),且易于通過(guò)真空。在真空中所有電磁輻射的速度相同,常用光速(c)來(lái)表示,c的數值為:2.99792*103米/秒。 在一定的介質(zhì)中,它們之間的關(guān)系為 δ=V/C=1/λ 式中:V-------頻率,單位時(shí)間內的波數;λ„„„„波長(cháng),為沿波的傳播方向、相鄰兩個(gè)波間相位相同的兩點(diǎn)之間的距離;δ„„„„波數,單位長(cháng)度內波長(cháng)的個(gè)數。C是光速。 就電磁輻射的微粒性來(lái)說(shuō),每個(gè)光量子均有其特征的能量ε,它們與波長(cháng)或頻率之間的關(guān)系可以用普朗克(Planck)公式表示: ε=hv=h(c/λ)波長(cháng)是相鄰間相位相同的兩點(diǎn)之間的距離 式中:h是普朗克常數,其值為6.626*10-34 焦耳/秒、
2、電磁波譜區域
電磁輻射按波長(cháng)順序排列稱(chēng)磁波譜。他們是物質(zhì)內部運動(dòng)的一種客觀(guān)反映,也就是說(shuō)任一波長(cháng)的光量子的能量ε與物質(zhì)的內能變化△E=E2-E1=ε=hv=h(c/λ)如果已知物質(zhì)由一種狀態(tài),E2過(guò)渡到另一種狀態(tài)E1時(shí),其能量差為△E=E2-E1 便可按照公式計算出相應的光量子的波長(cháng)。下表列出了各輻射區域、波長(cháng)范圍及相應的能及躍遷類(lèi)型。
對于成分分析主要應用近紫外及可見(jiàn)光區。
3、光譜分析內容
光譜分析是根據物質(zhì)的特征光譜來(lái)研究化學(xué)組成、結構和存在狀態(tài)的一類(lèi)分析領(lǐng)域??杉毞譃樵影l(fā)射光譜分析、原子吸收光譜分析、分子發(fā)射光譜分析、分子吸收光譜分析、X射線(xiàn)熒光光譜分析、紅外和拉曼光譜分析等各類(lèi)分析方法。 原子發(fā)射光譜分析是根據試樣物質(zhì)中氣態(tài)原子(或離子)被激發(fā)以后,其外層電子輻射躍遷所發(fā)射的特征輻射能(不同的光譜),來(lái)研究物質(zhì)化學(xué)組成的一種方法。常稱(chēng)為光譜化學(xué)分析,也簡(jiǎn)稱(chēng)為光譜分析。光電光譜分析方法是用光電轉換器件進(jìn)行測量的發(fā)射光譜分析。在光電光譜分析中,計算機的應用已很普遍。
二、光電光譜分析的基本原理和發(fā)展情況
1、基本原理
測定物質(zhì)的組成,是人類(lèi)認識自然,改造自然必要的。物質(zhì)系由分子或原子所組成。欲測定物質(zhì)的組成,通常用化學(xué)分析法,但光譜分析也是廣泛采用的方法。 物質(zhì)都有其屬性,通過(guò)屬性可以區別不同的物質(zhì)。由于物質(zhì)的組成不同,在一定條件下物質(zhì)能發(fā)射其特征的光譜。我們就是利用光譜這個(gè)屬性來(lái)測定物質(zhì)的組成。 由于光具有波動(dòng)物質(zhì),所以光的一個(gè)標志是它的波長(cháng)。不同顏色的光彩表明它們的波長(cháng)不同。由短波的紫光到長(cháng)波的紅光組成全部可見(jiàn)光。按照波長(cháng)分開(kāi)而排列的一系列不同波長(cháng)的光就組成所謂光譜。廣義而言,可用于分析工作的光譜的范圍可以包括更大電磁波的范圍,大約波長(cháng)范圍由10-10至10厘米。但發(fā)射光譜分析工作的光譜范圍只是紫外光域的一部分,波長(cháng)約為1600埃-8500埃(可見(jiàn)光域的波長(cháng)范圍約為4000埃-7000埃)物質(zhì)能發(fā)射光譜,物質(zhì)對光且有吸收、散射等作用。這些現象都可以利用來(lái)作物質(zhì)的測定。這里討論的限于發(fā)射光譜分析,或者說(shuō)的嚴密一些,應稱(chēng)作發(fā)射光譜化學(xué)分析。但為簡(jiǎn)單起見(jiàn),我們就稱(chēng)之為光譜分析。 物質(zhì)發(fā)射的光譜有三種,線(xiàn)狀光譜、帶狀光譜及連續光譜。線(xiàn)狀光譜系由原子或離子被激發(fā)而發(fā)射,因此只有當物質(zhì)在離解成原子或離子時(shí)(一般氣態(tài)或高溫下)才發(fā)射線(xiàn)狀光譜。帶狀光譜系由分子被激發(fā)而發(fā)射,而連續光譜系由炙熱的固體或液體所發(fā)射。在通常進(jìn)行光譜分析所用的激發(fā)光源火焰、電弧或電火花的作用下,分析的物質(zhì)處在高溫的氣態(tài)下,一般都離解為原子或離子,因而被激發(fā)后發(fā)射的是線(xiàn)狀光譜。所以光譜分析所利用的是線(xiàn)狀光譜中的譜線(xiàn),并且所得結果只能給出組成元素的種類(lèi)及含量,而不顯示物質(zhì)的分子結構。 每一種元素的原子被激發(fā)后,可以產(chǎn)生一組其特征的光譜,而特征光譜的出現就能證明此種元素在輻射源中存在。。原子或離子被激發(fā)而產(chǎn)生十數萬(wàn)條光譜的譜線(xiàn)已經(jīng)測定它們的波長(cháng)。由于測定波長(cháng)能達很高的準確度,光譜中的大部分譜線(xiàn)都可以無(wú)誤地確定其由哪一種元素產(chǎn)生。所以光源定性分析是很可靠的辦法,即靈敏、快速又簡(jiǎn)單。周期表上約七十個(gè)元素,可以用光譜方法,較容易地定性測定。 一般當試樣中某一元素的含量不太高時(shí),該元素發(fā)射的光譜譜線(xiàn)強度是和它的含量成正比。這個(gè)關(guān)系成為光譜定量分析的基礎,并使光譜定量分析成為非常方便的方法。凡是光譜定性分析能測到的元素,一般都可以做定量分析。光譜定量分析,一般比化學(xué)快,并且用較少的試樣即可進(jìn)行。 物質(zhì)發(fā)射的光譜需用分光儀器進(jìn)行觀(guān)測。分光儀器需有三個(gè)元件:狹縫、能將不同波長(cháng)的光按波長(cháng)分開(kāi)和排列成序的三棱鏡或光柵和能聚焦成像以形成譜線(xiàn)的光學(xué)系統(譜線(xiàn)即為狹縫的像)。 譜線(xiàn)落在焦面上,可用感光板攝取,或用目鏡觀(guān)測(限于可見(jiàn)光),或用一出口狹縫接收(使與近旁其它譜線(xiàn)區分)。前一種方式即為一攝譜儀,其次一種方式則為看譜鏡,而第三種方式則為單色儀。如在許多譜線(xiàn)處裝上出口狹縫,并在出口狹縫后面設置光電接收裝置,即成為光電直讀光譜議。
2、電法光譜分析的發(fā)展情況
在近代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展中,光譜分析的應用在成分分析、結構分析及科學(xué)研究中均起到重要的作用。其中原子發(fā)射光譜這一分析方法不僅對金屬、合金、礦物成分的測定,也對生產(chǎn)過(guò)程的控制有著(zhù)重要的作用,而且已廣泛應用于高分子材料、石油化工、農業(yè)、醫藥、環(huán)境科學(xué)以及生命科學(xué)等領(lǐng)域。 發(fā)射光譜分析根據接收光譜輻射方式的不同而分成三種:看譜法,攝譜法和光電法。由圖1可以看出這三種方法基本原理都相同:都是把激發(fā)試樣獲得的復合光通過(guò)入射狹縫射在分光元件上,被色散成光譜,通過(guò)測量譜線(xiàn)強度而求得試樣中分析元素的含量。三種方法的區別在于看譜法用人眼去接收,射譜法用感光板接收,而光電法則使譜線(xiàn)通過(guò)放在光譜焦面處的出射狹縫,用光電倍增管接收光譜輻射。 光電法是由看譜法及攝譜法發(fā)展而來(lái)的,主要用來(lái)作定量分析。攝譜法的光譜定量分析