光谱仪器原理与技术ppt课件.ppt
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1、1,光谱仪器原理与技术,第一章 绪 论,二、光谱仪器概念及种类,三、本课程的主要内容,四、参考书,一、光谱基础及应用,物理、化学、材料、生物、医学、环境、化工、天文、地质、考古、食品、石化、农业、纺织、制药、冶炼、质检、公安、侦察、海关。,太阳光谱中的暗线,太阳大气中存在钠、铁、镁、铜、锌、钡、镍等,与光谱相关的学科及应用领域:,牛顿棱镜分光(1666),光谱是鉴定物质结构、定量成分含量的强有力手段,近红外光谱技术快速测定粮食中的粗蛋白、粗脂肪、直链淀粉、水分等成分含量,拉曼光谱技术对药品进行定性检查 对爆炸品/毒品进行快速定性 珠宝/矿石/古迹/陶瓷等的真伪鉴定 辨别食用油的正/反式脂肪,C
2、CD立体相机、干涉成像光谱仪、激光高度计、微波辐射计、太阳宇宙射线检测器和低能离子探测器等,嫦娥一号携带的科学仪器,干涉成像光谱仪(西安光机所研制)利用月表不同物质被太阳光照射后的反射光谱来识别区分物质,确定月球表面主要矿石的分布情况。,一、光谱基础及应用,1、光谱产生的原理,当一束光射到物质样品上,可能发生:吸收、透射、反射、散射或者激发荧光等。,1)光与物质的相互作用,以物质吸收、反射、发射或散射光的(相对)强度为纵坐标,以光的波长(或波数或频率)为横坐标所作的图谱称为光谱。,2)光谱的定义,光谱的另一种表达:摄谱图,对于原子而言,原子核外的电子在不同轨道运动,对应具有确定的能量。,3)光
3、谱的产生,对于分子而言,除了核外电子在运动,同时组成分子的原子之间也在振动和转动。每一种运动都对应一定的能量。,根据量子力学,原子和分子所有这些运动状态的能量都是分立的、量子化的,称为能级。,原子或分子在不同能级之间的跃迁大多伴随光的吸收(从低能级到高能级)或光的辐射(从高能级到低能级) ,于是形成吸收光谱或发射光谱。,跃迁能级能量之差,吸收或辐射光子的能量,满足:,原子光谱与分子光谱之分,分子的总能量主要由以下三项组成:,电子能量,振动能量,转动能量,能级符号: S V J,相邻能级间隔:,分子的能级图,(S电子能级;V振动能级;J转动能级),电磁波吸收与分子能级变化示意图A: 转动能级跃迁
4、(远红外区)B:转动/振动能级跃迁(近红外区) C:转动/振动/电子能级跃迁(可见紫外区),原子结构较简单,只涉及原子核外电子能量的变化,跃迁在电子能级之间进行,原子的吸收谱或发射谱是分立的锐利的特征谱线。,4)光谱区域的划分,X射线 紫外 可见 近红外 红外 远红外 微波,波数:,光谱分析法,2、获得光谱的方法,1)空间色散法利用棱镜或者光栅分光,棱镜分光,光栅分光,各种光栅(周期性排列的结构),当光栅转动时,不同波长的色光将从出射狭缝射出,CCD光谱仪光路示意图,2)干涉法利用光的干涉的原理与方法,3)其它滤波法,傅立叶变换(FT)光谱仪, F-P干涉仪,声光可调谐滤波(AOTF)光谱仪。
5、,光和物质之间的相互作用,使物质对光产生了吸收、发射或散射。将物质吸收、发射或散射光的强度对频率作图所形成的演变关系,称为分子光谱。分子光谱包括紫外可见光谱、红外光谱、荧光和拉曼光谱等。,3、分子光谱的分类及其应用,紫外可见光谱,红外光谱,吸收谱,发射谱,转动光谱,振动光谱,电子光谱,散射谱,拉曼光谱,荧光光谱,电子光谱:UV-Vis吸收光谱振动光谱:IR红外吸收光谱转动光谱:远红外吸收和微波,光致发光:吸收光辐射 荧光光谱:单重激发态基态 磷光光谱:三重激发态基态化学发光:化学能激发,光子与试样分子非弹性碰撞能量交换后的散射光谱,与分子振动能级跃迁对应,与红外吸收光谱有相似性,拉曼光谱,分子
6、发光光谱,分子吸收光谱,有机化合物的紫外可见吸收光谱是三种电子跃迁的结果:电子、电子和 n 电子。,1)电子跃迁与紫外可见光谱,紫外可见光谱(UVVIS)对应于电子能级跃迁,波长范围:190nm780nm,电子跃迁类型,A、 紫外可见光谱及其应用,2) 朗伯比尔定律,式中:b为光程,C为溶液浓度,为摩尔吸光系数,可见,在b和一定的情况下,C与A成正比。,这种定量分析方法称为吸收光度法,不仅适用于紫外可见光谱,也适用于原子吸收光谱和荧光光谱等。,入射光 (Io),透射光 (I),b,样品,吸收光度法 (UV-VIS, IR, AAS, etc.),C为溶液浓度,为摩尔吸光系数,某些芳香化合物的紫
7、外吸收化合物 II带 III带 溶剂 max max 苯 203.5 7.4103 254 204 正己烷甲苯 206 7103 261 225 正己烷氯苯 210 7.6103 265 240 乙醇苯酚 210.5 6.2103 270 1450 水苯酚盐 236.5 6.8103 292 2600 碱性水溶液苯胺 230 8.6103 280 1430 水苯胺盐 203 2.5103 254 160 酸性水溶液苯乙烯 244 1.2104 282 450 乙醇苯甲醛 244 1.5104 280 1500 乙醇苯乙酮 240 1.3104 278 1100 乙醇硝基苯 252 1.0104
8、 280 10000 正己醇,检定物质 根据吸收光谱图上最大吸收波长和摩尔吸收系数检定物质。这在药物分析上有着很广泛的应用。,3) 紫外可见光谱的应用,推测化合物的分子结构 络合物组成的测定反应动力学研究 有机物分析 。,550nm处定标拟合曲线,不同浓度葡萄糖液的吸收光谱,应用举例:葡萄糖浓度的测定,葡萄糖在一定条件下(葡萄糖氧化酶、过氧化物酶与4-氨基氨替比林作用下), 转化生成醌类化合物(红色)。,同理,通过控制适当显色条件,可测定钴、镍、铜、银、铁等元素的含量。,应用:水质分析,临床生化检测等。,近红外(Near Infrared NIR)光谱范围波长:780nm2500nm波数:12
9、820cm-14000cm-1,含氢基团(X-H, X为C,O,N,S等)的倍频或组合频谱带在近红外区。,基频:对应于相邻振动能级之间的跃迁(如01)倍频:对应于相隔一个或几个振动能级之间的跃迁(如0 2,0 3),B、 近红外光谱及其应用,近红外光谱很弱,并且重叠严重,不能直接从谱图峰位来判断,需要用化学计量学方法处理,建模,才能得到正确的结果。,近红外光谱分析的特点:,无损、快速、样品无需前处理,技术难点:,石油化工领域汽油、柴油、喷气燃料、润滑油等的组成及性质分析石油加工过程质量监控,高分子合成与加工领域聚合过程监测,聚合物结构测定,聚合物类型判别,制药工业纺织工业。,近红外光谱分析技术
10、的应用领域,农业食品领域粮食、饲料、奶制品、水果等的蛋白质、脂肪、糖等含量,1) 分子的振动与红外光谱,a)分子的振动类型,红外光谱(InfraredIR)的波长范围:2.5 m 25m,波数范围:400cm-14000cm-1,红外光谱对应于分子的转动能级跃迁。,C、 红外光谱及其应用,伸缩振动,对称,不对称,例:-CH2-,+,+,+,-,弯曲振动,面外,面内,剪式,摇摆,摇摆,扭曲,b)化学键的振动频率,虎克定律:(Hooks Law),mi 为成键原子的质量,k 为化学键的力常数,其中: 为约合质量,CC吸收出现在1200700cm-1;C=C吸收在17001450 cm-1;CC吸收
11、在23002100cm-1。,如:键能大小顺序为 CC C=C CC,i) 化学键的键能越大,键长越短,k 越大,当两个振动原子中有一个为氢原子时, 就很小,振动频率或波数就大。 如:C-H,O-H,N-H键的伸缩振动吸收出现在高波数区( 3000cm-1 左右)。,iii)对同一化合物,气态在高波数区,液态或固态在低波数区。 例如:丙酮的羰基伸缩振动吸收,气态时出现在1738cm-1 ,液态时在 1715cm-1,ii),c)红外光谱产生的条件,注:只有当分子的振动可引起分子的偶极矩变化时,才能引起红外吸收。能吸收红外光的物质,称红外光活性物质。否则,称红外非光活性物质。,入射光的频率与分子
12、中某基团的振动频率相同,且分子的振动能引起分子的偶极矩变化。,2) 红外光谱与分子结构,a) 40001500cm-1 为特征谱带区(官能团区),40002500cm-1,为含氢基团的伸缩振动区,通常称为“氢键区”。OH、NH、CH、SH等。,25002000cm-1,叁键和累积双键振动区。如CC、CN、C=C=C、N=C=O等。,20001500cm-1,双键振动区。如C=C、C=O、C=N、C=S、N=O以及苯基的伸缩振动。,b) 1500400cm-1,指纹区。,包括CC、CO、CN等单键的伸缩振动和含氢基团OH、NH、CH等的弯曲振动都出现在这一区域内。这一区域谱带较密集,难辨认,象人
13、的指纹。每个化合物在这一区域都有不同于其它分子的特征谱带,可以用来鉴定化合物。,例:,乙苯的红外光谱图,红外光谱分析的特征性强、测定快速、不破坏试样、试样用量少、操作简便、能分析各种状态的试样、分析灵敏度较低。,红外光谱具有鲜明的特征性,其谱带的数目、位置、形状和强度都随化合物不同而各不相同。因此,红外光谱法是定性鉴定和结构分析的有力工具。如:利用标准谱图对已知物进行鉴定,对未知物结构进行测定。,总结:,D、 拉曼光谱及其应用,E0基态, E1振动激发态; E0 + h0 , E1 + h0 激发虚态,拉曼位移:散射光与入射光频率差或波数差,对应于振动能级差,所以可用拉曼谱来研究分子振动。,拉
14、曼散射原理,瑞利散射和拉曼散射及其光谱,Stokes 与Anti-Stokes对称分布,强度不同,采用不同的激发光源,但拉曼位移相同,硫磺的拉曼光谱,瑞利散射被notch滤波片抑制,瑞利散射、拉曼散射(Stokes 与Anti-Stokes)、共振拉曼和红外吸收跃迁能级比较,拉曼光谱技术特点,具有测试样品非接触、非破坏性、检测灵敏度高、时间短、样品所需量小及样品无需制备等特点。被广泛应用于医学、药物、文物考古、宝石鉴定和法庭科学等方面 。,艺术品文物考古鉴定颜料、涂料、粘合剂,公安法庭取证爆炸物、墨迹,宝石鉴定天然钻石在1332 cm-1显示很强的拉曼峰医学、制药工业。,拉曼光谱分析的应用领域
15、,毒品药材鉴别盐酸吗啡、盐酸海洛因、盐酸蒂巴因、盐酸那可汀和盐酸可卡因等毒品。中药材(燕窝、灵芝、黄芪等)的真伪。,左旋咪唑盐酸盐拉曼散射谱,麻黄素盐酸盐拉曼散射谱,在麻黄素中几个最大强度的拉曼谱线在831、1001、3053cm-1 ;而左旋咪唑拉曼谱最大强度出现在998 、1464 、2873和2963cm-1 。,这幅悬挂于意大利教堂的12世纪壁画需修复。原来用的是什么颜料呢?拉曼光谱清楚地呈现了原本采用的是什么颜料。,应用举例:艺术品的修复和鉴定,原颜料 赭色 石膏,荧光光谱对应的能级跃迁,E、 荧光光谱及其应用,荧光和磷光的产生 :激发态分子从最低激发单线态(自旋配对)S1或三线态(
16、自旋不配对) T1经辐射回到基态的发光过程可表示如下:,吸收光谱与荧光光谱呈镜象对称,固定某一发射波长,测定该波长下的荧光发射强度随激发波长变化的光谱,便得到荧光激发光谱。固定某一激发波长,测定荧光发射强度随发射波长变化的光谱,得到荧光发射光谱,又称荧光光谱。,灵敏度很高;(检测限比吸收光谱法低13个数量级)选择性好;试样用量少和方法简便;应用范围不如紫外可见吸收光度法广。,荧光光谱分析法的特点,常用的荧光物质,荧光探针技术就是利用荧光探测剂(小分子荧光化合物,如ANS、DNS),使其与荧光较弱或不发荧光的物质共价或非共价地结合,形成发强荧光的络合物,测定络合物的荧光。用荧光探针技术可测定蛋白
17、质分子的疏水微区、二基团之间的距离,以及酶和底物结合过程中蛋白质构象的变化等。,荧光探针技术,直接荧光抗体染色,间接荧光抗体染色,荧光免疫技术是将抗原抗体反应的特异性与荧光技术的高度灵敏性相结合,对抗原或抗体进行定性、定位或定量检测。,荧光免疫技术,荧光抗体技术,荧光素标记抗体与切片中组织细胞抗原反应,洗涤分离后荧光显微镜观察呈现特异荧光的抗原抗体复合物及其部位,对组织细胞抗原进行定性和定位检测,或对自身抗体进行定性和滴度测定。,能刺激机体产生特异性免疫反应,并能与之发生特异性结合的物质称为抗原(如细菌或其毒素、病毒等);抗体是由抗原刺激机体或动物后产生的具有特异性的免疫球蛋白。,病原体检测,
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