•   光谱仪器及光谱技术的发展_物理_自然科学_专业资料。本文档主要介绍了光谱仪器的起源,几种经典光谱仪器的原理及其应用(如紫外光谱仪 UVS、原子吸收光谱仪 AAS、原子荧光光谱仪 AFS),并总结了近几年光谱仪器的发展趋势

      光谱仪器及光谱技术的发展 一、前言 光谱技术和光谱仪器事业,因全球科技、经济、社会发展的需要、在上世纪 四、 五十年代跳出了科学实验范畴成为广泛应用的分析检测手段以后得到了快速 发展,不但成为现代科技必不可少的精密检测、分析手段,为现代天文学、航空航 天、分子生物学、现代医学、环境和生态等等新科技的建立和发展提供了基础, 而且为现代大工业、 现代农业、 现代文化事业的大发展也做出了不可低估的贡献。 本文拟就近年来国内外光谱仪器事业的新发展做简略评述、 指出今后其持续发展 的方向和特点。 二、光谱仪器的起源 光谱起源于 17 世纪,1666 年物理学家牛顿第一次进行了光的色散实验。他 在暗室中引入一束太阳光, 让它通过棱镜, 在棱镜后面的自屏上, 看到了红、 橙、 黄、绿、兰、靛、紫七种颜色的光分散在不同位置上——即形成一道彩虹,这种 现象叫光谱,这个实验就是光谱的起源。 1814 年德国光学仪器专家研究太阳光谱中的黑斑的相对位置时,把那些主 要黑线 年泰尔博特研究钠盐、钾盐在酒精灯上光谱时指出,发射光谱是化学 分析的基础、钾盐的红色光谱和钠盐的黄色光谱都是这个元素的特性。到 1859 年克希霍夫和本生为了研究金属的光谱自己设计和制造了一种完善的分光装置, 这个装置就是世界上第一台实用的光谱仪器,研究火焰、电火花中各种金属的谱 线,从而建立了光谱分析的初步基础。 三、几种经典光谱仪器及其应用 1.紫外光谱仪 UVS 1.1 UVS 工作原理 利用紫外-可见吸收光谱来进行定量分析由来已久,可追溯到古代,公元 60 年古希腊已经知道利用五味子浸液来估计醋中铁的含量, 这一古老的方法由于最 初是运用人眼来进行检测,所以又称比色法。到了 16、17 世纪,相关分析理论 开始蓬勃发展,1852 年,比尔(Beer)参考了布给尔(Bouguer)1729 年和朗伯 (Lambert)在 1760 年所发表的文章,提出了分光光度的基本定律,即液层厚度 相等时, 颜色的强度与呈色溶液的浓度成比例,从而奠定了分光光度法的理论基 础,这就是著名的朗伯-比尔定律。 紫外-可见吸收光谱是物质中分子吸收 200-800nm 光谱区内的光而产生的。 这种分子吸收光谱产生于价电子和分子轨道上的电子在电子能级跃迁 (原子或分 子中的电子,总是处在某一种运动状态之中。每一种状态都具有一定的能量,属 于一定的能级。这些电子由于各种原因(如受光、热、电的激发)而从一个能级 转到另一个能级,称为跃迁。)当这些电子吸收了外来辐射的能量就从一个能量 较低的能级跃迁到一个能量较高的能级。因此,每一跃迁都对应着吸收一定的能 量辐射。具有不同分子结构的各种物质,有对电磁辐射显示选择吸收的特性。吸 光光度法就是基于这种物质对电磁辐射的选择性吸收的特性而建立起来的, 它属 于分子吸收光谱。跃迁所吸收的能量符合波尔条件。 1.2 UVS 的应用领域 紫外光谱仪可用于物质的定量分析、结构分析和定量分析。而且还能测定某 些化合物的物理化学参数,如摩尔质量、配合物的配合比例和稳定常熟、酸碱电 离常数等。是食品药品、医疗卫生、化学化工、环保、地质、机械、冶金、石油、 粮食、商检、生命科学、海洋科学,材料科学、计量科学、农业科学、林业科学、 渔业科学等领域中的科研、教学、生产工作中,使用最多.覆盖面最广的分析仪 器。 2.原子吸收光谱仪 AAS 2.1 AAS 的发展过程 1 第一阶段——原子吸收现象的发现与科学解释 早在 1802 年,伍朗斯顿(W.H.Wollaston)在研究太阳连续光谱时,就发现了太 阳连续光谱中出现的暗线 年,夫琅禾费(J.Fraunhofer)在研究太阳连 续光谱时,再次发现了这些暗线,由于当时尚不了解产生这些暗线的原因,于是 就将这些暗线 年,克希荷夫(G.Kirchhoff)与本生 (R.Bunson) 在研究碱金属和碱土金属的火焰光谱时,发现钠蒸气发出的光通过 温度较低的钠蒸气时, 会引起钠光的吸收,并且根据钠发射线与暗线在光谱中位 置相同这一事实, 断定太阳连续光谱中的暗线,正是太阳外围大气圈中的钠原子 对太阳光谱中的钠辐射吸收的结果。 2 第二阶段——原子吸收光谱仪器的产生 原子吸收光谱作为一种实用的分析方法是从 1955 年开始的。这一年澳大利亚的 瓦尔西(A.Walsh)发表了他的著名论文“原子吸收光谱在化学分析中的应用”奠 定了原子吸收光谱法的基础。50 年代末和 60 年代初,Hilger, Varian Techtron 及 Perkin-Elmer 公司先后推出了原子吸收光谱商品仪器,发展了瓦尔西的设计 思想。到了 60 年代中期,原子吸收光谱开始进入迅速发展的时期。 3 第三阶段——电热原子吸收光谱仪器的产生 1959 年,苏联里沃夫发表了电热原子化技术的第一篇论文。电热原子吸收光谱法 的绝对灵敏度可达到 10-12-10-14g,使原子吸收光谱法向前发展了一步。塞曼效 应和自吸效应扣除背景技术的发展,使在很高的的背景下亦可顺利地实现原子吸 收测定。 基体改进技术的应用、平台及探针技术的应用以及在此基础上发展起来 的稳定温度平台石墨炉技术(STPF)的应用,可以对许多复杂组成的试样有效地实 现原子吸收测定。 4 第四阶段——原子吸收分析仪器的发展 随着原子吸收技术的发展, 推动了原子吸收仪器的不断更新和发展,而其它科学 技术进步, 为原子吸收仪器的不断更新和发展提供了技术和物质基础。使用连续 光源和中阶梯光栅,结合使用光导摄象管、二极管阵列多元素分析检测器,设计 出了微机控制的原子吸收分光光度计,为解决多元素同时测定开辟了新的前景。 微机控制的原子吸收光谱系统简化了仪器结构,提高了仪器的自动化程度,改善 了测定准确度,使原子吸收光谱法的面貌发生了重大的变化。联用技术(色谱原子吸收联用、流动注射-原子吸收联用)日益受到人们的重视。色谱-原子吸收 联用, 不仅在解决元素的化学形态分析方面,而且在测定有机化合物的复杂混合 物方面,都有着重要的用途,是一个很有前途的发展方向。 2.2 AAS 的工作原理 每一种元素的原子不仅可以发射一系列特征谱线, 也可以吸收与发射原子吸 收光谱原理图线波长相同的特征谱线。 当光源发射的某一特征波长的光通过原子 蒸气时, 即入射辐射的频率等于原子中的电子由基态跃迁到较高能态(一般情况 下都是第一激发态) 所需要的能量频率时,原子中的外层电子将选择性地吸收其 同种元素所发射的特征谱线, 使入射光减弱。特征谱线因吸收而减弱的程度称吸 光度 A,与被测元素的含量成正比:A=KC。式中 K 为常数;C 为试样浓度;I0v 为原始光源强度;Iv 为吸收后特征谱线的强度。按上式可从所测未知试样的吸光 度,对照着已知浓度的标准系列曲线进行定量分析。 由于原子能级是量子化的,因此,在所有的情况下,原子对辐射的吸收都是 有选择性的。 由于各元素的原子结构和外层电子的排布不同,元素从基态跃迁至 第一激发态时吸收的能量不同, 因而各元素的共振吸收线具有不同的特征。原子 吸收光谱位于光谱的紫外区和可见区。 2.3 AAS 的应用领域 1 在理论研究方面的应用原子吸收可作为物理或物理化学的一种实验手 段, 对物质的一些基本性能进行测定和研究。另外也可研究金属元素在不同化合 物中的不同形态。 2 在元素分析方面的应用原子吸收光谱法凭借其本身的特点.现已广泛的 应用于工业、农业、生化制药、地质、冶金、食品检验和环保等领域。该法已成 为金属元素分析的最有力手段之一。而且在许多领域已作为标准分析方法.如化 学工业中的水泥分析、玻璃分析、石油分析、电镀液分析、食盐电解液中杂质分 析、煤灰分析及聚合物中无机元素分析:农业中的植物分析、肥料分析、饲料分 析;生化和药物学中的体液成分分析、内脏及试样分析、药物分析:冶金中的钢铁 分析、合金分析;地球化学中的水质分析、大气污染物分析、土壤分析、岩石矿 物分析;食品中微量元素分析。 3 在有机物分析方面的应用 使用原子吸收光谱仪利用间接法可以测定多种有机物.如 8- 羟基喹啉(Cu)、醇 类(Cr)、酯类(Fe)、氨基酸(Cu)、维生素 C(Ni)、含卤素的有机物(Ag) 等多种 有机物.都可通过与相应的金属元素之间的化学计量反应而间接测定。 2.4 原子吸收光谱法的发展趋势 首先, 近年来科研人员致力于研究激光在原子吸收分析方面的应用。用可调 谐激光代替空心阴极灯光源.或者用激光使样品原子化,这将为微区和薄膜分析 提供新手段, 为难熔元素的原子化提供新方法;其次.使用电视型光电器件做多元 素分析鉴定器.结合中阶梯光栅单电器和可调谐激光器光源.可设计出用电子计 算机控制的测定多元素的原子吸收光谱仪:再次,高效分离技术 QCLC 的引入,使 原子吸收在痕量、超痕量范围内的测定有了更大的应用空间。总之.原子吸收光 谱法将在各领域中得到更广泛的应用。 3.原子荧光光谱仪 AFS 3.1 AFS 的发展过程 1859 年 Kirchhoof 研究太阳光谱时就开始了原子荧光理论的研究,1902 年 Wood 等首先观测到了钠的原子荧光,到 20 世纪 20 年代,研究原子荧光的人日 益增多,发现了许多元素的原子荧光。用锂火焰来激发锂原子的荧光由 BOGROS 作过介绍,1912 年 WOOD 年用汞弧灯辐照汞蒸气观测汞的原子荧光。Nicho1s 和 Howes 用火焰原子化器测到了钠、锂、锶、钡和钙的微弱原子荧光信号,Terenin 研究了镉、铊、铅、铋、砷的原子荧光。1934 年 Mitch11 和 Zemansky 对早期原 子荧光研究进行了概括性总结。1962 年在第 10 次国际光谱学会议上,阿克玛德 (Alkemade) 介绍了原子荧光量效率的测量方法, 并予言这一方法可能用于元素 分析。1964 年威博尼尔明确提出火焰原子荧光光谱法可以作为一种化学分析方 法,并且导出了原子荧光的基本方程式,进行了汞、锌和镉的原子荧光分析。 美国佛罗里达州立大学 Winefodner 教授研究组和英国伦敦帝国学院 West 教授研究小组致力于原子荧光光谱理论和实验研究,完成了许多重要工作。 20 世纪 70 年代,我国一批专家学者致力于原子荧光的理论和应用研究。西 北大学杜文虎、上海冶金研究所、西北有色地质研究院郭小等均作出了贡献。尤 其郭小伟致力于氢化物发生(HG) 的普及和推广打下了基础。 与原子荧光(AFS) 的联用技术研究,取得了 杰出成就, 成为我国原子荧光商品仪器的奠基人,为原子荧光光谱法首先在我国 3.2 AFS 的基本原理 原子荧光光谱法是通过测量待测元素的原子蒸气在辐射能激发下产生的荧 光发射强度,来确定待测元素含量的方法。 气态自由原子吸收特征波长辐射后, 原子的外层电子从基态或低能级跃迁到 高能级经过约 10-8s,又跃迁至基态或低能级,同时发射出与原激发波长相同或 不同的辐射,称为原子荧光。原子荧光分为共振荧光、直跃荧光、阶跃荧光等。 发射的荧光强度和原子化器中单位体积该元素基态原子数成正比, 式中: If 为荧光强度; φ为荧光量子效率,表示单位时间内发射荧光光子数与吸收激发光 光子数的比值,一般小于 1;Io 为激发光强度;A 为荧光照射在检测器上的有效 面积;L 为吸收光程长度;ε为峰值摩尔吸光系数;N 为单位体积内的基态原子 数。 原子荧光发射中, 由于部分能量转变成热能或其他形式能量,使荧光强度减 少甚至消失,该现象称为荧光猝灭。 3.3 AFS 的应用领域 自 20 世纪 80 年代以来, 经过广大科技工作者的不懈努力,原子荧光分析方 法已经成为各个领域不可缺少的检测手段。随着有关原子荧光的国家、行业、部 门的检测标准的建立 原子荧光光谱仪的应用范围越来越大。 如化工、 生物制品、 农业、 环境地质、 冶金、食品、医药医疗、工业矿山等领域。专用领域如血液、尿液中 Pb、Cd、 Hg 等有害元素快速测定;用于电子产品中有害金属检测的 ROHS 检测;工作场所 大气中痕量有害重金属元素原子荧光检测;AU、Ag、CU、Fe 等的测定。 4.近年来光谱仪器的发展 4.1 光谱技术和光谱仪器持续向高科技知识密集化方向发展 20 世纪末已经发展和成熟的数字化、智能化、网络化光谱分析检测技术和光 谱仪器,目前已成为光谱技术和光谱仪器持续发展的主要方向;以光学原理为基 础、以精密机械为构架、以电子信号处理为显示的传统“光-机-电一体化”光谱 仪器已经退缩为现代光谱仪器中的二等地位,而数字化、智能化、网络化等部分 已成为仪器的核心组成随着全球高科技发展而不断更新,近期国内外新颖光谱仪 器新产品层出不穷。,其主要变化或进展大部分都体现在核心数字化组成方面。 数字化软硬件构成的核心组成是以不断吸收最新高科技发展成果丽不断更新,也 是今后若干年光谱仪器事业持续发展的主流方向,很可能会发生出人意料的革命 性变化。 例如,在数字化高科技基础上将光谱分析技术与光学成像技术巧妙结合、 发展出光谱成像技术,将光谱技术“进化”到既能完成定性、定量分析、又可进 行定位分析的新科技。现代科技在高集成器件技术(如芯片技术).传感器、微型 器件、 硅工艺方面的成果日新月异,其功能、 性能常有惊人的进展,而现代信息 理 论、数学处理方法、计算软件系统也在不断发展,这些成果都会很快被吸收到新 颖光谱仪器的持续发展进程中。 4.2 光谱仪器事业继续沿着全方位发展的道路持续发展 光谱技术和光谱仪器在现代科技、现代大产业(大规模自动化生产、大规模 可控科技农业等)的持续发展要求下,不但会继续发展高精度、 多功能大型光谱分 析检测仪器或相应的系统,以满足诸如现代航空航天、环境生态保护、自然灾害 预测预报、全球性传染病(爱滋、禽流感、非典、疟疾.....)控制、大规模战争 和恐怖活动控制....领域的分析检测要求,而且会更多地出现可在现场、 生产线、 战场实地工作、无人监守、联网工作的种种新颖的实用型光谱仪器或系统,成为 大批量生产在线测控、 野外环境监测等领域必不可少的分析检测手段。这种光谱 仪器必须跳出“实验室设备”、“大型精密贵重仪器”的框子,能忍受现场、野 外(包括太空)的严酷工作环境及强、乱、变化多端的干扰(如强电磁干扰、恶劣 气候变化等)、能无人值守、脱离电网长期工作、自动监测、自动调整最佳工作 状态、自动联网交换信息......因此,大型精密研究级光谱仪器与现场、在线测 控实用级光谱仪器或系统,今后一、二十年都会受到重视、会得到显著发展。 4.3 光谱仪器的应用面继续拓宽 今后光谱仪器仍会沿着上世纪末已开始的应用面拓宽、转移的方向发展,将 由传统科技基础学科(理、化、天文、生物......矿物分析、工业产品质量控制 等理论研究,物质生产领域继续向生物医学、环境生态、社会安全、国防建设等 等与人直接相关的领域拓展。 可以预计,今后相当长时期内光谱仪器仍然将继续 拓展应用面,尤其是直接与人相关的应用。仪器研发、生产单位会不断根据种种 新的应用需求、 推出种种新颖光谱仪器,而且市场前景光明,将会成为光谱仪器或 系统的研发、生产重点,在多领域大发展形势下,光谱分析检测的应用会不断更 新,广大的光谱分析用户会开发出种种新的光谱分析方法,提出新的应用要求。 参考文献: [1] 李 昌 厚 . 现 代 光 谱 仪 器 及 其 应 用 的 最 新 进 展 [J]. 光 谱 仪 器 与 分 析,2011,(Z1):178-185.[2017-10-10]. [2] 范 世 福 . 光 谱 技 术 和 光 谱 仪 器 的 近 期 发 展 [J]. 光 谱 仪 器 与 分 析,2006,(Z1):10.[2017-10-10]. [3]安艳波.现场光谱仪器的研制及应用研究[D].东华理工大学,2013.

    上一篇:

    下一篇:

    光谱仪器
    光谱仪器
    2019-09-28 16:39
    阅读数 2881
    评论数 1
I'm loading
 家电维修|北京赛车pk10