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杏彩体育app·详细解释下紫外光谱的原理?

时间:2024-04-14来源:杏彩体育app 点击: 17 次

  光的本质是一种电磁波,光的波长越短、频率越高,其能量越大。根据光波长的长短,可将光划分为不同区域,如图1。光子是光的能量载体。光谱则是描述某种特定光的波长(单个光子能量)和强度(光子的密度)之间的关系的图谱。

  紫外可见吸收/漫反射光谱,常简称为紫外可见光谱。紫外可见光谱法是利用物质对光的选择性吸收、透射或反射的特性,从而测定、分析、推断物质的组成、含量及结构。

  由于远紫外区域的测试条件严苛,仪器复杂,因此一般不用此波段光进行测量。现在主流的仪器基本都可实现波长范围覆盖近紫外、可见、近红外、中红外光区的测试,并尽可能降低在近红外、中红外光区的噪音。在实际应用中,更多的材料还是测试波长200-800 nm范围(包含紫外-可见区域)。

  一束单色光通过样品后,入射光光强I0减弱为I,则透光率:T = I/I0,或用百分透光率表示:T% = I/I0 x 100%。

  A = log (I0/I),吸光度和透过率的转换公式是A = -logT。根据定义,吸光度数值可大于1,且当T趋于0时,A趋于∞,如图2。实际检测器是有响应范围的。

  镜面反射:反射角等于入射角,光不被吸收。镜面反射只发生在表面颗粒的表层,未与样品内部发生作用,因此它没有负载样品内层的结构和组成的信息。

  漫反射:光进入样品内部,经过多次反射、折射、散射及吸收后返回样品表面的光。漫反射光是分析与样品内部分子发生作用以后的光,携带有丰富的样品内部结构和组织信息。

  总反射:镜面发射+漫反射,粉末样品的镜面反射很低,但在一些特定的,如光学涂层、光学镀膜等材料时就要考虑镜面反射的影响和测定。

  总体来说,紫外设备通常主要还是测定相对总反射率或漫反射率,表示方法有R、R%、Reflection%。镜面反射可通过适配积分球的镜面反射端口消除,单独的镜面反射通过镜面反射附件也可以测定。

  这边提到的相对的概念,除了利用绝对反射率附件测试绝对反射率的情况,紫外设备通常测定的都是相对数值,相对吸光度、相对透过率和相对反射率。如相对反射率,即相对一个标准样品的反射率:R’∞ = R∞(样品)/ R∞(参比物),参比物质多用聚四氟乙烯标准品或BaSO4白板。

  吸收率反映的是吸收的入射光光强占入射光光强的比例。因此吸收率A%和吸光度A是不同概念,不是简单的百分比换算。一般情形下,吸收率A%可以理解成,等于1-R%-T%的结果。

  但是实际应用中,吸收率的换算并不准确。因为无论是R%还是T%,本身测的都是相对的数值,且透过的测试和反射的测试,光打在样品的区域未必是一致的,导致1- R%-T%结果的误差,甚至出现负值。一般测试中,我们也不建议去算吸收率。

  在仪器分析中,紫外-可见分光光度法是历史悠久、应用最为广泛的一种光学分析方法。早先的紫外-可见光谱仪只能测试物质的吸收或透过,因此也叫做紫外-可见吸收光谱仪,仅能测试均匀的稀溶液或透明薄膜,对粉末、块体和乳浊液等样品的测试误差较大,测量效果不理想。通过增加积分球附属装置,扩展了反射光谱的测试,有效地解决了这一问题,如图4。

  积分球是一个中空的带窗口的球壳,内壁涂覆白色漫反射层,一般为BaSO4或光学聚四氟乙烯涂层。积分球的作用就是可以将所有的漫反射光收集,聚焦以后达到检测器,通过样品与参比的信号差异,转化为样品的紫外-可见漫反射光谱或吸收光谱。

  紫外-可见光谱仪,也通常叫紫外-可见分光光度计。不同光谱仪的组成复杂程度不同,但它们的基本原理结构是相似的:光源照射样品,光与样品发生作用,探测器接收信号,光电流经处理得到相应数值。

  (1)光源:紫外区:氢灯和氘灯;可见区到中红外区:钨灯和卤钨灯。仪器测试中,存在光源转换的过程,从可见到紫外区,光源可以自动进行切换。

  (2)单色器:将光源发射的复合光分解成单色光的光学系统。整个构造包含了入射狭缝、准光装置、色散元件(光栅)、聚焦装置、出射狭缝等。

  (3)样品室:包含了液体和固体样品支架、吸收池(比色皿)、积分球、粉末样品槽。不同仪器的支架和样品槽会略有差异。

  (4)检测器:利用光电效应将吸收池的光信号变成可测的电信号,大多数仪器是双检测器(PMT+PbS),有的采用了三检测器(PMT+InGaAs+PbS)。根据测试模式不同,也可以区分为标准检测器和积分球检测器。一般标准检测器能做的测试范围比积分球检测器大。仪器测试中,也存在检测器转换的过程,从近红外到可见区,探测器可以自动进行切换。

  目前比较主流的紫外-可见-近红外光谱仪,或者叫紫外-可见-近红外分光光度计主要还是一些国外厂家的仪器设备。如铂金埃尔默的Lambda系列,岛津的UV-3600、UV-3600Plus,日立的UH4150、U-3900/3900H等,如图5。

  (2)样品要求:液体样品尽量均一透明、浓度适当,不能有气泡、悬浮物或浑浊;透明的薄膜尽量平整均匀,尺寸可稍大。

  (3)测试常规过程:液体样品通常选择空白溶剂作参比,先用参比池调节仪器的吸收零点,再测试被测溶液的吸光度或透过率。透明薄膜就直接空气作参比。

  (2)样品要求:粉末样品一般需要100mg以上,颗粒尽量细碎、干燥;块体或薄膜样品测试面尺寸≥1*1cm,尽量平整均匀。

  (1)实际测试中,液体样品的参比样未必一定选用空白溶剂,可根据需要设置。比色皿最好选用石英比色皿,紫外和可见光区都适用。

  (2)粉末样品可以放置在样品槽,用石英皿压紧,或者直接压片测试;如果样品量少或者样品吸收太强,为了分析峰型,也可以用加入BaSO4和样品混匀,再放置测试。

  (3)块体薄膜的测试,只需将测试面对准积分球样品窗口,用夹具固定。在参比窗口一测放参比白板即可测样品的漫反射光谱。

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