第三章　仪器分析设备及操作方法

第一节　光学分析法仪器及操作方法

一、紫外-可见分光光度法仪器及操作

1.紫外-可见分光光度法

紫外-可见分光光度法是根据物质分子对紫外及可见光谱区光辐射的吸收特征和吸收程度进行定性、定量分析的方法。其研究对象大多在200～380nm的近紫外光区或380～780nm的可见光区有吸收。通常可见光分光光度法主要用于定量分析，其定量依据是朗伯-比尔（Lambert-Beer）定律。紫外分光光度法除用于定量分析外，在确定有机化合物结构方面也发挥重要作用。该方法仪器设备简单，因此被广泛用于地矿、环境、材料、临床和食品分析等。在化学研究中，如平衡常数的测定、配位化合物的组成测定等都离不开紫外-可见吸收光谱。

2.紫外-可见分光光度法仪器及操作方法

（1）722N型可见光分光光度计

① 722N型可见光分光光度计结构及性能　722N型光度计（图3-1）为单光束分光光度计，主要由五部分组成。

图3-1　722N型可见光分光光度计外形

a.光源：钨卤素灯，12V、20W。

b.分光系统：光栅自准式色散系统。

c.吸收池：石英或玻璃材质。

d.检测系统：硅光电池。

e.信号显示系统。

仪器的主要部分光路系统结构如图3-2所示。光源发出的连续辐射光经滤色片选择后，由聚光镜聚光后投向单色器进狭缝，此狭缝正好在聚光镜及单色器内准直镜的焦平面上，因此进入单色器的复合光通过平面反射镜反射及准直镜准直变成平行光射向色散元件光栅，光栅将入射的复合光通过衍射作用，采用光栅自准式色散系统和单光束结构光路，形成按照一定顺序均匀排列的连续的单色光谱，此单色光谱重新回到准直镜上，由于仪器出射狭缝设置在准直镜的焦平面上，这样，从光栅色散出来的光谱经准直镜后利用聚光原理成象在出射狭缝上，出射狭缝选出指定带宽的单色光通过聚光镜落在试样室被测样品中心，样品吸收后透射的光经光门射向光电池接收。

图3-2　722N型可见光分光光度计光路结构

1—聚光镜；2—滤色片；3—钨卤素灯；4—进狭缝；5—反射镜；6—准直镜；7—光栅；8—出狭缝；9—聚光镜；10—样品架；11—光门；12—光电池

722N型可见光分光光度计工作波长范围为325～1000nm；波长最大允许误差≤2mm；波长重复性≤1mm；光谱带宽为4±0.8nm。

② 722N型可见光分光光度计键盘及功能键　722N型可见光分光光度计键盘如图3-3所示。

图3-3　722N型可见光分光光度计键盘　

a.“T/A/C/F”键　每按此键可转换显示模式，重复按此键显示数据在透射比T、吸光度A、浓度c和浓度因子F之间转换。

b.“Enter/Print”键　该键具有两个功能，当处于F状态时，具有确认输入和修改浓度因子的功能，即确认当前的F值，并自动计算刷新当前的F值；当处于C状态时，具有确认输入和修改标样浓度的功能，即确认当前的c值，并自动计算刷新当前的c值。

c.“▼0%”键　该键具有三个功能：

ⅰ.调零　只有在T状态有效，打开样品室盖，按键后应显示“000.0”。

ⅱ.下降输入键　在F状态时有效，按该键F值会自动以0.1递减，如按住本键不放，自动以1递减，如果F值为0后，再按键会自动变为1999，重新递减。

ⅲ.下降输入键　在C状态时有效，按该键c值会自动以0.1递减，如按住本键不放，自动以1递减，直至c值为0000。

d.“100%/0A▲”键　该键具有三个功能：

ⅰ.调满度/吸光度零　只有在T、A状态有效，关闭样品室盖，按键后应显示“100.0”和“000.0”。

ⅱ.上升输入键　在F状态时有效，按该键F值会自动以0.1递减，如按住本键不放，自动以1递减，如果F值为1999后，再按键会自动变为0000，重新递增。

ⅲ.上升输入键　在c状态时有效，按该键c值会自动以0.1递增，如按住本键不放，自动以1递增，直至c值为1999×A。

③ 722N型可见光分光光度计操作步骤

a.开机预热　接通电源，系统自检，LCD显示窗口显示相应的产品型号后，仪器进入工作状态。此时显示窗口在默认的工作模式“T”（预热时间不小于30min）。

b.改变波长　通过旋转波长手轮可以改变波长，并在波长观察窗的刻度选择所需的波长。

c.放置参比溶液与待测溶液　选择测试用的比色皿，把盛放参比溶液和待测溶液的比色皿放入样品架内，通过拉杆选择样品位置。

d.调“0%T”、调“100%T/0A”　为保证仪器进入正确的测试状态，在改变波长和测试一段时间后可通过“▼0%”键和“100%/0▲”键对仪器调零和调满度、吸光度为零。

e.选择显示方式　本仪器有四种显示方式，可通过按“T/A/C/F”键实现转换（开机的初始状态为T）。

（2）TU-1750紫外可见分光光度计

① TU-1750紫外可见分光光度计结构及性能　TU-1750紫外可见分光光度计（图3-4）是一类高光通量、双光束光度计。光源为氘灯和卤素灯，单色器采用切尼尔-特纳装置全息光栅，检测器为光电倍增管。仪器的光学系统如图3-5所示。

图3-4　TU-1750紫外可见分光光度计

图3-5　TU-1750紫外可见分光光度计光学系统

D2—氘灯；W—窗口；W1—卤素灯；M1～M7—反射镜（M5为半透反射镜）；F—滤光片；L—透镜；G—衍射光栅；Sam—样品池；S1—入射狭缝（5挡转换）；Ref—参比池；S2—出射狭缝（5挡转换）；PD—光电二极管

它的工作波长范围190～1100nm；波长准确度为±0.1nm（D2 656.1nm），±0.3nm（全区域）；波长重复性0.1nm；光谱带宽0.5nm，1nm，2nm，4nm，5nm可调；谱带宽五挡可调；分辨率高达0.5nm。

② TU-1750紫外可见分光光度计操作步骤　仪器的操作板面如图3-6所示，使用方法如下：

图3-6　TU-1750紫外可见分光光度计操作板面

a.打开仪器电源，仪器自检。

b.光度测定（在固定波长下测量样品的吸光度或透过率）　在模式选择画面中选择“1.光度”进入光度测定模式。在光度测定画面中按键盘的“GOTO WL波长”键，输入测定波长。打开样品室，将装有同样空白溶剂的两个比色皿放入样品架，然后按“AUTO ZERO”调零。取出样品光路中的比色皿，置换上待测样品液，按“START/STOP启动/停止”键进行测定，进入光度测定画面。

如果连接打印机，按键盘上的“PRINT打印”键可打印当前屏幕。

c.光谱扫描（光谱扫描就是在扫描波长范围以测量随波长变化的样品吸光度、透光率或能量谱图）　在模式选择画面选“2.光谱”，进入光谱扫描模式参数设定画面。按照图上设置测量方式和波长范围等参数后，在参比侧与样品侧均放入空白样品，按“F1”进行基线校正。按照图中所示将样品光路中的空白样置换为待测样品，按“START/STOP启动/停止”键开始测定。对测定的光谱数据进行必要的数据处理和保存，如需打印只需按键盘的“PRINT打印”键即可打印当前屏幕。

d.定量测定模式（定量测定是以标准样品制作标准曲线而定量测定未知样品）　在模式选择画面选“3.定量”，进入定量模式参数设定画面。根据需要设定各方法参数，依次按照设定方法测定标准曲线和未知样。测定完毕根据需要选择是否打印和保存数据。

e.动力学测定模式（测量酶反应过程中吸光度A随反应时间的变化，并可以从测定结果得出酶的活性值）　在模式选择画面选“4.动力学”，显示动力学测量方法选择屏幕。根据需要选择不同的方法进行参数设定和测量。

f.时间扫描模式[用于任意波长下测量吸光度A、透光率T（%）或能量E随时间的变化]　在模式选择画面选“5.时间扫描”，显示时间扫描测量方法选择屏幕。根据需要选择不同的方法进行参数设定和测量。

g.多组分定量模式（根据纯标样或多组分标样混合样品的吸收光谱，求出每个样品组分的浓度）　在模式选择画面选“6.多组分测定”，将显示载入已存取的参数和标准样品数据屏幕。当载入参数或选择重新设定新的参数时，将进入参数配置屏幕。根据需要设定标准样品数据、扫描范围等参数。

按“F4”键进入组分浓度屏幕。放入空白溶液进行基线校正，再放入待测未知样按“START/STOP启动/停止”键进行未知样测定。测量完毕根据需要进行数据保存和打印。

h.多波长测量模式（最多可指定8个波长，然后在这些波长处测量样品的吸光度和透光率）　在模式选择画面选“7.多波长测定”，将显示多波长测定参数配置屏幕。根据需要设置各个参数。用空白溶液进行基线校正。将样品光路的空白溶液置换为待测样品，按“F3”切换至测量屏幕。按“START/STOP启动/停止”键进行样品测量。测量完毕后结果会显示在屏幕上，然后打印输出。

③ 注意事项：

a.测量完毕记得拿出样品架中的比色皿，并在样品室中放入干燥剂。

b.仪器如果长期没有测定任务，要每月定期打开仪器电源热机半小时左右防止仪器受潮。

c. D2灯和WI灯的使用寿命均为800h（在模式选择画面按“F3仪器维护”可以查看灯的使用时间），如果使用时间已经超过规定时间或者仪器出现测量结果不稳定、基线噪声和漂移大等现象时必须更换相应的光源。

二、红外光谱法仪器及操作方法

1.红外光谱法

红外吸收光谱是物质的分子吸收了红外辐射后，引起分子的振动-转动能级的跃迁而形成的光谱。利用红外光谱进行定性、定量分析的方法称为红外吸收光谱法。红外吸收光谱法主要用于研究在振动中伴随有偶极矩变化的化合物，只有偶极矩发生变化的振动才能引起可观测的红外吸收，这种振动称为红外活性振动。偶极矩等于零的分子振动不能产生红外吸收，称为红外非活性振动。

红外辐射波长范围约为0.78～1000μm，根据仪器技术和应用的不同，习惯上又将其分为三个区：

① 近红外区：0.78～2.5μm（13300～4000cm-1）；

② 中红外区：2.5～25μm（4000～400cm-1）；

③ 远红外区：25～1000μm（400～10cm-1）。

应用最广泛的是中红外波段，近年来近红外光谱的分析应用迅速崛起。红外光谱图一般以波长λ（nm）或波数σ（cm-1）为横坐标，以透光率T（%）或吸光度A为纵坐标。波长与波数的换算关系为：

红外吸收带的波长位置与吸收谱带的强度反映了分子结构上的特点，可用于鉴定未知物的结构或确定其所具有的基团，吸收谱带的强度与分子组成或基团的含量有关，可用于定量分析和纯度鉴定。

红外光谱可直接测定气体、液体和固体样品，并且具有用量少、分析速度快、不破坏样品的特点，是鉴定化合物结构最有效的方法之一。

2. FTIR-8400S傅里叶变换红外光谱仪结构及性能

FTIR-8400S傅里叶变换红外光谱仪（图3-7）主要部件包括光源、迈克尔逊干涉仪、试样插入装置、检测器、计算机和记录仪等部件，结构如图3-8所示。光源发出的光被分束器分为两束，一束经反射到达动镜，另一束经透射到达定镜。两束光分别经定镜和动镜反射再回到分束器。动镜以一恒定速度vm作直线运动，因而经分束器分束后的两束光形成光程差d，产生干涉。干涉光在分束器会合后通过样品池，然后被检测。

图3-7　FTIR-8400S傅里叶变换红外光谱仪

图3-8　FTIR-8400S傅里叶变换红外光谱仪结构框图

仪器主要性能指标：

① S/N比：20000∶1。

② 干涉仪：迈克尔逊型、内置动态准直功能。

③ 检测器：可温度调节的DLTGS检测器。

3.基本操作步骤

（1）准备　先打开傅里叶变换红外光谱仪，再打开计算机。当Windows运行以后，运行IRsolution。选择“测量-初始化”命令进行红外仪和计算机之间的联机，成功联机之后，准备进行测量。

（2）设置扫描参数　可以设置扫描参数的扫描窗口包括“数据”“更多”“文件”和“高级”。

① 数据栏-测量模式　设置测量光谱的显示方式是透射率T（%）还是吸光度A，定性分析时可以选择其中一种显示方式，但是定量测定时选择吸收光谱比较恰当。

② 数据栏-去卷积　去卷积功能可以影响光谱的分辨率和信噪比，分辨率越高，基线的噪声越大。在正常测量中，选择“Happ-Genzel”。在高分辨率的测量中，例如气体测量，选择更高分辨率的“Sqr Tringle”。在超微量分析中需要更好的信噪比，因此选择“Box-Car”。

③ 数据栏-扫描次数（1～400）　设置扫描次数。在正常测量中，一般将扫描次数设为“10”，如果光谱需要较好的信噪比，扫描次数可适当增大。

④ 数据栏-分辨率　打开下拉式菜单，然后设置测量中需要的分辨率。分析低浓度气体时，选择“0.85cm-1”可以准确测量微小的峰。因为固体和液体没有像气体一样的峰，所以测量固体和夜体时“4cm-1”或者“8cm-1”就足够了。如果分辨率高于要求值，测量时间增加，信噪比降低。

⑤ 数据栏-范围　根据测量方法键入需要的波数范围，最小值为400，最大值为4000。

（3）背景测量　岛津傅里叶变换红外光谱仪FTIR-8400S采用单光束光学系统，在单光束光学系统中，首先进行背景扫描（BKG）。点击“BKG”按钮，然后给出一个对话框，给出这样的一侧信息：“确认参比扫描的光束是空的”。在样品室中确认没有样品在样品架中，然后点击“OK”，背景测量将会开始。在屏幕的左下角的状态栏会显示测量进程，然后当时间窗口更新时，会显示能量光谱。

在测量过程中，测量文件中除了“停止”以外的其他选项都突出显示。测量完成时，活动状态恢复。

（4）测量样品　背景测量完成后，放置样品，点击“样品”按钮，样品测量就可以开始了，在屏幕的左下角的状态栏会显示测量进程，像背景测量一样。在测量过程中，测量文件中除了“停止”以外的其他选项都突出显示。然后当时间窗口更新时，光谱会以选择的“透光率T（%）”表示。

（5）样品扫描完成时，出现光谱，程序自动进行峰检测，此时，可在峰检测屏幕右侧对话框中的“噪声”“阈值”和“最小面积”录入处分别输入相应的数值，点击“计算”按钮，显示吸收峰检测结果。要增加或者减少检测吸收峰数目，则改变各个参数的输入数值并点击“计算”。

（6）将图谱打印或者存盘。

4.注意事项

① 每星期检查干燥剂二次，干燥剂中指示硅胶变色（蓝色变为浅蓝色），需要更换干燥剂，每次六包。

② 保证机房间湿度控制在50%～70%之间，每周保证开机预热2h以上。

③ 仪器尽可能远离振动源、远离腐蚀性气体。

④ 测试期间尽量减少房间空气流动。

三、原子吸收光谱法仪器及操作方法

1.原子吸收光谱法

原子吸收是指呈气态的原子对由同类原子辐射出的特征谱线所具有的吸收现象。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（一般情况下指第一激发态）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，产生吸收光谱。特征谱线因吸收而减弱的程度称为吸光度A，在线性范围内与被测元素的含量成正比：

式中，k为与实验条件有关的常数；c为试样浓度。此式是原子吸收光谱法进行定量分析的理论基础。

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。

2. Z-2000偏振塞曼原子吸收光谱仪结构及性能

Z-2000偏振塞曼原子吸收光谱仪（图3-9）主要由光源、原子化系统、双检测器系统、安全检测系统（氩气压力、冷却水流速、炉体温度、燃气/助燃气流速、乙炔气流速稳定性检测）组成。

图3-9　Z-2000偏振塞曼原子吸收光谱仪

（1）光源　采用空心阴极灯。

（2）原子化系统　由火焰原子化系统与石墨炉原子化系统串联方式组成。

① 火焰原子化系统　火焰原子化系统是由化学火焰热能提供能量，使被测元素原子化。其结构如图3-10所示，主要由喷雾器、预混合室、燃烧器三部分组成。试样溶液在火焰原子化系统中经过喷雾、粉碎、干燥、挥发、原子化等一系列物理化学历程。

图3-10　预混合火焰原子化器

② 石墨炉原子化器　石墨炉原子化器是常用的非火焰原子化器，利用电热能提供能量以实现元素的原子化。其结构是由电源、保护气系统、石墨管炉等三部分组成，如图3-11所示。石墨炉原子化器的升温程序如图3-12所示。

图3-11　石墨炉原子化器

图3-12　石墨炉升温程序示意图

原子化程序分为干燥、灰化、原子化、高温净化，升温过程是由微机控制的，进样后原子化过程按给予的指令程序自动进行。

③ Zeeman效应背景校正系统和双检测器系统　偏振塞曼原子吸收光谱中，采用了双检测器，使得平行偏振成分和垂直偏振成分的光，由各自的检测器在同一时间进行背景校正。Zeeman效应背景校正系统如图3-13所示。

图3-13　塞曼效应背景校正系统

仪器主要性能指标：

a.波长范围：190～900nm；

b.基线漂移和噪声：漂移≤0.001A·min-1，噪声≤0.001A·min-1；

c.火焰吸收灵敏度和重现性：1×10-6Cu0.0303A，RSD=0.66%；

d.石墨炉吸收灵敏度和重现性：20×10-9Cu0.2334A，RSD=1.97；

e.石墨炉分析时最低检出限：Cd、Cr、Mn、K、Na、Zn≤0.02×10-9；As、Ba、Ni、Sb、Pb、Cu≤0.5×10-9。

3.基本操作步骤

（1）石墨炉法

① 开机步骤：

a.检查仪器，准备空心阴极灯，石墨管。

b.打开电脑电源，至少15s后打开光度计主机和排风机。

c.启动AAS程序，待仪器自检通过后，设定测量条件，执行“Verify”。

d.执行“Set Conditions”。

e.供应冷却水，氩气（压力为0.5MPa），放置样品。

f.检查进样针位置，清洗进样器，检查进样器管路是否有气泡。

g.如有必要，执行空烧，以清除上次实验残留物。

h.点击开始，测试自动开始。

② 关机步骤：

a.停止冷却水，氩气的供应。

b.通过软件关灯，退出AAS程序。

c.关闭光度计和PC机电源，关闭排风。

③ 更换石墨管步骤：

a.在菜单“Tools-Instrument logs”中设置石墨管更换时间和已燃烧次数。

b.调节进样针位置（打开石墨炉上盖，点击“Move Nozzle”，手动调节完成后盖上石墨炉上盖）。

c.执行空烧（Maximum heating），清除管内杂质，以吸光值小于0.008为标准。

d.记忆光温控制方程（Instrument control——Memorize Opt.Temp.Cont.Equation）。

（2）火焰法

① 开机步骤：

a.操作与石墨炉法a～d步骤相一致。

b.供应冷却水、乙炔气、空气。乙炔压力为0.09MPa，空气为5bar（1bar=105Pa）。

c.点火，吸入纯水5min，再吸入空白样，执行自动调零。

d.执行“Ready”，按软件提示测量标准样，未知样。

② 关机步骤：

a.吸入纯水5min，不吸样空烧20～30s，熄火。

b.停止冷却水、乙炔气、空气的供应。

c.其余操作同石墨炉法。

③ 注意事项：

a.空压机待总压力达到10bar时，再调节二次压力阀，输出压力为5bar。空压机使用结束后，需关闭总电源开关，打开排气阀排油水。

b.按原子化程序分为干燥、灰化、原子化、高温净化来设定每种气体的二次压（表3-1）。

表3-1　各类气体二次压力

c.循环水机设定温度为室温±2℃，不可过高或过低。冷却水只在仪器主机处在开机状态下供应。