生醫光電原理與應用 期末報告 班級:醫電四甲 組別:第六組 姓名: 蕭任廷49827904(組長) 黃茂勲49827004 周帛辰49827009 陳若平49827010 梁展銘49827024

分工表 6種光譜法 P4-P9 (陳若平) 相關應用-近紅外光譜儀,3種光譜法 P10-P12(黃茂勳) 相關應用-寶石鑑定與汽車觸媒粉末檢測 P18-24 (梁展銘) 火焰式原子吸收光譜 P25-P31 (周帛辰) 全部整合及報告 (蕭任廷) 1

光譜儀（Spectrometer） 近年來由於電子、生化、醫學、光電等各領域蓬勃 發展，因此使用光譜儀來分析材料的各種光物理、 光化學現象的需求日遽增加。光譜儀是物理化學分 析儀器的一種，依適用的波長可區分為不同種類的 光譜儀，如紫外-可見光譜儀、近紅外線光譜儀和紅 外線光譜儀。紫外-可見光譜儀常用於顏色量測、水 質分析及生化檢驗等，近紅外光光譜儀可應用於食 品加工業、製藥業等的製程監測，紅外光譜儀則常 用於氣體分析。光譜分析的特點包括非破壞性、具 化學鑑別力、具波長變通性、靈敏度高及分析速度 快。 2

1.九種光譜法 3

穆斯堡爾光譜法 穆斯堡爾(Mössbauer)光譜儀，它結合了穆斯堡爾效應的都普勒 效應(Doppler effect)來監測這種相互作用。 -即原子核輻射的無反沖共振吸收 都普勒效應 -用波在介質中傳播的衰減理論解釋 以研究原子核與周圍環境的超精細相互作用，是一種非常精確 的測量手段，其能量分辨率可高達10^(-2~-4(nm))，並且抗干 擾能力強、實驗設備和技術相對簡單、對樣品無破壞 4

紫外光吸收光譜法 紫外吸收光譜法是利用分子吸收紫外線所產生的光 譜進行有機化合物的分析的一種儀器分析方法，原 理是分子吸收紫外線，引起分子價鍵電子的躍遷， 吸收輻射能，從而產生具有不同波長吸收帶的光譜。 範圍大致上是在0~10^2(nm) 5

螢光光譜法 是通過測定待測元素的原子蒸氣,在輻射能激發下發出 的螢光發射強度來進行元素定量分析的方法 靈敏度高 檢出限低 線性範圍寬 譜線比較簡單 6 可偵測螢光絕對強度，並可計算量子效應及螢光生命週期

磷光光譜法 高感度、多功能螢光分光光譜儀是一種分析光譜的 儀器，可適用於電子、光電、化工、材料等研究領 域。高感度、多功能螢光分光光譜儀的基本原理乃 根據光電效應。分光儀是利用火花放電(spark)方式， 給予能量逼迫原子之外層電子逃逸到下一個軌道。 當電子再返回到原軌道時，就會放出能量即為所謂 光譜。 每一元素之原子結構不同，所以所獲得之光譜亦不 同。 7

三重態吸收光譜法 分子可以吸收能量進入激動態而放出光子後再回到 基態，也可以不放出能量而轉到較低能態。即表示 從激動態（一般如單重態）降到三重態，若從三重 態再降回基態（單重態）時，即放出燐光。 三重態，也稱三線態，指的是自旋多重性為3的分 子。三重態分子的能級在磁場中裂分，在光譜中原 來的一條能級線裂分為三條線。當分子中含有兩個 未配對的、自旋方向相同的電子時，該分子處於三 重態。 8

紅外線吸收光譜法 紅外線吸收光譜法與紫外線可見光吸收光譜 法都屬於分子吸收光譜 的範疇 一般將紅外線光區分為三個區:近紅外光區、中 紅外光區、及遠紅外光區 9

電子自旋共振光譜法 電子順磁共振（electron paramagnetic resonance，EPR），又稱電子自旋共振（electron spin resonance，ESR），是屬於自旋1/2粒子的電 子在靜磁場下發生的磁共振現象。因為類似靜磁場 下自旋1/2原子核核磁共振的現象，又因利用到電子 的順磁性，故曾稱作「電子順磁共振」。 由於分子中的電子多數是成對存在，根據泡利 不相容原理，每個電子對中的兩個電子必為一個自 旋向上，另一個自旋向下，所以磁性互相抵消。因 此只有擁有不成對電子存在的粒子（例如過渡元素 中重金屬原子或自由基），才能表現磁共振。 10

微波光譜法 通過射頻或微波電磁場與物質的共振相互作用， 研究物質的性態、結構和運動的物理學分支學科， 簡稱波譜學。它研究的對象可以是原子、分子及其 凝聚態，也可以是中子、質子、電子、原子核和等 離子體等。實驗觀察既可以在穩定狀態，也可以在 動態甚至在短暫的瞬態中進行。射頻和微波電磁波 的頻率範圍約為10～10Hz 11

核磁光譜法 又稱核磁共振波譜，是將核磁共振現象應用 於測定分子結構的一種譜學技術。目前，核磁共振 波譜的研究主要集中在1H（氫譜）和13C（碳譜）兩 類原子核的波譜。 核磁共振波譜對自然科學研究有著深遠的 影響，人們不僅可以藉助它來研究反應機理，還可 以用來研究蛋白質和核酸的結構與功能。供研究的 核磁樣品可為液體或固體 12

Thermo Scientific Nicolet公司IS5红外光譜儀 13

紫外光吸收光儀的操作 14

2.相關應用 近紅外光譜儀 近紅外光譜的範圍一般泛指波長 800 nm – 2500 nm 介於可見光與中紅外光之間。近紅外光譜分析之 原理主要在於當樣品照射到近紅外光源時，樣品內 之官能基如 C-H、O-H、N-H 吸收特定波長能量，使 得近紅外光譜之吸收率會隨著不同之官能基種類及 濃度而呈現明顯的不同。藉由不同之樣品吸收光譜 再反推樣品內化合物之種類及含量，以達到定性及 定量分析。 15

近紅外光譜儀如同其他分析化學儀器，應用範圍涵 蓋多種工業領域，表一為具代表性的應用領域，而 最早且最成功之應用是在分析農牧產品中的水分、 糖分、蛋白質、纖維素、脂肪及澱粉等。由於近紅 外光譜分析屬於非破壞性檢測，在不破壞樣品之情 況下，便可預知成分之濃度，以水果之甜度分析為 例，只要以光纖收集水果之反射光譜，就可預知水 果之甜度，果農可依據不同甜度之水果進行自動化 甜度的品級分類，以提高產品之售價。 16

17 表一、近紅外光譜儀的應用領域 應用產業 待測物 分析項目 農漁牧業 穀物 脂肪、蛋白質、水分、纖維質、產地與產季鑑別 水果 甜度、酸度、品質分級 肉類 脂肪、蛋白質、水分 石化業 煉油業 辛烷值、苯、乙醇 環保 廢棄塑膠 塑膠分類 生物醫學 血液 血糖、尿素、脂肪酸、膽固醇、蛋白質 微生物或病毒 菌種鑑定 17 參考文獻：http://www.itrc.narl.org.tw/Publication/Newsletter/no83/p08.php

光譜應用領域 18 可應用領域(需整合相關設備) 光電檢測設備（結合設備系統） LED上中下游所需之光檢設備、FPD產業之色域檢驗設備等 環境監測系統（結合無線網路） 空氣污染、河川水質、食物農藥、工業氣體、紫外線偵測等 色彩偵測管理（結合穩定光源） 紡織、印刷、染色、電鍍、塗裝等產業之定色、調色、驗色 生醫量測應用（結合生醫器材） 居家檢驗裝置、預防醫學及個人健康管理、動物檢驗設備等 其他光譜分析應用（產品具極佳之價格或性能優勢時） 寶石鑑定、刑事鑑定、水果甜度、螢幕色差校正、國防工業 18

可見光吸收光譜於寶石鑑定之應用 光譜學方法在寶石鑑定上的應用非常廣泛，包含螢光光譜、紅外線光譜、拉曼光譜以及可見光吸收光譜等，每種方法都有其適用性與優缺點。 1.寶石的呈色機制 可見光(波長介於400 nm-700nm)照射或穿透礦物時有部分波長被吸收，剩餘的色光反射或折射出來之後，就會表現出剩餘色光波段組合而成的顏色。 19

礦物吸收某些特定的波長因素 a.晶體場改變 b.價電子轉移 c.礦物中的晶格缺陷(色心) 20

當可見光吸收光譜有明顯差異的時候，在顏色上也會產生細微的差異。 2.可見光吸收光譜 當可見光吸收光譜有明顯差異的時候，在顏色上也會產生細微的差異。 21

實際操作上有兩點需注意： 1.寶石的色調若為淡色調以下，實際測量上不會得到很好的結果。 3.吸收光譜之分析與寶石鑑定應用 實際操作上有兩點需注意： 1.寶石的色調若為淡色調以下，實際測量上不會得到很好的結果。 2.照射寶石的光線本身的光譜組成越接近白光越好，且入射光強度也不能太高，否則也會影響光譜的觀測結果。 手持式分光鏡 22

用X射線螢光分析儀(XRF)做汽車觸媒粉末的成分檢測 由於近年來金價的價格飆漲，這幾年最夯的行業之一就是貴金屬回收業。而汽車觸媒粉末也算是其中之一，因為汽車觸媒粉末裡面含有鉑Pt、鈀Pd、銠Rh這三種貴金屬。 前處理後的汽車觸媒粉末 汽車觸媒轉換器裡面細密的蜂巢狀構 23

針對觸媒粉末的檢驗方式：         可以X射線螢光分析儀(XRF)來做汽車觸媒粉末的成份分析，只需60秒不到的時間就可以輕鬆知道汽車觸媒粉末裡面鉑Pt、鈀Pd、銠Rh的濃度，還可以輸出詳細的檢測報告。 24

光譜儀_化學新技術_三秒鐘驗塑化劑 25

3.實驗: 火焰式原子吸收光譜 原理: 1.先利用適當的火焰條件將金屬元素。 2.原子化原子化的自由原子吸收由中空陰極管發射 出來的特定波長光源。 3.測定吸收度，經過實驗組與對照組的比較，可計 算出未知樣品內含金屬元素量 。 26

原子吸收光譜儀基本構造 單色光器 偵測器 放大器 輸出 中空陰極管 原子化器 27

2.首先液體樣品由毛細管進入霧化器，經氧化劑霧 化分散成微小顆粒，此時再與燃料混合。 3.接著以一系列檔板除去較大顆粒的粒子。 火焰式原子化器： 1.內包含霧化器、噴霧室及燃燒器。 2.首先液體樣品由毛細管進入霧化器，經氧化劑霧 化分散成微小顆粒，此時再與燃料混合。 3.接著以一系列檔板除去較大顆粒的粒子。 4.最後樣品進入預混式燃燒器中，在火燄中加熱形 成自由原子。 28

2.由於不同元素在激發態時會射出其特定波長的放 射線(radiation), 藉此特性可用來當作待測樣品的 激發能量/光源。 中空陰極管： 1.能發射出具高能量及固定波長的光源。 2.由於不同元素在激發態時會射出其特定波長的放 射線(radiation), 藉此特性可用來當作待測樣品的 激發能量/光源。 3.利用鎢當作陽極,柱狀陰極則視狀況選擇不同元素。 4.此裝置在充滿1-5 torr的氦氣或氬氣的玻璃管內。 5.於電極間加電壓300V時鈍氣開始游離,當電壓夠大 時,氣體陽離子將具有足夠　　　　　　　　　　　　 能量在陰極表面打出金屬原子(此過程稱為 sputtering) 6.當受到激發的金屬原子再度回到基態時即會發射 出特定波長的放射線(radiation)。 29

本次實驗是利用火焰式原子吸收光譜(FAAS)定量出 土壤中含銅量多寡 實驗原理---概要 1.土壤經過微波消化處理溶出銅元素。 實驗目的: 本次實驗是利用火焰式原子吸收光譜(FAAS)定量出 土壤中含銅量多寡   實驗原理---概要 1.土壤經過微波消化處理溶出銅元素。 2.在適當火焰條件下將銅元素原子化。 3.銅原子特定吸收波長為324.7nm。 4.在波長324.7nm下銅原子吸光強度高低可定量出樣 品含銅量多寡。 30

2.於微波消化裝置中加熱，使樣品溶解消化出欲分 析的元素。 3.冷卻後取出樣品經靜置、過濾或離心即可得到消 化液。 實驗原理---微波消化法 1.此法是將酸試劑與樣品接觸反應。 2.於微波消化裝置中加熱，使樣品溶解消化出欲分 析的元素。 3.冷卻後取出樣品經靜置、過濾或離心即可得到消 化液。 4.將消化液稀釋至定體積。 (用以減輕酸試劑所造成的非光譜干擾並且保護儀 器裝置) 5.接著使用FAAS測定消化液內Ag、Cd、Cu、Cr、Fe、 Mn、Ni、Pb、Se及Zn等 元素的總量。 31

1.以吸量管量取銅儲備溶液以0.15%(v/v)的硝酸溶 液稀釋成1~10mg/L 七個不同濃度的銅標準液，備用。 實驗步驟: 1.以吸量管量取銅儲備溶液以0.15%(v/v)的硝酸溶 液稀釋成1~10mg/L 七個不同濃度的銅標準液，備用。 2.令土壤樣品進行微波消化。 3.在hood中，待微波消化後的樣品冷卻。 4.以Whatman No.42 濾紙過濾之，除去殘存之不溶 物。 5.架設好火焰式原子吸收光譜儀(請參照影片示範)。 6.於吸收波長324.7cm處，測定銅標準液之吸收度。 7.繪製吸收度與各金屬表面之檢量線。 8.測定待測樣品的吸收度並由相對應檢量線上求得 銅之濃度。 32

參考文獻 1.http://tw.myblog.yahoo.com/jw!8HiqCRycBAI_QFNAvMUC1A--/article?mid=527 2.http://www.itrc.narl.org.tw/Publication/Newsletter/no83/p08.php 3.http://i-web28.vipcase.net/html/front/bin/ptdetail.phtml?Part=pro01&Rcg=109509 4.http://www.techmaxasia.com/articles/detail/1196063539/ 5.http://www.youtube.com/watch?v=FaY8WBWL6MA 6.http://www.youtube.com/watch?v=3GcDrXW3rCA 7.http://www.youtube.com/watch?v=3RPx-_ix5tU 38