仪器分析光学分析法导论

2023/1/151一.教学内容

1电磁辐射及电磁波谱的概念、特性及相关物理量

2光学分析法的分类及特点

3光学分析法的基本仪器二．重点与难点

1．电磁辐射2．各种能级跃迁的概念及相应的光谱三.教学要求

1．

掌握电磁辐射和电磁波谱的概念及性质

2．

清楚理解物质与电磁辐射相互作用所产生的各种光谱

3．

光学分析法的分类及标准

4．

了解光谱法的基本仪器部件

Chapter1光学分析法导论2023/1/152猜猜看？月亮彩虹森林和氧气夜光杯颜色

2023/1/153

月亮

光

反射

彩虹森林氧气

光化学反应

折射夜光杯荧光颜色

吸收

2023/1/154第一节概论一光谱及光谱分析法光光的粒子性光的波动性光的电磁说光的本性光的波粒二相性光是一种电磁波2023/1/155光的干涉现象光的衍射现象光是一种波19世纪中叶，光的波动说已经得到了公认，但是光波的本质到底是什么，是像水波？还是像声波呢？19世纪60年代，麦克斯韦预言了电磁波的存在，并从理论上得出电磁波在真空中的传播速度应为：光是一种电磁波≈光速2023/1/1562023/1/156

麦克斯韦的电磁场理论是科学认识的一个革命性变革，根据研究，麦克斯韦大胆断言：光本身就是电磁波。

1886～88年间赫兹做了一系列实验证实了电磁波的存在，并且测出了电磁波频率和波长，计算出电磁波的传播速度，发现电磁波的速度确实与光速相同，证明了光的电磁说的正确性。2023/1/157波动性每个光子具有一定的波长，可以用波的参数如波长（）、频率（

）、振幅（A）等来描述。真空中速度：

c=·

什么是电磁波？电磁波（电磁辐射）是一种以极高速度传播的光量子流。既具有粒子性，也具有波动性。

2023/1/158粒子性电磁辐射与物质之间能量的转移用粒子性来解释特征：辐射能是由一颗一颗不连续的粒子流传播的，这种粒子叫光量子，是量子化的（发射或被吸收）。光量子的能量

E=h=hc/

h—plank常数（6.62610-34J·S

）单位：电子伏特eV92023/1/159电磁波谱2023/1/15102023/1/15112023/1/15122023/1/1512辐射能的特性(1)吸收物质选择性吸收特定频率的辐射能，并从低能级跃迁到高能级；(2)

发射将吸收的能量以光的形式释放出；(3)散射丁铎尔散射和分子散射；(4)折射折射是光在两种介质中的传播速度不同;(5)反射(6)干涉

(7)衍射光绕过物体而弯曲地向后面传播的现象(8)偏振只在一个固定方向振动的光称为平面偏振光2023/1/1513红外线

在电磁波中，能够作用于人的眼睛并引起视觉的，只是一个很窄的波段，通常叫做可见光。其中波长最短的是紫光，波长约为400nm。波长最长的是红光，约为770nm，波长更长的光不能引起视觉，叫做红外线，红外线的波长范围很宽，约为770nm～106nm．2023/1/1514利用灵敏的红外线探测器接收物体发出的红外线，用电子仪器对收到的信号进行处理，就可以知道被测物体的信息红外线主要作用是热作用，可以利用红外线来加热物体和进行红外线遥感红外线技术的应用2023/1/1515可见光2023/1/1516紫外线

紫外线也是不可见光，波长比紫光还短，大约为5nm～400nm．紫外线有荧光作用，有些物质受到紫外线照射时可以发出可见光。紫外线可以促使人体合成维生素D，有助于人体对钙的吸收，所以儿童经常晒太阳能够预防缺钙引起的佝偻病，但是过多的紫外线会使皮肤粗糙，甚至诱发皮肤癌。紫外线能够杀灭多种细菌，可以用紫外线进行消毒。注意：红外线与紫外线人眼都是看不到的2023/1/1517紫外线

画面上可以清晰的看到钱币上的防伪标记2023/1/1518伦琴射线

波长比紫外线更短的光叫做伦琴射线，也叫X射线是德国物理学家伦琴在1895年发现的．他的穿透能力很强，能使包在黑纸里的照像底片感光，产生X射线的装置，叫做X射线管：1、K是阴极2、A是阳极（也叫对阴极）2023/1/1519定义：是根据物质发射电磁辐射或电磁辐射与物质相互作用而建立起来的一类分析化学方法。

二、光学分析法发展史：1858～59年，德国化学家本生和物理学家基尔霍夫奠定了一种新的化学分析方法——光谱分析法。他们被公认为光谱分析法创始人，开创了化学和分析化学新纪元。光谱法的应用：光谱分析发现不少化学元素；已广泛用于地质、冶金、石油、化工、农业、医药、生物、环境等多方面，是常用的灵敏、快速、准确的近代仪器分析方法之一。2023/1/15201、物质的激发1.非辐射激发热激发：热致发光电激发：电致发光生物激发：生物发光化学激发：化学发光2.辐射激发光激发：光致发光2023/1/15212、光学分析法分类光学分析法：光谱法、非光谱法。光谱法：基于物质与辐射能作用时，测量由物质内部发生量子化的能级之间的跃迁而产生的发射、吸收或散射辐射的波长和强度进行分析的方法。非光谱法：是基于物质与辐射相互作用时，测量辐射的某些性质，如折射、散射、干涉、衍射、偏振等变化的分析方法。2023/1/1522光分析法光谱分析法原子光谱分析法分子光谱分析法原子吸收光谱原子发射光谱原子荧光光谱X射线荧光光谱折射法圆二色性法X射线衍射法干涉法旋光法紫外光谱法红外光谱法分子荧光光谱法分子磷光光谱法核磁共振波谱法非光谱分析法2023/1/15232、光谱分析法分类（1）按波长区域不同：

远红外光谱红外光谱可见光谱紫外光谱远紫外光谱2023/1/1524（2）按光谱的形态：线状光谱，带状光谱，连续光谱

聚苯乙烯的红外光谱(振动-转动光谱)2023/1/1525（3）按产生光谱的物质类型：原子光谱，分子光谱2023/1/1526(第二次)2023/1/1527（4）按产生光谱的方式：发射光谱，吸收光谱，散射光谱（5）按激发光源：火焰光谱，闪光光谱，激光光谱，等离子体光谱等2023/1/15283、光谱分析法的特点（1）分析速度较快；（2）操作简便；（3）不需纯样品；（4）可同时测定多种元素或化合物(3)。2023/1/1529（5）选择性好（6）灵敏度高;（7）样品损坏少;●局限性

光谱定量分析建立在相对比较的基础上，必须有一套标准样品作为基准，而且要求标准样品的组成和结构状态应与被分析的样品基本一致，这常常比较困难2023/1/1530第二节光谱分析的基本原理一、发射光谱法

物质通过电致激发、热致激发或光致激发等激发过程获得能量，变为激发态原子或分子M*，当从激发态过渡到低能态或基态时产生发射光谱。

M*M+hv

通过测量物质的发射光谱的波长和强度进行定性和定量分析的方法叫做发射光谱分析法。2023/1/15311.

射线光谱法：核通过发射射线回到基态2.X射线荧光分析法：内层电子能级跃迁，即发射出特征X射线，称为X射线荧光。3.原子发射光谱分析法：

用火焰、电弧、等离子炬等作为激发源，使气态原子或离子的外层电子

受激发发射特征光学光谱，利用这种光谱进行分析的方法叫做原子发射光谱分析法。波长范围在190~900nm。2023/1/15324.原子荧光分析法：气态自由原子吸收特征波长的辐射后，原子的外层电子从基态或低能态跃迁到较高能态，约经10-8s，又跃迁至基态或低能态，同时发射出与原激发波长相同（共振荧光）或不同的辐射（非共振荧光—直跃线荧光、阶跃线荧光、阶跃激发荧光、敏化荧光等），称为原子荧光。波长在紫外和可见光区。在与激发光源成一定角度（通常为90）的方向测量荧光的强度，可以进行定量分析。2023/1/15335.分子荧光分析法

某些物质被紫外光照射后，物质分子吸收辐射而成为激发态分子，然后回到基态的过程中发射出比入射波长更长的荧光。测量荧光的强度进行分析的方法称为荧光分析法。波长在光学光谱区。

荧光与磷光2023/1/15342023/1/15352023/1/15356.分子磷光分析法

物质吸收光能后，基态分子中的一个电子被激发跃迁至第一激发单重态轨道，由第一激发单重态的最低能级，经系间交叉跃迁至第一激发三重态（系间窜跃），并经过振动弛豫至最低振动能级，由此激发态跃迁回至基态时，便发射磷光。

根据磷光强度进行分析的方法成为磷光分析法。它主要用于环境分析、药物研究等方面的有机化合物的测定。

2023/1/15362023/1/15372023/1/1537用兰色激光照射石榴石绿色晶体时,Cr3+吸收兰光并辐射出能量较低的红色荧光。晶体的荧光现象含有少量Cr3+的钇铝石榴石绿色晶体2023/1/15387.化学发光分析法

由化学反应

提供足够的能量，使其中一种反应的分子的电子被激发，形成激发态分子。激发态分子跃迁回基态时，发出一定波长的光。其发光强度随时间变化。在合适的条件下，峰值与被分析物浓度成线形关系，可用于定量分析。

由于化学发光反应类型不同，发射光谱范围为400~1400nm。

2023/1/1539

当物质所吸收的电磁辐射能与该物质的原子核、原子或分子的两个能级间跃迁所需的能量满足△E=hv的关系时，将产生吸收光谱。

M+hvM*

二、吸收光谱法2023/1/15401.紫外-可见分光光度法

利用溶液中的分子或基团在紫外和可见光区产生分子外层电子能级跃迁所形成的吸收光谱。根据吸收光谱用于定性和定量测定。2.原子吸收光谱法

利用待测元素气态原子对共振线的吸收进行定量测定的方法。其吸收机理是原子的外层电子能级跃迁，波长在紫外、可见和近红外区。2023/1/15412023/1/1541式中，A

——吸光度；

L——透过溶液厚度；

K

——常数该式是吸收光谱定量分析的基本关系式：吸光度A与样品中C呈线性关系。通过一组已知浓度的标准样品，做出A与C之间的工作曲线。在同样条件下，测量未知物的吸光度后，利用工作曲线就可求得未知物的浓度Cx吸收光谱法定量分析的理论基础——朗伯比耳定律：2023/1/15423.红外光谱法

利用分子在红外区的振动-转动吸收光谱来测定物质的成分和结构的光谱分析法。2023/1/15434.核磁共振波谱法

在强磁场作用下，核自旋磁矩与外磁场相互作用分裂为能量不同的核磁能级，核磁能级之间的跃迁吸收或发射射频区的电磁波。NSNSNSSNSNNS不同频率2023/1/15442023/1/15451.旋光法溶液的旋光性与分子的非对称结构有密切关系，可利用旋光法研究某些天然产物及配合物的立体化学问题，旋光计测定糖的含量。2.衍射法

X射线衍射：研究晶体结构，不同晶体具有不同衍射图。电子衍射：电子衍射是透射电子显微镜的基础，研究物质的内部组织结构。非光谱分析方法2023/1/15462023/1/1546A22不共面，苯环A与噻唑环的二面角是11.14º，噻唑环与苯环B的是61.79º，而苯环B与咪唑啉二酮环的是68.01º。通过N(3)-H(3)•••O(1)以及N(4)-H(4)•••O(3)分子间氢键形成规则晶体。2023/1/1547第三节光谱分析法的设备特点

用来研究吸收、发射或荧光的电磁辐射强度和波长关系的仪器叫做光谱仪或分光光度计

光谱仪或分光光度计一般包括五个基本单元：光源、单色器、样品容器、检测器和读出器件。

2023/1/1548

2023/1/15492023/1/15502023/1/15512023/1/15521.依据方法不同，采用不同的光源：火焰、灯、激光、电火花、电弧等；(一)辐射源2.依据光源性质不同，分为：连续光源：在较大范围提供连续波长的光源，氢灯、氘灯、钨丝灯等；线光源：提供特定波长的光源，金属蒸气灯(汞灯、钠蒸气灯)、空心阴极灯、激光等；2023/1/15532023/1/1554棱镜

不同波长的光在同一介质中具有不同的折射率。2023/1/15552.光栅由玻璃片或金属片制成，其上准确地刻有大量宽度和距离都相等的平行线条（刻痕）。原理