光学分析法导论 2

仪器分析教学课件第七章光学分析法导论教师：李国清一、光分析法及其特点

opticalanalysisanditscharacteristics

光分析法：根据物质发射的电磁辐射或电磁辐射与物质相互作用建立起来的一类分析方法，称为光学分析法。

电磁辐射范围：γ射线～无线电波所有范围；相互作用方式：发射、吸收、反射、折射、散射、干涉、衍射等；

光分析法在研究物质组成、结构表征、表面分析等方面具有其他方法不可区代的地位；三个基本过程：（1）能源提供能量；（2）能量与被测物之间的相互作用；（3）产生信号。基本特点：（1）所有光分析法均包含三个基本过程；（2）选择性测量，不涉及混合物分离（不同于色谱分析）；（3）涉及大量光学元器件。二、电磁辐射的基本性质

basic

propertiesofelectromagneticradiation

电磁辐射（电磁波）：以接近光速（真空中为光速）传播的能量；

c=λν=ν/σ

E=hν=hc/λc：光速；λ：波长；ν：频率；σ：波数；E：能量；h：普朗克常数电磁辐射具有波动性和微粒性；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)干涉干涉现象；

(7)衍射光绕过物体而弯曲地向他后面传播的现象；

(8)偏振只在一个固定方向有振动的光称为平面偏振光。三、光分析分类

typeof

opticalanalysis

光谱法——基于物质与辐射能作用时，分子发生能级跃迁而产生的发射、吸收或散射的波长或强度进行分析的方法；原子光谱、分子光谱、非光谱法

⑴原子光谱（线性光谱）：最常见的三种基于原子外层电子跃迁的原子吸收光谱（AAS）；

原子发射光谱（AES）、原子荧光光谱（AFS）；

基于原子内层电子跃迁的X射线荧光光谱（XFS）；

基于原子核与射线作用的穆斯堡谱；

分子光谱（带状光谱）：

基于分子中电子能级、振-转能级跃迁；紫外光谱法（UV）；

红外光谱法（IR）；

分子荧光光谱法（MFS）；

分子磷光光谱法（MPS）；

核磁共振与顺磁共振波谱（N）；

非光谱法：

不涉及能级跃迁，物质与辐射作用时，仅改变传播方向等物理性质；偏振法、干涉法、旋光法等；

光分析法光谱分析法非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光谱分析法吸收光谱法发射光谱法原子光谱法分子光谱法原子发射原子吸收原子荧光X射线荧光原子吸收紫外可见红外可见核磁共振紫外可见红外可见分子荧光分子磷光核磁共振化学发光原子发射原子荧光分子荧光分子磷光X射线荧光化学发光四、各种光分析法简介

abriefintroductionofopticalanalysis

1.原子发射光谱分析法

以火焰、电弧、等离子炬等作为光源，使气态原子的外层电子受激发射出特征光谱进行定量分析的方法。2.原子吸收光谱分析法

利用特殊光源发射出待测元素的共振线，并将溶液中离子转变成气态原子后，测定气态原子对共振线吸收而进行的定量分析方法。3.原子荧光分析法

气态原子吸收特征波长的辐射后，外层电子从基态或低能态跃迁到高能态，在10-8s后跃回基态或低能态时，发射出与吸收波长相同或不同的荧光辐射，在与光源成90度的方向上，测定荧光强度进行定量分析的方法。

某些物质被紫外光照射激发后，在回到基态的过程中发射出比原激发波长更长的荧光，通过测量荧光强度进行定量分析的方法。

4.分子荧光分析法6.X射线荧光分析法

原子受高能辐射，其内层电子发生能级跃迁，发射出特征X射线（X射线荧光），测定其强度可进行定量分析。5.分子磷光分析法

处于第一最低单重激发态分子以无辐射弛豫方式进入第一三重激发态，再跃迁返回基态发出磷光。测定磷光强度进行定量分析的方法。利用化学反应提供能量，使待测分子被激发，返回基态时发出一定波长的光，依据其强度与待测物浓度之间的线性关系进行定量分析的方法。7.化学发光分析法

8.紫外吸收光谱分析法利用溶液中分子吸收紫外和可见光产生跃迁所记录的吸收光谱图，可进行化合物结构分析，根据最大吸收波长强度变化可进行定量分析。

9.红外吸收光谱分析法

利用分子中基团吸收红外光产生的振动-转动吸收光谱进行定量和有机化合物结构分析的方法。

10.核磁共振波谱分析法

在外磁场的作用下，核自旋磁矩与磁场相互作用而裂分为能量不同的核磁能级，吸收射频辐射后产生能级跃迁，根据吸收光谱可进行有机化合物结构分析。11.顺磁共振波谱分析法

在外磁场的作用下，电子的自旋磁矩与磁场相互作用而裂分为磁量子数不同的磁能级，吸收微波辐射后产生能级跃迁，根据吸收光谱可进行结构分析。

12.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。

13.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。原子光谱为线状光谱，分子光谱为带状光谱；为什么分子光谱为带状光谱？原子光谱图分子光谱图二、分子光谱1.分子中的能量E=Ee+Ev

+Er

+En+Et+Ei分子中原子的核能：En分子的平移能：Et电子运动能：Ee原子间相对振动能：Ev分子转动能：Er基团间的内旋能：Ei在一般化学反应中，En不变；

Et、Ei较小；分子产生跃迁所吸收能量的辐射频率：

ν=ΔEe

/h+ΔEv

/h+ΔEr

/hE=Ee+

Ev

+

Er一、光分析法仪器的基本流程

generalprocessofspectrometry

光谱仪器通常包括五个基本单元：光源；单色器；样品；检测器；显示与数据处理；二、光分析法仪器的基本单元

mainpartsofspectrometry

1.光源

依据方法不同，采用不同的光源：火焰、灯、激光、电火花、电弧等；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；2.单色器

单色器：获得高光谱纯度辐射束的装置，而辐射束的波长可在很宽范围内任意改变；

主要部件：（1）进口狭缝；（2）准直装置(透镜或反射镜)：使辐射束成为平行光线；（3）色散装置(棱镜、光栅)：使不同波长的辐射以不同的角度进行传播；

（4）聚焦透镜或凹面反射镜，使每个单色光束在单色器的出口曲面上成像。棱镜

棱镜对不同波长的光具有不同的折射率，波长长的光，折射率小；波长短的光，折射率大。平行光经过棱镜后按波长顺序排列成为单色光；经聚焦后在焦面上的不同位置上成像，获得按波长展开的光谱；

棱镜的分辨能力取决于棱镜的几何尺寸和材料；棱镜的光学特性可用色散率和分辨率来表征；棱镜的特性与参数（1）色散率

角色散率：用dθ/dλ表示，偏向角θ对波长的变化率；

棱镜的顶角越大或折射率越大，角色散率越大，分开两条相邻谱线的能力越强，但顶角越大，反射损失也增大，通常为60度角；线色散率：用dl/dλ表示，两条相邻谱线在焦面上被分开的距离对波长的变化率；倒线色散率：用dλ/dl表示，（2）分辨率

相邻两条谱线分开程度的度量：：两条相邻谱线的平均波长；△λ两条谱线的波长差；b：棱镜的底边长度；n：棱镜介质材料的折射率。

分辨率与波长有关，长波的分辨率要比短波的分辨率小，棱镜分离后的光谱属于非均排光谱。光栅

透射光栅，反射光栅

光栅光谱的产生是多狭缝干涉与单狭缝衍射共同作用的结果，前者决定光谱出现的位置，后者决定谱线强度分布；光栅的特性：即光栅公式：d(sinα±sinθ)=Kλ

α、θ分别为入射角和反射角；整数K为光谱级次；d为光栅常数；

当K=0时，零级光谱，衍射角与波长无关，无分光作用。光栅的特性：

将反射光栅的线槽加工成适当形状能使有效强度集中在特定的衍射角上。图所示反射光栅是由与光栅表面成β角的小斜面构成(小阶梯光栅，闪耀光栅)，β角叫做闪耀角。选择适宜的闪耀角，可以使90%的有效能量集中在单独一级的衍射上。光栅的参数：

光栅的特性可用色散率和分辨率来表征，当入射角不变时，光栅的角色散率可通过对光栅公式求导得到：

dθ/dλ为入射角对波长的变化率，即光栅的角色散率。

当θ很小，且变化不大时，cosθ≈1，光栅的角色散率决定于光栅常数d和光谱级数K，常数，不随波长改变，均排光谱（优于棱镜之处）。角色散率只与色散元件的性能有关；线色散率还与仪器的焦距有关。光栅的线色散率

f为会聚透镜的焦距。光栅的分辨能力根据Rakleigh准则来确定。

等强度的两条谱线（I，II）中，一条（II）的衍射最大强度落在另一条的第一最小强度上时，两衍射图样中间的光强约为中央最大的80%，在这种情况下，两谱线中央最大距离即是光学仪器能分辨的最小距离（可分离的最小波长间隔）；光栅的分辨率R

光栅的分辨率R等于光谱级次（n）与光栅刻痕条数（N）的乘积：

光栅越宽、单位刻痕数越多、R越大。

宽度50mm，N=1200条/mm，

一级光谱的分辨率：

R=1×50×1200=6×104狭缝

单色器的进口狭缝起着单色器光学系统虚光源的作用。复合光经色散元件分开后，在出口曲面上形成相当于每条光谱线的像，即光谱。转动色散元件可使不同波长的光谱线依次通过。分辨率大小不仅与色散元件的性能有关，也取决于成像的大小，因此希望采用较窄的进口狭缝。分辨率用来衡量单色器能分开波长的最小间隔的能力；最小间隔的大小用有效带宽表示：

S=DWD为线色散率的倒数；W为狭缝宽度；

在原子发射光谱分析中，定性分析时，减小狭缝宽度，使相邻谱线的分辨率提高；定量分析时，增大狭缝宽度，可使光强增加。

3.试样装置

光源与试样相互作用的场所（1）吸收池

紫外-可见分光光度法：石英比色皿荧光分析法：红外分光光度法：将试样与溴化钾压制成透明片（2）特殊装置

原子吸收分光