光谱分析法导论

分析测试技术及应用TechnologyandApplicationofAnalyticalMeasurement

课程教师

张彦，yanzhang@

Tel/p>

办公室：化学楼B508副教授，硕士生导师研究方向：纳米粒子的制备及分析应用山西省高等学校131领军人才优秀中青年拔尖创新人才山西省高等学校优秀青年学术带头人国家自然科学基金“高效液相色谱法应用于金纳米粒子形成机理的研究”，山西省回国留学人员科研资助项目“一锅法制备小尺寸金纳米粒子及其生长机理研究”山西省教育厅专项“山西省高等学校创新人才支持计划资助山西省留学回国人员科技活动择优资助项目，“新型荧光金纳米团簇的制备及其分析应用”国家自然科学基金“高效液相色谱法研究手性金纳米粒子的性能及对巯基化合物的检测”山西省自然科学基金“手性金纳米粒子的制备及分子识别功能研究”物质的含量测定:常量、微量、超痕量、单细胞、单分子分析。物质的形态、结构进行分析：分子结构、晶体结构和价态的分析。复杂体系的分离、选择性识别或选择性测定。获得物质的时空信息、生物活性物质的分析。在线“online”

分析和实时控制分析。宏观、微区、薄层以及纳米层级的结构、形态、型貌观察。非破坏性检测和遥测检测现代分析测试技术解决的问题

社会：体育（兴奋剂）、生活产品质量（鱼新鲜度、食品添加剂、农药残留量）、环境质量（污染实时检测）、法庭化学（DNA技术，物证）。

化学：新化合物的结构表征、分子层次上的分析方法。

生命科学：DNA测序、活体检测。

药物：天然药物的有效成分与结构，构效关系研究。

地学与环境科学：地质分析、环境监测、污染物分析。

材料科学：新材料、结构与性能。

外层空间探索：微型、高效、自动、智能化仪器。现代分析测试技术所应用的领域第一章光谱分析法导论第二章紫外-可见吸收光谱法第三章分子荧光光谱法第四章色谱分析法概论第五章高效液相色谱法第六章固相萃取（SPE）技术第七章质谱法Outline第八章

电分析化学导论第九章

电位与电导分析法第十章

电解与库仑分析法第十一章

极谱与伏安分析法第十二章

化学修饰电极第十三章

电化学工作站使用第十四章

表征纳米材料的常用技术第十五章电子显微镜技术第十六章

衍射技术第十七章

能谱技术第十八章

光谱技术

教学方式：讲授、小组讨论考核方式：平时成绩+考试闭卷考试（100分）第一章光谱分析法导论Introductiontospectralanalysis光分析法的基础包括两个方面：能量作用于待测物质后产生光辐射光辐射作用于待测物质后发生某种变化基于此建立的分析方法均可称为光分析法1.

Scattering

-

the

light

is

transmitted

but

in

all

directions.2.

Photons

are

absorbed,

a.

they

produce

heat

b.

they

cause

a

chemical

change

c.

they

are

reemitted

(fluorescence,

phosphorescence)Analytical

techniques

involving

measurements

of

theradiant

energy

absorbed

or

emitted

by

a

substance

in

anyof

the

wavelengths

of

the

electromagnetic

spectrum

inresponse

to

excitation

by

an

external

energy

source.

1.1光谱分析法的理论基础1.1.1电磁辐射的波动性电磁辐射具有波动性，其许多性质可以用经典的正弦波加以描述。电磁波按所处波长或频率的不同区域，分为无线电波、微波、红外光、可见光、紫外光、X射线等。电磁辐射可以在空间进行传播，传播速率等于光速c

电磁辐射还具有微粒性，表现为电磁辐射的能量不是均匀连续分布在它传播的空间，而是集中在辐射产生的微粒上。因此，电磁辐射不仅具有广泛的波长（或频率、能量）分布，而且由于电磁辐射波长和频率的不同而具有不同的能量和动量，通常用eV表示电磁辐射的能量。1.1.2

电磁辐射的微粒性

1.1.3

电磁波谱

电磁辐射具有广泛的波长（或频率、能量）分布，将电磁辐射按其波长（或频率、能量）顺序排列，即为电磁波谱。与不同量子跃迁对应的电磁辐射具有不同的波长（或频率、能量）区域，而且产生的机理也不相同。通常以一种量子跃迁为基础可以建立一种电磁波谱方法，不同的量子跃迁对应不同的波谱方法。吸收；发射；共振。UV-VIS:

200

–

780

nmEnergyAbsorption

can

only

occur

when

the

energy

of

theradiation

(calculated

from

the

frequency

orwavelength)

matches

the

energy

gap.If

there

are

several

different

upper

levels

(and

thereusually

are)

then

several

transitions

will

be

observed.

1.1.4

电磁辐射与物质的相互作用吸收

吸收

当电磁波作用于物质时，若电磁波的能量正好等于物质某两个能级（如第一激发态和基态）之间的能量差时，电磁辐射就可能被物质所吸收，此时电磁辐射能被转移到组成物质的原子或分子上，原子或分子从较低能态吸收电磁辐射而被激发到较高能态或激发态。Absorptionoflightisacomplicatedprocess.Eachelectronicstateissubdividedintoanumberofvibrationalsublevels.Inturn,eachvibrationalsub-levelisfurtherdividedintorotationalsublevels.The

absorption

process复杂性Different

instrumental

forspectroscopy

of

differentregions.A

relative

complexabsorption

process.Individual

atoms,

wellseparated,

in

a

gas

phase.Even

for

H2,

a

complex

linespectrum

due

to

the

majorelectronic

transitions

and

thesublevels,

-s,

p,

d,

f.1.原子吸收The

atomic

absorption原子吸收当电磁辐射作用于气态自由原子时,电磁辐射将被原子所吸收。原子外层电子任意两能级之间的能量差所对应的频率基本上处于紫外或可见光区，气态自由原子主要吸收紫外或可见电磁辐射。电子能级数有限，吸收的特征频率也有限。在现有的检测技术条件下，通常只有少数几个非常确定的频率被吸收，表现为原子中的基态电子吸收特定频率的电磁辐射后，跃迁到第一激发态、第二激发态或第三激发态等。The

molecular

absorptionMoleculesnotonlyhaveelectronicbutvibrationaland

rotationalsublevels.Alsointeractwithothermolecules

andsolvent.Theseresultsinbandspectra.2.分子吸收分子吸收当电磁辐射作用于分子时，电磁辐射也将被分子所吸收。分子除外层电子能级外，每个电子能级还存在振动能级，每个振动能级还存在转动能级，因此分子吸收光谱较原子吸收光谱要复杂得多。分子的任意两能级之间的能量差所对应的频率基本上处于紫外、可见和红外光区，因此,分子主要吸收紫外、可见和红外电磁辐射，表现为紫外-可见吸收光谱和红外吸收光谱。3.磁场诱导吸收将某些元素原子放入磁场，其电子和核受到强磁场的作用后，它们具有磁性质的简并能级将发生分裂，并产生具有微小能量差的不同量子化的能级，进而可以吸收低频率的电磁辐射。以自旋量子数为1/2的常见原子核1H、13C、19F及31P等为例，自旋量子数为1/2的能级实际上是磁量子数分别为+1/2和-1/2但自旋量子数均为1/2的两个能级的简并能级，该两个能级在通常情况下能量相同，只有在外磁场作用下，由于不同磁量子数的能级在磁场中取向不同，因而与磁场的相互作用也不同，最终导致能级的分裂。发射

当原子、分子和离子等处于较高能态时，可以以光子形式释放多余的能量而回到较低能态，产生电磁辐射，这一过程叫做发射跃迁。1.原子发射当气态自由原子处于激发态时，将发射电磁波而回到基态，所发射的电磁波处于紫外或可见光区。通常采用的电、热或激光的形式使样品原子化并激发原子，一般将原子激发到以第一激发态为主的有限的几个激发态，致使原子发射有限的特征频率辐射，即特定原子只发射少数几个具有特征频率的电磁波。2.分子发射与分子外层电子能级、振动能级和转动能级相关。激发不能采用电热等极端形式，而采用光激发或化学能激发。基本上处于紫外、可见和红外光区，因此,分子主要发射紫外、可见电磁辐射，据此建立了荧光光谱法、磷光光谱法和化学发光法。通过光激发而处于高能态的原子和分子的寿命很短，它们一般通过不同的弛豫过程返回到基态，这些弛豫过程分为辐射弛豫和非辐射弛豫。辐射弛豫通过分子发射电磁波的形式释放能量，而非辐射弛豫通过其他形式释放能量。折射和反射

当光作用于两种物质的界面时，将发生折射和反射现象。干涉和衍射

当频率相同、振动相同、相位相等或相差保持恒定的波源所发射的相干波互相叠加时，会产生波的干涉现象。光波绕过障碍物而弯曲地向它后面传播的现象，称为波的衍射现象。1.2

光学分析法1.2.1非光谱法折射法

可用于纯化合物的定性及纯度测定。方法简单，但应用范围有限。旋光法鉴定物质化学结构的一种手段。比浊法测量光线通过胶体溶液或悬浮液后的散射光强度来进行定量分析，主要适用于测定BaSO4、AgCl及其他胶体沉淀溶液的浓度。衍射法1.X射线衍射法X-raypowderdiffraction(XRD).

以X射线照射晶体时，由于晶体的点阵常数与X射线的波长为同一个数量级（约10-8cm），故可产生衍射现象。Bragg（布拉格）方程表示X射线的波长λ、衍射角θ与晶格间距d的关系，即2.电子衍射法Electrondiffractionpatterns在电镜中，电子透镜使衍射束会聚成为衍射斑点，晶体试样的各衍射点构成了衍射图。电子衍射的衍射角小，一般为1~2°；形成衍射图的时间短，只需几秒钟。但电子束的穿透能力小，所以只适用于研究薄晶体。X-raydiffractionpatternsofCn-NH2-PdNPspreparedwithvarioussyntheticconditions.TheXRDpatternsshowdiffractionpeaksat40.0,46.7,68.3,and82.2°whichcanbeassignedtothe(111),(200),(220),and(311)planesofPd.选区电子衍射法SAEDSelectedAreaElectronDiffraction多晶单晶无定型金纳米粒子Goldnanoclusters

X射线光电子能谱X-rayphotoelectronspectroscopy(XPS)XPS的原理是用X射线去辐射样品，使原子或分子的内层电子或价电子受激发射出来。被光子激发出来的电子称为光电子。可以测量光电子的能量，以光电子的动能/束缚能bindingenergy为横坐标，相对强度（脉冲/s）为纵坐标可做出光电子能谱图。

同一原子的内层电子结合能在不同分子中相差很大，故它是特征的，从而获得试样有关信息。电负性比该原子大的原子趋向于把该原子的价电子拉向近旁，使该原子核同其1s电子结合牢固，从而增加结合能。三氟乙酸乙酯中的四个碳原子分别处于四种不同的化学环境，同四种具有不同电负性的原子结合。XPSSpectra-ChemicalShift|BindingEnergy-Au(4f)XPSspectrumTheXPSshowsthatthebindingenergiesofAu4f7/2andAu4f5/2peaksare84.4and88.1eV,respectively,inferringthatHis-AuNCsarecomposedofAu0atoms.Au:4f7/2=84.0eV,Δ=3.67eV,Au4f5/2=87.67eVXPSSpectra-ChemicalShift|BindingEnergy-XPSSpectra-ChemicalShift|BindingEnergy-/xpsstate/index.cgi?element=XPS元素结合能查询1.2.2光谱法

光谱分析方法涉及不同能级之间的跃迁，这种跃迁可以是吸收辐射的跃迁，也可以是发射辐射的跃迁。由此建立了

基于外层电子能级跃迁的光谱法

基于转动及振动能级跃迁的光谱法

基于内层电子能级跃迁的光谱法

基于原子核能级跃迁的光谱法Raman散射光谱法基于原子、分子外层电子能级跃迁的光谱法

包括原子吸收光谱法、原子发射光谱法、原子荧光光谱法、紫外-可见吸收光谱法、分子荧光光谱法、分子磷光光谱法、化学发光分析法，吸收或发射光谱的波段范围在紫外-可见光区，即200nm～800nm之间。对于原子来讲，其外层电子能级和电子跃迁相对简单，只存在不同的电子能级，因此其外层电子的跃迁仅仅在不同电子能级之间进行，光谱为线光谱。对于分子来讲，其外层电子能级和电子跃迁相对复杂，不仅存在不同的电子能级，而且存在不同的振动和转动能级，宏观上光谱为连续光谱，即带光谱。原子吸收光谱法Atomic

Absorption

Spectrometry，AAS基于气态的基态原子外层电子对紫外光和可见光范围的相对应原子共振辐射线的吸收强度来定量被测元素含量为基础的分析方法，其定量基础是Lambert-Beer(朗伯-比尔)定律。可定量测定周期表中六十多种金属元素，检出限在ng/mL水平。2.原子发射光谱法Atomic

Emission

Spectrometry，AES基于受激原子或离子外层电子发射特征光学光谱而回到较低能级的定量和定性分析方法。其定量基础是受激原子或离子所发射的特征光强与原子或离子的量呈正比相关；其定性基础是受激原子或离子所发射的特征光的频率或波长由该原子或离子外层的电子能级所决定。3.原子荧光光谱法AtomicfluorescencespectrometryAFS气态自由原子吸收特征波长的辐射后，原子外层电子从基态或低能态跃迁到高能态，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或不同的辐射，称为原子荧光。4.紫外-可见吸收光谱法Ultraviolet-visibleabsorptionspectrometry紫外-可见吸收光谱是一种分子吸收光谱法，该方法利用分子吸收紫外-可见光，产生分子外层电子能级跃迁所形成的吸收光谱，可进行分子物质的定量测定，其定量测定基础是Lambert-Beer定律。5.分子荧光光谱法和分子磷光光谱法MolecularfluorescencespectrometryMolecularphosphorescencespectrometry

分子吸收电磁辐射后激发至激发单重态，并通过内转移和振动驰豫等非辐射驰豫释放部分能量而到达第一激发单重态的最低振动能层，然后通过发光的形式跃迁返回到基态，所发射的光即为荧光。当分子吸收电磁辐射后激发至激发单重态，并通过内转移、振动驰豫和系间窜跃等非辐射驰豫释放部分能量而到达第一激发三重态的最低振动能层，然后通过发光的形式跃迁返回到基态，所发射的光即为磷光。基于分子转动、振动能级跃迁的光谱法

基于分子转动、振动能级跃迁的光谱法即红外吸收光谱法，红外吸收光谱的波段范围在近红外光区和微波光区之间，即750nm～1000μm之间，是复杂的带状光谱。不存在电子能级之间的跃迁，只存在振动能级和转动能级之间的跃迁，而分子中官能团的各种形式的振动和转动直接反映在分子的振动和转动能级上，分子精细而复杂的振动和转动能级，蕴涵了大量的分子中各种官能团的结构信息，因此，只要能精细地检测不同频率的红外吸收，就能获得分子官能团结构的有效信息。通常情况下，红外吸收光谱是一种有效的结构分析手段。基于原子内层电子能级跃迁的光谱法

与原子内层电子能级跃迁相关的光谱法为X射线分析法，它是基于高能电子的减速运动或原子内层电子跃迁所产生的短波电磁辐射所建立的分析方法，包括X射线荧光法、X射线吸收法和X射线衍射法。基于原子核能级跃迁的光谱法

基于原子核能级跃迁的光谱法为核磁共振波谱法。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。基于Raman散射的光谱法

频率为ν0的单色光照射到透明物质上，物质分子会发生散射现象。如果这种散射是光子与物质分子发生能量交换所产生，则不仅光子的运动方向发生变化，它的能量也发生变化，则称为Raman散射，其散射光的频率与入射光的频率不同，产生Raman位移。

Raman位移的大小与分子的振动和转动能级有关，利用Raman位移研究物质结构的方法称为Raman光谱法。1.2.3光谱法的分类Molecular

Spectroscopy

Quantitative

analysis

of

molecular

species;

identification

and

elucidation

ofmolecular

structures

UV-Visible

Absorption

Molecular

Fluorescence

Infrared

Raman

Others

(NMR,

ESR,

X-ray,

Near

IR

Reflection,

Photoacoustic

Spectrometry,

etc.)

Atomic

Spectroscopy

Elemental

analysis

Atomic

Emission

Atomic

Absorption

Atomic

Fluorescence1.3光谱分析仪器连续光源

可在一定波段内发光，且强度随波长变化缓慢。应用于紫外可见吸收，分子荧光，磷光光谱和红外吸收光谱中。理想的连续光源满足以下条件：

1、足够的光强度

2、可发射连续光谱

3、发射强度与波长无关光源系统

常见连续光源

紫外区光源氢灯氘灯☆可见光区光源钨灯

氙灯(xenonlamp)

氙灯填充氙气,是一种发光功率大，接近日光的灯。分长弧氙灯、短弧氙灯和脉冲氙灯三类。

氙灯没有灯丝。高压脉冲电加在完全密闭的微型石英灯泡（管）内的金属电极之间，激励灯泡内的物质（氙气、少量的水银蒸气、金属卤化物）在电弧中电离产生光亮,如同电焊中产生的电弧的亮光。波长范围200-1000nm.用于荧光和磷光发射光谱。☆红外光区光源：

能斯特灯，硅碳棒

线光源

发射不连续谱线，主要有金属蒸汽灯(汞灯、钠蒸气灯)

，空心阴极灯、无级放电灯、激光等。用于原子光谱和Raman光谱仪中。

空心阴极灯无极放电灯波长选择系统

理论上，光谱分析所检测的信号，不管是吸收信号、发射信号或散射信号，都应该是单一波长光的信号。实际上单一波长光是相对的一个概念，即从波长选择系统输出的信号不可能是真正意义上的单色光，而是具有极小带宽的连续光。单色器典型的单色器主要由五个部分组成：1.入射狭缝；2.准直装置，功能是使光束成平行光线传播；3.色散装置，即棱镜或光栅；4.聚焦透镜或凹面反射镜；5.出射狭缝。棱镜

光栅

光栅分为透射光栅和反射光栅。近代光谱仪主要采用反射光栅作为色散元件，典型的反射光栅是平面反射光栅和凹面反射光栅。紫外可见分光光度法、荧光分析法石英比色皿红外光谱法将试样与溴化钾压制成透明片试样引入系统光源与试样相互作用的场所.

原子吸收分光光度法原子化器(火焰,石墨炉)

原子发射光谱分析法试样喷入火焰1.吸收池2.特殊装置样品引入系统电弧原子发射光谱：固体样品，放电体系下电极的凹槽内；高压火花原子发射光谱：直接将金属样品制成电极；等离子体原子发射光谱：溶液样品，直接喷雾进样；火焰原子吸收光谱：溶液样品，直接喷雾进样；石墨炉原子吸收光谱：溶液样品，注射器直接加入石墨炉；原子荧光光谱：溶液样品，喷雾进样；分子光谱：常温常压下的固体、液体或气体样品，因此只需要一个透光容器和相应的样品架即可，或者制成透光的固态或液态样品形式直接引入光路红外光谱：固体压片或液膜玻璃容器：普通光学玻璃和石英玻璃原子光谱：对样品的介质条件要求不高，基本上只要能保证有效进样和有效原子化，同时不损害进样和原子化系统就可。紫外-可见吸收光谱、分子荧光光谱、分子磷光光谱、化学发光光谱均适用于紫外-可见波段，均采用溶液样品，水及一般的溶剂在紫外-可见波段均不吸光。红外光谱：由于水及一般溶剂均有红外活性，因而不能采用溶液样品，通常采用的溴化钾固体压片，溴化钾在红外波段没有红外活性且其固体压片透光。检测系统

光电转换器种类及其应用波段

光电转换器是将光辐射转化为可以测量的电信号的器件。单波长多波长光谱分析法概论小结：1.电磁辐射的基本性质、分类及其与物质的相互作用2.光学分析法的分