光分析基础课件

21:16:00一、光分析法及其特点

opticalanalysisanditscharacteristics

光分析法：基于电磁辐射能量与待测物质相互作用后产生的辐射信号或引起信号的变化与物质组成及结构关系所建立起来的分析方法；电磁辐射范围：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取代的地位；10:23:59一、光分析法及其特点

opti121:16:00三个基本过程：（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10:23:59三个基本过程：（1）能源提供能量；221:16:00二、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；10:23:59二、电磁辐射的基本性质

basicpr321:16:00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)散射光传播时因与物质中分子（原子）作用而改变其光强的空间分布、偏振状态或频率的过程；(4)折射折射是光在两种介质中的传播速度不同；(5)反射光线在介质中传播时遇到物体传播方向发生改变,继续在此介质中传播的现象(6)干涉相干光波相遇叠加，在叠加区域某些点的光振动始终加强，某些点的光振动始终减弱；干涉区域内振动强度有稳定的空间分布(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。10:23:59辐射能的特性：(1)吸收物质选择421:16:0010:23:59521:16:0010:23:59621:16:00三、光分析分类

typeof

opticalanalysis

光谱法——基于物质与辐射能作用时，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常见的光谱分析方法有原子吸收光谱、原子发射光谱、紫外-可见吸收光谱、红外吸收光谱、荧光发射光谱、化学发光光谱、生物发光光谱等非光谱法——凡是不以光的波长为特征信号的分析方法都属于非光谱分析的范畴，是通过测量电磁辐射的某些基本性质（加反射、折射、干涉、衍射、偏振等性质）的变化而进行分析的方法

较常用的非光诸分析方法有折射法、干涉法、散射法、旋光法、x射线衍射法10:23:59三、光分析分类

typeofop721:16:00光谱的分类

typeof

opticalspectrum

发射光谱——构成物质的分子、原子或离子，经辐射能照射吸收了能量．由基态能级转变成激发态能级后，处于激发态的物质内部能量比原来能量多，处于不稳定状态，需要把吸收多余的能量释放出去．再回到稳定的基态线光谱：由原子或离子被激发产生的光谱，特性是由不诠续的明亮线条所组成的光谱

带光谱：分子被激发产生的光谱，由数个光带与暗区相间组成宽带光谱

连续光谱：常见的阳光或灯光所发的光谱，是在一定的波区由长波长和短波长连续不断，按彼长顺序徘列组成光谱10:23:59光谱的分类

typeofopti821:16:00吸收光谱——构成物质的分子、原子或离子等在辐射能的照射下在系统内吸收外界能量的过程中，所对应吸收的波长产生光谱原子吸收光谱：原子受光照射后吸收的能量产生的光谱，由不连续的明亮线条所组成光谱分子吸收光谱：分子受光照射后吸收的能量产生的光谱，由数个光带与暗区相间所组成的吸收光谱散射光谱——构成物质的分子、原子或离子，经辐射能照射后，系统内散射出来的能量产生相对应波长的光谱，它主要分布在红外区，属于分子散射光谱

当一束单色光与分子相互作用时，光子发生非弹性碰撞，与分子之间发生能量交换，光子不但改变了运动方向；而一部分能量传递给分子或分子的振动和转动能量传递光子，因而改变了光子的频率．产生散射光谱10:23:59吸收光谱——构成物质的分子、921:16:00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10:23:59光分析法光谱分析法非光谱分析法原子光谱分析法1021:16:00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10:23:59光谱分析法吸收光谱法发射光谱法原子光谱法分子1121:16:00四、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。10:23:59四、各种光分析法简介

abriefin1221:16:003.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。

4.分子荧光分析法

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。

10:23:593.原子荧光分析法气态原子吸1321:16:006.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。7.化学发光分析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。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。10:23:596.X射线荧光分析法5.分子磷光分析法1421:16:00

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。8.紫外吸收光谱分析法10:23:59利用溶液中分子吸收紫外和1521:16:0011.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。10:23:5911.顺磁共振波谱分析法12.旋光法1621:16:00五、光分析方法的进展

developmentofopticalanalysis

1.采用新光源，提高灵敏度级联光源：电感耦合等离子体-辉光放电；激光蒸发-微波等离子体2.

联用技术电感耦合高频等离子体（ICP）—质谱激光质谱：灵敏度达10-20

g3.新材料光导纤维传导，损耗少；抗干扰能力强；10:23:59五、光分析方法的进展

developmen1721:16:004.交叉

电致发光分析；光导纤维电化学传感器5.检测器的发展

电荷耦合阵列检测器光谱范围宽、量子效率高、线性范围宽、多道同时数据采集、三维谱图，将取代光电倍增管；光二极激光器代替空心阴极灯，使原子吸收可进行多元素同时测定；10:23:594.交叉电致发光分析；光1821:16:00三种光分析法测量过程示意图

10:23:59三种光分析法测量过程示意图1921:16:00第一章

光谱分析技术molecularspectrum

anintroductiontoopticalanalysis

二

分子光谱10:23:59第一章

光谱分析技术molecular2021:16:00原子光谱图分子光谱图10:23:59原子光谱图分子光谱图2121:16:001.分子状态

一个化合物的分于是由原子组成的，分子在吸收了能量以后变化是复杂的首先是分于中的原子可以由基态原子转变成激发态原子；围绕原于核运动的电子由低能级轨道向高能级轨道跃任；分子的能域由基态分子向激发态分子转化；分子的能级由低能纽向高能级转变。分子吸收能量后它的总能量亦发生变化10:23:591.分子状态一个化合物的分于是由原2221:16:001.分子总动能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；

E=Ee+Ev+Er分子产生跃迁所吸收能量的辐射频率：

ν=ΔEe/h+ΔEv/h+ΔEr/h10:23:591.分子总动能E=Ee+Ev+Er+2321:16:003.跃迁类型与分子光谱分子光谱复杂，电子跃迁时带有振动和转动能级跃迁；分子的紫外-可见吸收光谱是由纯电子跃迁引起的，故又称电子光谱，谱带比较宽；分子的红外吸收光谱是由于分子中基团的振动和转动能级跃迁引起的，故也称振转光谱；分子的荧光光谱是在紫外或可见光照射下，电子跃迁至单重激发态，并以无辐射弛豫方式回到第一单重激发态的最低振动能级，再跃回基态或基态中的其他振动能级所发出的光；分子的磷光是指处于第一最低单重激发态的分子以无辐射弛豫方式回到第一最低三重激发态，再跃迁回到基态所发出的光；10:23:593.跃迁类型与分子光谱分子光谱复杂，2421:16:00三光谱法仪器与光学器件一、光谱法仪器的基本流程generalprocessofspectrometry二、光谱仪器的基本器件mainpartsofspectrometry第一章

光谱分析技术anintroductiontoopticalanalysis

instrumentsforspectro-metryandopticalparts10:23:59三一、光谱法仪器的基本流程第一章

光谱分2521:16:00一、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；10:23:59一、光分析法仪器的基本流程

general2621:16:00二、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；10:23:59二、光分析法仪器的基本单元

mainpa2721:16:002.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；10:23:592.单色器单色器：获得高光谱纯度辐射束的装2821:16:00（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。10:23:59（4）聚焦透镜或凹面反射镜，使每个单色2921:16:00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；10:23:59棱镜棱镜对不同波长的光具有不同的折3021:16:00光栅光栅单色器是利用光的衍射和千涉原理进行分光的透射光栅，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10:23:59光栅光栅单色器是利用光的衍射和千涉原理进行分3121:16:00反射光栅反射光栅又可分为平面反射光栅和凹面反射光栅。反射光栅是在抛物线玻璃或镀铝金属表面刻制平行线而制成的，刻制方法是利用激光器照射出的两束相关光源，照射到涂成有抗腐蚀层的毛坯上，是干涉条纹成像在抗腐蚀层上．再用适当的化学溶剂除去被照射的部分（显影）．从而腐蚀层产生一定空间结构的干涉条纹，这种方法刻制的条纹最多可达6000条／cm10:23:59反射光栅反射光栅又可分为平面反射光栅和凹面反3221:16:00光栅的线色散率

光栅单色器的性能优劣决定于光栅的材料和该材料单位回积上到的条纹的数目，刻的数目越多分辨率越高（一般刻1200条／cm．较好的刻6000条／cm）光栅的分辨能力根据Rayleigh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）；10:23:59光栅的线色散率光栅单色器的性能优劣决定3321:16:00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：R=λ/∆λ=nN(n为光谱极数，N为刻痕数)

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=6×10410:23:59光栅的分辨率R光栅的分辨率R