第2章 光分析法导论

第2章

光分析法导论2—1概述2---2光的性质及其与物质的相互作用2—3光分析法分类2023/10/142—1概述光分析法：以物质的光学性质为基础，基于电磁辐射能量与待测物质相互作用后所产生的辐射信号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；2023/10/14应用:光分析法可进行定性、定量和结构分析，普遍应用在生命科学、医学、食品、医药、环境等领域。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。2023/10/14光分析仪器结构和复杂程度有一定差别，但都包括四个基本组成：信号发生器色散系统检测系统信号处理系统三个基本过程：（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。2023/10/14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。2023/10/142023/10/142023/10/14试样容器：光源与试样相互作用的场所1.吸收池2.特殊装置2023/10/14检测系统：量子化检测器和热检测器信号收集与数据处理系统：原子光谱图分子光谱图2023/10/14光分析方法的进展1.检测的选择性和灵敏度大大提高级联光源：电感耦合等离子体-辉光放电；激光蒸发-微波等离子体2.

检测信息量丰富，多组分同时检测电感耦合高频等离子体（ICP）—质谱激光质谱：灵敏度达10-20

g3.应用范围不断扩大光导纤维传导，损耗少；抗干扰能力强；2023/10/146--2光的性质及其与物质的相互作用光是一种电磁辐射（或电磁波），它具有波动性和微粒性。电磁辐射（电磁波）：以接近光速（真空中为光速）传播的能量；电磁辐射具有波动性和微粒性；

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2023/10/14电磁波的特性(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。2023/10/141、电磁辐射的波动性：波长或频率在光分析中，波长的单位常用nm（纳米）或um（微米）表示；频率常用赫兹（Hz）表示；波长的倒数，称为波数，它表示在真空中单位长度内所具有的波的数目。2023/10/14电磁波谱：若将电磁波按其波长（或频率、或能量）次序排列成谱，称为电磁波谱。2023/10/142023/10/14

/nm颜色互补光400-450紫黄绿450-480蓝黄480-490绿蓝橙490-500蓝绿红500-560绿红紫560-580黄绿紫580-610黄蓝610-650橙绿蓝650-760红蓝绿2023/10/142023/10/142.电磁辐射的量子力学性质(1)电磁波的微粒性:光的粒子性表现为光的能量不是均匀连续分布在它传播的空间，而是集中在光子的微粒上。2023/10/14(2)物质的能态:根据量子理论，原子、离子和分子有确定的能量，它们仅仅能存在于一定的不连续能态上。当物质改变其能态时，它吸收或发射的能量应完全等于两能级之间的能量差。若原子、离子和分子吸收或发射辐射后，从一种能态跃迁到另一种能态时，辐射的波长或频率与两能级之间的能量差有关。2023/10/14(3)辐射的发射：当受激粒子（分子、原子和离子）弛豫回到低能级或基态时，常常以光子形式释放多余的能量，产生电磁辐射。2023/10/14共有三种类型的光谱，即线光谱、带光谱和连续光谱。线光谱：由一系列有确定峰位的锐线组成，它是激发单个气态原子所产生的。带光谱：由几组线光谱组成，由许多量子化的振动能级叠加在分子的基态电子能级上而形成的，由于它们紧密排列，以至于仪器不能分辨。连续光谱：固体加热至炽热会发射连续光谱，这类热辐射称为黑体辐射，一般宽度在350nm以上。线光谱和带光谱是叠加在连续光谱上的。2023/10/14线光谱带光谱2023/10/14(4)辐射的吸收若将频率为v的电磁波通过一层固体、液体或气体物质，而电磁波的能量正好等于物质的基态和某一激发态（E）之间的能量差时，即hv＝EA－EO，物质就会吸收辐射，此时电磁辐射能被转移到组成物质的原子和分子上，物质从较低能态激发到较高能态或激发态。2023/10/14a.原子吸收：当一束紫外或可见辐射通过气态自由原子时，例如钠蒸气，将只有少数几个非常确定的频率被吸收。这是因为这些粒子只具有很少几个可能的能态。激发作用是通过原子中一个或见个电子跃迁到较高能级后实现的。b.分子吸收：分子、甚至是双原子分子的光谱，要比原子光谱复杂得多。这是由于分子所具有的可能能级数目比原子的能级数目要多得多。2023/10/146—3光分析法分类光分析法分为光谱法与非光谱法两大类。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；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；2023/10/14光谱法主要类型(1)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；2023/10/14

(2)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）；2023/10/14分子光谱产生的原理

分子平动—整个分