光谱分析法概论.ppt

1、分析方法,化学分析法,仪器分析法,(Chemical analysis),(Instrumental analysis),化学定性分析,化学定量分析,重量分析法,容量分析法,光学分析法,(Optical analysis),色谱分析法,（Chromatography),质谱法,(Mass spectrometry),电化学分析法,(Electrochemistry),光学分析法概论,光学分析法 (Optical analysis),基于物质发射的电磁辐射或物质与辐射相互作用后产生的辐射信号或发生的信号变化来测定物质的性质、含量和结构的一类仪器分析方法。,光学分析方法涉及到三个问题： 能源提供能

2、量（包括辐射能） 能量与物质的相互作用； 分析信号的产生及其检测。,光学分析法的应用,2.环境和大气研究 主要是原子光谱的应用，也有分子光谱。,3.药物分析 鉴别、检查、含量测定。,1.结构鉴定 专属性强; 样品用量少;不改变混合体系的组成就能快速分析。,第一节 电磁辐射及其与物质的 相互作用 第二节 光学分析法的分类 第三节 光谱分析仪器,光: 是一种电磁波, 具有波动性和粒子性. 波动性 传播运动过程中突出, 表现在光的偏振, 干涉, 衍射 粒子性 与物质相互作用时突出, 表现在光电效 应, 光的吸收和发射,衍射,干射,散射,第一节 电磁辐射及其与物质的相互作用,一、电磁辐射的性质,1.

3、光的波动性,波动性：可用波长、频率 和波数 来描述。, : 光在传播过程中, 同一电磁波曲线上两个相邻的 相位相同的点之间的距离., : 单位时间内经过某一点的波的数., : 波长的倒数(1/),常用于红外光谱, 可以理解为1cm长度中波的数目., 频率与波长成反比, 即波长越长, 频率越低, 波数越小, = 1 / = /c,对于不同的光波, 波长采用不同的单位.,紫外-可见光区 : nm(10-9m) 红外光区 : m(10-6m)或 cm-1 微波区 : cm 无线电波 : m,2. 光的粒子性,h : 普朗克常数, 光量子的能量(E)与波长成反比, 而与频率及波数成正比.,可用光量子的

4、能量来描述,E = h =h c / = h c ,例如：计算1mol (6.022171023个)波长为200nm的光子的能量E,9,3电磁波谱：电磁辐射按波长顺序排列，称。,射线 X 射线紫外光可见光红外光微波无线电波,10,11,物质与辐射能作用时内部发生能级跃迁光谱,光谱分析法 (Spectroscopic analysis),光学分析法,物质与辐射能作用时不发生能级跃迁,非光谱法,二、电磁辐射与物质的相互作用,(一) 物质内部发生能级跃迁,吸收 (Absorption) 辐射能量恰好满足物质两能级间跃迁所需的能量。 X+hX,发射(Emission) 物质受到激发而跃迁到激发态后，由

5、激发态回到基态时以辐射的方式释放能量。 X X X X+h,散射(Scattering) 光子与物质分子之间发生碰撞，使光子的运动方向发生改变而向不同角度散射。 瑞利散射 光子与物质分子发生弹性碰撞，不发生能量交换，仅光子运动方向发生改变。 (波长=入射光波长) 拉曼散射 光子和介质分子发生非弹性碰撞，光子运动方向和能量均发生改变。 (波长入射光波长),折射和反射 当光从介质1照射到介质2界面时，一部分光返回介质1，称为光的反射，另一部分光则改变方向，以一定折射角度进入介质2，称为光的折射。 干涉和衍射 在一定条件下光波会相互作用。当叠加时，将产生一个其强度视各波的相位而定的加强或减弱的合成波

6、，称为干涉。光波绕过障碍物或通过狭缝时，以约180的角度向外辐射，波前进的方向发生弯曲，称为衍射。,(二) 不发生能级跃迁,第二节 光学分析法的分类,一、按照电磁辐射与物质的相互作用分类,1.光谱法 物质内部发生能级跃迁，记录由能级跃迁所产生的辐射能强度随波长的变化，所得的图谱称为光谱，利用光谱进行定性定量和结构分析，包括吸收光谱法，发射光谱法和散射光谱法。,吸收光谱 (absorption spectrum),1,(nm),吸 光 度 (A),1 2 3 4 5 6 n,光谱的不同形式,带状光谱:由几个光带和暗区相间而成的光谱。,线状光谱:由若干条强度不同的谱线和暗区相间而成的光谱。,连续光

7、谱：由炽热的固体或液体发射。在一定范围内。各种波长的光都有，连续不断，无明显的谱线和谱带。它们是红外、可见及远紫外区分析仪器的重要光源。,太阳连续光谱,2.非光谱法 不涉及物质内部能级的跃迁，仅通过测量电磁辐射的某些基本性质(反射、折射、干涉、衍射和偏振)的变化, 主要有折射法，旋光法，浊度法，X-射线衍射法和圆二色法等。,利用X-射线能够绕过障碍物而弯曲地向后面传播的现象，是测定晶体结构的重要手段。,DNA晶体的X射线衍射照片(by Rosalind Franklin),X-射线衍射法 (X-ray diffraction analysis, XRD),二、按照作用物不同分类,1.原子光谱法

8、(atomic spectroscopy) 以测量气态原子或离子外层或内层电子能级跃迁所产生的原子光谱为基础的分析方法，为线状光谱。 2.分子光谱法(molecular spectroscopy) 由分子中电子能级、振动和转动能级的变化产生，为带光谱。,三、按辐射能转换方向分类,1. 原子吸收光谱法(第十三章),原子外层电子跃迁的两个能级之间的能量差 可确定试样的元素组成和含量，但不能给出分子结构的信息,(一) 吸收光谱法,定义：物质吸收相应的辐射能而产生的光谱。,(1) 紫外-可见分光光度法(第十章) 价电子能级跃迁而产生，伴随振动能级等跃迁，带状光谱。电子能级间隔120eV，波长20076

9、0nm。,2. 分子吸收光谱法,(2) 红外分光光度法(第十二章) 属于分子振-转光谱，能量差为0.051eV，波长125025000nm。,(3) 核磁共振波谱法(第十四章) 是原子核自旋能级跃迁，激发波长是在60cm300m的电磁波。,(4) 拉曼光谱法 利用拉曼散射获得结果。,(二)发射光谱法,定义：原子或分子受激发后，电子由激发态回至基态所产生的光谱为发射光谱。,1原子发射光谱法 气态金属原子与高能量粒子(电子、原子或分子)碰撞而激发，发射出的特征线状光谱。,2原子荧光光谱法 气态金属原子受电磁辐射(一次辐射)激发后，发射的二次辐射。,3. 分子荧光(第十二章)和磷光光谱法 物质分子受

10、辐射激发后其外层电子由基态跃迁到激发态，当它们返回基态时，以辐射的形式释放出能量。,4. 化学发光分析 在一些特殊的化学反应中，由于吸收了反应所释放出的化学能而处于电子激发态的反应中间体或反应产物，由激发态回到基态时所产生的一种光辐射。,质谱是分子离子和碎片离子依其质荷比(m/z)大小依次进行排列所成的质量谱(mass spectrum)。根据质谱的分析，来确定分子的原子组成、分子量、分子式和分子结构的方法称为质谱法。,四、质谱法(第十五章),光学分析法,光谱分析法,非光谱分析法,第三节 光谱分析仪器,能源提供能量能量与被测物之间相互作用产生信号,辐射源 (光源 Source) 单色器 (Mo

11、nochromator) 样品池 辐射检测器(Detector) 讯号处理及显示器,分光光度计(spectrophotometer),光学分析法三个基本过程:,1. 光源 依据方法不同，采用不同的光源：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。,一、基本元件,2.单色器：单色器的主要作用是将复合光分解成单 色光或有一定宽度的谱带。,(1) 进出口狭缝； (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,棱镜：

12、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；,光栅：由一系列等宽等间距的平行狭缝组成，在1cm 的长度上往往刻有几千条甚至上万条的刻痕。刻痕处不透光，未刻处透光，称之为透射光栅，另一种光栅是反射光栅。 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。,3.试样装置光源与试样相互作用的场所,(1)吸收池:比色皿(如紫外-可见分光光度法)、 透明片(如红外分光光度法)等 (2) 特殊装置:雾化器(如原子吸收分

13、光光度法)等,4. 检测器 (1) 光检测器 硒光电池、光电二极管、光电倍增管、硅二极管阵列检测器、半导体检测器等 (2) 热检测器 真空热电偶检测器、热释电检测器等,5. 信号与数据处理系统 集成、自动、智能,二、仪器相关术语,1.光谱范围(spectral range) 仪器能测量光谱的波长范围。,2.工作范围(working range) 仪器能按规定的准确度和精密度进行测量的吸光度或强度范围。,3.厚度(thickness) 样品池的两个平行且透光的内表平面之间的距离。,4.光路长度(optical path length) 光通过吸收池内物质的入射面和出射面之间的路程。当垂直入射时，

14、应与厚度相同。,5.仪器的准确度(accuracy) 在不考虑随机误差的情况下，仪器给出的读数与被测量的真值相一致的能力。考察系统误差。,6.仪器的重复性(repeatability) 在不考虑系统误差的情况下，仪器对某一测量值能给出相一致读数的能力 (短时间内) 。,7.仪器的稳定性(stability) 在一段时间内，仪器保持其精密度的能力。,8.仪器的可靠性(reliability) 仪器保持其所有性能(准确度、精密度和稳定性)的能力。,第四节 光谱分析法发展概况和主要文献,一、光谱分析法发展概况 20世纪40年代中期，光电倍增管的出现 20世纪50年代，原子物理的发展 20世纪60年代

15、，等离子体、傅立叶变换与激光技术的引入 20世纪70年代，激光、微电子学、微波、半导体、自动化、化学计量学等科学技术和各种新材料的应用,二、目前的研究热点,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 g 3. 新材料 光导纤维传导，损耗少；抗干扰能力强,4. 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,三、参考文献 1. 文献检索工具 Chemical Abstract （“CA”，美国) Analytical Abstracts (英国) 分析化学文摘 (