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1、第01章光分析法基本概念本讲稿第一页，共三十六页1-1电磁辐射的基本性质1-2原子光谱与分子光谱1-3吸收光谱和发射光谱1-4光分析法的概念及其分类1-5光学分析仪器1-6光分析法的应用目录本讲稿第二页，共三十六页1-1电磁辐射的基本性质1-1-1电磁波谱波谱区名称*波长范围*波数/cm-1频率范围MHz光子能量*eV跃迁能级类型射线5-140pm21010-710761014-210122.5106-8.3103核能级X射线10-3-10nm1010-10631014-310101.2106-1.2102内层电子能级远紫外光10-200nm106-510431010-1.5109125-6近
2、紫外光近紫外光200-400nm5104-2.51041.5109-7.51086-3.1原子及分子的价电子或成键电子能级可见光可见光400-750nm2.5104-1.31047.5108-4.01083.1-1.7近红外光0.75-2.5m1.3104-41034.0108-1.21081.7-0.5分子振动能级中红外光2.5-50m4000-2001.2108-6.01060.5-0.02远红外光50-1000m200-106.0106-105210-2-410-4分子转动能级微波0.1-100cm10-0.01105-102410-4-410-7射频1-1000m10-2-10-510
3、2-0.1410-7-410-10电子自旋、核自旋本讲稿第三页，共三十六页1-1-2波粒二象性1-1-3辐射能参数周期周期Ts频率频率 Hz波长波长 波数波数 cm-1电子伏特电子伏特eV本讲稿第四页，共三十六页1-1-4辐射能的特征吸收发射散射：丁铎尔散射分子散射：瑞利散射拉曼散射折射和反射干涉衍射偏振本讲稿第五页，共三十六页1-2原子光谱与分子光谱1-2-1原子光谱：线状线状由原子产生的光谱：由原子产生的光谱：（1）外层电子跃迁）外层电子跃迁原子吸收、原子发射、原子荧光原子吸收、原子发射、原子荧光（2）内层电子跃迁）内层电子跃迁X荧光、荧光、Mssbauer谱谱本讲稿第六页，共三十六页1-
4、2-2分子光谱：带状带状由分子产生的光谱：吸收由分子产生的光谱：吸收 荧光、磷光荧光、磷光本讲稿第七页，共三十六页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；分子的紫外分子的紫外-可见吸收光谱是由可见吸收光谱是由纯电子跃迁纯电子跃迁引起的，故又引起的，故又称称电子光谱电子光谱，谱带比较宽；，谱带比较宽；分子的红外吸收光谱是由于分子中基团的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振动和转动能级跃迁引起的，故也称迁引起的，故也称振转光谱振转光谱；分子的荧光光谱是在紫外或可见光照射下，分子的荧光光谱是在紫外或可见光照
5、射下，电子跃迁至单重激电子跃迁至单重激发态发态，并以，并以无辐射弛豫无辐射弛豫方式回到方式回到第一单重激发态第一单重激发态的最低振动能级，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；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分子的磷光是指处于第一最低单重激发态第一最低单重激发态的分子以无辐射弛豫的分子以无辐射弛豫方式回到方式回到第一最低三重激发态第一最低三重激发态，再跃迁回到基态所发出的光；，再跃迁回到基态所发出的光；本讲稿第八页，共三十六页1-3吸收光谱和发射光谱1-3-1吸收光谱的产生 将频率为将频率为 的电磁波通过一层固体、液体或气体物质，的电磁波通过
6、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某两个能态（如基态和某一而电磁波的能量正好等于物质的某两个能态（如基态和某一激发态）之间的能量差时，如激发态）之间的能量差时，如h=EA-E0，物质就会吸收辐射，物质就会吸收辐射，此时电磁辐射能被转移到组成物质的分子或原子上，物质从较此时电磁辐射能被转移到组成物质的分子或原子上，物质从较低能态激发到较高能态或激发态。低能态激发到较高能态或激发态。可以通过实验得到吸光度对波长或频率的函数图，即可以通过实验得到吸光度对波长或频率的函数图，即吸吸收光谱收光谱。本讲稿第九页，共三十六页 当受激粒子（分子、原子或离子）驰豫回到低能级或基态当受激粒子（
7、分子、原子或离子）驰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。时，常常以光子形式释放多余的能量，产生电磁辐射。激发的方法：激发的方法：电子等基本粒子轰击电子等基本粒子轰击 X射线射线 电火花、电弧、火焰、热炉电火花、电弧、火焰、热炉紫外、可见、红外紫外、可见、红外 电磁辐射电磁辐射荧光荧光 化学反应化学反应化学发光化学发光 习惯上用习惯上用发射光谱发射光谱表征由激发源发出的辐射，它通常是以发射辐表征由激发源发出的辐射，它通常是以发射辐射的相对强度作为波长或频率的函数。射的相对强度作为波长或频率的函数。1-3-2发射光谱的产生本讲稿第十页，共三十六页1-4光分析法的概念及
8、其分类光光分分析析法法：检检测测能能量量作作用用于于待待测测物物质质后后产产生生的的辐辐射射讯讯号号或或引引起起的的变变化化的的分分析析方方法法。光光分分析析法法可可分分为为非非光光谱谱法法与与光光谱谱法法两两类类，广广义义上上，包括电子能谱法。包括电子能谱法。非非光光谱谱法法：不不以以光光的的波波长长为为特特征征讯讯号号，而而是是测测量量电电磁磁辐辐射射的的一一些些基基本本性性质质的的变变化化，如如反反射射、折折射射、干干涉涉、衍衍射射和和偏偏振振等等。折折射射法法、干干涉涉法法、散散射射浊浊度度、旋旋光光法法、X射射线线衍衍射射法法、电电子子衍衍射法等。射法等。光光谱谱法法：基基于于光光的
9、的吸吸收收、发发射射、拉拉曼曼散散射射，检检测测光光的的波波长长和和强强度度本讲稿第十一页，共三十六页1光谱法三种基本类型：三种基本类型：吸收光谱吸收光谱 发射光谱发射光谱 散射光谱：拉曼散射光谱：拉曼2非光谱法折射、旋光、圆二色性、比浊、衍射折射、旋光、圆二色性、比浊、衍射3电子能谱法紫外光电子能谱紫外光电子能谱X射线光电子能谱射线光电子能谱俄歇电子能谱俄歇电子能谱本讲稿第十二页，共三十六页光分析法的主要过程：能源提供能量能源提供能量 能量与被测物质相互作用能量与被测物质相互作用 产生被检测的信号产生被检测的信号 光分析法的分类方法：根据能源的不同种类来分根据能源的不同种类来分:红外、紫外、
10、红外、紫外、X X光、化光、化学发光学发光 根据被作用的物质来分根据被作用的物质来分:原子光谱、分子光谱原子光谱、分子光谱 根据检测信号来分根据检测信号来分:吸收、发射、散射、折射、反射、吸收、发射、散射、折射、反射、干涉、干涉、衍射、偏振衍射、偏振 本讲稿第十三页，共三十六页1-5光学分析仪器典型的光谱仪都由五个部分组成，即：典型的光谱仪都由五个部分组成，即：1.光源；光源；2.试样架；试样架；3.波长选择器；波长选择器；4.检测器；检测器；5.信号处理器或读出装置。信号处理器或读出装置。本讲稿第十四页，共三十六页 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；依据方法不
11、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：依据光源性质不同，分为：连连续续光光源源：在在较较大大范范围围提提供供连连续续波波长长的的光光源源，氢氢灯灯、氘氘灯、钨丝灯等；灯、钨丝灯等；线线光光源源：提提供供特特定定波波长长的的光光源源，金金属属蒸蒸气气灯灯(汞汞灯灯、钠钠蒸蒸气气灯灯)、空空心心阴阴极极灯灯、激激光光等；等；本讲稿第十五页，共三十六页本讲稿第十六页，共三十六页试样架光源与试样相互作用的场所光源与试样相互作用的场所（1）吸收池）吸收池 紫外紫外-可见分光光度法：石英比色皿可见分光光度法：石英比色皿 荧光分析法：荧光分析法：红外分光光度法：将试样与
12、溴化钾压制成透明片红外分光光度法：将试样与溴化钾压制成透明片（2）特殊装置）特殊装置 原原子子吸吸收收分分光光光光度度法法：雾雾化化器器中中雾雾化化，在在火火焰焰中中，元元素素由由离离子态子态原子；原子；原子发射光谱分析：试样喷入火焰；原子发射光谱分析：试样喷入火焰；详细内容在相关章节中介绍。详细内容在相关章节中介绍。本讲稿第十七页，共三十六页波长选择器作用和组成作用和组成滤光片单色器：将来自光源的光按波将来自光源的光按波长的长短顺序分散为单色光并长的长短顺序分散为单色光并能随意调节所需波长光的一种装能随意调节所需波长光的一种装置。置。关键部分：关键部分：混合光分散为单色光的元件混合光分散为单
13、色光的元件（1）棱镜）棱镜（2）光栅）光栅本讲稿第十八页，共三十六页单色器 单单色色器器：获获得得高高光光谱谱纯纯度度辐辐射射束束的的装装置置，而而辐辐射射束束的的波波长长可可在在很很宽范围内任意改变；宽范围内任意改变；主要部件：主要部件：（1 1）进口狭缝；）进口狭缝；（2 2）准直装置）准直装置(透镜或反射镜透镜或反射镜)：使辐射束成为平行光线；：使辐射束成为平行光线；（3 3）色色散散装装置置(棱棱镜镜、光光栅栅)：使使不不同同波波长长的的辐辐射射以以不不同同的的角角度度进进行行传传播；播；（4）聚聚焦焦透透镜镜或或凹凹面面反反射射镜镜，使使每每个个单单色色光光束束在在单单色色器器的的出
14、出口曲面上成像。口曲面上成像。本讲稿第十九页，共三十六页 本讲稿第二十页，共三十六页棱镜 棱棱镜镜对对不不同同波波长长的的光光具具有有不不同同的的折折射射率率，波波长长长长的的光光，折折射射率率小；波长短的光，折射率大。小；波长短的光，折射率大。平平行行光光经经过过棱棱镜镜后后按按波波长长顺顺序序排排列列成成为为单单色色光光；经经聚聚焦焦后后在在焦面上的不同位置上成像，获得按波长展开的光谱；焦面上的不同位置上成像，获得按波长展开的光谱；棱棱镜镜的的分分辨辨能能力力取取决决于棱镜的几何尺寸和材料；于棱镜的几何尺寸和材料；棱棱镜镜的的光光学学特特性性可可用用色散率和分辨率来表征；色散率和分辨率来表
15、征；本讲稿第二十一页，共三十六页棱镜的特性与参数（1 1）色散率）色散率 角色散率：角色散率：用用d/d表示，偏向角表示，偏向角对波长的变化率对波长的变化率 棱棱镜镜的的顶顶角角越越大大或或折折射射率率越越大大，角角色色散散率率越越大大，分分开开两两条条相相邻邻谱谱线线的能力越强，但的能力越强，但顶角越大，反射损失也增大，通常为顶角越大，反射损失也增大，通常为6060度角；度角；线线色色散散率率：用用dl/d表表示示，两两条条相相邻邻谱谱线线在在焦焦面面上上被被分分开开的的距距离离对波长的变化率；对波长的变化率；倒线色散率倒线色散率：用：用d/dl 表示，表示，本讲稿第二十二页，共三十六页（2
16、 2）分辨率）分辨率 相邻两条谱线分开程度的度量：相邻两条谱线分开程度的度量：两条相邻谱线的平均波长；：两条相邻谱线的平均波长；：两条谱线的波长差；两条谱线的波长差；b b：棱镜的底边长度；：棱镜的底边长度；n n：棱镜介质材料的折射率。：棱镜介质材料的折射率。分辨率与波长有关分辨率与波长有关，长波的分辨率要比短波的分辨率小，棱镜分，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离后的光谱属于非均排光谱。非均排光谱。本讲稿第二十三页，共三十六页光栅 透射光栅，反射光栅；透射光栅，反射光栅；光光栅栅光光谱谱的的产产生生是是多多狭狭缝缝干干涉涉与与单单狭狭缝缝衍衍射射共共同同作作用用的的结结
17、果果，前前者者决决定定光光谱谱出出现现的的位位置置，后后者者决决定定谱线强度分布；谱线强度分布；本讲稿第二十四页，共三十六页光栅的特性 ABCDE表示平面光栅的一段；光光线线L在在AJF处处同同相相，到到达达AKI平平面面，光光线线L2M2要要比比光光线线L1M1多多通通过过JCK这这段段距距离离。FEI=2JCK，其其后后各各缝缝隙隙的的光光程程差差将将以以等等差差级级数数增增加加，3JCK、4JCK等。等。当当光光线线M1、M2、M3到到达达焦焦点点时时，如如果果他他们们沿沿平平面面波波阵阵面面AKI同同相相位位，他他们们就就会会产产生生一一个个明明亮亮的的光光源源相相，只只有有JCK是是
18、光光线线波波长长的的整整数数倍倍时时才才能能满足条件。满足条件。本讲稿第二十五页，共三十六页光栅的特性：如果：如果：d=AC=CE JC+CK=d(sin+sin)=n 即即光栅公式光栅公式：d(sin+sin)=n 、分别为入射角和反射角；整数分别为入射角和反射角；整数n为光谱级次；为光谱级次；d为光栅常数；为光栅常数；角角规规定定取取正正值值，如如果果角角与与角角在在光光栅栅法法线线同同侧侧，角角取取正正值值，反之区负值；反之区负值；当当n=0时，零级光谱，衍射角与波长无关，无分光作用。时，零级光谱，衍射角与波长无关，无分光作用。本讲稿第二十六页，共三十六页 将将反反射射光光栅栅的的线线槽
19、槽加加工工成成适适当当形形状状能能使使有有效效强强度度集集中中在在特特定定的衍射角上。的衍射角上。图图所所示示反反射射光光栅栅是是由由与与光光栅栅表表面面成成角角的的小小斜斜面面构构成成(小小阶阶梯梯光光栅栅，闪耀光栅闪耀光栅)，角叫做角叫做闪耀角闪耀角。选选择择适适宜宜的的闪闪耀耀角角，可可以以使使90%的的有有效效能能量量集集中中在在单单独独一一级级的的衍射上。衍射上。本讲稿第二十七页，共三十六页光栅的参数：光光栅栅的的特特性性可可用用色色散散率率和和分分辨辨率率来来表表征征，当当入入射射角角不不变变时时，光栅的角色散率可通过对光栅公式求导得到：光栅的角色散率可通过对光栅公式求导得到：d/
20、d为入射角对波长的变化率，即光栅的角色散率。为入射角对波长的变化率，即光栅的角色散率。当当很很小小，且且变变化化不不大大时时，cos 1，光光栅栅的的角角色色散散率率决决定定于于光光栅栅常常数数 d 和和光光谱谱级级数数n，常常数数，不不随随波波长长改改变变，均均排排光光谱谱（优优于于棱棱镜之处）。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。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。本讲稿第二十八页，共三十六页光栅的线色散率 f 为会聚透镜的焦距。为会聚透镜的焦距。光光 栅栅 的的 分分 辨辨 能能 力力 根根 据据Rakleigh准则来确定。准则来
21、确定。等等强强度度的的两两条条谱谱线线（I，II）中中，一一条条（II）的的衍衍射射最最大大强强度度落落在在另另一一条条的的第第一一最最小小强强度度上上时时，两两衍衍射射图图样样中中间间的的光光强强约约为为中中央央最最大大的的80%，在在这这种种情情况况下下，两两谱谱线线中中央央最最大大距距离离即即是是光光学学仪仪器器能能分分辨辨的的最最小距离（可分离的最小波长间隔）；小距离（可分离的最小波长间隔）；本讲稿第二十九页，共三十六页光栅的分辨率R 光栅的分辨率光栅的分辨率R 等于光谱级次（等于光谱级次（n）与光栅刻痕条数（）与光栅刻痕条数（N）的乘积：）的乘积：光栅越宽、单位刻痕数越多、光栅越宽、
22、单位刻痕数越多、R 越大。越大。宽度宽度50mm，N=1200条条/mm，一级光谱的分辨率：一级光谱的分辨率：R=1501200=6104本讲稿第三十页，共三十六页狭缝 单单色色器器的的进进口口狭狭缝缝起起着着单单色色器器光光学学系系统统虚虚光光源源的的作作用用。复复合合光光经经色色散散元元件件分分开开后后，在在出出口口曲曲面面上上形形成成相相当当于于每每条条光光谱谱线线的的像像，即光谱。转动色散元件可使不同波长的光谱线依次通过。即光谱。转动色散元件可使不同波长的光谱线依次通过。分分辨辨率率大大小小不不仅仅与与色色散散元元件件的的性性能能有有关关，也也取取决决于于成成像像的的大大小小，因因此此
23、希希望望采采用用较较窄窄的的进进口口狭狭缝缝。分分辨辨率率用用来来衡衡量量单单色色器器能能分分开开波波长长的最小间隔的能力；最小间隔的大小用的最小间隔的能力；最小间隔的大小用有效带宽有效带宽表示：表示：S=DWD为线色散率的倒数；为线色散率的倒数；W为狭缝宽度；为狭缝宽度；本讲稿第三十一页，共三十六页 在原子发射光谱分析中，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。定量分析时，增大狭缝宽度，可使光强增加。狭缝两边的边缘应锐利且位于同一平面上；狭缝两边的边缘应锐利且位于同一平面
24、上；本讲稿第三十二页，共三十六页 检测器作用：将光学信号的变化转化成易于处理的信号形式作用：将光学信号的变化转化成易于处理的信号形式类型：感光板类型：感光板 光电式光电式单通道单通道 photodiodephotoelectric tube PMT Photomultiplier多通道多通道Photodiode arrayCCD Charge Coupled Device CID Charge Injected Device本讲稿第三十三页，共三十六页本讲稿第三十四页，共三十六页本讲稿第三十五页，共三十六页1-6光分析法的应用1定性分析2定量分析3生命科学研究（1）生命物质结构、浓度的测定（2）生物分子相互作用研究（3）光分析法在人类基因组计划中的作用本讲稿第三十六页，共三十六页