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1、第1章光学分析法概述本讲稿第一页，共三十四页光学分析方法：光学分析方法：利利用用光光电电转转换换或或其其它它电电子子器器件件测测定定“光光辐辐射射与与物物质质相相互互作作用用”之之后后的的辐辐射射强强度度等等光光学学特特性性，进进行行物物质质的的定定性性和和定定量量分析的方法。分析的方法。历史上，此相互作用只是局限于电磁辐射与物质的作用，历史上，此相互作用只是局限于电磁辐射与物质的作用，这也是目前应用最为普遍的方法。现在，光谱方法已扩展到这也是目前应用最为普遍的方法。现在，光谱方法已扩展到其它各种形式的能量与物质的相互作用，如声波、粒子束其它各种形式的能量与物质的相互作用，如声波、粒子束（离子
2、和电子）等与物质的作用。（离子和电子）等与物质的作用。本讲稿第二页，共三十四页1850年，傅科用实验测出光在水中速度比空气中小，表明年，傅科用实验测出光在水中速度比空气中小，表明光波与声波的不同。光波与声波的不同。1865年，麦克斯韦提出了电磁场理论，并预言了电磁波。年，麦克斯韦提出了电磁场理论，并预言了电磁波。进而指出光波是一种电磁波，即提出光的电磁说。进而指出光波是一种电磁波，即提出光的电磁说。1888年，赫兹在实验室证实了电磁波的存在。之后，又年，赫兹在实验室证实了电磁波的存在。之后，又进一步证明电磁波跟光波一样能发生放射、折射、干涉、进一步证明电磁波跟光波一样能发生放射、折射、干涉、折
3、射和偏振现象；光波和电磁波在真空中可以传播，且折射和偏振现象；光波和电磁波在真空中可以传播，且传播速度相等为传播速度相等为c=3108m/s。光是什么光是什么?1.光的波动性光的波动性本讲稿第三页，共三十四页光是什么光是什么?2.光的粒子性光的粒子性当物质发射电磁辐射或者电磁辐射被物质吸收时，就当物质发射电磁辐射或者电磁辐射被物质吸收时，就会发生能量跃迁。此时，电磁辐射不仅具有波的特征，会发生能量跃迁。此时，电磁辐射不仅具有波的特征，而且具有粒子性，最著名的例子是光电效应现象的发现。而且具有粒子性，最著名的例子是光电效应现象的发现。本讲稿第四页，共三十四页Heinrich Rudolf Her
4、tz(1857-1894)光电效应,电磁发射,1887年本讲稿第五页，共三十四页爱因斯坦(1879-1955)1905年提出理论解释光电效应1921年获Nobel物理学奖光电效应:E=hv本讲稿第六页，共三十四页两个重要推论：两个重要推论：物质粒子存在不连续的能态，各能态具有特定的能量。物质粒子存在不连续的能态，各能态具有特定的能量。当当粒粒子子的的状状态态发发生生变变化化时时，该该粒粒子子将将吸吸收收或或发发射射完完全全等等于于两两个个能级之间的能量差；能级之间的能量差；反之亦是成立的，即反之亦是成立的，即 E=E1-E0=h 2）能态（能态（Energystate）量子理论量子理论(Max
5、Planck，1900,首次提出首次提出)：物质粒子总是处于特定的不连续的能量物质粒子总是处于特定的不连续的能量状态，即能量是量子化的；处于不同能量状状态，即能量是量子化的；处于不同能量状态粒子之间发生能量跃迁时的能量差态粒子之间发生能量跃迁时的能量差 E可用可用h 表示。表示。1918年获年获Nobel物理学奖物理学奖.(1858-1947)本讲稿第七页，共三十四页电磁波的发射电磁波的发射-光谱图光谱图原子离原子离子子电弧电弧,火花火花,火焰火焰,ICP,ICP原子原子*,离子离子*UV,VIS,IRUV,VIS,IR原子原子,离子离子发射发射AESAES分子分子光子或化学反应能光子或化学反
6、应能分子分子*FluorescenceFluorescencePhosphorescencePhosphorescenceCL or ECLCL or ECL分子分子发射发射光子光子产生的辐射通称为发射光谱，以辐射能对辐射频率或波长作图产生的辐射通称为发射光谱，以辐射能对辐射频率或波长作图可得到发射光谱图可得到发射光谱图：本讲稿第八页，共三十四页光谱组成光谱组成线光谱线光谱(Line spectra):由由处处于于气气相相的的单单个个原原子子发发生生电电子子能能级级跃跃迁迁所所产产生生的的锐锐线线，线宽大约为线宽大约为10-4A。带状光谱带状光谱(Band spectra):由由气气态态自自由
7、由基基或或小小分分子子振振动动-转转动动能能级级跃跃迁迁所所产产生生的的光光谱谱，由由于于各各能能级级间间的的能能量量差差较较小小，因因而而产产生生的的谱谱线线不不易易分分辨辨开开而而形形成成所谓的带状光谱，其带宽达几个至几十个所谓的带状光谱，其带宽达几个至几十个nm)；本讲稿第九页，共三十四页线光谱线光谱带光谱带光谱本讲稿第十页，共三十四页在仪器分析的光谱方法中哪些光谱是带光谱？哪些是线光谱？本讲稿第十一页，共三十四页连续光谱连续光谱(Continuumspectra)：固固体体被被加加热热到到炽炽热热状状态态时时，无无数数原原子子和和分分子子的的运运动动或振动所产生的热辐射，也称黑体辐射。
8、或振动所产生的热辐射，也称黑体辐射。通通常常产产生生背背景景干干扰扰。温温度度越越高高，辐辐射射越越强强，而而且且短波长的辐射强度增加得最快！短波长的辐射强度增加得最快！另另一一方方面面，炽炽热热的的固固体体所所产产生生的的连连续续辐辐射射是是红红外外、可见及较长波长的重要辐射源（光源）。可见及较长波长的重要辐射源（光源）。本讲稿第十二页，共三十四页现象：当电磁辐射通过固体、液体或气体时，具一定现象：当电磁辐射通过固体、液体或气体时，具一定频率频率(能量能量)的辐射将能量转移给处于基态的原的辐射将能量转移给处于基态的原子、分子或离子，并跃迁至高能态，从而使这子、分子或离子，并跃迁至高能态，从而
9、使这些辐射被些辐射被选择性地选择性地吸收。吸收。原子吸收：原子吸收光谱分析原子吸收：原子吸收光谱分析(AAS);分子吸收：紫外可见光度分析分子吸收：紫外可见光度分析(UV-Vis)；核吸收：核磁共振光谱核吸收：核磁共振光谱(NMR)。电磁辐射电磁辐射原子、离子、分子原子、离子、分子原子原子*、离子、离子*、分子、分子*光能量吸收激发基态激发态4）电磁波的吸收）电磁波的吸收本讲稿第十三页，共三十四页二、光谱仪器二、光谱仪器组成：光源，单色器，样品容器，检测器（光电转换器、电子读组成：光源，单色器，样品容器，检测器（光电转换器、电子读出、数据处理及记录）。出、数据处理及记录）。吸收吸收荧光荧光发射
10、发射本讲稿第十四页，共三十四页1、光源、光源对光源的要求对光源的要求：强度大（分析灵敏度高）、稳定（分析重现性好）。：强度大（分析灵敏度高）、稳定（分析重现性好）。*Laser=light amplification by stimulated emission of radiation 本讲稿第十五页，共三十四页2.分光系统分光系统（monochromator,wavelength selector）定定义义：将将由由不不同同波波长长的的“复复合合光光”分分开开为为一一系系列列“单单一一”波长的波长的“单色光单色光”的器件。的器件。理想的理想的100%的单色光是不可能达到的，实的单色光是不可
11、能达到的，实际上只能获得的是具有一定际上只能获得的是具有一定“纯度纯度”的单色光，即的单色光，即该该“单色光具有一定的宽度（有效带宽）。有效单色光具有一定的宽度（有效带宽）。有效带宽越小，分析的灵敏度越高、选择性越好、带宽越小，分析的灵敏度越高、选择性越好、分析物浓度与光学响应信号的线性相关性也越分析物浓度与光学响应信号的线性相关性也越好。好。本讲稿第十六页，共三十四页构成：狭缝、准直镜、棱镜或光栅、会聚透镜构成：狭缝、准直镜、棱镜或光栅、会聚透镜。入射狭缝入射狭缝准直镜准直镜物镜物镜棱镜棱镜焦面焦面出射狭缝出射狭缝f入射狭缝入射狭缝准直镜准直镜光栅光栅物镜物镜出射狭缝出射狭缝f其中最主要的分
12、光原件为棱镜和光栅。其中最主要的分光原件为棱镜和光栅。本讲稿第十七页，共三十四页1）棱镜）棱镜（Prism）：棱棱镜镜的的色色散散作作用用是是基基于于构构成成棱棱镜镜的的光光学学材材料料对对不不同同波波长长的的光具有不同的折射率。光具有不同的折射率。波波长长大大的的折折射射率率小小，波波长长小小的的折折射射率率大大。即即能能量量小小的折射率小，能量大的折射率大。的折射率小，能量大的折射率大。Cornu棱镜棱镜 b Littrow棱镜棱镜（左旋（左旋+右旋右旋-消除双像）消除双像）（镀膜反射）（镀膜反射）本讲稿第十八页，共三十四页2 2）光栅n光栅是一种多狭缝部件，光栅光谱的产生是多狭缝干涉和单
13、狭缝衍射两者联合作用的结果.n 多狭缝干涉决定光谱线出现的位置，单缝衍射决定谱线的强度分布本讲稿第十九页，共三十四页光栅光栅制作：制作：以以特特殊殊的的工工具具（如如钻钻石石），在在硬硬质质、磨磨光光的的光光学学平平面面上上刻刻出出大大量量紧紧密密而而平平行行的的刻刻槽槽。以以此此为为母母板，可用液态树脂在其上复制出光栅。板，可用液态树脂在其上复制出光栅。制制作作的的光光栅栅有有平平面面透透射射光光栅栅、平平面面反反射射光光栅栅及及凹凹面面反反射射光光栅栅。刻刻制制质质量量不不高高的的光光栅栅易易产产生生散散射射线线及及鬼鬼线线（Ghost lines）。）。通通常常的的刻刻线线数数为为300
14、-2000刻刻槽槽/mm。最最常常用用的的是是1200-1400刻槽刻槽/mm（紫外可见）及（紫外可见）及100-200刻槽刻槽/mm（红外）。（红外）。本讲稿第二十页，共三十四页3）狭缝（）狭缝（Slit）构成：狭缝是两片经过精密加工、具有锐利边缘的金构成：狭缝是两片经过精密加工、具有锐利边缘的金属组成。两片金属处于相同平面上且相互平行。属组成。两片金属处于相同平面上且相互平行。入射狭缝可看作是一个光源，在相应波长位置，入射狭缝可看作是一个光源，在相应波长位置，入射狭缝的像刚好充满整个出射狭缝。入射狭缝的像刚好充满整个出射狭缝。有效带宽：整个单色器的分辨能力除与分光元件的色有效带宽：整个单色
15、器的分辨能力除与分光元件的色散率有关外，还与狭缝宽度有关。即单色器的分散率有关外，还与狭缝宽度有关。即单色器的分辨能力（有效带宽辨能力（有效带宽S）应由下式决定：）应由下式决定：D=倒线色散率；倒线色散率；W=狭缝宽度。当单色仪的色散率固定时，波长间隔将随狭缝宽狭缝宽度。当单色仪的色散率固定时，波长间隔将随狭缝宽度变化。度变化。本讲稿第二十一页，共三十四页狭缝宽度的选择原则狭缝宽度的选择原则 定性分析：选择较窄的狭缝宽度定性分析：选择较窄的狭缝宽度提高分辨率，提高分辨率，减少其它谱线的干扰，提高选择性；减少其它谱线的干扰，提高选择性；定量分析：选择较宽的狭缝宽度定量分析：选择较宽的狭缝宽度增加
16、照亮狭缝增加照亮狭缝 的亮度，提高分析的灵敏度；的亮度，提高分析的灵敏度；应根据样品性质和分析要求确定狭缝宽度。并通应根据样品性质和分析要求确定狭缝宽度。并通 过条件优化确定最佳狭缝宽度。过条件优化确定最佳狭缝宽度。与与发发射射光光谱谱分分析析相相比比，原原子子吸吸收收光光谱谱因因谱谱线线数数少少，可采用较宽的可采用较宽的狭缝。但当背景大时，可适当减小缝宽。狭缝。但当背景大时，可适当减小缝宽。本讲稿第二十二页，共三十四页3.吸收池（吸收池（Samplecontainer，Cell，Cuvette）石英或熔融石英：紫外光区石英或熔融石英：紫外光区可见光区可见光区3 m；n玻璃：可见光区（玻璃：可
17、见光区（350-2000nm）；）；n透明塑料：可见光区（透明塑料：可见光区（350-2000nm）；）；n盐窗（盐窗（NaCl,NaBr晶体）：红外光区。晶体）：红外光区。本讲稿第二十三页，共三十四页4.4.光电转换器光电转换器（Transducer）A A）定定义义：光光电电转转换换器器是是将将光光辐辐射射转转化化为为可可以以测测量量的的电电信信号的器件。号的器件。S=kP+kd=kPK:K:校正灵敏度；校正灵敏度；P P：辐射功率；：辐射功率；k kd d:暗电流（可通过线路补偿，使为暗电流（可通过线路补偿，使为0 0）B B）理想的光电转换器要求：）理想的光电转换器要求：n 灵敏度高；
18、灵敏度高；n S/NS/N大；大；n 暗电流小；暗电流小；n 响应快且在宽的波段内响应恒定。响应快且在宽的波段内响应恒定。本讲稿第二十四页，共三十四页单光子计数器单光子计数器(Single photon countSingle photon count)本讲稿第二十五页，共三十四页光学分析法的分类n 光学光学分析分析法法光谱法光谱法:辐射能与物质相互作用后辐射能与物质相互作用后,引起物引起物质内能的变化质内能的变化,发射或吸收光子发射或吸收光子,特点是特点是:波波长和强度均可测量长和强度均可测量非光谱法非光谱法:辐射能与物质相互作用后辐射能与物质相互作用后,导致导致辐射方向和物理性质的改变辐射
19、方向和物理性质的改变本讲稿第二十六页，共三十四页在前面学习的光学分析方法中，哪些是光谱法？是否学习过非光谱法？若有，是什么？本讲稿第二十七页，共三十四页1.紫外-可见吸收光谱2.分子荧光光谱3.磷光光谱4.红外吸收光谱5.拉曼光谱6.核磁共振谱7.原子吸收、原子发射8.原子荧光光谱光谱法非光谱法1.折射法2.偏振法3.旋光色散法4.浊度法本讲稿第二十八页，共三十四页光学分析法的优点-灵敏度高n.一般光谱仪器的检出限量在10-6-10-9之间.对于荧光显微镜来说,如果配备单光子计数器,就可以实现单分子检测.n即使灵敏度不高的分光光度分析,一般在10-4-10-6之间,在与纳米技术结合之后,可以检
20、测10-15摩尔的样品本讲稿第二十九页，共三十四页共焦荧光显微镜用于单分子检测(approx.0.2fL).本讲稿第三十页，共三十四页光学分析法的优点-分析速度快n仪器自动化程度越高,分析速度越快.本讲稿第三十一页，共三十四页光学分析法的优点-选择性好显色剂的专一性识别显色剂的专一性识别分光光度分析法分光光度分析法荧光探针的专一性荧光探针的专一性荧光光度分析法荧光光度分析法共振吸收线共振吸收线原子吸收光谱法原子吸收光谱法特征谱线特征谱线原子发射光谱法原子发射光谱法本讲稿第三十二页，共三十四页光学分析法的优点-应用范围广n1.生命科学n 研究DNA,RNA,蛋白质等生物分子的结构,构型转化,以及定量测定和识别.n2.药学领域n 研究药物分子的作用机理,筛选抗癌药物.n3.矿产资源的开发,冶炼和利用.n4.环境监测,检测饮用水,土壤和大气中的有毒有物质.本讲稿第三十三页，共三十四页本课程的主要内容n1.双波长分光光度法与导数光谱法n2.分子荧光光谱分析法n3.化学发光分析法n4.石墨炉原子吸收分析法n5.等离子体-原子发射分析法(ICP-AES)n6.多光子荧光n7.单分子分析n8.近场光学显微镜n9.金纳米粒子在光学分析中的应用进展。本讲稿第三十四页，共三十四页