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1、光学分析法引论第1页，共30页，编辑于2022年，星期四1.1 光学分析法及其分类 (Optical Analysis and Its Types)(一)发射光谱通过测量物质的发射光谱的波长和强度来进行定性和定量分析的方法叫做发射光谱分析法。第2页，共30页，编辑于2022年，星期四1射线光谱法射线光谱法 天然或人工放射性物质的原子核在衰变的过程中天然或人工放射性物质的原子核在衰变的过程中发射发射和和粒子后，往往使自身的核激发。然后该核粒子后，往往使自身的核激发。然后该核通过发射通过发射射线回到基态。测量这种特征射线回到基态。测量这种特征射线的能射线的能量量(或波长或波长)可以进行定性分析；测
2、量可以进行定性分析；测量射线的强度射线的强度(检测器每分钟的记数检测器每分钟的记数)，可以进行定量分析。，可以进行定量分析。第3页，共30页，编辑于2022年，星期四 2x射线荧光分析法射线荧光分析法 原子受高能辐射激发其内层电子能级跃迁，即原子受高能辐射激发其内层电子能级跃迁，即发射出特征发射出特征x射线，称为射线，称为x射线荧光。用射线荧光。用x射线管发射线管发生的一次生的一次x射线来激发射线来激发x射线荧光是最常用的方法。射线荧光是最常用的方法。测量测量x射线的能量射线的能量(或波长或波长)可以进行定性分析，测量可以进行定性分析，测量其强度可以进行定量分析。其强度可以进行定量分析。第4页
3、，共30页，编辑于2022年，星期四 3原子发射光谱分析法原子发射光谱分析法 用火焰、电弧、等离子炬等作为激发源使用火焰、电弧、等离子炬等作为激发源使气态原子或离子的外层电子受激发发射特征光气态原子或离子的外层电子受激发发射特征光学光谱，利用这种光谱进行分析的方法叫做原学光谱，利用这种光谱进行分析的方法叫做原于发射光谱分析法。波长范围在于发射光谱分析法。波长范围在190900nm，可用于定性和定量分析。，可用于定性和定量分析。第5页，共30页，编辑于2022年，星期四 4原子荧光分析法原子荧光分析法 气态自由原子吸收特征波长的辐射后，原子的气态自由原子吸收特征波长的辐射后，原子的外层电子从基态
4、或低能态跃迁到高能态又跃外层电子从基态或低能态跃迁到高能态又跃迁至基态或低能态，同时发射出与原激发波长迁至基态或低能态，同时发射出与原激发波长相同或不同的辐射，称为原子荧相同或不同的辐射，称为原子荧光。波长在紫外和可见光区。在与激发光源成一光。波长在紫外和可见光区。在与激发光源成一定角度的方向测量荧光的强度可以进行定量分定角度的方向测量荧光的强度可以进行定量分析。析。第6页，共30页，编辑于2022年，星期四5分子荧光分析法分子荧光分析法 某些物质被紫外光照射后，物质分子吸收了辐某些物质被紫外光照射后，物质分子吸收了辐射而成为激发态分子，然后在回到基态的过程中射而成为激发态分子，然后在回到基态
5、的过程中发射出比入射光波长更长的荧光。测量荧光的强发射出比入射光波长更长的荧光。测量荧光的强度进行分析的方法称为荧光分析法。波长在光学度进行分析的方法称为荧光分析法。波长在光学光谱区。光谱区。第7页，共30页，编辑于2022年，星期四 6 分子磷光分析法分子磷光分析法 物质吸收光能后，基态分子中的一个电子被激发跃迁至物质吸收光能后，基态分子中的一个电子被激发跃迁至第一激发单重态轨道，由第一激发单重态的最低能级，经第一激发单重态轨道，由第一激发单重态的最低能级，经系统间交叉跃迁至第一激发三重态，并经过振动弛豫至最系统间交叉跃迁至第一激发三重态，并经过振动弛豫至最低振动能级由此激发态跃回至基态时，
6、便发射磷光。根低振动能级由此激发态跃回至基态时，便发射磷光。根据磷光强度进行分析的方法称为磷光分析法。它主要用于据磷光强度进行分析的方法称为磷光分析法。它主要用于环境分析、药物研究等方面的有机化合物的测定。环境分析、药物研究等方面的有机化合物的测定。第8页，共30页，编辑于2022年，星期四 7化学发光分析法化学发光分析法 由化学反应提供足够能量，使其中一种反应产由化学反应提供足够能量，使其中一种反应产物的分子的电子被激发，形成激发态分子。激发物的分子的电子被激发，形成激发态分子。激发态分子跃回基态时，就发出一定波长的光其发光态分子跃回基态时，就发出一定波长的光其发光强度随时间变化，并可得到较
7、强的发光强度随时间变化，并可得到较强的发光(峰值峰值)。在合适的条件下，峰值与被分析物浓度成线性关系，在合适的条件下，峰值与被分析物浓度成线性关系，可用于定量分板。由于化学发光反应类型不同，发射可用于定量分板。由于化学发光反应类型不同，发射光谱范围为光谱范围为4001400nm。第9页，共30页，编辑于2022年，星期四(二二)吸收光谱吸收光谱 当物质所吸收的电磁辐射能与该物质的原子当物质所吸收的电磁辐射能与该物质的原子核原子或分子的两个能级间跃迁所需的能核原子或分子的两个能级间跃迁所需的能量能满足量能满足A五；五；Av的关系时，将产生吸收光谱的关系时，将产生吸收光谱第10页，共30页，编辑于
8、2022年，星期四 1M ssbauer谱法谱法 由与被测元素相同的同位素作为由与被测元素相同的同位素作为Y射线的发射源使吸射线的发射源使吸收体收体(样品样品)的原子核产生无反冲的的原子核产生无反冲的Y射线共振吸收所形成射线共振吸收所形成的光谱。光谱波长在的光谱。光谱波长在Y射线区。从射线区。从Mssbauer谱可获得谱可获得原子的氧化态和化学键、原子核周困电子云分布或邻近环境原子的氧化态和化学键、原子核周困电子云分布或邻近环境电荷分布的不对称性以及原子核处的有效磁场等信息。电荷分布的不对称性以及原子核处的有效磁场等信息。第11页，共30页，编辑于2022年，星期四 2紫外紫外可见分光光谱法可
9、见分光光谱法 它是利用溶液中的分子或基团在紫外和可见光区产生分子外后电它是利用溶液中的分子或基团在紫外和可见光区产生分子外后电子能级跃迁所形成的吸收光谱，可用于定性和定量测定。子能级跃迁所形成的吸收光谱，可用于定性和定量测定。3原于吸收光谱法原于吸收光谱法 利用待测元素气态原子对共振线的吸收进行定量测定的方法。其利用待测元素气态原子对共振线的吸收进行定量测定的方法。其吸收机理是原子的外层电子能级跃迁波长在紫外、可见和近红外吸收机理是原子的外层电子能级跃迁波长在紫外、可见和近红外区。区。4红外光谱法红外光谱法 利用分子在红外区的振动利用分子在红外区的振动转动吸收光谱来测定物质的成分和转动吸收光谱
10、来测定物质的成分和结构。结构。第12页，共30页，编辑于2022年，星期四 5顺磁共振波谱法顺磁共振波谱法 在强磁场的作用下，电子的自旋磁矩与外磁场相互作在强磁场的作用下，电子的自旋磁矩与外磁场相互作用分裂为磁量子数用分裂为磁量子数M值不同的磁值不同的磁能级，磁能级之间的跃迁吸收或发射微波区的电磁能级，磁能级之间的跃迁吸收或发射微波区的电磁辐射。在这种吸收光谱中，不同化合物的辐射。在这种吸收光谱中，不同化合物的耦合常数不同，可用来进行定性分析。根据耦合数，耦合常数不同，可用来进行定性分析。根据耦合数，可用来帮助结构的确定。可用来帮助结构的确定。第13页，共30页，编辑于2022年，星期四 6核
11、磁共振波谱法核磁共振波谱法 在强磁场作用下，核自旋磁矩与外磁场相互作在强磁场作用下，核自旋磁矩与外磁场相互作用分裂为能量不同的核磁能级核磁能级之间用分裂为能量不同的核磁能级核磁能级之间的跃迁吸收成发射射频区的电磁波。利用这种的跃迁吸收成发射射频区的电磁波。利用这种吸收光谱可进行有机化合物结构的鉴定，以及吸收光谱可进行有机化合物结构的鉴定，以及分子的动态效应、氢键的形成、互变异构反应分子的动态效应、氢键的形成、互变异构反应等化学研究。等化学研究。第14页，共30页，编辑于2022年，星期四(三三)Raman散射散射 频率为频率为v的单色光照射到透明物质上物质分子会的单色光照射到透明物质上物质分子
12、会发生散射现象。如果这种散射是光子与物质分子发发生散射现象。如果这种散射是光子与物质分子发生能量交换的，即不仅光子的运动方向发生变化，生能量交换的，即不仅光子的运动方向发生变化，它的能量也发生变化，则称为它的能量也发生变化，则称为Raman散射。这种散散射。这种散射光的频率与入射光的频率不同，称为射光的频率与入射光的频率不同，称为Raman位移。位移。Raman位移的大小与分子的振动和转动的能级有关、位移的大小与分子的振动和转动的能级有关、利用利用Raman位移研究物质结构的方法称为位移研究物质结构的方法称为Raman光光谱法。谱法。第15页，共30页，编辑于2022年，星期四12 电磁辐射的
13、性质电磁辐射的性质(一一)电磁辐射的波动性电磁辐射的波动性(二二)电磁辐射的微粒性电磁辐射的微粒性第16页，共30页，编辑于2022年，星期四第17页，共30页，编辑于2022年，星期四13 光谱法仪器光谱法仪器用来研究吸收、发射成荧光的电磁辐射的强度和波用来研究吸收、发射成荧光的电磁辐射的强度和波长的关系的仪器叫做光谱仅或分光光度计。这一类长的关系的仪器叫做光谱仅或分光光度计。这一类仪器一般包括五个基本单元：光源、单色器、样品仪器一般包括五个基本单元：光源、单色器、样品容器、检测器和读出器件。容器、检测器和读出器件。第18页，共30页，编辑于2022年，星期四第19页，共30页，编辑于202
14、2年，星期四(一一)光源光源 光谱分析中，光源必须具有足够的输出功率和光谱分析中，光源必须具有足够的输出功率和稳定性。由于光源辐射功率的被动与电源稳定性。由于光源辐射功率的被动与电源功率的变化成指数关系，因此往往需用稳压电源以功率的变化成指数关系，因此往往需用稳压电源以保证稳定，或者用参比光束的方法来减少保证稳定，或者用参比光束的方法来减少光源输出的波动对测定所产生的影响。光源有光源输出的波动对测定所产生的影响。光源有连续光源和线光源等。一般连续光源主要用于连续光源和线光源等。一般连续光源主要用于分子吸收光谱法线光源用于荧光、原于吸收分子吸收光谱法线光源用于荧光、原于吸收和和Raman光谱法。
15、光谱法。第20页，共30页，编辑于2022年，星期四第21页，共30页，编辑于2022年，星期四(二二)单色器单色器 光学分析仪器几乎都有单色器它的作用是将复合光分解成单包光光学分析仪器几乎都有单色器它的作用是将复合光分解成单包光或有一定宽度的谱或有一定宽度的谱带。单色器由人射狄缝和出射狭缝、准直镜以及色散元件，如带。单色器由人射狄缝和出射狭缝、准直镜以及色散元件，如棱镜或光栅等组成棱镜或光栅等组成第22页，共30页，编辑于2022年，星期四(三三)吸收池吸收池 盛放试样的吸收池由光透明的材料制成。在盛放试样的吸收池由光透明的材料制成。在紫外光区工作时采用石英材料；可见光区，紫外光区工作时采用
16、石英材料；可见光区，则用硅酸盐玻璃；红外光区，则可根据不同的则用硅酸盐玻璃；红外光区，则可根据不同的波长范围选用不同材料的晶体制成吸收池的窗波长范围选用不同材料的晶体制成吸收池的窗口。口。第23页，共30页，编辑于2022年，星期四(四四)检测器检测器 在现代仪器中，用光电转换器作为检测器。这类在现代仪器中，用光电转换器作为检测器。这类检测器必须在一个宽的波长范围内对辐检测器必须在一个宽的波长范围内对辐射有响应，在低辐射功率时的反应要敏感。对辐射的射有响应，在低辐射功率时的反应要敏感。对辐射的响应要快，产生的电信号容易放大嗓音响应要快，产生的电信号容易放大嗓音要小，更重要的是产生的信号应正比于
17、入射光强度要小，更重要的是产生的信号应正比于入射光强度I.第24页，共30页，编辑于2022年，星期四1光检测器光检测器(1)硒光电池硒光电池(2)光电管光电管(也称真空光电二极管也称真空光电二极管)(3)光电倍增管光电倍增管(4)硅二极管阵列检测器硅二极管阵列检测器(5)半导体检测器半导体检测器第25页，共30页，编辑于2022年，星期四第26页，共30页，编辑于2022年，星期四第27页，共30页，编辑于2022年，星期四第28页，共30页，编辑于2022年，星期四2热检测器热检测器热检测器是吸收辐射并根据吸收引起的热效应来测量热检测器是吸收辐射并根据吸收引起的热效应来测量入射辐射的强度的。入射辐射的强度的。(1)真空热电偶真空热电偶(2)热释电检测器热释电检测器 第29页，共30页，编辑于2022年，星期四(五五)读出装置读出装置 由检测器将光信号转换为电信号后可用检流由检测器将光信号转换为电信号后可用检流汁、微安表、记录仪、数字显示器或阴极射线显汁、微安表、记录仪、数字显示器或阴极射线显示器显示和记录测定结果。示器显示和记录测定结果。第30页，共30页，编辑于2022年，星期四