《光学分析法》PPT课件.ppt

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1、现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析 第三讲第三讲 光学分析法光学分析法 现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析 光学分析法导论光学分析法导论第一节、光学分析法及其分类第一节、光学分析法及其分类 光学分析法光学分析法是基于检测能量（是基于检测能量（电磁辐射电磁辐射）作用于待测物质后产生的辐射信号或所引起作用于待测物质后产生的辐射信号或所引起的变化的分析方法。的变化的分析方法。现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析 这些这些电磁辐射电磁辐射包括从包括从 射线到无线电波射线到无线电波的所有电磁波谱范围。的所有电磁波谱范围。电磁辐射与物质相互作用的方式有发电磁辐射与物

2、质相互作用的方式有发射、吸收、反射、折射、散射、干涉、衍射、吸收、反射、折射、散射、干涉、衍射、偏振等。射、偏振等。现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析 一、电池辐射的性质一、电池辐射的性质 以电磁辐射为分析信号的分析方法在广以电磁辐射为分析信号的分析方法在广义上都称为光学分析法。红外义上都称为光学分析法。红外-可见光、紫可见光、紫外、外、X射线等都是电磁辐射。射线等都是电磁辐射。（一）波动性（一）波动性 按照经典物理学的观点，电磁辐射是按照经典物理学的观点，电磁辐射是在空间传播着的交变电磁场，称为电磁波。在空间传播着的交变电磁场，称为电磁波。现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析现

3、代仪器分析 电磁波可以用频率（电磁波可以用频率（）、波长（）、波长（）和波）和波数（数（）等波参数来表征。等波参数来表征。在真空中所有的电磁辐射的传播速度一样：在真空中所有的电磁辐射的传播速度一样：c=2.99792 1010 cm.s-1（二）微粒性（二）微粒性 根据根据量子理论量子理论，电磁辐射是在空间高速运，电磁辐射是在空间高速运动的动的光量子（或称光子）流光量子（或称光子）流。E=h=h.c/现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析 二、电磁波谱二、电磁波谱波谱区波谱区波长范围波长范围光子能量光子能量/eV能级跃迁类型能级跃迁类型 射线区射线区X射线区射线区远紫外区远紫外区近紫

4、外区近紫外区可见光区可见光区近红外区近红外区中红外区中红外区远红外区远红外区微波区微波区射频区射频区0.005nm0.00510nm10200nm200400nm400780nm0.782.5 m2.550 m501000 m0.1100cm1100m 2.5 105 2.5 1051.2 1021.2 1026.26.23.13.11.71.70.50.50.0252.5 10-21.2 10-41.2 10-41.2 10-71.2 10-61.2 10-9原子核能级原子核能级内层电子能级内层电子能级原子的电子能级或原子的电子能级或分子的成键电子能级分子的成键电子能级分子振动能级分子振动能

5、级分子转动能级分子转动能级电子自旋能级或核自旋能级电子自旋能级或核自旋能级表表 2-1 电磁波谱区电磁波谱区 电磁辐射按照电磁辐射按照波长（或频率、波数、能量）波长（或频率、波数、能量）大小的顺序排列就得到大小的顺序排列就得到电磁波谱电磁波谱。现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析 电磁波谱的分区：电磁波谱的分区：（1）高能辐射区）高能辐射区：包括：包括 射线区和射线区和X射线区。射线区。（2）中能辐射区）中能辐射区：紫外区、可见光区和红外区。：紫外区、可见光区和红外区。由于对这部分辐射的研究和应用要使用一些由于对这部分辐射的研究和应用要使用一些共同的光学试验技术，例如，用透镜聚焦，

6、用棱共同的光学试验技术，例如，用透镜聚焦，用棱镜或光栅分光等，故又称此光谱区为光学光谱区镜或光栅分光等，故又称此光谱区为光学光谱区（3）低能辐射区）低能辐射区：微波区和射频区。又称波谱区。：微波区和射频区。又称波谱区。现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析 三、光学分析法分类三、光学分析法分类 光学分析法可分为光学分析法可分为光谱法光谱法和和非光谱法非光谱法两大类：两大类：1 1、光谱法、光谱法 是基于物质与辐射能作用时，测量由是基于物质与辐射能作用时，测量由物物质内部发生量子化的能级之间的跃迁质内部发生量子化的能级之间的跃迁而产生而产生的发射、吸收辐射的波长和强度进行分析的的发射、

7、吸收辐射的波长和强度进行分析的方法。方法。现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析 光谱法按电磁辐射的本质又可分为光谱法按电磁辐射的本质又可分为原子光原子光谱法谱法和和分子光谱法分子光谱法：1 1）原子光谱法）原子光谱法 是由是由原子外层或内层电子原子外层或内层电子能级的变化产生能级的变化产生的，它的表现形式为的，它的表现形式为线光谱线光谱。属于这类分析方法的有属于这类分析方法的有原子发射光谱法原子发射光谱法（AESAES）、原子吸收光谱法（）、原子吸收光谱法（AASAAS），原子荧光），原子荧光光谱法（光谱法（AFSAFS）、）、X X射线荧光光谱法（射线荧光光谱法（XFSXFS）等

8、。等。现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析 2 2）分子光谱法）分子光谱法 是由是由 分子中电子能级、振动和转动能分子中电子能级、振动和转动能级级 的变化产生的，表现形式为的变化产生的，表现形式为带光谱带光谱。属于这类分析方法的有紫外属于这类分析方法的有紫外-可见分光光可见分光光度法（度法（UV-VisUV-Vis），红外光谱法（），红外光谱法（IRIR），分子），分子荧光光谱法（荧光光谱法（MFSMFS）和分子磷光光谱法）和分子磷光光谱法（MPSMPS）等。）等。现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析 2、非光谱法非光谱法 是基于物质与辐射相互作用时，引起辐射是基于物质

9、与辐射相互作用时，引起辐射在方在方向上的改变或性质的变化向上的改变或性质的变化，测量辐射的这些性质，测量辐射的这些性质，如折射、散射、干涉、衍射、偏振等变化的分析方如折射、散射、干涉、衍射、偏振等变化的分析方法。法。它不涉及物质内部能级的跃迁，电磁辐射只它不涉及物质内部能级的跃迁，电磁辐射只改变了传播方向、速度或某些物理性质。改变了传播方向、速度或某些物理性质。属于这类分析方法的有折射法、偏振法、光散属于这类分析方法的有折射法、偏振法、光散射法、干涉法、衍射法、旋光法和圆二向色性法等。射法、干涉法、衍射法、旋光法和圆二向色性法等。现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析 本课程主要介绍

10、光谱法。本课程主要介绍光谱法。如果按照电磁辐射的本质，可以分为发射如果按照电磁辐射的本质，可以分为发射光谱、吸收光谱和拉曼光谱等类型。光谱、吸收光谱和拉曼光谱等类型。现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析 第二节、发射光谱法第二节、发射光谱法 物质通过物质通过电致激发、热致激发或光致激发电致激发、热致激发或光致激发等激发过程获得能量，变为激发态原子或分子等激发过程获得能量，变为激发态原子或分子M*M*，激发态不稳定；，激发态不稳定；当从激发态过渡到低能态或基态时，多余当从激发态过渡到低能态或基态时，多余的能量，以产生发射光谱失去。的能量，以产生发射光谱失去。M*M*M+M+hvhv

11、现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析 通过测量物质的发射光谱的波长和强度来进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行定性和定量分析的方法叫做发射光谱分析发射光谱分析法法。一、根据光谱的形状分为一、根据光谱的形状分为1.1.线光谱线光谱 当辐射物质是单个的气态原子时，产生当辐射物质是单个的气态原子时，产生紫外、可见光区的线光谱。紫外、可见光区的线光谱。通过内层电子的跃迁可以产生通过内层电子的跃迁可以产生X X射线线射线线光谱。光谱。现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析 2.2.带光谱带光谱 带光谱是由许多量子化的振动能级叠加带光谱是由许多量子化的

12、振动能级叠加在分子的基态电子能级上而形成的。在分子的基态电子能级上而形成的。3.3.连续光谱连续光谱 固体加热至炽热会发射连续光谱，这类固体加热至炽热会发射连续光谱，这类热辐射称为热辐射称为黑体辐射黑体辐射。通过热能激发凝聚体。通过热能激发凝聚体中无数原子和分之振荡产生黑体辐射。中无数原子和分之振荡产生黑体辐射。被加热的固体发射连续光谱，它们是红被加热的固体发射连续光谱，它们是红外、可见及长波侧紫外光区分析仪器的重要外、可见及长波侧紫外光区分析仪器的重要光源。光源。现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析 二、根据光谱区和激发方法不同分为：二、根据光谱区和激发方法不同分为：v1.1.射

13、线光谱法射线光谱法 天然或人工放射性物质的天然或人工放射性物质的原子核在衰变原子核在衰变的过程中发射的过程中发射 和和 粒子后，往往使自身的核粒子后，往往使自身的核激发，然后该核通过发射激发，然后该核通过发射 射线回到基态。射线回到基态。测量这种特征测量这种特征 射线的能量（或波长），可以射线的能量（或波长），可以进行定性分析，测量进行定性分析，测量 射线的强度，可以进行射线的强度，可以进行定量分析。定量分析。现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析 v2.X2.X射线荧光分析法射线荧光分析法 原子受高能辐射激发，其原子受高能辐射激发，其内层电子能级内层电子能级跃迁跃迁，即发射出特征，

14、即发射出特征X X射线，称为射线，称为X X射线荧光。射线荧光。用用X X射线管发生的一次射线管发生的一次X X射线来激发射线来激发X X射线荧射线荧光是最常用的方法。光是最常用的方法。测量测量X X射线的能量（或波长）可以进行射线的能量（或波长）可以进行定性分析，测量其强度可以进行定量分析。定性分析，测量其强度可以进行定量分析。现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析 v3.3.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，用火焰、电弧、等离子炬等作为激发源，使气态原子或离子的使气态原子或离子的外层电子，外层电子，受激发发射特征光学光谱，利用这种光谱进受激

15、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子发射光谱分析法。行分析的方法叫做原子发射光谱分析法。波长范围在波长范围在190-900nm190-900nm，可用于定性可用于定性和定量分析。和定量分析。现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析 v4.4.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，气态自由原子吸收特征波长的辐射后，原子的外层电子原子的外层电子从基态或低能态跃迁到较高从基态或低能态跃迁到较高能态，约经能态，约经1010-8-8 s s，又跃迁至低能态，又跃迁至低能态，同时发射出与原激发波长相同同时发射出与原激发波长相同（共振荧（共振荧光）光）或不

16、同的辐射或不同的辐射（非共振荧光（非共振荧光），称为原），称为原子荧光。发射的波长在紫外和可见光区。子荧光。发射的波长在紫外和可见光区。在与激发光源成一定角度（通常为在与激发光源成一定角度（通常为9090）的方向测量荧光的强度，可以进行定）的方向测量荧光的强度，可以进行定量分析。量分析。现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析 v5.5.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，某些物质被紫外光照射后，物质分子物质分子吸吸收了辐射而成为激发态分子，然后回到基态收了辐射而成为激发态分子，然后回到基态的过程中发射出比入射波长更长的荧光。的过程中发射出比入射波长更长的荧光。测量荧

17、光的强度进行分析的方法称为荧测量荧光的强度进行分析的方法称为荧光分析法。波长在光学光谱区。光分析法。波长在光学光谱区。现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析 v6.6.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，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，经系统间由第一激发单重态的最低能级，经系统间交叉跃迁至交叉跃迁至第一激发三重态（系间窜跃），并第一激发三重态（系间窜跃），并经过振动弛豫至最低振动能级，经过振动弛豫至最低振动能级，便发射磷光。便发射磷光。F 根据磷光强度进行分析

18、的方法成为磷光分根据磷光强度进行分析的方法成为磷光分析法。它主要用于环境分析、药物研究等方面析法。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。的有机化合物的测定。现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析 v7.7.化学发光分析法化学发光分析法 由由化学反应化学反应 提供足够的能量，使其中一提供足够的能量，使其中一种反应的分子的电子被激发，形成激发态分子。种反应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，就发出一定波长激发态分子跃回基态时，就发出一定波长的光。其发光强度随时间变化。的光。其发光强度随时间变化。在合适的条件下，峰值与被分析物浓度成在合适的条件下，峰值

19、与被分析物浓度成线性关系，可用于定量分析。线性关系，可用于定量分析。由于化学发光反应类型不同，发射光谱范由于化学发光反应类型不同，发射光谱范围为围为400-1400nm400-1400nm。现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析 第三节、吸收光谱法第三节、吸收光谱法 当物质所吸收的电磁辐射能与该物质的原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子核、原子或分子的两个能级间跃迁所需的能量满足量满足E=E=hvhv的关系时，将产生吸收光谱。的关系时，将产生吸收光谱。M+M+hv hv M*M*吸收光谱法可分为：吸收光谱法可分为：现代仪器分析现代仪器分析现

20、代仪器分析现代仪器分析 v1.1.MssbauerMssbauer（莫斯鲍尔）光谱法莫斯鲍尔）光谱法 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 射线射线的发射源，使吸收体（样品）原子核产生的发射源，使吸收体（样品）原子核产生 无反冲的无反冲的 射线共振吸收射线共振吸收 所形成的光谱。所形成的光谱。光谱波长在光谱波长在 射线区。射线区。从从MssbauerMssbauer谱可获得原子的氧化态和谱可获得原子的氧化态和化学键、原子核周围电子云分布或邻近环化学键、原子核周围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境电荷分布的不对称性以及原子核处的有效磁场等信息。效磁场等信

21、息。现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析 v2.2.紫外紫外-可见分光光度法可见分光光度法 利用溶液中的分子或基团在紫外和可见利用溶液中的分子或基团在紫外和可见光区产生光区产生分子外层电子分子外层电子能级跃迁所形成的吸能级跃迁所形成的吸收光谱，可用于定性和定量测定。收光谱，可用于定性和定量测定。现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析 v3.3.原子吸收光谱法原子吸收光谱法 利用待测元素利用待测元素气态原子气态原子对共振线的对共振线的吸收进行定量测定的方法。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、可见和近红外区。

22、跃迁，波长在紫外、可见和近红外区。v4.4.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-转动吸收转动吸收光谱来测定物质的成分和结构。光谱来测定物质的成分和结构。现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析 v5.5.顺磁共振波谱法顺磁共振波谱法 在强磁场作用下，在强磁场作用下，电子的自旋磁矩与外电子的自旋磁矩与外磁场相互作用，可分裂为磁量子数磁场相互作用，可分裂为磁量子数M Ms s值不同值不同的磁能级的磁能级，磁能级之间的跃迁吸收或发射微磁能级之间的跃迁吸收或发射微波区的电磁辐射。波区的电磁辐射。在这种吸收光谱中不同化合物的耦合常在这种吸收光谱中不同化合物的耦合常

23、数不同，可用来进行定性分析。数不同，可用来进行定性分析。根据耦合常数，可帮助结构的确定。根据耦合常数，可帮助结构的确定。现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析 v6.6.核磁共振波谱法核磁共振波谱法 在强磁场作用下，在强磁场作用下，核自旋磁矩与外磁核自旋磁矩与外磁场相互作用，可分裂为能量不同的核磁能级场相互作用，可分裂为能量不同的核磁能级，核磁能级之间的跃迁吸收或发射射频区的电核磁能级之间的跃迁吸收或发射射频区的电磁波。磁波。利用这种吸收光谱可进行有机化合物结利用这种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、氢键的形构的鉴定，以及分子的动态效应、氢键的形成、互变异构反应

24、等化学研究。成、互变异构反应等化学研究。现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析 第四节、第四节、RamanRaman散射散射 频率为频率为 0 0的单色光照射到透明物质上，物质分子的单色光照射到透明物质上，物质分子会发生散射现象。会发生散射现象。如果这种散射是光子与物质分子发生能量交换的，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，它的能量也发生变化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，则称为RamanRaman散射。散射。这种散射光的频率（这种散射光的频率（m m）与入射光的频率不同，）与入射光的频率不同，称为称为RamanRama

25、n位移。位移。Raman Raman位移的大小与分子的振动和转动的能级有位移的大小与分子的振动和转动的能级有关关，RamanRaman光谱法就是用光谱法就是用RamanRaman位移研究物质结构。位移研究物质结构。现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析 第五节、光谱法仪器第五节、光谱法仪器 用来研究吸收、发射或荧光的电磁辐射用来研究吸收、发射或荧光的电磁辐射的强度和波长的关系的仪器叫做光谱仪或分的强度和波长的关系的仪器叫做光谱仪或分光光度计。光光度计。现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析 发射光谱仪发射光谱仪光源光源样品样品单色器单色器检测器检测器读出器件读出器件 光源的

26、作用：提供足够的能量使试光源的作用：提供足够的能量使试样蒸发、原子化、激发，产生光谱。样蒸发、原子化、激发，产生光谱。现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析 a吸收光谱仪吸收光谱仪光源光源单色器单色器样品样品检测器检测器读出器件读出器件原子化器原子化器单色器单色器光电倍增管光电倍增管样品样品空心阴极灯空心阴极灯读出器件读出器件现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析 由光源发射的待测元素的锐线光束由光源发射的待测元素的锐线光束（共振线），通过原子化器，被原子化器中（共振线），通过原子化器，被原子化器中的基态原子吸收，再射入单色器中进行分光的基态原子吸收，再射入单色器中进行分光

27、后，被检测器接收，即可测得其吸收信号。后，被检测器接收，即可测得其吸收信号。现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析 荧光光谱仪荧光光谱仪光源光源第一单色器第一单色器样品样品第二单色器第二单色器检测器检测器记录放大系统记录放大系统现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析 由光源发出的光，经过第一单色器（激发由光源发出的光，经过第一单色器（激发光单色器）后，得到所需的激发光。光单色器）后，得到所需的激发光。通过样品池，由于一部分光线被荧光物质通过样品池，由于一部分光线被荧光物质所吸收，荧光物质被激发后，将向四面八方发所吸收，荧光物质被激发后，将向四面八方发射荧光。射荧光。现代仪器

28、分析现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析 为了消除入射光和散射光的影响，为了消除入射光和散射光的影响，荧荧光的测量应在与激发光成直角方向进行光的测量应在与激发光成直角方向进行。第二单色器为荧光单色器，主要是消第二单色器为荧光单色器，主要是消除溶液中可能共存的其它光线的干扰，除溶液中可能共存的其它光线的干扰，以获得所需的荧光，荧光作用于检测器以获得所需的荧光，荧光作用于检测器上，得到相应的电信号。上，得到相应的电信号。现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析 一、光源一、光源 光谱分析中，光谱分析中，光源必须具有足够的光源必须具有足够的输出功率和稳定性。输出功率和稳定性。光源有连续光源和

29、线光源等。光源有连续光源和线光源等。现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析 一般连续光源主要用于分子吸收一般连续光源主要用于分子吸收光谱法；线光源用于荧光、原子吸收光谱法；线光源用于荧光、原子吸收和和RamanRaman光谱法。光谱法。1.1.连续光源连续光源 连续光源是指在很大的波长范围连续光源是指在很大的波长范围内能发射强度平稳的具有连续光谱的内能发射强度平稳的具有连续光谱的光源。光源。现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析 （1 1）紫外光源）紫外光源 紫外连续光源主要采用氢灯或氘灯。紫外连续光源主要采用氢灯或氘灯。它们在低压（它们在低压（1.31.3 10103 3

30、PaPa）下以电激发的方式）下以电激发的方式产生的连续光谱范围为产生的连续光谱范围为160-375 nm。高压氢灯以高压氢灯以2000-6000V2000-6000V的高压使两个铝电极的高压使两个铝电极之间发生放电。之间发生放电。低压氢灯是在有氧化物涂层的灯丝和金属电极低压氢灯是在有氧化物涂层的灯丝和金属电极间形成电弧，启动电压约为间形成电弧，启动电压约为400V400V直流电压，而维直流电压，而维持直流电弧的电压为持直流电弧的电压为40V40V。氘灯的工作方式与氢灯相同，光谱强度比氢灯大氘灯的工作方式与氢灯相同，光谱强度比氢灯大氘灯的工作方式与氢灯相同，光谱强度比氢灯大氘灯的工作方式与氢灯相

31、同，光谱强度比氢灯大3-53-53-53-5倍，寿命也比氢灯长。倍，寿命也比氢灯长。倍，寿命也比氢灯长。倍，寿命也比氢灯长。现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析 （2 2）可见光源）可见光源 可见光区最常见的光源是可见光区最常见的光源是钨丝灯钨丝灯。在大。在大多数仪器中，钨丝的工作温度约为多数仪器中，钨丝的工作温度约为2870K2870K，光，光谱波长范围为谱波长范围为320-2500nm。氙灯也可用作可见光源，当电流通过氙氙灯也可用作可见光源，当电流通过氙灯时可以产生强辐射，它发射的连续光谱分灯时可以产生强辐射，它发射的连续光谱分布在布在250-700nm。现代仪器分析现代仪器分

32、析现代仪器分析现代仪器分析 （3 3）红外光源）红外光源 常用的红外光源是一种用电加热到温常用的红外光源是一种用电加热到温度在度在1500-2000K1500-2000K之间的惰性固体，之间的惰性固体，光强最大的区域在光强最大的区域在6000-5000cm6000-5000cm-1-1。常用的有常用的有奈斯特灯、硅碳棒奈斯特灯、硅碳棒。现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析 2.2.线光源线光源（1 1）金属蒸气灯）金属蒸气灯 在透明封套内含有低压气体元素，常见在透明封套内含有低压气体元素，常见的是的是汞灯和钠蒸气灯汞灯和钠蒸气灯。把电压加到固定在封套上的一对电极上把电压加到固定在封

33、套上的一对电极上时，就会激发出元素的特征线光谱。时，就会激发出元素的特征线光谱。汞灯产生的线光谱的波长范围为汞灯产生的线光谱的波长范围为254-734nm254-734nm，钠灯主要是，钠灯主要是589.0nm589.0nm和和589.6nm589.6nm处的一对谱线。处的一对谱线。现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析 （2 2）空心极阴极灯）空心极阴极灯 主要用于原子吸收光谱中，能提供许主要用于原子吸收光谱中，能提供许多元素的特征光谱。多元素的特征光谱。（3 3）激光）激光 激光的强度非常高，方向性和单色性好，激光的强度非常高，方向性和单色性好，它作为一种新型光源在它作为一种新型

34、光源在RamanRaman光谱、荧光光光谱、荧光光谱、发射光谱、谱、发射光谱、fourierfourier变换红外光谱等领变换红外光谱等领域极受重视。域极受重视。现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析 常用的激光器有：常用的激光器有：波长为波长为693.4 nm 的红宝石激光器的红宝石激光器波长为波长为632.8 nm的的He-Ne激光器激光器波长为波长为514.5nm、488.0nm的的ArAr离子器。离子器。现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析 二、单色器二、单色器 单色器的单色器的主要作用是将复合光分解成主要作用是将复合光分解成单色光或有一定宽度的谱带。单色光或有一

35、定宽度的谱带。单色器的组成单色器的组成主要由主要由入射狭缝入射狭缝和和出射狭缝出射狭缝、准直镜准直镜以及以及色散元件色散元件，如棱镜或光栅等组成。，如棱镜或光栅等组成。现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析 现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析 1.1.棱镜棱镜 棱镜的作用是把复合光分解为单色光。棱镜的作用是把复合光分解为单色光。这是这是由于不同波长的光在同一介质中具有不同由于不同波长的光在同一介质中具有不同的折射率而形成的。的折射率而形成的。现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析 对于同一材料，光的折射率为其波长的对于同一材料，光的折射率为其波长的函数。在可见

36、及紫外光谱域，可用下式表示：函数。在可见及紫外光谱域，可用下式表示：n n=A+B/=A+B/2 2+C/+C/4 4 n n为折射率，为折射率，为波长，为波长，A A、B B、C C为常数。为常数。由公式可见，波长越长，折射率愈小。由公式可见，波长越长，折射率愈小。当包含有不同波长的复合光通过棱镜时，不同当包含有不同波长的复合光通过棱镜时，不同波长的光就会因折射率不同而分开。波长的光就会因折射率不同而分开。这种作用称为棱镜的色散作用。这种作用称为棱镜的色散作用。色散能色散能力常以色散率和分辨率表示。力常以色散率和分辨率表示。现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析 由于介质材料的折射

37、率由于介质材料的折射率n n与入射光的波与入射光的波长长 有关，因此有关，因此棱镜给出的光谱与波长棱镜给出的光谱与波长有关，是非均排光谱。有关，是非均排光谱。现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析 2.2.光栅光栅 光栅分为光栅分为透射光栅和反射光栅透射光栅和反射光栅，常用，常用的是反射光栅。反射光栅又可分为平面反射的是反射光栅。反射光栅又可分为平面反射光栅（或称闪耀光栅）和凹面反射光栅。光栅（或称闪耀光栅）和凹面反射光栅。光栅由玻璃片或金属片制成。光栅由玻璃片或金属片制成。光栅是一种多狭缝部件，光栅是一种多狭缝部件，光栅光谱的产生是光栅光谱的产生是多狭缝干涉和单狭缝衍射两者联合作用

38、的结多狭缝干涉和单狭缝衍射两者联合作用的结果果。现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析 1 1）干涉）干涉 当频率相同、振动方向相同、周相相当频率相同、振动方向相同、周相相等或周相差保持恒定的波源所发射的相干等或周相差保持恒定的波源所发射的相干波互相叠加时，会产生波的干涉现象。波互相叠加时，会产生波的干涉现象。现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析 若两光波光程差为若两光波光程差为，波长为，波长为，则当，则当光程差等于波长光程差等于波长 的整数倍时，两波将互相的整数倍时，两波将互相加强到最大程度，即加强到最大程度，即 =K （K=0，1，2）此时，两光波在焦点上将相互加强形

39、此时，两光波在焦点上将相互加强形成明条纹。成明条纹。现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析 相反，当两波的光程差等于半相反，当两波的光程差等于半波长的奇数倍时，两波将相互减弱到波长的奇数倍时，两波将相互减弱到最大程度，即最大程度，即 =（2 K+1）/2 （K=0，1，2）现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析 通过干涉现象，可以得到明暗相间的条纹。通过干涉现象，可以得到明暗相间的条纹。当两列波相互加强时可得到明亮的条纹；当两列波相互加强时可得到明亮的条纹；当两列波互相抵消是则得到暗条纹。当两列波互相抵消是则得到暗条纹。这些明暗条纹称为这些明暗条纹称为干涉条纹。干涉条纹。现

40、代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析 2 2）衍射）衍射 光波绕过障碍物而弯曲地向它后面传播的光波绕过障碍物而弯曲地向它后面传播的现象，称为波的衍射现象。现象，称为波的衍射现象。若以平行光束通过狭缝若以平行光束通过狭缝ABAB，狭缝宽度为，狭缝宽度为a a，入射角为，入射角为 角方向传播，经透镜聚焦后会聚角方向传播，经透镜聚焦后会聚于于P P点。点。PP P0 0a 单缝衍射单缝衍射AB现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析 3 3）闪耀光栅）闪耀光栅 非闪耀光栅其能量分布与单缝衍射相似，非闪耀光栅其能量分布与单缝衍射相似，大部分能量集中在没有被色散的大部分能量集中在没有被

41、色散的“零级光谱零级光谱”中，小部分能量分散在其它各级光谱。中，小部分能量分散在其它各级光谱。零级光谱不起分光作用，而色散越来越零级光谱不起分光作用，而色散越来越大的一级、二级光谱，强度却越来越小。大的一级、二级光谱，强度却越来越小。为了降低零级光谱的强度，将辐射能集为了降低零级光谱的强度，将辐射能集中于所要求的波长范围，近代的光栅采用定中于所要求的波长范围，近代的光栅采用定向闪耀的办法。向闪耀的办法。现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析 定向闪耀技术定向闪耀技术将光栅刻痕刻成一定的形状，使每一刻将光栅刻痕刻成一定的形状，使每一刻痕的小反射面与光栅平面成一定的角度，痕的小反射面与光

42、栅平面成一定的角度，使衍射光强的最大从原来与不分光的零使衍射光强的最大从原来与不分光的零级最大重合的方向，转移至由刻痕形状级最大重合的方向，转移至由刻痕形状决定的反射方向。决定的反射方向。现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析 现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析 结果使反射光方向光谱变强，这种结果使反射光方向光谱变强，这种现象称为闪耀。现象称为闪耀。辐射能量最大的波长称为辐射能量最大的波长称为闪耀波闪耀波长长。光栅刻痕反射面与光栅平面的夹角，。光栅刻痕反射面与光栅平面的夹角，称为称为闪耀角闪耀角。现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析 常用光栅类型：常用光栅类

43、型：机刻光栅和全息光栅机刻光栅和全息光栅用机械方法刻制的光栅称为用机械方法刻制的光栅称为机刻光栅；机刻光栅；直接刻制的光栅称为直接刻制的光栅称为原刻光栅；原刻光栅；由原刻光栅复制的光栅称为由原刻光栅复制的光栅称为复制光栅；复制光栅；由透明材料制成的衍射光栅，称为由透明材料制成的衍射光栅，称为透射光栅；透射光栅；由反射材料制成的衍射光栅称为由反射材料制成的衍射光栅称为反射光栅。反射光栅。现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析 按照光学反射面的形状，按照光学反射面的形状，反射光栅又反射光栅又分为平面光栅和凹面光栅分为平面光栅和凹面光栅。由于机刻方法的局限性，一般光栅由于机刻方法的局限性，

44、一般光栅都存在一定的缺陷。都存在一定的缺陷。全息光栅用激光全息照相制造的光栅全息光栅用激光全息照相制造的光栅称为称为全息光栅全息光栅。全息光栅有透射式和反射。全息光栅有透射式和反射式两种。式两种。现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析 三、狭缝三、狭缝 狭缝是由两片经过精密加工，且具狭缝是由两片经过精密加工，且具有锐利边缘的金属片组成，其两边必须保有锐利边缘的金属片组成，其两边必须保持互相平行，并且处于同一平面上。持互相平行，并且处于同一平面上。现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析 狭缝宽度对分析有重要意义。狭缝宽度对分析有重要意义。单色器的分辨能力表示能分开最小波长单色

45、器的分辨能力表示能分开最小波长间隔的能力。间隔的能力。波长间隔大小决定于分辨率、狭缝宽度波长间隔大小决定于分辨率、狭缝宽度和光学材料性质等，它用有效带宽和光学材料性质等，它用有效带宽W W表表示示 W=DS D D为线色散率倒数，为线色散率倒数，S S为狭缝宽度。为狭缝宽度。现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析 当色散率固定时，当色散率固定时，W W将随将随S S而变化。而变化。对于原子发射光谱：对于原子发射光谱：在定性分析时一般用较窄的狭缝，这样在定性分析时一般用较窄的狭缝，这样可以提高分辨率，使邻近的谱线清晰分开。可以提高分辨率，使邻近的谱线清晰分开。在定量分析时则采用较宽的狭

46、缝，以在定量分析时则采用较宽的狭缝，以得到较大的谱线强度。得到较大的谱线强度。现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析 对于原子吸收光谱分析，由于吸收线对于原子吸收光谱分析，由于吸收线的数目比发射线少得多，谱线重叠的几率小，的数目比发射线少得多，谱线重叠的几率小，因此因此常采用较宽的狭缝，常采用较宽的狭缝，以得到较大的光强。以得到较大的光强。当然，如果背景发射太强，则要适当当然，如果背景发射太强，则要适当减小狭缝宽度。减小狭缝宽度。一般原则，在不引起吸光度减少的情一般原则，在不引起吸光度减少的情况下，采用尽可能大的狭缝宽度。况下，采用尽可能大的狭缝宽度。现代仪器分析现代仪器分析现代仪器

47、分析现代仪器分析 四、吸收池四、吸收池 吸收池一般由光透明的材料制成。在紫吸收池一般由光透明的材料制成。在紫外光区工作时，采用石英材料；外光区工作时，采用石英材料；可见光区，则用硅酸盐玻璃；可见光区，则用硅酸盐玻璃；红外光区，则可根据不同的波长范围红外光区，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口。选用不同材料的晶体制成吸收池的窗口。现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析 五、检测器五、检测器 检测器可分为两类，一类对光子有检测器可分为两类，一类对光子有响应的光检测器，另一类为对热产生响应响应的光检测器，另一类为对热产生响应的热检测器。的热检测器。光检测器光检测器有硒

48、光电池、光电管、光有硒光电池、光电管、光电倍增管、半导体等。电倍增管、半导体等。热检测器热检测器是吸收辐射并根据吸收引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，包括起的热效应来测量入射辐射的强度，包括真空热电偶、热电检测器、热电偶等。真空热电偶、热电检测器、热电偶等。现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析 六、读出装置六、读出装置 由检测器将光信号转换成电信号后，由检测器将光信号转换成电信号后，可用可用检流计、微安计、数字显示器、光子计检流计、微安计、数字显示器、光子计数数等显示和记录结果。等显示和记录结果。现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析 第第7章章 原

49、子发射光谱法原子发射光谱法(Atomic Emission spectroscopy)现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析 AES:AES:依据各种元素的原子或离子在外界能量依据各种元素的原子或离子在外界能量的作用下的作用下(热激发或电激发热激发或电激发)，发射特征的电，发射特征的电磁辐射，而进行元素的定性与定量分析的方磁辐射，而进行元素的定性与定量分析的方法。法。是光谱学各个分支中最为古老的一种。是光谱学各个分支中最为古老的一种。现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析 发展的概况发展的概况 原子发射光谱是原子发射光谱是18601860年德国学者年德国学者基基尔霍夫尔霍夫

50、（Kirchhoff GRKirchhoff GR）和）和本生本生（Bunsen Bunsen RWRW）首先发现的。）首先发现的。他们利用分光镜研究盐和盐溶液在火焰中他们利用分光镜研究盐和盐溶液在火焰中加热时所产生的特征光辐射，从而发现了加热时所产生的特征光辐射，从而发现了RbRb和和CsCs两元素。两元素。现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析现代仪器分析 AESAES是一种成分分析方法，可对约是一种成分分析方法，可对约7070种种元素（金属元素及磷、硅、砷、碳、硼等元素（金属元素及磷、硅、砷、碳、硼等非金属元素）进行分析。非金属元素）进行分析。常用于定性、半定量和定量分析。常用于定性、半定