光学分析法彭敬东.pptx

1、,第一节 光分析基础一、光分析法及其特点 optical analysis and its characteristics,光分析法：基于电磁辐射与待测物质相互作用后所产生的辐射信号与物质组成及结构关系所建立起来的分析方法.三个基本过程：（1）能源提供能量（2）能量与被测物之间的相互作用（3）产生信号 基本特点：（1）所有光分析法均包含三个基本过程；（2）选择性测量；（3）涉及大量光学元器件。,二、电磁辐射的基本性质 basic properties of electromagnetic radiation,光是粒子流，光的颜色是因为粒子流中微粒种类不同；,电磁辐射：以接近光速通过空间传播能量

2、的电磁波.,光是由光源在其周围介质里引起弹性振动而形成的波，光之所以有不同颜色是因为波的波长不同；,麦克斯韦证明光是一种电磁波，于是光的波动学说战胜了粒子学说，在相当长时期占据统治地位；,20世纪初，光子学说解释光电效应得到成功，并进一步被其它实验证实，光具有波动和微粒的双重性质，就称为光的波粒二象性，其波粒二象性可以被波动力学统一起来。,1.电磁辐射具有波动性和微粒性（波粒二象性）：（1） 光的波动性：,光的传播如光的折射、衍射、偏振和干涉等现象可以用光的波动性来解释。波动性用周期、频率（取决于辐射源，与介质无关）、波长、波数、光速C 等波参数描述,光 2） 光的微粒性解释光电效应、光的发射

3、和吸收。（光的微粒性）根据量子理论，电磁辐射是在空间高速运动的光量子或光子流。可以用每个光子所具有的能量（E）表征。 被辐射激发的振动质点的能量是量子化的，当振子从一个允许的高能级向低能级跃迁时就有一个光子的能量发射出来。 单位：eV或J（1eV = 1.60210-19J，1J = 6.2411018eV） 物质以一份份能量的形式发射或吸收光，这些能量是一个特殊的能量单位的倍数。这个能量单位称为光子或光量子。,每个光子的能量与相应频率或波长之间的关系为,普朗克公式把光的粒子性与波动性统一起来，不同波长的光能量不同。,2. 光量子的能量和波长成反比，和频率及波数成正比。,可用波数表示能量的高低

4、，单位 cm-1。,普朗克方程,习题,例：计算波长530nm的绿色光的光子能量、频率及波数。,解： 1.光子能量,E = hc/ = (6.62610-34 Js2.9981010 cms-1)/53010-7 cm = 3.7510-19 J 1 J=6.2411018 eV, 则 E= 3.7510-19 J6.2411018 eVJ-1=2.34 eV,2. 频率,= c/ = 2.9981010 cms-1/ 53010-7 cm,3. 波数,= 1/=1 / 53010-7 cm = 1.89104 cm-1,波长为0.9nm的单色X射线的频率和波数,=0.9nm, 则= c/=3.

5、0108/0.910-9 = 3.31017 s-1 = 1/=1/0.910-7= 1.1107 cm-1,2.电磁波谱,电磁波谱：电磁辐射按波长顺序排列。,表2 电磁波谱区及常用光学分析方法,光谱区域 波 长 光 学 分 析 方 法 射线 5*10-30.14nm 射线光谱法 X射线 10-3 nm10nm X射线光谱法 光学区 10nm1000nm 原子发射光谱法、原子吸收光谱法、 原子荧光光谱法、紫外吸收光谱法、 可见吸收光谱法、分子荧光光谱法、 红外吸收光谱法 微 波 0.1mm1m 微波光谱法无线电波 1m以上 核磁共振波谱法,三、物质和光的作用,当一束光照射到物体上时,除透过部分

6、光与分子没有作用外,物质将吸收和散射一部分光。1. 物质吸收光的过程 分子吸收光能,吸收时间极短,只有10-15 sec.,电子由基态跃迁到较高能态的激发态。 X + hv X* 激发态的寿命很短,约为10-8 sec.,然后以发生光物理和光化学反应后,以下列形式回到基态。,(1)原子吸收 当电磁辐射作用于气态自由原子时, 电磁辐射将被原子所吸收。 原子外层电子任意两能级之间的能量差所对应的频率基本上处于紫外或可见光区，气态自由原子主要吸收紫外或可见电磁辐射。 电子能级数有限，吸收的特征频率也有限。 原子通常处于基态，由基态向更高能级的跃迁具有较高的概率。,(2)分子吸收 当电磁辐射作用于分子

7、时，电磁辐射也将被分子所吸收。分子电子振动转动分子吸收光谱较原子吸收光谱复杂。分子的任意两能级之间的能量差所对应的频率基本上处于紫外、可见和红外光区，表现为紫外-可见吸收光谱和红外吸收光谱。表观上分子吸收的量子特性表现不出来，而表现为对特定波长段的电磁辐射的吸收，光谱上表现为连续光谱。,电子能级的吸收跃迁示意图,分子振动能级的吸收跃迁示意图,3. 磁场诱导吸收 将某些元素原子放入磁场，其电子和核受到强磁场的作用后，它们具有磁性质的简并能级将发生分裂，并产生具有微小能量差的不同量子化的能级，进而可以吸收低频率的电磁辐射。,对于原子核，一般吸收30 500MHz（=100060 cm）的射频无线电

8、波，而对于电子来讲，则吸收频率为9500 MHz（=3 cm）左右的微波，据此分别建立了核磁共振波谱法（NMR）和电子自旋共振波谱法（ESR）,2.发射 M* M + hv,当原子、分子和离子等处于较高能态时，可以以光子形式释放多余的能量而回到较低能态，产生电磁辐射，这一过程叫做发射跃迁。,（1）原子发射 当气态自由原子处于激发态时，将发射电磁波而回到基态，所发射的电磁波处于紫外或可见光区。通常采用的电、热或激光的形式使样品原子化并激发原子，一般将原子激发到以第一激发态为主的有限的几个激发态，致使原子发射具有限的特征频率辐射，即特定原子只发射少数几个具有特征频率的电磁波。,（2）分子发射 与分

9、子外层电子能级、振动能级和转动能级相关。采用光激发或化学能激发。处于紫外、可见和红外光区，建立了荧光光谱法、磷光光谱法和化学发光法。,分子发射示意图,光激发所发射的第二次光子称为荧光或磷光。当吸收第一次光子与发射第二次光子之间的时间落后很短为荧光（fluorescence），时间落后较长为磷光（phosphorescence）。荧光和磷光最易在与激发光束成直角的方向观察到。,2、物质吸收和发光的过程示意图,第二激发态 第一激发态h =E 三重态 振动能级 吸收 无辐射退激 荧光 磷光 共振发射 基态,不发光，发热,发光，波长最短，不发热,发光，波长最长，发热,发光，波长变长，发热,3.散射（S

10、cattering） 光通过不均匀介质时部分光偏离原方向传播的现象。包括丁铎尔效应：散射光强度与入射光波长的平方成反比作用：用于高聚物分子和胶体粒子的大小及形态结构研究瑞利（Rayleigh）散射介质分子比光的波长小光子与介质分子发射弹性碰撞，无能量交换，频率不变，散射光强度与入射光波长的4次方成反比拉曼（Raman）散射非弹性碰撞，运动方向和能量均变化作用：用于结构研究,4.折射（Refraction） 应用：化工、石油、医药、食品等领域为科研、生产服务。 示差检测器是基于连续测定样品流路和参比流路之间折射率的变化来测定样品含量的。 光从一种介质进入另一种介质时，由于两种物质的折射率不同就会

11、产生折射。只要样品组分与流动相的折光指数不同，就可被检测，二者相差愈大，灵敏度愈高，在一定浓度范围内检测器的输出与溶质浓度成正比。,5.反射 （Reflection） 光通过具有不同折射率的两种介质的界面时会产生反射。6.干涉（Coherent interference） 频率相同的两列波叠加，使某些区域的振动加强，某些区域的振动减弱，并且振动加强和振动减弱的区域互相间隔，此现象叫干涉。7.衍射（Diffraction） 光绕过物体而弯曲地向其后面传播的现象；8.偏振（Polarization） 只在一个固定方向有振动的光称为平面偏振光。,三、光分析法分类 type of optical an

12、alysis,光分析法可分为光谱法和非光谱法两大类。 光谱法（主要的光分析方法） 光谱法是基于物质与辐射能作用时，测量由物质内部发生量子化的能级之间的跃迁而产生的发射、吸收或散射辐射的波长和强度进行分析的方法。）吸收光谱法：它是利用物质吸收光后所产生的吸收光谱来进行分析的方法。）发射光谱法：物质中的粒子用一定的能量（如光、电、热等）激发到高能级后，当跃迁回低能级时，便产生出特征的发射光谱，利用此发射光谱进行分析的方法）散射光谱法：利用物质对光的散射来进行分析的方法。,如果按照电磁辐射和物质相互作用的结果，可以产生发射、吸收和联合散射三种类型的光谱。 射线光谱法 X射线荧光分析法 Mssbaue

13、r（莫斯鲍尔）谱法 原子发射光谱分析法 1、发射光谱 原子荧光分析法 2、吸收光谱 紫外-可见分光光度法 分子荧光分析法 原子吸收光谱法 分子磷光分析法 红外光谱法 化学发光分析法 核磁共振波谱法3、 散射光谱法:,光谱法可分为原子光谱法和分子光谱法。原子光谱（线性光谱）：是由原子外层或内层电子能级的变化产生的，由若干条强度不同的谱线和暗区相间而成的光谱。原子吸收光谱（AAS）；原子发射光谱（AES）、原子荧光光谱（AFS）； 分子光谱（带状光谱）：是由分子中电子能级、振动和转动能级 的变化产生的，由几个光带和暗区相间而成的光谱。 紫外光谱法（UV）；红外光谱法（IR）；分子荧光光谱法（MFS

14、）； 分子磷光光谱法（MPS）； 核磁共振与顺磁共振波谱（NMR）；,线光谱,带光谱,非光谱法： 不涉及能级跃迁，物质与辐射作用时，仅改变传播方向等物理性质；如偏振法、干涉法、旋光法等； 光谱法与非光谱法的区别：光谱法：内部能级发生变化 原子吸收/发射光谱法：原子外层电子能级跃迁 分子吸收/发射光谱法：分子外层电子能级跃迁非光谱法：内部能级不发生变化，仅测定电磁辐射性质改变 我们可以用下面几幅图来总结光分析法的分类：,四、各种光分析法简介（自学） a brief introduction of optical analysis,1.原子发射光谱分析法（热能） 以火焰、电弧、等离子炬等作为光源，

15、使气态原子的外层电子受激发射出特征光谱进行分析的方法。2.原子吸收光谱分析法 利用特殊光源发射出待测元素的共振线，并将溶液中离子转变成气态原子后，测定气态原子对共振线吸收而进行的定量分析方法。,3.原子荧光分析法（光致发光）,气态原子吸收特征波长的辐射后，外层电子从基态或低能态跃迁到高能态，在10-8s后跃回基态或低能态时，发射出与吸收波长相同或不同的荧光辐射，在与光源成90度的方向上，测定荧光强度进行定量分析的方法。 4.分子荧光分析法（光致发光） 某些物质被紫外光照射激发后，在回到基态的过程中发射出比原激发波长更长的荧光，通过测量荧光强度进行定量分析的方法。,5. 分子磷光分析法（光致发光

16、） 处于第一最低单重激发态分子以无辐射弛豫(辐射能量)方式进入第一三重激发态，再跃迁返回基态发出磷光。测定磷光强度进行定量分析的方法。,6. X射线荧光分析法 原子受高能辐射，其内层电子发生能级跃迁，发射出特征X射线（ X射线荧光），测定其强度可进行定量分析。7. 化学发光分析法 利用化学反应提供能量，使待测分子被激发，返回基态时发出一定波长的光，依据其强度与待测物浓度之间的线性关系进行定量分析的方法。,8. 紫外吸收光谱分析法,利用溶液中分子吸收紫外和可见光产生跃迁所记录的吸收光谱图，可进行化合物结构分析，根据最大吸收波长强度变化可进行定性定量分析。 9.红外吸收光谱分析法 利用分子中基团吸

17、收红外光产生的振动-转动吸收光谱进行定量和有机化合物结构分析的方法。 10.核磁共振波谱分析法 在外磁场的作用下，核自旋磁矩与磁场相互作用而裂分为能量不同的核磁能级，吸收射频辐射后产生能级跃迁，根据吸收光谱可进行有机化合物结构分析 。,11.顺磁共振波谱分析法 在外磁场的作用下，电子的自旋磁矩与磁场相互作用而裂分为磁量子数不同的磁能级，吸收微波辐射后产生能级跃迁，根据吸收光谱可进行结构分析 。,12.衍射法 X射线衍射：研究晶体结构，不同晶体具有不同衍射图。 电子衍射：电子衍射是透射电子显微镜的基础，研究物质的内部组织结构。,13.旋光法 溶液的旋光性与分子的非对称结构有密切关系，可利用旋光法

18、研究某些天然产物及配合物的立体化学问题，旋光计测定糖的含量。 应用举例：旋光法测定蔗糖转化反应的速率常数,蔗糖转化反应为: C12H22O11+H2O C6H12O6 + C6H12O6 蔗糖 葡萄糖 果糖 蔗糖及水解产物均为旋光性物质。但它们的旋光能力不同，故可以利用体系在反应过程中旋光度的变化来衡量反应的进程。,WZZ-2B型自动旋光仪,圆盘旋光仪,五、光分析方法的进展 development of optical analysis,1. 采用新光源，提高灵敏度2. 联用技术3. 新材料 4. 交叉 5. 检测器的发展,六、光学分析法的特点(1)灵敏度高。(2)使用试样量少。(3)光学分析

19、法适用的被测组分含量范围很广泛。适用于微量、痕量甚至超痕量组分的分析。(4)分析速度快。(5)多元素同时测定。,七、光学分析法的应用(1)成分分析成分分析可以根据试样中各元素原子特征谱线是否出现，来判断该元素是否存在。比如：,(2)化学、物理化学各种参数的测定（如最大吸收波长、旋光度、相对分子质量等的测定）(3)化学反应机理的研究(4)分子结构的测定(5)遥感分析。(6)特征分析。,一、光分析法仪器的基本流程 general process of spectrometry,光谱仪器通常包括五个基本单元,光源,单色器,样品池,检测器,记录装置,二、光分析法仪器的基本单元 main parts o

20、f spectrometry,1. 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；,1. 光源,光源稳定，具有一定的强度,2.单色器,单色器：获得高光谱纯度辐射束的装置作用：将复合光分解为按波长次序排列的单色光 主要部件：（1）进口狭缝；（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)：使不同波长的辐射以不同的角度进行传播；（4）聚焦透镜或凹面反射镜，使每个单色光束在单色

21、器的出口曲面上成像,棱镜根据光的折射现象进行分光,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；,棱镜的光学特性可用色散率和分辨率来表征；,棱镜的特性与参数,（1）色散率 角色散率：用d/d表示，表示偏向角对波长的变化率；,棱镜的顶角越大或折射率n越大，角色散率越大，分开两条相邻谱线的能力越强，但顶角越大，反射损失也增大，通常为60度角；增大光谱仪的角色散率的办法增加棱镜的数目增大棱镜的顶角改变棱镜的材料（玻璃、石英）,线色散率：用dl /d表示，两条相邻谱线在

22、焦面上被分开的距离对波长的变化率；倒线色散率：用d/dl 表示， （2）分辨率,相邻两条谱线分开程度的度量：,分辨率与波长有关，棱镜分离后的光谱属于非均排光谱。,： 两条相邻谱线的平均波长；：两条谱线的波长差；b：棱镜的底边长度；n：棱镜介质材料的折射率。,光栅,光栅的定义与分类,狭义定义：平行、等宽、等间隔的多狭缝。,广义定义：任何装置只要能起到平行、等宽、等间隔 的多狭缝的作用，就称作光栅。,定义,分类,按形状,按分光形式,通过在平板玻璃或金属板上刻划出一道道等宽、等间距的刻痕制成。光栅光谱的产生是单狭缝衍射与多狭缝干涉共同作用的结果，分别决定光谱出现的位置和谱线强度分布形成暗条纹宽、明条

23、纹细的衍射图样,则光束11和22的总光程差:,A,D,C,B,d,1,2,1,2,则,根据光的干涉原理，光程差为波长的整数倍时，两束光位相相同，并在衍射角方向干涉加强，即当,（n= 0，1， 2，),故光栅公式为：,（n= 0，1， 2，),（n= 0，1， 2，),若衍射线与入射线位于法线同侧时，则入射超前的衍射仍超前，此时,则,光栅方程：d (sin+sin)=n、分别为入射角和衍射角；整数n为光谱级次；d为光栅常数； 角规定取正值，如果角与角在光栅法线同侧，角取正值，反之取负值； 当n=0时，零级光谱，衍射角与波长无关，无分光作用。 在某一光谱级次中，即当n, , d一定时，波长愈长的单

24、色光，衍射角愈大。对于给定的光栅，可以通过旋转光栅转台来获得需要的波长范围和光谱级次。,光栅分光的特点：,光谱重叠多色光经光栅色散后，对n=0的零级光谱，衍射光与波长无关，是白光；n0，衍射角随波长变化，不同波长的多色光经光栅衍射后将成为单色光。一级、二级等光谱均匀分布在零级光谱两边.波长为600nm的一级光谱与波长为300nm的二级光谱和波长为200nm的三级光谱相互重叠，产生干扰。,光栅的参数：,光栅的特性可用色散率和分辨率来表征，当入射角不变时，光栅的角色散率可通过对光栅公式求导得到：,d/d为衍射角对波长的变化率，即光栅的角色散率。,当很小，且变化不大时，cos 1，光栅的角色散率决定

25、于光栅常数 d 和光谱级数K ，常数，不随波长改变，均排光谱（优于棱镜之处）。角色散率随光谱级次的增大而增加 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。,光栅的线色散率,f 为会聚透镜的焦距。 倒线色散率：用d/dl 表示， d/dl 值越大，色散率越小,光栅的分辨率R,等于光谱级次（K）与光栅刻痕条数（N）的乘积：,光栅越宽、单位刻痕数越多、R 越大。,如宽度50mm，N=1200条/mm， 一级光谱的分辨率： R=1501200=6104,棱镜与光栅的主要区别：1）光栅光谱是一个均匀排列的光谱，而棱镜光谱则是不均匀排列的光谱。2）光栅适用的波长范围比棱镜宽。3）光栅的色散

26、率和分辨率比棱镜高。,凹面反射光栅：通过在凹面反射镜上沿其弦刻出等间距、等宽度的平行刻痕线而制成，它不仅起色散分光作用，同时其凹面又具有将光线聚焦于出射狭缝的聚焦作用，因而不需要聚焦物镜。闪耀光栅：采用定向闪耀的办法，将光栅刻制成沟槽面与光栅平面成一确定角度的锯齿结构，使衍射的辐射强度集中可发生色散的光谱级上。,几种典型的光栅,中阶梯光栅：刻槽密度较小（如880条/mm），但刻槽深度大（为数微米），闪耀角大，对紫外-可见光谱区工作级次达40120级，因此谱级重叠十分严重。为了将不同级次的重叠谱线分开，通常采取交叉色散的原理，即使谱线色散方向和谱级散开方向正交，在焦面上形成一个二维色散图像。,例

27、：用dn/d=1.310-4nm-1的60熔凝石英棱镜和刻有2000条mm-1的光栅来色散Li的460.20nm和460.30nm两条谱线。试计算（1）分辨率；(2)棱镜和光栅的大小,解（1）棱镜和光栅的分辨率,（2）棱镜的大小，即底边长,算出光栅的总刻痕数N，对于一级光谱光栅的大小，即宽度W为W=Nd=N/2000mm-1=4.6103/2000mm-1=0.23cm,狭缝,单色器的进口狭缝起着单色器光学系统虚光源的作用。复合光经色散元件分开后，在出口曲面上形成相当于每条光谱线的像，即光谱。转动色散元件可使不同波长的光谱线依次通过。,光强度与单色器狭缝的宽度有关定性或半定量分析，需要高分辨率

28、，采用较小的狭缝宽度。定量分析，需要一定的光强度，采用较宽的狭缝宽度。单色器的分辨能力表示能分开最小波长间隔的能力。波长间隔大小决定于分辨率、狭缝宽度和光学材料的性质等。有效带宽S=D（倒线色散率）*W（狭缝宽度）,3.试样装置,光源与试样相互作用的场所（1）吸收池 紫外-可见分光光度法：石英比色皿 荧光分析法： 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 原子吸收分光光度法：雾化器中雾化，在火焰中，元素由离子态原子； 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。,4. 检测器,（1）光检测器 主要有以下几种： 硒光电池、光电二极管、光电倍增管、硅二极管阵列检测器

29、、半导体检测器；（2）热检测器 主要有： 真空热电偶检测器：红外光谱仪中常用的一种； 热释电检测器：,5. 信号、与数据处理系统 现代分析仪器多配有计算机完成数据采集、信号处理、数据分析、结果打印，工作站软件系统；,吸收定律,若一束平行辐射通过吸收物种溶液的光路为bcm，而溶液浓度为（g/L),溶液之吸光度A(absorbance)与溶液浓度及溶液厚度的关系式为：A=abc 比尔定律(a为吸光系数，Lg-1cm-1；为摩尔吸光系数Lmol-1cm-1 ，)吸光度定义为A=-logT=-logP/P0P0为入射光强，p为透射光强比尔定律亦可用于含有一种以上吸光物质的溶液。只要在不同物质间无相互作

30、用，则总吸光度A=A1+A2+A3,例：设一单色光的入射光有72%透过某溶液，试求该溶液的吸光度为多少？若溶液浓度增加50%，则入射光有多少百分率被吸收？解： T=P/P0=0.72 A=-logT=0.143若溶液浓度增加50%,因其他因素不变,则,A=0.1431.5=0.215T=antilog(-0.215)=0.61有39%被吸收,例：Pd(II)和Au(III)可形成络合物由吸光度来测定。Pd络合物最大吸收出现在480nm，Au络合物在635nm.在此二波长之摩尔吸光系数为,在一比色皿宽1.00cm中，测得在480nm的吸光度为0.533，在635nm为0.590，求二离子浓度。,解：A= 1bc1+ 2bc20.533=3.551031.00CPd+2.961031.00CAu0.590=5.641021.00CPd+1.451041.00CAuCAu=3.6010-5MCPd=1.210-4M,