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1、第四章：光学分析技术,方法分类 主要分析方法 被测物理性质 光谱分析 发射光谱分析、火焰光度分析 光的发射 分子发光分析法、放射分析法 紫外-可见分光光度法 光的吸收 原子吸收分光光度法 红外光谱法、核磁共振波谱法 比浊法、拉曼光谱法 光的散射 折射法、干涉法 光的折射 X-射线衍射法、电子衍射法 光的衍射 圆二色谱法 光偏振方向的旋转 电化学分析 电位法 电极电位 电导法 电导 极谱法、溶出伏安法 电流-电压色谱分析 气相色谱法、液相色谱法 薄层色谱法 两相间的分配热分析 热导法、差热分析法 热性质质量分析 质谱法 质荷比,光学分析,光学分析法：根据物质发射的电磁辐射或电磁辐射与物质相互作用
2、建立起来的一类分析方法（Optical Methods of Analysis）。,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，不涉及混合物分离（不同于色谱分析）（3）涉及大量光学元器件。,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。,相互作用方式： 发射、吸收、反射、折射、散射、干涉、衍射主要应用在物质组成和结构的研究，基团的识别，几何构型的确定，表面分析，定量分析等方面。,吸收：物质选择性吸收特定频率的辐射能，从低能级跃迁到高能级发射：将吸收的能量以光的形式释放出散射：光子与其它粒子碰撞时改变其传播方向；光子与分子产生弹性碰撞无
3、能量交换时为瑞利散射；有能量交换为拉曼散射。通常散射光强I与散射光频率的四次方成正比。折射：光在不同折射率的介质中传播速率不同引起的反射：光在传播时在不同折射率的介质界面产生传播方向的改变干涉：相干波互相叠加产生的现象，可得到明暗相间的条纹衍射：光波绕过障碍物而弯曲地向它后面传播的现象,光谱仪 (Spectrometers) 光谱仪利用光谱学的基本原理，以获得反应光辐射与样品组分相互作用的结果，即各种谱图，并借助于这些谱图的特征与化合物分子结构信息间关系来解析、推导出复杂化合物结构，进行定性或定量分析。A spectrometer (spectrophotometer, spectrograp
4、h or spectroscope) is an instrument used to measure properties of light over a specific portion of the electromagnetic spectrum, typically used in spectroscopic analysis to identify materials.,光学分析,1,2,3,光谱学基本理论,一、电磁辐射,电磁辐射：以巨大速度通过空间，不需要以任何物质作为 传播媒介的一种能量。这些电磁辐射包括从射线到无线电波的所有电磁波谱范围(不只局限于光学光谱区)。可划分为三个区
5、域：电子区域、光学区域和(gamma)射线区域。电磁辐射具有波粒二象性。,二、电磁波谱 电磁辐射按波长顺序排列，称为电磁波谱。,光谱学基本理论,光谱学基本理论,三、粒子的几种状态,基态 (ground states)：原子、离子或分子的常规状态，其能量最低，此时这些粒子所处的状态称为基态。激发态 (excited states)：粒子获得能量，由低能态或基态过渡到较高能态，称为激发。 跃迁 (transition)：粒子在不同能态之间的运动称跃迁。,光谱学基本理论,四、光与物质的作用,吸收光谱：因物质的原子、离子或分子对辐射的选择性吸收而得到的光谱，称为吸收光谱。 发射光谱：因物质的原子、离子
6、或分子由较高能态向较低能态或基态的跃迁而产生的光谱，称为发射光谱。 荧光光谱：物质吸收辐射能后处于较高能态的粒子，以辐射跃迁的形式过渡到基态所产生的光谱，即称为荧光光谱。（磷光光谱、延迟荧光）,光学分析,1,2,3,根据物质同辐射能作用的性质不同，光学分析法基本上可以分为光谱法和非光谱法。,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、干涉、旋光法等。,光谱法：基于物质与辐射能作用时，粒子发生能级跃迁而产生的发射或吸收光谱的波长或强度进行分析的方法。,光学分析法分类,根据电磁辐射的本质，可以将光谱法分为原子光谱和分子光谱。,光学分析法分类,根据电磁辐射能量传递方
7、式，可以将光谱法分为发射、吸收和散射光谱法。,光分析法,一、发射光谱法,光学分析法分类,物质的原子、离子或分子受到热能、电能、化学能激发由低能态或基态跃迁到高能态, 退激时以光辐射释放能量形成的光谱。,线光谱：气体状态下原子或离子受激发生，具有不连续的明亮线条。-原子光谱,光学分析法分类,发射光谱的形状,带光谱：气体分子受激产生，由数个光带和暗区相间组成。,连续光谱：液态或固态物质受高温后激发产生。连续不断，无明晰线条。如 电极头、灯泡发光等。,3.拉曼光谱,光学分析法分类,荧光光谱法,物质吸收辐射跃迁到激发态后， 又以辐射跃迁的形式发射出相应的能量，而本身又回到基态。,二、吸收光谱法,光学分
8、析法分类,辐射通过气态、液态或透明的固态物质时，物质的原子、离子或分子将吸收与其内能变化相对应的频率而由低能态或基态过渡到较高能态。这种由于物质对于辐射的选择性吸收而得到的光谱称为吸收光谱。,3.拉曼光谱,以单色光照射在物质上，物质分子发生散射，出现与入射光频率不同、方向不同的散射光形成的光谱。,丁达尔散射,分子散射,瑞利散射-,拉曼散射-,-光通过含有大质点的介质时发生的散射。,散=入，,用于高聚物分子和胶体粒子大小形状的测定。,散入，用于研究分子结构，作为红外光谱的补充。,光学分析法分类,三、散射光谱法,3.拉曼光谱,光学分析法分类,三、散射光谱法,瑞利散射：当光子与气体分子“碰撞”的时候
9、，主要表现出弹性散射，也就是光子能量不发生变化（表现为光子频率不变），而只是方向发生改变“瑞利散射”（Rayleigh scattering）。拉曼散射：光子在与分子“碰撞”过程中损失或得到能量，能够观测到散射光子的频率发生移动（向高频移动光子得到能量，向低频移动光子损失能量），这就是“拉曼散射”（Ramanscattering）。,光学分析,1,2,3,光谱分析仪,Robert Wilhelm Bunsen (1811-1899),第一台光谱分析仪 (1859),本生灯(1853年): 钾盐紫色，钠盐黄色，钡盐黄绿色1860年 在狄克海姆矿泉水中发现了新元素铯1861年 在云母矿中发现了新元
10、素铷,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；检测器；显示与数据处理；,光谱分析仪,二、光分析法仪器的基本单元 main parts of 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。,2.单色器：获得高光谱纯度辐射束的装置，而辐射束的波长可在很宽范围内任意改变,主要部件：
11、（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器的出口曲面上成像（5）出射狭缝：典型的单色器是棱镜单色器和光栅单色器,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
12、二极管、光电倍增管、硅二极管阵列检测器、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；,基本结构：光源、色散系统、吸收池、检测器、信号读出显示系统,三、紫外可见光谱仪,光谱分析仪,紫外可见光谱,可见光区：400nm700nm紫外区：200nm400nm红外区：700nm1000nmUV-visible spectrometer：190nm800nm,紫外可见光谱,紫外可见光谱是利用物质在200800nm 光谱区的分子吸收光谱的特征来进行测量。,紫外可见光谱仪,光源 光源的要求是应具有在整个紫外可见光区域的连续辐射，辐射强度高并且稳定。 氘灯：紫外区 185400nm碘钨灯：可见光区 350800nm,Deuterium Lamp,Tungsten Lamp,紫外可见光谱仪,色散系统 主要有单色器(monochromator)、过滤片(filter)； 从光源连续辐射中选择或分离出某一特定波长辐射（单色光）的光线。,
