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1、,Schl. of Optoelectronic Inform. “光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab. of ETFID “电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,光谱测试原理与技术 概述 振动（红外、拉曼）光谱技术 发射光谱（含时间分辨荧光）技术 光谱分析新技术,概 述 一、光谱分析的概念 光谱分析是利用物质发射的光而判断物质组成的一门技术； 物质的组成不同，在一定条件下能发射其特征的光谱； 光的一个标志是它的波长，颜色不同，波长不同； 发射光谱分析的范围：紫外（部分）、可见光、红外（部 分），160850 nm；,Schl. of Optoelectr
2、onic Inform. “光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab. of ETFID “电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,发射光谱有三种 线状光谱：原子或离子被激发而发射（气态或高温） 带状光谱：分子被激发而发射 连续光谱：炽热的固体或液体发射 原子或离子被激发而产生的数万条光谱线已被测试，波长 已知； 光谱激发光源：火焰、电弧、电火花、激光，等； 光谱分析有较低的检出限，可进行定性和定量分析，特别 适宜低含量元素级痕量元素分析；对难分离元素的分析特 别有效；,Schl. of Optoelectronic Inform. “光电探测与传感集成技术”教育
3、部国防重点实验室 State Key Lab. of ETFID “电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,光谱分析是化学分析的补充； 与发射光谱相对应的为吸收光谱； 克希霍夫定律：任何物体的发射和吸收的本质均决定于光 谱项和选择规则； 物质不仅有自已的特定发射光谱，而且有自已特定的吸收 光谱； 吸收光谱的分析根据记录强度方式的不同有四种： 目视、照相、光电、热电 吸收光谱应用谱带而非谱线，其中分子吸收光谱就属于谱 带分析； 光谱分析的速度快。,Schl. of Optoelectronic Inform. “光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab. of ET
4、FID “电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,二、光谱分析基础 1、原子的结构 量子力学的应用！ 2、原子的运动状态 电子的运动状态：薛定谔方程 核外电子运动有四种差别: 层次（主量子数 n）：K, L, M, N, 组态（角量子数 l ）：s, p, d, f, 量子轨道（磁量子数 m）：0, 1, 2, l, 自旋：正转、反转,Schl. of Optoelectronic Inform. “光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab. of ETFID “电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,2、原子的运动状态（续） 核外电子排布的规律： （1）最低能量原
5、理； （2）Pauli不相容原理； 表1-2-2 （3）Hund规则。 3、原子的能级 不连续的能量状态 能级； 能级的多重结构：决定于电子自旋； 内量子数 J 的概念：电子自旋角动量与轨道角动量 耦合得到的电子总角动量。 图1-1-2 表1-3-2,Schl. of Optoelectronic Inform. “光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab. of ETFID “电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,4、能级符号与光谱项 一条谱线是一个元素的两个能级之间的跃迁而产生 三、原子的激发与电离 1、原子的激发 热激发、共振吸收（辐射能）激发、电场引起的
6、碰撞 激发、激发态原子能量交换引起的激发、电子和离子复合 过程引起激发，等。 各种元素的原子被激发所需要的最小激发能称为该元 素的共振电位。,Schl. of Optoelectronic Inform. “光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab. of ETFID “电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,2、原子的电离 在光源等离子区中，原子获得足够的能量后，可以使 外层电子脱离原子体系，分裂成自由电子和离子。 有一次电离、二次电离 离子亦可能被激发而发射光谱。 一般情况下，离子光谱和原子光谱是不同的。 3、元素的光谱化学性质与元素周期表 呈现周期性，变化规
7、律有6条,Schl. of Optoelectronic Inform. “光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab. of ETFID “电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,四、谱线的特征 谱线的强度和宽度，是两个主要特征 1、多重线强度比 2、匀称线强度比 3、非匀称线强度比 4、谱线的宽度 5、最后线及特征谱线组 表16 元素的灵敏线及特征线,Schl. of Optoelectronic Inform. “光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab. of ETFID “电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,五、分子光谱与
8、分子结构 所有的原子和分子均能吸收电磁波，且对吸收的波长具有 选择性 分子的能量具有量子化特征，特征分子能级 分子被光激发时，能级发生跃迁，产生吸收或发射光谱， 能级提高，由基态跃迁到激发态 化合物吸收或发射光量子时产生的光谱，叫分子光谱，比 原子光谱复杂；后者为线状光谱，前者为带状光谱,Schl. of Optoelectronic Inform. “光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab. of ETFID “电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,五、分子光谱与分子结构（续） 从分子光谱中能得到分子中电子运动（电子结构）和原子 核振动与转动的详尽知识 可进
9、行定性分析与定量分析，还能用以测量分子的能级、 键长、键角、力常数和转动惯量等微结构参数 历史上，光谱数据对量子力学、结构化学和光谱学的形成 和发展，作出了不可磨灭的贡献,Schl. of Optoelectronic Inform. “光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab. of ETFID “电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,Schl. of Optoelectronic Inform. “光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab. of ETFID “电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,六、分子光谱分类 分子光谱是
10、分子内部运动状态的反映，与分子能级有关 分子内的运动有： 分子间的平动、转动； 原子间的相对振动、电子跃迁、核的自旋跃迁。 除了平动外，其它运动都是量子化的,Schl. of Optoelectronic Inform. “光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab. of ETFID “电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,1、分子吸收光谱 纯粹的转动光谱只涉及分子转动能级的改变，不产生振动和电子状态的 改变 分子转动能级跃迁能量变化很小：10-410-2 eV，吸收或辐射电磁波的 波长较长： 10-410-2 m，在微波和远红外区，称为分子转动光谱 转动能级跃
11、迁时能量很小，不会引起振动和电子能级的跃迁，转动光谱 最简单，是线状光谱 振动光谱源于分子振动能级间的跃迁，能量： 0.51 eV，伴有转动能 级改变，谱线密集，有细微结构，吸收峰加宽，称为“振动-转动”吸收带或“振动”吸收，出现在红外区，又称“振动-转动”光谱,Schl. of Optoelectronic Inform. “光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab. of ETFID “电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,1、分子吸收光谱（续） 红外吸收光谱主要用于鉴定化合物的官能团及异构体分析，是定性鉴定 化合物及其结构的重要方法之一 拉曼（Raman）
12、光谱和红外光谱一样，研究分子的转动和振动能级结 构，二者的起因和原理并不相同 Raman光谱建立在拉曼散射效应的基础上，利用拉曼位移研究物质结 构，是分子对单色光的散射引起，间接观察分子振动能级的跃迁 红外光谱直接观察样品分子对辐射能量的吸收情况,Schl. of Optoelectronic Inform. “光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab. of ETFID “电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,2、分子发射光谱 分子发射光谱包括荧光光谱和磷光光谱，是光致发光光谱 某些物质受紫外光激发后，在回到基态的过程中发射出比原激发波长更 长的荧光，产生分子
13、荧光光谱（MFS） MFS具有高灵敏度和选择性，可用于研究荧光物质的结构，适宜生物大分子研究，可进行定量分析 荧光产生于单线激发态向基态跃迁，而分子磷光光谱（MPS）是单线激 发态先过渡到三线激发态，然后由三线激发态跃迁返回到基态产生的 MPS主要应用于环境分析和药物分析中有机化合物的测定,Schl. of Optoelectronic Inform. “光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab. of ETFID “电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,3、核磁共振波谱 核磁共振波谱（NMR）是波长为射频（106109 m）、频率为兆赫兹、能量很低的电磁波照射样品分子 不引起分子的振动或转动能级跃迁，也不引起电子能级跃迁，但能与磁性原子核相互作用 磁性原子核的能量在强磁场下裂分为两个或两个以上的能级，吸收射频辐射后发生能级跃迁，称为核磁共振波谱 由高分辨溶液NMR谱、固体高分辨NMR谱以及宽谱线 NMR谱 有使用价值仅限于1H、13C、19F、31P以及15N等少数原子核，其中以氢谱和碳谱应用最为广泛,Schl. of Optoelectronic Inform. “光电探测与传感集成技术”教育部国防重点实验室 State Key Lab. of ETFID “电子薄膜与集成器件”国家重点实验室.,3、核磁共振波谱（续） NMR成像
