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1、 光学分析法概述1光学分析法概述光学分析法是根据物质发射或吸收的电磁辐射或电磁辐射与物质相互作用而建立起来的一类分析化学方法。光谱法和非光谱法光谱分析法分类光谱分析仪器概述2光谱法和非光谱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。非光谱法是基于物质与辐射相互作用时，测量辐射的某些性质，如折射、散射、干涉、衍射、偏振等变化的分析方法。3原子能级和分子能级1s2s2p原子能级分子能级分子的电子能级分子振动分子转动4光谱分析法分类吸收光谱、发射光谱和荧光光谱电磁波谱与跃迁能量原子光谱和分子光谱常用的光学分析法5发
2、射光谱法和吸收光谱法物质通过电致激发、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M* ，当从激发态过渡到低能态或基态时产生发射光谱。 M* M + hv 通过测量物质的发射光谱的波长发射光谱的波长和和强度强度进行定性和定量分析的方法叫做发射光谱分析法。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量满足E = hv的关系时，将产生吸收光谱。 M + hv M* 通过测量物质的吸收光谱的波长吸收光谱的波长和和强度强度进行定性和定量分析的方法叫做吸收光谱分析法。6吸收光谱的产生7发射光谱的产生8荧光光谱指物质吸收光能后跃迁至激发态，当跃迁回低能态或基态
3、时发射辐射。实际上是光致发光。荧光光谱法包括原子荧光光谱，分子荧光光谱和磷光光谱法9荧光光谱的产生10电磁辐射和电磁波谱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)。在定量仪器分析中常使用的波段为紫外，可见和近红外区域。11电磁波谱与光学跃迁12常用波谱范围对应于原子的外层电子和分子的价电子跃迁，对分子光谱同时伴有振动或转动跃迁。紫外：190-400nm(小于190nm为真空紫外区）可见光区：400-800nm近红外区：800nm-2500nm13光学分析法的分类辐射区段辐射吸收辐射发射射线莫斯鲍尔谱法莫斯鲍尔谱法射线发射光谱X射线X射线吸收光谱X射线发射光谱紫外光紫
4、外吸收光谱紫外发射光谱可见光可见吸收光谱可见发射光谱红外光红外吸收光谱近红外发射光谱微波微波吸收谱无线电波核磁共振谱14原子光谱法和分子光谱法原子光谱法是由原子外层或内层电子 能级的变化产生的，它的表现形式为线状光谱。属于这类分析方法的有原子发射光谱法原子发射光谱法（AES）、原原子吸收光谱法子吸收光谱法（AAS），原子荧光光谱法原子荧光光谱法（AFS）以及X射线荧光光谱法射线荧光光谱法（XFS）等。分子光谱法是由 分子中电子能级、振动和转动能级 的变化产生的，表现形式为带状光谱。属于这类分析方法的有紫外-可见分光光度法（UV-Vis），红外光谱法（IR），分子荧光光谱法（MFS）和分子磷光光
5、谱法（MPS）等。15光学分析法的分类跃迁类型辐射发射辐射吸收分子分子荧光光谱分子磷光光谱紫外可见吸收光谱红外光谱电子自旋共振谱核磁共振谱原子原子发射光谱原子荧光光谱原子吸收光谱16常用的光学分析法紫外紫外- -可见分光光度法可见分光光度法分子发光分析法分子发光分析法原子吸收光谱法原子吸收光谱法原子发射光谱法原子发射光谱法红外光谱法红外光谱法核磁共振波谱法核磁共振波谱法质谱法质谱法定量分析方法定性分析方法17光谱分析仪器用来研究吸收、发射或荧光的电磁辐射强度和波长关系的仪器叫做光谱仪或分光光度计。光谱分析仪器的基本部件都包括光源，单色器，样品池（样品容器），检测器及信号处理和读出装置。根据不同
6、分析方法（发射光谱，吸收光谱，荧光光谱）的不同这些部件的具体形式和排列方式有所不同。18光源光谱分析中，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波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保证稳定或者用参比光束的方法来减少光源输出对测定所产生的影响。光源分为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和分子荧光光谱法；线光源用于荧光、原子吸收和Raman光谱法。光源使用的波段范围图示 19连续光源连续光源连续光源是指在波长范围内主要发射强度平稳的具有连续光谱的光源。常用的连续光源主要：可用于紫外可见光区的氙灯，主要用于可见光区的钨灯，主要用于紫外光区的氢灯（氘
7、灯）和主要用于红外光区的能斯特灯和硅碳棒。氙灯也可用作紫外可见光源，发射的连续光谱分布在190 700nm。发射光谱范围宽而且强度很高，常用于分子荧光光谱仪的激发光源。紫外光源：紫外连续光源主要采用氢灯或氘灯。 在低压下以电激发的方式产生的连续光谱，光谱范围为160375 nm。氘灯的工作方式与氢灯相同，光谱强度比氢灯大3 5倍，寿命也比氢灯长。厂用于紫外可见分光光度计的紫外区光源。 20连续光源连续光源可见光源：可见光源：可见光区最常见的光源是钨丝灯。光谱波长范围为320 2500nm。通常为提高光强和延长使用寿命而内充卤素气体，称为卤素灯或卤钨灯。常用作紫外可见分光光度计的可见区光源。红外
8、光源：红外光源：常用的红外光源是一种用电加热到温度在1500 2000K之间的惰性固体，光强最大的区域在6000 5000cm-1。如能斯特灯、硅碳棒。21氙灯22线光源线光源金属蒸气灯：金属蒸气灯：在透明封套内含有低压气体元素，常见的是汞灯和钠蒸气灯。汞灯产生的线光谱为254 734nm范围内的多条谱线，钠灯主要是589.0nm和589.6nm处的一对谱线。空心阴极灯：空心阴极灯：主要用于原子吸收光谱，能提供许多元素的特征光谱。激光光源激光光源越来越多地得到应用。越来越多地得到应用。23激光光源激光光源具有单色性好，方向性强，高亮度及相干性好等特点。可以大大提高光谱分析的灵敏度和分辨率。常用
9、的激光器有气体激光器、固体激光器、染料激光器及半导体激光器。作为一种新型光源应用于Raman光谱、荧光光谱、发射光谱、Fourier变换红外光谱等领域。气体激光器：如氦氖激光器(632.8nm)和氩离子激光器(514.5nm,488.0nm)固体激光器：红宝石（掺Cr3+的Al2O3）激光器(694.3nm)和Nd:YAG(掺钕的钇铝石榴石)激光器(1064nm)24光源使用的波段范围25单色器单色器单色器的主要作用是将复合光分解成单色光或有一定宽度的谱带。单色器由入射狭缝和出射狭缝（调节光谱带宽）、准直镜（将入射狭缝的光变成平行光，即将色散后的光会聚在出射狭缝上）以及色散元件，如棱镜或光栅等
10、组成。根据分光元件色散原理的不同，常用的单色器有棱镜单色器和光栅单色器。在要求不高的场合也可以使用滤光片作为单色器。26棱镜单色器棱镜单色器使用棱镜为分光元件。棱镜的作用是把复合光分解为单色光。由于不同波长的光在同一介质中具有不同的折射率，波长短的光折射率大，波长长的光折射率小。因此，平行光经色散后按波长顺序分解为不同波长的光，经聚焦后在焦面的不同位置成像，得到按波长展开的光谱。在400nm 800nm波长范围内，玻璃棱镜比石英棱镜的色散率大。使用玻璃棱镜更合适。但在200nm 400nm的波长范围内，由于玻璃强烈地吸收紫外光，无法采用，故只能采用石英棱镜。由于介质材料的折射率n与入射光的波长
11、有关，因此棱镜给出的光谱与波长有关，是非均排光谱。27棱镜单色器分光原理28光栅单色器光栅由玻璃片或金属片制成，其上准确地刻有大量宽度和距离都相等的平行线条（刻痕），可近似地将它看成一系列等宽度和等距离的透光狭缝。利用光的衍射现象实现分光光栅分为透射光栅和反射光栅，常用的是反射光栅。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。光栅单色器的分辨率与光栅的总刻线数和衍射级次有关，与波长无关，因此给出均排光谱。29光的衍射现象示意透射光栅 闪耀光栅30光栅单色器分光原理实物照片31单色器IRIS Advantage 中阶梯光栅分光系统（实物图）中阶梯光栅分光系统（实物图）32滤光片滤
12、光片有吸收滤光片和干涉滤光片两种。吸收滤光片由有色玻璃，或夹在两玻璃片之间的油色染料明胶片组成。通常谱带较宽。干涉滤光片根据光的干涉原理设计。由透明的电解质夹在两块内侧涂有半透明金属薄膜的玻璃或石英片之间组成。通过控制透明电解质的厚度可以控制；滤光片的透过波长。通常谱带宽度较吸收滤光片较窄。通常使用的滤光片由带通滤光片和高通滤光片两种。33带通滤光片(bandpass filter)34高通滤光片(longpass filter)35样品池一般由光透明的材料制成。在紫外光区，采用石英材料；可见光区，则用硅酸盐玻璃；红外光区，则可根据不同的波长范围选用不同材料的晶体制成吸收池的窗口。常用的吸收池
13、光程长度有1cm,2cm,5cm,10cm等。原子发射和原子吸收光谱分析中的样品池为原子化器。36检测器检测器可分为两类，一类对光子有响应的光检测器，另一类为对热产生响应的热检测器。光检测器有硒光电池、光电管、光电倍增管、光电晶体管,光二极管阵列检测器,CCD检测器等。 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，包括真空热电偶、热释电检测器等。 37光电管38光电倍增管39讯号处理和读出装置讯号处理和读出装置检测器输出的电讯号很弱,需要经过放大才能以某种方式显示出来;讯号处理过程有时也会包括一些数学运算,如对数运算、微积分运算等由检测器将光信号转换成电信号后，可用检流计、微
14、安计数字显示器、计算机等显示和记录结果。40发射光谱仪结构示意图光源是提供足够的能量使试样蒸发、原子化、激发，产生光谱41吸收光谱仪结构示意图由光源发射的待测元素的锐线光束（共振线），由光源发射的待测元素的锐线光束（共振线），通过原子化器，被原子化器中的基态原子吸收，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后，被检测器接收，即再射入单色器中进行分光后，被检测器接收，即可测得其吸收信号可测得其吸收信号。42荧光光谱仪结构示意图荧光光谱仪结构示意图由光源发出的光，经过第一单色器（激发光单色器）后，得到所需的激发光。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，将向四面八方发射荧光，为了消除入射光和散射光的影响，荧光的测量应在与激发光成直荧光的测量应在与激发光成直角方向进行角方向进行，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，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。43本章小结光谱分析法分类： 吸收光谱，发射光谱和荧光光谱 原子光谱（线状光谱）和分子光谱（带状光谱）常用的光谱范围光谱分析仪器的基本结构 吸收光谱，发射光谱，荧光光谱光谱仪器的元器件的特点： 光源，单色器，样品池，检测器 44谢谢各位的合作下次课再见！45
