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1、第十一章第十一章 光学分析法导论光学分析法导论一、一、光分析及其特点光分析及其特点optical analysis and its feature 二、电磁辐射的基本性质二、电磁辐射的基本性质properties of electromagnetic radiation三、三、光学分析法的分类光学分析法的分类classification of optical analysis四、各种光分析法简介四、各种光分析法简介a brief introduction of optical analysis an introduction to optical analysis 第一节 光学分析基础fund
2、amental of optical analysis 一、一、光学分析法及其特点光学分析法及其特点 optical analysis and its characteristics 光光学学分分析析法法：基基于于电电磁磁辐辐射射能能量量与与待待测测物物质质相相互互作作用用后后所所产产生生的的辐辐射射信信号号与与物物质质组组成及结构关系所建立起来的分析方法；成及结构关系所建立起来的分析方法； 电磁辐射范围电磁辐射范围：射线无线电波；射线无线电波； 相相互互作作用用方方式式：发发射射、吸吸收收、反反射射、折折射、散射、干涉、衍射、偏振等；射、散射、干涉、衍射、偏振等；三个基本过程三个基本过程(1
3、) 所有光分析法均包含三个基本过程；所有光分析法均包含三个基本过程；(2) 选选择择性性测测量量，不不涉涉及及混混合合物物分分离离（不不同同于于色谱分析）；色谱分析）；(3) 涉及大量光学元器件。涉及大量光学元器件。(1) 能源提供能量；能源提供能量；(2) 能量与被测物之间的相互作用；能量与被测物之间的相互作用；(3) 产生信号。产生信号。 三个基本特点三个基本特点二、电磁辐射的基本性质二、电磁辐射的基本性质 basic properties of electromagnetic radiation 电磁辐射电磁辐射(电磁波电磁波)：以接近光速（真：以接近光速（真空中为光速）传播的能量；空中
4、为光速）传播的能量； 电磁辐射具有波动性和微粒性电磁辐射具有波动性和微粒性 波粒二象性波粒二象性c ：光速；光速；：波长；波长；：频率；频率； ：波数波数 ；E ：能量；能量； h：普朗克常数普朗克常数辐射能的特性：辐射能的特性：(1) 吸收吸收 物质选择性吸收特定频率的辐射能，并物质选择性吸收特定频率的辐射能，并 从低能级跃迁到高能级；从低能级跃迁到高能级；(2) 发射发射 将吸收的能量以光的形式释放出；将吸收的能量以光的形式释放出；(3) 散射散射 丁铎尔散射和分子散射；丁铎尔散射和分子散射；(4) 折射折射 折射是光在两种介质中的传播速度不折射是光在两种介质中的传播速度不同同;(5) 反
5、射反射 (6) 干涉干涉 (7) 衍射衍射 光绕过物体而弯曲地向后面传播的现光绕过物体而弯曲地向后面传播的现象象(8) 偏振偏振 只在一个固定方向振动的光称为平面只在一个固定方向振动的光称为平面偏偏 振光。振光。 /nm颜色颜色互补光互补光400-450紫黄绿450-480蓝蓝黄黄480-490绿蓝绿蓝橙橙490-500蓝绿蓝绿红红500-560绿绿红紫红紫560-580黄绿黄绿紫紫580-610黄黄蓝蓝610-650橙橙绿蓝绿蓝650-760红红蓝绿蓝绿三、光学分析法分类三、光学分析法分类type of optical analysis 光分析法光分析法光谱分析法原子光谱分析法原子光谱分析法
6、分子光谱分析法分子光谱分析法原原子子吸吸收收光光谱谱原原子子发发射射光光谱谱原原子子荧荧光光光光谱谱X射射线线荧荧光光光光谱谱折折射射法法圆圆二二色色性性法法X射射线线衍衍射射法法干干涉涉法法旋旋光光法法紫紫外外光光谱谱法法红红外外光光谱谱法法分分子子荧荧光光光光谱谱法法分分子子磷磷光光光光谱谱法法核核磁磁共共振振波波谱谱法法非光谱分析法光谱分析法光谱分析法吸收光谱法吸收光谱法发射光谱法发射光谱法原子光谱法原子光谱法分子光谱法分子光谱法原原子子发发射射原原子子吸吸收收原原子子荧荧光光X射射线线荧荧光光原原子子吸吸收收紫紫外外可可见见红红外外可可见见核核磁磁共共振振紫紫外外可可见见红红外外可可见
7、见分分子子荧荧光光分分子子磷磷光光核核磁磁共共振振化化学学发发光光原原子子发发射射原原子子荧荧光光分分子子荧荧光光分分子子磷磷光光X射射线线荧荧光光化化学学发发光光电磁辐射的电磁辐射的本质本质电磁辐射的电磁辐射的传递方式传递方式(线状光谱线状光谱)(带状光谱带状光谱)四、各种光分析法简介四、各种光分析法简介 a brief introduction of optical analysis 1.1.原子发射光谱分析法原子发射光谱分析法 以火焰、电弧、等离以火焰、电弧、等离子炬等作为光源，使气态原子的外层电子受激发射出子炬等作为光源，使气态原子的外层电子受激发射出特征光谱进行定量分析的方法。特征光
8、谱进行定量分析的方法。2.2.原子吸收光谱分析法原子吸收光谱分析法 利用特殊光源发射出待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。测定气态原子对共振线吸收而进行的定量分析方法。3. .原子荧光分析法原子荧光分析法 气态原子吸收特征波长的辐射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，在后，外层电子从基态或低能态跃迁到高能态，在1010- -8 8s s后跃回基态或低能态时，发射出与吸收波长相同或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，
9、在与光源成不同的荧光辐射，在与光源成9090度的方向上，测定荧度的方向上，测定荧光强度进行定量分析的方法。光强度进行定量分析的方法。 4.4.分子荧光分析法分子荧光分析法 某些物质被紫外光照射激发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。荧光，通过测量荧光强度进行定量分析的方法。 6. .X射线荧光分析法射线荧光分析法 原子受高能辐射，其内层电原子受高能辐射，其内层电子发生能级跃迁，发射出特征子发生能级跃迁，发射出特征X X射线射线(X射线荧光射线荧光)，测，测定其强度可进行定量
10、分析。定其强度可进行定量分析。7.7.化学发光分析法化学发光分析法 利用化学反应提供能量，使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。的方法。5. .分子磷光分析法分子磷光分析法 处于第一最低单重激发态分处于第一最低单重激发态分子以无辐射弛豫方式进入第三重激发态，再跃迁返子以无辐射弛豫方式进入第三重激发态，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回基态发出磷光。测定磷光强度进行定量分析的方法。法。8. .紫外吸
11、收光谱分析法紫外吸收光谱分析法 利用溶液中分子吸收紫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合物结构分析，根据最大吸收波长强度变化可进行定量分析。量分析。9.9.红外吸收光谱分析法红外吸收光谱分析法 利用分子中基团吸收红利用分子中基团吸收红外光产生的振动外光产生的振动- -转动吸收光谱进行定量和有机化合转动吸收光谱进行定量和有机化合物结构分析的方法。物结构分析的方法。10.10.核磁共振波谱分析法核磁共振波谱分析法 在外磁场的作用下，在外磁场的作用下，核自旋磁矩与磁场相互作用而
12、裂分为能量不同的核磁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可进行有机化合物结构分析 。 11.旋光法旋光法 溶液的旋光性与分子的非对称结构有密溶液的旋光性与分子的非对称结构有密切关系，可利用旋光法研究某些天然产物及配合物的切关系，可利用旋光法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。立体化学问题，旋光计测定糖的含量。 12.衍射法衍射法 X射线衍射：研究晶体结构，不同晶体具有不同射线衍射：研究晶体结构，不同晶体具有不同衍射图。衍射图。 电子衍射：电子衍射
13、是透射电子显微镜的基础，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。研究物质的内部组织结构。五、光分析方法的进展五、光分析方法的进展 development of optical analysis 1. 采用新光源，提高灵敏度采用新光源，提高灵敏度 级联光源：电感耦合等离子体级联光源：电感耦合等离子体-辉光放电；激光辉光放电；激光蒸发蒸发-微波等离子体微波等离子体 2. 联用技术联用技术 电感耦合高频等离子体（电感耦合高频等离子体（ICP）质谱质谱 激光质谱：灵敏度达激光质谱：灵敏度达10-20 g 3. 新材料新材料 光导纤维传导，损耗少；抗干扰能力强；光导纤维传导，损
14、耗少；抗干扰能力强； 4. 交叉交叉 电致发光分析；光导纤维电化学传感器电致发光分析；光导纤维电化学传感器 5. 检测器的发展检测器的发展 电荷耦合阵列检测器光谱范围宽、量子效率高、电荷耦合阵列检测器光谱范围宽、量子效率高、线性范围宽、多道同时数据采集、三维谱图，将取代线性范围宽、多道同时数据采集、三维谱图，将取代光电倍增管；光电倍增管； 光二极激光器代替空心阴极灯，使原子吸收可进光二极激光器代替空心阴极灯，使原子吸收可进行多元素同时测定；行多元素同时测定；第二节第二节 光光 谱谱 法法 仪仪 器器一、一、光谱法仪器的基本流程光谱法仪器的基本流程general process of spect
15、rometry二、二、光谱仪器的基本器件光谱仪器的基本器件main parts of spectrometry instruments for spectrometry 一、一、光谱法仪器的基本流程 a brief introduction of optical analysis 辐射源、分光系统、试样容器、检辐射源、分光系统、试样容器、检测系统和信号采集与数据处理系统。测系统和信号采集与数据处理系统。 二、二、光分析法仪器的基本单元光分析法仪器的基本单元 main parts of spectrometry 1. 依依据据方方法法不不同同，采采用用不不同同的的光光源源：火火焰、灯、激光、电火
16、花、电弧等；焰、灯、激光、电火花、电弧等；(一一) 辐射源辐射源2. 依据光源性质不同，分为：依据光源性质不同，分为：连续光源：连续光源：在较大范围提供连续波长的在较大范围提供连续波长的光源，氢灯、氘灯、钨丝灯等；光源，氢灯、氘灯、钨丝灯等；线线 光光 源：源：提供特定波长的光源，金提供特定波长的光源，金属蒸气灯属蒸气灯(汞灯、钠蒸气灯汞灯、钠蒸气灯)、空心阴极、空心阴极灯、激光等；灯、激光等；( (二二) ) 分光系统分光系统 获得高光谱纯度辐射束的装置，而辐射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；束的波长可在很宽范围内任意改变；主要部件：主要部件：(1) 进口狭
17、缝；进口狭缝；(2) 准直装置准直装置(透镜或反射镜透镜或反射镜)：使辐射束：使辐射束成为平行光线；成为平行光线； (3) 色散装置色散装置(棱镜、光栅棱镜、光栅)：使不同波长：使不同波长的辐射以不同的角度进行传播；的辐射以不同的角度进行传播；( (三三) ) 试样容器试样容器 光源与试样相互作用的场所光源与试样相互作用的场所 1. 吸收池吸收池2. 特殊装置特殊装置( (四四) ) 检测系统检测系统量子化检测器量子化检测器热检测器热检测器( (五五) ) 信号收集与数据处理系统信号收集与数据处理系统原子光谱图原子光谱图分子光谱图分子光谱图 基于物质与电磁辐射能作用基于物质与电磁辐射能作用时，原子或分子发生时，原子或分子发生能级跃迁能级跃迁而产生而产生的发射、吸收或散射的波长或强度进的发射、吸收或散射的波长或强度进行分析的方法；行分析的方法； 光光 谱谱 法法 不涉及能级的跃迁，而主要不涉及能级的跃迁，而主要是利用电磁辐射与物质相互作用，这是利用电磁辐射与物质相互作用，这个相互作用引起电磁辐射个相互作用引起电磁辐射在方向上的在方向上的改变改变或或物理性质的变化物理性质的变化，利用这些变，利用这些变化可以进行分析。化可以进行分析。 非非 光光 谱谱 法法
