第3节 光分析法的分类精选PPT.ppt

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1、第第3节节 光分析法的分类光分析法的分类2023/1/16第1页，本讲稿共32页一、光分析分类一、光分析分类 type of optical analysis 光谱法光谱法基于物质与辐射能作用时，分子发生能级跃迁基于物质与辐射能作用时，分子发生能级跃迁而产生的发射、吸收或散射的波长或强度进行分析的方法；而产生的发射、吸收或散射的波长或强度进行分析的方法；光谱法的基本类型光谱法的基本类型:吸收光谱、发射光谱、散射光谱法吸收光谱、发射光谱、散射光谱法 基于原子外层电子跃迁的基于原子外层电子跃迁的原子光谱原子光谱最常见的有三种最常见的有三种:原子原子吸收光谱（吸收光谱（AAS）、原子发射光谱（原子发

2、射光谱（AES）、）、原子荧光光谱原子荧光光谱（AFS）；）；基于原子内层电子跃迁的基于原子内层电子跃迁的：X射线荧光光谱（射线荧光光谱（XFS）；）；基于原子核与射线作用的：穆斯堡尔谱；基于原子核与射线作用的：穆斯堡尔谱；2023/1/16第2页，本讲稿共32页 分子光谱分子光谱（带状光谱）：（带状光谱）：基于分子中电子能级、振基于分子中电子能级、振-转能级跃迁；转能级跃迁；紫外光谱法（紫外光谱法（UV）；）；红外光谱法（红外光谱法（IR）；）；分子荧光光谱法（分子荧光光谱法（MFS）；）；分子磷光光谱法（分子磷光光谱法（MPS）；）；核磁共振与顺磁共振波谱（核磁共振与顺磁共振波谱（N）；）

3、；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；偏振法、干涉法、旋光法等；等物理性质；偏振法、干涉法、旋光法等；2023/1/16第3页，本讲稿共32页光分析法光谱分析法非光谱分析法原子光谱分析法分子光谱分析法原子吸收光谱原子发射光谱原子荧光光谱X射线荧光光谱折射法圆二色性法X射线衍射法干涉法旋光法紫外光谱法红外光谱法分子荧光光谱法分子磷光光谱法核磁共振波谱法2023/1/16第4页，本讲稿共32页光谱分析法吸收光谱法发射光谱法原子光谱法分子光谱法原子发射原子吸收原子荧光X射线荧光原子吸收紫外可见红外可见核磁共振紫

4、外可见红外可见分子荧光分子磷光核磁共振化学发光原子发射原子荧光分子荧光分子磷光X射线荧光化学发光2023/1/16第5页，本讲稿共32页二、各种光分析法简介二、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。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。2023/1/16第6页，本讲稿共32页3

5、.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。4.4.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。2023/1/16第7页，本讲稿共32页6.X6.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。7.7.化学发光分析法化学发光分析法

6、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。5.5.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子以无辐射弛豫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。2023/1/16第8页，本讲稿共32页 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。10.10.核磁共振波谱分析

7、法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。8.紫外吸收光谱分析法紫外吸收光谱分析法2023/1/16第9页，本讲稿共32页11.11.顺磁共振波谱分析法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。12.12.旋光法旋光法 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。13.13.衍射法衍射法 X射线衍射：研

8、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。2023/1/16第10页，本讲稿共32页三、光分析方法的进展三、光分析方法的进展 development of optical analysis 1.1.采用新光源，提高灵敏度采用新光源，提高灵敏度 新型光源：电感耦合等离子体新型光源：电感耦合等离子体-辉光放电；激光蒸发辉光放电；激光蒸发-微微波等离子体波等离子体 2.2.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 3.3.新材料新材料 光导纤维传导，损

9、耗少；抗干扰能力强；光导纤维传导，损耗少；抗干扰能力强；2023/1/16第11页，本讲稿共32页 4.4.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 5.5.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、线性范围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，将取代光电倍增管；宽、多道同时数据采集、三维谱图，将取代光电倍增管；光二极激光器代替空心阴极灯，使原子吸收可进行多元素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；同时测定；2023/1/16第12页，本讲稿共32页三种光分析三种光

10、分析法测量过程法测量过程示意图示意图 2023/1/16第13页，本讲稿共32页四、四、光分析法仪器的基本流程光分析法仪器的基本流程 general process of spectrometry 光光谱谱仪仪器器通通常常包包括括五五个基本单元：个基本单元：光源；单色器；样品；检测器；显示与数据处理；2023/1/16第14页，本讲稿共32页五、五、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 1.1.光源光源 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：连连续续光光源源：在较大范围提供连续波长的光

11、源，氢灯、氘灯、钨丝灯等；线线光光源源：提供特定波长的光源，金属蒸气灯(汞灯、钠蒸气灯)、空心阴极灯、激光等；2023/1/16第15页，本讲稿共32页2.2.单色器单色器 单单色色器器：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；2023/1/16第16页，本讲稿共32页 （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。2023/1/16第17页，本讲稿共32页棱镜棱镜 棱镜对不同波长的光具有不同

12、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；棱镜的分辨能力取决于棱镜的几何尺寸和材料；棱镜的光学特性可用色散率和分辨率来表征；2023/1/16第18页，本讲稿共32页棱镜的特性与参数棱镜的特性与参数（1 1）色散率）色散率 角色散率：用d/d表示，偏向角对波长的变化率；棱镜的顶角越大或折射率越大，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；线色散率：用dl/d表示，两条相邻谱线在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

13、023/1/16第19页，本讲稿共32页（2 2）分辨率）分辨率 相邻两条谱线分开程度的度量：相邻两条谱线分开程度的度量：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。分辨率与波长有关分辨率与波长有关，长波的分辨率要比短波的分辨率小，棱镜分离后的光谱属于非均排光谱非均排光谱。2023/1/16第20页，本讲稿共32页光栅光栅 透射光栅，反射光栅；透射光栅，反射光栅；光栅光谱的产生是多狭缝干涉与单狭缝衍射共同作用的结果，前者决定光谱出现的位置，后者决定谱线强度分布；2023/1/16第21页，本讲稿共32页光栅的特性光栅的特性 ABCDE表示平面光栅的

14、一段；光线L在AJF处同相，到达AKI平面，光线L2M2要比光线L1M1多通过JCK这段距离。FEI=2JCK，其后各缝隙的光程差将以等差级数增加，3JCK、4JCK等。当光线M1、M2、M3到达焦点时，如果他们沿平面波阵面AKI同相位，他们就会产生一个明亮的光源相，只有JCK是光线波长的整数倍时才能满足条件。2023/1/16第22页，本讲稿共32页光栅的特性：光栅的特性：如果：d=AC=CE JC+CK=d(sin+sin)=n 即光栅公式：d(sin+sin)=n 、分别为入射角和反射角；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，反之区负值；当n=

15、0时，零级光谱，衍射角与波长无关，无分光作用。2023/1/16第23页，本讲稿共32页光栅的特性：光栅的特性：将反射光栅的线槽加工成适当形状能使有效强度集中在特定的衍射角上。图所示反射光栅是由与光栅表面成角的小斜面构成(小阶梯光栅，闪耀光栅)，角叫做闪耀角。选择适宜的闪耀角，可以使90%的有效能量集中在单独一级的衍射上。2023/1/16第24页，本讲稿共32页光栅的参数：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为入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于光栅常数 d 和

16、光谱级数n，常数，不随波长改变，均排光谱（优于棱镜之处）。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。2023/1/16第25页，本讲稿共32页光栅的光栅的线色散率线色散率 f 为会聚透镜的焦距。光栅的分辨能力根据Rakleigh准则来确定。等强度的两条谱线（I，II）中，一条（II）的衍射最大强度落在另一条的第一最小强度上时，两衍射图样中间的光强约为中央最大的80%，在这种情况下，两谱线中央最大距离即是光学仪器能分辨的最小距离（可分离的最小波长间隔）；2023/1/16第26页，本讲稿共32页光栅的光栅的分辨率分辨率R 光栅的分辨率R 等于光谱级次（n）与光栅刻痕条数（N）的

17、乘积：光栅越宽、单位刻痕数越多、R 越大。宽度50mm，N=1200条/mm，一级光谱的分辨率：R=1501200=61042023/1/16第27页，本讲稿共32页狭缝狭缝 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。分辨率大小不仅与色散元件的性能有关，也取决于成像的大小，因此希望采用较窄的进口狭缝。分辨率用来衡量单色器能分开波长的最小间隔的能力；最小间隔的大小用有效带宽表示：S=DWD为线色散率的倒数；W为狭缝宽度；2023/1/16第28页，本讲稿共32页 在原子发射光谱分

18、析中，定性分析时，减小狭缝宽度，使相邻谱线的分辨率提高；定量分析时，增大狭缝宽度，可使光强增加。狭缝两边的边缘应锐利且位于同一平面上。2023/1/16第29页，本讲稿共32页3.3.试样装置试样装置 光源与试样相互作用的场所（1）吸收池）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）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。2023/1/16第30页，本讲稿共32页4.4.检测器检测器（1）光检测器）光检测器 主要有以下几种：硒光电池、光电

19、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）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：5.5.信号、与数据处理系统信号、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；2023/1/16第31页，本讲稿共32页内容选择内容选择第一节第一节 电磁辐射的基本性质电磁辐射的基本性质fundamental of optical analysis第二节第二节 原子光谱与分子光谱原子光谱与分子光谱atom spectrum and molecular spectrum第三节第三节 光分析法的分类光分析法的分类instruments for spectrometry and optical parts结束2023/1/16第32页，本讲稿共32页