第二章光學分析法導論

1、 Tarim University 2007Chapter IIIntroduce to Optical Analysis Tarim University 2007電磁輻射的基本性質電磁輻射的基本性質l電磁輻射電磁輻射 近代研究和實驗結果表明，電磁輻射具有波粒二象性。l電磁輻射的波動性電磁輻射的波動性 電磁輻射的傳播以及反射、衍射、干涉等現(xiàn)象可以用波動性來解釋。l電磁波電磁波 根據(jù)經(jīng)典物理的觀點，電磁波具有相同同位相的兩個互相垂直的振動矢量，一個是沿Y軸方向變化的電場矢量電場矢量E，一個是沿Z軸方向變化的磁場矢量磁場矢量H，E和H都與電磁波的傳播方向垂直。 Tarim University

2、2007 Tarim University 2009（1）周期）周期T兩個相鄰矢量極大（或極?。┩ㄟ^空間某固定點所需的時間間隔叫做輻射的周期，單位為秒（s）。（2）頻率）頻率（3）波長）波長 相鄰兩極大或極小值之間的距離，所用單位隨著不同的電磁波譜區(qū)而不同。常用的單位有厘米（cm），微米（m），納米（nm）。描述電磁波的參數(shù)描述電磁波的參數(shù) Tarim University 2009（4）波數(shù)）波數(shù) 每厘米內波的數(shù)目，即單位距離中極大值的數(shù)目。它等于以厘米為單位的真空中波長的倒數(shù)，=1/，單位為cm-1。（5）傳播速度）傳播速度v 波在一秒鐘內通過的距離。由于波每秒有次振動，而每次振動通過的距

3、離為，所以：V = 描述電磁波的參數(shù)描述電磁波的參數(shù) Tarim University 2007電磁輻射的粒子性電磁輻射的粒子性l 電磁輻射的吸收和發(fā)射等同物質相互作用的現(xiàn)象則就不能用波的模型來解釋。這時必須將其看作是不連續(xù)的能量微粒，即光子或光量子。l 光子具有能量hv，具有動量hv/c。每個光子的能量E與相應的頻率及波長有如下關系： E= h v = h c/= h c 光子的動量p與波長的關系為： p = h/c = h/ Tarim University 2007頻率頻率 （Hz）波長波長 電磁波電磁波躍遷類型躍遷類型 6.0 10196.0 1019 3.0 1016 3.0 101

4、6 1.5 10151.5 1015 7.5 10147.5 1014 3.8 10143.8 1014 1.2 1012 1.2 1012 6.0 1012 6.0 1012 3.0 10113.0 1011 1.0 109 1.0 109 0.005nm0.005-10nm10-200nm200-400nm400-800nm0.8-2.5 m2.5-50 m50-1000 m1-300mm 300mm 射線區(qū)射線區(qū)X射線區(qū)射線區(qū)真空紫外光區(qū)真空紫外光區(qū)近紫外光區(qū)近紫外光區(qū)可見光區(qū)可見光區(qū)近紅外光區(qū)近紅外光區(qū)中紅外光區(qū)中紅外光區(qū)遠紅外光區(qū)遠紅外光區(qū)微波區(qū)微波區(qū)無線電波區(qū)無線電波區(qū)核能級核能級

5、K,L層電子能級層電子能級K,L層電子能級層電子能級外層電子能級外層電子能級外層電子能級外層電子能級分子振動能級分子振動能級分子振動能級分子振動能級分子轉動能級分子轉動能級分子轉動能級分子轉動能級電子和核的自旋電子和核的自旋電磁輻射按波長或頻率的大小順序排列起來，稱為電磁波譜。電磁輻射按波長或頻率的大小順序排列起來，稱為電磁波譜。2. 電磁波譜電磁波譜 Tarim University 2007 Tarim University 2007光與物質的相互作用光與物質的相互作用l (1) 吸收吸收 物質選擇性吸收特定頻率的輻射能，并從低能級躍遷到高能級l (2) 發(fā)射發(fā)射 將吸收的能量以光的形式釋

6、放出l (3) 散射散射 丁鐸爾散射和分子散射l (4) 折射折射 折射是光在兩種介質中的傳播速度不同l (5) 反射反射l (6) 干涉干涉l (7) 衍射衍射 光繞過物體而彎曲地向他后面?zhèn)鞑サ默F(xiàn)象；l (8) 偏振偏振 只在一個固定方向有振動的光稱為平面偏振光。 Tarim University 2007 1. 概念：概念：當粒子（原子、分子、離子）吸收的光子能量與他們的基態(tài)（ M ）能量和激發(fā)態(tài)（ M* ）能量之差E=h相等時，該光子將被粒子選擇性吸收，粒子由基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，這個過程稱為吸收過程。 M M* 2. 吸收光譜吸收光譜( absorption spectrum)：以波長為橫

7、坐標，被吸收輻射的相對強弱（A or T）為縱坐標作圖，得到物質的吸收光譜。對吸收光譜的研究可以確定式樣的組成、含量、結構。 3. 吸收光譜法：吸收光譜法：根據(jù)吸收光譜原理建立的分析方法 h Tarim University 2007朗伯-比爾定律l朗伯定律朗伯定律 1729年波格爾(Bouger)在實驗中發(fā)現(xiàn)物質對光的吸收與吸光物質的厚度有關。朗伯波格爾的學生進一步研究并于1760指出：當溶液的濃度一定，光的吸收程度與液層厚度成正比，這就是朗伯定律。 表示為： A=k1b A吸光度 K1比例常數(shù)光的吸收基本定律示意圖 Tarim University 2007比爾定律l1852年比爾（bee

8、r）在研究各種無機鹽對紅光的吸收后又指出：當單色光通過溶液層的厚度一定時，溶液的吸光度與溶液的濃度成正比，即比爾定律，表示為： cklgA20II光的吸收基本定律示意圖 Tarim University 2007朗伯比爾定律（一）將朗伯定律和比爾定律合并，即為朗伯比爾定律。 abc lgA0IIa吸光系數(shù) A吸光度.為無因次量 b液層厚度.一般單位為cm 光的吸收基本定律示意圖 Tarim University 2007朗伯比爾定律（二） 如果 c 以 g/L 表示時，a 的單位為：L.g-1.cm-1若 c 以 mol/L 表示，此時，吸光度采用摩爾吸光度系數(shù) 表示。單位為：L.mol-1c

9、m-1。則有： A=bc (Epsilon )的物理意義及計算 摩爾吸光度系數(shù),數(shù)值上等于1mol/L的吸光物質在1cm光程中的吸光度 （1）吸光物質在特定波長和溶劑中的一個特征 常數(shù) （2）值愈大，方法的靈敏度愈高（顯色反應愈好） 值可以從實驗中得到。 Tarim University 2007例： CFe2+為5.010-4 g.L-1的溶液，在一定條件下，經(jīng)啉菲羅啉顯色后，在波長510nm，比色皿厚度為 2cm 時測得A=0.19，求啉菲羅啉亞鐵的 與 a 值。鐵的相對原子量為55.85。 解：根據(jù)朗伯比爾定律 A=abc114190100 . 5219. 0cmgLbcAa Tarim

10、 University 2007續(xù)例： 由實驗結果計算時，常以被測物質的總濃度代替吸收物質的濃度，這樣計算得到的值，實際上是表觀摩爾吸收系數(shù)，與a的關系為 = M a M 吸光物質（非顯色劑）原組分的摩爾質量=55.85190=1.1104(L.mol-1.cm-1) Tarim University 20072.2 發(fā)射發(fā)射(emission)過過程程 1. 概念：概念：物質（粒子）吸收能量后由基態(tài)（ M ）變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)（ M* ），激發(fā)態(tài)很不穩(wěn)定，在短暫時間（ab 10-8s）內，由從高能態(tài)回到低能態(tài)，將吸收的能量以光的形式釋放出來,該過程稱為發(fā)射過程。 M* M + h 2. 發(fā)射光譜法發(fā)

11、射光譜法(emission spectrum)：試樣的激發(fā)有的通過電子碰撞引起（電激發(fā)、電弧、火焰的熱激發(fā)）有的通過適當?shù)墓饧ぐl(fā)等。由于各種元素的原子、離子和不同物質的分子的能級分布是特征的，從從高能態(tài)回到低能態(tài)時發(fā)出的光子能量也是特征的。利用特征光譜可進行定性分析，根據(jù)特征光譜的強度可進行定量分析。 Tarim University 20072.3 散射（散射（scattering）過程）過程l1. 概念：概念：光與物質作用后，光的傳播方向發(fā)生了改變，這種現(xiàn)象稱為散射。l例如：當介質粒子（乳濁液、懸濁液、膠體）大小與入射光的波長相差不大時，散射光的強度增強。Tyndall效應就是由溶膠對光的

12、散射引起的，以此為基礎而建立的分析方法稱為散射濁度分析法。 Tarim University 20072. 散射的種類：散射的種類：（1）彈性碰撞：）彈性碰撞：當介質分子比光的波長小()時發(fā)生Rayleigh散射，這是彈性碰撞（碰撞時沒有能量交換，只改變光子的運動方向，因此散射光的頻率不變）。散射光強度與入射光波長的4次方成反比例。（2）非彈性碰撞：）非彈性碰撞：在非彈性碰撞中，光與物質作用后，光子的能量發(fā)生了改變（即散射光的頻率發(fā)生改變）、運動方向也發(fā)生改變，這種散射稱為Raman散射（1928年印度物理學家C.V. Raman 發(fā)現(xiàn)的）。 Tarim University 2007l散射頻

13、率高于入射光德為反Stokes線；l散射頻率低于入射光的為Stokes線；lStokes線和反Stokes線稱為拉曼譜線拉曼譜線。l拉曼位移與分子的振動頻率有關。l具有拉曼活性的分子振動時伴有極化率的變化，振動時極化率越大，拉曼散射越強。l利用拉曼位移研究物質的結構，其方法稱為拉曼光譜利用拉曼位移研究物質的結構，其方法稱為拉曼光譜。 Tarim University 20072.4 2.4 干涉過程干涉過程l光的干涉光的干涉 在一定條件下，當頻率相同、振動方向相同、位相恒定的波源所發(fā)生的兩束波在傳播過程中，由于存在光程差，致使兩束波在相遇時產生波的疊加。出現(xiàn)光的加強和削弱，呈現(xiàn)明暗相間的條紋，

14、這種現(xiàn)象稱為光的干涉。若兩波相互加強則出現(xiàn)明亮條紋；若相互抵消則出現(xiàn)暗條紋。如水面油膜的五光十色。l明亮條紋明亮條紋：若兩束波的光程差等于波長的整數(shù)倍，疊加波加強到最大，干涉出現(xiàn)明亮條紋。即 =K (K=0,1,2,3,) 暗條紋：暗條紋：若兩束波的光程差等于/2的奇數(shù)倍，疊加波得到最大的減弱，干涉出現(xiàn)暗條紋。即 =（2K+1）/2 (K=0,1,2,3,) Tarim University 20072.5 衍射過程衍射過程l 波的衍射：波的衍射：光波通過障礙物或通過狹縫時。以約180的角度向外輻射，波前進的方向發(fā)生了彎曲即光偏離直線傳播的現(xiàn)象，稱為波的衍射波的衍射，它是干涉的結果。衍射現(xiàn)象是

15、光柵分光衍射現(xiàn)象是光柵分光的基礎，晶體衍射是的基礎，晶體衍射是X射線衍射分析的基礎。射線衍射分析的基礎。l 若以一束平行的單色光通過一狹縫（狹縫寬度為a）AB時，部分光將偏離入射方向,以角方向傳播，經(jīng)聚焦后，入射光位于Po點，衍射光聚焦于P點。由于通過狹縫聚焦于P點的光束的光波之間存在光程差，因此，在聚焦點產生廣的干涉現(xiàn)象?？稍谄聊粁y上看到或明或暗交替的衍射條紋。l 明亮條紋：明亮條紋：當光程差AC等于波長的偶數(shù)倍時，則P點出現(xiàn)明亮條紋。即 AC=a sin=K （K=0,1,2,3,） l 暗條紋：暗條紋：當光程差AC等于半波長的奇數(shù)倍時，則P點出現(xiàn)明亮條紋。即 AC=a sin=（2K+

16、1）/2 （K=0,1,2,3,） Tarim University 2007亮度P0P1P2P1P2,P3P3-+sinsinABSPP0XYCK=1，2，3為一級、二級、三為一級、二級、三級級明暗條紋明暗條紋=0時的條紋稱為零級時的條紋稱為零級明亮條紋明亮條紋 Tarim University 20072.6 折射與反射過程折射與反射過程l1.1.折射：折射： 當光從一種介質（1）照射到另一種介質（2）的界面時，一部分光在界面上改變方向返回介質（1），稱為光光的反射的反射。另一部分光則改變方向以r的角度（折射角）進入介質（2），這種現(xiàn)象稱為光的折射光的折射。棱鏡的分光作用就是基于物質對光的

17、折射作用。iiNN法 線入 射 光線反 射 光線折 射 光線ri 入 射 角 r 折 射 角12介 質 二介 質 一 Tarim University 2007l折射率：折射率： 折射的程度用折射率n表示 介質的折射率定義為：光在真空中的速度C1與光在該介質中的速度C2之比（兩種介質的相對折射率） 21ccn Tarim University 20072. 反射反射l當光通過具有不同折射率的兩種當光通過具有不同折射率的兩種介質的界面時會產生反射。介質的界面時會產生反射。l反射率（反射分數(shù)）：反射率（反射分數(shù)）： 12120nnnnIIrIr, Io分別為入射光和反射光強度分別為入射光和反射光強

18、度 n1,n2分別為光在介質分別為光在介質1和介質和介質2種的折射率。種的折射率。當光由空氣（當光由空氣（n=1.00029）通過玻璃（）通過玻璃（n=1.5）時，在）時，在每一空氣每一空氣-玻璃界面約有玻璃界面約有40%的反射損失，這種損失存在于的反射損失，這種損失存在于各種光學儀器中，尤其是有多個界面的光學儀器。各種光學儀器中，尤其是有多個界面的光學儀器。 由物質的折射率求出該物質的濃度或純度的方法稱為由物質的折射率求出該物質的濃度或純度的方法稱為折射法。折射法。問題：為何光學儀器的鏡頭看起來是藍紫色的？ Tarim University 20072.7 偏振偏振l 平面偏振光：平面偏振光

19、： 自然光是一種復合光，電磁輻射的電場矢量分布在垂直傳播方向的平面上的任何方向。當它通過某一物質后，某一方向的振動保留下來，另一方向的振動被消除，這種只在某一固定方向有電場矢量或磁場矢量的光稱為平面偏振光平面偏振光。l 左旋圓偏振光和右旋圓偏振光：左旋圓偏振光和右旋圓偏振光： 對著光的傳播方向，電場矢量振動方向沿著反時針方向旋轉的稱為左旋偏振光。沿著順時針方向旋轉的稱為右旋圓偏振光。l 當平面偏振光進入非旋光物質時，左、右圓偏振光的傳播速度一樣，任何時刻他們的矢量疊加形成的平面振動方向始終不變。 Tarim University 2007l旋光旋光，旋光活性物質，旋光活性物質，旋光度旋光度 當

20、平面偏振光進入旋光物質時，由于其折射率不同，導致左、右圓偏振光的傳播速度不一樣，是疊加形成的平面振動光的振動方向發(fā)生變化，旋轉了一個角度，這種現(xiàn)象稱為旋光。l產生旋光的物質稱為旋光活性物質；l角度稱為旋光度；l基于旋光原理的分析方法稱為旋光色散法。 Tarim University 2007l另一種情況是平面偏振光與物質作用后，物質對左、右圓偏振光的吸收程度不一樣，導致左右圓偏振光的振幅不同。l兩個振幅不同的、并沿著相反方向旋轉前進的圓偏振光的合成矢量是一種橢圓旋轉，形成橢圓偏振光橢圓偏振光。l用橢圓率表示兩種圓偏振吸收系數(shù)的差別而建立的分析方法稱為圓二色法圓二色法。 Tarim Univer

21、sity 2007第三節(jié)第三節(jié) 光學分析法的分類光學分析法的分類l2.1 2.1 光學分析法光學分析法（optical analysis）：是基于電磁輻射與物質相互作用后產生的輻射信號或發(fā)生的光學性質（如吸收，發(fā)射，散射，衍射等）變化來測定物質的性質、含量和結構的一類分析方法。分為非光譜法（nonspectrum method）和光譜法（spectrum method）l2.1.1 2.1.1 非光譜法非光譜法（nonspectrum method）：不涉及物質內部能級的躍遷，通過測量光與物質相互作用時的折射、反射、散射、衍射、色散、干涉、偏振光等性質的變化而建立起來的分析方法。有折射法、光散

22、色法、干涉法、衍射法、旋光法、圓二向色譜法。如濁度法、糖量計、旋光儀、x射線衍射法等。l2.1.2 2.1.2 光譜分析光譜分析(spectroscopic analysis)：是物質與光相互作用時物質內部發(fā)生了量子化能級間的躍遷，從而測定（發(fā)射或吸收）光譜的波長和強度進行分析的方法。l光譜法分為原子光譜法和分子光譜法 Tarim University 2007光譜法分為原子光譜法和分子光譜法光譜法分為原子光譜法和分子光譜法l原子光譜原子光譜（線性光譜）（線性光譜）法法: :是由原子外層或內層電子能級的變化產生的，它的表現(xiàn)形式為線光譜l分析方法分析方法有原子發(fā)射光譜（AES） 原子吸收光譜（A

23、AS） 原子熒光光譜（AFS） x射線熒光光譜法（XFS） 基于原子核與射線作用的穆斯堡譜基于原子核與射線作用的穆斯堡譜 Tarim University 2007 分子光譜（帶狀光譜）：分子光譜（帶狀光譜）：基于分子中電子能級、振-轉能級躍遷； 是由分子中電子能級、振動和轉動能級的變化產生的，表現(xiàn)形式為帶光譜分析方法: 紫外光譜法（UV）； 紅外光譜法（IR）； 分子熒光光譜法（MFS）； 分子磷光光譜法（MPS）； 核磁共振與順磁共振波譜 Tarim University 2009各種光分析法簡介各種光分析法簡介(1)1.1.原子發(fā)射光譜分析法原子發(fā)射光譜分析法atomic emissio

24、n spectrum,AES 以火焰、電弧、等離子炬等作為光源，使氣態(tài)原子的外層電子受激發(fā)射出特征光譜進行定量分析的方法。2.2.原子吸收光譜分析法原子吸收光譜分析法 atomic absorption spectrum,AAS 利用特殊光源發(fā)射出待測元素的共振線，并將溶液中離子轉變成氣態(tài)原子后，測定氣態(tài)原子對共振線吸收而進行的定量分析方法。 Tarim University 2009思考：思考： 原子吸收光譜和原子發(fā)射光譜的區(qū)別原子吸收光譜和原子發(fā)射光譜的區(qū)別 Tarim University 20093.3.原子熒光分析法原子熒光分析法 氣態(tài)原子吸收特征波長的輻射后，外層電子從基態(tài)或低能態(tài)

25、躍遷到高能態(tài)，在10-8s后躍回基態(tài)或低能態(tài)時，發(fā)射出與吸收波長相同或不同的熒光輻射，在與光源成90度的方向上，測定熒光強度進行定量分析的方法。 4.4.分子熒光分析法分子熒光分析法 molecular fluorescence spectrometry 某些物質被紫外光照射激發(fā)后，在回到基態(tài)的過程中發(fā)射出比原激發(fā)波長更長的熒光，通過測量熒光強度進行定量分析的方法。 各種光分析法簡介各種光分析法簡介(2) Tarim University 20096. X射線熒光分析法射線熒光分析法 X-ray fluorescence analysis, X-ray fluorimetry 原子受高能輻射，

26、其內層電子發(fā)生能級躍遷，發(fā)射出特征X射線（ X射線熒光），測定其強度可進行定量分析。5. 分子磷光分析法分子磷光分析法 Molecular phosphorimetric analysis 處于第一最低單重激發(fā)態(tài)分子以無輻射弛豫方式進入第一三重激發(fā)態(tài)，再躍遷返回基態(tài)發(fā)出磷光。測定磷光強度進行定量分析的方法。各種光分析法簡介各種光分析法簡介(3) Tarim University 20097. 化學發(fā)光分析法化學發(fā)光分析法 chemiluminescence analysis 利用化學反應提供能量，使待測分子被激發(fā)，返回基態(tài)時發(fā)出一定波長的光，依據(jù)其強度與待測物濃度之間的線性關系進行定量分析的方

27、法。8. 紫外可見吸收光譜紫外可見吸收光譜ultraviolet-visible absorption spectrum利用溶液中分子吸收紫外和可見光產生躍遷所記錄的吸收光譜圖，可進行化合物結構分析，根據(jù)最大吸收波長強度變化可進行定量分析。 各種光分析法簡介各種光分析法簡介(4) Tarim University 20099.紅外吸收光譜分析法紅外吸收光譜分析法 infrared absorption spectrometry 利用分子中基團吸收紅外光產生的振動-轉動吸收光譜進行定量和有機化合物結構分析的方法。 10.核磁共振波譜分析法核磁共振波譜分析法nuclear magnetic res

28、onance spectroscopy 在外磁場的作用下，核自旋磁矩與磁場相互作用而裂分為能量不同的核磁能級，吸收射頻輻射后產生能級躍遷，根據(jù)吸收光譜可進行有機化合物結構分析 。各種光分析法簡介各種光分析法簡介(5) Tarim University 200911.順磁共振波譜分析法順磁共振波譜分析法 paramagnetic resonance spectroscopy 在外磁場的作用下，電子的自旋磁矩與磁場相互作用而裂分為磁量子數(shù)不同的磁能級，吸收微波輻射后產生能級躍遷，根據(jù)吸收光譜可進行結構分析 。 12.旋光法旋光法 polarimetry 溶液的旋光性與分子的非對稱結構有密切關系，可

29、利用旋光法研究某些天然產物及配合物的立體化學問題，旋光計測定糖的含量。 各種光分析法簡介各種光分析法簡介(6) Tarim University 200913.衍射法衍射法 diffraction X射線衍射X-ray diffraction：研究晶體結構，不同晶體具有不同衍射圖。 電子衍射：電子衍射electron diffraction analysis是透射電子顯微鏡的基礎，研究物質的內部組織結構。幾個名詞幾個名詞 Spectrometry 光譜法 spectrum光譜 spectroscopy光譜學 spectrometer光譜儀各種光分析法簡介各種光分析法簡介(7) Tarim Un

30、iversity 2009光譜儀器通常包括五個基本單元：1.光源；2.單色器；3.樣品池；4.檢測器；5.顯示與數(shù)據(jù)處理；光譜法儀器光譜法儀器 Tarim University 2009三種光分析法測量過程示意圖三種光分析法測量過程示意圖 Tarim University 2009光分析法儀器的基本單元光分析法儀器的基本單元1. 1. 光源光源 依據(jù)方法不同，采用不同的光源：火焰、燈、激光、電火焰、燈、激光、電火花、電弧火花、電弧等；依據(jù)光源性質不同，分為：連續(xù)光源連續(xù)光源：在較大范圍提供連續(xù)波長的光源，氫燈氫燈、氘燈、鎢絲燈、氘燈、鎢絲燈等；線光源線光源：提供特定波長的光源，金屬蒸氣燈金屬蒸

31、氣燈(汞燈、鈉蒸氣燈)、空心陰極空心陰極燈、激光燈、激光等； Tarim University 20092.2.單色器單色器單色器單色器：獲得高光譜純度輻射束的裝置，而輻射束的波長 可在很寬范圍內任意改變； 主要部件主要部件：（1）進口狹縫進口狹縫；（2）準直裝置準直裝置(透鏡或反射鏡)：使輻射束成為平行光線； （3）色散裝置色散裝置(棱鏡、光柵)：使不同波長的輻射以不同的 角度進行傳播；（4）聚焦透鏡或凹面反射鏡聚焦透鏡或凹面反射鏡，使每個單色光束在單色器 的出口曲面上成像。 Tarim University 2009 Tarim University 2009棱鏡棱鏡 棱鏡對不同波長的光具有不同的折射率，波長長的光，折射率??；波長短的光，折射率大。 平行光經(jīng)過棱鏡后按波長順序排列成為單色光；經(jīng)聚焦后在焦面上的不同位置上成像，獲得按波長展開的光譜； 棱鏡的分辨能