光分析法概論-2012

光學(xué)分析法概論AnIntroductiontoOpticalAnalysis第三章一、光分析及其特點(diǎn)opticalanalysisanditsfeature

二、電磁輻射的基本性質(zhì)propertiesofelectromagneticradiation三、光分析法的分類classificationofopticalanalysis四、各種光分析法簡(jiǎn)介abriefintroductionofopticalanalysis

五、光分析的進(jìn)展developmentof

opticalanalysis六、光譜法儀器與光學(xué)器件Instrumentsforspectrametryandopticalparts內(nèi)容概要一、光分析法及其特點(diǎn)

opticalanalysisanditscharacteristics

光分析法：基于電磁輻射能量與待測(cè)物質(zhì)相互作用后所產(chǎn)生的輻射信號(hào)與物質(zhì)組成及結(jié)構(gòu)關(guān)系所建立起來(lái)的分析方法；

電磁輻射范圍：射線～無(wú)線電波所有范圍；

相互作用方式：發(fā)射、吸收、反射、折射、散射、干涉、衍射等；

光分析法在研究物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)表征、表面分析等方面具有其他方法不可取代的地位；三個(gè)基本過(guò)程：（1）能源提供能量；（2）能量與被測(cè)物之間的相互作用；（3）產(chǎn)生信號(hào)。

基本特點(diǎn)：（1）所有光分析法均包含三個(gè)基本過(guò)程；（2）選擇性測(cè)量，不涉及混合物分離（不同于色譜分析）；（3）涉及大量光學(xué)元器件。二、電磁輻射的基本性質(zhì)

basic

propertiesofelectromagneticradiation

電磁輻射（電磁波）：以接近光速（真空中為光速）傳播的能量；

c=λν=ν/σ

E=hν=hc/λc：光速；λ：波長(zhǎng)；ν：頻率；σ：波數(shù)；E：能量；h：普朗克常數(shù)電磁輻射具有波動(dòng)性和微粒性；輻射能的特性：

(1)吸收

物質(zhì)選擇性吸收特定頻率的輻射能，并從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)；

(2)

發(fā)射

將吸收的能量以光的形式釋放出；

(3)散射

丁鐸爾散射和分子散射；

(4)折射

折射是光在兩種介質(zhì)中的傳播速度不同；

(5)反射

(6)干涉

干涉現(xiàn)象；

(7)衍射

光繞過(guò)物體而彎曲地向他后面?zhèn)鞑サ默F(xiàn)象；

(8)偏振

只在一個(gè)固定方向有振動(dòng)的光稱為平面偏振光。三、光分析分類

typeof

opticalanalysis

光譜法——基于物質(zhì)與輻射能作用時(shí)，分子發(fā)生能級(jí)躍遷而產(chǎn)生的發(fā)射、吸收或散射的波長(zhǎng)或強(qiáng)度進(jìn)行分析的方法；原子光譜、分子光譜、非光譜法

原子光譜（線性光譜）：最常見(jiàn)的三種基于原子外層電子躍遷的原子吸收光譜（AAS）；

原子發(fā)射光譜（AES）、原子熒光光譜（AFS）；

基于原子內(nèi)層電子躍遷的X射線熒光光譜（XFS）；

基于原子核與射線作用的穆斯堡譜；分子光譜（帶狀光譜）：

基于分子中電子能級(jí)、振-轉(zhuǎn)能級(jí)躍遷；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（NMR）；

非光譜法：

不涉及能級(jí)躍遷，物質(zhì)與輻射作用時(shí)，僅改變傳播方向等物理性質(zhì)；偏振法、干涉法、旋光法等；

原子光譜圖—線形光譜分子光譜圖—帶狀光譜原子光譜與分子光譜的區(qū)別光分析法光譜分析法非光譜分析法原子光譜分析法分子光譜分析法原子吸收光譜原子發(fā)射光譜原子熒光光譜X射線熒光光譜折射法圓二色性法X射線衍射法干涉法旋光法紫外光譜法紅外光譜法分子熒光光譜法分子磷光光譜法核磁共振波譜法光譜分析法吸收光譜法發(fā)射光譜法原子光譜法分子光譜法原子發(fā)射原子吸收原子熒光X射線熒光原子吸收紫外可見(jiàn)紅外可見(jiàn)核磁共振紫外可見(jiàn)紅外可見(jiàn)分子熒光分子磷光核磁共振化學(xué)發(fā)光原子發(fā)射原子熒光分子熒光分子磷光X射線熒光化學(xué)發(fā)光四、各種光分析法簡(jiǎn)介

abriefintroductionofopticalanalysis

1.原子發(fā)射光譜分析法

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(jìn)行定量分析的方法。2.原子吸收光譜分析法

利用特殊光源發(fā)射出待測(cè)元素的共振線，并將溶液中離子轉(zhuǎn)變成氣態(tài)原子后，測(cè)定氣態(tài)原子對(duì)共振線吸收而進(jìn)行的定量分析方法。3.原子熒光分析法

氣態(tài)原子吸收特征波長(zhǎng)的輻射后，外層電子從基態(tài)或低能態(tài)躍遷到高能態(tài)，在10-8s后躍回基態(tài)或低能態(tài)時(shí)，發(fā)射出與吸收波長(zhǎng)相同或不同的熒光輻射，在與光源成90度的方向上，測(cè)定熒光強(qiáng)度進(jìn)行定量分析的方法。

4.分子熒光分析法

某些物質(zhì)被紫外光照射激發(fā)后，在回到基態(tài)的過(guò)程中發(fā)射出比原激發(fā)波長(zhǎng)更長(zhǎng)的熒光，通過(guò)測(cè)量熒光強(qiáng)度進(jìn)行定量分析的方法。

利用溶液中分子吸收紫外和可見(jiàn)光產(chǎn)生躍遷所記錄的吸收光譜圖，可進(jìn)行化合物結(jié)構(gòu)分析，根據(jù)最大吸收波長(zhǎng)強(qiáng)度變化可進(jìn)行定量分析。

9.紅外吸收光譜分析法

利用分子中基團(tuán)吸收紅外光產(chǎn)生的振動(dòng)-轉(zhuǎn)動(dòng)吸收光譜進(jìn)行定量和有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)分析的方法。

10.核磁共振波譜分析法

在外磁場(chǎng)的作用下，核自旋磁矩與磁場(chǎng)相互作用而裂分為能量不同的核磁能級(jí)，吸收射頻輻射后產(chǎn)生能級(jí)躍遷，根據(jù)吸收光譜可進(jìn)行有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)分析。

8.紫外吸收光譜分析法12.X射線熒光分析法

原子受高能輻射，其內(nèi)層電子發(fā)生能級(jí)躍遷，發(fā)射出特征X射線（X射線熒光），測(cè)定其強(qiáng)度可進(jìn)行定量分析。13.化學(xué)發(fā)光分析法

利用化學(xué)反應(yīng)提供能量，使待測(cè)分子被激發(fā)，返回基態(tài)時(shí)發(fā)出一定波長(zhǎng)的光，依據(jù)其強(qiáng)度與待測(cè)物濃度之間的線性關(guān)系進(jìn)行定量分析的方法。11.分子磷光分析法

處于第一最低單重激發(fā)態(tài)分子以無(wú)輻射弛豫方式進(jìn)入第一三重激發(fā)態(tài)，再躍遷返回基態(tài)發(fā)出磷光。測(cè)定磷光強(qiáng)度進(jìn)行定量分析的方法。11.順磁共振波譜分析法

在外磁場(chǎng)的作用下，電子的自旋磁矩與磁場(chǎng)相互作用而裂分為磁量子數(shù)不同的磁能級(jí)，吸收微波輻射后產(chǎn)生能級(jí)躍遷，根據(jù)吸收光譜可進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。

12.旋光法

溶液的旋光性與分子的非對(duì)稱結(jié)構(gòu)有密切關(guān)系，可利用旋光法研究某些天然產(chǎn)物及配合物的立體化學(xué)問(wèn)題，旋光計(jì)測(cè)定糖的含量。

13.衍射法

X射線衍射：研究晶體結(jié)構(gòu)，不同晶體具有不同衍射圖。電子衍射：電子衍射是透射電子顯微鏡的基礎(chǔ)，研究物質(zhì)的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)。五、光分析方法的進(jìn)展

developmentofopticalanalysis

1.采用新光源，提高靈敏度級(jí)聯(lián)光源：電感耦合等離子體-輝光放電；激光蒸發(fā)-微波等離子體

2.

聯(lián)用技術(shù)電感耦合高頻等離子體（ICP）—質(zhì)譜激光質(zhì)譜：靈敏度達(dá)10-20g3.新材料光導(dǎo)纖維傳導(dǎo)，損耗少；抗干擾能力強(qiáng)；

4.交叉

電致發(fā)光分析；光導(dǎo)纖維電化學(xué)傳感器

5.檢測(cè)器的發(fā)展

電荷耦合陣列檢測(cè)器光譜范圍寬、量子效率高、線性范圍寬、多道同時(shí)數(shù)據(jù)采集、三維譜圖，將取代光電倍增管；光二極激光器代替空心陰極燈，使原子吸收可進(jìn)行多元素同時(shí)測(cè)定；三種光分析法測(cè)量過(guò)程示意圖

六、光分析法儀器的基本流程

generalprocessofspectrometry

光譜儀器通常包括五個(gè)基本單元：光源；單色器；樣品；檢測(cè)器；顯示與數(shù)據(jù)處理；七、光分析法儀器的基本單元

mainpartsofspectrometry

1.光源依據(jù)方法不同，采用不同的光源：火焰、燈、激光、電火花、電弧等；依據(jù)光源性質(zhì)不同，分為：

連續(xù)光源：在較大范圍提供連續(xù)波長(zhǎng)的光源，氫燈、氘燈、鎢絲燈等；

線光源：提供特定波長(zhǎng)的光源，金屬蒸氣燈(汞燈、鈉蒸氣燈)、空心陰極燈、激光等；2.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(zhǎng)可在很寬范圍內(nèi)任意改變；

主要部件：（1）進(jìn)口狹縫；（2）準(zhǔn)直裝置(透鏡或反射鏡)：使輻射束成為平行光線；（3）色散裝置(棱鏡、光柵)：使不同波長(zhǎng)的輻射以不同的角度進(jìn)行傳播；

（4）聚焦透鏡或凹面反射鏡，使每個(gè)單色光束在單色器的出口曲面上成像。棱鏡(Prism)

棱鏡對(duì)不同波長(zhǎng)的光具有不同的折射率，波長(zhǎng)長(zhǎng)的光，折射率?。徊ㄩL(zhǎng)短的光，折射率大。平行光經(jīng)過(guò)棱鏡后按波長(zhǎng)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(zhǎng)展開(kāi)的光譜；

棱鏡的分辨能力取決于棱鏡的幾何尺寸和材料；棱鏡的光學(xué)特性可用色散率和分辨率來(lái)表征；光柵(Grating)透射光柵，反射光柵；光柵光譜的產(chǎn)生是多狹縫干涉與單狹縫衍射共同作用的結(jié)果，前者決定光譜出現(xiàn)的位置，后者決定譜線強(qiáng)度分布；狹縫(Slit)

單色器的進(jìn)口狹縫起著單色器光學(xué)系統(tǒng)虛光源的作用。復(fù)合光經(jīng)色散元件分開(kāi)后，在出口曲面上形成相當(dāng)于每條光譜線的像，即光譜。轉(zhuǎn)動(dòng)色散元件可使不同波長(zhǎng)的光譜線依次通過(guò)。分辨率大小不僅與色散元件的性能有關(guān)，也取決于成像的大小，因此希望采用較窄的進(jìn)口狹縫。分辨率用來(lái)衡量單色器能分開(kāi)波長(zhǎng)的最小間隔的能力；最小間隔的大小用有效帶寬表示：

S=DWD為線色散率的倒數(shù)；W為狹縫寬度；

在原子發(fā)射光譜分析中，定性分析時(shí)，減小狹縫寬度，使相鄰譜線的分辨率提高；定量分析時(shí)，增大狹縫寬度，可使光強(qiáng)增加。狹縫兩邊的邊緣應(yīng)銳利且位于同一平面上；3.試樣裝置

光源與試樣相互作用的場(chǎng)所（1）吸收池(cell)

紫外-可見(jiàn)分光光度法：石英比色皿熒光分析法：紅外分光光度法：將試樣與溴化鉀壓制成透明片（2）特殊裝置原子吸收分光光度法：霧化器中霧化，在火焰中，元素由離子態(tài)→原子