《光学分析方法导论》PPT课件.ppt

第二章 光谱分析方法导论,2.1 电磁辐射的描述 1. 光的波动性 2. 光的粒子性 2.2 电磁波谱 2.3 光谱仪器及其组成 光源 分光系统（棱镜和光栅、狭缝、光谱仪结构） 吸收池 光谱分析检测器 信号处理器或读出器,光谱分析方法的建立是以电磁辐射能与物质相互作用为基础。 利用光电转换或其它电子器件测定“辐射与物质相互作用”之后的辐射强度等光学特性，进行物质的定性和定量分析的方法。,1）波的叠加（Superposition）,3） 光的干涉（Coherent interference） 4） 光的传输（Transmission） 5） 光的反射（Reflection） 6） 光的折射（Refraction） 7）光的偏振（Polarization） 8）光的散射（Scattering）,2. 光的粒子性 当物质发射电磁辐射或者电磁辐射被物质吸收时，就会发生能量跃迁。此时，电磁辐射不仅具有波的特征，而且具有粒子性，最著名的例子是光电效应现象的发现。 1）光电效应（Photoelectric effect） 现象：1887，Heinrich Hetz（在光照时，两间隙间更 易发生火花放电现象） 解释：1905，Einstein理论，E=h 证明：1916，Millikan（真空光电管）,2） 能态（Energy state） 量子理论(Max Planck，1900)： 物质粒子总是处于特定的不连续的能量状态，即能量是量子化的；处于不同能量状态粒子之间发生能量跃迁时的能量差 E 可用 h 表示。 两个重要推论： 物质粒子存在不连续的能态，各能态具有特定的能量。当粒子的状态发生变化时，该粒子将吸收或发射完全等于两个能级之间的能量差。 反之亦是成立的，即 E =E1-E0=h,电子或者其它基本粒子,原子,离子,分子,轰击,原子*, 离子*,分子*,原子,离子,分子,X,激发,激发态,基态,基态,能量,发射,电弧,火花,火焰,原子,离子,分子,原子*,离子*,分子*,原子,离子,分子,UV,VIS,IR,激发,激发态,基态,基态,能量,发射,电磁辐射,原子,离子,分子,原子*, 离子*,分子*,原子、离子、分子,荧光,激发,激发态,基态,基态,能量,发射,3）电磁波的发射,产生的辐射通称为发射光谱，以辐射能对辐射频率或波长作图可得到发射光谱图：,受激粒子(分子、原子和离子)弛豫回到低能态或基态时，常常以光子形式释放多余的能量，产生电磁辐射。 激发可以通过如下途径实现：,放热的化学反应,能量,原子,离子,分子,基态,激发,原子*, 离子*,分子*,激发态,产生,化学发光,基态,原子、离子、分子,光谱组成 线光谱(Line spectra): 由处于气相的单个原子发生电子能级跃迁所产生的锐线，线宽大约为10-4A。 带状光谱(Band spectra): 由气态自由基或小分子振动-转动能级跃迁所产生的光谱，由于这些振动能级叠加在分子的基态电子能级上，各能级间的能量差较小，因而产生的谱线不易分辨开而形成所谓的带状光谱，其带宽达几个至几十个nm)；,连续光谱(Continuum spectra)： 固体被加热到炽热状态时，无数原子和分子的运动或振动所产生的热辐射，也称黑体辐射。通常产生背景干扰。温度越高，辐射越强，而且短波长的辐射强度增加得最快！ 另一方面，炽热的固体所产生连续辐射，它们是红外、可见及较长波长的重要辐射源（光源）。,4）电磁波的吸收 现象：当电磁辐射通过固体、液体或气体时，具一定频率(能量)的辐射将能量转移给处于基态的原 子、分子或离子，并跃迁至高能态，从而使这 些辐射被选择性地吸收。 原子吸收：原子吸收光谱分析(AAS); 分子吸收：紫外可见光度分析(UV-Vis)； 分子吸收：红外光谱分析(IR)及拉曼光谱(Raman) ； 核吸收：核磁共振光谱(NMR)。,2.2 电磁波谱,将电磁波按其波长（或频率、或能量）次序排列成谱，称为电磁波谱。,2.3 光谱仪器 光学光谱法是以吸收、荧光、磷光、散射、发射和化学发光六种现象为基础建立的。 虽然测定这些的仪器在构造上略有不同，但其基本部件大致相同。,典型的光谱仪由5部分组成： 光源，样品容器，色散元件，检测器（光电转换器)、信号处理器或读出装置（电子读出、数据处理及记录）。,吸收,荧光、磷光、 散射光,发射、化学发光,1、光源,对光源的要求：强度大（分析灵敏度高）、稳定（分析重现性好）。,光源分为连续光源和线光源 连续光源: 发射的辐射强度随波长的变化十分缓慢. 线光源: 发射数目有限的辐射线或辐射带，所包含的波长范围有限。 广泛应用于原子吸收光谱、原子和分子荧光光谱以及拉曼光谱中。,*Laser=light amplification by stimulated emission of radiation,2. 分光系统（monochromator, wavelength selector） 定义：将由不同波长的“复合光”分开为一系列“单一” 波长的“单色光”的器件。 理想的100%的单色光是不可能达到的，实 际上只能获得的是具有一定“纯度”的单色光，即 该“单色光具有一定的宽度（有效带宽）。有效 带宽越小，分析的灵敏度越高、选择性越好、 分析物浓度与光学响应信号的线性相关性也越 好。,构成：狭缝、准直镜、棱镜或光栅、会聚透镜。,增加角色散率 方式有三： 改变棱镜材料，玻璃比石英的折射率大，但玻璃只适于可见 光区； 增加棱镜顶角，多选 600； 增加棱镜数目，但由于设计及结构上的困难，最多用2个。 如Cornu棱镜和Littow棱镜。 棱镜可用来色散紫外、可见和红外辐射。,2）光栅 光栅与棱镜不同，是由衍射产生角色散。 制作：以特殊的工具（如钻石），在硬质、磨光的光 学平面上刻出大量紧密而平行的刻槽。以此为 母板，可用液态树脂在其上复制出光栅。制作 的光栅有平面透射光栅、平面反射光栅及凹面 反射光栅。刻制质量不高的光栅易产生散射线 及鬼线（Ghost lines）。 通常的刻线数为300-2000刻槽/mm。最常用的是1200-1400刻槽/mm（紫外可见）及100-200刻槽/mm（红外）。,3. 吸收池（Sample container，Cell，Cuvette） 除发射光谱外，其它所有光谱分析都需要吸收池。盛放试样的吸收池由光透明材料制成。 石英或熔融石英：紫外光区可见光区3m； 玻璃：可见光区（350-2000nm）； 透明塑料：可见光区（350-2000nm）； 盐窗（NaCl, NaBr晶体）：红外光区。,4. 光电转换器（Transducer） A）定义：光电转换器是将光辐射转化为可以测量的电信号的器件。 S = kP + kd = kP K:校正灵敏度；P：辐射功率；kd: 暗电流（可通过线路补偿，视为0） B）理想的光电转换器要求： 灵敏度高； S/N大； 暗电流小； 响应快且在宽的波段内响应恒定。,5信号处理装置和读出装置 一般信