《光学分析法基础》PPT课件.ppt

21 27 36 第一章光学分析法基础 1 1光学分析法及其特点1 2电磁辐射的基本性质1 3光学分析法分类1 4各种光学分析方法简介1 5光学分析法进展 第一节光学分析法概述 Introductiontoopticalanalysis Fundamentalofopticalanalysis 21 27 36 1 1光学分析法及其特点 光分析法 基于电磁辐射能量与待测物质相互作用后所产生的辐射信号与物质组成及结构关系所建立起来的分析方法 电磁辐射范围 射线 无线电波所有范围 相互作用方式 发射 吸收 反射 折射 散射 干涉 衍射等 光分析法在研究物质组成 结构表征 表面分析等方面具有其他方法不可取代的地位 21 27 36 光学分析的三个基本过程 1 能源提供能量 2 能量与被测物之间的相互作用 3 产生信号 基本特点 1 所有光分析法均包含三个基本过程 2 选择性测量 不涉及混合物分离 不同于色谱分析 3 涉及大量光学元器件 21 27 36 1 1 2电磁辐射的基本性质 电磁辐射 电磁波 以巨大速度 接近光速真空中为光速 通过空间传播不需要以任何物质作为传播媒介的一种能量 c E h hc c 光速 波长 频率 波数 E 能量 h 普朗克常数电磁辐射具有波动性和微粒性 21 27 36 一 光的波动性电磁辐射为正弦波 波长 频率 速度 振幅 与其它波 如声波不同 电磁波不需传播介质 可在真空中传输 频率 为空间某点的电场每秒钟达到正极大值的次数周期 两个相邻矢量极大 或极小 通过空间某固定点所需的时间间隔叫做辐射的周期波长 电磁辐射转播的速度v 波数 是1cm内波的数目 1 21 27 36 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 Photoelectriceffect 现象 1887 HeinrichHetz 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 21 27 36 2 能态 Energystate 量子理论 MaxPlanck 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 21 27 36 光与物质的相互作用 1 吸收 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 2 发射 将吸收的能量以光的形式释放出 3 散射 丁铎尔散射和分子散射 4 折射 折射是光在两种介质中的传播速度不同 5 反射 6 干涉 干涉现象 7 衍射 光绕过物体而弯曲地向后面传播的现象 8 偏振 只在一个固定方向有振动的光称为平面偏振光 21 27 36 丁铎尔散射 光通过含有许多大质点 其颗粒大小的数量级等于光波的波长 的介质时产生的散射光 乳浊液 悬浮物溶液 胶体溶液等所引起的散射 分子散射 瑞利散射和拉曼散射 辐射能与比辐射波长小得多的分子或分子聚集体之间的相互作用而产生的 21 27 36 1 瑞利散射 光子与分子间 弹性碰撞 入射光能量小 分子外层电子不跃迁 分子跃迁到 受激虚态 较高的振动能级 不稳定 在10 15 10 12s回到基态 将吸收的能量以入射光同样的波长释放 相当于光子改变了运动方向 21 27 36 2 拉曼散射 光子与分子间 非弹性碰撞 有能量变化 产生与入射光波长不同的散射光 拉曼散射光 波长短于入射光的称为 反斯托克线 反之称为 斯托克线 21 27 36 3 拉曼位移 拉曼散射光与瑞利散射光的频率差 与物质分子的振动与转动能级有关 不同分子有不同的拉曼位移 拉曼位移是表征物质分子振动 转动能级特性的一个物理量 反映了分子极化率的变化 可用于物质的结构分析 0拉曼位移 21 27 36 21 27 36 21 27 36 电磁波谱的排列从上到下随波长的逐渐增大 频率和光量子的能量逐渐减小 量变 质变 a 高能辐射区 核能级跃迁X内层电子能级b 光学光谱区紫外可见红外c 低能辐射区微波区射频区 21 27 36 1 1 3光学分析法的分类 光谱法 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 原子光谱 分子光谱 非光谱法原子光谱 线性光谱 最常见的三种基于原子外层电子跃迁的原子吸收光谱 AAS 原子发射光谱 AES 原子荧光光谱 AFS 基于原子内层电子跃迁的X射线荧光光谱 XFS 基于原子核与射线作用的穆斯堡谱 21 27 36 分子光谱 带状光谱 基于分子中电子能级 振 转能级跃迁 紫外光谱法 UV 红外光谱法 IR 分子荧光光谱法 MFS 分子磷光光谱法 MPS 核磁共振与顺磁共振波谱 N 非光谱法 不涉及能级跃迁 物质与辐射作用时 仅改变传播方向等物理性质 偏振法 干涉法 旋光法等 21 27 36 21 27 36 21 27 36 1 1 4各种光学分析方法简介 1 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 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 21 27 36 3 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 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 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 21 27 36 6 X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 化学发光分析法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 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 21 27 36 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 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 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 21 27 36 11 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 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 衍射法X射线衍射 研究晶体结构 晶体衍射图和数据 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 21 27 36 1 1 5光学分析法的进展 1 采用新光源 提高灵敏度级联光源 电感耦合等离子体 辉光放电 激光蒸发 微波等离子体 2 联用技术电感耦合高频等离子体 ICP 质谱 激光质谱 灵敏度达10 20g 3 新材料光导纤维传导 损耗少 抗干扰能力强 21 27 36 4 交叉 电致发光分析 光导纤维电化学传感器 5 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同时测定 21 27 36 三种光学分析法测量过程示意图 21 27 36 内容选择 结束 1 1光学分析法基础1 2原子光谱与分子光谱1 3光谱法仪器与光学器件1 4光学分析法的进展 21 27 36 第一章光学分析法基础 1 2 1原子光谱1 2 2分子光谱 第二节原子光谱与分子光谱 Atomspectrumandmolecularspectrum Fundamentalofopticalanalysis 21 27 36 1 2 1原子光谱 核外电子的运动状态原子核外电子的运动状态可以用主量子数n 角量子数l 磁量子数m和自旋量子数s来描述 光谱项原子的能量状态需要用以n L S J四个量子数为参数的光谱项来表征 21 27 36 1 光谱项符号原子外层有一个电子时 其能级可由四个量子数决定 主量子数n 角量子数l 磁量子数m 自旋量子数s 原子外层有多个电子时 价电子用主量子数n 总角量子数L 总自旋量子数S 总内量子数J来描述 21 27 36 总角量子数 L l外层价电子角量子数的矢量和 2L 1 个L l1 l2 l1 l2 1 l1 l2 分别用s p d f 表示 L 0 1 2 3 例 碳原子 基态的电子层结构 1s 2 2s 2 2p 2 两个外层2p电子 L 2 1 0 21 27 36 总自旋量子数 S s 外层价电子自旋量子数的矢量和 2S 1 个S 0 1 2 s或S 0 1 2 3 2 s例 碳原子 基态的电子层结构 1s 2 2s 2 2p 2 两个外层2p电子 S 0 1 3个不同值 L与S之间存在相互作用 可裂分产生 2S 1 个能级 这就是原子光谱产生光谱多重线的原因 用M表示 称为谱线的多重性 21 27 36 例 钠原子 一个外层电子 S 1 2 因此 M 2S 1 2 双重线 碱土金属 两个外层电子 自旋方向相同时 S 1 2 1 2 1 M 3 三重线自旋方向相反时 S 1 2 1 2 0 M 1 单重线 21 27 36 内量子数J 内量子数J取决于总角量子数L和总自旋量子数S的矢量和 J L S L S 1 L S 若L S 其数值共 2S 1 个 若L S 其数值共 2L 1 个 例 L 2 S 1 则J有三个值 J 3 2 1 L 0 S 1 2 则J仅有一个值1 2 J值称光谱支项 21 27 36 原子的能级通常用光谱项符号表示 nMLJn 主量子数 M 谱线多重性符号 L 总角量子数 J 内量子数 钠原子的光谱项符号32S1 2 表示钠原子的电子处于 n 3 M 2 S 1 2 L 0 J 1 2的能级状态 基态能级 21 27 36 电子能级跃迁的表示 一条谱线是原子的外层电子在两个能级之间的跃迁产生的 可用两个光谱项符号表示各种跃迁或跃迁谱线 例钠原子的双重线Na5889 96 32S1 2 32P3 2 Na5895 93 32S1 2 32P1 2 21 27 36 电子能级跃迁的选择定则 根据量子力学原理 电子的跃迁不能在任意两个能级之间进行 必须遵循一定的 选择定则 1 主量子数的变化 n为整数 包括零 2 总角量子数的变化 L 1 3 内量子数的变化 J 0 1 但是当J 0时 J 0的跃迁被禁阻 4 总自旋量子数的变化 S 0 即不同多重性状态之间的跃迁被禁阻 21 27 36 2 能级图 元素的光谱线系常用能级图来表示 最上面的是光谱项符号 最下面的横线表示基态 上面的表示激发态 可以产生的跃迁用线连接 线系 由各种高能级跃迁到同一低能级时发射的一系列光谱线 21 27 36 3 共振线 元素由基态到第一激发态的跃迁最易发生 需要的能量最低 产生的谱线也最强 该谱线称为共振线 也称为该元素的特征谱线 21 27 36 1 2 2分子光谱 原子光谱为线状光谱 分子光谱为带状光谱 为什么分子光谱为带状光谱 原子光谱图 分子光谱图 21 27 36 1 分子中的能量 E Ee Ev Er En Et Ei分子中原子的核能 En分子的平移能 Et电子运动能 Ee原子间相对振动能 Ev分子转动能 Er基团间的内旋能 Ei 在一般化学反应中 En不变 Et Ei较小 E Ee Ev Er分子产生跃迁所吸收能量的辐射频率 Ee h Ev h Er h 21 27 36 2 双原子分子能级图 分子中价电子位于自旋成对的单重基态S0分子轨道上 当电子被激发到高能级上时 若激发态与基态中的电子自旋方向相反 称为单重激发态 以S1 S2 表示 反之 称为三重激发态 以T1 T2 表示 单重态分子具有抗磁性 三重态分子具有顺磁性 跃迁至单重激发态的几率大寿命长 21 27 36 3 跃迁类型与分子光谱 分子光谱复杂 电子跃迁时带有振动和转动能级跃迁 分子紫外 可见吸收光谱 纯电子跃迁引起的 故又称电子光谱 谱带比较宽 分子红外吸收光谱 基团的振动和转动能级跃迁引起的 故也称振转光谱 分子荧光光谱 电子跃迁至单重激发态 并以无辐射弛豫方式回到第一单重激发态的最低振动能级 再跃回基态 分子磷光光谱 处于第一最低单重激发态的分子以无辐射弛豫方式回到第一最低三重激发态 再跃迁回到基态 21 27 36 内容选择 结束 1 1光学分析法基础1 2原子光谱与分子光谱1 3光谱法仪器与光学器件1 4光学分析法的进展 21 27 36 第三节光谱分析仪器与光学器件 1 3 1光谱法仪器的基本流程1 3 2光谱仪器的基本器件 第一章光学分析法基础 Instrumentsforspectro metryandopticalparts Fundamentalofopticalanalysis 21 27 36 1 3 1光谱分析法仪器的基本流程 光谱仪器通常包括五个基本单元 光源 单色器 样品 检测器 显示与数据处理 21 27 36 1 3 2光谱仪器的基本单元 1 光源依据方法不同 采用不同光源 火焰 灯 激光 电火花 电弧等 依据光源性质不同 分为 连续光源 在较大范围提供连续波长的光源 氢灯 氘灯 钨丝灯等 线光源 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 21 27 36 2 单色器 单色器 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 进口狭缝 准直装置 透镜或反射镜 色散装置 棱镜 光栅 21 27 36 1 棱镜 棱镜对不同波长的光有不同的折射率 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 21 27 36 棱镜的特性与参数 a 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 21 27 36 b 分辨率 相邻两条谱线分开程度的度量 两条相邻谱线的平均波长 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 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 21 27 36 2 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 21 27 36 a 光栅的特性 ABCDE表示平面光栅的一段 光线L在AJF面同相 到达AKI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 21 27 36 光栅的特性 如果 d AC CEJC 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 反之取负值 当n 0时 零级光谱 衍射角与波长无关 无分光作用 21 27 36 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 21 27 36 b 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和光谱级数n 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 21 27 36 光栅的线色散率 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 21 27 36 光栅的分辨率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 1 50 1200 6 104 21 27 36 中阶梯光栅 特点 刻线数较少 且呈锯齿状 每一个阶梯状刻槽的宽度是其高度的几倍 阶梯之间的距离是欲色散波长的10 200倍 闪耀角大 21 27 36 中阶梯光栅 一般来讲 中阶梯光栅多在 时使用 光栅方程式为 n 2 d sin 则中阶梯光栅的分辨率为 W 254mm 在紫外区的分辨率可达到106以上 21 27 36 将中阶梯光栅与低色散率的棱镜配合使用 可使200 800nm的光谱形成光谱级 波长的二维光谱 全部谱集中在40mm2的聚焦面上 特别适合多道检测器的同时检测 21 27 36 凹面光栅 既具有色散作用也起聚焦作用 凹面反射镜将色散后的光聚焦 在圆的焦面上设置一系列出口狭缝 则可以同时获得各种波长的单色光 21 27 36 狭缝 单色器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 21 27 36 在原子发射光谱定性分析时 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 21 27 36 3 试样装置 光源与试样相互作用的场所 1 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 特殊装置原子吸收分光光度法 雾化