仪器分析01-光分析导论

1、Introduction to Spectroscopy中南民族大学光分析导论光分析导论内容内容光分析概述原子光谱和分子光谱光分析的仪器和器件光分析概述光分析概述Introduction to Optical Analysis (spectrometric methods)光分析的基本原理光分析的基本原理(basic principles)光分析是以光为媒介进行的一种仪器分析方法(light as media)光作为入射源(light as source)光作为收集信号(light as signal)光媒介和样品发生了相互作用(interaction between light and sa

2、mple)反映了物理性质和化学性质(physical and/or chemical properties observed)光光(light)更广义上来说，应该用电磁波(electromagnetic wave)光照相当于电磁波辐射(electromagnetic radiation, ER)光的波粒二象性(duality of light)波： E = h = h c /= h cs能量，波长，光速，波数，频率，普朗克常数单位：焦耳，电子伏特粒子：光压(light pressure)，动量(momentum)等。光谱（光谱（spectrum)光谱光谱(spectrum)X-rayFar U

3、V紫外UV200-400 nm可见Visible400-800 nm红外IR2.5-15mFar IRMWRFBond breakage化学键破裂Electron transition电子跃迁Vibrational Transition振动跃迁RotationalTransition转动跃迁NuclearSpin核自转ElectronSpin电子自转核磁NMR1-5m波长Wavelength l频率Frequency n or 能量energy E光和物质的相互作用光和物质的相互作用(Interaction)物理作用(physical interaction)反射(reflection)折射(

4、refraction)散射(scattering)衍射(diffraction)干涉(interference)偏振(polarization)化学作用吸收和发射(absorption and emission)光和物质的相互作用光和物质的相互作用(interaction)根据量子理论，物质受到光照射后能量发生改变：DE = Efinal - Einitial = hn = hc/l 如果能量的变化为正， DE0, 为吸收absorption如果能量的变化为负， DE0, 为发射emission如果能量变化为零，则为反射、折射等纯粹物理现象只要能量发生了变化，这个变化对该物质而言是特征的cha

5、racteristic.光和物质的相互作用光和物质的相互作用(interaction)光的强度(intensity)光的强度变化反映了光和物质之间相互作用的本质nature(physical or chemical)光谱(spectroscopy)光的强度随频率或波长变化的曲线intensity vs. frequency or wavelength基态和激发态ground state and excited states弛豫 relaxation光分析分类光分析分类(classification)根据光和样品的相互作用来分非光谱法衍射、散射、干涉和偏振等光谱法（涉及到能级跃迁energy l

6、evel transition）原子光谱（线性光谱）atomic spectroscopy, line-shaped: 吸收、发射、荧光光谱等分子光谱（带状光谱）molecular spectroscopy, band-shaped：红外、紫外、可见光、拉曼、荧光、磷光、核磁共振等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原子子吸吸收收光光谱谱原原子子发发射射光光谱谱原原子子荧荧光光光光谱谱X射射线线荧荧光光光光谱谱折射法圆二色性法X射线衍射法干涉法旋光法紫紫外外光光谱谱法法红红外外光光谱谱法法分分子子荧荧光光光光谱谱法法分分子子磷磷光光光光谱谱法法核核磁磁共共振振波波谱谱法

7、法分类分类(classification)光分析的进展光分析的进展(Development)采取新光源，提高灵敏度(new light source for higher sensitivity)联用技术(hybrid techniques)新材料的应用(application of new materials)交叉(multiple analysis one time)检测器的发展(improving detector)原子光谱和分子光谱原子光谱和分子光谱Atomic and Molecular Spectroscopy原子光谱原子光谱(atomic spectroscopy)1. 电子在不

8、连续的能级上排列。电子在不连续的能级上排列。2. 这些不连续的能级跟原子本身是密切相关的，这些不连续的能级跟原子本身是密切相关的，也即能级的水平是原子的一个特征。也即能级的水平是原子的一个特征。3. 电子收到能量的激发可以在这些能级上发生跃电子收到能量的激发可以在这些能级上发生跃迁。迁。4. 跃迁受到一定的规律的制约，就是选律。跃迁受到一定的规律的制约，就是选律。5. 不连续的能级是的跃迁造成的光谱是不连续的不连续的能级是的跃迁造成的光谱是不连续的:谱线谱线。分子光谱分子光谱(molecular spectroscopy)分子光谱不是线状，而是带状的。为什么？分子中能量的体现分子中能量的体现(

9、energy)多原子分子单原子的能量=核能+电子的动能多原子分子的能量等于各个原子能量的总和以及各个原子之间排列构象的能量振动转动振动和转动的能级差别比电子跃迁的能量变化要小得多，对应于红外区的能量。振动能级差：0.025-1 eV,跃迁产生5nm间隔的谱线转动能级差：0.005-0.025 eV，跃迁产生1nm间隔的谱线。光分析仪器和器件光分析仪器和器件Instruments and elements in Optical Analysis光谱仪器光谱仪器(Instrument)光源光源镜片镜片单色器单色器样品台样品台检测器检测器放大器放大器记录仪记录仪光源光源(radiant source

10、)稳定的光源是必须的不同的光谱需要用到不同的光源连续光源单色光光源Stable source of radiant energyContinuum radiation source e.g., tungsten lamp, used in molecular absorption spectroscopyDiscrete spectroscopic lamps, e.g., lasers, used in AAS, fluorescence and Raman单色器单色器(monochromator)Entrance slitCollimatorDispersing elementFocusi

11、ng elementExit slit色散元件色散元件(dispersing element)Source: WikipediaInterference Filter干涉滤色片Prism: nonlinear dispersion棱镜光栅光栅(gratings)diffractional gratings衍射光栅The grooves of a compact disc can act as a grating and produce iridescent reflections.色散元件的比较色散元件的比较分光原分光原理理色散率与分色散率与分辨率辨率波段范波段范围围集光集光使用范使用范围围棱镜折射低、与波长有关窄，已定弱一般、较老仪器光栅衍射高、与波长无关宽，可定强现代高级仪器检测器检测器(photo detector)光子检测器光子在检测器上产生电信号(Photon detected and converted into electrical signal)光电二极管，光电倍增器(Photoelectric transistor, photoelectric multiplier)热检测器(thermo detector)光被转化为热量而检测(Photo de