【化学课件】第4章 光学分析法论上课用

1、2021-11-142021-11-14生物工程学院生物工程学院1 1石河子大学石河子大学 田丽萍田丽萍20052005 仪器分析仪器分析instrumental analysis2021-11-142021-11-14生物工程学院生物工程学院2 2第第四四章章 光分析法导论光分析法导论第一节第一节 光分析基础光分析基础fundamental of optical analysis第二节第二节 光谱法仪器与光光谱法仪器与光学器件学器件instruments for spectro-metry and optical partsan introduction to optical analysi

2、s 2021-11-142021-11-14生物工程学院生物工程学院3 3第第四四章章 光分析法导论光分析法导论基本要求：基本要求：1.了解光与物质的相互作用特点及其与光了解光与物质的相互作用特点及其与光学分析法的关系；学分析法的关系；2.2.了解光学分析法的基本分类；了解光学分析法的基本分类；3.3.掌握光学分析仪器的基本构成单元及掌握光学分析仪器的基本构成单元及其作用。其作用。 2021-11-142021-11-14生物工程学院生物工程学院4 4第第四四章章 光分析法导论光分析法导论一、一、光分析及其特点光分析及其特点optical analysis and its feature 二、

3、电磁辐射的基本性质二、电磁辐射的基本性质properties of electromagnetic radiation三、三、光分析法的分类光分析法的分类classification of optical analysis四、各种光分析法简介四、各种光分析法简介a brief introduction of optical analysis 五、光分析的进展五、光分析的进展development of development of optical analysisan introduction to optical analysis 第一节第一节 光分析基础光分析基础fundamental o

4、f optical analysis 2021-11-142021-11-14生物工程学院生物工程学院5 5 第一节第一节 光分析基础光分析基础一、一、光分析法及其特点光分析法及其特点 optical analysis and its characteristics 光分析法：光分析法：基于电磁辐射与待测物质相互作用后所产生基于电磁辐射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；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：电磁辐射范围： 射线无线电波所有范围；射线无线电波所有范围； 相互作用方式：相互作用方式：发射、吸收、反射、折射、散

5、射、干涉发射、吸收、反射、折射、散射、干涉、衍射等；、衍射等； 光分析法在光分析法在定性、定量和定性、定量和研究物质组成、结构表征、表研究物质组成、结构表征、表面分析等方面具有其他方法不可区代的地位；面分析等方面具有其他方法不可区代的地位；2021-11-142021-11-14生物工程学院生物工程学院6 6三个基本过程：三个基本过程：（1 1）能源能源（电磁辐射：（电磁辐射： 射线无线电波射线无线电波）提供能量提供能量（辐射能（辐射能- -跃迁跃迁：电子跃迁：电子跃迁- -紫外，振动跃迁紫外，振动跃迁- -红外，转动跃迁红外，转动跃迁- -微波）微波）；（2 2）能量与被测物之间的相互作用能

6、量与被测物之间的相互作用（发射、吸收、反射、折射、（发射、吸收、反射、折射、散射、干涉、衍射等）散射、干涉、衍射等）；（3 3）产生信号产生信号（辐射信号）（辐射信号） 。 基本特点：基本特点：（1 1）所有光分析法均包含三个基本过程；）所有光分析法均包含三个基本过程；（2 2）选择性测量，）选择性测量，不涉及混合物分离不涉及混合物分离（不同于色谱分析）；（不同于色谱分析）；（3 3）涉及大量光学元器件）涉及大量光学元器件。2021-11-142021-11-14生物工程学院生物工程学院7 7二、电磁辐射的基本性质二、电磁辐射的基本性质 basic properties of electrom

7、agnetic radiation 1 1、电磁辐射具有波动性和微粒性电磁辐射具有波动性和微粒性 电磁辐射：以接近光速（真空中为光速）通过空间传播电磁辐射：以接近光速（真空中为光速）通过空间传播能量的电磁波；能量的电磁波； c = =/ e = h = h c /c：光速；：光速；：波长；：波长；：频率；：频率；：波数：波数 ；e ：能量；：能量； h：普朗克常数：普朗克常数2021-11-142021-11-14生物工程学院生物工程学院8 8电磁辐射具有波动性和微粒性（波粒二象性）：电磁辐射具有波动性和微粒性（波粒二象性）：（1） 光的波动性：光的波动性： 光的传播如光的折射、衍射、偏振和干

8、扰等现象可以光的传播如光的折射、衍射、偏振和干扰等现象可以用光的波动性来解释。用光的波动性来解释。 描述波动性的重要参数是波长描述波动性的重要参数是波长 、频率、频率 和光速和光速c，它，它们的关系是们的关系是 ： c 波动性波长频率c光速2.9979108ms-12.99791010cms-12021-11-142021-11-14生物工程学院生物工程学院9 9 （2 2） 光的微粒性光的微粒性 还有一些光学现象，如光电效应、光的发射和吸收还有一些光学现象，如光电效应、光的发射和吸收等，只能用光的微粒性才能满意地解释。光是由带有能等，只能用光的微粒性才能满意地解释。光是由带有能量的微粒组成的

9、，这种微粒称为光子或光量子。光子的量的微粒组成的，这种微粒称为光子或光量子。光子的能量与它的频率成正比，或与波长成反比，而与光的强能量与它的频率成正比，或与波长成反比，而与光的强度无关。度无关。 粒子性普朗克常数h 6.626210-34jschhve2021-11-142021-11-14生物工程学院生物工程学院10102、电磁波谱、电磁波谱 电磁辐射电磁辐射(电磁波电磁波)按其波长可分为不同区域按其波长可分为不同区域-电磁波谱电磁波谱： 一射线一射线 5 5* *1010-3-3 0.14nm x x一射线一射线 1010-3-3 10nm 远紫外远紫外 1010 200nm 近紫外近紫外

10、 200200 400nm 可见光可见光 400400 760nm 近红外近红外 0.750.75 2.5 m 中红外中红外 2.52.5 50 m 远红外远红外 5050 1000 m 微波微波 0.10.1 100cm 无线电波无线电波 1 1 1000m 一射线波长最小，能量最大；一射线波长最小，能量最大；无线电波无线电波波长最大，能量最小。波长最大，能量最小。2021-11-142021-11-14生物工程学院生物工程学院1111高能辐射区 射线 能量最高，来源于核能级跃迁 射线 来自内层电子能级的跃迁 光学光谱区 紫外光 来自原子和分子外层电子能级的跃迁 可见光 红外光 来自分子振动

11、和转动能级的跃迁 波谱区 微波 来自分子转动能级及电子自旋能级跃迁 无线电波 来自原子核自旋能级的跃迁电磁波谱：电磁辐射按波长顺序排列，称电磁波谱：电磁辐射按波长顺序排列，称。射线射线 x 射线射线紫外光紫外光可见光可见光红外光红外光微波微波无线电波无线电波2021-11-142021-11-14生物工程学院生物工程学院1212表 电磁波谱区及常用光学分析方法光谱区域光谱区域 波波 长长 光光 学学 分分 析析 方方 法法 射线射线 5*10-3 0.14nm 射线光谱法射线光谱法 x射线射线 10-3 nm10nm x射线光谱法射线光谱法 光学区光学区 10nm1000nm 原子发射光谱法、

12、原子发射光谱法、原子吸收光谱法、原子吸收光谱法、 原子荧光光谱法、原子荧光光谱法、紫外吸收光谱法、紫外吸收光谱法、 可见吸收光谱法、分子荧光光谱法、可见吸收光谱法、分子荧光光谱法、 红外吸收光谱法红外吸收光谱法 微微 波波 0.1mm1m 微波光谱法微波光谱法无线电波无线电波 1m以上以上 核磁共振波谱法核磁共振波谱法2021-11-142021-11-14生物工程学院生物工程学院1313 在红外区域，常用波数代替波长，波数与波在红外区域，常用波数代替波长，波数与波长的相互关系为：长的相互关系为：波长波长可见光区：可见光区：=400800nm红外光区：红外光区： =8001000nm紫外光区：

13、紫外光区： =180400nm/1单位：cm-1，物理意义：1cm的间距内有多少个光波2021-11-142021-11-14生物工程学院生物工程学院14143 3、辐射能的特性辐射能的特性（光与物质的作用）：光与物质的作用）： (1) (1) 吸收吸收 m + hv m* (2) (2) 发射发射 m* m + hv (3) (3) 散射（散射（scatteringscattering）光通过不均匀介质时部分光偏离原方向传播的现光通过不均匀介质时部分光偏离原方向传播的现象。象。丁铎尔散射和分子散射丁铎尔散射和分子散射. . (4) (4) 折射（折射（refractionrefraction

14、） 折射是光在两种介质中的传播速度不同；折射是光在两种介质中的传播速度不同； (5) (5) 反射反射 （reflectionreflection） 光光通过具有不同通过具有不同折射折射率的两种介质的界面时会率的两种介质的界面时会产生反射。产生反射。 (6) (6) 干涉（干涉（coherent interferencecoherent interference） 频率相同的两列波叠加，使某些区频率相同的两列波叠加，使某些区域的振动加强，某些区域的振动减弱，并且振动加强和振动减弱的区域互域的振动加强，某些区域的振动减弱，并且振动加强和振动减弱的区域互相间隔，此现象叫干涉。相间隔，此现象叫干涉。

15、 (7) (7) 衍射（衍射（diffractiondiffraction） 光绕过物体而弯曲地向他后面传播的现象；光绕过物体而弯曲地向他后面传播的现象； (8) (8) 偏振（偏振（polarizationpolarization） 只在一个固定方向有振动的光称为平面偏振只在一个固定方向有振动的光称为平面偏振光。光。2021-11-142021-11-14生物工程学院生物工程学院15152021-11-142021-11-14生物工程学院生物工程学院16162021-11-142021-11-14生物工程学院生物工程学院1717三、光分析三、光分析法法分类分类 type of optical

16、 analysis 光分析法光分析法可分为光谱法光谱法和非光谱法非光谱法两大类。 光谱法光谱法是以光的吸收，发射和拉曼散射等作用而建立的光谱方法。这类方法比较多，是主要的光分析方法。 光谱法光谱法可分为原子光谱法原子光谱法和分子光谱法分子光谱法。 原子光谱原子光谱（线性光谱）：（线性光谱）：是由原子外层或内层电子是由原子外层或内层电子 能级能级的变化产生的，它的表现形式为线光谱的变化产生的，它的表现形式为线光谱。最常见的三种。最常见的三种 基于原子外层电子跃迁的原子吸收光谱（基于原子外层电子跃迁的原子吸收光谱（aas）；）； 原子发射光谱（原子发射光谱（aes）、原子荧光光谱（）、原子荧光光谱

17、（afs）；）； 基于原子内层电子跃迁的基于原子内层电子跃迁的 x射线荧光光谱（射线荧光光谱（xfs）；）； 基于原子核与射线作用的穆斯堡谱；基于原子核与射线作用的穆斯堡谱；2021-11-142021-11-14生物工程学院生物工程学院1818 分子光谱分子光谱（带状光谱）：是是由由 分子中电子能级、振动分子中电子能级、振动和转动能级和转动能级 的变化产生的，表现形式为带光谱的变化产生的，表现形式为带光谱。 紫外光谱法（紫外光谱法（uv）；）； 红外光谱法（红外光谱法（ir）；）； 分子荧光光谱法（分子荧光光谱法（mfs）；）； 分子磷光光谱法（分子磷光光谱法（mps）；）； 核磁共振与顺磁

18、共振波谱（核磁共振与顺磁共振波谱（n）；）； 非光谱法非光谱法： 不涉及能级跃迁，物质与辐射作用时，仅改不涉及能级跃迁，物质与辐射作用时，仅改变传播方向等物理性质；变传播方向等物理性质；如偏振法、干涉法、旋光法等；如偏振法、干涉法、旋光法等； 光谱法与非光谱法的区别：光谱法与非光谱法的区别： 光谱法：内部能级发生变化光谱法：内部能级发生变化 原子吸收原子吸收/ /发射光谱法：原子外层电子能级跃迁发射光谱法：原子外层电子能级跃迁 分子吸收分子吸收/ /发射光谱法：分子外层电子能级跃迁发射光谱法：分子外层电子能级跃迁 非光谱法：内部能级不发生变化，仅测定电磁辐射性质改变非光谱法：内部能级不发生变化

19、，仅测定电磁辐射性质改变2021-11-142021-11-14生物工程学院生物工程学院1919 如果按照电磁辐射和物质相互作用的结果，可如果按照电磁辐射和物质相互作用的结果，可以产生发射、吸收和联合散射三种类型的光谱以产生发射、吸收和联合散射三种类型的光谱。 射线光谱法射线光谱法 x x射线荧光分析法射线荧光分析法 mssbauermssbauer（莫斯鲍尔）谱法（莫斯鲍尔）谱法 原子发射光谱分析法原子发射光谱分析法 1、发射光谱、发射光谱 原子荧光分析法原子荧光分析法 2 2、吸收光谱、吸收光谱 紫外紫外- -可见分光光度法可见分光光度法 分子荧光分析法分子荧光分析法 原子吸收光谱法原子吸

20、收光谱法 分子磷光分析法分子磷光分析法 红外光谱法红外光谱法 化学发光分析法化学发光分析法 核雌共振波谱法核雌共振波谱法3 3、 ramanraman散射散射-raman-raman光谱法光谱法: :频率为频率为 o o的单色光照射到透明物质上，物的单色光照射到透明物质上，物质分子会发生散射现象。如果这种散射是光子与物质分子发生能量交换的，质分子会发生散射现象。如果这种散射是光子与物质分子发生能量交换的，即不仅光子的运动方向发生变化，它的能量也发生变化，则称为即不仅光子的运动方向发生变化，它的能量也发生变化，则称为ranmnranmn散散射。射。光基态激发态释放能量发光hmm*发射光谱激发态光

21、基态吸收辐射能量*mhm吸收光谱 2021-11-142021-11-14生物工程学院生物工程学院2020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法2021-11-142021-11-14生物工程学院生物工程学院2121光谱分析法吸收光谱法发射光谱法原子光谱法分子光谱法原子发射原子吸收原子荧光x射线荧光原子吸收紫外可见红

22、外可见核磁共振紫外可见红外可见分子荧光分子磷光核磁共振化学发光原子发射原子荧光分子荧光分子磷光x射线荧光化学发光2021-11-142021-11-14生物工程学院生物工程学院2222光学分析法的分类光学分析法的分类光谱方法：光谱方法：测量发射或吸收光谱测量发射或吸收光谱的波长和强度的波长和强度非光谱方法非光谱方法定性、定量定性、定量物质内部特定的能级跃迁物质内部特定的能级跃迁特征光谱的波长：特征光谱的波长：定性、结构分析定性、结构分析光谱的强度：光谱的强度：定量分析定量分析原子光谱原子光谱分子光谱分子光谱折光、旋光、衍射、比浊法折光、旋光、衍射、比浊法原子发射光谱原子发射光谱原子吸收光谱原子

23、吸收光谱红外光谱红外光谱紫外光谱紫外光谱2021-11-142021-11-14生物工程学院生物工程学院2323四、各种光分析法简介四、各种光分析法简介 a brief introduction of optical analysis 1.1.原子发射光谱分析法原子发射光谱分析法 以火焰、电弧、等离子炬等作为光源，以火焰、电弧、等离子炬等作为光源，使气态原子的外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层电子受激发射出特征光谱进行定量分析的方法。的方法。2.2.原子吸收光谱分析法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，并将溶液中利用特殊光源发射出待测元素的共振线，并将溶

24、液中离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定量分析方法。2021-11-142021-11-14生物工程学院生物工程学院24243.3.原子荧光分析法原子荧光分析法 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，在能态跃迁到高能态，在10-8s后跃回基态或低能态时，发射出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度的方向度的方向上，测定荧光强度进行定量分析的方法。上，测定荧

25、光强度进行定量分析的方法。 4.4.分子荧光分析法分子荧光分析法 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。分析的方法。 2021-11-142021-11-14生物工程学院生物工程学院25256. 6. x x射线荧光分析法射线荧光分析法 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（射线（ x射线荧光），测定其强度可进行定量分析。射线荧光），测定其强度可进行定量

26、分析。7. 7. 化学发光分析法化学发光分析法 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。关系进行定量分析的方法。5. 5. 分子磷光分析法分子磷光分析法 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。行定量分析的方法。2021-11-14202

27、1-11-14生物工程学院生物工程学院2626 利用溶液中分子吸收紫外和可见光产生跃迁所记录的吸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。变化可进行定量分析。 9.9.红外吸收光谱分析法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利用分子中基团吸收红外光产生的振动-转动吸收光谱进转动吸收光谱进行定量和有机化合物结构分析的方法。行定量和有机化合物结构分析的方法。 10.10.核磁共振波谱分析法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

28、分在外磁场的作用下，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紫外吸收光谱分析法2021-11-142021-11-14生物工程学院生物工程学院272711.11.顺磁共振波谱分析法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

29、吸收光谱可进行结构分析迁，根据吸收光谱可进行结构分析 。 12.12.旋光法旋光法 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。糖的含量。 13.13.衍射法衍射法 x射线衍射：研究晶体结构，不同晶体具有不同衍射图。射线衍射：研究晶体结构，不同晶体具有不同衍射图。 电子衍射：电子衍射是透射电子显微镜的基础，研究物质电子衍射：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。的内部组织结构。2021-11-142021

30、-11-14生物工程学院生物工程学院2828五、光分析方法的进展五、光分析方法的进展 development of optical analysis 1. 1. 采用新光源，提高灵敏度采用新光源，提高灵敏度 级联光源：电感耦合等离子体级联光源：电感耦合等离子体-辉光放电；激光蒸发辉光放电；激光蒸发-微微波等离子体波等离子体 2.2. 联用技术联用技术 电感耦合高频等离子体（电感耦合高频等离子体（icp）质谱质谱 激光质谱：灵敏度达激光质谱：灵敏度达10-20 g 3. 3. 新材料新材料 光导纤维传导，损耗少；抗干扰能力强；光导纤维传导，损耗少；抗干扰能力强；2021-11-142021-11

31、-14生物工程学院生物工程学院2929 4. 交叉 电致发光分析；光导纤维电化学传感器电致发光分析；光导纤维电化学传感器 5. 5. 检测器的发展检测器的发展 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；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；同时测定；2021-11-142021-11-14生物工程学院生物工程学院3030三种光分析三种光分析法测量过程法测量过程示意图

32、示意图 2021-11-142021-11-14生物工程学院生物工程学院3131六、光学分析法的特点六、光学分析法的特点(1)灵敏度高。原子发射光谱法的最低检出限是灵敏度高。原子发射光谱法的最低检出限是0.1ngml-1。(2)使用试样量少。使用试样量少。(3)光学分析法适用的被测组分含量范围很广泛。光学分析法适用的被测组分含量范围很广泛。适用于微量、痕量甚至超痕量组分的分析。适用于微量、痕量甚至超痕量组分的分析。(4)分析速度快。分析速度快。(5)多元素同时测定。多元素同时测定。2021-11-142021-11-14生物工程学院生物工程学院3232七、光学分析法的应用七、光学分析法的应用(

33、1)成分分析。成分分析。(2)化学、物理化学各种参数的测定。化学、物理化学各种参数的测定。(3)化学反应机理的研究。化学反应机理的研究。(4)分子结构的测定。分子结构的测定。(5)遥感分析。遥感分析。(6)特征分析。特征分析。2021-11-142021-11-14生物工程学院生物工程学院3333一、一、光谱法仪器的基本流程光谱法仪器的基本流程general process of spectrometry二、光谱仪器的基本器件二、光谱仪器的基本器件main parts of spectrometry 第四章 光分析导论 an introduction to optical analysis i

34、nstruments for spectro-metry and optical parts第二节第二节 光谱法仪器与光学器件光谱法仪器与光学器件2021-11-142021-11-14生物工程学院生物工程学院3434一、一、光分析法仪器的基本流程光分析法仪器的基本流程 general process of spectrometry 光谱仪器通常包括五光谱仪器通常包括五个基本单元：个基本单元：光源；单色器；样品；检光源；单色器；样品；检测器；显示与数据处理；测器；显示与数据处理；2021-11-142021-11-14生物工程学院生物工程学院3535二、二、光分析法仪器的基本单元光分析法仪器的

35、基本单元 main parts of spectrometry 1. 1. 光源光源 依据方法不同，采用不同的光源：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；2021-11-142021-11-14生物工程学院生物工程学院3636 1. 1. 光源光源 h2灯灯 紫外光源紫外光源 d2灯灯 160-375nm w 灯灯 320-2500nm 可见光源可见光源 氙灯氙灯 250-700nm nernst 灯灯 连续光连续光源源

36、 红外光源红外光源 硅碳棒硅碳棒 6000-5000cm-1之之间有最大强度间有最大强度 hg 灯灯 254-734nm 金属蒸汽灯金属蒸汽灯 na 灯灯 589.0nm， 589.6nm 空心阴极灯空心阴极灯 空心阴极灯空心阴极灯 高强度空心阴极高强度空心阴极灯灯 也称元素灯也称元素灯 红宝石激光器红宝石激光器 693.4nm he-ne 激光器激光器 632.8nm 激光激光* ar 离子激光器离子激光器 515.4nm， 488.0nm 直流电弧直流电弧 交流电弧交流电弧 火花火花 线光源线光源 发射光谱光发射光谱光源源 icp 电能电能 2021-11-142021-11-14生物工程

37、学院生物工程学院37372.单色器 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； 主要部件主要部件：（1）进口狭缝；（2）准直装置(透镜或反射镜)：使辐射束成为平行光线； （3）色散装置(棱镜、光栅)：使不同波长的辐射以不同的角度进行传播；2021-11-142021-11-14生物工程学院生物工程学院3838 （4）聚焦透镜或凹面反射镜，使每个单色光束在单色器的出口曲面上成像。2021-11-142021-11-14生物工程学院生物工程学院39393.试样装置 光源与试样相互作用的场所（1）吸收池）吸收池 紫外-可见分光光度法：石英比色皿 荧光分析法： 红

38、外分光光度法：将试样与溴化钾压制成透明片（2）特殊装置）特殊装置 原子吸收分光光度法：雾化器中雾化，在火焰中，元素由离子态原子； 原子发射光谱分析：试样喷入火焰； 详细内容在相关章节中介绍。2021-11-142021-11-14生物工程学院生物工程学院40404. 检测器（1）光检测器）光检测器 主要有以下几种： 硒光电池、光电二极管、光电倍增管、硅二极管阵列检测器、半导体检测器；（2）热检测器）热检测器 主要有： 真空热电偶检测器：红外光谱仪中常用的一种； 热释电检测器：5. 5. 信号、与数据处理系统信号、与数据处理系统 现代分析仪器多配有计算机完成数据采集、信号处理、数据分析、结果打印

39、，工作站软件系统；2021-11-142021-11-14生物工程学院生物工程学院4141光学分析方法的发展 光学分析法是利用待测定组分所显示出的吸收光学分析法是利用待测定组分所显示出的吸收光谱或发射光谱，既包括原子光谱也包括分子光谱。光谱或发射光谱，既包括原子光谱也包括分子光谱。利用被测定组分中的分子所产生的吸收光谱的分析利用被测定组分中的分子所产生的吸收光谱的分析方法，即通常所说的可见与紫外分光光度法、红外方法，即通常所说的可见与紫外分光光度法、红外光谱法；利用其发射光谱的分析方法，常见的有荧光谱法；利用其发射光谱的分析方法，常见的有荧光光度法。利用被测定组分中的原子吸收光谱的分光光度法。

40、利用被测定组分中的原子吸收光谱的分析方法，即原子吸收法：利用被测定组分的发射光析方法，即原子吸收法：利用被测定组分的发射光谱的分析方法，包括发射光谱分析法、原子荧光法、谱的分析方法，包括发射光谱分析法、原子荧光法、x x射线原子荧光法、质子荧光法等。射线原子荧光法、质子荧光法等。 2021-11-142021-11-14生物工程学院生物工程学院4242 ( (一一) )比色法比色法 分光光度法的前身是比色法。比色分析法有着很长的历史。分光光度法的前身是比色法。比色分析法有着很长的历史。18301830年左右，四氨络铜离子的深蓝色就被用于铜的测定。奈年左右，四氨络铜离子的深蓝色就被用于铜的测定。

41、奈斯勒的氨测定法起源于斯勒的氨测定法起源于18521852年，大约在同一年，硫氰酸盐被年，大约在同一年，硫氰酸盐被用来分析铁。用来分析铁。18691869年，舍思报道说钛盐与过氧化氢反应会产年，舍思报道说钛盐与过氧化氢反应会产生黄色，生黄色，18821882年，韦勒年，韦勒( (wellerweller) )将此黄色反应改进成一种钛的将此黄色反应改进成一种钛的比色法。钒也能与过氧化物发生类似的反应，生成一种橙色比色法。钒也能与过氧化物发生类似的反应，生成一种橙色络合物。络合物。19121912年，梅勒一方面利用年，梅勒一方面利用19081908年芬顿发现的一个反年芬顿发现的一个反应应( (二羟

42、基马来酸与钛反应呈橙黄色，与钒反应无此色二羟基马来酸与钛反应呈橙黄色，与钒反应无此色) )，另一，另一方面利用与过氧化物的反应，得出了一种钛和钒这两种元素方面利用与过氧化物的反应，得出了一种钛和钒这两种元素的比色测定法。的比色测定法。 吸收光度分析法提供了非化学计量法的一个很好例子。有吸收光度分析法提供了非化学计量法的一个很好例子。有色化合物的光吸收强弱随着所用辐射波长的大小而变化。因色化合物的光吸收强弱随着所用辐射波长的大小而变化。因此早期的比色法主要凭经验将未知物与浓度近似相等的标难此早期的比色法主要凭经验将未知物与浓度近似相等的标难溶液进行对比。比如象亲斯勒在氨测定法中所作的比较。比溶液

43、进行对比。比如象亲斯勒在氨测定法中所作的比较。比色剂，如杜波斯克比色计，是通过改变透光溶液的厚度和利色剂，如杜波斯克比色计，是通过改变透光溶液的厚度和利用比尔定律，来对未知物的颜色与标准液的浓度进行对比的，用比尔定律，来对未知物的颜色与标准液的浓度进行对比的，这种仪器并不适用于所有的有色物质，它充其量也不过经验这种仪器并不适用于所有的有色物质，它充其量也不过经验程度很高罢了。程度很高罢了。 2021-11-142021-11-14生物工程学院生物工程学院4343 1729 1729年，年，p p布古厄布古厄( (bouguerbouguer) )观察到入射光被介质吸收的多观察到入射光被介质吸收

44、的多少与介质的厚度成正比。这后来又被少与介质的厚度成正比。这后来又被j jh h兰贝特兰贝特( (lambertlambert，172817281777)1777)所发现，他对单色光吸收所作的论述得到了下所发现，他对单色光吸收所作的论述得到了下列关系式：列关系式： 上式中上式中i i是通过厚度为是通过厚度为i i的介质的光密度，的介质的光密度，a a是吸收系数。利是吸收系数。利用边界条件用边界条件x=0 x=0时，时，i iioio，积分得到：，积分得到： i iioeioe-ax-ax 1852 1852年，年，a a比尔比尔(beer)(beer)证实，许多溶液的吸收系数证实，许多溶液的吸

45、收系数a a是与是与溶质的浓度溶质的浓度c c成正比的。尽管比尔本人没有建立那个指数吸成正比的。尽管比尔本人没有建立那个指数吸收定律公式，但下列关系式收定律公式，但下列关系式 i iioe-acxioe-acx 仍被叫做比尔定律，式中浓度和厚度是作为对称变数出现仍被叫做比尔定律，式中浓度和厚度是作为对称变数出现的。这个名称似乎是在的。这个名称似乎是在18891889年就开始使用了。年就开始使用了。 2021-11-142021-11-14生物工程学院生物工程学院4444 1940 1940年以前，比色法一直是最直观的分析法，往往是以高度经验为年以前，比色法一直是最直观的分析法，往往是以高度经验

46、为根据的根据的实际上依靠了奈斯勒管、杜波斯克比色计和拉维邦色调计。色实际上依靠了奈斯勒管、杜波斯克比色计和拉维邦色调计。色调计利用可叠加有色玻璃盘作为颜色比较的载片。某些测定甚至是将颜色调计利用可叠加有色玻璃盘作为颜色比较的载片。某些测定甚至是将颜色与彩纸和有色玻璃作比较来进行的。与彩纸和有色玻璃作比较来进行的。t tww理查兹在有关卤化银的测定理查兹在有关卤化银的测定方面，发明了一种散射浊度计，用通过微浊溶液来测量光散射。方面，发明了一种散射浊度计，用通过微浊溶液来测量光散射。 19401940年初左右，分光光度计开始广泛使用，几种高质量、应用简便的年初左右，分光光度计开始广泛使用，几种高质

47、量、应用简便的工业仪器使比色法更加普及，最著名的仪器，如蔡斯一普尔费利希、希尔工业仪器使比色法更加普及，最著名的仪器，如蔡斯一普尔费利希、希尔格、斯佩克尔、贝克曼和科尔曼分光光度计，采用滤波器、棱镜和光栅，格、斯佩克尔、贝克曼和科尔曼分光光度计，采用滤波器、棱镜和光栅，使光的波长限制在一个很窄的范围内。光吸收一般是用光电管测量的。使光的波长限制在一个很窄的范围内。光吸收一般是用光电管测量的。 典型的比色试剂是二苯基硫卡巴踪典型的比色试剂是二苯基硫卡巴踪( (diphenyldiphenylthiocarbazonethiocarbazone) )通常叫通常叫做双硫踪做双硫踪dithizoned

48、ithizone，是艾米尔，是艾米尔费歇尔在费歇尔在18821882年发现的，他观察到双硫踪年发现的，他观察到双硫踪很容易和金属离子形成有色化合物，但他没有继续这项研究。很容易和金属离子形成有色化合物，但他没有继续这项研究。19261926年，年，海尔穆特海尔穆特费歇尔研究了这个化合物，并报道了把它用于分祈的可能性，费歇尔研究了这个化合物，并报道了把它用于分祈的可能性，这种可能性在这种可能性在3030年代得到了最充分的利用。这种试剂与大量阳离子所形年代得到了最充分的利用。这种试剂与大量阳离子所形成的有色整合物极易溶解于氯仿那样的有机溶剂中。于是，这种络合物就成的有色整合物极易溶解于氯仿那样的有

49、机溶剂中。于是，这种络合物就可从大量的水溶液中萃取到少量的溶剂中，从而使这种方法对痕量物质也可从大量的水溶液中萃取到少量的溶剂中，从而使这种方法对痕量物质也非常灵敏。非常灵敏。 2021-11-142021-11-14生物工程学院生物工程学院4545 比色法借助仪器可用于波长短到比色法借助仪器可用于波长短到2000a2000a的紫外区。向紫的紫外区。向紫外区的进一步扩展是不可能的。因为容器、棱镜及空气本身外区的进一步扩展是不可能的。因为容器、棱镜及空气本身也会吸收光。记录方法也会吸收光。记录方法( (起初主要是照相记录起初主要是照相记录) )，随着实用光电，随着实用光电管的发展得到了明显的改进

50、。紫外分光光度法在测定芳香化管的发展得到了明显的改进。紫外分光光度法在测定芳香化合物，如苯酚、葱和苯乙烯方面特别有价值。合物，如苯酚、葱和苯乙烯方面特别有价值。 紫外吸收在研究有机化合物的结构时也很有用，它同束缚紫外吸收在研究有机化合物的结构时也很有用，它同束缚松散的电子缔合，如出现在双键中的电子。乙烯、乙炔、碳松散的电子缔合，如出现在双键中的电子。乙烯、乙炔、碳基化合物和氰化物中的不饱和键吸收基化合物和氰化物中的不饱和键吸收2000a2000a以下的光，因此以下的光，因此处于紫外分光光度计可测范围之外。不饱和键周围有取代基处于紫外分光光度计可测范围之外。不饱和键周围有取代基时，会使光的吸收向

51、长波方向移动，但仍远离实际可测的范时，会使光的吸收向长波方向移动，但仍远离实际可测的范围。偶氮基、硝基、亚硝酸盐、硝酸盐和亚硝基的吸收光范围。偶氮基、硝基、亚硝酸盐、硝酸盐和亚硝基的吸收光范围在围在250025003000a3000a之间。不饱和键发生共扼现象会使吸收增之间。不饱和键发生共扼现象会使吸收增强。引起光向长波方向移动。芳香环具有一个特征吸收本领，强。引起光向长波方向移动。芳香环具有一个特征吸收本领，可用于鉴定。可用于鉴定。 2021-11-142021-11-14生物工程学院生物工程学院4646 ( (二二) )红外光谱法红外光谱法 辐射能吸收用作一种分析工具的最大进展也许是在红辐

52、射能吸收用作一种分析工具的最大进展也许是在红外光谱领域。外光谱领域。19201920年以前，利用波长在年以前，利用波长在8000a8000a到几十分到几十分之一毫米光谱区的仪器就已经有了，但红外光谱研究的真之一毫米光谱区的仪器就已经有了，但红外光谱研究的真正进展却发生在正进展却发生在19401940年以后。这个光谱区含有象分子振年以后。这个光谱区含有象分子振动所包括的那样一些频率的光。原子质量、键强和分子构动所包括的那样一些频率的光。原子质量、键强和分子构型这样一些重要因素与所吸收的能量有联系。因此某些波型这样一些重要因素与所吸收的能量有联系。因此某些波段易与段易与0 0h h、nhnh、cl

53、cclc和和c c0 0那样一些基团相对应。那样一些基团相对应。 红外光谱的兴起靠的是发展热电堆以及辐射计、放大红外光谱的兴起靠的是发展热电堆以及辐射计、放大器和记录器方面所取得的进展。许多年来，这些仪器的光器和记录器方面所取得的进展。许多年来，这些仪器的光学部分比检测和记录机构要令人满意得多。学部分比检测和记录机构要令人满意得多。 2021-11-142021-11-14生物工程学院生物工程学院4747 红外光谱主要是作为一种定性工具使用的。同时如果大红外光谱主要是作为一种定性工具使用的。同时如果大量的日常分析工作量的日常分析工作比如，工业实践中常常必需的分析比如，工业实践中常常必需的分析工

54、作工作证明红外光谱有利于这种工作的操作的话，那么证明红外光谱有利于这种工作的操作的话，那么它也可用于定量分析。定量红外光谱法已经用于分析硝基它也可用于定量分析。定量红外光谱法已经用于分析硝基烷混合物。甲酚混合物和六氯化苯异构体方面。六氯化苯烷混合物。甲酚混合物和六氯化苯异构体方面。六氯化苯的的y y一异构体可用作杀虫剂。红外光谱法已经是测定混杂有一异构体可用作杀虫剂。红外光谱法已经是测定混杂有相关异构体的相关异构体的y y六氯化苯的有用工具。红外光谱法在定性六氯化苯的有用工具。红外光谱法在定性分析中极有价值，因为吸收位置和吸收强度能提供大量数分析中极有价值，因为吸收位置和吸收强度能提供大量数据

55、。过去人们曾做了大量的工作，绘制了许多键和基的光据。过去人们曾做了大量的工作，绘制了许多键和基的光吸收性质图，使得有可能利用这种数据迅速确定出新化合吸收性质图，使得有可能利用这种数据迅速确定出新化合物的结构。工业方面，红外光谱也有助于研究聚合作用方物的结构。工业方面，红外光谱也有助于研究聚合作用方面的进展，因为单体和聚合体的红外吸收带相互间是有区面的进展，因为单体和聚合体的红外吸收带相互间是有区别的。别的。2021-11-142021-11-14生物工程学院生物工程学院4848 目前红外光谱目前红外光谱(1r)(1r)是给出丰富的结构信息的重要方法之是给出丰富的结构信息的重要方法之一，能在较宽

56、的温度范围内快速记录固态、液态、溶液和一，能在较宽的温度范围内快速记录固态、液态、溶液和蒸气相的图谱。红外光谱经历了从棱镜红外、光栅红外，蒸气相的图谱。红外光谱经历了从棱镜红外、光栅红外，目前己进入傅里叶变换红外目前己进入傅里叶变换红外 ( (ftftir)ir)时期，积累了十几万时期，积累了十几万张标准物质的图谱。张标准物质的图谱。ftftirir具有光通量大、信噪比高、分具有光通量大、信噪比高、分辨率好、波长范围宽、扫描速度快等特点。利用辨率好、波长范围宽、扫描速度快等特点。利用irir显微技术显微技术和基本分离技术和基本分离技术( (matrixi solationmatrixi sol

57、ation，mimiir)ir)可对低达可对低达n8n8量和量和p8p8量级的试样进行记录，量级的试样进行记录，ftftirir和色谱的结合，被称为鉴和色谱的结合，被称为鉴定有机结构的定有机结构的“指纹指纹”，这些优点是其他方法所难于比拟，这些优点是其他方法所难于比拟的。红外光谱近年来发展十分迅速，在生物化学高聚物、的。红外光谱近年来发展十分迅速，在生物化学高聚物、环境、染料、食品、医药等方面得到广泛应用。环境、染料、食品、医药等方面得到广泛应用。 2021-11-142021-11-14生物工程学院生物工程学院4949 ( (三三) )荧光分析荧光分析 当紫外光照射到某些物质的时候，这些物质

58、会发射出各当紫外光照射到某些物质的时候，这些物质会发射出各种颜色和不同强度的可见光，而当紫外光停止照射时，这种颜色和不同强度的可见光，而当紫外光停止照射时，这种光线也随之很快地消失，这种光线称为荧光。种光线也随之很快地消失，这种光线称为荧光。 第一次记录荧光现象的是第一次记录荧光现象的是1616世纪西班牙的内科医生和植世纪西班牙的内科医生和植物学家物学家nnmonardesmonardes，15751575年他提到在含有一种称为年他提到在含有一种称为“lignmmnephriticumlignmmnephriticum”的木头切片的水溶液中，呈现了的木头切片的水溶液中，呈现了极为可爱的天蓝色，

59、在极为可爱的天蓝色，在1717世纪，世纪，boyle (1626boyle (16261691)1691)和和newton(1624newton(1624一一1727)1727)等著名科学家再次观察到荧光现象，等著名科学家再次观察到荧光现象，并且给予更详细的描述。尽管在并且给予更详细的描述。尽管在1717世纪和世纪和1818世纪中还发现了世纪中还发现了其它一些发荧光的材料和溶液，然而在解释荧光现象方面其它一些发荧光的材料和溶液，然而在解释荧光现象方面却几乎没有什么进展。直到却几乎没有什么进展。直到18521852年年stokesstokes在考察奎宁和叶绿在考察奎宁和叶绿素的荧光时，用分光计观

60、察到其荧光的波长比入射光的波素的荧光时，用分光计观察到其荧光的波长比入射光的波长稍为长些，才判明这种现象是这些物质在吸收光能后重长稍为长些，才判明这种现象是这些物质在吸收光能后重新发射不同波长的光，而不是由光的漫射作用所引起的，新发射不同波长的光，而不是由光的漫射作用所引起的，从而导入了荧光是光发射的概念，他还由发荧光的矿物从而导入了荧光是光发射的概念，他还由发荧光的矿物“萤石萤石”推演而提出推演而提出“荧光荧光”这一术语。这一术语。 2021-11-142021-11-14生物工程学院生物工程学院5050 stokes stokes还对荧光强度与浓度之间的关系进行了研究，还对荧光强度与浓度之