光谱分析法导论

1、2022-4-271 光谱分析法引论光谱分析法引论 An introduction to optical analysis Instrumental Analysis Chapter 22022-4-272第一节光分析法及其特点第一节光分析法及其特点第二节电磁辐射的基本性质第二节电磁辐射的基本性质第三节光分析法分类（重点）第三节光分析法分类（重点）第四节光谱法仪器（重点）第四节光谱法仪器（重点）内内 容容2022-4-273一、定义一、定义不同形式不同形式电磁辐射电磁辐射与物质间与物质间相互作用相互作用而建立起而建立起来的分析方法。来的分析方法。光分析法在研究光分析法在研究物质组成物质组成、结

2、构表征结构表征、表面分析表面分析等方等方面具有其他方法不可取代的地位。面具有其他方法不可取代的地位。电磁辐射范围：电磁辐射范围：射线无线电波；射线无线电波；相互作用方式：发射、吸收、相互作用方式：发射、吸收、反射、折射、散射、干涉、衍射等；反射、折射、散射、干涉、衍射等；第一节光分析法及其特点第一节光分析法及其特点2022-4-274二、基本特点二、基本特点（1）均包含）均包含三个基本过程三个基本过程： 能源能源提供能量提供能量；能量与；能量与被测物之间的被测物之间的相互作用相互作用；产生信号产生信号。（2）选择性测量选择性测量，不涉及混合物分离（不同于色谱，不涉及混合物分离（不同于色谱分析）

3、。分析）。（3）涉及大量）涉及大量光学元器件。光学元器件。第一节光分析法及其特点第一节光分析法及其特点2022-4-275第二节电磁辐射的基本性质第二节电磁辐射的基本性质 电磁辐射（电磁波）：以接近光速传播的能量。电磁辐射（电磁波）：以接近光速传播的能量。 波动性：波动性：c = =/反射、折射、散射、干涉、衍射反射、折射、散射、干涉、衍射 微粒性：微粒性： E = h = h c /cm-1 =1/(/cm) = 104/(/m) 一. 电磁辐射的波粒二象性2022-4-276二.电磁辐射与物质的相互作用及其光谱hchEEE 01h iOAOAOAhEEhcEhc 01 2022-4-277

4、Band spectra)/()(平动转动振动电子平动转动振动电子平动转动振动电子分子hchEEEEE h i2022-4-278E2E0E1E3h ih ih i2022-4-279三.电磁波谱2022-4-2710第三节光分析法的分类第三节光分析法的分类基于基于物质与辐射能作用时物质与辐射能作用时，物质，物质发生发生能级能级跃迁跃迁，测量由此而产生的发射、吸收或散测量由此而产生的发射、吸收或散射辐射的射辐射的波长和强度波长和强度。基于物质与辐射相互作用时，测量辐射的基于物质与辐射相互作用时，测量辐射的某些性质的变化的分析方法某些性质的变化的分析方法.原子外层或内层电子能级原子外层或内层电子

5、能级的变的变化产生的，其形式为化产生的，其形式为线光谱线光谱。原子光谱原子光谱 分子光谱分子光谱由由分子中电子能级、振动和转分子中电子能级、振动和转动能级动能级的变化产生的，其形式的变化产生的，其形式为为带光谱带光谱。光谱法光谱法光光 谱谱 法法非光谱法非光谱法2022-4-2711原子光谱图原子光谱图分子光谱图分子光谱图2022-4-2712光分析法光分析法光谱分析法光谱分析法非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折射射法法圆圆二二色色性性法法X射射线线衍衍射射法法干干涉涉法法旋

6、旋光光法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2022-4-2713光谱分析法光谱分析法吸收光谱法吸收光谱法发射光谱法发射光谱法原子光谱法原子光谱法分子光谱法分子光谱法原子发射原子吸收原子荧光X射线荧光原原子子吸吸收收紫紫外外可可见见红红外外可可见见核核磁磁共共振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原子子发发射射原原子子荧荧光光分分子子荧荧光光分分子子磷磷光光X射射线线荧荧光光化化学学发发光光2022-4-2714第四节第四节光谱法仪器光谱法仪器五个基本单元：五个基本单元：光源；光源；单色器

7、；单色器；样品；样品；检测器；检测器；显示与数据处理显示与数据处理光源与检测器方向？光源与检测器方向？2022-4-2715 连续光源：连续光源：在较大范在较大范围提供连续波长的光源围提供连续波长的光源：氢灯、氘灯氢灯、氘灯、钨丝灯钨丝灯、能斯特灯、能斯特灯等；等； 线光源：线光源：提供特定波长提供特定波长的光源：金属蒸气灯的光源：金属蒸气灯( (汞灯、钠蒸气灯汞灯、钠蒸气灯) )、空空心阴极灯心阴极灯、激光等、激光等一、一、 光源光源2022-4-2716二、二、 单色单色器器获得高光谱纯度辐射束的装置（获得高光谱纯度辐射束的装置（复合光分解为单色光复合光分解为单色光或或有一定宽度的谱带有一

8、定宽度的谱带) ) ； 主要部件：主要部件：（1 1）狭缝；）狭缝；（2 2）准直装置）准直装置( (透镜或反射镜透镜或反射镜) )：使辐射束成为平行光线；：使辐射束成为平行光线； （3 3）色散装置）色散装置( (棱镜、光栅棱镜、光栅) )：使不同波长的辐射以不同的：使不同波长的辐射以不同的角度进行传播；角度进行传播；（4）聚焦透镜或凹面反射镜，使每个单色光束在单色器的）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。出口曲面上成像。2022-4-27172022-4-2718 dnfdnfddl sincos2022-4-2719NndR 2022-4-2720狭缝狭缝 单色

9、器的进口狭缝起着单色器光学系统虚光源的作用。单色器的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。次通过。 定性分析时，定性分析时，减小狭缝宽度，使相邻谱线的分辨率提高；减小狭缝宽度，使相邻谱线的分辨率提高； 定量分析时，定量分析时，增大狭缝宽度，可使光强增加。增大狭缝宽度，可使光强增加。2022-4-2721三、三、 试样装置试样装置（1）吸收池）吸收池 紫外紫外分光光度法：分光光度法

10、：石英石英比色皿比色皿 可见可见分光光度法：分光光度法：玻璃玻璃比色皿比色皿 荧光荧光分析法：分析法：石英石英比色皿比色皿 红外红外分光光度法：将分光光度法：将试样与溴化钾压制成透明片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，原子吸收分光光度法：雾化器中雾化，在火焰中， 元素由离子态元素由离子态原子；原子； 2022-4-2722四、四、 检测器检测器2022-4-2723C）光电转换器种类光电转换器种类及及应应用用波波段段 检测器种类检测器种类 检测器检测器 应用波段应用波段 早期检测器早期检测器 人眼人眼(Vis)，相板及照像胶片相板及照

11、像胶片(UV-Vis) UV-Vis 硒光电池硒光电池（Photovoltaic cell, ,光伏管光伏管） 350-(500)max-750nm 真空光电管真空光电管（Vacuum phototube） 据光敏材料而定据光敏材料而定 光电倍增管光电倍增管（Photomultiplier tube） ibid 光电转换器光电转换器(photo transducer) 硅二极管硅二极管（Silicon diode） 190-1100nm 光二极管阵列光二极管阵列（Photodiode array, PDA） 多通道转换器多通道转换器(Multichannel transducer) 电荷转移器

12、件电荷转移器件Charge-transfer device, CTD： 电荷注入器件电荷注入器件( (Charge-injection device, CID) ) 电荷耦合器件电荷耦合器件(Charge-coupled device, CCD) 电导检测器电导检测器 电导检测器电导检测器（Photoconductivity）； UVUV- -V Vis 热电偶热电偶（Thermocouple） 辐射热计辐射热计（Bolometer） 热热检测器检测器(Thermal transducer) 热释电热释电（Pyroelectric transducer） IRIR 2022-4-2724 1个光子产生个光子产生106107个电子个电子共有共有9个打拿极个打拿极(dynatron)所加直流电压共为所加直流电压共为10 90V光电倍增管示意图光电倍增管示意图光束光束Grill900V dc90V123456789阳极阳极阴极阴极石英封