第二章仪器分析光学分析法概论

1、南京中医药大学翰林学院南京中医药大学翰林学院第第二二章章 光学分析法光学分析法概概论论 南京中医药大学翰林学院南京中医药大学翰林学院第二章第二章 光分析法导论光分析法导论 内内 容容2.1 2.1 电磁辐射及其与物质的相互作用电磁辐射及其与物质的相互作用 2.2 2.2 光谱分析法的类型光谱分析法的类型2.3 2.3 分光光度计分光光度计2.4 2.4 光吸收定律光吸收定律南京中医药大学翰林学院南京中医药大学翰林学院 以以电磁辐射的测量电磁辐射的测量或或辐射与物质相互作用辐射与物质相互作用为基础为基础建立起来的一建立起来的一类仪器分析方法，称为光学分析法。类仪器分析方法，称为光学分析法。光学分

2、析法定义光学分析法定义光学分析法的基础包括两方面：光学分析法的基础包括两方面： 能量作用于待测物质后产生光辐射，该能量形式可以是光辐射和其它辐射能能量作用于待测物质后产生光辐射，该能量形式可以是光辐射和其它辐射能量形式（电、磁或热），也可以是声波、离子和电子粒子束；量形式（电、磁或热），也可以是声波、离子和电子粒子束； 光辐射作用于待测物质后发生某种变化，这种变化可以是待测物质物理化学光辐射作用于待测物质后发生某种变化，这种变化可以是待测物质物理化学特性的改变，也可以是光辐射光学特性的改变。特性的改变，也可以是光辐射光学特性的改变。第二章第二章 光分析法导论光分析法导论南京中医药大学翰林学院南

3、京中医药大学翰林学院光分析法的三个主要过程光分析法的三个主要过程（1）能源提供能量）能源提供能量（2）能量与被测物质相互作用）能量与被测物质相互作用（3）产生被检测的信号）产生被检测的信号第二章第二章 光分析法导论光分析法导论光分析法的基本特点光分析法的基本特点（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）选择性测量；）选择性测量；（3）涉及大量光学元器件。）涉及大量光学元器件。南京中医药大学翰林学院南京中医药大学翰林学院2.1 2.1 电磁辐射及其与物质的相互作用电磁辐射及其与物质的相互作用一、电磁辐射一、电磁辐射和电磁波谱和电磁波谱 光是电磁辐射，是一种光是

4、电磁辐射，是一种能量能量不需要以任何物质作为传播不需要以任何物质作为传播媒介就可以巨大速度通过空间的光子流，媒介就可以巨大速度通过空间的光子流，具有波粒二象性。具有波粒二象性。波动性波动性：光在传播过程中，呈现波动性，是变化着：光在传播过程中，呈现波动性，是变化着的电场与变化着的磁场在空间从光源出发，由近及的电场与变化着的磁场在空间从光源出发，由近及远的传播着。远的传播着。微粒性微粒性：光是由具有一定能量的物质微粒组成的，：光是由具有一定能量的物质微粒组成的，这种粒子称为光子（这种粒子称为光子（photonsphotons）。光和物质相互作）。光和物质相互作用时，表现粒子的性质。用时，表现粒子

5、的性质。南京中医药大学翰林学院南京中医药大学翰林学院 （一）电磁辐射的能量与物质分子（原子） 的基态与激发态间的能量差相等 1.吸收辐射能 基态激发态（寿命108） 2.释放能量 激发态基态 3.释放能量的形式：热、光（荧光/磷光）化学变化 高能态（激发态）高能态（激发态）Ei低能态（基态）低能态（基态）E0吸收吸收发射发射h h 满足满足E=h 2.1 2.1 电磁辐射及其与物质的相互作用电磁辐射及其与物质的相互作用一、电磁辐射一、电磁辐射与物质相互作用与物质相互作用南京中医药大学翰林学院南京中医药大学翰林学院（二）电磁辐射的能量与物质分子（原子） 的基态与激发态间的能量差不相等 1.散射：

6、光子与物质分子弹性碰撞 变：运动方向 不变：能量不变，频率不变 2.拉曼散射：光子与物质分子非弹性碰撞 变：运动方向、能量、频率2.1 2.1 电磁辐射及其与物质的相互作用电磁辐射及其与物质的相互作用南京中医药大学翰林学院南京中医药大学翰林学院3.折射和反射4.干涉 频率相同、振动相同的波源发射的波相互 叠加时产生干涉现象 两波相位差180时产生最大相消干涉 暗条纹 两波相位相同时发生最大相长干涉 明条纹5.衍射 光绕过障碍物而弯曲地向它后面传播的现象2.1 2.1 电磁辐射及其与物质的相互作用电磁辐射及其与物质的相互作用南京中医药大学翰林学院南京中医药大学翰林学院可见光分为： 单色光 复合光

7、2.1 2.1 电磁辐射及其与物质的相互作用电磁辐射及其与物质的相互作用三三 、可见光与物质的相互作用、可见光与物质的相互作用南京中医药大学翰林学院南京中医药大学翰林学院 物质物质辐射能辐射能 相互作用为基础相互作用为基础 非光谱法非光谱法 折射折射 不涉及能级间的跃迁不涉及能级间的跃迁 反射反射 只改变传播方向、速度只改变传播方向、速度 色散色散 相应方法相应方法光学分析法光学分析法 或某些物理性质或某些物理性质 干涉干涉 衍射衍射 旋光旋光 光谱法光谱法能级跃迁能级跃迁波长和强度波长和强度 2.2 光学分析法类型光学分析法类型一、光谱法与非光谱法一、光谱法与非光谱法南京中医药大学翰林学院南

8、京中医药大学翰林学院光谱法与非光谱法的区别： (1) 光谱法光谱法：内部能级发生变化 原子吸收/发射光谱法：原子电子能级跃迁 分子吸收/发射光谱法：分子电子能级跃迁 (2)非光谱法非光谱法：内部能级不发生变化 仅测定电磁辐射性质改变2.2 光学分析法类型光学分析法类型南京中医药大学翰林学院南京中医药大学翰林学院光学分析法光学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折射法圆二色性法X射线衍射法干涉法旋光法原子光谱法原子光谱法分子光谱法分子光谱法吸收光谱法吸收光谱法发射光谱法发射光谱法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旋光光法法2.2 光学分析法类型光学

9、分析法类型南京中医药大学翰林学院南京中医药大学翰林学院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原子子发发射射原原子子吸吸收收原原子子荧荧光光X射射线线荧荧光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紫外外可可见见红红外外可可见见分分子子荧荧光光分分子子磷磷光光核核磁磁共共振振化化学学发发光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2.2 光学分析法类型光学分析法类型南京中医药大学翰林学院南京中医药大学翰林学院二、原子光谱法和分子光谱法二、原子光谱法和

10、分子光谱法 （一）原子光谱法（一）原子光谱法 1.定义：测量气态原子或离子外层或内层电子 能级跃迁所产生的原子光谱为基础的分析方法 2.特点： （1）原子光谱是线状光谱 （2）每条谱线对应一定波长 （3）从谱线波长可以得到元素种类 （4）从谱线强度可以得到元素含量 （5）原子光谱不能给出物质分子结构信息2.2 光学分析法类型光学分析法类型南京中医药大学翰林学院南京中医药大学翰林学院（二）分子光谱法（二）分子光谱法1. 定义： 以测量分子转动能级、分子中原子的振动能级（包括转动能级）和分子电子能级（包括振转能级）跃迁所产生的分子光谱为基础的定性、定量和物质结构分析方法。特点：呈带状光谱2.2 光

11、学分析法类型光学分析法类型南京中医药大学翰林学院南京中医药大学翰林学院2.2 光学分析法类型光学分析法类型南京中医药大学翰林学院南京中医药大学翰林学院2.分子中的运动形式及能级 （1）分子做为整体的运动转动能级转动能级 Er0.0050.05eV（25025m） 相当于远红外光或微波的能量 （2）分子中原子间的振动振动能级振动能级 Ev0.051eV（250001250 nm） 相当于红外光的能量 （3）分子中电子的运动电子能级电子能级 Ee120eV（125060nm） 相当于紫外线和可见光的能量2.2 光学分析法类型光学分析法类型南京中医药大学翰林学院南京中医药大学翰林学院三、吸收光谱法和

12、发射光谱法三、吸收光谱法和发射光谱法 （一）吸收光谱法（一）吸收光谱法 1.定义：利用物质的吸收光谱进行定性及结构 分析的方法 2.产生的条件：辐射的能量等于能级跃迁所需 的能量 3.分类： X射线吸收光谱法 原子吸收光谱法 紫外可见吸收光谱法 红外吸收光谱法 核磁共振波谱法2.2 光学分析法类型光学分析法类型南京中医药大学翰林学院南京中医药大学翰林学院（二）发射光谱法（二）发射光谱法 1.产生原理：构成物质原子、离子、或分子受到辐射能、热能、电能或化学能的激发跃迁到激发态后，由激发态回到基态时以辐射的方式释放能量，而产生光谱。 2.定义：利用物质发射光谱进行定性定量的 方法2.2 光学分析法

13、类型光学分析法类型南京中医药大学翰林学院南京中医药大学翰林学院3.发射光谱种类（1）线状光谱：气态或高温下的物质在离解 为原子或离子时被激发后而发射的光谱（2）带状光谱：分子被激发后而产生的光谱（3）连续光谱：炽热的固体或液体所发射的 光谱2.2 光学分析法类型光学分析法类型南京中医药大学翰林学院南京中医药大学翰林学院4.发射光谱法分类发射光谱法分类 （1）射线光谱法射线光谱法 （2）X射线荧光光谱法射线荧光光谱法 （3）原子发射光谱法）原子发射光谱法 （4）原子荧光光谱法）原子荧光光谱法 （5）分子荧光光谱法）分子荧光光谱法 （6）分子磷光光谱法）分子磷光光谱法 （7）化学发光光谱法）化学发

14、光光谱法2.2 光学分析法类型光学分析法类型南京中医药大学翰林学院南京中医药大学翰林学院组成部分：组成部分： （1）辐射源 （2）单色器 （3）吸收池 （4）检测器 （5）读出装置2.3 分光光度计分光光度计南京中医药大学翰林学院南京中医药大学翰林学院一、辐射源一、辐射源 要求：要求： （1）光源产生的辐射必须有足够的输出功率 （关系到检测灵敏度） （2）光源产生的辐射必须稳定 （关系到定量分析的重现性）1.连续光源：发射的辐射波长范围比较宽，在较大范围提供连续波长的光源 （1）紫外光源：氢灯、氘灯 （2）可见光源：钨灯或氙灯 （3）红外光源：硅碳棒、Nernst灯2.3 分光光度计分光光度计

15、南京中医药大学翰林学院南京中医药大学翰林学院242.线光源：发射有限数目的辐射线， 提供特定波长的光源 （1）金属蒸气灯：汞蒸气灯、钠蒸气灯 应用于原子吸收、荧光光谱、拉曼光谱 （2）空心阴极灯：应用于原子吸收和原子荧 光光谱2.3 分光光度计分光光度计南京中医药大学翰林学院南京中医药大学翰林学院 1.作用：将复合光分解成单色光或有一定 波长范围的谱带 2.组成： 入射狭缝 色散元件 准直镜 出射狭缝单色器滤光片棱镜光栅分光系统2.3 分光光度计分光光度计二、分光系统二、分光系统南京中医药大学翰林学院南京中医药大学翰林学院265.干涉仪：核心部件是半透膜分束器BS（由 半导体锗和KBr单晶组成

16、）6.狭缝：只让单一波长的光通过。7.滤光器：最简单的分光系统8.准直镜：以狭缝为焦点的透镜，把散射光变 成平行光，或者相反南京中医药大学翰林学院南京中医药大学翰林学院27三、辐射的检测三、辐射的检测 光子检测器 热检测器光电转换器：单道光子检测器多道光子检测器南京中医药大学翰林学院南京中医药大学翰林学院2.4 光吸收定律一、光吸收的表示一、光吸收的表示0IITt1.透光率与百分透光率透光率与百分透光率%100IIT0t南京中医药大学翰林学院南京中医药大学翰林学院2.吸光度吸光度tTIIlglg-A02.4 光吸收定律3.吸光度的加和性吸光度的加和性 cbaAAAA应用：进行光度分析时，试剂或

17、溶剂有吸收，则可由所测的总吸光度 A 中扣除，即 以试剂或溶剂为空白的依据； 测定多组分混合物； 校正干扰。南京中医药大学翰林学院南京中医药大学翰林学院1、Lambert-Beer定律的表示形式定律的表示形式2.4 光吸收定律二、二、Lambert-Beer定律定律lcKA 式中，式中，K为吸光系数；为吸光系数；l是液层厚度；c是浓度。南京中医药大学翰林学院南京中医药大学翰林学院2、吸收系数、吸收系数 Lambert-Beer 定律中的比例系数“K ”的物理意义是：吸光物质在单位浓度、单位厚度时的吸光度。 一定条件（T、波长及溶剂）下， K 是物质的特征常数，是定性的依据。1. 摩尔吸光系数：摩尔吸光系数：当 c用 mol/L 、l 用 cm 为单位时，用摩尔吸光系数 表示，单位 L/molcm A = l c 与 l及 c 无关。一般不超过 105 数量级，通常大于 104 为强吸收；小于103 为弱吸收；介于两者之间的为中强吸收。2.4 光吸收定律南京中医药大学翰林学院南京中医药大