光法导论剖析课件

1、第六章 光分析法导论an introduction to optical analysis 2022/8/9第一节 光分析基础fundamental of optical analysis第二节 光谱法仪器与光学器件instruments for spectrometry and optical parts2022/8/9一、光分析法及其特点 optical analysis and its characteristics 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

2、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区代的地位；2022/8/9三个基本过程：（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。2022/8/9二、电磁辐射的基本性质 basic properties of electromagnetic radiation 电磁辐射（电磁波）：以接近光速（真空中为光速）传播的能量； c = =/ E = h = h c /c：光速；：波长；：频率；：波

3、数 ；E ：能量； h：普朗克常数 电磁辐射具有波动性和微粒性；2022/8/9辐射能的特性： (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他后面传播的现象； (8) 偏振 只在一个固定方向有振动的光称为平面偏振光。2022/8/92022/8/92022/8/9三、光分析分类 type of optical analysis 光谱法基于物质与辐射能作用时，分

4、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 2022/8/9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（XFS）；基于原子核与射线作用的穆斯堡谱；半宽度10-210-5E2E0E1E3hi波长原子吸收光谱原子发射光谱2022/8/9 分子光谱 带光谱 Band spectra 有机、无机分子E2E1E0半宽度20100nm分子吸收光谱分子发射光谱hi波长/nmA(T)波长/nmI半宽度20100nm2022/8/9荧光

5、发射光致发光 h原子荧光-线光谱 分子荧光-带光谱 E2E0E1E3hiE2E1E0hihi2022/8/9 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； 2022/8/9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子吸收光谱原子发射光谱原子荧光光谱X射线荧光光谱折射法圆二色性法X射线衍射法干涉法旋光法紫外光谱法红外光谱法分子荧光光谱

6、法分子磷光光谱法核磁共振波谱法2022/8/9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2022/8/9四、光分析方法的进展 development of optical analysis 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10-20 g 3. 新材料 光导纤维传导，损耗少；抗干扰能力强；2022/

7、8/9 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；2022/8/9三种光分析法测量过程示意图 2022/8/9一、光分析法仪器的基本流程 general process of spectrometry 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；2022/8/9二、光分析法仪器的基本单元 main parts of spectrometry 1. 光源 依据方法不同，采用不同的光

8、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；2022/8/92.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：（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；2022/8/9 （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。2022/8/9棱镜 棱镜对不同波长的光具有不同的折射率

9、，波长长的光，折射率小；波长短的光，折射率大。 平行光经过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；2022/8/9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；2022/8/9狭缝 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

10、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；2022/8/9 在原子发射光谱分析中， 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；2022/8/9D-1:倒线色散率；W :光谱通带；S :狭缝宽度。狭缝（Slit）构成：狭缝是两片经过精密加工、具有锐利边缘的金属组成。两片金属处于相同平面上且相互平行。入射狭缝可看作是一个光源，在相应波长位置，入射狭缝的像刚好充满整个出射狭缝。有效带宽

11、：整个单色器的分辨能力除与分光元件的色散率有关外，还与狭缝宽度有关。即单色器的分辨能力（有效带宽S）应由下式决定：光谱通带当单色仪的色散率固定时，光谱通带将随狭缝宽度变化。 2022/8/92. 理想的光电转换器要求灵敏度高； S/N大； 暗电流小； 响应快且在宽的波段内响应恒定。光电转换器（Transducer）S = KP + KD= KPS:以电压或电流为单位的电响应；K:校正灵敏度；P：辐射功率；KD: 暗电流(可通过线路补偿，使为0)1.定义：光电转换器是将光辐射转化为可以测量的电信号的器件。2022/8/9光电转换器种类及其应用波段2022/8/9光电倍增管（photomultip

12、lier tube, PMT） 1个光子产生106107个电子共有9个打拿极(dynatron)所加直流电压共为1090V放大倍数：2n5n;n=10,103107 最大108109光电流：10-810-3 A 响应时间：10-9s光电倍增管示意图124689753光束石英套阳极屏蔽栅极,Grill900V dc90V123456789阳极阴极石英封读出装置R缺点：热发射强，因此暗电流大。不得置于强光(如日光)下，否则可永久损坏 PMT！优点：高灵敏度；响应快；适于弱光测定，甚至对单一光子均可响应。2022/8/93.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：雾化器中雾化，在火焰中，元素由离子态原子； 原子发射光谱分析