仪器分析 课件 10.1 光学分析法基础

*第十章

光学分析法基础10.1.1

光学分析法及其特点10.1.2电磁辐射的基本性质10.1.3

光学分析法分类10.1.4各种光学分析方法简介10.1.5光学分析法进展第一节

光学分析法概述Introductiontoopticalanalysis

Fundamentalofopticalanalysis

*10.1.1

光学分析法及其特点

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取代的地位。*

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,检测信号。

基本特点：（1）所有光分析法均包含这三个基本过程。（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。*10.1.2电磁辐射的基本性质

电磁辐射（电磁波）：以接近光速（真空中为光速）传播的能量；

c=λν=ν/σ

E=hν=hc/λc：光速；λ：波长；ν：频率；σ：波数；E：能量；h：普朗克常数电磁辐射具有波动性和微粒性；***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(下一页讲)；(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。吸收发射

当原子、分子和离子等处于较高能态时，可以以光子形式释放多余的能量而回到较低能态，产生电磁辐射，这一过程叫做发射跃迁。折射和反射

当光作用于两种物质的界面时，将发生折射和反射现象，光的折射和反射如图2-10所示。图中AO为入射光，OB为反射光，OC为折射光，NN’为法线，i为入射角，i’为反射角，r为折射角。干涉和衍射

当频率相同、振动相同、相位相等或相差保持恒定的波源所发射的相干波互相叠加时，会产生波的干涉现象。光波绕过障碍物而弯曲地向它后面传播的现象，称为波的衍射现象。图2-11单缝衍射示意图*丁铎尔散射:光通过含有许多大质点（其颗粒大小的数量级等于光波的波长）的介质时产生的散射光。乳浊液、悬浮物溶液、胶体溶液等所引起的散射。分子散射（瑞利散射和拉曼散射）：辐射能与比辐射波长小得多的分子或分子聚集体之间的相互作用而产生的。*(1)瑞利散射

光子与分子间“弹性碰撞”。入射光能量小，分子外层电子不跃迁，分子跃迁到“受激虚态”(较高的振动能级)，不稳定，在10-15～10-12s回到基态，将吸收的能量以入射光同样的波长释放，相当于光子改变了运动方向。*（2）拉曼散射

光子与分子间“非弹性碰撞”，有能量变化，产生与入射光波长不同的散射光。拉曼散射光。波长短于入射光的称为“反斯托克线”；反之称为“斯托克线。*（3）拉曼位移

拉曼散射光与瑞利散射光的频率差。与物质分子的振动与转动能级有关。不同分子有不同的拉曼位移。拉曼位移是表征物质分子振动、转动能级特性的一个物理量，反映了分子极化率的变化，可用于物质的结构分析。△ν=ν-ν0拉曼位移*10.1.3光学分析法的分类

光谱法—基于物质与辐射能作用时，分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

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射线荧光光谱（XFS）；基于原子核与射线作用的穆斯堡谱。*

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。

*光学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法分子磷光光谱法核磁共振波谱法*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光谱核磁共振紫外可见红外光谱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*10.1.4各种光学分析方法简介1.原子发射光谱分析法

以火焰、电弧、等离子炬等作为光源，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的方法。2.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定量分析方法。*3.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能态跃迁到高能态，10-8s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90度的方向上，测定荧光强度进行定量分析的方法。

4.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。

*6.X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X射线(X射线荧光)，测定其强度可进行定量分析。7.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。5.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。*

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变化可进行定量分析。9.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-转动吸收光谱进行定量和有机化合物结构分析的方法。10.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*11.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，根据吸收光谱可进行结构分析。12.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。13.衍射法

X射线衍射：研究晶体结构，晶体衍射图和数据。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。*10.1.5光学分析法的进展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。*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