《仪器分析》第十章 光学分析法导论.ppt

1、光学分析方法简介，1，电磁波的基本特性：波动性和粒度(1)波动性：光的许多性质可以用经典的波模式来解释。从麦克斯韦波论来看，高频率电磁波是伴随磁效应的交变电场。波与环境的相互作用可以根据表示力场的电矢量和表示磁场的磁矢量进行讨论。电磁场垂直于波的传播方向周期性变化。也就是说，电场沿Y轴方向变化，磁场沿z轴方向变化。大多数情况下，只要考虑电矢量，就可以解释光的性质，只有在讨论MRI时才使用磁矢量。光的矢量表示，描述光特性的参数：频率():电场每秒交流电数，s-1单位，赫兹(Hz)波长():可以用两个相邻波的相应点之间的距离，单位M或M，nm表示。波数():单位长度内的波数，即波长的倒数。它们之间

2、的关系是c/=1/c是光在真空中的传播速度，2.99792108m/s(或3108m/s)。光波具有重叠性。也就是说，当两个波在同一空间传播时，两个波徐璐重叠，产生光的干涉现象。合成波的频率与原来的两个波相同，但振幅不同。当两个波合成相位的差值为180时，发生相互干扰。正弦波的叠加示意图，(2)微细电磁波的粒度是指光辐射由具有一定能量的光子构成，这一观点可以通过光电效应来验证。光子的能量与发射频率成正比。关系是Ehhc/h为普朗克常量，6.6210-34Js。能量E的单位为焦耳(J)或电子螺栓(eV)，1 eV1.610-19 J。例如，200nm波长的光为ehc/6.6210-34 js 3

3、108m s-1/(20010-9m)9.9310-19j=9.9310-19j/(，2，光和19j/吸收的光能使物质的原子或分子从低能量级(纪宁状态)跳到高能量级(发生状态)。吸收的光子的能量与纪宁状态和激发态的能量差完全相同。由于徐璐不同物质的基态和发生状态的能量差异不同，光能的选择性吸收为情感物质提供了理论基础。根据物质光吸收的性质分为原子吸收、分子吸收、磁场刘涛吸收。原子吸收：单原子粒子的吸收是由价电子的跳跃而产生的。内部电子的过渡吸收峰只能出现在x射线区域。分子吸收：复杂，分子的总能量是旋转、振动、电子能的总和，电子能级包括几个振动能级，振动能级包括几个旋转能级。由于能级分布特性，分

4、子吸收光谱表示大波长范围的吸收带。磁场刘涛吸收：当某些元素的电子或原子核受到磁场的作用时，粒子的磁性会导致量子化的能量水平分裂，这些分裂的能量水平之间的能量差异很小，由低频长波的吸收刺激引起转移。原子核的转移使用(10-200)106Hz的无线电波，电子的磁场刘涛吸收转移通常使用(1000-25000) 106Hz的微波。MRI研究原子核在磁场中的吸收，而电子自旋共振则研究电子在磁场中的吸收。(2)光的发射，当受刺激的原子、分子和离子回到低能状态时，以光的形式发射能量，产生发射光谱。发生方法：电子、粒子轰击发生高压交流火花、电弧火焰热吸收电磁辐射在发射光的粒子之间完全分离，产生特定不连续波长的

5、线性光谱。粒子靠近徐璐或许多能量差较小的能量水平之间的刺激所产生的光谱是连续光谱。发射类型：1)热辐射固体加热到白炽灯状态时，会发射连续光谱。这种辐射属于黑体辐射，发生在固体中由热引起的分子或原子的振动中。随着温度的升高，各能量向短波方向移动。热辐射通常用作红外、紫外线和可见光谱的光源。黑体辐射曲线，2)气体辐射气体原子、离子或分子通过放电或加热产生紫外线、可见光。这种辐射是物质最外层的电子转移到这里的状态，然后回到基态的光。原子发射通常由一系列不连续的光谱线组成，分子发射比较复杂，观察由很多光谱线组成的连续光谱。例如氢分子受到刺激，发出400-200nm的连续光谱，通常用作吸收光谱的光源。3

6、)X-张艺兴高速电子流轰击金属靶后靶材料内层电子转移产生的光辐射可分为连续X射线和特性X-张艺兴两种。4)荧光和磷光物质吸收短波长的光时，辐射产生长波长的光。这是荧光。当受刺激的原子或分子返回低能量状态时，首先回到稳定状态，稳定一段时间，然后返回基态，此时发出的光比荧光的能量小。据说是磷光。荧光的寿命为10-9-10-6s，磷光的寿命为10-4-10s。(3)光的透射、折射、反射和散射光的透射和折射光的透射是光通过透明介质时的特性，通常发生折射(如果入射角不垂直)。实验表明，光通过透明介质时的速度小于真空的速度，ni是频率为I的光的绝对折射率，VI是介质中的光速，C是真空中的光速。ni=c/v

7、i表示光的传播速度与频率相关，C是常数，因此折射率随着频率的变化而变化。当光束从一种介质移动到另一种介质时，由于两种介质的密度不同，光束在两种介质中徐璐以不同的速度传播，方向也发生了变化的现象折射。根据斯内尔定律，入射光是复色光的情况下，由于不同波长不同光的折射率不同，折射角不同，因此发生色散现象，棱镜的分光作用基于此。当光的反射光接触具有不同折射率的两个介质的界面时，也会发生光的反射现象。反射与折射率的差异和入射角相关。反射的分数确定如下：I0，Ir单独入射光和反射光的强度，n1，N2分别是两种介质的折射率。光的散射光通过介质时，除反射和折射外，在入射路径和各种角度方向上传播，这是散射现象。

8、散射的强度取决于介质粒子的大小。对于含有大颗粒的胶体溶液，散射现象是肉眼可见的。粒子比光的波长小得多的分子或分子集合体产生的散射称为瑞利散射。散射光的强度与波长、粒度和极化有关。散射一般用作浊度分析、x射线衍射分析。光子与分子作用时，分子在极化中的振动能量水平和旋转能量水平跳跃导致频率变化，这种散射也称为拉曼散射。(4)光的衍射光波绕过障碍物或通过狭缝时，以大约180度的角度向外发射，波前进的方向弯曲，这就是波的衍射现象，干涉的结果。(5)光谱中光的吸收和发射与物质能量水平的转移行为相对应，通过光的能量函数测量光的发射或吸收的强度，可以获得核、原子或分子的固有光谱，并进一步将这种特定的能量转移

9、与作用物质的浓度联系起来。系统能量变化分布图，非步进法是光和物质作用时测量光的特定特性，如折射、散射等。光谱分析方法是基于物质内部发生量子化的能量水平之间的转移而产生的发射光谱或吸收光谱的波长和强度进行定性和定量的方法。根据电磁辐射的本质，光谱可以分为原子光谱和分子光谱。根据电磁辐射能量的传递方式，光谱分析方法可以分为发射光谱、吸收光谱、散射光谱等。电磁波谱域及一般光学分析方法、4、光学分析方法的特征灵敏度高。样品使用少。适用的测试组件范围很广。分析速度快。多因素同时测量5，光学分析方法的应用光学分析方法是仪器分析中最不同种类的分析方法，目前有数十种以上，应用范围很广。工业农业生产、国防、医药

10、卫生、生物、地质矿产、环境保护等几乎所有领域都需要分析测试的领域可以使用光学分析方法。6、光学分析仪器的配置(1)光源(2)波长选择器(3)采样池(4)探测器(5)信号处理器和读出装置，光源分为连续光谱光源和线光谱光源，连续光谱光源主要用于紫外-可见，连续光谱光源根据波长不同功率紫外线地区经常使用氢灯和氘灯。氢灯160-375纳米。钨灯320-2500nm可用作可见红外线和近红外线的光源。红外区域的光谱从电加热到1500-2000K之间的惰性固体，得到接近黑体辐射的连续光谱源，如硅碳棒。线光谱能量可以释放原子吸收，拉曼光谱中经常使用的几个不连续光谱。在碱金属盐类火焰中，钠发出亮黄色光谱，波长5

11、89nm，钾发出紫红色光谱，波长766.4nm。最常用的线光谱源是水银蒸汽灯和钠蒸汽灯。汞灯能产生254-734nm范围内的一系列光谱。空心阴极灯提供元素的线光谱，主要用于原子吸收光谱分析。此外，激光作为一种新的线谱源被越来越广泛地使用。例如，离子激光514.5纳米(绿色)和480.0纳米(蓝色)区域生成强光谱。波长选择器经常使用单色仪将复合光按波长顺序分布成阵列光谱，并获得所需光谱。过滤器也是简单的波长选择器。单色测量仪包括狭缝、准直装置、色散装置、聚焦透镜等。根据方差分量，分为棱镜单色仪和光栅单色仪。1)棱镜的色散取决于波长不同的光的折射角度。由于不同波长的光具有不同的折射率，因此徐璐产生

12、不同的折射率，因此分离的作用称为棱镜的色散作用，等边棱镜的色散，棱镜对相邻波长的光色散能力可以用棱镜的角色色散率来测量。也就是说，将折射角更改为波长的函数的速度：D/D，D/DN表示棱镜材质折射率N的变化。前者取决于棱镜的几何，后者是棱镜材料的色散率。棱镜的分辨力用R表示，指棱镜分离波长差异很小的相邻2波长的能力。R=/d其中是两个相邻波长的差，是两个相邻波长的平均值。r还与棱镜的底边长度和材料相关，棱镜具有高分辨率的能力。2)晶格晶格的色散基于狭缝衍射。光栅分为反射光栅和投影光栅。投影光栅由玻璃或其他透明材料制成，上面刻有许多宽度和距离相等的平行线。应用于紫外线可视区域的碎片密度为60-36

13、00mm-1，适用于红外区域的碎片密度为20-30mm-1。反射光栅是在压印的金属表面或复制的光栅表面真空蒸发薄铝膜而成的。入射光被其中一个刻好的表面反射，这种反射又可以看作是新的光源。每条影线都有一个反射面，徐璐反射的光产生干涉现象，结果徐璐不同波长的光徐璐以不同角度反射，达到漫反射的目的。光栅线、相邻光束要引起相位长度干涉，光路径差必须等于入射光束波长的整数倍数。图中所示的平行光1和2在光栅法线和入射角I的方向上与光栅接触。如图所示，梁2比1长，梁2比1短，因此差异是CD AB。在入射角侧反射时为CD AB，在同一侧不是CDAB。可以从ACD中获取CD ABn。CDADsini=dsini

14、可以从ABD中获得。ABdsinr n=d(Sini SINR)，在方程式中，n称为频谱层级(n=0，1，2，)。如表达式所示，n=0没有分光效果。当n和I不变时，r的函数可以极化。如果n相等，则与波长800nm的第一光谱相同的光谱线重叠，波长400nm的第二光谱与波长267nm的第三光谱重叠。要消除这种重叠，可以采用过滤器。入射光垂直于光栅时，n=dsinr的波长越短，衍射角度越小，短波接近0级线，光谱对齐中心以紫色-红色顺序形成，这种色散与棱镜不同。i=r=时，光栅的衍射在特定角度范围内是最强的，以避免“理想”光栅集中于零级缺点，即大多数光度不发光。此时入射角也称为闪光角，其波长是闪光波长

15、。这两者的关系为n=2dsin，光栅的角度散射率为：、例如，盖印密度为2400mm-1的点阵式第二回合节比第一回合节大两倍。光栅的衍射角度一般很小，因此可以认为cosr=1，因此光栅的色散可以认为与波长无关。在实际操作中，漫反射率通常使用线漫反射率dl/d来表示dl是单色器焦平面上的双波线之间的距离。f是黑盒水警的焦距。使用最广泛的分散度是线分离率的倒数，即线分离率d/dl。光栅的分辨率为，n表示碎片总数。由此可见，光栅的分辨率与总碎片数成正比，与波长无关。3)过滤器有两种类型：吸收过滤器和干涉过滤器。前者只适用于可见光区域，后者适用于紫外线、可见和红外线。有色分析中使用的红色、黄色、绿色等过

16、滤器属于吸收类过滤器，例如，绿色过滤器吸收橙色光，投影光限制在480-620nm范围内。干涉过滤器通过光的干涉获得狭窄的辐射光谱，透明介质(通常是氟化钙或氟化镁)由两个内部表面涂有半透明金属膜的玻璃板组成。通过光的波长取决于介质层的厚度。4)狭缝单色器的进口狭缝起着单色器光学系统虚光的作用。复合光通过漫反射元素分离后，在出口表面形成对应于每条光谱线的图像，即光谱。旋转漫反射组件时，徐璐其他波长的光谱线依次通过。分辨率大小不仅取决于分布式组件的性能，还取决于成像的大小，因此，我们希望使用窄入口狭缝。分辨率用于测量单色器可以分离波长的最小间隔。最小间隔的大小显示为有效带宽。S=DW D是线分散率的倒数。w是狭缝宽度。5)由样品池透明材料制成。样品的吸收范围不同，材料也不同。自主用石英，350-2000纳米为普通玻璃，红外地区为氯化钠晶体。为了减少反射损失，通常放置在与入射光垂直的位置。紫外线-可见光吸收