《光譜分析法概論》PPT課件.ppt

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1、儀器分析 第九章 光學分析法概論 分析方法 化學分析法 儀器分析法 (Chemical analysis) (Instrumental analysis) 化學定性分析 化學定量分析 重量分析法 容量分析法 光學分析法 (Optical analysis) 色譜分析法 （ Chromatography) 質(zhì)譜法 (Mass spectrometry) 電化學分析法 (Electrochemistry) 儀器分析 第九章 光學分析法概論 光學分析法概論 儀器分析 第九章 光學分析法概論 光學分析法 (Optical analysis) 基于物質(zhì) 發(fā)射 的電磁輻射或物質(zhì)與輻射 相互作用 后 產(chǎn)生

2、的 輻射信號或發(fā)生的信號變化來測定物質(zhì)的 性質(zhì) 、 含量 和 結(jié)構 的 一類 儀器分析方法 。 光學分析方法涉及到三個問題： 能源提供能量（包括輻射能） 能量與物質(zhì)的相互作用； 分析信號的產(chǎn)生及其檢測。 儀器分析 第九章 光學分析法概論 光學分析法的應用 2.環(huán)境和大氣研究 主要是原子光譜的應用，也有分子光譜 。 3.藥物分析 鑒別、檢查、含量測定。 1.結(jié)構鑒定 專屬性強 ; 樣品用量少 ;不改變混合體系的組成就能 快速分析。 儀器分析 第九章 光學分析法概論 第一節(jié) 電磁輻射及其與物質(zhì)的 相互作用 第二節(jié) 光學分析法的分類 第三節(jié) 光譜分析儀器 儀器分析 第九章 光學分析法概論 光 : 是

3、一種電磁波 , 具有波動性和粒子性 . 波動性 傳播運動過程中突出 , 表現(xiàn)在光的偏振 , 干涉 , 衍射 粒子性 與物質(zhì)相互作用時突出 , 表現(xiàn)在光電效 應 , 光的吸收和發(fā)射 衍射 干射 散射 第一節(jié) 電磁輻射及其與物質(zhì)的相互作用 一 、 電磁輻射的性質(zhì) 儀器分析 第九章 光學分析法概論 1. 光的波動性 波動性：可用波長 、頻率 和波數(shù) 來描述。 = c c : 光速 (3 108 m/s) : Hz : m : 光在傳播過程中 , 同一電磁波曲線上兩個相鄰的 相位相同的點之間的距離 . : 單位時間內(nèi)經(jīng)過某一點的波的數(shù) . : 波長的倒數(shù) (1/ ),常用于紅外光譜 , 可以理解 為

4、1cm長度中波的數(shù)目 . 頻率與波長成反比 , 即波長越長 , 頻率越低 , 波數(shù)越小 = 1 / = /c 儀器分析 第九章 光學分析法概論 對于不同的光波 , 波長采用不同的單位 . 紫外 -可見光區(qū) : nm(10-9m) 紅外光區(qū) : m(10-6m)或 cm-1 微波區(qū) : cm 無線電波 : m 2. 光的粒子性 h : 普朗克常數(shù) 光量子的能量 (E)與波長成反比 , 而與頻率及波數(shù)成正比 . 可用光量子的能量來描述 E = h =h c / = h c 化學分析 第九章 光學分析法概論 例如：計算 1mol (6.022171023個 )波長為 200nm的光子的能量 E )(

5、J10985 102 0 0 100 2 2 1 76109 9 7 9 2 52106 2 6 26 5 7 231034 . .ch E 化學分析 第九章 光學分析法概論 3 電磁波譜：電磁輻射按波長順序排列 ， 稱 。 射線 X 射線 紫外光 可見光 紅外光 微波 無線電波 化學分析 第九章 光學分析法概論 儀器分析 第九章 光學分析法概論 物質(zhì)與輻射能作用時內(nèi)部 發(fā)生 能級躍遷 光譜 光譜分析法 (Spectroscopic analysis) 光學分析法 物質(zhì)與輻射能作用時 不發(fā)生 能級躍遷 非光譜法 二 、 電磁輻射與物質(zhì)的相互作用 儀器分析 第九章 光學分析法概論 (一 ) 物質(zhì)

6、內(nèi)部發(fā)生能級躍遷 吸收 (Absorption) 輻射能量恰好滿 足物質(zhì)兩能級間躍遷所需的能量。 X+h X 儀器分析 第九章 光學分析法概論 發(fā)射 (Emission) 物質(zhì)受到激發(fā)而躍遷 到激發(fā)態(tài)后，由激發(fā)態(tài)回到基態(tài)時以 輻射 的 方式釋放能量。 X X X X+h 儀器分析 第九章 光學分析法概論 散射 (Scattering) 光子與物質(zhì)分子之間發(fā)生 碰撞 ， 使光子的運動方向發(fā)生改變而向不同角度 散射 。 瑞利散射 光子與物質(zhì)分子發(fā)生彈性碰撞 ， 不 發(fā)生能量交換 ， 僅光子運動方向發(fā)生改變 。 (波長 =入射光波長 ) 拉曼散射 光子和介質(zhì)分子發(fā)生 非彈性 碰撞 ， 光子運動方向和

7、能量均發(fā)生改變 。 (波長 入射光波長 ) 儀器分析 第九章 光學分析法概論 折射和反射 當光從介質(zhì) 1照射到介質(zhì) 2界面時 ， 一 部分光返回介質(zhì) 1， 稱為光的 反射 ， 另一部分光則改變 方向 ， 以一定折射角度進入介質(zhì) 2， 稱為光的 折射 。 干涉和衍射 在一定條件下光波會相互作用 。 當疊 加時 ， 將產(chǎn)生一個其強度視各波的相位而定的加強或 減弱的合成波 ， 稱為 干涉 。 光波繞過障礙物或通過狹 縫時 ， 以約 180的角度向外輻射 ， 波前進的方向發(fā)生 彎曲 ， 稱為 衍射 。 (二 ) 不發(fā)生能級躍遷 儀器分析 第九章 光學分析法概論 第二節(jié) 光學分析法的分類 儀器分析 第九

8、章 光學分析法概論 一 、 按照電磁輻射與物質(zhì)的相互作用分類 1.光譜法 物質(zhì)內(nèi)部發(fā)生 能級躍遷 ，記錄 由能級躍遷所產(chǎn)生的輻射能強度隨波長的變 化，所得的圖譜稱為 光譜 ，利用光譜進行定 性定量和結(jié)構分析，包括 吸收光譜法 ， 發(fā)射 光譜法 和 散射光譜法 。 儀器分析 第九章 光學分析法概論 吸收光譜 (absorption spectrum) 1 1 (nm) 吸 光 度 (A) 1 2 3 4 5 6 n 儀器分析 第九章 光學分析法概論 nm 光譜的不同形式 帶狀光譜 :由幾個光帶和暗區(qū)相間而成的光譜。 儀器分析 第九章 光學分析法概論 線狀光譜 :由若干條強度不同的譜線和暗區(qū)相間而

9、成的光譜。 儀器分析 第九章 光學分析法概論 連續(xù)光譜： 由熾熱的固體或液體發(fā)射。在一定范圍內(nèi)。各種波 長的光都有，連續(xù)不斷，無明顯的譜線和譜帶。它們是紅外、 可見及遠紫外區(qū)分析儀器的重要光源。 太陽連續(xù)光譜 儀器分析 第九章 光學分析法概論 2.非光譜法 不涉及物質(zhì)內(nèi)部能級的躍遷， 僅通過測量電磁輻射的某些基本性質(zhì) (反射、 折射、干涉、衍射和偏振 )的變化 , 主要有折 射法，旋光法，濁度法， X-射線衍射法和圓 二色法等 。 儀器分析 第九章 光學分析法概論 利用 X-射線能夠繞過障礙物而彎曲地向后面?zhèn)鞑サ默F(xiàn) 象，是測定晶體結(jié)構的重要手段。 DNA晶體的 X射線衍射照片 (by Rosa

10、lind Franklin) X-射線衍射法 (X-ray diffraction analysis, XRD) 儀器分析 第九章 光學分析法概論 二、按照作用物不同分類 1.原子光譜法 (atomic spectroscopy) 以測量氣態(tài) 原子 或 離子 外層或內(nèi)層電子能級 躍遷所產(chǎn)生的原子光譜為基礎的分析方法，為 線 狀光譜 。 2.分子光譜法 (molecular spectroscopy) 由 分子 中電子能級、振動和轉(zhuǎn)動能級的變化 產(chǎn)生，為 帶光譜 。 儀器分析 第九章 光學分析法概論 三 、 按輻射能轉(zhuǎn)換方向分類 1. 原子吸收光譜法 (第十三章 ) 原子外層電子躍遷的兩個能級之

11、間的能量差 可確定試樣的元素組成和含量，但不能給出分 子結(jié)構的信息 (一 ) 吸收光譜法 定義：物質(zhì) 吸收 相應的輻射能而產(chǎn)生的光譜。 儀器分析 第九章 光學分析法概論 (1) 紫外 -可見分光光度法 (第十章 ) 價電子能級躍遷而產(chǎn)生 ， 伴隨振動能級 等躍遷 ， 帶狀光譜 。 電子能級間隔 1 20eV， 波長 200 760nm。 2. 分子吸收光譜法 (2) 紅外分光光度法 (第十二章 ) 屬于分子振 -轉(zhuǎn)光譜，能量差為 0.05 1eV， 波長 1250 25000nm。 儀器分析 第九章 光學分析法概論 (3) 核磁共振波譜法 (第十四章 ) 是原子核自旋能級躍遷，激發(fā)波長是在 6

12、0cm 300m的電磁波。 (4) 拉曼光譜法 利用拉曼散射獲得結(jié)果。 儀器分析 第九章 光學分析法概論 (二 )發(fā)射光譜法 定義：原子或分子受激發(fā)后 ， 電子由激發(fā)態(tài)回至基 態(tài)所產(chǎn)生的光譜為發(fā)射光譜 。 1 原子發(fā)射光譜法 氣態(tài)金屬原子與高能量粒子 (電子 、 原子或分子 )碰撞 而激發(fā) ， 發(fā)射出的 特征線狀光譜 。 2 原子熒光光譜法 氣態(tài)金屬原子受電磁輻射 (一次輻射 )激發(fā)后 ， 發(fā)射 的 二次輻射 。 儀器分析 第九章 光學分析法概論 3. 分子熒光 (第十二章 )和磷光光譜法 物質(zhì)分子受輻射激發(fā)后其外層電子由基態(tài)躍遷 到激發(fā)態(tài) ， 當它們返回基態(tài)時 ， 以輻射的形式 釋放出能量

13、。 4. 化學發(fā)光分析 在一些特殊的化學反應中 ， 由于吸收了反應 所釋放出的化學能而處于電子激發(fā)態(tài)的反應 中間體或反應產(chǎn)物 ， 由激發(fā)態(tài)回到基態(tài)時所 產(chǎn)生的一種光輻射 。 儀器分析 第九章 光學分析法概論 質(zhì)譜是分子離子和碎片離子依其質(zhì)荷比 (m/z)大小依次進行排列所成的質(zhì)量譜 (mass spectrum)。 根據(jù)質(zhì)譜的分析 ， 來確定分子的原子 組成 、 分子量 、 分子式和分子結(jié)構的方法稱為質(zhì) 譜法 。 四、質(zhì)譜法 (第十五章 ) m / z 1 5 2 9 4 3 5 7 8 5 9 9 1 1 3 1 4 2 7 1 儀器分析 第九章 光學分析法概論 光學分析法 光譜分析法 非光

14、譜分析法 原子光譜分析法 分子光譜分析法 原 子 吸 收 光 譜 原 子 發(fā) 射 光 譜 原 子 熒 光 光 譜 X 射 線 熒 光 光 譜 折 射 法 圓 二 色 性 法 X 射 線 衍 射 法 干 涉 法 旋 光 法 紫 外 光 譜 法 紅 外 光 譜 法 分 子 熒 光 光 譜 法 分 子 磷 光 光 譜 法 核 磁 共 振 波 譜 法 儀器分析 第九章 光學分析法概論 光譜分析法 吸收光譜法 發(fā)射光譜法 原子光譜法 分子光譜法 原 子 發(fā) 射 原 子 吸 收 原 子 熒 光 X 射 線 熒 光 原 子 吸 收 紫 外 可 見 紅 外 可 見 核 磁 共 振 紫 外 可 見 紅 外 可

15、見 分 子 熒 光 分 子 磷 光 核 磁 共 振 化 學 發(fā) 光 原 子 發(fā) 射 原 子 熒 光 分 子 熒 光 分 子 磷 光 X 射 線 熒 光 化 學 發(fā) 光 儀器分析 第九章 光學分析法概論 第三節(jié) 光譜分析儀器 儀器分析 第九章 光學分析法概論 能源提供能量 能量與被測物之間相互作用 產(chǎn)生信號 輻射源 (光源 Source) 單色器 (Monochromator) 樣品池 輻射檢測器 (Detector) 訊號處理及顯示器 分光光度計 (spectrophotometer) 光學分析法三個基本過程 : 儀器分析 第九章 光學分析法概論 儀器分析 第九章 光學分析法概論 1. 光源

16、依據(jù) 方法 不同，采用不同的光源：激光、電火 花、電弧等； 依據(jù)光源 性質(zhì) 不同，分為： 連續(xù)光源 在較大范圍提供連續(xù)波長的光源，氫燈、氘 燈、鎢絲燈等； 線光源 提供特定波長的光源，金屬蒸氣燈 (汞燈、鈉 蒸氣燈 )、空心陰極燈、激光等。 一、基本元件 儀器分析 第九章 光學分析法概論 儀器分析 第九章 光學分析法概論 2.單色器： 單色器的主要作用是將復合光分解成單 色光或有一定寬度的譜帶。 (1) 進出口狹縫； (2) 準直裝置 (透鏡或反射鏡 )：使輻射束成為平行光線； (3) 色散裝置： 棱鏡 、 光柵 儀器分析 第九章 光學分析法概論 棱鏡： 棱鏡對不同波長的光具有不同的折射率，波

17、長長的光，折 射率??；波長短的光，折射率大。 平行光經(jīng)過棱鏡后按波長順序排列成為單色光；經(jīng)聚焦后 在焦面上的不同位置上成像，獲得按波長展開的光譜； 儀器分析 第九章 光學分析法概論 光柵： 由一系列等寬等間距的平行狹縫組成，在 1cm 的長度上往往刻有幾千條甚至上萬條的刻痕?？毯?處不透光，未刻處透光，稱之為透射光柵，另一種 光柵是反射光柵。 光柵光譜的產(chǎn)生是多狹縫干涉與單狹縫衍射共同 作用的結(jié)果，前者決定光譜出現(xiàn)的位置，后者決定 譜線強度分布。 儀器分析 第九章 光學分析法概論 3.試樣裝置 光源與試樣相互作用的場所 (1)吸收池 :比色皿 (如紫外 -可見分光光度法 )、 透明片 (如紅外

18、分光光度法 )等 (2) 特殊裝置 :霧化器 (如原子吸收分光光度法 ) 等 儀器分析 第九章 光學分析法概論 4. 檢測器 (1) 光檢測器 硒光電池、光電二極管、光電倍增管、硅二極 管陣列檢測器、半導體檢測器等 (2) 熱檢測器 真空熱電偶檢測器、熱釋電檢測器等 5. 信號與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng) 集成、自動、智能 儀器分析 第九章 光學分析法概論 二、儀器相關術語 1.光譜范圍 (spectral range) 儀器能測量 光譜的波長范圍 。 2.工作范圍 (working range) 儀器能按規(guī)定的 準確度和精密度進行測量的吸光度或強度范圍。 3.厚度 (thickness) 樣品池的兩個平行

19、且透光的 內(nèi)表平面之間的距離 。 4.光路長度 (optical path length) 光通過吸 收池內(nèi)物質(zhì)的入射面和出射面之間的路程。當垂 直入射時，應與厚度相同。 儀器分析 第九章 光學分析法概論 5.儀器的準確度 (accuracy) 在不考慮隨機誤差的 情況下 ， 儀器給出的讀數(shù)與被測量的真值相一致的能 力 。 考察系統(tǒng)誤差 。 6.儀器的重復性 (repeatability) 在不考慮系統(tǒng) 誤差的情況下，儀器對某一測量值能給出相一致讀數(shù) 的能力 (短時間內(nèi) ) 。 7.儀器的穩(wěn)定性 (stability) 在一段時間內(nèi)，儀 器保持其精密度的能力。 8.儀器的可靠性 (reliab

20、ility) 儀器保持其所有 性能 (準確度、精密度和穩(wěn)定性 )的能力。 儀器分析 第九章 光學分析法概論 第四節(jié) 光譜分析法發(fā)展概況和主要文獻 一 、 光譜分析法發(fā)展概況 20世紀 40年代中期 ， 光電倍增管的出現(xiàn) 20世紀 50年代 ， 原子物理的發(fā)展 20世紀 60年代 ， 等離子體 、 傅立葉變換與激光技術的 引入 20世紀 70年代 ， 激光 、 微電子學 、 微波 、 半導體 、 自 動化 、 化學計量學等科學技術和各種新材料的應用 儀器分析 第九章 光學分析法概論 二 、 目前的研究熱點 1. 采用新光源，提高靈敏度 級聯(lián)光源：電感耦合等離子體 -輝光放電； 激光蒸發(fā) -微波等

21、離子體 2. 聯(lián)用技術 電感耦合高頻等離子體 ICP-質(zhì)譜 激光質(zhì)譜：靈敏度達 10-20 g 3. 新材料 光導纖維傳導，損耗少；抗干擾能力強 儀器分析 第九章 光學分析法概論 4. 交叉 電致發(fā)光分析；光導纖維電化學傳感器 5. 檢測器的發(fā)展 電荷耦合陣列檢測器光譜范圍寬、量子 效率高、線性范圍寬、多道同時數(shù)據(jù)采集、三 維譜圖，將取代光電倍增管； 光二極激光器代替空心陰極燈，使原子 吸收可進行多元素同時測定 儀器分析 第九章 光學分析法概論 三 、 參考文獻 1. 文獻檢索工具 Chemical Abstract （“ CA” ，美國 ) Analytical Abstracts (英國 ) 分析化學文摘 (中國 ) 化學文獻 (俄羅斯 ) Guide to Fluorescence literature (熒 光文獻指南，英國 ) 儀器分析 第九章 光學分析法概論 2.主要期刊 Analytical Chemistry (美國 ) The Analyst (英國 ) Spectrochimica Acta (英國 ) Applied Spectroscopy (美國 ) 分析化學 (中國 ) 分析試驗室 (中國 ) 光譜學與光譜分析 (中國 ) 儀器分析 第九章 光學分析法概論 光學分析法原理 光學分析法的分類 光譜儀的基本構造 光譜發(fā)展趨勢 、 熱點和主要文獻 小 結(jié)