第二章

光學分析法導論第一節(jié)電磁輻射的性質(zhì)第二節(jié)光與物質(zhì)的作用第三節(jié)光學分析法的分類第四節(jié)光譜法儀器概述光學分析法:基于電磁輻射與待測物質(zhì)的相互作用而建立的分析方法。種類和應(yīng)用最多的一類分析方法基本特點：所有光學分析法均包含三個基本過程：能源提供能量；能量與被測物之間的相互作用；產(chǎn)生信號。選擇性測量，不涉及混合物分離；涉及大量光學元器件。2光學分析法導論一、波動性和微粒性1.電磁輻射光=從γ射線到無線電波的整個電磁波范圍2.波動性：體現(xiàn)在傳輸過程中c=

=

/σ,頻率是最基本的特征量波的疊加、衍射、干涉、反射、折射、偏振、散射→非光譜法

3.微粒性：體現(xiàn)在與物質(zhì)的作用過程中E=h=hc/吸收和發(fā)射（伴隨能量的變化）→光譜法第一節(jié)電磁輻射的性質(zhì)2光學分析法導論二、電磁波譜2光學分析法導論2.1電磁輻射的性質(zhì)第二節(jié)光與物質(zhì)的相互作用量子理論(MaxPlanck，1900)物質(zhì)粒子總是處于特定的、不連續(xù)的能量狀態(tài)(能級)，即能量是量子化的；通常粒子處在能量最低的狀態(tài)(基態(tài))；較高的能量狀態(tài)(激發(fā)態(tài))是不穩(wěn)定狀態(tài)；當粒子的能量狀態(tài)從一個能級變到另一個能級時(躍遷)，將吸收或發(fā)射完全等于兩個能級之差的能量E=E1-E0，反之亦然；系統(tǒng)以電磁輻射的形式吸收(形成吸收光譜)或發(fā)射(形成發(fā)射光譜)能量時，有：E=h=hc/

2光學分析法導論一、吸收吸收：當原子、分子或離子吸收光子的能量與它們的基態(tài)能量和激發(fā)態(tài)能量之差滿足E=h

時，將從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，這個過程稱為吸收。吸收光譜：若將測得的吸收強度對入射光的波長或波數(shù)作圖，即得到該物質(zhì)的吸收光譜。吸收光譜法：對吸收光譜的研究可以確定試樣的組成、含量以及結(jié)構(gòu)；根據(jù)吸收光譜原理建立的分析方法稱為吸收光譜法。2光學分析法導論2.2光與物質(zhì)的相互作用二、發(fā)射發(fā)射：當物質(zhì)吸收能量后從基態(tài)躍遷至激發(fā)態(tài)，激發(fā)態(tài)是不穩(wěn)定的，大約經(jīng)10-8s后將從激發(fā)態(tài)躍遷回基態(tài)，此時若以光的形式釋放出能量，該過程稱為發(fā)射。激發(fā)試樣的方法：通過電子碰撞的電激發(fā)電弧或火焰的熱激發(fā)用適當波長的光激發(fā)2光學分析法導論2.2光與物質(zhì)的相互作用自學內(nèi)容三、散射四、折射和反射五、干涉和衍射2光學分析法導論2.2光與物質(zhì)的相互作用光波譜區(qū)及能量躍遷相關(guān)圖2光學分析法導論2.2光與物質(zhì)的相互作用原子能級躍遷和分子能級躍遷2光學分析法導論2.2光與物質(zhì)的相互作用第三節(jié)光學分析法的分類一、非光譜法非光譜法是基于光與物質(zhì)相互作用時，測量光的某些性質(zhì)，如折射、散射、干涉、衍射和偏振等變化的分析方法。非光譜法不涉及物質(zhì)內(nèi)部能級的躍遷，其分析方法有折射法、光散射法、干涉法、衍射法、旋光法和圓二向色性法等。二、光譜法光譜法是基于光與物質(zhì)相互作用時，測量由物質(zhì)內(nèi)部發(fā)生量子化的能級之間的躍遷而產(chǎn)生的發(fā)射或吸收光譜的波長和強度進行分析的方法。2光學分析法導論光譜分析法分類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2光學分析法導論2.3光學分析法的分類原子光譜和分子光譜原子光譜(線光譜)：由處于氣相的單個原子發(fā)生電子能級躍遷所產(chǎn)生的銳線，線寬大約為10-5nm分子光譜(帶狀光譜)：由氣態(tài)自由基或小分子振動-轉(zhuǎn)動能級躍遷所產(chǎn)生的光譜，由于各能級間的能量差較小，因而產(chǎn)生的譜線不易分辨開而形成所謂的帶狀光譜，其帶寬達幾個至幾十個nm2光學分析法導論2.3光學分析法的分類第四節(jié)光譜法儀器

光譜儀器通常包括五個基本單元：光源；單色器；吸收池；檢測器；顯示與數(shù)據(jù)處理2光學分析法導論一、光源

1.對光源的要求：強度大（分析靈敏度高）、穩(wěn)定（分析重現(xiàn)性好）。2.依據(jù)方法不同，采用不同的光源：火焰、燈、激光、電火花、電弧等3.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、加熱的固體等；銳線光源：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；激光光源：單色性好、方向性強，高亮度及相干性好；有氣體激光器、固體激光器、染料激光器、半導體激光器等。2光學分析法導論2.4光譜法儀器

4.不同波譜區(qū)所用的光源

2光學分析法導論2.4光譜法儀器二、單色器

功能：將由不同波長組成的復合光分開為一系列“單一”波長的“單色光”“單色光”具有一定的寬度（有效帶寬）。有效帶寬越小，分析的靈敏度越高、選擇性越好、分析物濃度與光學響應(yīng)信號的線性相關(guān)性也越好。主要部件：狹縫；準直裝置(透鏡或反射鏡)：聚焦，并使輻射束成為平行光線；色散裝置(棱鏡、光柵)：使不同波長的輻射以不同的角度進行傳播2光學分析法導論2.4光譜法儀器續(xù)前其中最主要的分光元件為棱鏡和光柵。入射狹縫準直鏡物鏡棱鏡焦面出射狹縫f入射狹縫準直鏡光柵物鏡出射狹縫f凹面鏡

2光學分析法導論2.4光譜法儀器三、吸收池1.光源與試樣相互作用的場所可見光區(qū)：玻璃(350-2000nm)；透明塑料；紫外光區(qū)：石英(紫外光區(qū))；紅外光區(qū)：鹽窗（NaCl,NaBr晶體）。2.其它特殊裝置原子光譜法的試樣需要原子化，采用不同的原子化器或直接用受激發(fā)的試樣作為光源2光學分析法導論2.4光譜法儀器四、檢測器光譜分析儀中使用的檢測器一般都是光電轉(zhuǎn)換器1.光電轉(zhuǎn)換器：將光輻射轉(zhuǎn)化為可以測量的電信號的器件2.理想的光電轉(zhuǎn)換器要求：靈敏度高；暗電流小；響應(yīng)快且在寬的波段內(nèi)響應(yīng)恒定2光學分析法導論2.4光譜法儀器

3.

檢測器種類

檢測器種類檢測器應(yīng)用波段早期檢測器人眼、相板及照像膠片(UV-Vis)UV-Vis光子檢測器硒光電池(光伏打電池)350~750真空光電管據(jù)光敏材料而定光電倍增管硅二極管190~1100nm半導體檢測器IR多通道檢測器光二極管陣列(PDA)UV-Vis電荷轉(zhuǎn)移器件(CTD)電荷耦合器件(CCD)電荷注入器件(CID)熱檢測器熱電偶IR熱釋電輻射熱計2光學分析法導論2.4光譜法儀器五、讀出裝置現(xiàn)代分析儀器多配有計算機完成數(shù)據(jù)采集、信號處理、數(shù)據(jù)分析、結(jié)果打印，工作