[醫(yī)藥衛(wèi)生]10-光學(xué)分析法導(dǎo)論課件

1、儀 器 分 析(instrumental analysis)2022/7/231光學(xué)分析法導(dǎo)論2022/7/232光學(xué)分析法（optical analysis）： 依據(jù)物質(zhì)與電磁輻射相互作用后產(chǎn)生的輻射信號(hào)或發(fā)生的變化而建立的分析方法。 2022/7/2331 電磁輻射的性質(zhì)電磁輻射：電磁輻射是高速通過(guò)空間傳 播能量的電磁波(光)。 電磁輻射包括從射線到無(wú)線電波的所有電磁波譜范圍。2022/7/234 1.1 波動(dòng)性和微粒性 電磁輻射具有波粒二象性，即波動(dòng)性和微粒性。波動(dòng)性：光的折射、衍射、偏振和 干涉等；微粒性：光電效應(yīng)。2022/7/235 每個(gè)光量子的能量(EL)與其頻率()及波長(zhǎng)()之

2、間的關(guān)系為: EL = h = hc/ = hc h為普朗克常數(shù)，其值6.62610-34 Js；c為光速，其值約為31010cm/s；為波數(shù)，其單位為cm-1；為波長(zhǎng)，其單位為nm。波長(zhǎng)越短，光子的能量越大。2022/7/236 1.2 電 磁 波 譜 (electromagnetic spectrum) 電磁波按照波長(zhǎng)或頻率順序排列所繪成的圖表，稱(chēng)為電磁波譜。2022/7/237電磁波譜輻射類(lèi)型波長(zhǎng)范圍光譜類(lèi)型躍遷類(lèi)型射線0.0050.14nm射線光譜核能級(jí)X射線0.0110nmX射線光譜內(nèi)層電子能級(jí)遠(yuǎn)紫外光近紫外光可見(jiàn)光近紅外光中紅外光遠(yuǎn)紅外光微波無(wú)線電波10200nm200400nm4

3、00760nm0.762.5m2.550m501000m0.1100cm11000m真空紫外光譜紫外光譜可見(jiàn)光譜紅外光譜紅外光譜紅外光譜微波波譜核磁共振波譜內(nèi)層電子能級(jí)原子及分子的價(jià)電子或成鍵電子能級(jí)原子及分子的價(jià)電子或成鍵電子能級(jí)分子振動(dòng)能級(jí)分子振動(dòng)能級(jí)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)分子轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)分子轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)和電子自旋能級(jí)磁場(chǎng)誘導(dǎo)核自旋能級(jí)2022/7/238 2 光與物質(zhì)的作用 光與物質(zhì)相互作用的方式有吸收、發(fā)射、散射、反射、折射、干涉、衍射、偏振等。 2022/7/239 3.1 非 光 譜 法 3 光學(xué)分析法的分類(lèi) 非光譜法是基于物質(zhì)與輻射相互作用時(shí)，測(cè)量輻射的某些性質(zhì)，如折射、散射、干涉、衍射、偏振等變化

4、的分析方法。2022/7/2310 非光譜法不涉及物質(zhì)內(nèi)部能級(jí)的躍遷，電磁輻射只改變了傳播方向、速度或某些物理性質(zhì)。 屬于這類(lèi)分析方法的有折射法、偏振法、光散射法、干涉法、衍射法、旋光法和圓二向色性法等。2022/7/2311 3.2 光 譜 法 光譜法是基于物質(zhì)與輻射能作用時(shí)，測(cè)量由物質(zhì)內(nèi)部發(fā)生量子化的能級(jí)之間的躍遷而產(chǎn)生的發(fā)射、吸收光譜的波長(zhǎng)和強(qiáng)度進(jìn)行分析的方法。2022/7/2312 雙原子分子的能級(jí)躍遷2022/7/2313 物質(zhì)對(duì)輻射能的吸收和發(fā)射是不連續(xù)的，量子化的。當(dāng)物質(zhì)內(nèi)的分子或原子發(fā)生能級(jí)躍遷時(shí)，若以輻射能的形式傳遞能量，則輻射能EL一定等于物質(zhì)的能級(jí)變化E 。即： EL=

5、EE：不同能級(jí)間能量差EL= h = hc/= hc = E2022/7/2314例如：某電子在兩能級(jí)間躍遷的能量差為4.96910-19J，求其波長(zhǎng)為多少納米？其波長(zhǎng)數(shù)為多少？解：根據(jù)2022/7/2315 一、吸 收 光 譜 法吸收： 當(dāng)輻射能通過(guò)某些吸光物質(zhì)時(shí)，物質(zhì)的原子或分子吸收與其能級(jí)躍遷相應(yīng)的能量由低能態(tài)或基態(tài)躍遷至較高的能態(tài)的過(guò)程。2022/7/23162. 吸收光譜： 物質(zhì)對(duì)輻射能的選擇性吸收 而得到的光譜。 3. 吸收光譜法： 利用吸收光譜對(duì)物質(zhì)定性、 定量及結(jié)構(gòu)分析的方法。2022/7/23174. 常用的吸收光譜法：A. 紫外-可見(jiàn)分光光度法 利用溶液中的分子或離子在紫外

6、和可見(jiàn)光區(qū)產(chǎn)生外層電子能級(jí)躍遷所形成的吸收光譜，可用于定性和定量測(cè)定。2022/7/2318B. 原子吸收光譜法 利用待測(cè)元素氣態(tài)基態(tài)原子對(duì)共振線的吸收進(jìn)行定量測(cè)定的方法。其吸收機(jī)理是原子的外層電子能級(jí)躍遷，波長(zhǎng)在紫外、可見(jiàn)和近紅外區(qū)。2022/7/2319C. 紅外光譜法 利用分子在紅外區(qū)的振動(dòng)-轉(zhuǎn)動(dòng)吸收光譜來(lái)測(cè)定物質(zhì)的成分和結(jié)構(gòu)。2022/7/23205. 朗伯-比爾定律 設(shè)入射光強(qiáng)度為I0，吸收光強(qiáng)度為Ia，透射光強(qiáng)度為 It，反射光強(qiáng)度為Ir，則 I0= Ia+ It+ Ir由于測(cè)定條件下反射光強(qiáng)度基本相同，其影響可相互抵消，上式可簡(jiǎn)化為： I0= Ia+ It2022/7/2321透

7、光度： 透光度為透過(guò)光的強(qiáng)度It與入射光強(qiáng)度I0之比，用T表示。 即 T= It/I0 吸光度： 為透光度倒數(shù)的對(duì)數(shù)，用A表示。 即 A=lg1/T=lgI0/It2022/7/2322朗伯-比爾定律： 當(dāng)一束平行單色光通過(guò)含有吸光物質(zhì)的均勻溶液時(shí)，溶液的吸光度與吸光物質(zhì)濃度、液層厚度乘積成正比，總吸光度等于吸收介質(zhì)內(nèi)各吸光物質(zhì)吸光度之和。 A= kcb A=A1+A2+A3+ 為比例常數(shù)(與吸光物質(zhì)的本性，入射光波長(zhǎng)及溫度等因素有關(guān)), c為吸光物質(zhì)濃度，b為透光液層厚度。 2022/7/2323 當(dāng)b以cm，c以g/L為單位，稱(chēng)為吸光系數(shù)，用 a表示。 A= acb a的單位為L(zhǎng)/g.cm

8、； 當(dāng)b以cm，c以mol/L為單位，稱(chēng)為摩爾吸光系數(shù)，用 表示。 A= cb 的單位為L(zhǎng)/mol cm。2022/7/2324 二. 發(fā)射光譜法 物質(zhì)在輻射能的作用下，其由低能態(tài)躍遷至高能態(tài)，再由高能態(tài)躍遷回低能態(tài)，此時(shí)能量若以光的形式放出，該過(guò)程稱(chēng)為發(fā)射。而產(chǎn)生的光譜稱(chēng)為發(fā)射光譜。 利用發(fā)射光譜分析物質(zhì)的方法，稱(chēng)為發(fā)射光譜法 。 2022/7/2325熒光光譜： 某些物質(zhì)的分子或原子在輻射能的作用下躍遷至激發(fā)態(tài)，部分分子或原子與其它粒子碰撞，把激發(fā)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芟牡?；其余的分子或原子以熱和光的形式散發(fā)出這部分能量而回到基態(tài)，由此產(chǎn)生的光譜稱(chēng)為熒光光譜。 2022/7/2326 4 光譜分析

9、的分類(lèi) 依據(jù)物質(zhì)對(duì)不同波譜區(qū)輻射能的吸收或發(fā)射，可建立不同的光譜分析方法。2022/7/2327 光 譜 法 的 分 類(lèi) 方法分類(lèi) 被測(cè)物理性質(zhì) 發(fā)射光譜分析、火焰光度分析 輻射的發(fā)射 分子發(fā)光分析法、放射分析法 紫外-可見(jiàn)分光光度法 輻射的吸收 原子吸收分光光度法 紅外光譜法、核磁共振波譜法 比濁法、拉曼光譜法 輻射的散射 折射法、干涉法 輻射的折射 X-射線衍射法、電子衍射法 輻射的衍射 偏振法 輻射的旋轉(zhuǎn) 2022/7/2328 5 光 譜 法 儀 器 用來(lái)研究吸收、發(fā)射的電磁輻射的強(qiáng)度和波長(zhǎng)的關(guān)系的儀器叫做光譜儀或分光光度計(jì)。光譜儀一般包括：光源、單色器、樣品容器、檢測(cè)器和讀出器件。

10、2022/7/2329 吸收光譜儀光源單色器樣品檢測(cè)器讀出器件原子化器單色器光電倍增管樣品 空心陰極燈讀出器件2022/7/2330 發(fā)射光譜儀光源樣品單色器檢測(cè)器讀出器件2022/7/2331 熒光光譜儀光源第一單色器樣品第二單色器檢測(cè)器記錄放大系統(tǒng)2022/7/2332 一、光源 光譜分析中，光源必須具有足夠的輸出功率和穩(wěn)定性。 光源輻射功率的波動(dòng)與電源功率的變化成指數(shù)關(guān)系，需用穩(wěn)壓電源以保證穩(wěn)定；用參比光束的方法來(lái)減少光源輸出對(duì)測(cè)定所產(chǎn)生的影響。 2022/7/23331. 連續(xù)光源 連續(xù)光源是指在很大的波長(zhǎng)范圍內(nèi)能發(fā)射強(qiáng)度平穩(wěn)的具有連續(xù)光譜的光源。2022/7/2334（1）紫外光源

11、紫外連續(xù)光源主要采用氫燈或氘燈。 它們產(chǎn)生的連續(xù)光譜范圍為160 -375 nm。 氘燈的光譜強(qiáng)度比氫燈大3 5倍，壽命也比氫燈長(zhǎng)。2022/7/2335（2）可見(jiàn)光源 可見(jiàn)光區(qū)最常見(jiàn)的光源是鎢絲燈，光譜波長(zhǎng)范圍為320 - 2500nm。 氙燈也用作可見(jiàn)光源，它發(fā)射的連續(xù)光譜分布在250 - 700nm。2022/7/2336（3）紅外光源 常用的紅外光源是奈斯特?zé)簟⒐杼及?，光?qiáng)最大的區(qū)域在6000 5000cm-1。2022/7/23372. 線光源（1）金屬蒸氣燈 常見(jiàn)的是汞燈和鈉蒸氣燈。 汞燈產(chǎn)生的線光譜的波長(zhǎng)范圍為254- 734nm，鈉燈主要是589.0nm和589.6nm 處的一

12、對(duì)譜線。2022/7/2338（2）空心陰極燈 主要用于原子吸收光譜中，能提供許多元素的特征光譜。2022/7/23393. 激光光源 激光的單色性好，強(qiáng)度高，方向性強(qiáng)。在拉曼光譜、熒光光譜、發(fā)射光譜、傅里葉變換紅外光譜等分析方法中起重要作用。2022/7/2340 二、單色器單色器的作用：將復(fù)合光分解成單色光或有一定寬度的譜帶。單色器的組成：入射狹縫、出射狹縫、準(zhǔn)直鏡以及色散元件（棱鏡或光柵）。2022/7/23412022/7/23421. 棱鏡 作用：把復(fù)合光分解為單色光。 原理：不同波長(zhǎng)的光在同一介質(zhì)中 具有不同的折射率。 2022/7/2343 常用的棱鏡： 考紐（Cornu）棱鏡：

13、頂角為60，由2個(gè)30棱鏡（分別為左旋和右旋石英）組成。 立特魯（Littrow）棱鏡： 為30，縱軸表面鍍鋁或銀。2022/7/2344 對(duì)于同一材料，光的折射率為其波長(zhǎng)的函數(shù)。在可見(jiàn)及紫外光譜域： n = A + B/2 + C/4 式中n為折射率，為波長(zhǎng)，A、B、C為常數(shù)。 波長(zhǎng)越長(zhǎng)，折射率愈小，一束不同波長(zhǎng)的光就會(huì)因折射率不同而分開(kāi)。這種作用稱(chēng)為棱鏡的色散作用。色散能力常以色散率和分辨率表示。2022/7/2345（1）色散率（角色散率、線色散率和倒線色散率） 色散率越大，波長(zhǎng)相差很小的兩條譜線分得越開(kāi)。2022/7/2346（2）分辨率 分辨率大，色散能力大。2022/7/2347N

14、=A+B/2+C/4+ 非線性色散2022/7/23482. 光柵 光柵分為透射光柵和反射光柵，常用的是反射光柵。反射光柵又可分為平面反射光柵和凹面反射光柵。 光柵的色散能力也用色散率和分辨率來(lái)表示。其不隨波長(zhǎng)而變，線性色散。2022/7/2349線性色散2022/7/23503. 狹縫 狹縫是由兩片經(jīng)過(guò)精密加工，且具有銳利邊緣的金屬片組成，其兩邊必須保持互相平行，并且處于同一平面上。 2022/7/2351定量分析：常采用較寬的狹縫，以得到較大的光強(qiáng)。定性分析：常采用較小的狹縫，以得到較高的分辨率。原則：不引起吸光度減少的情況下，采用盡可能大的狹縫寬度。2022/7/2352 單色器的分辨能

15、力表示能分開(kāi)最小波長(zhǎng)間隔的能力。用有效帶寬S表示 S = DW 式中，D為線色散率倒數(shù)，W為狹縫寬度。2022/7/2353 三、吸收池 吸收池由透明的材料制成。 在紫外光區(qū)工作時(shí)，采用石英材料； 可見(jiàn)光區(qū)，則用硅酸鹽玻璃； 紅外光區(qū)，則可根據(jù)不同的波長(zhǎng)范圍選用不同材料的晶體制成吸收池的窗口。2022/7/2354 四、檢測(cè)器 檢測(cè)器分為：對(duì)光子有響應(yīng)的光檢測(cè)器；對(duì)熱產(chǎn)生響應(yīng)的熱檢測(cè)器。 光檢測(cè)器有光電池、光電管、光電倍增管、半導(dǎo)體等。 熱檢測(cè)器是吸收輻射并根據(jù)吸收引起的熱效應(yīng)來(lái)測(cè)量入射輻射的強(qiáng)度，包括真空熱電偶、熱電檢測(cè)器、熱電偶等。2022/7/2355光電倍增管2022/7/2356 五

16、、讀出裝置 由檢測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后，通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器送計(jì)算機(jī)處理或用記錄儀、數(shù)字顯示器、顯示屏等顯示和記錄結(jié)果。2022/7/2357光學(xué)分析法導(dǎo)論復(fù)習(xí)2022/7/23581 電磁輻射的性質(zhì)電磁輻射：電磁輻射是高速通過(guò)空間傳 播能量的電磁波。 電磁輻射具有波粒二象性，即波動(dòng)性和微粒性。2022/7/2359 每個(gè)光量子的能量(EL)與其頻率()及波長(zhǎng)()之間的關(guān)系為: EL = h = hc/ = hc 波長(zhǎng)越短，光子的能量越大。2022/7/23603 光學(xué)分析法的分類(lèi) 非光譜法不涉及 物質(zhì)內(nèi)部能級(jí)的躍遷，電磁輻射只改變了傳播方向、速度或某些物理性質(zhì)。 2022/7/2361 光譜法

17、是基于物質(zhì)與輻射能作用時(shí)，測(cè)量由物質(zhì)內(nèi)部發(fā)生量子化的能級(jí)之間的躍遷而產(chǎn)生的發(fā)射、吸收光譜的波長(zhǎng)和強(qiáng)度進(jìn)行分析的方法。2022/7/2362 物質(zhì)對(duì)輻射能的吸收和發(fā)射是不連續(xù)的，量子化的。若以輻射能的形式傳遞能量，則輻射能EL一定等于物質(zhì)的能級(jí)變化E 。即： EL= h = hc/= hc = E2022/7/2363透光度： T= It/I0 吸光度： A=lg1/T=lgI0/It2022/7/2364朗伯-比爾定律： 當(dāng)一束平行單色光通過(guò)含有吸光物質(zhì)的均勻溶液時(shí)，溶液的吸光度與吸光物質(zhì)濃度、液層厚度乘積成正比，總吸光度等于吸收介質(zhì)內(nèi)各吸光物質(zhì)吸光度之和。 A= kcb A=A1+A2+A3+ 2022/7/2365 4 光譜分析的分類(lèi) 依據(jù)物質(zhì)對(duì)不同波譜區(qū)輻射能的吸收或發(fā)射，可建立不同的光譜分析方法。2022/7/2366 5 光譜法儀器光譜儀一般包括： 光源、單色器、樣品容器、檢測(cè)器和讀出器件。 2022/7/2367 一、光源 光譜分析中，光源必須具有足夠的輸出功率和穩(wěn)定性。 光源有連續(xù)光源、線光源和激光光源等。 2022/7/2368（1）紫外光源 紫外連續(xù)光源主要采用氫燈或氘燈。 連續(xù)光譜范圍為160 -3