儀器分析-光譜分析導(dǎo)論精講課件

1、第 2 章 光譜分析法導(dǎo)論一、光分析法及其特點(diǎn)二、電磁輻射的基本性質(zhì)三、光譜的產(chǎn)生原理四、光譜分析法的分類五、各種光譜分析法簡(jiǎn)介六、光譜分析法的進(jìn)展an introduction to spectrometry2022/10/17第 2 章 光譜分析法導(dǎo)論一、光分析法及其特點(diǎn)an in 一、光分析法及其特點(diǎn) optical analysis and its characteristics 光分析法：基于電磁輻射能量與待測(cè)物質(zhì)相互作用后所產(chǎn)生的輻射信號(hào)與物質(zhì)組成及結(jié)構(gòu)關(guān)系所建立起來的分析方法。 主要分為：光譜分析法和非光譜分析法兩大類相互作用方式：發(fā)射、吸收、反射、折射、散射、干涉、衍射等； 電

2、磁輻射范圍：射線無線電波所有范圍；2022/10/17 一、光分析法及其特點(diǎn) optical a光譜法基于物質(zhì)與輻射能作用時(shí)，分子發(fā)生能級(jí)躍遷而產(chǎn)生的發(fā)射、吸收或散射等波長(zhǎng)或強(qiáng)度變化而進(jìn)行分析的方法； 本書重點(diǎn)講授內(nèi)容 非光譜法不涉及能級(jí)躍遷，物質(zhì)與輻射作用時(shí)，僅改變傳播方向等物理性質(zhì)變化而進(jìn)行分析的方法。2022/10/172022/10/15 光分析法的三個(gè)基本過程：（1）光源提供能量；（2）能量與被測(cè)物之間的相互作用；（3）產(chǎn)生信號(hào)。 光分析法的基本特點(diǎn)：（1）所有光分析法均包含三個(gè)基本過程；（2）選擇性測(cè)量，不涉及混合物分離（不同于色譜分析）；（3）涉及大量光學(xué)元器件。2022/10/

3、17 光分析法的三個(gè)基本過程：（1）光源提供能量；光分析法的基本各種光譜分析儀器的四個(gè)基本組成部分： 1. 信號(hào)發(fā)生系統(tǒng)； 2. 色散系統(tǒng)； 3. 檢測(cè)系統(tǒng)； 4. 信號(hào)處理系統(tǒng)光分析法主要應(yīng)用：物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)的研究、基團(tuán)的識(shí)別、幾何構(gòu)型的確定、表面分析、定量分析等方面。 與其他方法相比具有不可替代的地位。2022/10/17各種光譜分析儀器的四個(gè)基本組成部分：光分析法主要應(yīng)用：物質(zhì)組二、電磁輻射的基本性質(zhì) basic properties of electromagnetic radiation 電磁輻射（電磁波）：以接近光速（真空中為光速）傳播的能量； c = =/ E = hf = h

4、c / =hc 越長(zhǎng)，E越小，f、 越低 c：光速； f：頻率； ：波長(zhǎng)；：波數(shù) ； E ：能量； h：普朗克常數(shù) 電磁輻射具有粒子性和波動(dòng)性；2022/10/17二、電磁輻射的基本性質(zhì) basic properties輻射能的特性： (1) 吸收 物質(zhì)選擇性吸收特定頻率的輻射能，并從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)； (2) 發(fā)射 將吸收的能量以光的形式釋放出； (3) 散射 丁達(dá)爾散射和分子散射； (4) 折射 折射是光在兩種介質(zhì)中的傳播速度不同； (5) 反射 (6) 干涉 干涉現(xiàn)象； (7) 衍射 光繞過物體而彎曲地向他后面?zhèn)鞑サ默F(xiàn)象； (8) 偏振 只在一個(gè)固定方向有振動(dòng)的光稱為平面偏振光。202

5、2/10/17輻射能的特性： (1) 吸收 物質(zhì)選擇性吸收特定頻率的2022/10/172022/10/15 分子平動(dòng)整個(gè)分子的平動(dòng)，連續(xù)，不產(chǎn)生光譜 分子轉(zhuǎn)動(dòng)分子圍繞質(zhì)量中心的轉(zhuǎn)動(dòng) 分子振動(dòng)整個(gè)分子內(nèi)原子之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng) 電子運(yùn)動(dòng)分子中電子相對(duì)運(yùn)動(dòng)每一種運(yùn)動(dòng)形式都有一定的能量，用E轉(zhuǎn)、E振、E電表示每一種能量都是量子化的，是不連續(xù)的 三、光譜的產(chǎn)生原理E總 = E0 + E平+ E轉(zhuǎn)+ E振+ E電E總 ：化合物分子的總能量E0：零點(diǎn)能，不隨分子運(yùn)動(dòng)而改變的能量組成物質(zhì)的各種微粒，具有各種形式的運(yùn)動(dòng)。2022/10/17 分子平動(dòng)整個(gè)分子的平動(dòng)，連續(xù)，不產(chǎn)生光譜每一種運(yùn)動(dòng)形式能級(jí)躍遷示意圖電子

6、基態(tài)電子激發(fā)態(tài)轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)躍遷振動(dòng)能級(jí)躍遷電子能級(jí)躍遷2022/10/17能級(jí)躍遷示意圖電子基態(tài)電子激發(fā)態(tài)轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)躍遷振動(dòng)能級(jí)躍遷電子電子能級(jí)上有許多振動(dòng)能級(jí)，而振動(dòng)能級(jí)上有許多能量不同的轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)通常情況下，物質(zhì)的分子處于基態(tài)，各種能級(jí)都處于基態(tài)，當(dāng)它受到光照或其它能量激發(fā)時(shí)，引起分子能級(jí)的躍遷?；鶓B(tài) 激發(fā)態(tài)，按波長(zhǎng)大小排列起來稱為吸收光譜激發(fā)態(tài) 基態(tài)以光輻射形式釋放出來，把釋放的光輻射按波長(zhǎng)排列下來稱為發(fā)射光譜吸收或發(fā)射的光子的能量 E光 = h = E2-E1=E= E轉(zhuǎn)+ E振+ E電 E轉(zhuǎn)E振 E電2022/10/17電子能級(jí)上有許多振動(dòng)能級(jí)，而振動(dòng)能級(jí)上有許多能量不同的轉(zhuǎn)動(dòng)能 四、光譜分

7、析法分類 type of spectrometry 1. 原子光譜（線性光譜）：最常見的三種 基于原子外層電子躍遷：原子發(fā)射光譜（AES）；原子吸收光譜（AAS） ；原子熒光光譜（AFS） 基于原子內(nèi)層電子躍遷： X射線熒光光譜（XFS） 基于原子核與射線作用：穆斯堡譜按產(chǎn)生光譜的物質(zhì)類型：原子、分子、固體光譜按產(chǎn)生光譜方式：發(fā)射、吸收、散射光譜按光譜的性質(zhì)和形狀：線狀、帶狀、連續(xù)光譜2022/10/17 四、光譜分析法分類 type of spectr基態(tài)原子吸收熱、電、光能激發(fā)態(tài)原子發(fā)射特征譜線基態(tài)或較低能態(tài)氣態(tài)原子吸收光激發(fā)態(tài)原子原子熒光基態(tài)或較低能態(tài)3. 原子熒光光譜（AFS）1. 原

8、子發(fā)射光譜（AES）2. 原子吸收光譜（AAS）三種光分析法測(cè)量過程示意圖基態(tài)原子選擇吸收一定頻率的光激發(fā)態(tài)原子2022/10/17基態(tài)原子吸收熱、電、光能激發(fā)態(tài)原子發(fā)射特征譜線基態(tài)或較低能態(tài)2022/10/172022/10/15 2. 分子光譜（帶狀光譜）： 基于分子中轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)、振-轉(zhuǎn)能級(jí)、電子-振-轉(zhuǎn)能級(jí)躍遷； 紫外光譜法（UV）； 紅外光譜法（IR）； 分子熒光光譜法（MFS）； 分子磷光光譜法（MPS）； 核磁共振與順磁共振波譜（NMR）； 2022/10/17 2. 分子光譜（帶狀光譜）： 基于分子中轉(zhuǎn)動(dòng)分子轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)躍遷產(chǎn)生的光譜為轉(zhuǎn)動(dòng)光譜所需能量 0.05 ev，微波或遠(yuǎn)紅外波段

9、。分子振動(dòng)能級(jí)躍遷產(chǎn)生的光譜為振動(dòng)光譜所需能量 0.051 ev，中紅外波段。電子能級(jí)躍遷產(chǎn)生的光譜為電子光譜所需能量 120 ev，紫外、可見光波段。分子吸收光譜2022/10/17分子轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)躍遷產(chǎn)生的光譜為轉(zhuǎn)動(dòng)光譜所需能量 0.0波長(zhǎng)長(zhǎng)，能量小，波動(dòng)性波長(zhǎng)短，能量大，粒子性252022/10/17波長(zhǎng)長(zhǎng)，能量小，波動(dòng)性波長(zhǎng)短，能量大，粒子性252022/1光分析法光譜分析法非光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散法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小 結(jié)：2022/10/1

10、7光分析法光譜分析法非光譜分析法原子光譜分析法分子光譜分析法原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(xué)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(xué)發(fā)光2022/10/17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原原X原五、各種光譜分析法簡(jiǎn)介 a brief introduction of spectrometry1.原子發(fā)射光譜分析法 以火焰、電弧、等離子炬等作為光源，使氣態(tài)原子的外層電子受激發(fā)射出特征光譜進(jìn)行定量分析的方法。2.原子吸收光譜分析法 利用特殊

11、光源發(fā)射出待測(cè)元素的共振線，并將溶液中離子轉(zhuǎn)變成氣態(tài)原子后，測(cè)定氣態(tài)原子對(duì)共振線吸收而進(jìn)行的定量分析方法。2022/10/17五、各種光譜分析法簡(jiǎn)介 a brief introduct3.原子熒光分析法 氣態(tài)原子吸收特征波長(zhǎng)的輻射后，外層電子從基態(tài)或低能態(tài)躍遷到高能態(tài)，在10-8s后躍回基態(tài)或低能態(tài)時(shí)，發(fā)射出與吸收波長(zhǎng)相同或不同的熒光輻射，在與光源成90度的方向上，測(cè)定熒光強(qiáng)度進(jìn)行定量分析的方法。 4. X射線熒光分析法 原子受高能輻射，其內(nèi)層電子發(fā)生能級(jí)躍遷，發(fā)射出特征X射線（ X射線熒光），測(cè)定其強(qiáng)度可進(jìn)行定量分析。2022/10/173.原子熒光分析法 氣態(tài)原子吸收特征波長(zhǎng)的輻射5.分子

12、熒光分析法 某些物質(zhì)被光照射激發(fā)后，在回到基態(tài)的過程中發(fā)射出比原激發(fā)波長(zhǎng)更長(zhǎng)的熒光，通過測(cè)量熒光強(qiáng)度進(jìn)行定量分析的方法。6. 化學(xué)發(fā)光分析法 利用化學(xué)反應(yīng)提供能量，使待測(cè)分子被激發(fā)，返回基態(tài)時(shí)發(fā)出一定波長(zhǎng)的光，依據(jù)其強(qiáng)度與待測(cè)物濃度之間的線性關(guān)系進(jìn)行定量分析的方法。 2022/10/175.分子熒光分析法2022/10/15 利用溶液中分子吸收紫外和可見光產(chǎn)生躍遷所記錄的吸收光譜圖，可進(jìn)行化合物結(jié)構(gòu)分析，根據(jù)最大吸收波長(zhǎng)強(qiáng)度變化可進(jìn)行定量分析。 7. 紫外可見吸收光譜分析法8.紅外吸收光譜分析法 利用分子中基團(tuán)吸收紅外光產(chǎn)生的振動(dòng)-轉(zhuǎn)動(dòng)吸收光譜進(jìn)行定量和有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)分析的方法。 9.核磁共振

13、波譜分析法 在外磁場(chǎng)的作用下，核自旋磁矩與磁場(chǎng)相互作用而裂分為能量不同的核磁能級(jí)，吸收射頻輻射后產(chǎn)生能級(jí)躍遷，根據(jù)吸收光譜可進(jìn)行有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)分析 。2022/10/17 利用溶液中分子吸收紫外和可見光產(chǎn)生躍遷所10.旋光法 溶液的旋光性與分子的非對(duì)稱結(jié)構(gòu)有密切關(guān)系，可利用旋光法研究某些天然產(chǎn)物及配合物的立體化學(xué)問題，旋光計(jì)測(cè)定糖的含量。 11.衍射法 X射線衍射：研究晶體結(jié)構(gòu)，不同晶體具有不同衍射圖。 電子衍射：電子衍射是透射電子顯微鏡的基礎(chǔ)，研究物質(zhì)的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)。2022/10/1710.旋光法 11.衍射法2022/10/15六、光譜分析方法的進(jìn)展 development of spectrometry 1. 采用新光源，提高靈敏度 級(jí)聯(lián)光源：電感耦合等離子體-輝光放電； 激光蒸發(fā)-微波等離子體 2. 聯(lián)用技術(shù) 電感耦合高頻等離子體（ICP）質(zhì)譜 激光質(zhì)譜：靈敏度達(dá)10-20 g 3.