光谱分析基础(本)课件.ppt
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- 光谱分析 基础 课件
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1、l电磁辐射和电磁波谱l原子光谱和分子光谱l吸收、发射及散射光谱l仪器分析方法的评价l光谱分析在医学中的应用 光学光谱分析光谱分析 构成物质的分子、原子或离子经辐射能照射构成物质的分子、原子或离子经辐射能照射后物质的总能量就会发生变化,在能量相互转后物质的总能量就会发生变化,在能量相互转化的过程中产生辐射信号或引起辐射信号变化。化的过程中产生辐射信号或引起辐射信号变化。根据产生的辐射信号或引起信号变化,均可进根据产生的辐射信号或引起信号变化,均可进行光谱分析行光谱分析 以此实验手段为基础而建立分析方法的一门以此实验手段为基础而建立分析方法的一门学科,广义上都称光谱分析法学科,广义上都称光谱分析法
2、 光谱分析以测定物质发射或吸收辐射的波长光谱分析以测定物质发射或吸收辐射的波长和强度为基础和强度为基础。三个基本过程三个基本过程:(1 1)能源)能源(光源光源)提供能量;提供能量;(2 2)能量与被测物之间的相互作用;)能量与被测物之间的相互作用;(3 3)产生信号。)产生信号。三个基本特点:三个基本特点:(1 1)所有光谱分析法均包含)所有光谱分析法均包含能量(光源)能量(光源),被测物(样品)及被测物(样品)及信号信号;(2 2)对特定波长的谱线选择性测量,不涉及混合物分离(不)对特定波长的谱线选择性测量,不涉及混合物分离(不同于色谱分析);同于色谱分析);(3 3)涉及大量光学元器件。
3、)涉及大量光学元器件。1 1电磁辐射:高速穿过空间的一种能量,即光子流电磁辐射:高速穿过空间的一种能量,即光子流,简称为光简称为光,其最小单位是其最小单位是光子光子。光子的能量与其波长关系为:光子的能量与其波长关系为:E=h=h c/=h c c:光速光速2.99791010cm*s-1;:频率;频率;E:能量;:能量;h:普朗克常数:普朗克常数6.62610-34J*s2 2 产生一定能量的波长计算为:产生一定能量的波长计算为:=h c/El3波长单位波长单位:m:1 dm:0.1 lcm:0.01 mm:001 m:10-6lnm:10-9 pm:10-12.l不同波谱区的波长往往采用的单
4、位不一不同波谱区的波长往往采用的单位不一样。样。l:波数:每厘米中所含波的数目,等于:波数:每厘米中所含波的数目,等于波长的倒数:波长的倒数:=1/。4 普朗克观点:普朗克观点:1),物质吸收或发射辐射能量不连续的(量子化)。),物质吸收或发射辐射能量不连续的(量子化)。2),),物质分子或原子发生能级跃迁时,产生的辐射能(吸物质分子或原子发生能级跃迁时,产生的辐射能(吸收或发射的能量)完全等于两个能级之间的能量差收或发射的能量)完全等于两个能级之间的能量差。E=E1-E0=h =h c/=h c 因此,当物质发射电磁辐射或者电磁辐射被物质吸收时,因此,当物质发射电磁辐射或者电磁辐射被物质吸收
5、时,就会发生能量跃迁。就会发生能量跃迁。吸收或发射光的波长越短,跃迁时产吸收或发射光的波长越短,跃迁时产生的能量差越大生的能量差越大 例例:某电子在能量差为:某电子在能量差为3.375 10-19J的两能的两能级间跃迁,其吸收或发射光的波长为多少级间跃迁,其吸收或发射光的波长为多少纳米?纳米?解:解:根据上式,有根据上式,有 =hc/E=6.626 10-34J s 3 1010 cm s-1/3.375 10-19J =5.89 10-5cm =589nm5 依外形可分依外形可分 线光谱线光谱(Line spectra):由处于气相的单个原子发生电子能级跃迁所产生的由处于气相的单个原子发生电
6、子能级跃迁所产生的锐线,线宽大约为锐线,线宽大约为10-5nm。带状光谱带状光谱(Band spectra):由气态自由基或小分子振动由气态自由基或小分子振动-转动能级跃迁所产生的转动能级跃迁所产生的光谱,由于各能级间的能量差较小,因而产生的谱线不光谱,由于各能级间的能量差较小,因而产生的谱线不易分辨开而形成所谓的带状光谱,其带宽达几个至几十易分辨开而形成所谓的带状光谱,其带宽达几个至几十个个nm);线光谱线光谱带光谱带光谱连续光谱连续光谱(Continuum spectra):包含各种波长的光,包含各种波长的光,由炽热的固体、液体或由炽热的固体、液体或高压气体所发的高压气体所发的光光都形成这
7、种光谱都形成这种光谱。炽热的固体所产生的连续辐射是红外、可炽热的固体所产生的连续辐射是红外、可见及较长波长的重要辐射源,常用于做光谱分见及较长波长的重要辐射源,常用于做光谱分析的光源。析的光源。由于固体被加热到炽热状态时,无数原子由于固体被加热到炽热状态时,无数原子和分子的运动或振动产生热辐射,通常也产生和分子的运动或振动产生热辐射,通常也产生背景干扰。背景干扰。二、电磁波谱二、电磁波谱 1 范围包括:射线无线电波所有范范围包括:射线无线电波所有范围。其中能为正常人视力感受到的电磁围。其中能为正常人视力感受到的电磁范围为可见光,其波长为(范围为可见光,其波长为(400780nm)按波长顺序排列
8、得电磁波谱。按波长顺序排列得电磁波谱。各波谱区所具有的能量不同,其产生各波谱区所具有的能量不同,其产生的机理也各不相同。的机理也各不相同。下面列出了电磁波谱区的波长范围和下面列出了电磁波谱区的波长范围和相应能量及跃迁能级类型相应能量及跃迁能级类型31010 3108 3106 3104 3102 3100 310-2 310-4 波数,cm-1 1021 1019 1017 1015 1013 1011 109 107 频率,Hz 10-4 10-2 100 102 104 106 108 109 波长,nm X 射线 可见 微波 射线 紫外 红外 无线电 电磁辐射波谱图电磁辐射波谱图光谱类型
9、光谱类型 波长范围波长范围 波数范围波数范围 量子跃迁类量子跃迁类型型 -射线发射光谱射线发射光谱 0.005-1.4A-核核 X-吸收、发射、荧吸收、发射、荧光、衍射光谱光、衍射光谱 0.1-100A-内层电子内层电子 真空紫外吸收光谱真空紫外吸收光谱 10-180 nm 1 106-5 104 外层键合电外层键合电子子 UV-Vis 吸收、发射吸收、发射及荧光光谱及荧光光谱 180-780 nm 5 104-1.3 104 外层键合电外层键合电子子 红外吸收红外吸收 拉曼散射光谱拉曼散射光谱 0.78-300 m 1.3 104-33 分子振动分子振动-转转动动 微波吸收微波吸收 0.75
10、-3.75 mm 13-27 分子转动分子转动 电子自旋共振光谱电子自旋共振光谱 3 cm 0.33 磁场中磁场中电子电子自旋自旋 核磁共振核磁共振 0.6-10 m 1.7 10-2-1 103 磁场中磁场中核自核自旋旋 2,一般依其波长及其测定的方法可以分为:,一般依其波长及其测定的方法可以分为:射线射线(0.0051.4);X射线射线(0.1100);光学光谱光学光谱(100 1000 m);微波波谱微波波谱(0.1100cm)。l 通常所说的光谱,一般仅指光学光谱而通常所说的光谱,一般仅指光学光谱而言。言。3单色光、复合光单色光、复合光(1)单色光:具有同一波长(或频率)的)单色光:具
11、有同一波长(或频率)的光称为单色光。光称为单色光。(2)复合光:由不同波长的光组合而成的)复合光:由不同波长的光组合而成的光称为复合光。光称为复合光。单色光很难从光源获得,多数光源如单色光很难从光源获得,多数光源如太阳、白炽灯和氢灯等发出的光都是复太阳、白炽灯和氢灯等发出的光都是复合光,通过适当的手段可以从复合光中合光,通过适当的手段可以从复合光中获得单色光。获得单色光。三、光谱仪器三、光谱仪器组成:光源,单色器,样品容器,检测器(光电转换器、电子读组成:光源,单色器,样品容器,检测器(光电转换器、电子读 出、数据处理及记录)。出、数据处理及记录)。光源或光源或炽热固体炽热固体样品容器样品容器
12、分光系统分光系统光电转换光电转换信号处理器信号处理器光源灯或光源灯或激光激光样品容器样品容器分光系统分光系统光电转换光电转换信号处理器信号处理器光源光源+样品样品分光系统分光系统光电转换光电转换信号处理器信号处理器吸收吸收荧光荧光发射发射1、光源、光源H2灯灯 紫外光源紫外光源 D2灯灯 160-375nm W 灯灯 320-2500nm 可见光源可见光源 氙灯氙灯 250-700nm Nernst 灯灯 连续光连续光源源 红外光源红外光源 硅碳棒硅碳棒 6000-5000cm-1之之间有最大强度间有最大强度 Hg 灯灯 254-734nm 金属蒸汽灯金属蒸汽灯 Na 灯灯 589.0nm,5
13、89.6nm 空心阴极灯空心阴极灯 空心阴极灯空心阴极灯 高强度空心阴极高强度空心阴极灯灯 也称元素灯也称元素灯 红宝石激光器红宝石激光器 693.4nm He-Ne 激光器激光器 632.8nm 激光激光*Ar 离子激光器离子激光器 515.4nm,488.0nm 直流电弧直流电弧 交流电弧交流电弧 火花火花 线光源线光源 发射光谱光发射光谱光源源 ICP 电能电能 对光源的要求对光源的要求:强度大(分析灵敏度高)、稳定(分析重现性好)。:强度大(分析灵敏度高)、稳定(分析重现性好)。*Laser=light amplification by stimulated emission of r
14、adiation 2.分光系统分光系统(monochromator,wavelength selector)定义:将由不同波长的定义:将由不同波长的“复合光复合光”分开为一系列分开为一系列“单单一一”波长的波长的“单色光单色光”的器件。的器件。理想的理想的100%的单色光是不可能达到的,实的单色光是不可能达到的,实 际上只能获得的是具有一定际上只能获得的是具有一定“纯度纯度”的单色光,的单色光,即即 该该“单色光具有一定的宽度(有效带宽)。有效单色光具有一定的宽度(有效带宽)。有效 带宽越小,分析的灵敏度越高、选择性越好、带宽越小,分析的灵敏度越高、选择性越好、分析物浓度与光学响应信号的线性相
15、关性也越分析物浓度与光学响应信号的线性相关性也越 好。好。构成:狭缝、准直镜、棱镜或光栅。构成:狭缝、准直镜、棱镜或光栅。入射狭缝入射狭缝准直镜准直镜物镜物镜棱镜棱镜焦面焦面出射狭缝出射狭缝f入射狭缝入射狭缝准直镜准直镜光栅光栅物镜物镜出射狭缝出射狭缝f其中最主要的分光原件为棱镜和光栅。其中最主要的分光原件为棱镜和光栅。3.试样装置:试样装置:1)吸收池()吸收池(Sample container,Cell,Cuvette)盛放试样的吸收池由光透明材料制成。盛放试样的吸收池由光透明材料制成。v 石英或熔融石英:紫外光区石英或熔融石英:紫外光区可见光区可见光区;v 玻璃:可见光区(玻璃:可见光区
16、(350-2000nm););v 透明塑料:可见光区(透明塑料:可见光区(350-2000nm););v 盐窗(盐窗(NaCl,NaBr晶体):红外光区。晶体):红外光区。2)其它特殊装置:将在原子光谱中详细介绍)其它特殊装置:将在原子光谱中详细介绍4.4.检测器:光电转换器检测器:光电转换器(Transducer)1 1)将光信号转化为可以测量的电信号的器件。)将光信号转化为可以测量的电信号的器件。2 2)理想的光电转换器要求:理想的光电转换器要求:灵敏度高;灵敏度高;信背比信背比S/NS/N大;大;暗电流小;暗电流小;响应快且在宽的波段内响应恒定。响应快且在宽的波段内响应恒定。5.5.记录
17、系统记录系统 将电信号处理放大并以适当的方式显示或记录下来,将电信号处理放大并以适当的方式显示或记录下来,如计算机处理。如计算机处理。四 原子光谱和分子光谱原子光谱和分子光谱 1 1,原子光谱,原子光谱 原子中价电子处于能级最低能量状态时原子中价电子处于能级最低能量状态时,称基态。按受外界能量后,称基态。按受外界能量后(如受到光的如受到光的照射照射),电子跃迁到较高或更高能级状态,电子跃迁到较高或更高能级状态,称激发态。,称激发态。基态与激发态之间能量差基态与激发态之间能量差E E1 120eV20eV,即光子能量。即光子能量。当原子核外电子在不同能级态跃迁时,当原子核外电子在不同能级态跃迁时
18、,产生的光谱就叫原子光谱。产生的光谱就叫原子光谱。l原子光谱为线状光谱,每条谱带对应于原子光谱为线状光谱,每条谱带对应于一定的波长。其波长负载了特定元素原一定的波长。其波长负载了特定元素原子的分析信息,作定性分析依据。谱带子的分析信息,作定性分析依据。谱带的强度则往往与样品中原子浓度大小有的强度则往往与样品中原子浓度大小有关,作为定量分析依据。关,作为定量分析依据。2 2,分子光谱,分子光谱(molecular spectrum)molecular spectrum):在辐射能作用下分子内能级间的跃迁产生在辐射能作用下分子内能级间的跃迁产生的光谱,称为分子光谱。分子光谱包含几种的光谱,称为分子
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