仪器分析—光谱分析导论精讲课件.ppt

1、19:55:16第第第第第第 2 2 2 章章章章章章 光谱分析法导论光谱分析法导论光谱分析法导论光谱分析法导论光谱分析法导论光谱分析法导论一、一、光分析法及其特点光分析法及其特点二、电磁辐射的基本性质二、电磁辐射的基本性质三、光谱的产生原理三、光谱的产生原理四、四、光谱分析法的分类光谱分析法的分类五、各种光谱分析法简介五、各种光谱分析法简介六、光谱分析法的进展六、光谱分析法的进展an introduction to spectrometry19:55:18 一、一、一、一、一、一、光分析法及其特点光分析法及其特点光分析法及其特点光分析法及其特点光分析法及其特点光分析法及其特点 optical

2、 analysis and its characteristicsoptical analysis and its characteristicsoptical analysis and its characteristics 光分析法：光分析法：基于基于电磁辐射能量电磁辐射能量与待测物质与待测物质相互作用相互作用后后所产生的辐射信号与物质组成及结构关系所建立起来的分析所产生的辐射信号与物质组成及结构关系所建立起来的分析方法方法。主要分为主要分为：光谱分析法：光谱分析法和和非光谱分析法非光谱分析法两大类两大类相互作用方式相互作用方式：发射、吸收、反射、折射、散射、干涉、衍射等；：发射、吸收、反

3、射、折射、散射、干涉、衍射等；电磁辐射范围：射线无线电波所有范围；电磁辐射范围：射线无线电波所有范围；19:55:19光谱法光谱法基于物质与辐射能作用时，基于物质与辐射能作用时，分子发生能级分子发生能级跃迁跃迁而产生的发射、吸收或散射等波长或强度变化而进而产生的发射、吸收或散射等波长或强度变化而进行分析的方法；行分析的方法；本书重点讲授内容本书重点讲授内容 非光谱法非光谱法不涉及能级跃迁不涉及能级跃迁，物质与辐射作用时，物质与辐射作用时，仅改变传播方向等物理性质变化而进行分析的方法。仅改变传播方向等物理性质变化而进行分析的方法。19:55:20 光分析法的光分析法的光分析法的光分析法的光分析法

4、的光分析法的三个基本过程三个基本过程三个基本过程三个基本过程三个基本过程三个基本过程：（1 1）光光源提供能量；源提供能量；（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。光分析法的基本特点：光分析法的基本特点：（1）所有光分析法均包含三个基本过程；）所有光分析法均包含三个基本过程；（2）选择性测量，不涉及混合物分离（不同于色谱分析）；）选择性测量，不涉及混合物分离（不同于色谱分析）；（3）涉及大量光学元器件。）涉及大量光学元器件。19:55:20各种光谱分析仪器的四个基本组成部分各种光谱分析仪器的四个基本组成部分：1.信号发生系统；信号发生系

5、统；2.色散系统；色散系统；3.检测系统；检测系统；4.信号处理系统信号处理系统光分析法光分析法主要应用主要应用：物质组成和结构的研究、基团的识别、几何构物质组成和结构的研究、基团的识别、几何构型的确定、表面分析、定量分析型的确定、表面分析、定量分析等方面。等方面。与与其他方法其他方法相比相比具有不可具有不可替替代的地位代的地位。19:55:21二、电磁辐射的基本性质二、电磁辐射的基本性质二、电磁辐射的基本性质二、电磁辐射的基本性质二、电磁辐射的基本性质二、电磁辐射的基本性质 basicbasicbasic properties of electromagnetic radiationprop

6、erties of electromagnetic radiationproperties of electromagnetic radiation 电磁辐射（电磁波）：以接近光速（真空中为光速）传电磁辐射（电磁波）：以接近光速（真空中为光速）传播的能量；播的能量；c=/E=hf=h c/=hc 越长，越长，E越小，越小，f、越低越低 c：光速；光速；f：频率；频率；：波长；波长；：波数：波数；E：能量；：能量；h：普朗克常数：普朗克常数 电磁辐射具有电磁辐射具有粒子性粒子性和和波动性波动性；19:55:21辐射能的特性：辐射能的特性：辐射能的特性：辐射能的特性：辐射能的特性：辐射能的特性：(

7、1)(1)吸收吸收 物质选择性吸收特定频率的辐射能，并从低能物质选择性吸收特定频率的辐射能，并从低能级跃迁到高能级级跃迁到高能级；(2)(2)发射发射 将吸收的能量以光的形式释放出；将吸收的能量以光的形式释放出；(3)(3)散射散射 丁丁达达尔散射和分子散射；尔散射和分子散射；(4)(4)折射折射 折射是光在两种介质中的传播速度不同；折射是光在两种介质中的传播速度不同；(5)(5)反射反射 (6)(6)干涉干涉 干涉现象干涉现象；(7)(7)衍射衍射 光绕过物体而弯曲地向他后面传播的现象；光绕过物体而弯曲地向他后面传播的现象；(8)(8)偏振偏振 只在一个固定方向有振动的光称为平面偏振光只在一

8、个固定方向有振动的光称为平面偏振光。19:55:2219:55:23 分子平动分子平动整个分子的平动，连续，不产生光谱整个分子的平动，连续，不产生光谱 分子转动分子转动分子围绕质量中心的转动分子围绕质量中心的转动 分子振动分子振动整个分子内原子之间的相对运动整个分子内原子之间的相对运动 电子运动电子运动分子中电子相对运动分子中电子相对运动l每一种运动形式都有一定的能量，用每一种运动形式都有一定的能量，用E转转、E振振、E电电表示表示l每一种能量都是量子化的，是不连续的每一种能量都是量子化的，是不连续的 三、光三、光三、光三、光三、光三、光谱的产生原理谱的产生原理谱的产生原理谱的产生原理谱的产生

9、原理谱的产生原理E总总=E0+E平平+E转转+E振振+E电电E总总：化合物分子的总能量化合物分子的总能量E0：零点能，不随分子运动而改变的能量零点能，不随分子运动而改变的能量组成物质的各种微粒，具有各种形式的运动。组成物质的各种微粒，具有各种形式的运动。19:55:23能级跃迁示意图能级跃迁示意图能级跃迁示意图能级跃迁示意图能级跃迁示意图能级跃迁示意图电子基态电子基态电子激发态电子激发态转动能级跃迁转动能级跃迁振动能级跃迁振动能级跃迁电子能级跃迁电子能级跃迁19:55:24q 电子能级上有许多振动能级，而振动能级上有许多能量不电子能级上有许多振动能级，而振动能级上有许多能量不同的转动能级同的转

10、动能级q 通常情况下，物质的分子处于基态，各种能级都处于基态，通常情况下，物质的分子处于基态，各种能级都处于基态，当它受到光照或其它能量激发时，引起分子能级的跃迁。当它受到光照或其它能量激发时，引起分子能级的跃迁。q 基态基态 激发态，按波长大小排列起来称为激发态，按波长大小排列起来称为吸收光谱吸收光谱q 激发态激发态 基态以光辐射形式释放出来，把释放的光辐射按基态以光辐射形式释放出来，把释放的光辐射按波长排列下来称为波长排列下来称为发射光谱发射光谱q 吸收或发射的光子的能量吸收或发射的光子的能量 E光光=h =E2-E1=E=E转转+E振振+E电电 E转转 E振振 E电电19:55:25 四

11、四四四四四、光、光、光、光、光、光谱谱谱谱谱谱分析分析分析分析分析分析法法法法法法分类分类分类分类分类分类 type oftype oftype of spectrometryspectrometryspectrometry 1.原子光谱原子光谱（线性光谱）：（线性光谱）：最常见的三种最常见的三种 基于原子外层电子跃迁：基于原子外层电子跃迁：原子发射光谱（原子发射光谱（AES）；）；原子吸收光谱（原子吸收光谱（AAS）；原子荧光光谱（原子荧光光谱（AFS）基于原子内层电子跃迁：基于原子内层电子跃迁：X射线荧光光谱（射线荧光光谱（XFS）基于原子核与射线作用：基于原子核与射线作用：穆斯堡谱穆斯堡

12、谱按产生光谱的物质类型：原子、分子、固体光谱按产生光谱的物质类型：原子、分子、固体光谱按产生光谱方式：发射、吸收、散射光谱按产生光谱方式：发射、吸收、散射光谱按光谱的性质和形状：线状、带状、连续光谱按光谱的性质和形状：线状、带状、连续光谱19:55:25基态原子基态原子吸收热、电、吸收热、电、光能光能激发态原子激发态原子发射特征谱线发射特征谱线基态或较低能态基态或较低能态气态原子气态原子吸收光吸收光激发态原子激发态原子原子荧光原子荧光基态或较低能态基态或较低能态3.原子荧光光谱（原子荧光光谱（AFS）1.原子发射光谱（原子发射光谱（AES）2.原子吸收光谱（原子吸收光谱（AAS）三种光分析法测

13、量过程示意图三种光分析法测量过程示意图三种光分析法测量过程示意图三种光分析法测量过程示意图三种光分析法测量过程示意图三种光分析法测量过程示意图基态原子基态原子选择吸收一定频率的光选择吸收一定频率的光激发态原子激发态原子19:55:2619:55:27 2.2.2.分子光谱分子光谱分子光谱分子光谱分子光谱分子光谱（带状光谱）：（带状光谱）：（带状光谱）：（带状光谱）：（带状光谱）：（带状光谱）：基于分子中转动能级、振基于分子中转动能级、振-转能级、电子转能级、电子-振振-转能级跃迁；转能级跃迁；紫外光谱法（紫外光谱法（UV）；）；红外光谱法（红外光谱法（IR）；）；分子荧光光谱法（分子荧光光谱法

14、（MFS）；）；分子磷光光谱法（分子磷光光谱法（MPS）；）；核磁共振与顺磁共振波谱（核磁共振与顺磁共振波谱（NMR）；）；19:55:27 分子转动能级跃迁产生的光谱为分子转动能级跃迁产生的光谱为转动光谱转动光谱所所需能量需能量 0.05 ev，微波或远红外波段。微波或远红外波段。分子振动能级跃迁产生的光谱为分子振动能级跃迁产生的光谱为振动光谱振动光谱所所需能量需能量 0.051 ev，中中红外波段红外波段。电子能级跃迁产生的光谱为电子能级跃迁产生的光谱为电子光谱电子光谱所需能所需能量量 120 ev，紫外、可见光波段。紫外、可见光波段。分子吸收光谱19:55:28波长长，能量小，波动性波长

15、长，能量小，波动性波长短，能量大，粒子性波长短，能量大，粒子性2519:55:29光分析法光分析法光谱分析法光谱分析法非光谱分析法非光谱分析法原子光谱分析法原子光谱分析法分子光谱分析法分子光谱分析法原原子子吸吸收收光光谱谱原原子子发发射射光光谱谱原原子子荧荧光光光光谱谱X射射线线荧荧光光光光谱谱折折射射法法圆圆二二色色散散法法X射射线线衍衍射射法法干干涉涉法法旋旋光光法法紫紫外外光光谱谱法法红红外外光光谱谱法法分分子子荧荧光光光光谱谱法法分分子子磷磷光光光光谱谱法法核核磁磁共共振振波波谱谱法法小小 结：结：19:55:30光谱分析法吸收光谱法发射光谱法原子光谱法分子光谱法原子发射原子吸收原子荧

16、光X射线荧光原子吸收紫外可见红外可见核磁共振紫外可见红外可见分子荧光分子磷光核磁共振化学发光原子发射原子荧光分子荧光分子磷光X射线荧光化学发光19:55:31五五五五五五、各种光、各种光、各种光、各种光、各种光、各种光谱谱谱谱谱谱分析法简介分析法简介分析法简介分析法简介分析法简介分析法简介 a brief introduction of spectrometrya brief introduction of spectrometrya brief introduction of spectrometry1.1.原子发射光谱分析法原子发射光谱分析法 以火焰、电弧、等离子炬等作为光源，使气态原子的

17、外以火焰、电弧、等离子炬等作为光源，使气态原子的外层电子受激发射出特征光谱进行定量分析的方法。层电子受激发射出特征光谱进行定量分析的方法。2.2.原子吸收光谱分析法原子吸收光谱分析法 利用特殊光源发射出待测元素的共振线，并将溶液中离利用特殊光源发射出待测元素的共振线，并将溶液中离子转变成气态原子后，测定气态原子对共振线吸收而进行的子转变成气态原子后，测定气态原子对共振线吸收而进行的定量分析方法。定量分析方法。19:55:313.3.3.3.3.3.原子荧光分析法原子荧光分析法原子荧光分析法原子荧光分析法原子荧光分析法原子荧光分析法 气态原子吸收特征波长的辐射后，外层电子从基态或低气态原子吸收特

18、征波长的辐射后，外层电子从基态或低能态跃迁到高能态，在能态跃迁到高能态，在10-8s后跃回基态或低能态时，发射出后跃回基态或低能态时，发射出与吸收波长相同或不同的荧光辐射，在与光源成与吸收波长相同或不同的荧光辐射，在与光源成90度的方向度的方向上，测定荧光强度进行定量分析的方法。上，测定荧光强度进行定量分析的方法。4.4.X X射线荧光分析法射线荧光分析法 原子受高能辐射，其内层电子发生能级跃迁，发射出特征原子受高能辐射，其内层电子发生能级跃迁，发射出特征X射线（射线（X射线荧光），测定其强度可进行定量分析。射线荧光），测定其强度可进行定量分析。19:55:325.5.分子荧光分析法分子荧光分

19、析法 某些物质被光照射激发后，在回到基态的过程中发射出某些物质被光照射激发后，在回到基态的过程中发射出比原激发波长更长的荧光，通过测量荧光强度进行定量分析比原激发波长更长的荧光，通过测量荧光强度进行定量分析的方法。的方法。6.6.化学发光分析法化学发光分析法 利用化学反应提供能量，使待测分子被激发，返回基态利用化学反应提供能量，使待测分子被激发，返回基态时发出一定波长的光，依据其强度与待测物浓度之间的线性时发出一定波长的光，依据其强度与待测物浓度之间的线性关系进行定量分析的方法。关系进行定量分析的方法。19:55:33 利用溶液中分子吸收紫外和可见光产生跃迁所记录的吸利用溶液中分子吸收紫外和可

20、见光产生跃迁所记录的吸收光谱图，可进行化合物结构分析，根据最大吸收波长强度收光谱图，可进行化合物结构分析，根据最大吸收波长强度变化可进行定量分析。变化可进行定量分析。7.紫外可见吸收光谱分析法紫外可见吸收光谱分析法8.8.红外吸收光谱分析法红外吸收光谱分析法 利用分子中基团吸收红外光产生的振动利用分子中基团吸收红外光产生的振动-转动吸收光谱进转动吸收光谱进行定量和有机化合物结构分析的方法。行定量和有机化合物结构分析的方法。9.9.核磁共振波谱分析法核磁共振波谱分析法 在外磁场的作用下，核自旋磁矩与磁场相互作用而裂分在外磁场的作用下，核自旋磁矩与磁场相互作用而裂分为能量不同的核磁能级，吸收射频辐

21、射后产生能级跃迁，根为能量不同的核磁能级，吸收射频辐射后产生能级跃迁，根据吸收光谱可进行有机化合物结构分析据吸收光谱可进行有机化合物结构分析。19:55:3310.10.旋光法旋光法 溶液的旋光性与分子的非对称结构有密切关系，可利溶液的旋光性与分子的非对称结构有密切关系，可利用旋光法研究某些天然产物及配合物的立体化学问题，旋光用旋光法研究某些天然产物及配合物的立体化学问题，旋光计测定糖的含量。计测定糖的含量。11.11.衍射法衍射法 X射线衍射：研究晶体结构，不同晶体具有不同衍射图。射线衍射：研究晶体结构，不同晶体具有不同衍射图。电子衍射：电子衍射是透射电子显微镜的基础，研究物电子衍射：电子衍

22、射是透射电子显微镜的基础，研究物质的内部组织结构。质的内部组织结构。19:55:34六六六六六六、光、光、光、光、光、光谱谱谱谱谱谱分析方法的进展分析方法的进展分析方法的进展分析方法的进展分析方法的进展分析方法的进展 development of spectrometrydevelopment of spectrometrydevelopment of spectrometry 1.1.采用新光源，提高灵敏度采用新光源，提高灵敏度 级联光源：电感耦合等离子体级联光源：电感耦合等离子体-辉光放电；辉光放电；激光蒸发激光蒸发-微波等离子体微波等离子体 2.2.联用技术联用技术 电感耦合高频等离子体

23、（电感耦合高频等离子体（ICP）质谱质谱 激光质谱：灵敏度达激光质谱：灵敏度达10-20 g 3.3.新材料新材料 光导纤维传导，损耗少；抗干扰能力强；光导纤维传导，损耗少；抗干扰能力强；19:55:35 4.4.4.4.4.4.交叉交叉交叉交叉交叉交叉 电致发光分析；光导纤维电化学传感器电致发光分析；光导纤维电化学传感器 5.5.检测器的发展检测器的发展 电荷耦合阵列检测器光谱范围宽、量子效率高、线性范电荷耦合阵列检测器光谱范围宽、量子效率高、线性范围宽、多道同时数据采集、三维谱图，将取代光电倍增管；围宽、多道同时数据采集、三维谱图，将取代光电倍增管；光二极激光器代替空心阴极灯，使原子吸收可进行多元素光二极激光器代替空心阴极灯，使原子吸收可进行多元素同时测定；同时测定；