光學(xué)分析法導(dǎo)論課件

1、第二章 光學(xué)分析法導(dǎo)論Chapter IIIntroduce to Optical Analysis電磁輻射的基本性質(zhì)電磁輻射 近代研究和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，電磁輻射具有波粒二象性。電磁輻射的波動(dòng)性 電磁輻射的傳播以及反射、衍射、干涉等現(xiàn)象可以用波動(dòng)性來解釋。電磁波 根據(jù)經(jīng)典物理的觀點(diǎn)，電磁波具有相同同位相的兩個(gè)互相垂直的振動(dòng)矢量，一個(gè)是沿Y軸方向變化的電場矢量E，一個(gè)是沿Z軸方向變化的磁場矢量H，E和H都與電磁波的傳播方向垂直。（1）周期T兩個(gè)相鄰矢量極大（或極?。┩ㄟ^空間某固定點(diǎn)所需的時(shí)間間隔叫做輻射的周期，單位為秒（s）。（2）頻率（3）波長 相鄰兩極大或極小值之間的距離，所用單位隨著不同的電

2、磁波譜區(qū)而不同。常用的單位有厘米（cm），微米（m），納米（nm）。描述電磁波的參數(shù)（4）波數(shù) 每厘米內(nèi)波的數(shù)目，即單位距離中極大值的數(shù)目。它等于以厘米為單位的真空中波長的倒數(shù)，=1/，單位為cm-1。（5）傳播速度v 波在一秒鐘內(nèi)通過的距離。由于波每秒有次振動(dòng)，而每次振動(dòng)通過的距離為，所以：V = 描述電磁波的參數(shù)電磁輻射的粒子性 電磁輻射的吸收和發(fā)射等同物質(zhì)相互作用的現(xiàn)象則就不能用波的模型來解釋。這時(shí)必須將其看作是不連續(xù)的能量微粒，即光子或光量子。 光子具有能量hv，具有動(dòng)量hv/c。每個(gè)光子的能量E與相應(yīng)的頻率及波長有如下關(guān)系： E= h v = h c/= h c 光子的動(dòng)量p與波長的

3、關(guān)系為： p = h/c = h/頻率（Hz）波長電磁波躍遷類型6.0 10196.0 1019 3.0 1016 3.0 1016 1.5 10151.5 1015 7.5 10147.5 1014 3.8 10143.8 1014 1.2 1012 1.2 1012 6.0 1012 6.0 1012 3.0 10113.0 1011 1.0 109 1.0 109 0.005nm0.005-10nm10-200nm200-400nm400-800nm0.8-2.5m2.5-50 m50-1000 m1-300mm 300mm 射線區(qū)X射線區(qū)真空紫外光區(qū)近紫外光區(qū)可見光區(qū)近紅外光區(qū)中紅外光

4、區(qū)遠(yuǎn)紅外光區(qū)微波區(qū)無線電波區(qū)核能級(jí)K,L層電子能級(jí)K,L層電子能級(jí)外層電子能級(jí)外層電子能級(jí)分子振動(dòng)能級(jí)分子振動(dòng)能級(jí)分子轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)分子轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)電子和核的自旋電磁輻射按波長或頻率的大小順序排列起來，稱為電磁波譜。2. 電磁波譜光與物質(zhì)的相互作用 (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 丁鐸爾散射和分子散射 (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 (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。 1. 概念：當(dāng)粒子（

5、原子、分子、離子）吸收的光子能量與他們的基態(tài)（ M ）能量和激發(fā)態(tài)（ M* ）能量之差E=h相等時(shí)，該光子將被粒子選擇性吸收，粒子由基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，這個(gè)過程稱為吸收過程。 M M* 2. 吸收光譜( absorption spectrum)：以波長為橫坐標(biāo)，被吸收輻射的相對(duì)強(qiáng)弱（A or T）為縱坐標(biāo)作圖，得到物質(zhì)的吸收光譜。對(duì)吸收光譜的研究可以確定式樣的組成、含量、結(jié)構(gòu)。 3. 吸收光譜法：根據(jù)吸收光譜原理建立的分析方法 h 吸收(absorption)過程朗伯-比爾定律朗伯定律 1729年波格爾(Bouger)在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)物質(zhì)對(duì)光的吸收與吸光物質(zhì)的厚度有關(guān)。朗伯波格爾的學(xué)生進(jìn)一步研究并于

6、1760指出：當(dāng)溶液的濃度一定，光的吸收程度與液層厚度成正比，這就是朗伯定律。 表示為： A=k1b A吸光度 K1比例常數(shù)光的吸收基本定律示意圖 比爾定律1852年比爾（beer）在研究各種無機(jī)鹽對(duì)紅光的吸收后又指出：當(dāng)單色光通過溶液層的厚度一定時(shí)，溶液的吸光度與溶液的濃度成正比，即比爾定律，表示為： 光的吸收基本定律示意圖 朗伯比爾定律（一）將朗伯定律和比爾定律合并，即為朗伯比爾定律。 a吸光系數(shù) A吸光度.為無因次量 b液層厚度.一般單位為cm 光的吸收基本定律示意圖 朗伯比爾定律（二） 如果 c 以 g/L 表示時(shí)，a 的單位為：L.g-1.cm-1若 c 以 mol/L 表示，此時(shí)，

7、吸光度采用摩爾吸光度系數(shù) 表示。單位為：L.mol-1cm-1。則有： A=bc (Epsilon )的物理意義及計(jì)算 摩爾吸光度系數(shù),數(shù)值上等于1mol/L的吸光物質(zhì)在1cm光程中的吸光度 （1）吸光物質(zhì)在特定波長和溶劑中的一個(gè)特征 常數(shù) （2）值愈大，方法的靈敏度愈高（顯色反應(yīng)愈好） 值可以從實(shí)驗(yàn)中得到。例： CFe2+為5.010-4 g.L-1的溶液，在一定條件下，經(jīng)啉菲羅啉顯色后，在波長510nm，比色皿厚度為 2cm 時(shí)測得A=0.19，求啉菲羅啉亞鐵的 與 a 值。鐵的相對(duì)原子量為55.85。 解：根據(jù)朗伯比爾定律 A=abc續(xù)例： 由實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算時(shí)，常以被測物質(zhì)的總濃度代替吸收

8、物質(zhì)的濃度，這樣計(jì)算得到的值，實(shí)際上是表觀摩爾吸收系數(shù)，與a的關(guān)系為 = M a M 吸光物質(zhì)（非顯色劑）原組分的摩爾質(zhì)量=55.85190=1.1104(L.mol-1.cm-1)2.2 發(fā)射(emission)過程 1. 概念：物質(zhì)（粒子）吸收能量后由基態(tài)（ M ）變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)（ M* ），激發(fā)態(tài)很不穩(wěn)定，在短暫時(shí)間（ab 10-8s）內(nèi)，由從高能態(tài)回到低能態(tài)，將吸收的能量以光的形式釋放出來,該過程稱為發(fā)射過程。 M* M + h 2. 發(fā)射光譜法(emission spectrum)：試樣的激發(fā)有的通過電子碰撞引起（電激發(fā)、電弧、火焰的熱激發(fā)）有的通過適當(dāng)?shù)墓饧ぐl(fā)等。由于各種元素的原子、離

9、子和不同物質(zhì)的分子的能級(jí)分布是特征的，從從高能態(tài)回到低能態(tài)時(shí)發(fā)出的光子能量也是特征的。利用特征光譜可進(jìn)行定性分析，根據(jù)特征光譜的強(qiáng)度可進(jìn)行定量分析。2.3 散射（scattering）過程1. 概念：光與物質(zhì)作用后，光的傳播方向發(fā)生了改變，這種現(xiàn)象稱為散射。例如：當(dāng)介質(zhì)粒子（乳濁液、懸濁液、膠體）大小與入射光的波長相差不大時(shí)，散射光的強(qiáng)度增強(qiáng)。Tyndall效應(yīng)就是由溶膠對(duì)光的散射引起的，以此為基礎(chǔ)而建立的分析方法稱為散射濁度分析法。2. 散射的種類：（1）彈性碰撞：當(dāng)介質(zhì)分子比光的波長小()時(shí)發(fā)生Rayleigh散射，這是彈性碰撞（碰撞時(shí)沒有能量交換，只改變光子的運(yùn)動(dòng)方向，因此散射光的頻率不

10、變）。散射光強(qiáng)度與入射光波長的4次方成反比例。（2）非彈性碰撞：在非彈性碰撞中，光與物質(zhì)作用后，光子的能量發(fā)生了改變（即散射光的頻率發(fā)生改變）、運(yùn)動(dòng)方向也發(fā)生改變，這種散射稱為Raman散射（1928年印度物理學(xué)家C.V. Raman 發(fā)現(xiàn)的）。散射頻率高于入射光德為反Stokes線；散射頻率低于入射光的為Stokes線；Stokes線和反Stokes線稱為拉曼譜線。拉曼位移與分子的振動(dòng)頻率有關(guān)。具有拉曼活性的分子振動(dòng)時(shí)伴有極化率的變化，振動(dòng)時(shí)極化率越大，拉曼散射越強(qiáng)。利用拉曼位移研究物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，其方法稱為拉曼光譜。2.4 干涉過程光的干涉 在一定條件下，當(dāng)頻率相同、振動(dòng)方向相同、位相恒定的波

11、源所發(fā)生的兩束波在傳播過程中，由于存在光程差，致使兩束波在相遇時(shí)產(chǎn)生波的疊加。出現(xiàn)光的加強(qiáng)和削弱，呈現(xiàn)明暗相間的條紋，這種現(xiàn)象稱為光的干涉。若兩波相互加強(qiáng)則出現(xiàn)明亮條紋；若相互抵消則出現(xiàn)暗條紋。如水面油膜的五光十色。明亮條紋：若兩束波的光程差等于波長的整數(shù)倍，疊加波加強(qiáng)到最大，干涉出現(xiàn)明亮條紋。即 =K (K=0,1,2,3,) 暗條紋：若兩束波的光程差等于/2的奇數(shù)倍，疊加波得到最大的減弱，干涉出現(xiàn)暗條紋。即 =（2K+1）/2 (K=0,1,2,3,)2.5 衍射過程 波的衍射：光波通過障礙物或通過狹縫時(shí)。以約180的角度向外輻射，波前進(jìn)的方向發(fā)生了彎曲即光偏離直線傳播的現(xiàn)象，稱為波的衍射

12、，它是干涉的結(jié)果。衍射現(xiàn)象是光柵分光的基礎(chǔ)，晶體衍射是X射線衍射分析的基礎(chǔ)。 若以一束平行的單色光通過一狹縫（狹縫寬度為a）AB時(shí)，部分光將偏離入射方向,以角方向傳播，經(jīng)聚焦后，入射光位于Po點(diǎn)，衍射光聚焦于P點(diǎn)。由于通過狹縫聚焦于P點(diǎn)的光束的光波之間存在光程差，因此，在聚焦點(diǎn)產(chǎn)生廣的干涉現(xiàn)象?？稍谄聊粁y上看到或明或暗交替的衍射條紋。 明亮條紋：當(dāng)光程差A(yù)C等于波長的偶數(shù)倍時(shí)，則P點(diǎn)出現(xiàn)明亮條紋。即 AC=a sin=K （K=0,1,2,3,） 暗條紋：當(dāng)光程差A(yù)C等于半波長的奇數(shù)倍時(shí)，則P點(diǎn)出現(xiàn)明亮條紋。即 AC=a sin=（2K+1）/2 （K=0,1,2,3,） K=1，2，3為一

13、級(jí)、二級(jí)、三級(jí)明暗條紋=0時(shí)的條紋稱為零級(jí)明亮條紋2.6 折射與反射過程1.折射： 當(dāng)光從一種介質(zhì)（1）照射到另一種介質(zhì)（2）的界面時(shí)，一部分光在界面上改變方向返回介質(zhì)（1），稱為光的反射。另一部分光則改變方向以r的角度（折射角）進(jìn)入介質(zhì)（2），這種現(xiàn)象稱為光的折射。棱鏡的分光作用就是基于物質(zhì)對(duì)光的折射作用。折射率： 折射的程度用折射率n表示 介質(zhì)的折射率定義為：光在真空中的速度C1與光在該介質(zhì)中的速度C2之比（兩種介質(zhì)的相對(duì)折射率） 2. 反射當(dāng)光通過具有不同折射率的兩種介質(zhì)的界面時(shí)會(huì)產(chǎn)生反射。反射率（反射分?jǐn)?shù)）： Ir, Io分別為入射光和反射光強(qiáng)度 n1,n2分別為光在介質(zhì)1和介質(zhì)2種的

14、折射率。注意：當(dāng)光由空氣（n=1.00029）通過玻璃（n=1.5）時(shí)，在每一空氣-玻璃界面約有40%的反射損失，這種損失存在于各種光學(xué)儀器中，尤其是有多個(gè)界面的光學(xué)儀器。 由物質(zhì)的折射率求出該物質(zhì)的濃度或純度的方法稱為折射法。問題：為何光學(xué)儀器的鏡頭看起來是藍(lán)紫色的？2.7 偏振 平面偏振光： 自然光是一種復(fù)合光，電磁輻射的電場矢量分布在垂直傳播方向的平面上的任何方向。當(dāng)它通過某一物質(zhì)后，某一方向的振動(dòng)保留下來，另一方向的振動(dòng)被消除，這種只在某一固定方向有電場矢量或磁場矢量的光稱為平面偏振光。 左旋圓偏振光和右旋圓偏振光： 對(duì)著光的傳播方向，電場矢量振動(dòng)方向沿著反時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)的稱為左旋偏振光

15、。沿著順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)的稱為右旋圓偏振光。 當(dāng)平面偏振光進(jìn)入非旋光物質(zhì)時(shí)，左、右圓偏振光的傳播速度一樣，任何時(shí)刻他們的矢量疊加形成的平面振動(dòng)方向始終不變。 旋光，旋光活性物質(zhì)，旋光度 當(dāng)平面偏振光進(jìn)入旋光物質(zhì)時(shí)，由于其折射率不同，導(dǎo)致左、右圓偏振光的傳播速度不一樣，是疊加形成的平面振動(dòng)光的振動(dòng)方向發(fā)生變化，旋轉(zhuǎn)了一個(gè)角度，這種現(xiàn)象稱為旋光。產(chǎn)生旋光的物質(zhì)稱為旋光活性物質(zhì)；角度稱為旋光度；基于旋光原理的分析方法稱為旋光色散法。另一種情況是平面偏振光與物質(zhì)作用后，物質(zhì)對(duì)左、右圓偏振光的吸收程度不一樣，導(dǎo)致左右圓偏振光的振幅不同。兩個(gè)振幅不同的、并沿著相反方向旋轉(zhuǎn)前進(jìn)的圓偏振光的合成矢量是一種橢圓旋轉(zhuǎn)

16、，形成橢圓偏振光。用橢圓率表示兩種圓偏振吸收系數(shù)的差別而建立的分析方法稱為圓二色法。第三節(jié) 光學(xué)分析法的分類2.1 光學(xué)分析法（optical analysis）：是基于電磁輻射與物質(zhì)相互作用后產(chǎn)生的輻射信號(hào)或發(fā)生的光學(xué)性質(zhì)（如吸收，發(fā)射，散射，衍射等）變化來測定物質(zhì)的性質(zhì)、含量和結(jié)構(gòu)的一類分析方法。分為非光譜法（nonspectrum method）和光譜法（spectrum method）2.1.1 非光譜法（nonspectrum method）：不涉及物質(zhì)內(nèi)部能級(jí)的躍遷，通過測量光與物質(zhì)相互作用時(shí)的折射、反射、散射、衍射、色散、干涉、偏振光等性質(zhì)的變化而建立起來的分析方法。有折射法、光

17、散色法、干涉法、衍射法、旋光法、圓二向色譜法。如濁度法、糖量計(jì)、旋光儀、x射線衍射法等。2.1.2 光譜分析(spectroscopic analysis)：是物質(zhì)與光相互作用時(shí)物質(zhì)內(nèi)部發(fā)生了量子化能級(jí)間的躍遷，從而測定（發(fā)射或吸收）光譜的波長和強(qiáng)度進(jìn)行分析的方法。光譜法分為原子光譜法和分子光譜法光譜法分為原子光譜法和分子光譜法原子光譜（線性光譜）法:是由原子外層或內(nèi)層電子能級(jí)的變化產(chǎn)生的，它的表現(xiàn)形式為線光譜分析方法有原子發(fā)射光譜（AES） 原子吸收光譜（AAS） 原子熒光光譜（AFS） x射線熒光光譜法（XFS） 基于原子核與射線作用的穆斯堡譜 分子光譜（帶狀光譜）：基于分子中電子能級(jí)、振

18、-轉(zhuǎn)能級(jí)躍遷； 是由分子中電子能級(jí)、振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)的變化產(chǎn)生的，表現(xiàn)形式為帶光譜分析方法: 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 各種光分析法簡介(1)1.原子發(fā)射光譜分析法atomic emission spectrum,AES 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 atomic absorption spectrum,AAS 利用特殊光源發(fā)射出待測元素的共振線，并將溶液中離子轉(zhuǎn)變成氣態(tài)原子后，測定氣態(tài)原子對(duì)共振線吸收而進(jìn)行的定量

19、分析方法。思考： 原子吸收光譜和原子發(fā)射光譜的區(qū)別3.原子熒光分析法 氣態(tài)原子吸收特征波長的輻射后，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)射出與吸收波長相同或不同的熒光輻射，在與光源成90度的方向上，測定熒光強(qiáng)度進(jìn)行定量分析的方法。 4.分子熒光分析法 molecular fluorescence spectrometry 某些物質(zhì)被紫外光照射激發(fā)后，在回到基態(tài)的過程中發(fā)射出比原激發(fā)波長更長的熒光，通過測量熒光強(qiáng)度進(jìn)行定量分析的方法。 各種光分析法簡介(2)6. X射線熒光分析法 X-ray fluorescence analysis, X-ray fluor

20、imetry 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），測定其強(qiáng)度可進(jìn)行定量分析。5. 分子磷光分析法 Molecular phosphorimetric analysis 處于第一最低單重激發(fā)態(tài)分子以無輻射弛豫方式進(jìn)入第一三重激發(fā)態(tài)，再躍遷返回基態(tài)發(fā)出磷光。測定磷光強(qiáng)度進(jìn)行定量分析的方法。各種光分析法簡介(3)7. 化學(xué)發(fā)光分析法 chemiluminescence analysis 利用化學(xué)反應(yīng)提供能量，使待測分子被激發(fā)，返回基態(tài)時(shí)發(fā)出一定波長的光，依據(jù)其強(qiáng)度與待測物濃度之間的線性關(guān)系進(jìn)行定量分析的方法。8. 紫外可見吸收光譜ultraviolet-visi

21、ble absorption spectrum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)最大吸收波長強(qiáng)度變化可進(jìn)行定量分析。 各種光分析法簡介(4)9.紅外吸收光譜分析法 infrared absorption spectrometry 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。 10.核磁共振波譜分析法nuclear magnetic resonance spectroscopy 在外磁場的作用下，核自旋磁矩與磁場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)

22、分析 。各種光分析法簡介(5)11.順磁共振波譜分析法 paramagnetic resonance spectroscopy 在外磁場的作用下，電子的自旋磁矩與磁場相互作用而裂分為磁量子數(shù)不同的磁能級(jí)，吸收微波輻射后產(chǎn)生能級(jí)躍遷，根據(jù)吸收光譜可進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析 。 12.旋光法 polarimetry 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)測定糖的含量。 各種光分析法簡介(6)13.衍射法 diffraction X射線衍射X-ray diffraction：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electron

23、diffraction analysis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)。幾個(gè)名詞 Spectrometry 光譜法 spectrum光譜 spectroscopy光譜學(xué) spectrometer光譜儀各種光分析法簡介(7)光譜儀器通常包括五個(gè)基本單元：1.光源；2.單色器；3.樣品池；4.檢測器；5.顯示與數(shù)據(jù)處理；光譜法儀器三種光分析法測量過程示意圖光分析法儀器的基本單元1. 光源 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；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、鎢絲燈等；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；2.單色器單色器：獲得高光譜純度輻射束的裝置，而輻射束的波長 可在很寬范圍內(nèi)任意改變； 主要部件：（1）進(jìn)口狹縫；（2）準(zhǔn)直裝置(透鏡或反射鏡)：使輻射束成為平行光線； （3）色散裝置(棱鏡、光柵)：使不同波長的輻射以不同的 角度進(jìn)行傳播；（4）聚焦透鏡或凹面反射鏡，使每個(gè)單色光束在單色器 的出口曲面上成像。 棱鏡 棱鏡對(duì)不同波長的光具有不同的折射率，波長長的光，折射率小；波長短的光，折射率大。 平行光經(jīng)過棱鏡后按波長順序排列成為單色光；經(jīng)聚焦后在焦面上的不同位置上成像，獲得按波長展