1第二章

光譜分析法導論2

凡是根據物質與輻射能的相互作用所建立起來的定性、定量和結構分析的方法，均可稱為光學分析法（

Opticalanalysis）。

3

基于物質發射的電磁輻射或物質與輻射相互作用后產生的輻射信號或發生的信號變化來測定物質的性質、含量和結構的一類儀器分析方法。光學分析方法涉及到三個問題：①能源提供能量（包括輻射能）②能量與物質的相互作用；③分析信號的產生及其檢測。4光學分析法的應用

2.環境和大氣研究

主要是原子光譜的應用，也有分子光譜。3.藥物分析

鑒別、檢查、含量測定，主要是生物大分子幾何構型的確定。1.結構鑒定

專屬性強;樣品用量少;不改變混合體系的

組成就能快速分析。內容一、電磁輻射的基本性質二、光學分析法的分類三、光譜分析常用的儀器四、分析方法5第一節

電磁輻射的基本性質6一、電磁輻射的基本性質7光:是一種電磁輻射,具有波動性和粒子性.波動性–

傳播運動過程中突出,表現在光的偏振,干涉,衍射粒子性–

與物質相互作用時突出,表現在光電效應,光的吸收和發射衍射干射散射電磁輻射（電磁波、光）的性質81.光的波動性波動性：可用周長T、波長λ、頻率ν和波數σ

等進行表征。ν=

λcc

:光速(2.998×108m/s)ν

:Hzλ

:nm或者μmλ

:光在傳播過程中,同一電磁波曲線上兩個相鄰的相位相同的點之間的距離.ν

:單位時間內經過某一點的波的數.σ

:波長的倒數(1/λ),常用于紅外光譜,可以理解為單位長度內所具有的波的數目.※頻率與波長成反比,即波長越長,頻率越低,波數越小

=1/

=

/c9eV

:電子伏特，為光子的能量單位，1eV=1.6022*10-19J.相當于頻率v為2.4186*10-14Hz

或者波長λ為1.2395*10-6m

或者波數σ

為8067.8cm-1

的光子所具有的能量。紫外-可見光區:nm(10-9m)紅外光區:μm(10-6m)或cm-1微波區:cm無線電波:m對于不同的光波,波長采用不同的單位.11112.光的粒子性※光量子的能量(E)與波長成反比,

而與頻率及波數成正比.

可用光量子的能量來描述，電磁輻射能量和波長的關系為E=h=hc/=hch:普朗克常數6.626×10-34J·s12E=hc/6.626×10-34×2.998×108/200×10-9

=9.932×10-19（J）

=6.20（eV）E:能量J或ev,1ev=1.60×10-19J;:波長nm,1nm=10-7cmc:光速2.998×1010cm·s-1;h:普朗克常數6.626×10-34J·s例：計算波長為200nm光子的能量.13133．電磁波譜：電磁輻射按波長順序排列，稱~。γ射線→

X射線→紫外光→可見光→紅外光→微波→無線電波1415

高能輻射區γ射線能量最高，來源于核能級躍遷

χ射線來自內層電子能級的躍遷光學光譜區紫外光來自原子和分子外層電子能級的躍遷可見光紅外光來自分子振動和轉動能級的躍遷波譜區微波來自分子轉動能級及電子自旋能級躍遷無線電波來自原子核自旋能級的躍遷γ射線→X射線→紫外光→可見光→紅外光→微波→無線電波波長長電磁波譜16

物質與輻射能作用時內部發生能級躍遷→光譜光譜法(Spectroscopicanalysis)光學分析法

物質與輻射能作用時不發生能級躍遷非光譜法4.電磁輻射與物質的相互作用17光譜法當物質與輻射能作用時，物質內部發生能級之間的躍遷;記錄由能級躍遷所產生的輻射能強度隨波長（或相應單位）的變化，所得的圖譜稱為光譜。

利用物質的光譜進行定性、定量和結構分析的方法稱為光譜分析法，簡稱光譜法。18非光譜法

非光譜法是基于物質與輻射相互作用時，測量輻射的某些性質，如折射、散射、干涉、衍射、偏振等變化的分析方法。非光譜法不涉及物質內部能級的躍遷，電磁輻射只改變了傳播方向、速度或某些物理性質。

屬于這類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。19(一)物質內部發生能級躍遷

吸收(Absorption)

輻射能量恰好滿足物質兩能級間躍遷所需的能量。

X+h→X吸收當電磁波作用于固體、液體和氣體物質時，若電磁波的能量恰好等于物質某兩個能級（如第一激發態和基態）之間的能量時，電磁輻射就可能被物質所吸收，此時電磁輻射能被轉移到組成物質的原子或分子上，原子或分子從較低能態吸收電磁輻射而被激發到較高能態或激發態。在室溫下，大多數物質都處在基態，因此吸收輻射一般涉及從基態到較高能態的躍遷。通過實驗得到吸光度對波長（頻率）的函數圖，即吸收光譜圖。物質的吸收光譜差異很大，特別是原子吸收光譜和分子吸收光譜。通常與物質組分的復雜程度、物理狀態及環境有關。20E=nhvE=（n+1）hvhvhv能量降低原子吸收當電磁輻射作用于氣態自由原子時，電磁輻射將被原子所吸收。由于原子外層電子的能級，其任意兩能級的能量差所對應的頻率基本上處于紫外或可見光區，故氣態自由原子主要吸收紫外或者可見電磁輻射。因原子外層電子能級數有限，因此產生的原子吸收特征頻率也有限。光譜上表現為線狀光譜。紫外可見光區的能量足以引起外層電子或價電子的躍遷，相應的分析方法為原子吸收法。能量大幾個數量級的X射線，能與原子內層電子相互作用，故在X射線光譜區能觀察到原子最內層電子躍遷產生的吸收峰。21分子吸收分子除外層電子能級外，每個電子能級還存在振動能級，每個振動能級還存在轉動能級，因此分子吸收光譜較原子吸收光譜復雜得多。分子任意兩能級之間的能量差所對應的頻率基本上處于紫外、可見和紅外光區，故分子主要吸收紫外、可見和紅外電磁輻射，表現為紫外-可見吸收光譜和紅外吸收光譜。22由于振動能級相同而轉動能級不同的兩個能級之間的能量差很小，由同一能級躍遷到該振動能級相同而轉動能級不同的兩個躍遷的能量差也很小，故對用的吸收頻率或波長很接近，通常的檢測系統很難分辨出來，而分子能量相近的振動能級又很多，因此表觀上分子吸收的量子特性表現不出來，而表現為對特定波長段的電磁輻射吸收，光譜上表現為連續光譜。24

發射(Emission)

物質受到激發而躍遷到激發態后，由激發態躍遷回到基態時以輻射的方式釋放能量。

M→M

M→

M+h能量：光、電、熱、化學能等E=nhvE=（n+1）hvhv能量降低發射躍遷可以理解為吸收躍遷相反的過程。由于原子、分子和離子的基態最穩定，，所以發射躍遷涉及的是從較高能態向基態的躍遷。可以通過實驗得到發射強度對波長或頻率的函數圖，即發射光譜圖。通常情況下，分子、原子和離子處于基態，因此要產生發射，必須使分子、原子和離子處于激發態，這個過程稱為激發。激發可以通過提供不同不同形式的能量來實現。包括三種：1.熱能。將試樣置于高壓交流火花、電弧、火焰、高溫爐體之中，物質以原子、離子形式存在，可獲取熱能而處于激發態，并產生紫外、可見或紅外輻射；2.電磁輻射。即用光輻射作用于分子或原子，使之產生吸收躍遷，并發射分子熒光、分子磷光或原子熒光；3.化學能。即通過放熱的化學反應是反應物或產物獲取化學能而被激發，并產生化學發光。25原子發射氣態自由原子處于激發態時，將發射電磁波而回到基態，所發射的電磁波處于紫外或可見光區。通常采用的電、熱或激光的形式使試樣原子化并激發原子。一般將原子激發到以第一激發態為主的有限幾個激發態，致使原子發射只有有限的特征頻率輻射。即特定原子只發射少數幾個具有特征頻率的電磁波。光譜表現形式為線狀光譜。26分子發射分子發射與分子外層的電子能級、振動能級和轉動能級相關。因此分子發射光譜較原子發射光譜復雜。為了保持分子的形態，分子的激發不能采用電、熱等極端方式，而采用光激發或化學能激發。分子發射的電磁輻射基本處于紫外、可見和紅外光區。因此分子主要發射紫外、可見電磁輻射，據此建立了熒光光譜法、磷光光譜法和化學發光光譜法。與分子吸收光譜一樣，由于相鄰兩個轉動能級之間的能量差很小，因此由相鄰兩個轉動能級躍遷回同一較低能級的兩個躍遷的能量差也很小，故發射過程所發射的兩個輻射的頻率或波長很接近，通常的檢測系統很難分辨出來。而分子能量相近的振動能級又很多，因此表觀上分子發射表現為對特定波長段電磁輻射的發射，光譜上表現為連續光譜。2728散射(Scattering)

光子與物質分子之間發生碰撞，使光子的運動方向發生改變而向不同角度散射。被照射試樣粒子的直徑小于入射光波長。直徑小于入射光波長的通常是分子。

1.瑞利散射

光子與物質分子發生彈性碰撞，不發生能量交換，僅光子運動方向發生改變。

(散射光波長=入射光波長)

2.Raman散射

頻率為0的單色光照射到透明物質上，物質分子會發生散射現象。如果這種散射是光子與物質分子發生能量交換的，即不僅光子的運動方向發生變化，它的能量也發生變化，則稱為Raman散射。這種散射光的頻率（νm）與入射光的頻率不同，稱為Raman位移。Raman位移的大小與分子的振動和轉動的能級有關，利用Raman位移研究物質結構的方法稱為Raman光譜法。30折射和反射

當光從介質1照射到介質2界面時，一部分光返回介質1，稱為光的反射，另一部分光則改變方向，以一定折射角度進入介質2，稱為光的折射。干涉和衍射

在一定條件下光波會相互作用。當疊加時，將產生一個其強度視各波的相位而定的加強或減弱的合成波，稱為干涉。(二)不發生能級躍遷干射31衍射光波繞過障礙物或通過狹縫時，而彎曲地向它后面傳播的現象，稱為衍射。第二節

光學分析法的分類3233一、按照電磁輻射與物質的相互作用分類1.光譜法

物質內部發生能級躍遷，記錄由能級躍遷所產生的輻射能強度隨波長的變化，所得的圖譜稱為光譜，利用光譜進行定性定量和結構分析，包括吸收光譜法，發射光譜法和散射光譜法。34吸收光譜(absorptionspectrum)11(nm)吸光度(A)12

3

45

6…n35光譜的形狀線狀光譜:由若干條強度不同的譜線和暗區相間而成的光譜。輻射物質是單個的氣態原子36nm帶狀光譜:由幾個光帶和暗區相間而成的光譜。帶光譜是由許多量子化的振動能級疊加在分子的基態電子能級上而形成的。37連續光譜：由熾熱的固體或液體發射。在一定范圍內。各種波長的光都有，連續不斷，無明顯的譜線和譜帶。它們是紅外、可見及遠紫外區分析儀器的重要光源。382.非光譜法

不涉及物質內部能級的躍遷，僅通過測量電磁輻射的某些基本性質(反射、折射、干涉、衍射和偏振)的變化,主要有折射法，旋光法，濁度法，X-射線衍射法和圓二色法等。39利用X-射線能夠繞過障礙物而彎曲地向后面傳播的現象，是測定晶體結構的重要手段。DNA晶體的X射線衍射照片(byRosalindFranklin)

X-射線衍射法(X-raydiffractionanalysis,XRD)40二、按照作用物不同分類1.原子光譜法(atomicspectroscopy)

以測量氣態原子或離子外層或內層電子能級躍遷所產生的原子光譜為基礎的分析方法，為線狀光譜。

2.分子光譜法(molecularspectroscopy)

由分子中電子能級、振動和轉動能級的變化產生，為帶光譜。41三、按輻射能轉換方向分類1.原子吸收光譜法

原子外層電子躍遷的兩個能級之間的能量差可確定試樣的元素組成和含量，但不能給出分子結構的信息(一)吸收光譜法定義：物質吸收相應的輻射能而產生的光譜。

42(1)紫外-可見分光光度法

價電子能級躍遷而產生，伴隨振動能級等躍遷，帶狀光譜。電子能級間隔1～20eV，波長200～760nm。2.分子吸收光譜法(2)紅外分光光度法

屬于分子振-轉光譜，能量差為0.05～1eV，波長1250～25000nm。43(3)核磁共振波譜法

是原子核自旋能級躍遷，激發波長是在60cm～300m的電磁波。(4)拉曼光譜法利用拉曼散射獲得結果。44(二)發射光譜法定義：原子或分子受激發后，電子由激發態回至基態所產生的光譜為發射光譜。1．原子發射光譜法用火焰、電弧、等離子炬等作為激發源，使氣態原子或離子的外層電子受激發發射特征光學光譜，利用這種光譜進行分析的方法叫做原子發射光譜分析法。波長范圍在190-900nm，可用于定性和定量分析。452．原子熒光光譜法氣態自由原子吸收特征波長的輻射后，原子的外層電子從基態或低能態躍遷到較高能態，約經10-8

s，又躍遷至基態或低能態，同時發射出與原激發波長相同（共振熒光）或不同的輻射（非共振熒光），稱為原子熒光。發射的波長在紫外和可見光區。在與激發光源成一定角度（通常為90）的方向測量熒光的強度，可以進行定量分析。463．分子熒光光譜法某些物質被紫外光照射后，物質分子吸收了輻射而成為激發態分子，然后回到基態的過程中發射出比入射波長更長的熒光。測量熒光的強度進行分析的方法稱為熒光分析法。波長在光學光譜區。474．分子磷光光譜法

物質吸收光能后，基態分子中的一個電子被激發躍遷至第一激發單重態軌道，由第一激發單重態的最低能級，經系統間交叉躍遷至第一激發三重態（系間竄躍），并經過振動弛豫至最低振動能級，因此，由此激發態躍遷回至基態時，便發射磷光。

根據磷光強度進行分析的方法成為磷光分析法。它主要用于環境分析、藥物研究等方面的有機化合物的測定。485.化學發光光譜法由化學反應提供足夠的能量，使其中一種反應的分子的電子被激發，形成激發態分子。激發態分子躍回基態時，就發出一定波長的光。其發光強度隨時間變化，并可得到較強的發光（峰值）。在合適的條件下，峰值與被分析物濃度成線性關系，可用于定量分析。由于化學發光反應類型不同，發射光譜范圍為400-1400nm。49

質譜是分子離子和碎片離子依其質荷比(m/z)大小依次進行排列所成的質量譜(massspectrum)。根據質譜的分析，來確定分子的原子組成、分子量、分子式和分子結構的方法稱為質譜法。四、質譜法50光學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射光譜原子熒光光譜X射線熒光光譜折射法圓二色性法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51光譜分析法吸收光譜法發射光譜法原子光譜法分子光譜法原子發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發光原子發射原子熒光分子熒光分子磷光X射線熒光化學發光第三節

光譜分析常用儀器5253光學分析方法涉及到三個問題：①能源提供能量（包括輻射能）②能量與物質的相互作用；③分析信號的產生及其檢測。光譜分析儀器就是根據相應的光譜分析原理構建起來的。能源提供能量能量與被測物之間相互作用信號檢測光譜分析儀器的任務（過程控制）：

用來研究吸收、發射或熒光的電磁輻射的強度和波長的關系的儀器叫做光譜儀或分光光度計。這類儀器一般包括五個基本單元：

輻射源(光源Source)單色器(Monochromator)

樣品池檢測器(Detector)

記錄裝置分光光度計(spectrophotometer)

55光源單色器樣品池檢測器記錄裝置56

光源的作用是提供足夠的能量使試樣蒸發、原子化、激發，產生光譜。

光源樣品單色器檢測器讀出器件

發射光譜儀ab吸收光譜儀光源單色器樣品檢測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

由光源發射的待測元素的銳線光束（共振線），通過原子化器，被原子化器中的基態原子吸收，再射入單色器中進行分光后，被檢測器接收，即可測得其吸收信號。熒光光譜儀光源第一單色器樣品第二單色器檢測器記錄放大系統

由光源發出的光，經過第一單色器（激發光單色器）后，得到所需的激發光。通過樣品池，由于一部分光線被熒光物質所吸收，熒光物質被激發后，將向四面八方發射熒光。

為了消除入射光和散射光的影響，熒光的測量應在與激發光成90°方向進行，第二單色器為熒光單色器，主要是消除溶液中可能共存的其它光線的干擾，以獲得所需的熒光，熒光作用于檢測器上，得到相應的電信號。621.光源

依據方法不同，采用不同的光源：激光、電火花、電弧等；依據光源性質不同，分為：連續光源

在較大范圍提供連續波長的光源，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。一、基本元件光譜分析中，光源必須具有足夠的輸出功率和穩定性。由于光源輻射功率的波動與電源功率的變化成指數關系，因此往往需用穩壓電源以保證穩定(穩壓器），或者用參比光束的方法來減少光源輸出對測定所產生的影響。

一般連續光源主要用于分子吸收光譜法；線光源用于熒光、原子吸收和Raman光譜法。1.連續光源

連續光源是指在很大的波長范圍內能發射強度平穩的具有連續光譜的光源。（1）紫外光源

紫外連續光源主要采用氫燈（高壓、低壓氫燈）或氘燈。它們在低壓下（1.3103Pa）以電激發的方式產生的連續光譜范圍為160-375nm。高壓氫燈以2000-6000V的高壓使兩個鋁電極之間發生放電。低壓氫燈是在有氧化物涂層的燈絲和金屬電極間形成電弧，啟動電壓約為400V直流電壓，而維持直流電弧的電壓為40V。

氘燈的工作方式與氫燈相同，光譜強度比氫燈大3-5倍，壽命也比氫燈長。（2）可見光源

可見光區最常見的光源是鎢絲燈。在大多數儀器中，鎢絲的工作溫度約為2870K，光譜波長范圍為320-2500nm。氙燈也可用作可見光源，當電流通過氙燈時可以產生強輻射，它發射的連續光譜分布在250-700nm。（3）紅外光源

常用的紅外光源是一種用電加熱到溫度在1500-2000K之間的惰性固體，光強最大的區域在6000-5000cm-1。常用的有奈斯特燈、硅碳棒。682.線光源（1）金屬蒸氣燈

在透明封套內含有低壓氣體元素，常見的是汞燈和鈉蒸氣燈。把電壓加到固定在封套上的一對電極上時，就會激發出元素的特征線光譜。汞燈產生的線光譜的波長范圍為254-734nm，鈉燈主要是589.0nm和589.6nm處的一對譜線。（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。（3）激光

激光的強度非常高，方向性和單色性好，它作為一種新型光源在Raman光譜、熒光光譜、發射光譜、傅里葉變換紅外光譜等領域極受重視。常用的激光器有：主要波長為693.4nm

的紅寶石激光器主要波長為632.8nm的He-Ne激光器主要波長為514.5nm、488.0nm的Ar離子器。二、單色器單色器的主要作用是將復合光分解成單色光或有一定寬度的譜帶。

(1)進出口狹縫；

(2)準直裝置(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1.棱鏡棱鏡的作用是把復合光分解為單色光。這是由于不同波長的光在同一介質中具有不同的折射率而形成的。

常用的棱鏡有Cornu（考紐）棱