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1、光学分析法,凌连生,光学分析方法：利用光电转换或其它电子器件测定“光辐射与物质相互作用”之后的辐射强度等光学特性，进行物质的定性和定量分析的方法。历史上，此相互作用只是局限于电磁辐射与物质的作用，这也是目前应用最为普遍的方法。现在，光谱方法已扩展到其它各种形式的能量与物质的相互作用，如声波、粒子束（离子和电子）等与物质的作用。,1850年，傅科用实验测出光在水中速度比空气中小，表明光波与声波的不同。1865年，麦克斯韦提出了电磁场理论，并预言了电磁波。进而指出光波是一种电磁波，即提出光的电磁说。1888年，赫兹在实验室证实了电磁波的存在。之后，又进一步证明电磁波跟光波一样能发生放射、折射、干涉
2、、折射和偏振现象；光波和电磁波在真空中可以传播，且传播速度相等为c=3108m/s。,光是什么?,1.光的波动性,光是什么?2.光的粒子性 当物质发射电磁辐射或者电磁辐射被物质吸收时，就会发生能量跃迁。此时，电磁辐射不仅具有波的特征，而且具有粒子性，最著名的例子是光电效应现象的发现。,Heinrich Rudolf Hertz(1857-1894),光电效应,电磁发射,1887年,爱因斯坦(1879-1955)1905年提出理论解释光电效应1921年获Nobel物理学奖,光电效应:E=hv,两个重要推论：物质粒子存在不连续的能态，各能态具有特定的能量。当粒子的状态发生变化时，该粒子将吸收或发射
3、完全等于两个能级之间的能量差；反之亦是成立的，即 E=E1-E0=h,2）能态（Energy state）量子理论(Max Planck，1900,首次提出)：物质粒子总是处于特定的不连续的能量状态，即能量是量子化的；处于不同能量状态粒子之间发生能量跃迁时的能量差 E 可用 h 表示。1918年获Nobel物理学奖.,(1858-1947),电磁波的发射-光谱图,原子离子,电弧,火花,火焰,ICP,原子*,离子*,UV,VIS,IR,原子,离子,发射,AES,分子,光子或化学反应能,分子*,FluorescencePhosphorescenceCL or ECL,分子,发射,光子,产生的辐射通
4、称为发射光谱，以辐射能对辐射频率或波长作图可得到发射光谱图：,光谱组成 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锐线，线宽大约为10-4A。带状光谱(Band spectra):由气态自由基或小分子振动-转动能级跃迁所产生的光谱，由于各能级间的能量差较小，因而产生的谱线不易分辨开而形成所谓的带状光谱，其带宽达几个至几十个nm)；,在仪器分析的光谱方法中哪些光谱是带光谱？哪些是线光谱？,连续光谱(Continuum spectra)：固体被加热到炽热状态时，无数原子和分子的运动或振动所产生的热辐射，也称黑体辐射。通常产生背景干扰。温度越高，辐射越强，而且短
5、波长的辐射强度增加得最快！另一方面，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（光源）。,现象：当电磁辐射通过固体、液体或气体时，具一定 频率(能量)的辐射将能量转移给处于基态的原 子、分子或离子，并跃迁至高能态，从而使这 些辐射被选择性地吸收。原子吸收：原子吸收光谱分析(AAS);分子吸收：紫外可见光度分析(UV-Vis)；核吸收：核磁共振光谱(NMR)。,电磁辐射,原子、离子、分子,原子*、离子*、分子*,光,能量,吸收,激发,基态,激发态,4）电磁波的吸收,二、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 出、数据处理及记录）。,光源或炽热固体,样品
6、容器,分光系统,光电转换,信号处理器,光源灯或激光,样品容器,分光系统,光电转换,信号处理器,光源+样品,分光系统,光电转换,信号处理器,吸收,荧光,发射,2.分光系统（monochromator,wavelength selector）定义：将由不同波长的“复合光”分开为一系列“单一”波长的“单色光”的器件。理想的100%的单色光是不可能达到的，实 际上只能获得的是具有一定“纯度”的单色光，即 该“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、分析物浓度与光学响应信号的线性相关性也越 好。,构成：狭缝、准直镜、棱镜或光栅、会聚透镜。,入射狭缝,准直镜,物镜,
7、棱镜,焦面,出射狭缝,f,入射狭缝,准直镜,光栅,物镜,出射狭缝,f,其中最主要的分光原件为棱镜和光栅。,1）棱镜（Prism）：棱镜的色散作用是基于构成棱镜的光学材料对不同波长的光具有不同的折射率。波长大的折射率小，波长小的折射率大。即能量小的折射率小，能量大的折射率大。,Cornu棱镜,b,Littrow棱镜,（左旋+右旋-消除双像）（镀膜反射）,2）光栅,光栅是一种多狭缝部件，光栅光谱的产生是多狭缝干涉和单狭缝衍射两者联合作用的结果.多狭缝干涉决定光谱线出现的位置，单缝衍射决定谱线的强度分布,光栅制作：以特殊的工具（如钻石），在硬质、磨光的光学平面上刻出大量紧密而平行的刻槽。以此为 母板
8、，可用液态树脂在其上复制出光栅。制作的光栅有平面透射光栅、平面反射光栅及凹面反射光栅。刻制质量不高的光栅易产生散射线 及鬼线（Ghost lines）。通常的刻线数为300-2000刻槽/mm。最常用的是1200-1400刻槽/mm（紫外可见）及100-200刻槽/mm（红外）。,3）狭缝（Slit）构成：狭缝是两片经过精密加工、具有锐利边缘的金 属组成。两片金属处于相同平面上且相互平行。入射狭缝可看作是一个光源，在相应波长位置，入射狭缝的像刚好充满整个出射狭缝。有效带宽：整个单色器的分辨能力除与分光元件的色 散率有关外，还与狭缝宽度有关。即单色器的分 辨能力（有效带宽S）应由下式决定：D=倒
9、线色散率；W=狭缝宽度。当单色仪的色散率固定时，波长间隔将随狭缝宽度变化。,狭缝宽度的选择原则 定性分析：选择较窄的狭缝宽度提高分辨率，减少其它谱线的干扰，提高选择性；定量分析：选择较宽的狭缝宽度增加照亮狭缝 的亮度，提高分析的灵敏度；应根据样品性质和分析要求确定狭缝宽度。并通 过条件优化确定最佳狭缝宽度。与发射光谱分析相比，原子吸收光谱因谱线数少，可采用较宽的狭缝。但当背景大时，可适当减小缝宽。,3.吸收池（Sample container，Cell，Cuvette）石英或熔融石英：紫外光区可见光区3m；玻璃：可见光区（350-2000nm）；透明塑料：可见光区（350-2000nm）；盐窗
10、（NaCl,NaBr晶体）：红外光区。,4.光电转换器（Transducer）A）定义：光电转换器是将光辐射转化为可以测量的电信号的器件。S=kP+kd=kPK:校正灵敏度；P：辐射功率；kd:暗电流（可通过线路补偿，使为0）B）理想的光电转换器要求：灵敏度高；S/N大；暗电流小；响应快且在宽的波段内响应恒定。,单光子计数器(Single photon count),光学分析法的分类,光学分析法,光谱法:辐射能与物质相互作用后,引起物质内能的变化,发射或吸收光子,特点是:波长和强度均可测量,非光谱法:辐射能与物质相互作用后,导致辐射方向和物理性质的改变,在前面学习的光学分析方法中，哪些是光谱法
11、？是否学习过非光谱法？若有，是什么？,1.紫外-可见吸收光谱2.分子荧光光谱3.磷光光谱4.红外吸收光谱5.拉曼光谱6.核磁共振谱7.原子吸收、原子发射8.原子荧光光谱,光谱法,非光谱法,1.折射法2.偏振法3.旋光色散法4.浊度法,光学分析法的优点-灵敏度高,.一般光谱仪器的检出限量在10-6-10-9之间.对于荧光显微镜来说,如果配备单光子计数器,就可以实现单分子检测.即使灵敏度不高的分光光度分析,一般在10-4-10-6之间,在与纳米技术结合之后,可以检测10-15摩尔的样品,共焦荧光显微镜用于单分子检测(approx.0.2fL).,光学分析法的优点-分析速度快,仪器自动化程度越高,分
12、析速度越快.,光学分析法的优点-选择性好,显色剂的专一性识别,分光光度分析法,荧光探针的专一性,荧光光度分析法,共振吸收线,原子吸收光谱法,特征谱线,原子发射光谱法,光学分析法的优点-应用范围广,1.生命科学 研究DNA,RNA,蛋白质等生物分子的结构,构型转化,以及定量测定和识别.2.药学领域 研究药物分子的作用机理,筛选抗癌药物.3.矿产资源的开发,冶炼和利用.4.环境监测,检测饮用水,土壤和大气中的有毒有物质.,本课程的主要内容,1.双波长分光光度法与导数光谱法2.分子荧光光谱分析法3.化学发光分析法4.石墨炉原子吸收分析法5.等离子体-原子发射分析法(ICP-AES)6.多光子荧光7.单分子分析8.近场光学显微镜9.金纳米粒子在光学分析中的应用进展。,
