第一章 光学分析法导论

第一节 概述

一、光分析法及其特点 光分析法：基于物质发射的电磁辐射或电磁辐射能量与待测物质相互作用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方法；相互作用方式：吸收、反射、折射、散射、干涉、衍射等；

三个基本过程：（ 1 ）能源提供能量；（ 2 ）能量与被测物之间的相互作用；（ 3 ）产生信号。 基本特点：（ 1 ）一般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）；（ 3 ）涉及大量光学元器件。

二、电磁辐射的基本性质 电磁辐射（电磁波）：以接近光速（真空中为光速）传播的能量； c =λν =ν/σ σ=1/λ

E = hν = h c /λ

c ：光速 (3.0×1010cm·s-1)； λ ：波长； ν ：频率；σ ：波数 （ cm-1) ；E ：能量； h ：普朗克常数 (6.63×10-34J·s)

电磁辐射具有波动性和微粒性；

第二节 光分析法分类 一 光分析法分类 根据物质同辐射能作用的性质不同，光学分析法基

本上可以分为光谱法和非光谱法。

1. 光谱法

光谱法——基于物质与辐射能作用时，发生能级跃迁

而产生的发射或吸收光谱的波长或强度进行分析的方

法

光谱法可分为吸收光谱法、发光光谱法、散射光谱法三种。

吸收光谱法：它是利用物质吸收光后所产生的吸收光谱来进行分析的方法。

发光光谱法：物质中的粒子用一定的能量（如光、电、热等）激发到高能级后，当跃迁回低能级时，便产生出特征的发射光谱，利用此发射光谱进行的分析的方法

散射光谱法：利用物质对光的散射来进行分析的方法。

2. 非光谱法： 不涉及能级跃迁，物质与辐射作用时，仅改变传播方向等物理性质；偏振法、干涉法、旋光法等；

二 . 光谱种类 （一）依外形分类： 线状光谱 :

带状光谱 :

连续光谱：

线光谱 :

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。

由若干条强度不同的谱线和暗区相间而

成的光谱。

带状光谱 :

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) ；

由几个光带和暗区相间而成的光谱。

线光谱 带光谱

连续光谱：在一定范围内。各种波长的光都有，连续不断，无明显的谱线和谱带。 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）。

（二）分子光谱和原子光谱：原子光谱主要是由于核外电子能级发生变化而产生的辐射或吸收而产生的光谱。分子光谱则是由于分子中电子能级及分子的振动、分子的转动能级的变化而产生的光谱。

（ 1 ）原子光谱（线性光谱）：

原子吸收光谱（ AAS ）：基于原子外层电子跃迁的

原子发射光谱（ AES ）、

原子荧光光谱（ AFS ）；

X 射线荧光光谱（ XFS ）基于原子内层电子跃迁的

（ 2 ）分子光谱（带状光谱）：

基于分子中电子能级、振 - 转能级跃迁；

紫外光谱法（ UV ）；

红外光谱法（ IR ）；

分子荧光光谱法（ MFS ）；

分子磷光光谱法（ MPS ）；

核磁共振与顺磁共振波谱（N)

第三节、光谱仪器简介光谱仪：用来测量吸收、发射或荧光的电磁波强度与波长关系的仪器光谱仪器组成：•光源；•单色器；•样品；•检测器；•显示与数据处理；

1. 光源 依据方法不同，采用不同的光源：火焰、灯、激光、电火花、电弧等；依据光源性质不同，分为：连续光源：在较大波长范围提供 连续波长连续波长的光源，氢灯、氘灯、钨丝灯等用于分子吸收；线光源：提供特定波长的光源，金属蒸气灯 ( 汞灯、钠蒸气灯 ) 、空心阴极灯、激光等；用于原子吸收、荧光等

2. 单色器 单色器：将复合光分解成单色光或有一定宽度的谱带的装

置。

主要部件：（ 1 ）进出口狭缝；（ 2 ）准直装置 ( 透镜或反射镜 ) ：使辐射束成

为平行光线； （ 3 ）色散元件色散元件 ( 棱镜、光栅 ) ：使不同波长的

辐射以不同不同的角度角度进行传播；

入射狭缝准直镜

物镜棱镜

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。

棱镜—根据光的折射现象进行分光 棱镜对不同波长的光具有不同的折射率，波长长的光，折射率小；波长短的光，折射率大。 平行光经过棱镜后按波长顺序排列成为单色光；经聚焦后在焦面上的不同位置上成像，获得按波长展开的光谱；

光栅 通过在平板玻璃或金属板上刻划出一道道等宽、等间距的刻痕制成。常用的光栅刻痕密度每毫米为 1200条、 1800条或 2400条；根据工作方式不同分为：透射光栅，反射光栅； 光栅光谱的产生是多狭缝干涉干涉与单狭缝衍射衍射共同作用的结果，前者决定光谱出现的位置，后者决定谱线强度分布；

3.试样装置 光源与试样相互作用的场所（ 1 ）吸收池 紫外，荧光分析法：石英比色皿 可见分光光度法：玻璃比色皿、 透明塑料 红外分光光度法：将试样与溴化钾压制成透明片（ 2 ）特殊装置 原子吸收分光光度法：雾化器中雾化，在火焰中，元素由离子态→原子； 原子发射光谱分析：试样喷入火焰； 详细内容在相关章节中介绍。

4. 检测器（ 1 ）光检测器（光电转换器） 硒光电池、光电二极管、光电倍增管、硅二极管阵列检测器、半导体检测器；（ 2 ）热检测器 真空热电偶检测器：红外光谱仪中常用的一种；热释电检测器：5. 信号、与数据处理系统 现代分析仪器多配有计算机完成数据采集、信号处理、数据分析、结果打印，工作站软件系统；