《光谱分析导论》PPT课件

2. 联用技术
电感耦合高频等离子体（ICP）—质谱 激光质谱：灵敏度达10-20 g
3. 新材料
光导纤维传导，损耗少；抗干扰能力强；
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4. 交叉
电致发光分析；光导纤维电化学传感器
5. 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、线性范围 宽、多道同时数据采集、三维谱图，将取代光电倍增管；
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内量子数 ：
内量子数J取决于总角量子数L和总自旋量子数S的矢量和：
J = (L + S)， (L + S － 1)，······， (L － S)
若 L ≥ S ； 其数值共(2 S +1)个；
若 L ＜ S ； 其数值共(2 L +1)个；
例：L=2，S=1，则 J 有三个值，J = 3，2，1；
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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）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）； （3）涉及大量光学元器件。
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二、电磁辐射的基本性质
波数 cm-1
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电子能级跃迁的选择定则
根据量子力学原理，电子的跃迁不能在任意两个能级之 间进行；必须遵循一定的“选择定则”： （1）主量子数的变化 Δn为整数，包括零； （2）总角量子数的变化ΔL = ± 1； （3）内量子数的变化ΔJ =0， ± 1；但是当J =0时， ΔJ =0的 跃迁被禁阻； （4）总自旋量子数的变化ΔS =0 ，即不同多重性状态之间的 跃迁被禁阻；(基态与激发态中电子的自旋方向相同）
L=0，S=1/2；则 J 仅有一个值 1/2；
J 值称光谱20支20/项11/；28
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原子的能级通常用光谱项符号表示：nMLJ
n：主量子数；M：谱线多重性符号；
L：总角量子数； J ：内量子数 钠原子的光谱项符号 32S1/2；
表示钠原子的电子处于n=3，M =2(S = 1/2)，L =0，
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；
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三种光分析法 测量过程示意
图
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第二节
原子光谱与分子光谱
atom spectrum and molecular spectrum
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一、 原子光谱
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3.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 能态跃迁到高能态，在10-8s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90度的方向 上，测定荧光强度进行定量分析的方法。
4.分子荧光分析法
某些物质被紫外光照射激发后，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 分析的方法。
S =0 ， ± 1
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总自旋量子数 ：
S =∑ s ；外层价电子自旋量子数的矢量和， (2 S +1)个
S =0 ， ± 1， ± 2，······， ± S
或 = 0 ， ± 1/2，3/2 ，······， ± S
例：碳原子，基态的电子层结构(1s)2(2s) 2(2p) 2 ，
原子光谱（线性光谱）：最常见的三种
基于原子外层电子跃迁的原子吸收光谱（AAS）；
原子发射光谱（AES）、原子荧光光谱（AFS）；
基于原子内层电子跃迁的 X射线荧光光谱（XFS）；
基于原子核与射线作用的穆斯堡谱；
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分子光谱（带状光谱）：
基于分子中电子能级、振-转能级跃迁；
三、光分析法的分类
classification of optical analysis
四、各种光分析法简介
a brief introduction of optical analysis
五、光分析的进展
development of optical analysis
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一、光分析法及其特点
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11.顺磁共振波谱分析法
在外磁场的作用下，电子的自旋磁矩与磁场相互作用而裂
分为磁量子数不同的磁能级，吸收微波辐射后产生能级跃迁
，根据吸收光谱可进行结构分析 。
12.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。
13.衍射法
两个外层2p电子： S =0 ， ± 1 ； 3个不同值；
L与S之间存在相互作用；可裂分产生(2 S +1)个能级；
这就是原子光谱产生光谱多重线的原因，用 M 表示，称
为谱线的多重性；
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例：钠原子，一个外层电子，
S =1/2；因此： M =2( S ) +1 = 2；双重线； 碱土金属：两个外层电子， 自旋方向相同时， S =1/2 + 1/2 =1， M = 3；三重线； 自旋方向相反时， S =1/2 － 1/2 =0， M = 1；单重线；
X 射
线 衍 射 法
干 涉 法
旋 光 法
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原子光谱分析法 分子光谱分析法
原 子 吸 收 光 谱
原 子 发 射 光 谱
荧 谱原 子 光 光《仪器线 荧 谱射 光 光X分析》
分分核
紫红子子磁 外外荧磷共 光光光光振
谱谱光光波 法法谱谱谱
法 法13 法
原 子
发 射
原原 子子 吸荧 收光
色谱分析方法
光分析方法
气相色谱法 液相色谱法 超临界色谱法 薄层色谱法 电色谱法 激光色谱法
电化学分析方法
原子吸收法 原子发射法 紫外可见法 荧光法 红外法 核磁法
其他分析方法
电导分析法 电解分析法 极谱与伏安分析法 库仑分析法
质谱分析法 热分析法 联用技术
电泳分析法
特点：内容繁多、各成体系；
电位分析法
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2. 能级图
元素的光谱线系常用能级 图来表示。最上面的是光谱 项符号；最下面的横线表示 基态；上面的表示激发态； 可以产生的跃迁用线连接；
线系：由各种高能级跃迁 到同一低能级时发射的一系 列光谱线；
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3. 共振线
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）；
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；
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非光谱分析法
光分析法 光谱分析法
折 射 法
圆 二 色 性 法
每类方法有其特点、内在规律、应用范围。
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第一章 光分析法导论
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第一节 光分析法基本概念
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一、光分析及其特点
optical analysis and its feature
二、电磁辐射的基本性质
properties of electromagnetic radiation
optical analysis and its characteristics
光分析法：基于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；
电磁辐射范围：射线～无线电波所有范围； 相互作用方式：发射、吸收、反射、折射、散射、干涉 、衍射等； 光分析法在研究物质组成、结构表征、表面分析等方面 具有其他方法不可取代的地位；
basic properties of electromagnetic radiation
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 E = hν = h c /λ c：光速；λ：波长；ν：频率；σ：波数 ；电子伏特 :eV
E ：能量； h：普朗克常数 电磁辐射具有波动性和微粒性；
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三、光分析分类
type of optical analysis
光谱法——基于物质与辐射能作用时，分子发生能级跃迁
而产生的发射、吸收或散射的波长或强度进行分析的方法；
原子光Байду номын сангаас、分子光谱、非光谱法
a brief introduction of optical analysis
1.原子发射光谱分析法
以火焰、电弧、等离子炬等作为光源，使气态原子的外 层电子受激发射出特征光谱进行定量分析的方法。
2.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 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。
1.光谱项符号
原子外层有一个电子时，其能级可由四个量子数决定： 主量子数 n；角量子数 l；磁量子数 m；自旋量子数 s； 原子外层有多个电子时，其运动状态用总角量子数L；总 自旋量子数S；内量子数J 描述；
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总角量子数
L=∑ l 外层价电子角量子数的矢量和，(2 L +1)个
X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，研究物质
的内部组织结20构20/。11/28
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五、光分析方法的进展
development of optical analysis
1. 采用新光源，提高灵敏度
级联光源：电感耦合等离子体-辉光放电；激光蒸发-微波 等离子体
J = 1/2 的能级状态（基态能级）；
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电子能级跃迁的选择定则
一条谱线是原子的外层电子在两个能级之间的跃迁产生 的，可用两个光谱项符号表示着种跃迁或跃迁谱线：
例 钠原子的双重线 Na 5889.96 ; 32S1/ 2 — 32P3/ 2； Na 5895.93 ; 32S1/ 2 — 32P1/ 2；
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5. 分子磷光分析法
处于第一最低单重激发态分子以无辐射弛豫方式进入第 一三重激发态，再跃迁返回基态发出磷光。测定磷光强度进 行定量分析的方法。
6. X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
X射线（ X射线荧光），测定其强度可进行定量分析。
L=| l 1+ l2 | ， | l 1+ l2 -1|，······，| l 1 - l2 | 分别用S，P，D，F ······，表示:
L=0，1，2，3，······， 例：碳原子，基态的电子层结构(1s)2(2s)2(2p)2， 两个外层2p电子： l 1 = l2 =1； L=2，1，0；
变化可进行定量分析。
9.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-转动吸收光谱进
行定量和有机化合物结构分析的方法。
10.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
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202进0/1行1/28有机化合物结构《分仪器析分析。》
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辐射能的特性：
(1) 吸收 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；
(2) 发射 将吸收的能量以光的形式释放出； (3) 散射 丁铎尔散射和分子散射； (4) 折射 折射是光在两种介质中的传播速度不同； (5) 反射 (6) 干涉 干涉现象； (7) 衍射 光绕过物体而弯曲地向他后面传播的现象； (8) 偏振 只在一个固定方向有振动的光称为平面偏振光。
7. 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
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2量020分/11析/28的方法。
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8. 紫外吸收光谱分析法
利用溶液中分子吸收紫外和可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
X 射
线 荧 光
原子光谱法
吸收光谱法
原紫红核 子外外磁 吸可可共 收 见 见 振 2020/11/28
紫红分分核化 外外子子磁学 可可荧磷共发 见见光光振光
光谱分析法
分子光谱法
发射光谱法
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原 子
发 射
原 子
荧 光
分 子
荧 光
分 子 磷 光
X 射
线 荧 光
化
学 发 14光
四、各种光分析法简介