光学分析法概述

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，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）。
C）光电转换器种类及应用波段
检测器种类 早期检测器 检测器 人眼(Vis)，相板及照像胶片(UV-Vis) 硒光电池（Photovoltaic cell,光伏管） 光电转换器
(photo transducer)
应用波段 UV-Vis
350-(500)max-750nm 据光敏材料而定 ibid 190-1100nm

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。
f 入射狭缝 准直镜 棱镜 物镜 焦面 准直镜
出射狭缝
物镜
f
入射狭缝
光栅 出射狭缝
其中最主要的分光原件为棱镜和光栅。
1）棱镜（Prism）：
真空光电管（Vacuum phototube） 光电倍增管（Photomultiplier tube） 硅二极管（Silicon diode） 光二极管阵列（Photodiode array, PDA）
多通道转换器
(Multichannel transducer)
电荷转移器件 Charge-transfer device, CTD：
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).
*Laser=light amplification by stimulated emission of radiation
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
4）电磁波的吸收
光 电磁辐射 能量 原子、离子、分子 基态 激发 吸收 原子*、离子*、分子* 激发态
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)。
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。




b Cornu棱镜
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.
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）；
单光子计数器(Single photon count)
IR
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？ 是否学习过非光谱法？若有，是什么？
160-375nm 320-2500nm 250-700nm 6000-5000cm-1 之 间有最大强度 254-734nm 589.0nm， 589.6nm 也称元素灯
693.4nm 632.8nm 515.4nm， 488.0nm 电能
对光源的要求：强度大（分析灵敏度高）、稳定（分析重现性好）。
光学分析法
凌连生
Email: cesllsh@mail.sysu.edu.cn
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 。
S DW
D=倒线色散率；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。
盐窗（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 = kP
K: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。
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：
光是什么?
1. 光的波动性 电磁辐射为正弦波（波长、频率、速度、振幅）。与 其它波，如声波不同，电磁波不需传播介质，可在真空中 传输。
电场
y = A sin(t + ) = A sin(2vt + )
磁场
传播方向
单光色平面偏振光的传播
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。 1）光电效应（Photoelectric effect） 现象：1887，Heinrich Hetz（在光照时，两间隙间 更易发生火花放电现象） 解释：1905，Einstein理论，E=h 证明：1916，Millikan（真空光电管）
光谱法
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.微波吸收、电子顺磁共振光谱 7.核磁共振谱 8.原子吸收、原子发射 9.原子荧光光谱
非光谱法
1.折射法 2.偏振法 3.旋光色散法 4.浊度法
本课程的主要内容



1.石墨炉原子吸收分析法 2.等离子体-原子发射分析法(ICP - AES) 3.双波长分光光度法与导数光谱法 4. 分子荧光光谱分析法 5.多光子荧光 6.单分子分析 7.近场光学显微镜 8.化学发光分析法 9.金纳米粒子在光学分析中的应用进展。
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2） 能态（Energy state）
量子理论(Max Planck，1900)：
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。 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 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
电荷注入器件(Charge-injection device, CID) 电荷耦合器件(Charge-coupled device, CCD)
UV-Vis
电导检测器 热检测器
(Thermal transducer)
电导检测器（Photoconductivity） ； 热电偶（Thermocouple） 辐射热计（Bolometer） 热释电（Pyroelectric transducer）
线光谱
带光谱
在仪器分析中的光谱方法中 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）。
电磁波的发射-光谱图
原子 离子 分子
电弧,火花, 火焰, ICP 光子或化学反应能
AES
原子*, 离子* 分子*
UV,VIS,IR 发射 光子 发射
原子, 离子 分子
Fluorescence Phosphorescence CL or ECL
产生的辐射通称为发射光谱，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)；
光学分析法的优点-分析速度快

仪器自动化程度越高,分析速度越快.
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 荧光光度分析法 原子吸收光谱法 原子发射光谱法
荧光探针的专一性
共振吸收线 特征谱线
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.
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）。
吸收
光源或 炽热固体
样品容器
分光系统
光电转换
信号处理器
荧光
样品容器
分光系统
光电转换
信号处理器
光源灯或 激光
发射
光源+样品
分光系统
光电转换
信号处理器
1、光源
连续光 源
线光源
H2 灯 D2 灯 W灯 可见光源 氙灯 Nernst 灯 红外光源 硅碳棒 金属蒸汽灯 Hg 灯 Na 灯 空心阴极灯 空心阴极灯 高强度空心阴极 灯 红宝石激光器 激光* He-Ne 激光器 Ar 离子激光器 发 射 光 谱 光 直流电弧 交流电弧 源 火花 ICP 紫外光源