1、光學分析方法基礎光學分析方法基礎 一一. .概概 述述 光學分析法光學分析法: :是根據是根據物質發射、吸收電磁輻射物質發射、吸收電磁輻射或或物質與電磁物質與電磁輻射相互作用輻射相互作用而建立起來的一類分析方法。而建立起來的一類分析方法。1.1.電磁輻射包括從波長電磁輻射包括從波長極短極短的的射線射線到到無線電波無線電波的所的所有有電磁波譜電磁波譜范圍，而不只局限于光學光譜區，因此，范圍，而不只局限于光學光譜區，因此，光學分析法的類型極多。光學分析法的類型極多。2.2.光學分析法的應用非常廣泛。它在定性分析、光學分析法的應用非常廣泛。它在定性分析、定量分析、尤其是定量分析、尤其是化學結構分析化

2、學結構分析等方面起著極其等方面起著極其重要的作用。重要的作用。隨著科學技術的發展，光學分析法也日新月異，隨著科學技術的發展，光學分析法也日新月異，許多新技術、新方法不斷涌現。許多新技術、新方法不斷涌現。 二二. .光學分析法的分類光學分析法的分類因為電磁輻射的所有波長區域，在光學分因為電磁輻射的所有波長區域，在光學分析中都可涉及，因而光學分析的方法是很析中都可涉及，因而光學分析的方法是很多的。但通常可分為兩大類。多的。但通常可分為兩大類。 即：即：光譜法光譜法 非光譜法非光譜法光譜法光譜法: :是基于是基于測量輻射的測量輻射的波長波長及及強度強度。在這類方法中。在這類方法中通常通常需要測定試樣

3、的光譜需要測定試樣的光譜，而這些光譜是由于，而這些光譜是由于物質的原物質的原子或分子的特定能級的躍遷所產生的子或分子的特定能級的躍遷所產生的，因此根據其，因此根據其特征特征光譜光譜的的波長波長可進行可進行定性定性分析。而光譜的分析。而光譜的強度強度與物質的含與物質的含量有關，所以借此關系可以進行量有關，所以借此關系可以進行定量定量分析。分析。 例如：我們熟知的例如：我們熟知的比色分析比色分析就是在就是在可見光區可見光區測定測定物質對光的吸物質對光的吸 收強度收強度來進行定量分析的方法。來進行定量分析的方法。1.光譜法的概念光譜法的概念（一）光譜法（一）光譜法 （1 1）根據根據電磁輻射能的傳遞

4、方式不同電磁輻射能的傳遞方式不同分為分為: : 發射光譜法發射光譜法 吸收光譜法吸收光譜法 熒光光譜法熒光光譜法 拉曼光譜法拉曼光譜法 （2 2）根據根據電磁輻射的本質不同電磁輻射的本質不同分為分為: : 原子光譜法原子光譜法（線狀光譜）（線狀光譜） 分子光譜法分子光譜法（帶狀光譜）（帶狀光譜）2、光譜法的分類、光譜法的分類線光譜線光譜帶光譜帶光譜 原子光譜原子光譜: :是由是由原子原子外層或內層外層或內層能級的變化產生的，能級的變化產生的， 它的表現形式為它的表現形式為線光譜線光譜。 屬于原子光譜分析方法的有：屬于原子光譜分析方法的有：( (最常見的三種最常見的三種) ) a a、基于原子外

5、層電子躍遷的、基于原子外層電子躍遷的 原子發射光譜（原子發射光譜（AESAES）；）； 原子吸收光譜（原子吸收光譜（AASAAS）；）； 原子熒光光譜（原子熒光光譜（AFSAFS）；）； b b、基于原子內層電子躍遷的、基于原子內層電子躍遷的 X X射線熒光光譜（射線熒光光譜（XFSXFS）；）； c c、基于原子核與射線作用的、基于原子核與射線作用的 穆斯堡譜。穆斯堡譜。 分子光譜分子光譜: :是由是由分子分子中中電子能級、振動能級和轉動能級電子能級、振動能級和轉動能級 的變化產生的光譜，它的表現形式為的變化產生的光譜，它的表現形式為帶光譜帶光譜 屬于這類分析方法的有：屬于這類分析方法的有：

6、 紫外紫外可見分光光度法（可見分光光度法（UV UV Vis）；）； 紅外光譜法（紅外光譜法（IRIR）；）； 分子熒光光譜法（分子熒光光譜法（MFSMFS）；）； 分子磷光光譜法（分子磷光光譜法（MPSMPS）；）； 核磁共振核磁共振與順磁共振波譜（與順磁共振波譜（N N）；）；( (一一) ) 原子能級和分子能級：原子能級和分子能級：（二）原子光譜和分子光譜（二）原子光譜和分子光譜 原子能級電子能級原子能級電子能級 原子光譜：原子光譜：原子最外層電子的躍遷。原子最外層電子的躍遷。線光譜線光譜。 分子能級電子能級分子能級電子能級+ 振動能級振動能級+轉動能級轉動能級 分子光譜：分子光譜：組成

7、分子的原子的原子核外層電子的組成分子的原子的原子核外層電子的 躍遷躍遷帶光譜帶光譜。非光譜法非光譜法：是基于：是基于電磁輻射與物質的相互作用電磁輻射與物質的相互作用。這個相互作用引起電磁輻射這個相互作用引起電磁輻射在方向上的改變在方向上的改變或或物物理性質的變化理性質的變化，而利用這些改變，而利用這些改變(變化變化)可以進行可以進行分析分析,測量測量電磁輻射在方向上的改變或物理性質的電磁輻射在方向上的改變或物理性質的變化變化( (如如：折射、散射、干涉、衍射和偏振：折射、散射、干涉、衍射和偏振等等) )的的分析方法分析方法 。（二）非光譜法（二）非光譜法1、非光譜法的概念、非光譜法的概念注意：

8、注意：非光譜分析法并不涉及光譜的測定，亦即不涉及能級躍遷。非光譜分析法并不涉及光譜的測定，亦即不涉及能級躍遷。 如：比濁法、如：比濁法、 X射線衍射法射線衍射法 等。等。 屬于非光譜分析方法的有：屬于非光譜分析方法的有： 折射法折射法 偏振法偏振法 散射法散射法 干涉法干涉法 衍射法衍射法 旋光法等旋光法等2、非光譜法的分類、非光譜法的分類光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原子子吸吸收收光光譜譜原原子子發發射射光光譜譜原原子子熒熒光光光光譜譜X射射線線熒熒光光光光譜譜折射法衍射法X射線衍射法干涉法旋光法紫紫外外光光譜譜法法紅紅外外光光譜譜法法分分子子熒熒光光光光譜譜法

9、法分分子子磷磷光光光光譜譜法法核核磁磁共共振振波波譜譜法法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射線熒光化學發光根據根據電磁輻射能的傳遞方式電磁輻射能的傳遞方式不同不同根據根據電磁輻射的本質電磁輻射的本質不同不同檢出限l某一方法在給定的條件下能夠檢出被測物質的最小質量或最某一方法在給定的條件下能夠檢出被測物質的最小質量或最小濃度，稱為這種方法對該物質的檢出限。小濃度，稱為這種方法對該物質的檢出限。l以以質量質量表示的叫表示的叫絕對絕對檢

10、出限，檢出限，l以以濃度濃度表示的叫表示的叫相對相對檢出限檢出限 。l 檢出限表明被測物質的最小質量或最小濃度的響檢出限表明被測物質的最小質量或最小濃度的響 應信號可以與空白信號相區別。應信號可以與空白信號相區別。三、各種光分析法簡介1.1.原子發射光譜分析法原子發射光譜分析法 以火焰、電弧、等離子炬等作為光源，使氣態原子的外層電以火焰、電弧、等離子炬等作為光源，使氣態原子的外層電 子受激發射出子受激發射出特征光譜特征光譜進行定量分析的方法。進行定量分析的方法。2.2.原子吸收光譜分析法原子吸收光譜分析法 利用利用特殊光源特殊光源發射出發射出待測元素的共振線待測元素的共振線，并將溶液中離子轉，

11、并將溶液中離子轉 變成氣態原子后，測定氣態原子對變成氣態原子后，測定氣態原子對共振線吸收共振線吸收而進行的定量而進行的定量 分析方法。分析方法。3.原子熒光分析法 氣態原子吸收特征波長的輻射后，外層電子從基態或低能態氣態原子吸收特征波長的輻射后，外層電子從基態或低能態 躍遷到高能態，在躍遷到高能態，在10-8s后躍回基態或低能態時，發射出與吸后躍回基態或低能態時，發射出與吸 收波長相同或不同的熒光輻射，在與光源成收波長相同或不同的熒光輻射，在與光源成90度的方向上度的方向上， 測定熒光強度進行定量分析的方法。測定熒光強度進行定量分析的方法。4.X4.X射線熒光分析法射線熒光分析法 原子受高能輻

12、射，其內層電子發生能級躍遷，發射出特征原子受高能輻射，其內層電子發生能級躍遷，發射出特征X X 射線（射線（ X X射線熒光），測定其強度可進行定量分析。射線熒光），測定其強度可進行定量分析。6.6.分子磷光分析法分子磷光分析法 處于第一最低單重激發態分子以無輻射弛豫方式進入第一電處于第一最低單重激發態分子以無輻射弛豫方式進入第一電 子子三重激發態三重激發態，再躍遷返回基態發出磷光。測定磷光強度進，再躍遷返回基態發出磷光。測定磷光強度進 行定量分析的方法。行定量分析的方法。5.5.分子熒光分析法分子熒光分析法 某些物質被（某些物質被（紫外）光紫外）光照射激發后，由第一電子激發單重態照射激發后，

13、由第一電子激發單重態 躍遷回到基態的任一振動能級的過程中發射出的光輻射（熒躍遷回到基態的任一振動能級的過程中發射出的光輻射（熒 光），通過測量光），通過測量熒光強度熒光強度進行定量分析的方法。進行定量分析的方法。 利用溶液中分子吸收紫外和可見光產生躍遷所記錄的吸收光利用溶液中分子吸收紫外和可見光產生躍遷所記錄的吸收光 譜圖，可進行譜圖，可進行化合物結構化合物結構分析，根據最大吸收波長強度變化分析，根據最大吸收波長強度變化 可進行定量分析。可進行定量分析。 7.7.紫外吸收光譜分析法紫外吸收光譜分析法8.8.紅外吸收光譜分析法紅外吸收光譜分析法 利用分子中利用分子中基團基團吸收紅外光產生的吸收紅

14、外光產生的振動振動-轉動轉動吸收光譜進行吸收光譜進行 定量和定量和有機化合物結構分析有機化合物結構分析的方法。的方法。9.9.核磁共振波譜分析法核磁共振波譜分析法 在外磁場的作用下，核自旋磁矩與磁場相互作用而裂分為在外磁場的作用下，核自旋磁矩與磁場相互作用而裂分為 能量不同的能量不同的核磁能級核磁能級，吸收射頻輻射后產生能級躍遷，根，吸收射頻輻射后產生能級躍遷，根 據據吸收光譜吸收光譜可進行有機化合物結構分析可進行有機化合物結構分析 。10.10.化學發光分析法化學發光分析法 利用化學反應提供能量，使待測分子被激發，返回基態時利用化學反應提供能量，使待測分子被激發，返回基態時 發出一定波長的光

15、，依據其發出一定波長的光，依據其強度強度與與待測物濃度待測物濃度之間的之間的線性線性 關系關系進行定量分析的方法。進行定量分析的方法。11.11.順磁共振波譜分析法順磁共振波譜分析法 在外磁場的作用下，電子的在外磁場的作用下，電子的自旋磁矩自旋磁矩與與磁場磁場相互作用而裂相互作用而裂 分為分為磁量子數不同的磁能級磁量子數不同的磁能級，吸收微波輻射后產生能級躍，吸收微波輻射后產生能級躍 遷，根據吸收光譜可進行結構分析遷，根據吸收光譜可進行結構分析 。 12.12.旋光法旋光法 溶液的旋光性與分子的溶液的旋光性與分子的非對稱結構非對稱結構有密切關系，可利用旋光有密切關系，可利用旋光 法研究某些天然

16、產物及配合物的立體化學問題，旋光計測定法研究某些天然產物及配合物的立體化學問題，旋光計測定 糖的含量。糖的含量。 13.13.衍射法衍射法 X X射線衍射：研究射線衍射：研究晶體結構晶體結構，不同晶體具有不同衍射圖。，不同晶體具有不同衍射圖。 電子衍射：電子衍射是透射電子顯微鏡的基礎，研究電子衍射：電子衍射是透射電子顯微鏡的基礎，研究物質物質 的內部組織結構的內部組織結構。光譜類型光譜類型 波長范圍波長范圍 波數范圍波數范圍 量子躍遷類量子躍遷類型型 -射線發射光譜射線發射光譜 0.005-1.4A - 核核 X-吸收、發射、熒吸收、發射、熒光、衍射光譜光、衍射光譜 0.1-100A - 內層電子內層電子 真空紫外吸收光譜真空紫外吸收光譜 10-180 nm 1 106-5 104 外層鍵合電外