1、光分析法的概念

檢測能量作用于待測物質(zhì)后產(chǎn)生的輻射訊號或引起的變化的分析方法。

光分析法的主要過程：

●能源提供能量

●能量與被測物質(zhì)相互作用

●產(chǎn)生被檢測的信號

基本特點

(1)所有光分析法包含三個基本過程

(2)選擇性測量，不涉及混合物分離(不同于色譜分析)

(3)涉及大量光學(xué)元器件

2、光分析法的分類

光分析法可分為非光譜法與光譜法兩類，廣義上,包括電子能譜法。

1 )光譜法：基于光的吸收、發(fā)射、拉曼散射,檢測光的波長和強度

三種基本類型：吸收光譜、發(fā)射光譜、散射光譜(拉曼)

2)非光譜法：不以光的波長為特征訊號,而是測量電磁輻射的一些基本性質(zhì)的變化,如反射、折射、干涉、衍射和偏振等。

折射、旋光、圓二色性、比濁、衍射等。

3)電子能譜法：

紫外光電子能譜、X射線光電子能譜、俄歇電子能譜

光分析法的分類方法:

●根據(jù)能源的不同種類來分:紅外、紫外、X光、化學(xué)發(fā)光

●根據(jù)被作用的物質(zhì)來分:原子光譜、分子光譜

●根據(jù)檢測信號來分:吸收、發(fā)射、散射、折射、反射、干

涉、衍射、偏振

3、光分析法的應(yīng)用

(1)定性分析

(2)定量分析

(3)生命科學(xué)研究

A生命物質(zhì)結(jié)構(gòu)、濃度的測定

B生物分子相互作用研究

C光分析法在人類基因組計劃中的作用

1、電磁波譜 λv=c

2、波粒二象性

光的波動性，如光的折射、衍射、偏振和干涉等。

光的粒子性，如光電效應(yīng)。

3、輻射能參數(shù)

周期(T) ：正弦波中相繼兩個極大通過空間某--固定點所需的時間間隔，單位為s。

頻率(v) ：每秒鐘內(nèi)振動的次數(shù)，即1/T， 單位為Hz。

波長(λ)：相鄰兩個波峰或波谷間的距離，單位為nm。

波數(shù)(σ) ：每厘米內(nèi)波的振動次數(shù)，單位為cm-1。

電子伏特(eV)：一個電子通過1V電壓降時具有的能量。

4、輻射能的特征

吸收；發(fā)射；折射和反射；干涉；衍射；偏振；

散射：

1、丁鐸爾散射

2、分子散射

①拉曼散射

②瑞利散射

1、原子光譜：線狀

由原子產(chǎn)生的光譜：

(1)外層電子躍遷

原子吸收、原子發(fā)射、原子熒光

(2)內(nèi)層電子躍遷

X熒光、M?ssbauer譜

2、分子光譜：帶狀

由分子產(chǎn)生的光譜：吸收、熒光、磷光

分子光譜復(fù)雜，電子躍遷時帶有振動和轉(zhuǎn)動能級躍遷。

雙原子分子中電子振動和轉(zhuǎn)動能級示意圖，A和B為電子能級

3、躍遷類型與分子光譜

分子的紫外可見吸收光譜是由純電子躍遷引起的，故又稱電子光譜，譜帶比較寬。

分子的紅外吸收光譜是由于分子中基團的振動和轉(zhuǎn)動能級躍遷引起的，故也稱振轉(zhuǎn)光譜。

分子的熒光光譜是在紫外或可見光照射下，電子躍遷至單重激發(fā)態(tài)，并以無輻射弛豫方式回到第一單重激發(fā)態(tài)的最低振動能級，再躍回基態(tài)或基態(tài)中的其他振動能級所發(fā)出的光。

分子的磷光是指處于第一最低單重激發(fā)態(tài)的分子以無輻射弛豫方式回到第一最低三重激發(fā)態(tài)，再躍遷回到基態(tài)所發(fā)出的光。

1、吸收光譜的產(chǎn)生

將頻率為v的電磁波通過一層固體、液體或氣體物質(zhì)，而電磁波的能量正好等于物質(zhì)的某兩個能態(tài)(如基態(tài)和某一激發(fā)態(tài))之間的能量差時，如hv=EA-E0, 物質(zhì)就會吸收輻射，此時電磁輻射能被轉(zhuǎn)移到組成物質(zhì)的分子或原子上，物質(zhì)從較低能態(tài)激發(fā)到較高能態(tài)或激發(fā)態(tài)。

可以通過實驗得到吸光度對波長或頻率的函數(shù)圖，即吸收光譜。

核酸中含有嘌呤和嘧啶，具有能強烈吸收紫外光的共軛雙鍵結(jié)構(gòu),使核酸顯示特定的紫外光吸收光譜，高峰為260納米,低峰為230納米。

2、發(fā)射光譜的產(chǎn)生

當(dāng)受激粒子(分子、原子或離子)馳豫回到低能級或基態(tài)時，常常以光子形式釋放多余的能量，產(chǎn)生電磁輻射。

激發(fā)的方法：

習(xí)慣上用發(fā)射光譜表征由激發(fā)源發(fā)出的輻射，它通常是以發(fā)射輻射的相對強度作為波長或頻率的函數(shù)。

典型的光譜儀都由五個部分組成：

1.光源;

2.試樣架;

3.波長選擇器;

4.檢測器;

5.信號處理器或讀出裝置。

熒光光譜儀F-7000

原子吸收光譜儀

1、光源

依據(jù)方法不同，采用不同的光源：

火焰、燈、激光、電火花、電弧等。

依據(jù)光源性質(zhì)不同，分為：

連續(xù)光源：在較大范圍提供連續(xù)波長的光源，氫燈、氘燈、鎢絲燈等。

線光源：提供特定波長的光源，金屬蒸氣燈(汞燈、鈉蒸氣燈)、空心陰極燈、激光等。

2、試樣架光源與試樣相互作用的場所

(1)吸收池

紫外-可見分光光度法：石英比色皿

熒光分析法：石英比色皿

紅外分光光度法：將試樣與溴化鉀壓制成透明片

(2)特殊裝置

原子吸收分光光度法：霧化器中霧化，在火焰中，元素由離子態(tài)→原子；

原子發(fā)射光譜分析：試樣噴入火焰。

3、波長選擇器

作用：將復(fù)合光色散成按照波長順序排列的光譜和組成

濾光片

單色器：將來自光源的光按波長的長短順序分散為單色光并能隨意調(diào)節(jié)所需波長光的一種裝置。

關(guān)鍵部分：

混合光分散為單色光的元件

(1)棱鏡

(2)光柵

單色器：獲得高光譜純度輻射束的裝置，而輻射束的波長可在很

寬范圍內(nèi)任意改變。

主要部件：

(1)進口狹縫：限制雜散光進入。

(2)準(zhǔn)直裝置(透鏡或反射鏡)：使輻射束成為平行光線。

(3)色散裝置(棱鏡、光柵)：使不同波長的輻射以不同的角度進行傳播。

(4)聚焦透鏡或凹面反射鏡：使每個單色光束在單色器的出口曲面上成像。

單色器的組成圖

棱鏡：根據(jù)光的折射現(xiàn)象進行分光的，將復(fù)合物分解為單色光。

棱鏡對不同波長的光具有不同的折射率，波長長的光，折射率小;波長短的光，折射率大。

平行光經(jīng)過棱鏡后按波長順序排列成為單色光;經(jīng)聚焦后在焦面，上的不同位置上成像，獲得按波長展開的光譜。

棱鏡的分辨能力取決于棱鏡的幾何尺寸和材料。

棱鏡的光學(xué)特性可用色散率和分辨率來表征。

棱鏡的特性與參數(shù)

(1)色散率

角色散率：用dθ/dλ表示， 偏向角θ對波長的變化率。

棱鏡的頂角越大或折射率越大，角色散率越大，分開兩條相鄰譜線的能力越強。但頂角越大，反射損失也增大，通常為60度角。

線色散率：用dl/dλ表示，兩條相鄰譜線在焦面上被分開的距離對波長的變化率。

倒線色散率：用dλ/dl 表示。

(2)分辨率：相鄰兩條譜線分開程度的度量

△λ：兩條譜線的波長差。

b：棱鏡的底邊長度。

n：棱鏡介質(zhì)材料的折射率。

分辨率與波長有關(guān)，長波的分辨率要比短波的分辨率小,棱鏡分離后的光譜屬于非均排光譜。

光柵分為透射光柵和反射光柵兩大類

光柵光譜的產(chǎn)生是多狹縫干涉與單狹縫衍射共同作用的結(jié)果,前者決定光譜出現(xiàn)的位置，后者決定譜線強度分布。

光柵公式

α、θ盼別為入射角和衍射角；整數(shù)n為光譜級次；d為光柵常

數(shù). (相鄰兩刻線的距離) 。

α角規(guī)定取正值，如果θ角與α角

在光柵法線同側(cè)，θ角取正值；反之取負(fù)值。

當(dāng)n=0時，零級光譜，衍射角與波長無關(guān)，無分光作用。

閃耀光柵(定向光柵)

將反射光柵的線槽加工成適當(dāng)形狀，能使有效強度集中在特定的衍射角上。

圖所示反射光柵是由與光柵表面成β角的小斜面構(gòu)成(小階梯光柵，閃耀光柵), β角叫做閃耀角。

選擇適宜的閃耀角，可以使90%的有效能量集中在單獨一級的衍射上。

光柵的參數(shù)：光柵的特性可用色散率和分辨率來表征

角色散率：兩條波長相差dλ光線被分開的角度。

光柵的角色散率決定于光柵常數(shù)d和光譜級數(shù)n，不隨波長改變，均排光譜(優(yōu)于棱鏡之處)。

線色散率：在焦面上波長相差dλ的兩條光線被分開的距離dl。

角色散率只與色散元件的性能有關(guān);線色散率還與儀器的焦距有關(guān)。

光柵的分辨率R：表示儀器分辨相鄰兩條譜線的能力。

光柵的分辨率R等于光譜級次(n)與光柵刻痕條數(shù)(N) 的乘積：

光柵越寬、單位刻痕數(shù)越多、R越大。

寬度50mm，N=1 200條/mm，一級光譜的分辨率：

狹縫

單色器的進口狹縫起著單色器光學(xué)系統(tǒng)虛光源的作用。復(fù)合光經(jīng)色散元件分開后，在出口曲面上形成相當(dāng)于每條光譜線的像，即光譜。轉(zhuǎn)動色散元件可使不同波長的光譜線依次通過。

分辨率大小不僅與色散元件的性能有關(guān)，也取決于成像的大小，因此希望采用較窄的進口狹縫。

分辨率用來衡量單色器能分開波長的最小間隔的能力；最小間隔的大小用有效帶寬表示：S= DW

D為線色散率的倒數(shù)；W為狹縫寬度。

在原子發(fā)射光譜分析中，定性分析時，減小狹縫寬度，使相鄰譜線的分辨率提高。

定量分析時，增大狹縫寬度，可使光強增加。

狹縫兩邊的邊緣應(yīng)銳利且位于同一平面上。

4、檢測器

作用：將光學(xué)信號的變化轉(zhuǎn)化成易于處理的信號形式