物质成份的光谱分析ppt课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,物质成份的光谱分析,1,第一章,光谱分析基础知识,1.1 基本概念,光学分析法是根据物质发射的电磁辐射或,电磁辐射与物质相互作用而建立起来的一类分,析化学方法。,1,电磁辐射,电磁辐射,是高速通过空间的光子流，通常简,称为光。它具有二象性，即：波动性和粒子性。波,动性表现在光的折射、衍射和干涉等现象；粒子性,表现在光电效应等现象。,2,每个光子的能量,（E,L,）与其频率（,）、,波长（,）及波数（,）之间的关系为：,E,L,=h,= hc/,= hc,式中：h为普朗克常数（Planck constant），其,值为6.626,10,-34,J,s; c为光速，其值为3,10,10,cm,s,-1,；,为波数（wave number），其单位为cm,-1,；,为波长,（wave length），单位为cm。,由上式,可知,：电磁辐射的波长越,短，其,光子的能量就越高。,3,普朗克,认为,：物质对辐射能的吸收和发,射是不连续的、是量子化的。,当物质内的分子或原子发生能级跃迁,时，若以辐射能的形式传递能量，则辐射能,一定等于物质的能级变化，即：,E=E,L,=h,= hc/,4,例,：,某电子在能量差为,3.375,10,-19,J的两能,级间跃迁，其吸收或发射光的波长为多少纳,米？,解：,根据,E=E,L,=h,= hc/,得：,= hc/,E,=6.626,10,-34,J,s,3,10,10,cm,s,-1,/3.375,10,-19,J,=5.89,10,-5,cm,=589 nm,5,2.,电磁波谱,将各种电磁辐射按照波长或频率的大,小顺序排列起来即称为,电磁波谱,。,各波谱区所具有的能量不同，其产生,的机理也各不相同。,6,3.,单色光、复合光和互补色光,（1）单色光,：具有同一波长（或频率）的,光称为,单色光,。,（2）复合,光,：由不同波长的光组合而成的,光称为,复合光,。,单色光很难从光源获得，多数光源，,例如：,太阳、白炽灯和氢灯等发出的光,都是复合光，通过适当的手段可以从复合光,中获得单色光。,7,人的眼睛对不同光的感受不一样。凡是,能被肉眼感受到的光称为,可见光,，可见光,的波长范围为,400 nm760 nm,。凡是超出此,范围的光，人的眼睛感觉不到。,8,可见光范围内，不同波长的光会让人感觉,到不同的颜色。,9,（3）,互补色光,：如果把适当颜色的两种光按,一定强度比例混合也可得到白光，这两种颜,色的光称为,互补色光,。,10,（4）,物质颜色的产生,当一束白光照射到,固体物质,时，物质,对于不同波长光的吸收、透过、反射和折射,程度不同，从而使物质产生不同的颜色。,如果对各种波长的光都完全反射即没有,光的吸收，则呈,白色,；如果物质选择性吸收,了某些波长的光，则呈现的颜色与其反射或,透过的光的颜色有关。,11,溶液,呈现的颜色是由于溶液中的粒子（分子,或离子）选择性吸收白光中的某种颜色的光,而产生的。,如果各种颜色的光透过的程度相同，则,溶液无色透明；如果吸收了某种波长的光，则,溶液呈现的是它吸收的光的互补色。,12,例如：,硫酸铜溶液,因为吸收了白光中的,黄色而呈现,蓝色,；,高锰酸钾溶液,因吸收了白,光中的绿色而呈现,红紫色,。,物质呈现的颜色与吸收光的对应关系可,通过下图简单描述。,13,14,如果物质分子吸收的是其它波段的光（非,可见光）时，则不能用颜色来判断物质微粒,是否吸收光子。,15,1.2 光谱分析法概述,1光谱,的定义,广义,：各种电磁波辐射都叫做,光谱,。,自然界的一切物质可以与各种频率的电,磁波辐射发生相互作用，这种作用表现为对,光的吸收或吸收光后再发射出各种波长的光，,这取决于各自的特殊物质结构。,根据各种不同的物质吸收或者发射出,某一特征频率的光信号及信号强度的大小可,以实现对物质的定性与定量分析。,16,光谱分析，一般依其波长及其测定的方法,可以分为：,射线（0.0051.4 ）；,X射线（0.1100 ）；,光学光谱（100 1000,m）,；,微波波谱（0.1100 cm）。,狭义,：通常所说的光谱，一般仅指,光学光谱,而言。,17,2,光学光谱的分类,（1）依其波长及其测定的方法可以分为：,真空紫外光光谱：10200 nm,近紫外光光谱：200400 nm,可见光谱：400800 nm,近红外光谱：800 nm2.5,m,中红外光谱： 2.550,m,远红外光谱： 501000,m,18,（2）,依其外形可以分为：,线状光谱：由气体状态下的原子或离子经,激发后所产生的。,带状光谱：来源于被激发的气体分子。,连续光谱：液体或固体物质在高温下受激发,发射出具有各种波长的光所产生的光谱。,19,（3）,依据电磁波辐射的本质可以分为：,光谱分析法根据电磁波辐射的本质，可,分为：,原子光谱,和,分子光谱,。,20,a.,原子光谱,：原子核外电子在不同能级间跃,迁而产生的光谱称为,原子光谱,（atomic,spectrum）。它们的表现形式为,线状光谱,。,b.,分子光谱,：在辐射能作用下，因分子内,能级间的跃迁而产生的光谱称为分子光谱,（molecular spectrum）。由于在分子中各质,点的运动比单个原子,复杂，因此分子光谱要,比原子光谱复杂得多。,21,（4）根据辐射能传递的情况可以分为：,吸收光谱,发射光谱（包括：发光光谱）,散射光谱（如：拉曼光谱）,22,a. 吸收光谱,当电磁辐射通过某些物质时，物质的原,子或分子吸收与其能级跃迁相对应的能量，,由基态或低能态跃迁到较高的能态，这种基,于物质对辐射能的选择性吸收而得到的原子,或分子光谱为,吸收光谱,。,23,原子吸收光谱为一些暗线，分子吸收光,谱为一些暗带。,根据物质对不同波谱区辐射能的吸收，,建立了各种吸收光谱法，,例如,：,紫外-可见,分子吸收光谱法，红外光谱法等。,24,b. 发射光谱,物质的分子、原子或离子接受外界能量，,使其由基态或低能态跃迁到高能态(激发态)，,再由高能态跃迁回低能态或基态，而产生的光,谱称为,发射光谱,。,常用的有：,原子发射光谱,和,荧光光谱,。,25,对于,原子发射光谱,，由于每种元素的原子,结构不同，发射的谱线各有其特征性，可以根,据元素的特征谱线进行定性分析，根据谱线的,强度与物质含量的关系进行定量分析。,26,荧光光谱,实质上是一种发射光谱，它的,产生是由于某些物质的分子或原子在辐射能,作用下跃迁至激发态，在返回基态的过程,中，先以无辐射跃迁的形式释放出部分能,量，回到第一电子激发态，然后再以辐射跃,迁的形式回到基态，由此产生的光谱称为荧,光光谱。,荧光光谱分为分子荧光光谱和原子荧光,光谱。,27,c.,散射光谱,当物质分子吸收了频率较低的光能后，并不足以使分子中的电子跃迁到电子的激发态，而只是上升到基态中较高的振动能级上去，若,在10,-15,s10,-12,s返回到原能级，此时辐射出和激发光相同,波长的光，称为,瑞利散射,；若返回到较原能级稍高或稍低的振动能级上，辐射出较激发光波长稍长或稍短的光，称为,拉曼散射,。散射出较激发光波长稍长的光叫,红伴线,，散射出较激发光波长稍短的光叫,兰伴线,。,28,3,光谱分析的发展简史,光谱分析法是基于物质发射的电磁辐射及电磁,辐射与物质的相互作,用而建立起来的分析方法。,光谱分析发展较早，建立于19世纪60年代，在,20世纪30年代得到迅速发展。,20世纪40年代中期，由于电子学中光电倍增管,的出现，促使了原子发射光谱分析法、红外光谱,法、紫外-可见分光光度法、X射线荧光光谱法的发,展。,29,20世纪50年代原子物理学的发展促进了原子吸,收分光光度法、原子荧光分光光度法的兴起。,20世纪60年代等离子体、傅里叶变换和激光技,术的出现，促进了光谱分析的深入发展。,20世纪70年代,出现了等离子体-原子发射光谱分,析法，傅里叶变换红外光谱法和激光光谱法等一系,列分析技术。,30,值得一题的是20世纪70年代发展起来的,激光共振电离光谱法,（Laser resonance,ionization spectroscopy, RIS），它的灵敏度,达到了极限，可以检测单个原子。,31,4.,光谱分析方法的分类,根据物质对不同波谱区辐射能的吸收和,发射，建立了不同的光谱分析方法。,32,本课程主要讨论的,内容,包括：,紫外-可见分子吸收光谱法,分子荧光发射光谱法,原子吸收光谱法,电感耦合等离子体原子发射光谱法,X射线原子荧光发射光谱法,33,1.3 光谱分析的特点,1主要特点,（1）操作简单、分析快速,例如：,对于岩石,、矿物试样，可以不经,任何前处理，就能同时对几十种金属元素进,行全分析，并给出半定量数据，因此在地质,普查中得到了广泛的应用。,这方面的仪器首推原子发射光谱法和,X,射线-原子,荧光光谱法。,34,（2）,选择性好,例如：,对于一些化学性质相近的元素，,如：铌、钽；锆、铪；铷和铯，尤其是稀土,元素，用一般化学分析法难以分别单独进行,测定，只能测定其总量。,而原子发射光谱法和,X射线原子,荧光发,射光谱法却能比较容易地进行个别测定。,35,（3）灵敏度高,光谱分析法的灵敏度与仪器设备条件、,试样处理方法、试样的组成及被测元素的性,质有关。,一般进行直接测定，相对灵敏度可达,0.110,g,g,-1,；绝对灵敏度可达1,10,-8,1,10,-9,g。,如果预先进行化学富集及物理浓缩，相,对灵敏度可达 ng,g,-1,级；绝对灵敏度可达1,10,-11,g。,36,（4）准确度较高,当含量1 %，准确度较差；当含量在0.1,%1 %，其准确度与化学分析法近似；当含,量在0.001 %0.1 %或更低时，其准确度优于,化学分析法。,故光谱分析适于,微量,和,痕量分析,。,37,2. 缺点（局限性）,（1）光谱分析法，定量时需要标样；由于,样品组成复杂，标样不易配制。,（2）对一些非金属元素，,例如：,卤素等，,除紫外-可见分光光度法外，其它的光谱分,析法灵敏度很低，很难胜任,定量分析的工,作。但化学分析法可以。,38,（3）光谱分析的仪器设备目前还比较昂贵,（除：,一般的紫外-可见分光光度计外），,很难普及。,39,结论：,光谱分析法、化学分析法及其它,的仪器分析法，都是分析化学领域中不可缺,少的分析手段。,40,1.4 光谱分析法的主要仪器设备,1. 仪器种类,（1）紫外-可见分光光度法仪器紫外-可见,分光光度计,（Ultraviolet-Visible Spectrophotometer）,（2）分子荧光发射光谱法仪器分子荧光,分光光度计,（Fluorescence Spectrophotometer）,41,（3）原子吸收分光光度法仪器原子吸收,光谱仪,（Atomic Absorption Spectrometer）,（4）原子发射光谱法仪器电感耦合等离,子体原子发射光谱仪,（Inductively Coupled,Plasma Atomic Emission Spectrometer）,（5）X射线原子荧光发射光谱法仪器X射,线原子荧光光谱仪,（X-Ray Fluorescence Spectrometer）,42,2各种光谱分析的仪器在结构上的异同点,（1）相同点：,在光学光谱区域中所使用的测量仪器和,技术有许多共同点。,凡光谱分析的仪器在,结构,上都包括以下,三大部分,：a. 光源；b. 分光系统；c. 光信号,接收和检测系统。,各种光谱分析仪器，后两部分基本相,同，而第一部分光源（light source） ，由,于各自设计原理和分析特点不同,，有很大差,别。,43,（2）不同点：,（a）紫外-可见分光光度计,结构方框图如下所示：,光源,单色器,样品室,检测器,放大器,显示器,（检测器位于入射光路上）,44,紫外及可见区的辐射,光源,有白炽光源和,气体放电光源两类。,在紫外-可见分光光度计上最常用的有,两种光源：即钨灯和氘灯。,钨灯,是常用于可见光区的连续光源，适,用的波长范围,为320 nm2500 nm；,氘灯,是紫,外光区最广泛使用的光源，能在165 nm,375 nm 间产生,连续辐射。,45,（b）荧光分光光度计,光源,入射,单色器,样品室,发射单色器,绘图仪,D/A转换,数字显示器,A/D,转换,放大器,检测器,（检测器与光源位于垂直位置）,46,光源,应具有强度大、适用波长范围宽,两个特点。,常用光源有高压汞灯和氙弧灯。,47,比较,（a）与（b），,结构基本一致，只,是检测器与光源的相对位置不同而已。,48,（c）,原子吸收光谱仪,此仪器不同之处在于光源和样品室。,光源,用空心阴极灯或无极放电灯。,空心,阴极灯,为锐线光源，一个元素一种灯，用以,产生该元素的特征共振辐射；,无极放电灯,是,新型放电灯，它的强度比空心阴极灯大几个,数量级，没有自吸，谱线更纯。,样品室,为原子化器，提供试样的基态原子。,49,（d）,原子发射光谱仪,例如,：,ICP-AES，其,光源,采用高频耦合,感应等离子炬，形成10000 K的高温，样品经,雾化导入等离子炬中心，原子受激发射，然,后被检测。,50,（e）X射线原子荧光发射光谱仪,光源,为产生X射线的X射线管。用X射线,照射样品，样品原子内层电子受激发被打,出，形成空穴，外层电子落入空穴，同时释,放出次级X射线。,51,上述几种光谱分析法广泛地应用于地,质、冶金、机械、半导体、化工、农业、环,保、医学工业和科学研究等各个领域。但在,实际工作中，要实现某种物质分析测试的目,的，又各有其优势与使用的局限性。,52,1.5,各种光谱分析法在用途上各自的优势与局,限性,.,紫外-可见分光光度法,优点,：此法应用极其广泛，可以应用于绝,大部分无机元素的常量、微量甚至痕量分析，,也可用于无机阴离子的定量分析。在有机物和,阴离子的定性、定量分析中的应用，非其它光,谱法所能做到的。,与其它光谱仪器比较，还有一个显著的特,点是：价格便宜、易于操作和容易普及。,53,缺点,：进行测定时，需一个元素一个元素,地进行分析；且大多需要显色剂；样品处,理较复杂，不如其它光谱法迅速。,54,. 分子荧光发射光谱法,优点,：主要用于有机物的定性、定量分,析，可测定数百种有机物。亦可进行多达,6070种无机元素的分析，但需要用有机荧,光络合剂。灵敏度可达 ng,g,-1,级。,55,缺点,：干扰因素多，实验要求条件（试,剂、水和溶剂等）苛刻，难于掌握。设备,价格也较贵，不便普及。,56,. 原子吸收光谱法,优点,：对于一些常见金属元素，,例如：,Cu、Zn、Fe、Mn、Ca、Mg、Pb、K和Na,等很容易测定。,57,缺点,：对一些难熔金属，,例如,：,Be、Al、,Sc、Y、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Th、U、,稀土元素及B等，灵敏度不令人满意。,58,4. 原子发射光谱,法,优点,：样品处理较简单，背景干扰较少，,能同时进行几十种元素的定性和定量分析。,59,缺点,：,对于高含量样品（1 %），则准,确度较差，用于超微量ng,g,-1,级元素的分,析，灵敏度尚不能满足需要；对一些非金属,元素，,例如：,卤素等的测定，灵敏度很低；,仪器设备价格昂贵,，不易普及。,60,5. X射线原子荧光发射光谱法,优点,：做到无损分析；由于谱线简单、干,扰少，做众多元素定性分析十分方便；对于,化学性质相似的元素，,例如：,稀土、Nb和,Ta、Zr和Hf、铂族元素等，不必进行复杂的,分离工作，便可成功地进行单独分析。,61,缺点,：灵敏度不够高，最低一般测万分,之几的含量；需标样；仪器价格昂贵、结,构复杂、不易普及。,62,第一章 复习思考题：,1.光学光谱依其波长及其测定的方法可以分,为几种类型的光谱，说出其波长范围？,2.光学,光谱依其外形如何分类？依据电磁波,辐射的本质如何分类？各自产生的本质是什,么？,63,3.光谱分析中所讨论的各类仪器在结构上有,何异同点？,4.各种光谱分析法在用途上各自的优势与局,限性有哪些？,64,主要参考资料：,1仪器分析，高等教育出版社，武汉,大学化学系编，2001年6月第一版,2仪器分析，林新花 主编，华南理工,大学出版社，2002年第一版,3现代仪器分析上册，清华大学出版,社，清华大学分析教研室编，1983年,65,4分光光度分析（分析化学丛书第四,卷，第一册），科学出版社，罗庆尧、邓延,倬、蔡汝秀、曾云鹗编著，1998年第二次印,刷，1992年第一版,5分光光度学，机械工业出版社，杨,茹，邱法林，刘翊编，1998年6月第一版第,一次印刷,66,6紫外、可见分光光度法上册，原子,能出版社，陈国珍等编，1983年,7分析化学，人民教育出版社，成都,工学院，上海化工学院编，1979年,8现代仪器分析实验与技术，清华大,学出版社，陈培榕、邓勃主编，1999年12月,第一版，2004年5月第4次印刷。,67,9实用仪器分析，北京大学出版社，,杨根元主编，2001年5月第三版，2004年11,月第5次印刷。,10现代分析测试技术，同济大学出,版社，祁景玉主编，2006年2月第1版。,68,