第五章发射光谱法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,*,*,*,第五章 发射光谱法,第五章,1,第五章 发射光谱法,第一节 原子发射光谱法,第二节 电感耦合等离子体发射光谱,第三节,荧光光谱法,第四节 原子荧光分析法,第五节 X射线分析法,第五章 发射光谱法第一节 原子发射光谱法,2,原子发射光谱法利用了原子光谱的全部信息特点，其信息品质好、信息量多、适合定性分析，可同时分析几种甚至几十种元素。,原子发射光谱利用的信息是由激发态的粒子产生，其发射强度受很多因素影响，因而在定量分析中的应用效果略差。,第一节 原子发射光谱法,原子发射光谱法利用了原子光谱的全部信息特点，其,3,一、基本原理,二、原子发射光谱仪,三、原子发射光谱的定性,和定量分析方法,第一节 原子发射光谱法,一、基本原理第一节 原子发射光谱法,4,由原子产生的光谱有：,基于原子外层电子跃迁而建立的原子发射、原子吸收、原子荧光三种；,基于原子内层电子仪器的X荧光；,基于原子核与r射线的相互作用而建立的莫斯鲍尔谱等。,一、基本原理,由原子产生的光谱有：一、基本原理,5,原子的能级,是原子在不同状态下所具有的能量，即原子中电子所处的能量状态。,当原子的外层为一个电子时，其能级可通过四个量子数来描述。,主量子数n，角量子数,，磁量子数,m，自旋量子数s。,（一）原子的能级,原子的能级是原子在不同状态下所具有的能量，即原子,6,原子的能级,主量子数n，,即核外的电子壳层，第一层最多2个电子，第二层最多8个电子；,角量子数,，,电子亚层，即,s，p，d，f等电子轨道。,磁量子数,m，,电子云在空间伸展的方向，,s,电子云为球形对称；p电子云在三个空间方向上伸展，为哑铃形对称；,自旋量子数s，,电子的自旋方向；,原子的能级 主量子数n，即核外的电子壳层，第一层,7,原子的能级,2、原子能级的表示方法, 能级项： 原子的能级通常用符号n,(2S+1),L,J,来表示，称为能级项。每组不同的n,(2S+1),L,J,值代表一个不同的能级。,n是指外层电子的主量子数，,L是外层电子的总轨道角量子数，,S是外层电子的总自旋量子数，,(2S+1),是表示谱线多重性的符号。由于角量子数L与自旋量子数S之间的电磁相互作用，可产生,(2S+1),个能量稍微有所不同的能级分裂，是产生光谱多重线的原因。,J为内量子数，指电子在外磁场作用下，每一能级可能被分裂成的子能级数目，它决定多重线中各谱线的强度比。,原子的能级2、原子能级的表示方法 能级项： 原子的能级,8,例：钠原子，其外层为一个电子，基态为3S，它可能的能级项见下表。,钠原子光谱中可能的能级项(,n(,2S+1),L,J,)：,n L,S,P,D,F,G,3,3,2,S,1/2,3,2,P,3/2.1/2,3,2,D,5/2.3/2,4,4,2,S,1/2,4,2,P,3/2.1/2,4,2,D,5/2.3/2,4,2,F,7/2.5/2,5,5,2,S,1/2,5,2,P,3/2.1/2,5,2,D,5/2.3/2,5,2,F,7/2.5/2,5,2,G,9/2.7/2,n,n,2,S,1/2,n,2,P,3/2.1/2,n,2,D,5/2.3/2,n,2,F,7/2.5/2,n,2,G,9/2.7/2,原子的能级,例：钠原子，其外层为一个电子，基态为3S，它可能的能级项见下,9,原子能级跃迁选择定则：据量子力学原理，电子在两个能级间的跃迁必须遵循一定的选择定则：,(1) 主量子数的变化，n为整数，包括0。,(2) 总角量子数的变化，L1。,(3) 内量子数的变化,J0 ,1，但当J0 时,J0的跃迁时不允许的。,(4) 总子旋量子数的变化，S0，就是不同多重性状态之间的跃迁是禁戒的。,原子的能级,、能级图,能级图：把原子中各种可能的光谱项和能级间的跃迁，用图解的形式表现出来就是原子的能级图。,原子能级跃迁选择定则：据量子力学原理，电子在两个能级间的,10,能级图,原子的能级,能级图原子的能级,11,在一定的温度下，物质激发态的原子数与基态的原子数有一定的比值，并且服从波茨曼分布定律： N,j,/N,0,=g,j,/g,0,e,-(E,j,-E,0,)/kT,式中：N,0,、N,j,为基态和激发态原子数；,g,0,、g,j,为基态和激发态的统计权重，其值为(2J+1)，,J为内量子数；E,0,、E,j,分别为基态和激发态原子的能量；,k是波茨曼常数(1.38*10,-16,ergK,-1,)；T 为绝对温度。,(二)、基态和激发态原子的分配关系,在一定的温度下，物质激发态的原子数与基态的原子数有一,12,几种元素在不同温度下激发态与基态的原子数比值,元素,共振线,N,j,/N,0,nm,2000K,3000K,Cs,852.11,4.31,10,-4,7.19,10,-3,K,766.49,1.68,10,-4,3.84,10,-3,Na,589.00,0.99,10,-5,5.83,10,-4,Ba,553.56,6.83,10,-4,5.19,10,-4,Ca,422.67,1.22,10,-7,3.55,10,-5,Fe,371.99,2.29,10,-9,1.31,10,-6,Ag,328.07,6.03,10,-10,8.99,10,-7,Cu,324.75,4.82,10,-10,6.65,10,-7,Mg,285.21,3.35,10,-11,1.50,10,-7,Zn,213.86,7.45,10,-15,5.50,10,-10,几种元素在不同温度下激发态与基态的原子数比值元素共振线Nj/,13,从上表可知，在火焰原子化过程中，产生激发态原子的数目，决定于火焰的温度和原子的激发能。,温度越高，N,J,/N,0,越大；同一温度，激发能越低，共振波长越长，激发态的原子数也就越大。,从上表可知，在火焰原子化过程中，产生激发态原子的数目,14,1.原子发射光谱的产生,处于激发态的电子跃迁回到基态时，辐射一定能量，得到一条波长与辐射能量相对应的发射谱线。,共振线：,由激发态直接跃迁到基态所发射的谱线。,第一共振线：,由最低激发态跃迁到基态发射的谱线。 通常是最强的谱线。,(三)、原子光谱,原子光谱,1.原子发射光谱的产生 (三)、原子光谱原子光谱,15,电子从高能量激发态也可以回到为光谱定则所允许的各个较低的激发状态，从而发射出各种波长的谱线。,每种元素都有许多条发射谱线。,例如：结构最简单的氢原子，在紫外可见区现在已经发现的谱线有54条。对于结构比较复杂的原子，如Fe，W等元素，已知它们的谱线有5000多条。,原子光谱,电子从高能量激发态也可以回到为光谱定则所允许的各个,16,2、谱线强度,（1）激发态能级,谱线强度与激发态能级的能量是负指数关系，激发能级越高，能量越大，谱线强度越小。,原因：随着激发态能级的增高，处于该激发态的原子数迅速减少，释放谱线的强度降低。,激发能量最低的谱线往往是最强线(第一共振线)。,谱线强度与激发态的能级、激发时的温度、基态原子数等因素有关。,谱线强度影响因素,2、谱线强度（1）激发态能级 谱线强度与激,17,谱线强度与温度之间的关系比较复杂。温度既影响激发过程、又影响电离过程。,原子谱线强度随温度的升高，先是增强，到达极大值后又逐渐降低。,温度开始升高时，气体中的各种粒子、电子等运动速度加快，增强了非弹性碰撞，原子被激发的程度增加，谱线强度增强。超过某一温度之后，电离度增加，原子谱线强度渐渐降低，离子谱线强度逐渐增强。,（,2,）激发温度,T,谱线强度影响因素,谱线强度与温度之间的关系比较复杂。温度既影响激发过程、,18,谱线强度和基态原子数N,0,成正比，N,0,由元素的浓度决定，是光谱定量分析的依据。,谱线相对强度I与该元素在样品中的浓度c的关系可用沙义伯罗马金经验公式表示：I=acb，a为与样品的蒸发、激发、组成等有关的参数，b与谱线自吸收有关的参数，取值范围01；,高浓度时，b0，谱线强度与浓度无关；,低浓度时，无自吸收，b1，光强与浓度成正比。,一般浓度时，情况较为复杂。,谱线强度影响因素,（3）基态原子数N,0,谱线强度和基态原子数N0成正比，N0由元素的浓度决定,19,由激发光源、色散系统、检测记录系统组成 。,激发光源是发射光谱分析信号产生部分，是原子发射光谱仪的心脏。,色散系统：把激发态原子发射的线光谱进行分离。,检测记录系统：记录线光谱的强度和特征波长的位置，以便进行定性、定量分析。,二、原子发射光谱仪,发射光谱仪,由激发光源、色散系统、检测记录系统组成 。二、原子发射光谱仪,20,激发光源具有使试样蒸发、解离、原子化、激发跃迁、发射谱线的作用，对分析的检出限、精密度和准确度都有很大的影响。,目前常用的激发光源有直流电弧、交流电弧、电火花和电感耦合离子体等四种。,其它尚有火焰、低气压放电管、空心阴极灯、直流等离子体喷焰等激发光源。,用低气压放电管、空心阴极灯等为激发光源的分析法称为原子荧光分析法。,发射光谱仪,1、激发光源,激发光源具有使试样蒸发、解离、原子化、激发跃迁、,21,火焰光源是最早被采用的光源，至今仍被用于碱金属、碱土金属等激发电位较低的元素分析中。,火焰类型：乙炔空气，丙烷空气，乙炔氧气、乙炔氧化亚氮等。,利用火焰作为激发光源的光谱分析称为火焰光度法。用火焰作激发光源，是将试液雾化并与燃气混合后燃烧。,谱线强度同试验的雾化程度、燃料种类、喷雾速度、燃烧方式等因素有关，在实际操作中必须严格控制这些条件。,发射光谱仪,（1） 火焰光源,火焰光源是最早被采用的光源，至今仍被用于碱金,22,工作原理：直流电弧工作时，阴极释放出来的电子不断轰击阳极，使其表面上出现一个炽热的斑点，称为阳极斑，阳极斑的温度较高，用于试样的蒸发和激发。,一般均将试样置于阳极碳棒上的阳极斑位置的空穴中。,发射光谱仪,（2）直流电弧,工作原理：直流电弧工作时，阴极释放出来的电子不,23,工作温度：弧焰温度约为40007000K，这个温度尚难以激发电离电位高的元素；电极头的温度较弧焰温度低，且与电流大小有关，一般阳极可达4000K，阴极则在3000K以下。,优点：电极头温度高，蒸发能力强；,缺点：放电不稳定，且弧层较厚，自吸现象严重，不适于高含量的定量分析。,应用于矿石等的定性、半定量和痕量元素的定量分析效果较好。,（2）直流电弧,工作温度：弧焰温度约为40007000K，这个温度尚,24,交流电弧是介于直流电弧和电火花之间的一种光源，与直流电弧相比，交流电弧的电极头温度稍低。,有控制放电装置，电弧较为稳定，常用于金属、合金中低含量元素的定量分析。,发射光谱仪,（3）交流电弧,交流电弧是介于直流电弧和电火花之间的一种光源，与直流,25,通常使用1*10,4,V以上的高压交流电，通过间隙放电，产生电火花。高压火花放电时间极短，在一瞬间内通过分析间隙的电流密度很大，弧焰瞬间温度很高，达10000K以上，激发能量大，可激发电离电位高的元素。,由于电火花是以间隙方式进行工作的，平均电流并不高，电极头温度较低，弧焰半径也较小，主要用于易熔金属合金试样的分析和高含量元素的定量分析。,发射光谱仪,（4）高压电火花,通常使用1*104V以上的高压交流电，通过间隙放电，,26,发射光谱仪,2、色散系统,，有棱镜式和光栅式。,3.检测器,检测方法,：摄谱法、光电法。,（1）摄谱法 用感光板来记录光谱，将光谱感光板置于摄谱仪焦面上，接受被分析试样光谱的作用而感光，再经过显影、定影等过程后，制得光谱底片。,其上有许许多多黑度不同的光谱线，然后用映谱仪观察谱线的位置和强度，进行光谱定性分析和半定量分析；也可采用测微光度计测量谱线的黑度，进行光谱定量分析。,发射光谱仪2、色散系统，有棱镜式和光栅式。3.检测器 检,27,发射光谱仪,（2）光电检测法,用光电倍增管作为光电转换元件，通过检测电信号确定谱线强度。,由于样品的蒸发、激发、谱线的反射、自吸收等过程，瞬间起伏很大；谱线强度随时间起伏波动。测量得到的瞬时谱线强度不能准确的表示元素的含量，需要一个积分装置，用积分电容来求一段时间内的光电流平均值，以此表示浓度的变化。,发射光谱仪（2）光电检测法 用光电倍增管作为光电,28,光谱定性分析常用标准光谱图比较法。,标准光谱图是在一张放大20倍的铁光谱图的不同波段上准确标出68种元素主要光谱线的图片。,将试样与纯铁并列摄谱，摄得的光谱板置于映谱仪上放大20倍，再与标准光谱图进行比较，比较时，将两套铁光谱的谱线对准后，就可由标准光谱图上找出试样中的一些谱线是由哪些元素产生的。,光谱定性分析方法,发射光谱仪,光谱定性分析常用标准光谱图比较法。光谱定性分析方,29,光谱定量分析是以谱线的强度为基础，在一定条件下和适宜的浓度范围内，谱线强度I与试样中被测元素浓度c之间呈正相关，可作为定量依据。,但由于试样的蒸发，激发条件以及试样组成等的变化，直接影响谱线的强度，这种变化往往很难绝对避免，在实际光谱分析中，多采用相对方法内标法。,发射光谱仪,2、定量分析,光谱定量分析是以谱线的强度为基础，在一定条件下和适宜的,30,元素的原子结构不同，它们激发时所产生的光谱也各不相同。对于被检定的元素，并不需要找出它的所有谱线，一般只要找出它的一根或几根不受干扰的谱线即可。,三、定性、定量分析方法,1.光谱定性分析,发射光谱仪,2、定量分析方法,包括：标准(工作)曲线法、元素内标法等。,元素的原子结构不同，它们激发时所产生的光谱也各,31,内标元素和分析线对的选择要求：,内标元素的含量必须固定，样品中不含内标元素。分析线和内标线的自吸收现象要小，分析线和内标线附近的背景应尽量小。,内标元素和分析元素应具有相近的沸点和化学性质，以减少试样蒸发条件变化的影响。,分析线对，应具有十分相近的激发电位和电离电位，以减小激发条件变化的影响。,分析线对的波长、强度和宽度应尽量接近。,元素内标法,注意,：,内标元素和分析线对的选择要求：元素内标法注意：,32,选用一条其它元素的谱线为比较线，一条被测元素的谱线作为分析线，用分析线与比较线的强度比，进行光谱定量分析。,使用的比较线称内标线，提供比较线的元素称为内标元素。,在测定过程中，将内标元素定量加入到试样中，与被测元素同时激发，蒸发与激发条件的不稳定及其它干扰引起分析线与内标线强度的变化，但两者的强度比没有改变。,以谱线强度比为纵坐标、内标元素浓度为横坐标，绘作工作曲线。只要测出谱线强度比，即可求出试样中待测元素的含量。,内标法,：,元素内标法,选用一条其它元素的谱线为比较线，一条被测元素的谱,33,第一节 结束,第一节 结束,第一节 结束第一节 结束,34,第二节电感耦合等离子体发射光谱,第二节,35,第二节 电感耦合等离子体发射光谱,一、电感耦合等离子体光源,二、电感耦合光源的特点,三、电感耦合等离子体发射光谱仪,四、使用ICP需注意的问题,第二节 电感耦合等离子体发射光谱一、电感耦合等离子体光源,36,1、等离子体 是由自由电子、离子和中性原子或分子所组成，在总体上呈电中性的高温气体。是气液固之外，物质存在的第四种状态。,气体中如有1以上的原子或分子被电离，该气体就具有可观的电导率。,一、电感耦合等离子体(ICP)光源,1、等离子体 是由自由电子、离子和中性原子或分子所组成，在,37,等离子体光源,直流等离子体喷焰（DCP）,射频等离子体光源,电容耦合高频等离子体炬 (CCP),电容耦合微波等离子体炬 (CMP),电感耦合高频等离子体炬 (ICP),电感耦合微波等离子体炬 (MIP),2、电感耦合等离子体光源分类：,等离子体光源直流等离子体喷焰（DCP）射频等离子体光源电容耦,38,等离子体是近二三十年发展起来的一种新型光源。以电感耦合等离子体(ICP)光源发展最快，已得到广泛应用。,包括：,等离子体分析方法,电感耦合等离子体-原子发射光谱(ICP-AES);,电感耦合等离子体-原子荧光光谱(ICP-AFS),电感耦合等离子体-质谱(ICP-MS)等。,在光谱分析中把,电感耦合等离子体-原子发射光谱(ICP-AES),简称：,等离子体。,等离子体是近二三十年发展起来的一种新型光源。以电感耦合等,39,由等离子炬管、高频发生器、雾化器组成 。,3、,电感耦合等离子体光源组成,等离子炬管是一个三层同心石英玻璃管。外管18mm，由切线方向通入冷却气，起保护炬管、维持稳定等离子体等作用。中间管10mm，以轴向或切向通入辅助气，用于调节等离子体火炬的高低、点燃等离子体及保护中心注入管。内管5mm，管头孔径1.5mm,导入载气，可在等离子体轴部钻出一条通道，引入分析样品。炬管内的氩气流量为：冷却气1020L/min；辅助气1L/min；载气0.51.5L/min。,由等离子炬管、高频发生器、雾化器组成 。3、电感耦合等离子体,40,负载线圈,内 管,中间管,外 管,冷却气,等离子气,载气,焰核,炬焰,中心通道,ICP光源结构示意图,负载线圈内 管中间管外 管冷却气等离子气载气焰核炬,41,高频发生器,由振荡器及其控制调节组件等组成，用来输出高频电流。,雾化器：,气动雾化器，用载气将溶液送入等离子体炬中，进行激发。,等离子体光源组成,高频发生器 雾化器：等离子体光源组成,42,当高频发生器与围绕在等离子炬管外的负载铜管线圈接通时，高频电流流过线圈并在炬管的轴线方向上形成一个高频磁场。,此时，,若向炬管内通入气体，并用一感应线圈产生电火花引燃，使气体触发产生电离粒子。当这些带电粒子达到足够的导电率时，就会产生一股垂直于管轴方向的环形涡电流，这股几百安培的感应电流瞬间就将气体加热到近万度的高温，并在管口形成一个火炬状的稳定的等离子体。,等离子体炬工作原理,当高频发生器与围绕在等离子炬管外的负载铜管线圈接通,43,试样由内管喷射到等离子体中进行蒸发和激发。由于高频电流的趋肤效应使得等离子体炬形成一个环状的通道，高频电流在等离子炬的周围通过，在中间形成一个电学上被屏蔽的通道，因而在输入试样气溶胶时不会引起等离子体的阻抗有很大的变化，这种光源具有较高的稳定性。,等离子体炬工作原理(续),试样由内管喷射到等离子体中进行蒸发和激发。由于高频电,44,1、ICP温度可达10000K，可使化合物完全解离成原子状态，有利于难激发元素的测定。,2、ICP具有良好的稳定性，测量精密度可达到1左右。,3、基体影响不严重，自吸收现象少，无电极粘污，具有良好的抑制电离干扰效应。,4、工作曲线线性范围宽，达56各数量级，能同时进行常量和微量元素分析。,5、谱线强度大、背景小、干扰小、灵敏度高，可测定周期表中约70多种元素，检出限可达10,-3,10,-4,g/ml级。,二、电感耦合光源的特点：,1、ICP温度可达10000K，可使化合物完全解离成原子,45,三、电感耦合等离子体发射光谱仪,类型：1、,等离子体多道发射光谱仪，,又称为：光电直读光谱仪,2、,单道(顺序)扫描等离子体发射光谱仪,。,三、电感耦合等离子体发射光谱仪类型：1、等离子体多道发射光谱,46,为保证波长的稳定性，分光系统通常置于恒温控制室中。,元素发射出的特征谱线，经光栅色散，照射在光谱仪的焦面上，在待测元素所选用的光谱线出现位置上，安装有许多固定出射狭缝和光电倍增管等检测系统。,光道的数目可多达60道以上。用计算机进行数据处理，可在1分钟内直接给出样品中多达6070个元素的含量，及多次测量的误差。,仪器的通道由生产厂商根据用户要求安装好，不能随意变换，灵活性差，适于生产管理部门使用。,1、等离子体多道发射光谱仪,为保证波长的稳定性，分光系统通常置于恒温控制室中。元素,47,真空型光谱仪。波长范围160800nm，可分析碳、磷、硫等灵敏线短于200nm的元素。为保证波长的稳定性，整个分光器系统安置在恒温控制室中。,分析过程：试液进入等离子体光源，被激发发射特征谱线，光栅在步进电机和齿轮减速系统的控制下绕轴转动时，在出射狭缝处可获得一个从短波到长波的扫描光谱图。,若在出射狭缝后放置一个光电倍增管，则可测得从短波到长波扫描的各波长瞬时谱线强度；根据谱线强度，计算出相应元素含量。,2、单道(顺序)扫描等离子体发射光谱仪,：,真空型光谱仪。波长范围160800nm，可分析碳、,48,特点：,为覆盖测定需要的160800nm波长范围，扫描单色器光栅的相应转动角度约为45，为达到足够的谱线分辨率(波长精度要求达到0.005nm)，转动角大致应为300000步数，,且光栅转动位置的重现性要求很严，以保证谱线位置的重现性。,同时，对全波段进行扫描所需的时间应不超过几秒，传动机构应非常坚固耐用、能够可靠地工作多年而无需维修。,2、单道(顺序)扫描等离子体发射光谱仪,：,特点：为覆盖测定需要的160800nm波长范围，扫描,49,1、为减少高频电磁场对人体的伤害，ICP炬管均置于金属制的火炬室中，加以高频屏蔽。,2、高频发生器必须有良好的接地，接地电阻4，必须使用单独地线，不能与其它电器设备共用地线，以免高频电流可能影响其它电器设备的正常工作，甚至导致仪器毁坏。,四、使用ICP需注意的问题,1、为减少高频电磁场对人体的伤害，ICP炬管均置于金属制的火,50,3、高频发生器在工作时，将有一部分功率消耗在振荡管阳极及负载感应线圈上，产生热量，需要采用冷却装置。感应线圈常采用循环水冷却，振荡器多采用空气强制通风冷却。,4、高频设备具有功率大、高频高压的特点，设备易出现打火、爬电、击穿、烧毁和熔断等事故。为延长其使用寿命须注意：使用的功率和额定电压应尽可能降低；严格遵守预热灯丝的操作规程；经常检查通冷风和冷却水的设备，保证运转良好。,四、使用ICP需注意的问题,3、高频发生器在工作时，将有一部分功率消耗在振荡管阳极,51,第二节 结束,第二节 结束,第二节 结束第二节 结束,52,第三节 荧光光谱法,第三节 荧光光谱法,53,一、 荧光光谱法的基本原理,二、荧光测量仪器,第三节 荧光光谱法,一、 荧光光谱法的基本原理第三节 荧光光谱法,54,一、荧光光谱法的基本原理,1、荧光的产生,2、分子的退激过程,：,3、影响荧光的因素,4、,荧光法的几个基本参数,一、荧光光谱法的基本原理 1、荧光的产生,55,分子在紫外可见光的照射下，吸收能量，电子跃迁到较高能级的激发态，变为高能态的激发分子，在很短的时间内(约10,-8,S)，它们通过分子碰撞以热的形式损失一部分能量，从所处的激发能级跃迁至第一激发态的最低振动能级(不发光)；由最低振动能级跃迁至基态时，激发分子以光的形式释放出它所吸收的能量，这时所发的光称为分子荧光。,是光致发光，常见的有荧光和磷光,。,按荧光产生时物质能级跃迁的情况可分为,：,分子荧光、原子荧光、X-荧光,等。,1、荧光的产生,分子在紫外可见光的照射下，吸收能量，电子跃,56,5.0,2、分子的退激过程,：,处于激发态的分子可以通过几种不同的途径回到基态，其中以速度最快的途径占优势。,如果荧光过程比其它退激发过程的速度更快，就可以观察到荧光现象。其它非荧光过程具有更快速度的话，荧光将消失，或强度很弱。,退激过程有：,振动驰豫、,荧光发射、,内部转换、,外部转换、,能系间交叉跃迁。,5.0 2、分子的退激过程： 处于激发态的分,57,在激发过程中，分子可被激发到任一振动能级，在溶液中，分子之间碰撞机会很多，受激分子将过剩的振动能量(以热的形式)传递给溶剂分子过程的速度极快，在10,-13,10,-11,s的时间内，经非辐射跃迁而到达同一激发电子能态的最低振动能级上，称为振动驰豫。,振动驰豫发生在同一电子激发态能级上。溶液中荧光是从激发态的最低振动能级跃迁返回，荧光的波长要比吸收光的波长大一些，产生红移，也叫斯托克斯偏移。,退激过程,振动驰豫,在激发过程中，分子可被激发到任一振动能级，在溶液中，分,58,当分子处于单重激发态的最低振动能级时，直接发射一个光子后，回到基态。这一过程称为荧光发射。,单重激发态的平均寿命约在,10,-9,10,-7,s,左右，而荧光的寿命也在同一数量级上，如果没有其它过程同荧光相竞争，那么所有激发态分子都将以发射荧光的方式回到基态。,退激过程,荧光发射,当分子处于单重激发态的最低振动能级时，直接发射一个,59,内部转换：激发态分子通过分子内过程将激发能转变为热能，而回到基态。,内部转换过程的速度取决于过程所包含的能态之间的相对能量差。,单重激发态与基态之间的能量差较大，内部转换过程的效率很低，而在两个不同单重激发态或两个不同三重激发态振动能级重叠的地方，两激发态的位能是一样的，很容易导致内部转换的发生。,不论受激发的能级多高，往往经过内部转换后，从第一激发态的最低振动能级返回基态，并释放荧光。,退激过程,内部转换,内部转换：激发态分子通过分子内过程将激发能转变为热能，,60,退激过程,外转换,激发电子态的退激发过程包含激发分子与溶剂或其它溶质间的相互作用和能量转换时，称为外转换。,溶剂对荧光强度有明显的影响，凡可使粒子间碰撞减少的条件(如低温和高粘度 )一般都可导致荧光的增强。,退激过程外转换 激发电子态的退激发过程包含激发,61,能系间交叉跃迁是激发态电子的自旋方向被反转，而使分子的多重性发生变化的过程。,如单重态与三重态之间的跃迁。,由三重态到单重基态之间跃迁而产生的发光现象称为磷光。,在溶液中存在如氧分子等顺磁性物质能增加能系间交叉跃迁的发生，使荧光减弱。,退激过程,能系间交叉跃迁,能系间交叉跃迁是激发态电子的自旋方向被反转，而使分子,62,分子结构和化学环境对某物质是否会发射荧光以及其发射的强度都有影响。,主要有：,分子结构关系, 温度与溶剂的影响,pH,对荧光的影响,溶解氧及其它荧光猝灭剂的影响, 激发光的强度,3、影响荧光的因素,影响荧光的因素,分子结构和化学环境对某物质是否会发射荧光以及其发射的,63,分子能产生荧光，首先要求分子结构能吸收紫外或可见光辐射。通常，分子吸收辐射的能力越强，产生的荧光也越强。,能强烈发射荧光的分子是一些具有共轭双键，尤其是具有刚性、平面和多环结构的分子。分子的共轭平面越大，,电子共轭度越大，分子的荧光效率也将越高。,影响荧光的因素,荧光与分子结构关系,分子能产生荧光，首先要求分子结构能吸收紫外或,64,荧光的量子产额随温度的升高而减少。温度增加了分子键的碰撞，使激发分子经外转换退激的比例增加。,溶剂中含有重原子(如溴、碘)会导致能系间交叉跃迁增加，荧光减弱。,温度及溶剂的影响,影响荧光的因素,荧光的量子产额随温度的升高而减少。温度增加了分子键的,65,pH,值影响带有酸性或碱性环状取代基的芳香化合物的结构，进而影响其荧光的产生，同时化合物的电离和非电离形式其荧光的波长和发射强度也有差别。因此，以荧光为基础的分析对溶液的,pH,值应加以严格控制。,pH,对荧光的影响,影响荧光的因素,pH值影响带有酸性或碱性环状取代基的芳香化合物,66,荧光猝灭又称荧光熄灭；指任何可使荧光物质的荧光强度下降的作用，或任何可使荧光量子产率降低的作用。,溶解氧的存在往往使荧光溶液的发射强度降低或发生荧光熄灭现象。因为氧分子的顺磁性，促进激发分子发生能系间交叉跃迁而变成三重态，从而使荧光降低或熄灭。其它顺磁性物质也较易使荧光熄灭。,影响荧光的因素,溶解氧及其它荧光猝灭剂的影响,荧光猝灭又称荧光熄灭；指任何可使荧光物质的荧,67,荧光强度随激发光源的强度增加而增加；但激发光过强，会导致荧光物质温度升高而分解，引起荧光强度降低。,激发光的强度,影响荧光的因素,荧光强度随激发光源的强度增加而增加；但激发光过强，会,68,主要参数有:,荧光激发光谱，,荧光发射光谱、,荧光强度。,4、,荧光光谱法的几个基本参数,主要参数有:4、荧光光谱法的几个基本参数,69,用强度相同、波长不同的激发光，照射某一物质时，某一固定发射波长的荧光强度是不相同。,荧光激发光谱：荧光发射强度随激发光波长变化的光谱。激发光谱表明了不同波长的激发光所产生的荧光的相对效率。,测定方法：固定发射光的波长(一般用发射荧光的峰值位置)检测荧光强度，然后用激发光单色器，对激发光的波长进行扫描，即可得到该物质的激发光谱。为了得到真实的激发光谱必须对仪器的波长进行校正。,荧光激发光谱,用强度相同、波长不同的激发光，照射某一物质时，某一固,70,荧光强度随发射波长变化的光谱称作荧光发射光谱，也称为荧光光谱。,测定方法：固定激发光单色器的波长和狭缝等在适当的条件下，用发射光单色器对发射荧光的波长进行扫描，得到荧光发射光谱图。,为了得到真实的荧光发射光谱，须对仪器的发射波长进行校正。,荧光发射光谱：,荧光强度随发射波长变化的光谱称作荧光发射光谱，也称为,71,荧光强度：指荧光物质在一定激发条件下产生荧光的大小。,荧光强度理论上可以光量子数为单位或能量为单位，但其绝对值难以测定。通常测定的荧光强度是相对值，无单位。一般直接用仪器的显示值；不同仪器的测量值不能直接比较。,定量分析时，只能使用同一仪器，先用标准样品测定工作曲线，然后在相同条件测定未知样。,荧光强度,荧光强度：指荧光物质在一定激发条件下产生荧光的大,72,注意：,只有在低浓度和一定条件下，荧光强度才与荧光物质的浓度呈线性关系。,当浓度较浓，吸光度超过0.05时，由于自熄灭和自吸收，而使荧光强度大幅度降低。,自熄灭是由荧光分子之间、荧光分子同溶剂分子之间的碰撞，引起了非辐射的能量转换所造成的，自熄灭现象随着浓度的增大而增大。,自吸收发生在荧光发射波长与其吸收峰重叠的情况下，当荧光通过溶液时被吸收一部分。,注意：只有在低浓度和一定条件下，荧光强度才与荧光物质的,73,荧光计,：,激发光和发射光的波长是固定的荧光测量仪器。,可通过调换滤光片的方式改变波长，但不能进行波长扫描。,荧光分光光度计：,第一类，采样适当滤光片限制激发光波长，用光栅或棱镜单色器分离荧光发射光谱，只能对发射光谱进行扫描。,第二类，真正的荧光分光光度计，它带有两个单色器，既可对发射光谱进行扫描，也可对激发光谱进行扫描。,二、荧光测量仪器,荧光计：激发光和发射光的波长是固定的荧光测量仪器。 可通,74,1、荧光分光光度计结构,荧光分光光度计结构框图,光源,激发单色器,样品池,发射单色器,检测器,荧光分光光度计由：光源、激发单色器、样品池、发射单色器、检测系统等部分组成。,1、荧光分光光度计结构荧光分光光度计结构框图光源激发单色器,75,需要有一个比在吸收光谱测量中所用的钨灯或氢灯更强的光源，有高压汞灯、氙灯。,激发光波长固定的荧光计用高压汞灯，它在254、365、398、436、546、579、690、734nm都有强烈的线光谱，配合适当的滤光片可选取其中一条谱线作为激发光。,荧光分光光度计采用氙灯。这种灯在紫外可见区都可提供很强的光。氙灯属于气体放电光源，稳定性较差，对电压的稳定性要求较高。,荧光分光光度计,光源,需要有一个比在吸收光谱测量中所用的钨灯或氢灯更强的光,76,单色器,荧光分光光度计检测的是荧光信号，须避开激发光的直接照射。检测器与入射的激发光有一定的角度，通常为直角。,由于激发光与发射荧光的波长是不同的，为了能分别测定激发光谱和发射光谱，需两个可独立进行波长扫描的单色器，多用光栅单色器。,荧光分光光度计,单色器荧光分光光度计,77,样品池,样品池必须四面透明，清洗与握执样品池时应注意任何一面不能污染，一般应执样品池的上端。此外，某些石英本身可能发出少量荧光，必须适当注意。,检测器,通常荧光的发射都比较弱，为了提高检测灵敏度，要求检测器的灵敏度比较高，通常都是光电倍增管。,荧光分光光度计,样品池 荧光分光光度计,78,荧光定量分析的常用方法是工作曲线法。其最大优点是灵敏度高，它测定的下限通常比分光光度法低24个数量级，在0.10.001mg/L之间，荧光法的选择性也比分光光度法好。,直接测定法: 根据样品在一定条件下本身发射的荧光强度来确定样品的含量。,2、荧光定量分析方法,荧光定量分析的常用方法是工作曲线法。其最大优点是灵敏度高,79,间接测定法：,某些样品本身不发荧光或荧光很弱，可利用某些能产生较强荧光的物质作为探测剂，使样品与探测剂进行反应，形成能发出较强荧光的化合物，再对其作荧光测定。也称为荧光探针法或荧光探剂法。,荧光探测剂多为荧光染料。,荧光熄灭法：,利用某一物质对荧光物质有熄灭作用来测定该物质。荧光熄灭法比直接荧光测定法更为灵敏，具有更高的选择性。,2、荧光定量分析方法(续),间接测定法：某些样品本身不发荧光或荧光很弱，可,80,第三节 结束,第三节 结束,81,第四节 原子荧光分析法,原子荧光分析的,优点,：,1、灵敏度高，,对于锌、镉等元素的检测限可达0.5和0.04,g/L。有二十多种元素的检测限优于原子吸收。,2、谱线简单，,不需要昂贵精密的分光系统。,3、可同时进行多元素测定，,制作多道仪。,4、线性范围宽，,低浓度时，可在35个数量级内呈线性关系；原子吸收仅2个数量级。,缺点：,由于荧光猝灭效应，对测定复杂基体的试样和高含量样品有一定困难。,第四节 原子荧光分析法原子荧光分析的优点：,82,原子荧光原理：,当气态基态原子被具有特征波长的共振线光束照射后，从基态或低能态跃迁到高能态，大约,在10,-8,S内又跃回到基态或低能态，发射出与照射光相同或不同波长的光，称为原子荧光。,共振荧光：发射光与激发光波长相同,。,使用高强度光源：,如高强度空心阴极灯、无极放电灯、激光、等离子体等。,原子荧光法的定性、定量分析与分子荧光分析法类似；在消除光谱干扰、化学干扰上与原子吸收法类似。,原子荧光原理：当气态基态原子被具有特征波长的共振,83,X射线是一种短波，高能辐射。,分析方法：X射线发射、物质对X射线的吸收、X荧光等。,X射线的产生方法：用高能电子或其它粒子(如质子、氘核、氦核、锂核等)轰击一定材料制成的靶，产生X射线。,用初级X射线照射物质，可得到次级X荧光。某些放射性同位素衰变时，也产生X射线。,第五节 X射线分析法,X射线是一种短波，高能辐射。第五节 X射线分析法,84,轰击阳极靶的电子束能量达到一定程度时，就可将靶材料原子内层的电子逐出，外层电子进入内层填占出现的空穴并释放多余的能量X射线。这种X射线具有特定的波长，其长度由内外层的能量差所决定。由于每种元素具有不同的能级结构，特征X射线的波长也不同。,特征X射线：,轰击阳极靶的电子束能量达到一定程度时，就可将靶材料原,85,用初级X射线，辐照试样以激发元素的特征X射线，当初级X射线的激发辐射能刚好等于将一个电子逐出元素所需要的能量相同时，该激发辐射被强烈吸收，吸收波谱上出现锐峰，对应的位置称为X吸收线。,可用于定性、定量测定。,X射线吸收法：,用初级X射线，辐照试样以激发元素的特征X射线，当初,86,用初级X射线辐照试样，元素吸收特征X射线，将一个内层电子逐出，外层电子填补出现的电子空穴，释放出次级X射线即X荧光。每种元素的原子结构不同，发射的X荧光也不同，可用于定性分析。X荧光强度可用于定量分析。,X荧光,用初级X射线辐照试样，元素吸收特征X射线，将一个内层电,87,第五章 结束,第五章 结束,88,