光谱分析基础(本)
光谱分析知识点
光谱分析知识点光谱分析是一种用于研究物质结构和性质的重要方法。
它通过测量物质与电磁辐射的相互作用，可以获得关于物质的信息。
以下是光谱分析的主要知识点：1. 光谱的定义：光谱是电磁辐射在不同波长范围内的分布情况。
根据不同的波长，光谱可以分为可见光谱、紫外光谱、红外光谱等。
光谱的定义：光谱是电磁辐射在不同波长范围内的分布情况。
根据不同的波长，光谱可以分为可见光谱、紫外光谱、红外光谱等。
2. 吸收光谱：吸收光谱是测量物质对不同波长的光的吸收程度。
通过分析吸收光谱，可以确定物质的结构和化学成分。
吸收光谱：吸收光谱是测量物质对不同波长的光的吸收程度。
通过分析吸收光谱，可以确定物质的结构和化学成分。
3. 发射光谱：发射光谱是物质在受激情况下发射出的光的分布情况。
发射光谱可以用于确定物质的元素组成和能级结构。
发射光谱：发射光谱是物质在受激情况下发射出的光的分布情况。
发射光谱可以用于确定物质的元素组成和能级结构。
4. 傅立叶变换红外光谱：傅立叶变换红外光谱（FT-IR）是一种常用的光谱分析技术。
它利用红外光谱的吸收特点，可以快速获取物质的结构和功能信息。
傅立叶变换红外光谱：傅立叶变换红外光谱（FT-IR）是一种常用的光谱分析技术。
它利用红外光谱的吸收特点，可以快速获取物质的结构和功能信息。
5. 拉曼光谱：拉曼光谱是一种通过测量物质对激光散射的光谱进行分析的方法。
通过分析拉曼光谱，可以研究物质的分子振动、晶格振动等信息。
拉曼光谱：拉曼光谱是一种通过测量物质对激光散射的光谱进行分析的方法。
通过分析拉曼光谱，可以研究物质的分子振动、晶格振动等信息。
6. 质谱：质谱是一种通过对物质进行电离和分子碎裂并测量其离子质量比进行分析的技术。
质谱可用于确定物质的分子结构和分子量。
质谱：质谱是一种通过对物质进行电离和分子碎裂并测量其离子质量比进行分析的技术。
质谱可用于确定物质的分子结构和分子量。
7. 核磁共振光谱：核磁共振光谱（NMR）是一种根据原子核在磁场中的共振吸收特性来分析物质的方法。
第二章-光谱分析法概论
E单位：电子伏（eV）或焦耳（J） h －普朗克常数，h＝6.626×10-34 J·s-1； C为光速。
例：波长为200nm的电磁波，其能量是多少电子伏特（eV）？ 解：
电磁波谱
13
二、电磁辐射与物质相互作用
电磁辐射与物质的相互作用是复杂的物理现象。 涉及能量变化：吸收、发射； 不涉及能量变化：反射、散射、折射、衍射。
第二章 光谱分析法概论
1
本章主要内容：
一、电磁辐射及其与物质的相互作用 二、光学分析法的分类 三、光谱分析仪器
概述
光学分析法是基于电磁辐射与物质相互作用后，电磁辐 射发生某些变化或被作用物质的某些性质发生改变而产 生各种信号，利用这些信号对物质的性质、组成及结构 进行分析的一种方法。
光学分析法的原理主要包含三个过程： （1）能源提供能量； （2）能量与被测物质相互作用； （3）产生被检测的信号。
3
第一节 电磁辐射及其与物质的相互作用
4
电磁辐射的性质：波粒二象性
1.波动性
电磁辐射的传播以及反射、折射、散射、衍射及 干涉等现象表现出电磁辐射具有波的性质。
图2-1 电磁波的传播
6
波动性参数描述
（1）周期 T 相邻两个波峰或波谷通过某一固定点所需要的时间间隔称为周期。单 位:s(秒)。
（2）频率ν 单位时间内电磁波振动的次数称为频率。单位：Hz或周/秒。 ν ＝1/T
范围的谱带。
2.组成：
单色器
入射狭缝 色散元件 准直镜
棱镜 光栅
分光系统
出射狭缝
滤光器
47
（1）狭缝 狭缝为光的进出口， 狭缝宽窄直接影响分 光质量。狭缝过宽， 单色光不纯，将使吸 光度变大；过窄，则 通光量变小，灵敏度 降低。因此狭缝宽度 要适当。
光谱分析的基本原理
光谱分析的基本原理光谱分析是一种重要的科学技术，在许多领域都有广泛的应用。
它通过分析物质与光的相互作用，利用光的特性来获取信息。
本文将介绍光谱分析的基本原理，并探讨其在科学研究和实际应用中的意义。
一、光的本质和特性光是一种电磁波，呈现出波粒二象性。
在光的波动性方面，它具有波长、频率和振幅等特性，可以被折射、反射和衍射。
而在光的粒子性方面，它由一连串的能量量子，即光子组成。
由于这些特性，光可以在物质中产生相应的作用和变化，为光谱分析提供了基础。
二、光的分光现象当光通过物质时，会产生吸收、散射或者发射等现象，这些现象也是光谱分析的基础。
几种常见的光的分光现象包括：1. 吸收光谱：物质吸收特定波长的光，产生特征的吸收峰。
根据被吸收的波长范围和强度，可以确定物质的组成和浓度。
2. 发射光谱：物质在受激状态下，发射出特定波长的光，形成特征的发射峰。
通过测量这些峰的强度和频率，可以确定物质的元素组成和浓度。
3. 散射光谱：当光穿过物质时，会与物质中的微粒发生散射。
根据散射光的强度和方向，可以研究物质的组成和结构。
4. 荧光光谱：物质在受激发光后，产生荧光光谱。
通过测量荧光的强度和波长，可以研究物质的分子结构和变化。
三、光谱仪器的原理与应用为了准确地获取光谱信息，科学家们发明了各种各样的光谱仪器。
常见的光谱仪器包括分光计、光度计、质谱仪等，它们基于不同的原理和技术来进行光谱分析。
1. 分光计：分光计通过光栅或棱镜将光分散成不同波长的光束，然后使用光电探测器来测量每个波长的光强度。
分光计广泛用于可见光、紫外光和红外光的分析，常用于物质的吸收和发射光谱测量。
2. 光度计：光度计专门用于测量吸收或者发射光谱中的光强度变化。
它们通过比较样品和参比溶液的透光率或吸光度来计算物质浓度或反应动力学信息。
3. 质谱仪：质谱仪利用物质的分子或原子在电磁场中的运动进行分析。
它通过将样品分子离子化，然后在磁场中对其进行分离和检测。
光谱分析基础知识
光谱分析基础知识光谱分析是一种常见的科学分析技术，通过研究物质与光的相互作用，可以获取物质的结构、组成和性质等信息。
光谱分析主要利用物质对不同波长、频率和能量的光有不同的吸收、散射、发射等现象，从而通过光谱的特征来确定物质的性质。
光谱分析的基础知识主要包括光的性质和光谱的特征。
首先，光的性质是光谱分析的基础。
光是一种电磁波，具有粒子性和波动性的双重性质。
光波具有特定的频率、波长和能量。
频率是指光波振动的次数，波长是指光波在空间中传播的距离。
频率与波长成反比关系，即频率越高，波长越短。
能量与频率成正比关系，即频率越高，能量越大。
光谱分析主要利用这些性质来研究物质与光的相互作用。
其次，光谱的特征是光谱分析的关键。
光谱是指将光按照其频率或波长进行分解，并记录下不同频率或波长的强度变化。
根据不同的物质和光谱类型，光谱可以分为连续谱、线谱和带谱三种。
连续谱是指由不同波长的连续光强度构成的光谱。
一个常见的连续谱是白炽灯发出的光，它包含了从紫外线到红外线的所有波长范围内的光。
连续谱的特点是波长范围广，且强度连续变化。
线谱是指由不连续的亮线组成的光谱。
线谱的特点是波长有限，强度集中在几个特定的波长上。
每个物质都有其独特的线谱，可以用于物质的鉴定和定量分析。
线谱的产生主要是由于物质在光谱仪中吸收、散射和发射光的特定波长。
带谱是介于连续谱和线谱之间的光谱。
带谱的特点是波长范围广，但在一些波长范围内具有一定的宽度。
带谱通常由分子或固体物质引起，故其带宽度可用于分析物质的结构和性质。
光谱分析有许多具体的分析方法，包括吸收光谱、发射光谱、拉曼光谱、荧光光谱、紫外-可见吸收光谱等。
每种方法都有其独特的应用范围和特点。
例如，吸收光谱可以用于测定物质的浓度和反应机理，发射光谱可以用于测定物质中其中一种元素的含量，拉曼光谱可以用于研究物质的结构和分子振动等。
这些不同的光谱方法在实际应用中常常相互结合使用，以提高分析的准确性和可靠性。
光谱分析法概论
一、 原子光谱
原子光谱产生于原子外层电子能级的跃迁 ，它不但取决于外层电子的运动状态，也取 决于电子间的相互作用。
原子的能级通常用光谱项符号来表示
1.光谱项符号
原子外层有一个电子时，其能级可由四个量子数决定： 主量子数 n；角量子数 l；磁量子数 m；自旋量子数 s；
镧系和锕系元素的离子对紫外和可见光的 吸收是基于内层f 电子的跃迁而产生的。其 紫外可见光谱为一些狭长的特征吸收峰， 这些峰几乎不受金属离子的配位环境的影 响。
2） d电子跃迁吸收光谱
过渡金属的电子跃迁类型为d电子在不同d轨 道间的跃迁，吸收紫外或可见光谱。这些 峰往往较宽。 例如 cu2+以水为配位体，吸收峰在794nm 处，而以氨为配位体，吸收峰在663nm处。 此类光谱吸收强度弱，较少用于定量分析。
单重态分子具有抗磁性； 三重态分子具有顺磁性； 跃迁至单重激发态的几率 大，寿命长；
3.跃迁类型与分子光谱
分子光谱复杂，电子跃迁时伴有振动和转动能级跃迁；
分子的紫外-可见吸收光谱是由电子跃迁引起的，故又 称电子光谱，谱带比较宽；
分子的红外吸收光谱是由于分子中基团的振动和转动能 级跃迁引起的，故也称振转光谱；
吸收带—吸收峰在吸收光谱上的波带位置
（1）R 吸收带： n→π*跃迁 特点：a 跃迁所需能量较小，吸收峰位于
200~400nm b 吸收强度弱， ＜102 （2）K 吸收带： 共轭双键中π→π*跃迁 特点：a 跃迁所需能量较R带大，吸收峰位
于210~280nm b 吸收强度强， 104 随着共轭体系的增长，K 吸收带长移， 210 ~ 700nm 增大。
光谱分析法概论 一磁辐射和波谱 ◆波谱性质：
光谱分析法概论(共76张PPT)全
(2) 红外非活性振动：振动过程中分子偶极矩不发生变化。
（或说偶极矩变化为0），正负电荷重心重合 r = 0 因为µ= q·r = 0 ，Δµ= 0；红外线是个交替磁场，若
Δµ= 0，则不产生吸收。
(3) 仪器分辨率太弱。 (4) 峰太弱。
☆产生红外光谱两个必要条件：
苯环和发色团相连，使E2和B带均长移, ε大 E2，K 带合并，有的就称为K带
基本原理和基本概念
苯的乙醇溶液
基本原理和基本概念 (四)影响因素 溶剂效应 ① n→π* 极性 短移 π→π* 极性 长移 ②影响吸收强度
③影响精细结构：苯在乙醇中（极性） 精细结构消失
基本原理和基本概念
基本原理和基本概念
3080-3030 cm-1 re 平衡位置原子间距离 差频峰： ν1-ν2 亚甲基的伸缩振动形式示意图
即：不对称分子，Δµ大
质谱法
确定分子的原子组成、相对分子质量、分子
式和分子结构。经常与UV、IR及NMR等配合 运用。
光学分析仪器的基本组成
紫外光谱 Ultraviolet absorption spectra
3. n→π* :含有杂原子的不饱和基团，近紫外区， ε很小 例如：-C=O: ,-C≡N:
4. n→σ* :远紫外区，含有杂原子的饱和基团， 例如：-OH,-NH2,-X,-S
σ→σ*> n→σ*≥π→π*> n→π*
基本原理和基本概念
（二）紫外光谱中常用术语
生色团 — 结构中有π→π*或 n→π*的基团，
50 ~ 500 µm 远红外(far-infrared)
红外光区的划分与跃迁类型
注意波数和波长的换算关系
光谱分析
第二章光谱分析(一)原子发射光谱分析1.概念：①激发：基态原子吸收外界能量，被外电子“跃迁”至高能级运动状态的过程，这一过程称为电子的跃迁或激发。
此时所需要的能量称为“激发能”，原子的这种新的运动状态称为“激发态原子”②原子发射光谱：激发态原子极不稳定，在10-8S的时间里要由激发态回复到初态，此时，所吸收的能量常常以特殊的波长的光辐射发射出来。
这种由激发态原子恢复到基态时所产生的光辐射，称为“原子发射光谱”或“发射光谱”。
③特征谱线：由原子核外价电子的第一激发能级激发后产生的光辐射的波长被称为元素的“特征谱线”，也称“灵敏线”。
④基态自由原子：对于稳定的单个自由原子来说，核外电子是处于本身最低能级水平运动，这种稳定的单个自由原子我们称为基态自由原子。
⑤原子化：多数情况下，由于样品中待测元素处于非原子状态（离子或化合物），因此，测定时必须给与一定的条件将非原子化物质转化为基态自由原子，这一过程称为原子化。
2.发射光谱分析定性基础：原子激发后回覆到基态时所产生的光辐射的波长就能判断元素种类定性基础：核外电子被激发后回覆到基态所发射出的光辐射波长是独一无二的，因此，只需要通过原子激发后回覆到基态时所产生的光辐射的波长就能够判断元素的种类定量基础：在相同的原子化条件和激发态条件下，待测元素所产生的发射光强度，在一定范围内与样品中待测元素的浓度呈正比。
通过测定发射光强度与相同条件下的标准曲线相比较，即可得出样品中待测物质的浓度3.原子发射光谱分析的定量基础：相同的原子化条件和激发条件下，待测元素所能产生的发射光强度，在一定范围内与样品中待测元素的浓度呈正比。
[ I=αCb ]4. 构造：光源→单色器→检测器光源构成形式：火焰光度器、电弧光谱仪、ICP是光源，即电感或电容耦合等离子体。
5. 火焰光度计是测定碱金属的唯一标准化仪器（发射光谱中）。
6. 原子发射光谱的干扰（光谱、电离、化学、物理☆、自吸收干扰[P15☆]）：解决自吸收干扰的方法：降低待测溶液的浓度。
第四章 光谱分析法
1.3 光分析法分类
非光谱法：利用物质与电磁辐射的相互作用测定电磁辐 射的反射、折射、干涉、衍射和偏振等基本性质变化的 分析方法。 光谱法与非光谱法的区别：
光谱法：内部能级发生变化 原子吸收/发射光谱法：原子外层电子能级跃迁 分子吸收/发射光谱法：分子外层电子能级跃迁 非光谱法：内部能级不发生变化，仅测定电磁辐射 性质改变
第四章 光谱分析法
第四章 光谱分析法 Spectrometric method
1 2
3 光分析基础 原子发射光谱分析的基本原理 AES 原子发射光谱分析仪器 发射光谱定性和定量分析 原子发射光谱法的特点和应用
4 5
1 光分析基础 Fundamental of Optical
Analysis
1.1 电磁辐射和电磁波谱 1.1.1电磁辐射（电磁波，光） 以巨大速度通过空间、不需要任何物质作为传播媒介的一 种能量形式，它是检测物质内在微观信息的最佳信使。
a
d
2.平面光栅衍射的性能指标 色散率 分辨率 聚光本领 色散方程: nλ = d(sinφ±sinφ´) A 色散率 角色散率：dφ ´/dλ = n/d cosφ ´
当φ ´=00~80时，cosφ ´=1~0.99:
线色散率：
dφ ´/dλ ≈n/d
dλ
dl d f d d sin dl nf nf d d cos s in d
hc /( λ 电 子 λ 振 动 λ 转动 λ 平 动 )
分子发射光谱
hi
I
半宽度20~100nm
E1
A(T)
波长/nm
半宽度20~100nm
分子吸收光谱
E0
波长/nm
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一 电磁辐射
1电磁辐射：高速穿过空间的一种能量，即光子流, 简称为光,其最小单位是光子。
光子的能量与其波长关系为：
E = hν = h c /λ = h c σ
c：光速2.9979×1010cm*s-1；ν：频率； E ：能量； h：普朗克常数6.626×10-34J*s
2 产生一定能量的波长计算为：
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
光源灯或 激光
光电转换
信号处理器
发射
光源+样品
分光系统
光电转换
信号处理器
三种光分析 法测量过程 示意图
1、光源
连续光 源
线光源
紫外光源 可见光源 红外光源
E =E1-E0= h = h c /λ = h c σ 因此，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。吸收或发射光的波长越短，跃迁时产 生的能量差越大
[例] ：某电子在能量差为3.37510-19J的两能 级间跃迁，其吸收或发射光的波长为多少 纳米？
解： 根据上式，有 = hc/E
H2 灯 D2 灯 W灯 氙灯
Nernst 灯 硅碳棒
160-375nm
320-2500nm 250-700nm 6000-5000cm-1 之 间有最大强度
金属蒸汽灯 空心阴极灯
Hg 灯
254-734nm
Na 灯
589.0nm，589.6nm
空心阴极灯
也称元素灯
高强度空心阴极
灯
激光*
红宝石激光器 He-Ne 激光器
=6.62610-34Js31010 cms-1/3.37510-19J =5.8910-5cm
=589nm
5 依外形可分 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10-5nm。
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
波长范围 波数范围 量子跃迁类
型
-射线发射光谱
0.005-1.4A
--
核
X-吸收、发射、荧 0.1-100A
--
光、衍射光谱
内层电子
真空紫外吸收光谱 10-180 nm 1106-5104 外层键合电 子
UV-Vis 吸收、发射 180-780 nm 5104-1.3104 外层键合电
及荧光光谱
子
红外吸收 拉曼散射光谱
第一章 光谱分析基础
电磁辐射和电磁波谱 原子光谱和分子光谱 吸收、发射及散射光谱 仪器分析方法的评价 光谱分析在医学中的应 用
光学光谱分析
构成物质的分子、原子或离子经辐射能照射 后物质的总能量就会发生变化，在能量相互转 化的过程中产生辐射信号或引起辐射信号变化。 根据产生的辐射信号或引起信号变化，均可进 行光谱分析
由于固体被加热到炽热状态时，无数原子 和分子的运动或振动产生热辐射，通常也产生 背景干扰。
二、电磁波谱
1 范围包括：射线～无线电波所有范 围。其中能为正常人视力感受到的电磁 范围为可见光，其波长为（400~780nm)
按波长顺序排列得电磁波谱。 各波谱区所具有的能量不同，其产生 的机理也各不相同。 下面列出了电磁波谱区的波长范围和 相应能量及跃迁能级类型
以此实验手段为基础而建立分析方法的一门 学科，广义上都称光谱分析法
光谱分析以测定物质发射或吸收辐射的波长 和强度为基础。
三个基本过程：
（1）能源(光源)提供能量； （2）能量与被测物之间的相互作用； （3）产生信号。
三个基本特点：
（1）所有光谱分析法均包含能量（光源）,被测物（样品） 及信号； （2）对特定波长的谱线选择性测量，不涉及混合物分离（不 同于色谱分析）； （3）涉及大量光学元器件。
λ= h c / E
3λ波长单位: m:1 dm:0.1
cm:0.01 mm:001 μm:10-6
nm:10-9 pm:10-12.
不同波谱区的波长往往采用的单位不一 样。
σ：波数：每厘米中所含波的数目，等于 波长的倒数： σ =1/λ 。
4 普朗克观点： 1），物质吸收或发射辐射能量不连续的（量子化）。 2），物质分子或原子发生能级跃迁时，产生的辐射能（吸 收或发射的能量）完全等于两个能级之间的能量差。
31010 1021
3108 1019
3106 1017
3104 1015
3102 1013
3100 1011
310-2 109
310-4 波数，cm-1 107 频率，Hz
X 射线 射线
可见
微波
紫外
红外
无线电
10-4
10-2
100
102
104
106
108
109 波长，nm
电磁辐射波谱图
光谱类型
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)；
线光谱
带光谱
连续光谱(Continuum spectra)： 包含各种波长的光，由炽热的固体、液体或 高压气体所发的光都形成这种光谱 。
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，常用于做光谱分 析的光源。
通常所说的光谱，一般仅指光学光谱而 言。
3单色光、复合光 （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。
三、光谱仪器
0.78-300 m
1.3104-33 分子振动-转 动
微波吸收
0.75-3.75 mm
13-27
分子转动
电子自旋共振光谱
3 cm
0.33
磁场中电子
自旋
核磁共振
0.6-10 m 1.710-2-1103 磁场中核自 旋
2，一般依其波长及其测定的方法可以分为： 射线(0.005~1.4Ả)； X射线 (0.1~100Ắ)； 光学光谱(100 Ắ ~1000m)； 微波波谱(0.1~100cm)。
Ar 离子激光器
发 射 光 谱 光 直流电弧
源
交流电弧
火花
693.4nm 632.8nm 515.4nm，488.0nm
电能
ICP
对光源的要求：强度大（分析灵敏度高）、稳定（分析重现性好）。
*Laser=light amplification by stimulated emission of radiation