2光学分析法导论
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光学分析法导论课件
光学分析法件
• 光学分析法的基本原理 • 光学分析法的 • 光学分析法的数据理与分析 • 光学分析法的用例
01
光学分析法介
光学分析法的定 义
光学分析法是一种基于光与物质相互 作用，通过测量光与物质相互作用的 特性来分析物质的方法。
它利用了光的吸收、反射、散射、透 射等特性，以及光与物质相互作用后 产生的光谱信息，来对物质进行定性 和定量分析。
干涉条件
干涉图样
干涉图样是干涉现象的直观表现，其 形状取决于光波的波长、相位差和振 动方向。
相干光波的频率相同、有恒定的相位 差、有相同的振动方向。
光的衍射
01
02
03
衍射现象
光波在遇到障碍物或通过 孔洞时，会绕过障碍物或 穿过孔洞，产生偏离直线 传播的现象。
衍射分类
根据产生衍射现象的原因， 可以分为菲涅尔衍射和夫 琅禾费衍射。
03
利用分类算法对光谱数据进行分类和识别，以实现物质鉴别和
含量测定等功能。
图像数据的处理与分析
图像增强
通过对比度增强、滤波等技术改善图像质量，提高图像的清晰度 和可辨识度。
图像分割
将图像划分为不同的区域或对象，以便于提取感兴趣的目标或特 征。
特征提取与识别
从图像中提取出目标物的形状、大小、颜色等特征，并利用分类 算法进行识别和分类。
光学显微镜 用于观察细胞形态和组织结构。
流式细胞术 用于细胞分选、计数和表型分析。
在环境监测中的应用
遥感技 术
用于大范围的环境监测和污染源调查。
光学传感器
用于实时监测水质和空气质量。
荧光光谱法
用于水体中有机污染物的检测。
表面增强拉曼散射
用于空气中有毒有害物质的检测。
• 光学分析法的基本原理 • 光学分析法的 • 光学分析法的数据理与分析 • 光学分析法的用例
01
光学分析法介
光学分析法的定 义
光学分析法是一种基于光与物质相互 作用，通过测量光与物质相互作用的 特性来分析物质的方法。
它利用了光的吸收、反射、散射、透 射等特性，以及光与物质相互作用后 产生的光谱信息，来对物质进行定性 和定量分析。
干涉条件
干涉图样
干涉图样是干涉现象的直观表现，其 形状取决于光波的波长、相位差和振 动方向。
相干光波的频率相同、有恒定的相位 差、有相同的振动方向。
光的衍射
01
02
03
衍射现象
光波在遇到障碍物或通过 孔洞时，会绕过障碍物或 穿过孔洞，产生偏离直线 传播的现象。
衍射分类
根据产生衍射现象的原因， 可以分为菲涅尔衍射和夫 琅禾费衍射。
03
利用分类算法对光谱数据进行分类和识别，以实现物质鉴别和
含量测定等功能。
图像数据的处理与分析
图像增强
通过对比度增强、滤波等技术改善图像质量，提高图像的清晰度 和可辨识度。
图像分割
将图像划分为不同的区域或对象，以便于提取感兴趣的目标或特 征。
特征提取与识别
从图像中提取出目标物的形状、大小、颜色等特征，并利用分类 算法进行识别和分类。
光学显微镜 用于观察细胞形态和组织结构。
流式细胞术 用于细胞分选、计数和表型分析。
在环境监测中的应用
遥感技 术
用于大范围的环境监测和污染源调查。
光学传感器
用于实时监测水质和空气质量。
荧光光谱法
用于水体中有机污染物的检测。
表面增强拉曼散射
用于空气中有毒有害物质的检测。
02光学分析法导论
0.1 cm 10cm
103 cm
105 cm
x射 线
紫外 光
红外 光
微 波
无线 电波
可
见
光
光学分析法导论
二、光学分析法分类
光谱法：
光学分析法中的重点
光学分析法
非光谱法
光学分析法导论
• １．光谱法 • 光谱法是基于物质与辐射能作用时， 测量由物质内部发生量子化的能级之间
的跃迁而产生的发射、吸收或散射辐射
光学分析法导论
f
入 射 狭缝 准 直 镜
棱镜
棱 镜
物 镜
焦 面
出 射 狭缝
棱镜的分光作用是利用不同波长的光在同一 介质中具有不同折射率而进行的。
光学分析法导论
光学特性
表征：色散率、分辨率、集光本领。
分辨率R：指将两条靠得很近的谱线分开的能力 色散率：指对不同波长的光被棱镜分开的能力。它又分 为角色散率和线色散率 角色散率dθ /dλ ：两条波长相差dλ 的光被棱镜色散 后所分开的角度为dθ ，则棱镜的角色散率为： dθ /dλ 。它主要与棱镜的材料和几何形状有关。 线色散率dl/dλ ：它表示两条谱线在焦面上被分开的距 离l对波长λ 的变化率
光学分析法导论
所用仪器
基本组成：光源（辐射源）、单色器、试样
池、检测器和信号显示系统等。 现在大多附有计算机通过专用软件控制。
光学分析法导论
光源
作用：发射或提供被物质吸收散射的光
发射光谱仪试样本身就是一个发射体光源
原子吸收光谱法：空心阴极灯（阴极用待分
析的元素的金属构成） 紫外可见：？？、红外：？？
的波长和强度进行分析的方法。
•
2 章 光学分析法导论
当棱镜位于最小偏向角位置时
式中, m为棱镜数目; b为棱镜底边长; dn/dλ为棱镜材料的色散率。 由上式可以看出,理论分辨率的大小与棱镜材料、形 状、个数及所选波长有关，长波的分辨率要比短波的 分辨率小，棱镜分离后的光谱属于非均排光谱。
2. 光栅 光栅是由大量等宽、等距离、相互平行的狭缝(或反 射面)构成的光学元件。 从工作 原理上 分： 透射光栅 反射光栅
非光谱法－折射、散射、干涉、衍射、偏振和圆二色等
光 学 分 析 法 光谱法
X射线荧光分析法
光致发光 发射光谱法
原子荧光
分子荧光
分子磷光
原子发射光谱法
非辐射发光
紫外-可见 原子吸收光谱法 吸收光谱法 红外光谱法 核磁共振波谱法
化学发光法
２－3 光谱法仪器
光谱仪通常由五个部分组成：光源、单色器、试样 池、检测器、读数器件。 2-3-1光源 依据方法不同，采用不同的光源。光源有连续光源和 线光源等。 1.连续光源：在较宽波长范围内发射强度平稳的具有 连续光谱的光源。 如氢灯、氘灯、钨丝灯。 2.线光源：提供特定波长的光源。 如空心阴极灯、金属蒸气灯、激光。
I
K=-1
0
一级光谱
(3) 当K 与的乘积相同时
k1 1=k2 2=k3 3=‥‥‥ 出现光谱重叠 如： K=1×800nm=2×400nm =3×267nm=4×200nm
0
一级光谱 二级光谱
三级光谱
光谱重叠消除
• 滤光片 • 感光板 • 谱级分离器
（2）光栅的光学特性 常用色散率、分辨率和集光本领（闪耀特性）来表示。 色散率——表示不同波长的光谱线色散开的能力。
1J (焦耳) 1Cal (卡) 1erg (尔格) 1eV
二章光学分析方法导论
光学分析方法： 利用光电转换或其它电子器件测定“辐射与物质
相互作用”之后的辐射强度等光学特性，进行物质的 定性和定量分析的方法。
历史上，此相互作用只是局限于电磁辐射与物质 的作用，这也是目前应用最为普遍的方法。现在，光 谱方法已扩展到其它各种形式的能量与物质的相互作 用，如声波、粒子束（离子和电子）等与物质的作用 。
凹面光栅线色散率可用下式表示：
dl nr
d d cos
中阶梯光栅（echelle grating） 1949年，由G. R.Harrison提出的一种特殊光栅，
它与平面闪耀光栅相似。
normal
d
与平面反射光栅的结构区别： 阶梯宽度（宽边, t）大于高度（短边，s）或者说，t/s>1； 使用刻槽的短边，而不是长边，因而入射角大； 刻槽数量少或者说光栅常数 d 很大，通常为300条/mm。
1/1 1/1
1/()
频率不同的正弦波叠加得不同频率的非正弦波； 更多的正弦波叠加可形成方波
2）光波的衍射（Diffraction）
平行光束
单缝衍射
双缝衍射
衍射：当一束平行光通过窄的开口如狭缝时发生弯曲的现象。
3） 光的干涉（Coherent interference） 4） 光的传输（Transmission） 5） 光的反射（Reflection） 6） 光的折射（Refraction） 7）光的偏振（Polarization） 8）光的散射（Scattering）
？天空为什么呈蓝色？
拉曼散射(Raman)：（非弹性碰撞，方向及波长均改变） 光照导致的分子内振动能级跃迁而产生的分子极化过程。分子极化
率越大，Raman散射越强。
2. 光的粒子性 当物质发射电磁辐射或者电磁辐射被物质吸收时，
相互作用”之后的辐射强度等光学特性，进行物质的 定性和定量分析的方法。
历史上，此相互作用只是局限于电磁辐射与物质 的作用，这也是目前应用最为普遍的方法。现在，光 谱方法已扩展到其它各种形式的能量与物质的相互作 用，如声波、粒子束（离子和电子）等与物质的作用 。
凹面光栅线色散率可用下式表示：
dl nr
d d cos
中阶梯光栅（echelle grating） 1949年，由G. R.Harrison提出的一种特殊光栅，
它与平面闪耀光栅相似。
normal
d
与平面反射光栅的结构区别： 阶梯宽度（宽边, t）大于高度（短边，s）或者说，t/s>1； 使用刻槽的短边，而不是长边，因而入射角大； 刻槽数量少或者说光栅常数 d 很大，通常为300条/mm。
1/1 1/1
1/()
频率不同的正弦波叠加得不同频率的非正弦波； 更多的正弦波叠加可形成方波
2）光波的衍射（Diffraction）
平行光束
单缝衍射
双缝衍射
衍射：当一束平行光通过窄的开口如狭缝时发生弯曲的现象。
3） 光的干涉（Coherent interference） 4） 光的传输（Transmission） 5） 光的反射（Reflection） 6） 光的折射（Refraction） 7）光的偏振（Polarization） 8）光的散射（Scattering）
？天空为什么呈蓝色？
拉曼散射(Raman)：（非弹性碰撞，方向及波长均改变） 光照导致的分子内振动能级跃迁而产生的分子极化过程。分子极化
率越大，Raman散射越强。
2. 光的粒子性 当物质发射电磁辐射或者电磁辐射被物质吸收时，
光学分析法导论
第二节 光学分析法旳分类
二、光谱法
2）按电磁辐射本质分类
原子光谱（涉及离子光谱）——由原子或离子外层电子 旳跃迁产生，具有明显 旳线光谱特征
分子光谱——由分子中电子能级及分子旳振动、转动能 级旳跃迁产生，大多具有带光谱特征
第二节 光学分析法旳分类
二、光谱法
3）按辐射能传递方式分类 发射光谱——处于激发态旳原子分子或离子由高 能级跃迁回低能级或基态发射出相应旳光谱
第三节 原子光谱和分子光谱
一、原子光谱
主量子数( n )：描述核外电子是在那个电子壳层上运动。 n = 1、 2、 3、 4、 5、 6、7、••••••••
符号 K、L、M、N、O、P、Q、••••••••
角量子数( l )：描述核外电子云旳形状。
l = 0、1、 2、 3、 4、••••••••
第三节 原子光谱和分子光谱
一、原子光谱
主量子数(n)：
n =1、 2、 3、 4、 5、 6、7、••••••••
总角量子数(L)：
L= l,
对于2个价电子： L = ( l1+ l2)、 ( l1+ l2-1)、•••、 ( l1- l2)
总自旋量子数(S)：对于N个价电子：N/2, N /2 -1, N /2 -2,..,1/2,0
>2.5*105
X一射线 0.005-10nm 2.5*105 -1.2*102
高能辐射区
远紫外 10200nm 1.2*102-6.2
近紫外 200
可见光 400
近红外 0.782.5
中红外 2.550
远红外 501000m 2.5*10-2-1.2*10-4
中能辐射区
微波 0.1100cm 1.2*10-4-1.2*10-7
2.光学分析法-导论
§ 2~1 电磁辐射
一、电磁辐射的性质——波粒二象性
（1）波动性
用频率、波长、波数表示。 频率()—每秒钟电磁场振荡的次数，Hz
波长()—电磁波相邻两个同位相点间的距离，
cm、m、nm
波数()—1 cm内波的数目，cm-1
=1/
波速(v)—电磁波传播的速度，真空中等于光速c c= =3×1010cm· s-1
原子 价电子组态
n
L
S
光谱项
J
光谱支项
多重性
简并度
3s1
Na 3p
1
3
3 4
0
1 0
½
½ 0
3 2S
3P 4 1S
2
½
½ 0
32S1/2
32P1/2 41S0
双
双 双 单
2
2 4 1
3/2 32P3/2
4s2
2
Zn 4s14p1 4 1
43P2 43P1
43P0 41P1
三 三
三 单
5 3
1 3
1
4 3P
(5) 光谱项与光谱支项
• 当n, L, S三个量子数确定之后，原子能级就 基本确定了。
• 用n、L、S三个量子数描述原子的能级称为 光谱项： n2S+1L • L与S相互作用，可产生2S+1个能级稍微不同 的分裂，是产生光谱多重线的原因。 M=2S+1叫做谱线的多重性 • 习惯上将多重性为1、2、3的光谱项分别称 为单重态、双重态、三重态。
符合以上条件的跃迁，跃迁概率大，谱线较强， 禁阻跃迁强度很弱。
例：Hg:
• 184.96 nm 61S0→61P1 L=1, S=0, J=1 符合 • 253.65 nm 61S0→63P1 L=1, S=1, J=-1（因 S≠0） 禁阻
02第二章 光学分析法导论
量试样发射或吸收的辐射，就能获得有关它们
能级的信息． • 把测得的发射或吸收强度对电磁辐射的波长或 频率作图，得到光谱． • 由特征光谱可做试样组分的定性分析．由发射 或吸收强度可以进行定量分析．
2018/11/4 27
一、能级的相对分布
1 玻耳兹曼规律
Ni N
gie
j 0
Ei / kT Em / kT
非光谱法．
2018/11/4 4
2-1 电磁辐射的性质
• 电磁辐射是一种以巨大速度通过空间 传播的光量子流，它既具有波动性， 也具有微粒性． • 波粒二相性．
2018/11/4
5
光的波粒二象性
光的折射
波动性
E
光的衍射 光的偏振 光的干涉
粒子性
光电效应
hc E h
2018/11/4
所得到的X射线光谱都是相同的．
2018/11/4
20
• 带光谱是由于许多量子化的振动能级叠加 在分子的基态电子能级上而形成的． • 由一系列靠得很近的线光谱组成，因使用
的仪器不能分辨完全而呈现出带光谱．当
光辐射源中存在气态基团或小分子时会产 生带光谱．
2018/11/4 21
• 由于在振动能级上叠加了许多转动能级，
29
2 例子 假设一个基本体系中只包括基态和
一种激发态，由于基态能量确定为零，
并假设g0=gi，则
Ei / kT Ni e N 1 e Ei / kT
2018/11/4
30
表2-2 能级的相对分布
（E/eV） 10 1 10-1 Ni/N 10–183 5×10–17 2.3×10–2 （E/eV） 10–3 10–4 10–5 Ni/N 0.49 0.50 0.50
第二章 光学分析法导论(2)
属组成。两片金属处于相同平面上且相互平行。
入射狭缝可看作是一个光源，在相应波长位置， 入射狭缝的像刚好充满整个出射狭缝。 有效带宽：整个单色器的分辨能力除与分光元件的色 散率有关外，还与狭缝宽度有关。即单色器的分
辨能力（有效带宽S）应由下式决定：
W DS
D=线色散率；W=狭缝宽度。当单色仪的色散率固定时，波长间隔将
与PDA相比，CTD最大的优势在于其二维特性，可作为影像检测 器，在电视及航空等领域有广泛应用。
2012-12-27
30
2. 热检测器 包括：热电偶，热释电检测器及热辐射计。 这类检测器主要用于红外及Raman光谱分析 中，拟在以后相关章节作介绍。
2012-12-27
31
不同：波长小的则衍射角小，谱线靠近0级；波 长大的，衍射角大，谱线距0级较远； 同样对于二级光谱而言，也有同样的情况。但可 能造成二级光谱与一级光谱的重叠，而且具有最
大强度的光处于0级（为未分开的白光）！
2012-12-27 12镜观察屏
f
2012-12-27
13
光栅的光学特性
K 角色散率d/d： d d d cos 线色散率D1: dl d Kf Kf f ( < 20o ） d d d cos d
第二章 光学分析法导论（2） (Optical methods of Analysis)
2012-12-27
1
2.3 光谱法仪器
以紫外-可见光为例，光吸收遵循Lambert-Beer定律
吸光度
I0 A lg bc I
摩尔吸光系数
物质的量浓度 吸收光程
构建仪器
1）测量入射光强度I0，和出射光强度I； 2）单色器； 3）对数转换器。