光学分析法导论(彭敬东2019)
光学分析法导论课件
• 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。
2019年最新-10光学分析导论-精选文档
二、电磁波谱
光谱类型
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
4）电磁波的吸收
电磁辐射
光 能量
原子、离 子、分子
基态
激发 原子*、分子
基态
现象：当电磁辐射通过固体、液体或气体时，具一定
频率(能
量)的辐射将能量转移给处于基态的原子、分子或离子，并跃迁至高
能态，从而使这些辐射被选择性地吸收。
原子吸收：原子吸收光谱分析(AAS); 分子吸收：紫外可见光度分析(UV-Vis)； 分子吸收：红外光谱分析(IR)及拉曼光谱(Raman) ； 核吸收：核磁共振光谱(NMR)。
构成：狭缝、准直镜、棱镜或光栅、会聚透镜。
入射狭缝 准直镜
准直镜
棱镜
f
物镜
出射狭缝 焦面
物镜
f
入射狭缝
光栅
出射狭缝
其中最主要的分光原件为棱镜和光栅。
3. 吸收池（Sample container，Cell，Cuvette）
除发射光谱外，其它所有光谱分析都需要吸收池。 盛放试样的吸收池由光透明材料制成。
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
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
光学分析法导论
辐射的强度，包括真空热电偶、热电检测器、热电偶等。 (五)读出装置
由检测器将光信号转换成电信号后，可用检流计、微安计、 数字显示器、光子计数等显示和记录结果。
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。
分类：属于这类分析方法的有折射法、偏振法、光 散射法、干涉法、衍射法、旋光法和圆二色性法等。
光谱法分类:
按产生光谱的物质类型分：原子光谱，分子光谱和固体光谱
按产生的光谱的方式分：吸收光谱法,发射光谱法和散射光谱
会发生散射现象。如果这种散射是光子与物质分子发 生能量交换的，即不仅光子的运动方向发生变化，它 的能量也发生变化，则称为Raman散射。
这种散射光的频率（νm）与入射光的频率不同， 称为Raman位移。Raman位移的大小与分子的振动和转 动的能级有关，利用Raman位移研究物质结构的方法 称为Raman光谱法。
一、电磁辐射和电磁波谱
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。
2．电磁辐射的性质：具有波、粒二像性；其能量交 换一般为单光子形式，且必须满足量子跃迁能量公式：
E h h c
3．电磁波谱：电磁辐射按波长顺序排列。
光电倍增管 读出器件
光源
第一单色器
样品
第二单色器
检测器
记录放大系统
荧光光谱仪
(一)光源：连续光源和线光源 连续光源用于分子吸收光谱法； 线光源用于荧光、原子吸收和Raman光谱法。
10光学分析法导论
热检测器是吸收辐射并根据吸收引起的 热效应来测量入射辐射的强度，包括真空 热电偶、热电检测器、热电偶等。
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光电倍增管
一个光电子可产生 106~108个电子
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五、读出装置
由检测器将光信号转换成电信 号后，通过模数转换器送计算机 处理或用记录仪、数字显示器、 显示屏等显示和记录结果。
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§3 光学分析法的分类
3.1 非 光 谱 法
非光谱法是基于物质与辐射相互 作用时，测量辐射的某些性质（如折 射、散射、干涉、衍射、偏振等）变 化的分析方法。
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非光谱法不涉及物质内部能级的跃 迁，电磁辐射只改变了传播方向、速 度或某些物理性质。
属于这类分析方法的有折射法、偏 振法、光散射法、干涉法、衍射法、 旋光法和圆二向色性法等。
利用发射光谱分析物质的方法，称为~。
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荧光光谱：
某些物质的分子或原子在辐射能的作 用下跃迁至激发态，部分分子或原子与 其它粒子碰撞，把激发能转变为热能消 耗掉；其余的分子或原子以热和光的形 式散发出这部分能量而回到基态，由此 产生的光谱称为荧光光谱。
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§ 4 光谱分析的分类
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1.2 电 磁 波 谱 (electromagnetic spectrum)
电磁波按照波长或频率顺序排列 所绘成的图表，称为电磁波谱。 P202表10-2。
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§2 光与物质的作用
光与物质相互作用的方式有吸收、 发射、散射、反射、折射、干涉、 衍射、偏振等。
2019年第一章光学分析法导论.ppt
称
波 400 ～ 750 ～ 1.0×106 ～ 1.0×109 ～
长 750
1.0×106 1.0×109
1.0×1012
λ
名 可见光 红外光 微波
无线电波
称
10-2 nm 10 nm 102 nm 104 nm 0.1 cm 10cm 103 cm 105 cm
射 x射 紫外 红外
微
线线
光光波Fra bibliotek无线 电波
可见光
２．表征电磁波特性的参数：
可以用波长λ、频率γ、速度c、 波数ω、能量等来表示其特性。
波长（λ）：表示相邻两个光波各 相应点间的直线距离（或相应两个波 峰或波谷间的直线距离）。
波数（ω）：指在单位长度内波的 数目。
频率（γ）：指在1秒时间内经过 某点的波数（即每秒内振动的次数）。
３）散射光谱法：利用物质对光 的散射来进行分析的方法。
２．非光谱法：
非光谱法是基于物质与辐 射相互作用时，测量辐射的某些 性质，如折射、散射、干涉、衍 射、偏振等变化的分析方法。主 要有折射法和旋光法。
三.光谱种类 （一）依外形分类： 线状光谱:
带状光谱:
连续光谱：
线光谱: 由若干条强度不同的谱线和
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 的波长和强度进行分析的方法。
它又可分为吸收光谱法、发光光 谱法、散射光谱法三种。
１）吸收光谱法：它是利用物质吸 收光后所产生的吸收光谱来进行分 析的方法。
２）发光光谱法：物质中的粒子 用一定的能量（如光、电、热等）激 发到高能级后，当跃迁回低能级时， 便产生出特征的发射光谱，利用此发 射光谱进行的分析的方法
第3章 光学分析法导论
• 中子
电磁辐射（或微观粒子）与生命物质相互作用后的透射、 散射的强度、角度、波长的分布反映生命物质的内部微 17:42:50 观结构
光学分析法导论
1.电磁辐射
2.原子光谱和分子光谱
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第一节
电磁辐射
电磁辐射：物质内部原子，分子处于运动状态的一 种外在表现。 特性：具有波动性和粒子性。波粒二象性
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因为,电子角量子数 l=0,1,2,3…我们用 s,p,d,f… 表示其状态； 类似地,原子总轨道角量子数L=0,1,2,3… 用 S,P,D,F…来对应表示。 l/L 电子 原子 0 1 2 3
s S
p P
d D
f F
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光谱学中
每个能级根据L的数值大小用大写英文字母标记：
• 角量子数 l : (描述电子亚层，轨道) 指明轨道的形状；也指明电子的轨道角动量;为 l =0，1，2，．．．， n-1； 相应的符号为s，p，d，f， l l (l 1)
• 磁量子数 m（ m l ） : m= 0， 1， 2， l； 指明轨道的取向;也指明电子的轨道角动量在Z轴 h 的分量 l m
综合考虑这些因素后，原子的能量状态用光谱项描述；
n
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2 S 1
L
光谱支项
n
2 S 1
LJ
主量子数(n)、总轨道角量子数（L）、总自 旋量子数（S）和总角动量量子数（或内量 子数J） 一般情况下，原子内层电子已经饱和，比较 稳定。发生跃迁的电子一般为价电子。所以 ，在光谱学中更关心的价电子的组态的光谱 项。
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S ，总自旋量子数； 总自旋角动量对应的量子数 对于两个价电子S值，可取
1.光学分析法导论
1.光学分析法导论第一章光学分析法导论（An Introduction to Optical Analysis ）1.1 电磁辐射的性质电磁辐射（electromagnetic radiation ）是一种以极大的速度（在真空中为2.9979×1010cm ·s －1）通过空间，不需要任何物质作为传播媒介的能量。
它包括无线电波、微波、红外光、紫外-可见光以及X 射线和γ射线等形式。
电磁辐射具有波动性和微粒性。
1.1.1 电磁辐射的波动性根据Maxwell 的观点，电磁辐射的波动性可以用电场矢量E 和磁场矢量M 来描述，如图1.1.1所示。
它是最简单的单个频率的平面偏振电磁波。
平面偏振就是它的电场矢量E 在一个平面内振动，而磁场矢量M 在另一个与电场矢量相垂直的平面内振动。
电场和磁场矢量都是正弦波形，并且垂直于波的传播方向。
与物质的电子相互作用的是电磁波的电场，所以磁场矢量可以忽略，仅用电场矢量代表电磁波。
波的传播以及反射、衍射、干涉、折射和散射等现象表现了电磁辐射具有波的性质，可以用以下波参数来描。
图1.1.1 电磁波的电场矢量E 和磁场矢量M1）周期T相邻两个波峰或波谷通过空间某一固定点所需要的时间间隔称为周期，单位为s （秒）。
2）频率ν单位时间内通过传播方向上某一点的波峰或波谷的数目，即单位时间内电磁场振动的次数称为频率，它等于周期的倒数1/T ，单位为1/s （1/秒），称为赫兹，以Hz 表示。
电磁波的频率只取决于辐射源，与通过的介质无关。
3）波长λ相邻两个波峰或波谷的直线距离。
若电磁波传播速度为c ，频率为ν，那么波长λ为：νλ1=c （1.1.1）不同的电磁波谱区可采用不同的波长单位，可以是m ，cm ，μm 或nm ，他们之间的换算关系为1m=102cm=106μm=109nm 。
4）波数每厘米长度内含有波长的数目，即波长的倒数：c νλ==1 （1.1.2）单位为cm －1（厘米－1），将波长换算成波长的关系式为：（cm －1）)(10)(14m cm μλλ== （1.1.3） 5）传播速度υ辐射的速度等于频率ν乘以波长λ，即υ=νλ。
第一章 可见分光光度法
4、Lambert-Beer定律的物理意义 、 定律的物理意义
当一束平行单色光通过均匀的有色溶液 时，溶液的吸光度与吸光物质的浓度和 液层厚度的乘积成正比。 液层厚度的乘积成正比。
5、吸光度具有加合性—多组分测定 、吸光度具有加合性 多组分测定
在多组分体系中，如果共存物质间不存 在多组分体系中， 在相互作用， 在相互作用，即不因共存物的存在而改 变每种物质本身的吸光系数， 变每种物质本身的吸光系数，溶液的总 吸光度等于各组分吸光度之和， 吸光度等于各组分吸光度之和，即 A总＝A1+A2+······+An 总
第一章第一章光学分析法导论光学分析法导论11第二章第二章可见分光光度法可见分光光度法33第三章第三章紫外分光光度法紫外分光光度法44第四章第四章红外分光光度法红外分光光度法66第五章第五章色谱法概论色谱法概论4第六章第六章液相色谱法液相色谱法55第七章第七章气相色谱法气相色谱法66第八章第八章高效液相色谱高效液相色谱44第九章第九章核磁共振氢谱核磁共振氢谱6第十章第十章质谱法质谱法6一仪器分析法的分类方法分方法分原理原理分析方法分析方法光学分光学分辐射的发射辐射的发射荧光波谱法等荧光波谱法等辐射的吸收辐射的吸收11比色法比色法22分光光度法分光光度法33原子吸收法原子吸收法44核磁共振法核磁共振法55电子自旋共振法电子自旋共振法辐射的散射辐射的散射辐射的折射辐射的折射辐射的衍射辐射的衍射辐射的旋转辐射的旋转色谱分色谱分两相间的吸附交换分配排阻两相间的吸附交换分配排阻等等柱平面气相高效液相柱平面气相高效液相电化学电化学分析法分析法电位电导电流电量电泳电位电导电流电量电泳热分析热分析热性质热性质电镜法电镜法透射电子透射电子透射电镜透射电镜其他其他质谱法质谱法核反应核反应中子活化法中子活化法光学分析法分类
2019年食品生产企业学生拷贝光学导论
§2 光学分析法导论课程介绍一．教学内容1．电磁辐射及电磁波谱的概念、特性及相关物理量2．物质与电磁辐射相互作用及相关的光谱学3．光学分析法的分类及特点4．光学分析法的基本仪器二．重点与难点1．电磁辐射与电磁波谱的特殊2．各物理量的相互换算3．物质与电磁辐射相互作用的机制4．各种能级跃迁的概念及相应的光谱三．教学目标1．牢固掌握电磁辐射和电磁波谱的概念及性质2．熟练掌握电磁辐射各种物理量之间的换算3．清楚理解物质与电磁辐射相互作用所产生的各种光谱4．清晰光学分析法分类的线索5．了解光谱法的基本仪器部件四．建议学时安排 2 学时概述光学分析法是基于能量作用于物质后产生电磁辐射信号或电磁辐射与物质相互作用后产生辐射信号的变化而建立起来的一类分析方法。
它是仪器分析的重要分支。
这里需注意到几个问题：●电磁辐射包括从波长极短的γ射线到无线电波的所有电磁波谱范围，而不只局限于光学光谱区。
●电磁辐射与物质的相互作用方式很多，有发射、吸收、反射、折射、散射、干涉、衍射、偏振等等，各种相互作用的方式均可建立起对应的分析方法。
因此，光学分析法的类型极多。
●基于上述两点，光学分析法的应用之广为其它类型的分析方法所不能相比。
它在定性分析、定量分析、尤其是化学结构分析等方面起着极其重要的作用。
随着科学技术的发展，光学分析法也日新月异，许多新技术、新方法不断涌现。
电磁辐射的性质电磁辐射是一种以极大的速度（在真空中为2.99792×1010cm·s-1）通过空间，而不需要以任何物质作为传播媒介的能量形式（注意！是一个能量形式）。
它包括无线电波、微波、红外光、可见光、紫外光以及X-射线和γ-射线等。
电磁辐射具有波动性和微粒性--称为电磁辐射的二象性。
1. 电磁辐射的波动性电磁辐射是一种电磁波，它可以用电场矢量和磁场矢量来描述，如图9-1所示，它是简单的单个频率的平面偏振电磁波。
平面偏振就是它的电场矢量E在一个平面内振动，磁场矢量H在另一个与电场矢量E在一个平面内振动，电场和磁场矢量H都是正弦波形，并且都垂直于波的传播方向。