第二章光谱分析法教案

第二章

一. 教学内容 光谱分析法导论

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. 教学要求

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．学时安排 2 学时

第一节 光学分析法及其分类

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。

这些电磁辐射包括从 射线到无线电波的所有电磁波谱范围 (不只局限于光学光谱区)。电磁辐射与物质相互作用的方式有发 射、吸收、反射、折射、散射、干涉、衍射、偏振等。

光学分析法可分为光谱法和非光谱法两大类。

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。

光谱法可分为原子光谱法和分子光谱法。

原子光谱法是由原子外层或内层电子 能级的变化产生的，它的表现形式为线光谱。属于这类分析方法的有原子发射光谱法（AES）、原子吸收光谱法（AAS），原子荧光光谱法（AFS）以及X射线荧光光谱法（XFS）等。

分子光谱法是由 分子中电子能级、振动和转动能级 的变化产生的，表现形式为带光谱。属于这类分析方法的有紫外-可见分光光度法（UV-Vis），红外光谱法（IR），分子荧光光谱法（MFS）和分子磷光光谱法（MPS）等。

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。 本章主要介绍光谱法。

一、发射光谱法

物质通过电致激发、热致激发或光致激发等激发过程获得能量，变为激发态原子或分子M* ，当从激发态过渡到低能态或基态时产生发射光谱。

M* −→ M + hv

通过测量物质的发射光谱的波长和强度进行定性和定量分析的方法叫做发射光谱分析法。

根据发射光谱所在的光谱区和激发方法不同，发射光谱法分为：

1. γ 射线光谱法

天然或人工放射性物质的原子核在衰变的过程中发射α和β粒子后，使自身的核激发，然后核通过发射γ射线回到基态。测量这

种特征γ射线的能量（或波长），可以进行定性分析，测量γ射线的强度（检测器每分钟的记数），可以进行定量分析。

2. X射线荧光分析法

原子受高能辐射激发，其内层电子能级跃迁，即发射出特征X射线，称为X射线荧光。用X射线管发生的一次X射线来激发X射线荧光是最常用的方法。测量X射线的能量（或波长）可以进行定性分析，测量其强度可以进行定量分析。

3. 原子发射光谱分析法

用火焰、电弧、等离子炬等作为激发源，使气态原子或离子的外层电子 受激发发射特征光学光谱，利用这种光谱进行分析的方法叫做原子发射光谱分析法。波长范围在190 ~ 900nm。

4. 原子荧光分析法

气态自由原子吸收特征波长的辐射后，原子的外层电子 从基态或低能态跃迁到较高能态，约经10-8 s，又跃迁至基态或低能态，同时发射出与原激发波长相同（共振荧光）或不同的辐射（非共振荧光—直跃线荧光、阶跃线荧光、阶跃激发荧光、敏化荧光等），称为原子荧光。波长在紫外和可见光区。在与激发光源成一定角度（通常为90︒）的方向测量荧光的强度，可以进行定量分析。

5. 分子荧光分析法

某些物质被紫外光照射后，物质分子吸收辐射而成为激发态分子，然后回到基态的过程中发射出比入射波长更长的荧光。测量荧光的强度进行分析的方法称为荧光分析法。波长在光学光谱区。

6. 分子磷光分析法

物质吸收光能后，基态分子中的一个电子被激发跃迁至第一激发单重态轨道，由第一激发单重态的最低能级，经系统间交叉跃迁至第一激发三重态（系间窜跃），并经过振动弛豫至最低振动能级，由此激发态跃迁回至基态时，便发射磷光。

根据磷光强度进行分析的方法成为磷光分析法。它主要用于

环境分析、药物研究等方面的有机化合物的测定。

7. 化学发光分析法

由化学反应 提供足够的能量，使其中一种反应的分子的电子被激发，形成激发态分子。激发态分子跃迁回基态时，发出一定波长的光。其发光强度随时间变化。在合适的条件下，峰值与被分析物浓度成线形关系，可用于定量分析。

由于化学发光反应类型不同，发射光谱范围为400 ~ 1400nm。

二、吸收光谱法

当物质所吸收的电磁辐射能与该物质的原子核、原子或分子的两个能级间跃迁所需的能量满足△E = hv的关系时，将产生吸收光谱。

M + hv −→ M*

吸收光谱法可分为：

1. Mōssbauer（莫斯鲍尔）谱法

由与被测元素相同的同位素作为γ射线的发射源，使吸收体（样品）原子核产生 无反冲的γ射线共振吸收 所

形成的光谱。光谱波长在γ射线区。

从Mōssbauer谱可获得原子的氧化态和化学键、原子核周围电子云分布或邻近环境电荷分布的不对称性以及原子核处的有效磁场等信息。

2. 紫外-可见分光光度法

利用溶液中的分子或基团在紫外和可见光区产生分子外层电子能级跃迁所形成的吸收光谱。根据吸收光谱用于定性和定量测定。

3. 原子吸收光谱法

利用待测元素气态原子对共振线的吸收进行定量测定

的方法。其吸收机理是原子的外层电子能级跃迁，波长在紫外、可见和近红外区。

4. 红外光谱法

利用分子在红外区的振动- 转动吸收光谱来测定物质的成分和结构的光谱分析法。

5. 核磁共振波谱法

在强磁场作用下，核自旋磁矩与外磁场相互作用分裂为能量不同的核磁能级，核磁能级之间的跃迁吸收或发射射频区的电磁波。利用吸收光谱可进行有机化合物结构鉴定，以及分子的动态效应、氢键的形成、互变异构反应等化学研究。

三、Raman散射

频率为 0 的单色光照射透明物质，物质分子会发生散射现象。如果这种散射是光子与物质分子发生能量交换引起，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。

第二节 光谱仪器

用来研究吸收、发射或荧光的电磁辐射强度和波长关系的仪器 叫做光谱仪或分光

光度计。光谱仪或分光光度计一般包括五个基本单元：光源、单色 器、样品容器、

检测器和读出器件。

由光源发射的待测元素的锐线光束（共振线），通过原子化 器，被原子化器中的基态原子吸收，再射入单色器中进行分光后， 被检测器接收，即可测得其吸收信号。

由光源发出的光，经过第一单色器（激发光单色器）后，得 到所需的激发光。通过样品池，由于一部分光线被荧光物质所吸收， 荧光物质被激发后，将向四面八方发射荧光，为了消除入射光和散 射光的影响，

荧光的测量应在与激发光成直角方向进行，第二单色器为荧 光单色器，主要是消除溶液中可能共存的其它光线的干扰，以获得 所需的荧光，荧光作用于检测器上，得到相应的电信号。

一、光源

光谱分析中，光源必须具有足够的输出功率和稳定性。由于光源辐射功率的波动与电源功率的变化成指数关系，因此往往需用稳压电源以保证稳定或者用参比光束的方法来减少光源输出对

测

定所产生的影响。

光源为连续光源和线光源等。

一般连续光源主要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。

1. 连续光源

连续光源是指在波长范围内主要发射强度平稳的具有连续光谱的光源。

（1）紫外光源

紫外连续光源主要采用氢灯和或氘灯。 在低压（≅1.3 ⨯103Pa）下以电激发的方式产生的连续光谱，光谱范围为160~375 nm。高压氢灯以2000 ~ 6000V的高压使两个铝电极之间发生放电。低压氢灯是在有氧化物涂层的灯丝和金属电极间形成电弧，启动电压约为400V直流电压，而维持直流电弧的电压为40V。

氘灯的工作方式与氢灯相同，光谱强度比氢灯大3 ~ 5倍，寿命也比氢灯长。

（2）可见光源

可见光区最常见的光源是钨丝灯。在大多数仪器中，钨丝的工作温度约为2870K，光谱波长范围为320 ~ 2500nm。氙灯也可用作可见光源，当电流通过氙灯时，产生强辐射，发射的连续光谱分布在250 ~ 700nm。

（3）红外光源

常用的红外光源是一种用电加热到温度在1500 ~2000K之间的惰性固体，光强最大的区域在6000 ~ 5000cm-1。在长波侧667cm-1和短波侧10000cm-1的强度已降到峰值的1%左右。常用的有能斯特灯、硅碳棒。

2. 线光源

（1）金属蒸气灯

在透明封套内含有低压气体元素，常见的是汞灯和钠蒸气灯。

把电压加到固定在封套上的一对电极上，会激发出元素的特征线光谱。汞灯产生的线光谱的波长范围为254 ~ 734nm，钠灯主要是589.0nm和589.6nm处的一对谱线。

（2）空心阴极灯

主要用于原子吸收光谱，能提供许多元素的特征光谱。

（3）激光

激光的强度高，方向性和单色性好，作为一种新型光源应用于Raman光谱、荧光光谱、发射光谱、fourier变换红外光谱等领域。

二、单色器

单色器的主要作用是将复合光分解成单色光或有一定宽度的谱带。单色器由入射狭缝和出射狭缝、准直镜以及色散元件，如棱镜或光栅等组成。

单色器

1. 棱镜

棱镜的作用是把复合光分解为单色光。由于不同波长的光在同一介质中具有不同的折射率，波长短的光折射率大，波长长的光折射率小。因此，平行光经色散后按波长顺序分解为不同波长的光，经聚焦后在焦面的不同位置成像，得到按波长展开的光谱。

常用的棱镜有Cornu（考纽）棱镜是顶角α为60︒的棱镜； 为了防止生成双像， Littrow（立特鲁）棱镜是由2个30︒棱镜组成，一边为左旋石英，另一边为右旋石英，左旋、右旋石英做成30︒棱镜。 对于同一材料，光的折射率为其波长的函数。在可见-紫外光谱区域，可用下式表示：

n = A + B/λ2 + C/λ4

式中n为折射率，λ为波长，A、B、C为常数。

由公式可见，波长越长，折射率愈小。当包含有不同波长的复合光通过棱镜时，不同波长的光就会因折射率不同而分开。这种作用称为棱镜的色散作用。色散能力常以色散率和分辨率表示。

（1）色散率（角色散率、线色散率和倒线色散率）

棱镜的角色散率用 dθ/dλ 表示。表示入射线与折射线的夹角，即偏向角θ 对波长的变化率。角色散率越大，波长相差很小的两条谱线分得越开。

取一个棱角为α（A）的等边棱镜，它的折射线与入射线的夹 角叫做偏向角θ 。当入射线射入棱镜内的折射线与棱镜底边平行 时，入射角与出射角相等，此时偏向角最小。

根据折射率定律，可以证明：从最小偏向角θ和棱镜的顶角A ， 可以求出棱镜的折射率。将上式微分得到：

在光谱仪中，棱镜一般安装在最小偏向角的位置（入射光通过棱镜是与底边平行），这时棱镜的顶角α越大或折射率n越大，棱镜的角色散率越大。

如果光谱仪中安装数个相同的棱镜，且其位置都处在最小偏向角位置，则总的角色散率等于单个棱镜的角色散率乘以所用的

棱

镜数目。

若要增加光谱仪的角色散率，可以采用下列办法： ① 增加棱镜的数目

使用这种办法时，要考虑成本和光强减小的问题。

② 增大棱镜的顶角这种办法将受到入射角大于临界角时发生全反射的限制。例如，对于棱镜，当顶角等于65︒时，紫外线就不能折射出来，所以其顶角一般为60︒。

③ 改变棱镜的材料

即改变dn /dλ 。在400nm ~ 800nm波长范围内，玻璃棱镜比石英棱镜的色散率大。但在200nm ~ 400nm的波长范围内，由于玻璃强烈地吸收紫外光，无法采用，故只能采用石英棱镜。对于同一种材料的棱镜，波长越短，

dn /dλ 越 大，角色散率也越大，因此，短波部分的谱线分得较开一些，长波部分的谱线靠得紧些。在光谱仪中，谱线最终是被聚焦在光谱焦面上，以便进行检测。此时，用角色散率难以表示谱线之间的色散距离，而采用线色散率dl /dλ 来表示。

线色散率表示波长相差dλ 的两条谱线在焦面上的距离dl。线色散率越大，表示两条谱线之间的距离也越大。在实际工作中，常用线色散率的倒数dλ / dl表示，此值越大，色散率越小。

（2）分辨率

棱镜的分辨率R是指将两条靠得很近的谱线分开的能力。在最小偏向角的条件下，R可表示为

式中λ为两条谱线的平均波长， ∆λ为刚好能分开的两条谱线间的波长差。

由上式可知，分辨率随波长而变化，在短波部分分辨率较大。 棱镜的顶角较大和棱镜材料的色散率较大时，棱镜的分辨率较高。 但是棱镜顶角增大时，反射损失也增大，因此通常选择棱镜顶角为 的60°。对紫外光区，常使用对紫外光有较大色散率的石英棱镜； 而对可见光区，最好的是玻璃棱镜。由于介质材料的折射率n与入 射光的波长λ有关，因此棱镜给出的光谱与波长有关，是非均排光 谱。

2.光栅

光栅分为透射光栅和反射光栅，常用的是反射光栅。反射光栅又可分为平面反射光栅（或称闪耀光栅）和凹面反射光栅。 光栅由玻璃片或金属片制成，其上准确地刻有大量宽度和距离都相等的平行线条（刻痕），可近似地将它看成一系列等宽度和等距离的透光狭缝。

光栅是一种多狭缝部件，光栅光谱的产生是多狭缝干涉和单狭缝衍射两者联合作用的结果。

干涉

当频率相同、振动方向相同、周相相等或周相差保持恒定的 波源所发射的相干波互相叠加时，会产生波的干涉现象。

通过干涉现象，可以得到明暗相间的条纹。当两列波相互加 强时可得到明亮的条纹；当两列波互相抵消是则得到暗条纹。这些 明暗条纹称为干涉条纹。

若两光波光程差为δ，波长为λ，则当光程差等于波长λ的整数倍时，两波将互相加强到最大程度，即

δ = ± K λ （K = 0，1，2…） 此时，两光波在焦点上将相互加强形成明条纹。

相反，当两波的光程差等于半波长的奇数倍时，两波将相互减弱到最大程度，即

δ = ±（2 K+1）• λ / 2 （K = 0，

1，2…）

衍射

光波绕过障碍物而弯曲地向它后面传播的现象，称为波的衍 射现象。

若以平行光束通过狭缝AB，狭缝宽度为a，入射角为ϕ角方向 传播，经透镜聚焦后会聚于P点，则AP与BP的光程差AC（△）应为 △=a sinϕ

P点的明暗取决于光程差△。

对应于某确定角度ϕ，如果狭缝可以分成为偶数波带（ λ /2），则在P点出现暗条纹。如果狭缝可以分成为奇数波带，则出现明条纹。

当ϕ=0时，为零级条纹。

当ϕ符合 a sinϕ = 2 K（λ /2），K= ±1， ±2，⋯时， 为暗条纹；

当ϕ符合 a sinϕ = （2K+1） ∙ （λ /2），

K= ±1， ±2，⋯时， 为明条纹

随着K= ±1， ±2，⋯出现第一级、第二级 ⋯明暗条纹。如右图。其中 P0 点出现零级亮条纹，紫色光的条纹离P0 最近，红色光的条纹离P0最远，在P0 的两边排列着 P2 、 P1 、P1′、P2′各级光谱。

多缝干涉决定光谱出现的位置，单缝衍射决定谱线的强度分布。 右图为平面反射光栅的一段垂直于刻线的截面。

它的色散作用可用光栅公式表示

d（sinα + sinθ）= nλ

公式中α 和θ分别为入射角和衍射角，整数n为光谱级次，d为 光栅常数。若用a表示每一狭缝的宽度，c表示两条狭缝之间的距离， 则（a+c）称为光栅常数。 α角规定为正值；如果α角 和θ角在光 栅法线同侧， θ取正值，异侧则取负值；当n=0时，

即零级光谱，衍射角与波长无关，也就是无分光作用。当n不等于 零时，衍射角或反射角θ 随波长而异，即不同波长的辐射经光栅反 射后将分散在不同空间位置上，这就是光栅进行分光的依据。 光栅的特性可用色散率、分辨能力和闪耀特性来表征。当入射角α不变时，光栅的角色散率可用光栅公式微分求得

式中dθ / dλ为衍射角对波长的变化率，也就是光栅的角色散率。当θ很小时且变化不大时，可认为cos θ ≈1。因此，光栅的角色散率只决定于光栅常数d和光谱级次n，可以认为是常数，不随波长而变，这样的光谱称为“匀排光谱”。这是光栅优于棱镜的一个方面。

在实际工作中用线色散率dl /dλ表示。对于平面光栅，线色散率为

式中f为会聚透镜的焦距。由于cos θ ≈1（ θ ≈6°）

光栅的分辨能力是根据Rayleigh（瑞利）准则来确定。如右图 所示。 Rayleigh准则认为，等强度的两条谱线(Ⅰ和Ⅱ)中，一条(Ⅱ) 的衍射最大强度落在另一条(Ⅰ)的第一最小强度上，这时，两衍射

图样中间的光强约为中央最大的80%，而在这种情况下两谱线中央 最大的距离是光学仪器能分辨的最小距离。光栅的分辨率R等于光 谱级次n与光栅刻痕总数N的乘积，即

由此可见，分辨率与光谱级数和光栅总刻线数成正比，与波 长无关。在实际工作中，要想获得高分辨率，最现实的办法是采用 大块的光栅，以增加总刻线数。目前，有些光谱仪已有254mm大光 栅，起分辨率可达6⨯105。

闪耀光栅

非闪耀光栅其能量分布与单缝衍射相似，大部分能量集中在 没有被色散的“零级光谱”中，小部分能量分散在其它各级光谱。 零级光谱不起分光作用，不能用于光谱分析。而色散越来越大的一级、二级光谱，强度却越来越小。

为了降低零级光谱的强度，将辐射能集中于所要求的波长范 围，近代的光栅采用定向闪耀的办法。即将光栅刻痕刻成一定的形 状，使每一刻痕的小反射面与光栅平面成一定的角度，使衍射光强 主最大从原来

与不分光的零级主最大重合的方向，转移至由刻痕形状决定 的反射方向。结果使反射光方向光谱变强，这种现象称为闪耀，（如 右图所示）。辐射能量最大的波长称为闪耀波长。光栅刻痕反射面 与光栅平面的夹角，称为闪耀角。每一个小反射面与光栅平面的夹 角 β 保持一定，以控制每一小反射面对光的反射方向，使光能 集中在所需要的一级光谱上，这种光栅称为闪耀光栅。

当 α =θ= β 时，在衍射角θ的方向上可得到最大的相对光强。 β角称为闪耀角。

常用光栅类型

机刻光栅和全息光栅。

用机械方法刻制的光栅称为机刻光栅。

直接刻制的光栅称为原刻光栅；由原刻光栅复制的光栅称为复制光栅。

由透明材料制成的衍射光栅，称为透射光栅。

由反射材料制成的衍射光栅称为反射光栅。

按照光学反射面的形状，反射光栅又分为平面光栅和凹面光栅。 由于机刻方法的局限性，一般光栅都存在一定的缺陷。用激光全息照相制造的光

栅称为全息光栅。全息光栅有透射式和反射式两种。

光谱重叠及消除

由光栅方程 d（sinα + sinθ）= nλ

可见，当d、 α一定时，衍射角的大小和入射角的波长有关。 当n与λ的乘积相同的辐射将分散在同一空间位置，即谱线重叠。 例如，波长为400nm的Ⅰ级线，与波长为200nm的Ⅱ级线，波长 为133.33nm的Ⅲ级线，互相重叠，造成干扰。消除谱线重叠的方法 有：

（1）利用滤光片吸收干扰波长

例如，只要600nm谱线，则可用红色滤光片滤去其它组分。

（2）利用感光板的灵敏区不同，消除干扰波段

例如，若拍摄Ⅱ级250 ~ 350nm波段的谱线，可选用“未增感”的乳剂干板（感光范围为250 ~ 500nm），则干扰250 ~ 350nm的一级光谱（500 ~ 700nm）和三级光谱（166 ~ 233nm）将不会在感光板上感光。

（3）利用谱级分离器消除干扰

在光路中附加一个低色散的棱镜（分级器），配合工作，以使检测器只单独接受某一级的光谱。

3.狭缝

狭缝是由两片经过精密加工，且具有锐利边缘的金属片组成，其两边必须保持互相平行，并且处于同一平面上。

狭缝宽度对分析有重要意义。单色器的分辨能力表示能分开最小波长间隔的能力。波长间隔大小决定于分辨率、狭缝宽度和光学材料性质等，它用有效带宽S表示

S = DW

式中，D为线色散率倒数，W为狭缝宽度。

当仪器的色散率固定时，S将随W而变化。对于原子发射光谱，在定性分析时一般用较窄的狭缝，这样可一提高分辨率，使邻近的谱线清晰分开。

在定量分析时则采用较宽的狭缝，以得到较大的谱线强度。对于原子吸收光谱分析，由于吸收线的数目比发射线少得多，谱线重叠的几率小，因此常采用较宽的狭缝，以得到较大的光强。 当然，如果背景发射太强，则要适当减小狭缝宽度。一般原则，在不引起吸光度减少的情况下，采用尽可能大的狭缝宽度。

三、吸收池

吸收池一般由光透明的材料制成。在紫外光区，采用石英材料；可见光区，则用硅酸盐玻璃；红外光区，则可根据不同的波长范围选用不同材料的晶体制成吸收池的窗口。

四、检测器

检测器可分为两类，一类对光子有响应的光检测器，另一类为对热产生响应的热检测器。光检测器有硒光电池、光电管、光电倍增管、半导体等。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、热释电检测器等。

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、计算机等显示和记录结果。

了解光学分析法的分类，掌握光学分析法的基本特性。

掌握光谱分析法的仪器结构，了解单色器的分光特征。