分析化学总结——光分析

第一部分：光分析方法的概要。

光分析法：检测能量作用于待测物质后产生的辐射讯号或引起的变化的分析方

法。光分析法可分为非光谱法与光谱法两类，广义上，包括电子能谱法。

1．光谱法：基于光的吸收、发射、拉曼散射，检测光的波长和强度 三种基本类型：吸收光谱、发射光谱、散射光谱（拉曼）

2．非光谱法：不以光的波长为特征讯号，而是测量电磁辐射的一些 基本性质的变化，如反射、折射、干涉、衍射和偏振等。 折射、旋光、圆二色性、比浊、衍射等。 3．电子能谱法：紫外光电子能谱、X射线光电子能谱、俄歇电子能谱 光的本质是电磁波，它具有很多的特性，

(1) 吸收：物质选择性吸收特定频率的辐射能，并从低能级跃迁到高能级；

(2) 发射：将吸收的能量以光的形式释放出；

(3) 散射：丁铎尔散射和分子散射；

(4) 折射：折射是光在两种介质中的传播速度不同；

(5) 反射：

(6) 干涉：干涉现象；

(7) 衍射：光绕过物体而弯曲地向他后面传播的现象；

(8) 偏振：只在一个固定方向有振动的光称为平面偏振光；

物质能常会表现出的光的特性，能过对光的特性的查测，就可以了解不同物质的性质结构等信息。这些信息通常是很小的，所以可以查测到物质的微小信息，达到分析化学的准确和精细的要求。

光分析法的主要过程：

能源提供能量 →能量与被测物质相互作用→产生被检测的信号 光分析法的分类：

根据能源的不同种类来分:红外、紫外、X光、化学发光

根据被作用的物质来分: 原子光谱、分子光谱

根据检测信号来分:吸收、发射、散射、折射、反射、干涉、衍射、偏振 第二部分：原子发射光谱分析概要。

（一）：原子发射光谱分析法的基本原理。

原子发射光谱分析法：元素在受到热或电激发时，由基态跃迁到激发态，返回到基态时，发射出特征光谱，依据特征光谱进行定性、定量的分析方法。 原子发射光谱分析法的特点:

(1) 可多元素同时检测：各元素同时发射各自的特征光谱；

(2) 分析速度快： 试样不需处理，同时对几十种元素进行定量分析(光

电直读仪)；

(3) 选择性高： 各元素具有不同的特征光谱；

(4) 检出限较低： 10～0.1?g?g-1(一般光源)；ng?g-1(ICP）

(5) 准确度较高： 5%～10% (一般光源）； <1% (ICP) ；

(6) ICP-AES性能优越： 线性范围4～6数量级，可测高、中、低不同含量

试样；

缺点：非金属元素不能检测或灵敏度低。

必须明确如下几个问题：

1：原子中外层电子（称为价电子或光电子）的能量分布是量子化的，所以△E的值不是连续的，原子光谱是线光谱；

2：同一原子中，电子能级很多，有各种不同的能级跃迁，即可以发射出许多不同的辐射线。但跃迁要遵循“光谱选律”，不是任何能级之间都能发生跃迁；

3：不同元素的原子具有不同的能级构成，△E不一样，各种元素都有其特征的光谱线，从识别各元素的特征光谱线可以鉴定样品中元素的存在，这就是光谱定性分析；

元素特征谱线的强度与样品中该元素的含量有确定的关系，所以可通过测定谱线的强度确定元素在样品中的含量，这就是光谱定量分析。

原子的共振线与离子的电离线

原子中外层电子从基态被激发到激发态后，由该激发态跃迁回基线所发射出来的辐射线，称为共振线。而由最低激发态（第一激发态）跃迁回基态所发射的辐射线，称为第一共振线，通常把第一共振线称为主共振线。第一共振线，最易发生，能量最小，一般是该元素最强的谱线；

由原子外层电子被激发到高能态后跃迁回基态或较低能态，所发射的谱线称为原子线，在谱线表图中用罗马字“Ⅰ”表示；

离子线:

原子在激发源中得到足够能量时，会发生电离。原子电离失去一个电子称为一次电离，一次电离的离子再失去一个电子称为二次电离，依此类推。离子也可能被激发，其外层电子跃迁也发射光谱，这种谱线称为离子线。其与电离能大小无关，离子的特征共振线。

谱线强度

原子由某一激发态 i 向低能级 j 跃迁，所发射的谱线强度与激发态原子数成正比。

在热力学平衡时，单位体积的基态原子数N0与激发态原子数Ni的之间的分布遵守玻耳兹曼分布定律：Ian = Ni Aijh?ij

h为Plank常数；Aij两个能级间的跃迁几率； ?ij发射谱线的频率。 影响谱线强度的因素：

（1）激发能越小，谱线强度越强；激发能最低的共振线通常是强度最大的线。

（2）温度升高，谱线强度增大，但易电离。电离的原子数目会增多，而相应的原子数减少，致使原子谱线强度减弱，离子的谱线强度增大。

谱线的自吸与自蚀

自吸：中心发射的辐射被边缘的同种基态原子吸收，使辐射强度降低的现象。 元素浓度低时，不出现自吸。随浓度增加，自吸越严重，当达到一定值时，谱线中心完全吸收，如同出现两条线，这种现象称为自蚀。

(二)：原子发射光谱分析装置与仪器

原子发射光谱分析仪器的类型有多种，如：火焰发射光谱、微波等离子体光谱仪、电感耦合等离子体光谱仪、光电光谱仪、摄谱仪等；

原子发射光谱仪通常由三部分构成： 光源、分光、检测；

1：火焰光度计

利用火焰作为激发光源，仪器装置简单，稳定性高。该仪器通常采用滤光

片、光电池检测器等元件，价格低廉，又称火焰光度计。

2：电弧和电火花发射光谱仪

电弧点燃后，热电子流高速通过分析间隔冲击阳极，产生高热，试样蒸发并原子化，电子与原子碰撞电离出正离子冲向阴极。电子、原子、离子间的相互碰撞，使原子跃迁到激发态，返回基态时发射出该原子的光谱。 3：光谱仪(摄谱仪)

将原子发射出的辐射分光后观察其光谱的仪器。

4：等离子体发射光谱仪

(三)：原子发射光谱分析应用举例

原子吸收光谱仪可测定多种元素，火焰原子吸收光谱法可测到10-9g/ml数量级，石墨炉原子吸收法可测到10-13g/ml数量级。其氢化物发生器可对八种挥发性原素汞、砷、铅、硒、锡、碲、锑、锗等进行微痕量测定。 因原子吸收光谱仪的灵敏、准确、简便等特点，现已广泛用于冶金、地质、采矿、石油、轻工、农业、医药、卫生、食品及环境监测等方面的常量及微痕量原素分析。

原子发射光谱技术在航空发动机磨损失效分析中的应用，通过原子发射光谱分析能得到如下结论：

1：螺钉的断裂性质相同，均为脆性断裂，螺钉脆性断裂的主要原因是内部存在轴向开裂缺陷，而与氢致断裂的关系不大。

2：螺钉内部的轴向开裂缺陷可能是在锻造过程后期同于某种偶然因素造成了原始β晶界开裂所致，在后续的轧制和拉拔过程中进一步扩展并逐渐形成与轴向一致的内部缺陷。

（出自《原子发射光谱技术在航空发动机磨损失效分析中的应用》作者：张晶，朱子新，陈栋，董世运，徐滨士）

第三部分：原子吸收光谱分析概要。

（一）：原子吸收光谱分析基本原理

1. 原子的能级与跃迁

基态?第一激发态,吸收一定频率的辐射能量。产生共振吸收线（简称共振线）——吸收光谱

激发态?基态 ，发射出一定频率的辐射。产生共振发射线（也简称共振线）——发射光谱

2. 元素的特征谱线

（1）各种元素的原子结构和外层电子排布不同

基态?第一激发态:

跃迁吸收能量不同——具有特征性。

（2）各种元素的基态?第一激发态

最易发生，吸收最强，最灵敏线。特征谱线。

（3）利用原子蒸气对特征谱线的吸收可以进行定量分析

吸收峰变宽原因：

（1）自然宽度

照射光具有一定的宽度。

（2）温度变宽（多普勒变宽）

由于原子在空间作无规则热运动所导致的，故又称为热变宽。多普勒效应：一个运动着的原子发出的光，如果运动方向离开观察者（接受器），则在

观察者看来，其频率较静止原子所发的频率低，反之则高。

（3）压力变宽（劳伦兹变宽，赫鲁兹马克变宽）

由于原子相互碰撞使能量发生稍微变化。

劳伦兹（Lorentz）变宽：待测原子和其他原子碰撞。随原子区压力增加而增大。

赫鲁兹马克（Holtsmark）变宽（共振变宽）：同种原子碰撞。浓度高时起作用，在原子吸收中可忽略。

（4）自吸变宽

光源空心阴极灯发射的共振线被灯内同种基态原子所吸收产生自吸现象。灯电流越大，自吸现象越严重。

（5）场致变宽

外界电场、带电粒子、离子形成的电场及磁场的作用使谱线变宽的现象；影响较小；

锐线光源

在原子吸收分析中需要使用锐线光源，测量谱线的峰值吸收，锐线光源需要满足的条件：

（1）光源的发射线与吸收线的ν0一致。

（2）发射线的Δν1/2小于吸收线的 Δν1/2。

提供锐线光源的方法：空心阴极灯

干扰的类型与抑制

光谱干扰：待测元素的共振线与干扰物质谱线分离不完全，这类干扰主要来自光源和原子化装置，主要有以下几种：

1.在分析线附近有单色器不能分离的待测元素的邻近线。

重新选择分析线

2.空心阴极灯内有单色器不能分离的干扰元素的辐射。

换用纯度较高的单元素灯减小干扰。

3.灯的辐射中有连续背景辐射。

用较小通带或更换灯

物理干扰及抑制

试样在转移、蒸发过程中物理因素变化引起的干扰效应，主要影响试样喷入火焰的速度、雾化效率、雾滴大小等。

可通过控制试液与标准溶液的组成尽量一致的方法来抑制。

化学干扰及抑制

指待测元素与其它组分之间的化学作用所引起的干扰效应,主要影响到待测元素的原子化效率，是主要干扰源。

1. 化学干扰的类型

（1）待测元素与其共存物质作用生成难挥发的化合物，致使参与吸收的基态原子减少。

例：a、钴、硅、硼、钛、铍在火焰中易生成难熔化合物

b、硫酸盐、硅酸盐与铝生成难挥发物。

（2）待测离子发生电离反应，生成离子，不产生吸收，总吸收强度减弱，电离电位≤6eV的元素易发生电离，火焰温度越高，干扰越严重，如碱及碱土元素。

（二）：原子吸收光谱仪

锐线光源→原子化系统→单色器→检测器

1.特点

(1)采用锐线光源

(2)单色器在火焰与检测器之间

(3)原子化系统

原子吸收中的原子发射现象

在原子化过程中，原子受到辐射跃迁到激发态后，处于不稳定状态，将再跃迁至基态，故既存在原子吸收，也有原子发射。虽然返回释放出的能量可能有多种形式，产生的辐射也不在一个方向上，但是对测量仍将产生一定干扰。 消除干扰的措施：

（1）将发射的光调制成一定频率；检测器只接受该频率的光信号；

（2）原子化过程发射的非调频干扰信号不被检测。

1：光源

（1）. 作用

提供待测元素的特征光谱。获得较高的灵敏度和准确度。

光源应满足如下要求；能发射待测元素的共振线、能发射锐、辐射光强度大，稳定性好。

（2）. 空心阴极灯

? 施加适当电压时，电子将从空心阴极内壁流向阳极;与充入的惰性气体碰撞而使之电离，产生正电荷，其在电场作用下，向阴极内壁猛烈轰击;使阴极表面的金属原子溅射出来，溅射出来的金属原子再与电子、惰性气体原子及离子发生撞碰而被激发，于是阴极内辉光中便出现了阴极物质和内充惰性气体的光谱。用不同待测元素作阴极材料，可制成相应空心阴极灯。空心阴极灯的辐射强度与灯的工作电流有关。

优缺点：辐射光强度大，稳定，谱线窄，灯容易更换、每测一种元素需更换

相应的灯。

2：原子化系统

原子化方法：火焰法、无火焰法

（三）：应用

石墨炉原子吸收光谱仪应用实例：黑米酒中铅的含量检测

通过原子吸收光谱分析的使用可以得到如下结论：

由于黑米酒的粘度较大,干燥升温不宜过急,所以采用5秒斜坡升温,并保持30秒,使基体可以完全干燥,以免造成灰化升温阶段试样的飞溅。实验发现,当程序升温至500~600℃时,有大量的浓烟冒出,这可能是由于黑米酒中的有机物大部分在该温度下热解所致。加入基体改进剂后,黑米酒的铅在灰化温度提高到900℃,原子化温度2600℃时,能得到较满意的结果。

基体改进剂用量及加入方式的选择

由于黑米酒的基体较复杂,有机物含量较多,比其它酒稠,直接进样测定往往会出现基线过度上升或多个吸收峰现象。为了消除基体成分的干扰而不影响铅的准确测定,采用加入Pd-Mg混合基体改进剂的方法使铅在该条件下形成较难离解的合金,以提高灰化和原子化温度,从而使干扰组分预先充分热解。实验发现,能使黑米酒产生较大吸收信号且重现性较好的基体改进剂的用量为1∶19。

（出处——百度百科 网址：

/infosupply/c357c1042bd3912b012be126533d2214.htm）

第四部分：紫外可见分光光度法

（一）：基本原理

同一种物质对不同波长光的吸光度不同。吸光度最大处对应的波长称为最大吸收波长λmax。不同浓度的同一种物质，其吸收曲线形状相似λmax不变。而对于不同物质，它们的吸收曲线形状和λmax则不同。吸收曲线可以提供物质的结构信息，并作为物质定性分析的依据之一。也是定量分析中选择入射光波长的重要依据。不同浓度的同一种物质，在某一定波长下吸光度 A 有差异在λmax处吸光度A 的差异最大所以测定最灵敏。此特性可作为物质定量分析的依据。

有机物吸收光谱与电子跃迁：

当外层电子吸收紫外或可见辐射后，就从基态向激发态(反键轨道)跃迁。主要有四种跃迁所需能量ΔΕ大小顺序为：n→π＊ < π→π＊ < n→σ＊ < σ→σ＊

生色团与助色团

生色团：

最有用的紫外—可见光谱是由π→π＊和n→π＊跃迁产生的。这两种跃迁均要求有机物分子中含有不饱和基团。这类含有π键的不饱和基团称为生色团。简单的生色团由双键或叁键体系组成，如乙烯基、羰基、亚硝基、偶氮基—N＝N—、乙炔基、腈基—C≡N等。

助色团：

有一些含有n电子的基团(如—OH、—OR、—NH２、—NHR、—X等)，它们本身没有生色功能(不能吸收λ>200nm的光)，但当它们与生色团相连时，就会发生n—π共轭作用，增强生色团的生色能力(吸收波长向长波方向移动，且吸收强度增加)，这样的基团称为助色团。

红移与蓝移

有机化合物的吸收谱带常常因引入取代基或改变溶剂使最大吸收波长λmax和吸收强度发生变化:

λmax向长波方向移动称为红移，向短波方向移动称为蓝移 (或紫移)。吸收强度即摩尔吸光系数ε增大或减小的现象分别称为增色效应或减色效应，如图所示。

光的吸收定律

1. 朗伯—比耳定律

布格(Bouguer)和朗伯(Lambert)先后于1729年和1760年阐明了光的吸收程度和吸收层厚度的关系。A∝b

1852年比耳(Beer)又提出了光的吸收程度和吸收物浓度之间也具有类似的关系。A∝ c

二者的结合称为朗伯—比耳定律，其数学表达式为：

A = lg(I0/It) = ?bc = abc

A：吸光度；溶液对光的吸收程度；

b：液层厚度(光程长度)，cm；

c：溶液的摩尔浓度，mol·L-１；

?：摩尔吸光系数，L·mol-１·cm-１；

（二）：紫外-可见分光光度计

基本组成：光源→单色器→样品室→检测器→显示

选择合适的参比溶液 ——参比溶液的选择一般遵循以下原则：

（1）若仅待测组分与显色剂反应产物在测定波长处有吸收，其它所加试剂均无吸收，用纯溶剂（水)作参比溶液；

（2）若显色剂或其它所加试剂在测定波长处略有吸收，而试液本身无吸收，用“试剂空白”(不加试样溶液)作参比溶液；

（3）若待测试液在测定波长处有吸收，而显色剂等无吸收，则可用“试样空白”(不加显色剂)作参比溶液；

（4）若显色剂、试液中其它组分在测量波长处有吸收，则可在试液中加入适当掩蔽剂将待测组分掩蔽后再加显色剂，作为参比溶液。

（三）：应用

几种天然药物黄酮类活性成分与蛋白质相互作用的研究

文应用荧光光谱法、紫外-可见分光光度法等现代分析技术，从分子水平上考察了几种天然药物中黄酮类活性成分(药物小分子)与牛血清白蛋白(BSA)、人血清白蛋白(HSA)及溶菌酶(LYSO)在生理pH值条件下的相互作用，通过蛋白质内源荧光的猝灭、结构特征变化、药物小分子与蛋白质相互作用过程中的信息变化以及外源或内源金属离子等干扰物质对药物分子-蛋白质相互作用过程产生的影响等方面的研究，不仅对了解药物分子在体内的运输、代谢、药用机理以及蛋白质构象具有重要的意义，而且对药物分子设计、合成及新药的筛选具有重要的指导意义

（出处：论文大全网，论文作者、论文导师 张国文,论文学位 硕士,论文专业 食品科学 论文单位 南昌大学）

第五部分：分子发光

（一）：原理

分子发光包括

1：分子荧光——光致发光：分子吸收了光能而被激发至较高能态，在返回基态时，发射出与吸收光波长相等或不等的辐射，这种现象称为光致发光。 2：分子磷光

3：化学发光——化学反应中，产物分子吸收了反应过程中释放的化学能而被激发，在返回基态时发出光辐射。

4：生物发光

5：散射光谱

辐射能量传递过程

荧光发射：电子由第一激发单重态的最低振动能级→基态， 多为 S1→ S0跃迁，发射波长为 ? ‘2的荧光； 10-7～10 -9 s 。

由图可见，发射荧光的能量比分子吸收的能量小，波长长； ? ‘2 > ? 2 > ? 1 ；

磷光发射：电子由第一激发三重态的最低振动能级→基态， T1 → S0跃迁； 电子由S0进入T1的可能过程：（ S0 → T1禁阻跃迁） S0 →激发→振动弛豫→内转移→系间跨越→振动弛豫→ T1

发光速度很慢： 10-4～100 s 。

光照停止后，可持续一段时间。

荧光熄灭（猝灭）

荧光物质分子与溶剂或其它溶质分子相互作用，引起荧光强度降低、消失或荧光强度与浓度不呈现线性关系的现象。

磷光分析法

磷光发射：电子由第一激发三重态的最低振动能级

→基态， T1 → S0跃迁；

电子由S0进入T1的可能过程：（ S0 → T1禁阻跃迁）

（二）荧光分析法的应用——荧光分析法在食品分析中的应用

通过荧光分析方法的使用可以得到如下结论：

氨基酸是人体合成蛋白质必需的生命物质。酪氨酸属非必需氨基酸，但是一种重要的蛋白质。它也能产生出神经传导素，如左旋多巴，多巴氨，正肾上腺素，及肾上腺素。 许多乳制品、肉、鱼、小麦、燕麦，酒类中包含酪氨酸。向海艳等基于钼（Ⅵ）对酪氨酸的荧光具有猝灭的特性，探讨了测定酪氨酸的方法，该法激发波长为278nm，发射波长为305nm，线性范围为0.01～14.4μg/mL，检测限为6ng/mL，并用于测定啤酒及葡萄酒中酪氨酸的含量。仲岳桐等应用二极管阵列—荧光检测器和在线衍生技术测定食品中17种氨基酸，克服了离线手工衍生的偏差，有效提高定性的可靠性和定量的准确性。倪永年以高效液相色谱法（HPLC）作对照，采用三维同步荧光技术，结合平行因子分析法（PARAFAC），对维生素B1，B2和B6混合物的三维荧光数据进行了测定和解析，获得了较好的结果。