光学分析法

主要根据物质发射，吸收电磁辐射以及物质与电磁辐射的相互作用来进行分析的一类重要的仪器分析法。光学分析法是基于物质对光的吸收或激发后光的发射所建立起来的一类方法，比如紫外-可见分光光度法，红外及拉曼光谱法，原子发射与原子吸收光谱法，原子和分子荧光光谱法，核磁共振波谱法，质谱法等。本思维导图主要整理了卫生化学中的光学分析法，喜欢的小伙伴可以点个赞哦！

光学分析法：即光谱分析法，是指利用物质与辐射能作用时所产生的吸收信号或辐射信号的特征和强度而建立起来的定性、定量及结构分析方法

• 紫外-可见分光光度法
  • 电磁辐射与电磁波谱
    • 电磁辐射（电磁波）
      • 光是一种电磁辐射，或称电磁波，是一种以巨大速度通过空间传播的光子流
      • 光子具有微观粒子的波动性和粒子性，即波粒二象性
        • 光的波动性
          • 可用波长（λ）和频率（ν）描述
            • 光的折射
            • 光的衍射
            • 光的偏振
            • 光的干涉
        • 光的粒子性
          • 可用（E）描述
            • 光电效应
        • 之间的关系
          • E=hν=hc/λ
          • 光子的能量与频率成正比，与波长成反比
    • 电磁波谱
      • 紫外光
        • 远紫外光
          • 10~200nm
        • 近紫外光
          • 200~400nm
      • 可见光
        • 400~760nm
  • 基本原理
    • 紫外-可见吸收光谱的形成
      • 分子对电磁辐射的选择性吸收
        • 当辐射通过气、液、固态时，物资的分子或离子对辐射进行选择性的吸收，产生能级跃迁【分子吸收光能后，受激发从能量较低的能级跃迁到能量较高的能级】，从而产生分子吸收光谱【△E=E2-E1=hν=hc/λ】
        • 物质分子的运动状态和能级
          • 分子转动
            • 转动能级
              • 0.005~0.05eV，λ250~25μm，位于远红外区，转动光谱或远红外光谱
          • 分子振动
            • 振动能级
              • 0.05~1eV，λ25~1.25μm，位于中红外区，振动-转动光谱或红外光谱
          • 电子运动
            • 电子能级
              • 1~20eV，λ1.25~0.06μm，位于紫外-可见光区，电子光谱或紫外-可见吸收光谱
      • 分子（紫外-可见）吸收光谱及其特征
        • 当紫外-可见光区某一波长的单色光通过溶剂时。测定其吸光度；可描述溶液对各种波长的吸收能力大小
        • 特点
          • 1.不同物质吸收光谱形状、吸收能力、最大吸收波长不同
          • 2.光谱形状为带状光谱，谱带较宽
          • 3.吸收光谱的特征（形状、λmax ）等是物质定性分析的依据，在定量分析时，一般选择λmax 以获得较高的测定灵敏度
    • 光的吸收定律
      • 适用条件
        • 1.被测溶液是均匀、非散射介质
        • 2.入射光是平行单色光
      • Lamber-Beer定律
        • A=lg·I0/I=-lgT=kbc【溶液浓度单位不同时，比例常数k分别用ε（摩尔吸光系数）a（吸光系数）表示】
          • 当c以mol/L 、厚度以cm为单位时，A=εbc
          • 当c以g/L、厚度以 cm为单位时，A=abc
          • ε=aM（M:g/mol）在定量分析时，ε越大，测定的灵敏度越高
  • 紫外-可见分光光度计
    • 主要部件
      • 光源：应具有足够的光强度和良好稳定性
        • 氢灯火氚灯
          • 紫外光区的光源（10~400nm）
        • 钨灯或卤钨灯（卤钨灯在发光强度和使用寿命上均优于钨灯）
          • 可见光区的光源（400~760nm）
      • 单色器
        • 作用
          • 将来自光源的连续光谱按波长顺序色散，并从中选择出所需的单色光
        • 包括
          • 入口狭缝
          • 出口狭缝
          • 准直镜
          • 色散元件【单色器中最重要的部件】
            • 作用
              • 将复合光色散成单色光
            • 包括
              • 棱镜
                • 由玻璃（用于可见光区）或石英（用于紫外或可见光区）制成
                • 棱镜色散后所得的光谱，波长的分布不均匀，色散是非线性的
              • 光栅
                • 常用的是平面反射光栅，用铝作为反射面
                • 光栅的色散是线性的
      • 吸收池
        • 玻璃（用于可见光区）、石英（可用于紫外或可见光区）制成
        • 吸收池的透光面应垂直于光束方向；使用时，进行校正（△T<0.5%）
      • 检测器
        • 作用
          • 检测光信号，将光信号转变为电信号
        • 常用的检测器有光电管和光电倍增管
      • 显示系统
        • 将检测器输出的信号经处理转换成透光率T和吸光度A
          • 表头
          • 记录仪
          • 屏幕
          • 数字显示
    • 测量条件的选择
      • 测量波长选择
        • 无干扰时，选择最大波长λmax作为侧量波长
        • 若干扰组分在待测组分λmax处也有吸收时，就不宜选择λmax作为侧量波长 ，应根据“吸收大、干扰小”的原则选择测量波长
      • 吸光度的读取范围选择
        • 计算光度误差△c/c=0.434△T/TlgT，T%在15%~65%或A在0.2~0.8范围内，浓度相对误差较小，不大于1.78%，为得到较高的测量准确度，A的读数一般应在0.2~0.8范围内
        • 控制吸光度范围的方法
          • 控制溶液浓度
          • 选择适宜的吸收池
          • 采用示差分光光度法
      • 参比溶液选择
        • 溶剂参比
        • 试剂参比
        • 试样参比
        • 平行操作参比
        • 四种参比溶剂的比较
  • 定性及定量分析
    • 定性分析
      • 物质对光的选择性吸收
    • 定量分析
      • 标准曲线法【有机物】
        • 配置一系列不同浓度的标准溶液，在待测物质的λmax下，以适当的空白溶液作参比，逐一测定A；以A为横坐标，c为横坐标，绘制标准曲线
      • 直接比较法【有无机物】
      • 双波长分光光度法
        • 等吸收点法
          • 当干扰组分吸收光谱具有吸收峰时，可采用等吸收点法消除干扰
          • 是指在干扰组分的吸收光谱上，选择两个适当的波长λ1和λ2，干扰组分在这两个波长上具有相等的A，而待测组分对这两个波长的吸光度差值足够大，以便有足够高的灵敏度
• 原子吸收分光光度法AAS
  • 概念
    • 也称原子吸收光谱法：是基于待测元素的基态原子蒸汽对特征谱线（共振线）的吸收程度建立起来的分析方法
  • 优点
    • 灵敏度高、检出限低
    • 准确度较高、相对误差小
    • 选择性好、抗干扰能力强、易于消除
    • 分析速度快、易于实现自动化
    • 及应用范围广
  • 基本原理
    • 原子吸收光谱的产生
      • 当原子最外层电子吸收一定频率的辐射时，将从基态（最稳定的状态，最低能级）跃迁到激发态（较高能级），激发态不稳定，一般在10-8~10-7秒之后回到基态并释放能量，原子对辐射选择性吸收而产生的光谱
      • 共振线
        • 共振吸收线
          • 电子从基态跃迁到第一电子激发态（能量最低的激发态）吸收一定频率的辐射，由此产生的吸收谱线
        • 共振发射线
          • 电子从第一电子激发态再返回基态时，则发射相同频率的辐射，由此产生的吸收谱线
        • 两线波长、能量相同
        • 特点
          • 是元素的最灵敏谱线
          • 是元素的特征谱线
      • 原子吸收光谱的特点
        • 1.线光谱
        • 2.△E=1~20eV，因此原子吸收光谱分布于紫外-可见光区
        • 3.△E=E2 -E1=hv
        • 4.吸收光谱只产生在基态到第一激发态或有限激发态的跃迁，谱线简单
        • 5.不同元素原子结构不同，△E不同，原子吸收光谱不同，各元素原子吸收光谱之间的干扰少
    • 谱线轮廓和谱线宽度
      • 原子光谱的谱线轮廓呈峰形，即谱线强度随频率或波长变化
      • 影响谱线变宽的原因
        • 内因（由原子性质所决定）
          • △νN自燃宽度
            • 无外界影响的情况下，谱线固有的宽度，与激发态原子的平均寿命有关，平均寿命越长，谱线宽带越窄，△νN约为10-5nm
        • 外因（外界影响所引起）
          • △νD多普勒变宽
            • 由于原子的无规则热运动引起的谱线变宽，称热变宽，△νD约为10-3nm【无火焰原子吸收分析低浓度试样时】
          • 碰撞变宽
            • △νC洛伦兹变宽
              • 压力变宽，其大小随气体压力的增加和温度升高而增大，△νC约为10-3nm【用火焰原子吸收分析时】
            • △νH霍尔兹马克变宽
              • 共振变宽，通常分析条件下，这种宽度可以忽略
        • 无论何种因素引起的谱线变宽，都会导致原子吸收分析的灵敏度下降
    • 原子吸收值与原子浓度的关系
      • A=lg·I0/I=-lgT=0.4343KVL；
      • 当用锐线光时将K0代替KV，用吸光度表示：A=k·N0·L，因为N0 ∝C，所以A=KC
      • A=k·N0=KC；当用锐线光源时，所得A与原子蒸汽中待测元素的基态原子数N0（即物质浓度）成正比
      • 玻尔兹曼分布
        • • 基态原子总数=吸收辐射的总原子数
  • 原子吸收分光光度计
    • 光源
      • 要求
        • 1.能发射待测元素的共振线
        • 2.能发射锐线
        • 3.辐射光强度大，稳定性好
      • 空心阴极灯
        • 构造
          • 空心阴极：钨棒作成圆筒形筒内融入待测元素
          • 阳极：钨棒装有钛等金属作成
          • 管内充气：氩、氖气
          • 工作电压：150~300V
        • 作用
          • 发射被测元素的特征共振辐射
    • 原子化系统
      • 作用
        • 提供能量，使试样干燥、蒸发和原子化转变为基态原子蒸汽，并对光源发出的特征辐射产生吸收【气态基态原子蒸汽越多，测定的灵敏度、准确度越高】
      • 类型
        • 火焰原子化
          • 原理
            • 利用化学火焰的温度计火焰的氧化还原气氛，将试样中待测元素原子化
          • 构成
            • 雾化器
              • 由不锈钢或聚四氟乙烯做成
            • 雾化室
              • 混合室的作用是使细微雾滴与燃气、助燃气充分混合均匀，平稳地输送雾滴以减少它们进入火焰时对火焰的扰动；并使大雾滴从废液管排出，要求雾化室的记忆效应小
            • 燃烧器
              • 单缝、双缝和三缝5、10cm;燃烧器的高度可以调节，以便选择适宜的火焰原子化区域
            • 火焰
              • 富燃火焰≥
              • 中型火焰=
              • 贫燃火焰≤
              • 燃气/助燃气
          • 优点
            • 重现性好
            • 精密度高
            • 设备简单
            • 易操作
          • 缺点
            • 同轴气动雾化器的雾化效率低（5~10%）
            • 灵敏度不高（10-6~10-9g/L）
            • 试液消耗量在0.5ml以上，使浓度低、试样量少的试样分析受到限制
            • 不能分析固体样品
        • 石墨炉原子化
          • 原理
            • 利用电热的方法使试样原子化
          • 原子化的过程
            • 干燥
              • 目的：去除样品中的溶剂或水分
            • 灰化
              • 作用：除去基体中的有机物
            • 原子化
              • 试样经过干燥、灰化后，待测元素在原子化阶段转化为基态原子蒸汽并对来自光源的特征谱线产生吸收，由检测系统测定A
            • 净化
              • 是对石墨管空烧处理，以去除石墨管内的残留物，防止记忆效应
          • 构成
            • 电源
              • 10~25V，500A；用于产生高温
            • 保护系统
              • 保护气（Ar）分成两路
            • 管外气
              • 防止空气进入，保护石墨管不被氧化、烧灼
            • 管内气
              • 流经石墨管两端及加样口，保护石墨管内待测原子不被氧化并驱除加热初始阶段样品产生的蒸汽
            • 石墨管
              • 通过程序升温使样品进行原子化
            • 冷却水
              • 金属炉体周围通水，能迅速降温，保护炉体，使石墨管表面温度不超过60℃，便于开始新的一次升温
          • 优点
            • 具有较高的可控温度~3200℃
            • 原子化效率高
            • 原子蒸汽在光程中的滞留时间长10-1~10-2s
            • 样品消耗量少
            • 抗干扰能力强---灰化分离
            • 灵敏度高10-9~10-14g/L
          • 缺点
            • 精密度、重现性差 1.5~5%
            • 测定速度慢，操作不够简单，装置复杂
            • 基体、背景干扰较严重，需要校正
        • 低温原子化
          • 氢化物原子化
            • 用于汞的测定，但发生器中汞离子被SnCl2，还原产生的是金属汞而不是氢化物
            • 优点
              • 1.灵敏度高，可检测到数量级的含量
              • 2.选择性好，基体干扰和化学干扰较少
          • 冷原子化
      • 干扰及消除
        • 光谱干扰
          • 指谱线重叠引起的干扰
          • 抑制方法：减少狭缝宽度以滤去不必要的谱线，或者另选分析线避开其他谱线的干扰
          • 消除干扰的方法：选择待测元素的其他吸收线或者预先分离试样中干扰元素
        • 电离干扰
          • 待测元素在原子化过程中发生电离，使基态原子数减少，而造成A下降
          • 消除方法
            • 1.在标准溶液和试样溶液中加入过量的易电离元素，产生大量自由电子，从而抑制待测元素的电离作用，可降低或消除电离干扰
            • 2.降低原子化温度，也可抑制电离干扰
        • 化学干扰
          • 待测元素与共存组分作用生成难离解的化合物，使待测元素基态原子数减少
          • 抑制方法方法
            • 加入释放剂、保护剂或缓冲剂
              • 释放剂作用：是与干扰组分形成更稳定或更难发挥的化合物，使待测元素释放出来
              • 保护剂作用：是与待测元素形成稳定化合物，阻止了待测元素与干扰组分结合成难离解或难挥发的化合物，而保护剂与待测元素形成文sing的化合物在原子化条件下易离解和原子化
            • 提高原子化温度、化学分离等也可消除或减少化学干扰
        • 物理干扰
          • 消除方法
            • 配制与试样溶液有相似物理性质的标准溶液
            • 简单稀释的方法减少
        • 背景吸收
          • 是一种来自原子化器的连续光谱干扰
          • 常用氚灯背景校正和塞曼效应背景校正
      • 工作程序
    • 分光系统
    • 检测系统
    • 显示系统
  • 与紫外-可见吸收分光光度法比较
• 分子荧光分析法
  • 概念
    • 利用荧光物质的荧光谱线位置及其强度进行物质进行物质定性和定量分析的方法称为荧光分析法
  • 特点
    • 1.灵敏度高，检出限比紫外可见吸收法低1~3个数量级，可测定10-7~10-9g/L的物质
    • 2.选择性高
    • 3.样品用量少，方法简便
  • 基本原理
    • 荧光的产生
      • 处于基态的分子吸收能量后被激发至激发态，激发态很不稳定的，分子通常以辐射跃进和非辐射跃进等方式释放多余的能量，又重新跃迁回基态，发射荧光只是其中的一种途径
        • 振动驰豫
        • 内部转移
        • 系间跨越
        • 能量外部转移
        • 非辐射跃进
        • 荧光发射
          • 当处于激发单重态的电子经过振动驰豫和能量内部转移回到第一电子激发单重态的最低振动能级后，以辐射的形式跃迁回到基态的个振动能级的过程
        • 磷光发射
          • 激发态的电子经系间跨越后到达激发三重态，经过迅速完成的振动驰豫而跃迁至激发三重态的最低振动能级，然后以辐射跃进的形式回到基态的各振动能级的过程
        • 辐射跃进
    • 荧光物质的激发光谱和荧光光谱
      • 激发光谱
        • 保持荧光发射波长不变，依次改变激发光波长，测定物质在不同波长的激发光激发下所得到的荧光强度F【荧光强度F随激发光波长变化的曲线，F最大值所对应的波长就是最大激发波长，是激发荧光最灵敏的波长】
      • 荧光（发射）光谱
        • 保持激发光波长不变，依次改变荧光发射波长，测定样品在不同波长处发射荧光强度F【荧光强度F随发射光波长变化的曲线，F最大值所对应的波长就是最大发射波长，是荧光光谱最灵敏的波长】
        • 特征
          • 1.荧光波长和荧光光谱的形状，不随激发光波长改变
          • 2.荧光波长比激发波长稍长
          • 荧光光谱与吸收光谱常为镜像对称
    • 荧光与分子结构的关系
      • 条件
        • 1.物质分子必须具有强的紫外-可见光的吸收
        • 2.荧光物质必须具有较高的荧光效率
      • 荧光效率
        • 指物质发射荧光的光子数与所吸收的激发光光子数的比值【荧光效率越大，化合物的荧光越强，取值在0~1之间；荧光效率的大小取决于物质分子的分子结构及荧光分子所处的环境条件】
      • 荧光与有机化合物分子结构的关系
        • 共轭双键
          • 共轭体系越大，越易产生荧光，荧光效率增大
        • 刚性平面结构
          • 在荧光分子共轭程度相同时，具有刚性平面结构的有机化合物分子具有较强的荧光发射
        • 取代基的影响
          • 1.给电子基增强荧光
          • 2.吸电子基减弱荧光
          • 3，与共轭体系作用小的取代基影响不明显
  • 定性分析
    • 由于不同的物质其组成与结构不同，所吸收光的波长和发射光的波长也不同，利用这个特性进行物质的定性鉴别
  • 定量分析
    • 如果该物质的浓度不同，它所发射的荧光强度就不同，测量物质的荧光强度可对其进行定量测定
      • 荧光强度与荧光物质浓度关系
        • 当溶液浓度很稀时（abc≤0.05），则F=2.303kΦFI0abc【ΦF为荧光效率；I0为入射光强度；a为吸光系数；b为液层厚度；c为物质浓度】
  • 荧光分析仪器
    • 光源
      • 灯或高压汞灯（200~800nm）
    • 分光系统
      • 具有两个单色器，两个滤光片或光栅分别置于样品池前后【通常与激发光源程90°角的位置（消除光源透过光的影响），用于选择荧光发射波长】
    • 样品池
      • 石英池，四壁透明
    • 检测器
      • 光电池或光电倍增管，与激发光程直角的方向检测荧光
    • 记录与显示装置