光分析化学复习

化学

光学分析法

利用光电转换或其它电子器件测定“光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。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。

狭缝宽度的选择原则

1. 定性分析：选择较窄的狭缝宽度—提高分辨率，减少其它谱线的干扰，提高选择性；
2. 定量分析：选择较宽的狭缝宽度—增加照亮狭缝的亮度，提高分析的灵敏度；
3. 应根据样品性质和分析要求确定狭缝宽度。并通过条件优化确定最佳狭缝宽度。
4. 与发射光谱分析相比，原子吸收光谱因谱线数少，可采用较宽的狭缝。但当背景大时，可适当减小缝宽。

理想的光电转换器要求

1. 灵敏度高；
2. S/N大；
3. 暗电流小；
4. 响应快且在宽的波段内响应恒定。

光学分析法的分类

光谱法:辐射能与物质相互作用后，引起物质内能的变化，发射或吸收光子，特点是:波长和强度均可测量。
紫外-可见吸收光谱、微波吸收、电子顺磁共振光谱、分子荧光光谱 、核磁共振谱、磷光光谱、原子吸收、原子发射、红外吸收光谱 、原子荧光光谱、拉曼光谱

非光谱法:辐射能与物质相互作用后，导致辐射方向和物理性质的改变。
折射法、偏振法、旋光色散法、浊度法

光分析法优点：

1. 灵敏度高，检出限低
2. 分析速度快；
3. 选择性好；
4. 应用范围广。

原子吸收分析法

原子吸收分析法是基于从光源发射的待测元素的特征辐射通过样品蒸气时，被蒸气中待测元素的基态原子吸收，根据辐射的减弱程度来求得样品中被测元素含量。

根据原子化方式的不同可分为:火焰原子化法&非火焰原子化法。

火焰原子化法的缺点：

1. 雾化效率低，到达火焰的试样量仅为提升量的 5-15%，大部分试样通过废液管道排出;
2. 火焰气体的稀释作用与高速度燃烧，一方面使原子化降低，另一方面使原子在吸收区停留时间很短 (10-3秒)。使灵敏度受到限制，不能用于测定10-9克数量级的含量。
3. 试样消耗量大，一般为0。5 - 1。0mL，对于那些来源困难，数量较少的样品分析，如血液，生物组织等样品便受到了限制。
4. 只适用于液体试样，不能直接分析固体试样。

石墨炉原子化法的特点：

1. 灵敏度高，检测限低。
2. 用样量少
3. 试样直接注入原子化器，从而减少溶液一些物理性质对测定的影响，也可直接分析固体试样
4. 排除了火焰原子化法中存在的火焰组分与被测组分之间的相互作用，减少了由此而引起的化学干扰。
5. 可以测定共振吸收线位于真空紫外区的非金属元素I，P和S等。
6. 石墨炉原子化法所用设备比较复杂，成本较高。但石墨炉原子化器在工作中比火焰原子化系统安全。
7. 石墨炉产生的总热量比火焰小，因此基体干扰严重，测量精度比火焰原子化法差。

石墨炉炉体结构的要求

1. 接触良好
2. 惰性气体保护
3. 水冷保护

石墨炉温度控制

1. 电压反馈式
2. 电流反馈式
3. 光电控制

可调式梯度升温的优点

1. 能避免干燥期间试样喷溅流散
2. 能有效消除基体组分的影响
3. 提高检测能力
4. 能够在石墨管内进行化学预处理

原子化过程主要有三种反应

1. 热分解反应
2. 还原反应
3. 许多元素在石墨炉内的高温反应中形成碳化物

石墨炉结构的缺点：

1. 炉温分布不均匀．石墨管中心温度高，二端温度低，热梯度超过1000℃／cm。
2. 管壁温度高于管内气氛温度，相差可达1300 C。
3. 石墨炉升温速度慢，原子化时正处于温度变化速率大的区间．

石墨炉消除干扰的方法

1. 化学预处理
2. 使用改进剂
   　　　A. 如在测定海水中Cu时，加入NH4NO3可以降低氯化物对Cu的挥发损失
   　　　B. 降低待测元素的挥发性
3. 背景校正技术

化学原子化法

化学原子化法也被称为低温原子化法，或低温蒸发技术，这一技术使化合物在低温下热解，温度可降至室温。

ICP

电感耦合等离子体（英语：Inductively Coupled Plasma，缩写：ICP）是一种通过随时间变化的磁场电磁感应产生电流作为能量来源的等离子体源。

ICP进样装置与技术

1. 气动雾化进样
2. 火花烧蚀进样
3. 直接试样插入
4. 电热进样技术
5. 激光烧蚀进样
6. 氢化物发生法
7. 生成挥发物进样技术（硅、砷、汞和锇的测定）
8. 微量溶液进样技术
9. 浆液雾化进样装置

ICP-AES的分析应用

1. 钢铁及其合金分析
2. 有色金属及其合金
3. 水样分析
4. 环境试样分析
5. 地质样品和矿石矿物样品分析
6. 食品和饮料分析

双波长分光光度法

工作原理：从光源发射出来的光束，分别经过两个可调节的单色器，得到两束不同波长的单色光，利用斩光器，使两束光分别交替地照射到同一个吸收池上，然后光电倍增管交替地接收通过样品池的信号，再经过电子线路装置转换为它们的吸光度差ΔA。

双波长测定方法

1. 等吸收点法（等吸收点:指在某一波长上的吸光度不随浓度的变化而发生改变）。
2. 无等吸收点
3. 双峰双波长法

双波长法的应用

1. 混浊背景的双波长法
2. 混合组分测定
3. 单组分的双峰双波长测定

双波长分光光度法的特点：

1. 仅使用一个吸收池。
2. 可用于混浊样品，复杂样品中特定组分的测定。
3. 信号差，不受光源电压和外部电源变化的影响。
4. 可以追踪化学反应。

获得导数光谱的方法：

1. 电子微分
2. 数值微分法
3. 波长调制法
4. 双波长扫描法

导数光谱的测量

1. 切线法
2. 峰-峰法
3. 峰-零法
4. 零点法(或基线相交法)
5. 面积法

吸收光谱与导数光谱的峰和谷的关系

1. 零阶曲线的极大处，相应于奇阶导数(n=1，3，5…)曲线零点;零阶曲线的拐点处，相应于奇阶导数曲线的极大或极小，这有助于精确确定吸收峰的位置和肩的存在。
2. 偶阶导数(n=2,4 •••)曲线的形状与零阶曲线较为相似，零阶曲线的极大处相应于偶阶导数曲线的极大或极小;零阶曲线的拐点相应于偶阶导数曲线通过零点。
3. 谱带的极值数随导数阶数的增加而增加，一个吸收带经过n次求导后,产生 的极值(包括极大和极小)数为n十 1个。
4. 在导数曲线中,随着求导阶次的增加,谱带变锐,带宽变窄,二阶导数曲线的半宽度仅为零阶曲线半宽度的1/3; 四阶导数曲线仅为零阶曲线半宽度的1/5。

导数分光光度法的特点

1. 对弱信号的放大作用
2. 提高选择性
3. 识别肩峰

分子发光

处于基态的分子吸收能量（电、热、化学和光能等）被激发至激发态，然后从不稳定的激发态返回至基态并发射出光子，此种现象称为发光。

包括荧光、磷光、化学发光、生物发光等。

荧光和磷光

物质吸收光能后所产生的光辐射称之为荧光和磷光（但荧光和磷光也是有一些区别的）。

分子发光的类型：

按分子激发态的类型分类：
1. 荧光:由第一电子激发单重态所产生的辐射跃迁而伴随的发光现象.
1. 磷光:由最低的电子激发三重态所产生的辐射跃迁而伴随的发光现象

按激发模式分类：
1. 光致发光:分子因吸收外来辐射的光子能量被激发所产生的发光.
1. 化学发光:分子的激发能量是由反应的化学能提供.
1. 生物发光:分子的激发能量是由生物体释放出来的能量提供.
1. 热致发光:由热活化的离子复合激发模式所引起的发光现象.
1. 场致发光:由电荷注入激发模式所产生的发光.
1. 摩擦发光:由摩擦激发模式所产生的发光.

荧光的类型

从发射机制考虑

1. 瞬时荧光:通常在吸收激发光后大约10-8s 内发射的,是由激发过程中最初生成的S1激发态所产生的辐射.
   瞬时荧光可能由处于S1激发态的分子或S1激发态分子与基态分子所形成的激发态二聚体产生的.
2. 迟滞荧光：物质分子在刚性或粘稠介质中,除了磷光谱外,还可能观察到另一种长寿命的发射谱带, 但这个发射谱带波长比磷光谱带波长要短.往往把这种长寿命发射的谱带称为迟滞荧光
   迟滞荧光分为E-型迟滞荧光, P-型迟滞荧光和复合荧光三种类型。

从比较荧光和激发光的波长考虑
1. 斯托克斯（stokes)荧光
1. 反斯托克斯荧光（antistokes)
1. 共振荧光

斯托克斯（stokes)荧光、反斯托克斯荧光（antistokes)

斯托克斯（stokes)荧光：在溶液中观察到的荧光, 其发射的荧光比激发光的波长要长.
反斯托克斯荧光（antistokes)：如果在吸收光子的过程又附加热能给予激发态分子,则发射的荧光波长比激发光的波长短.这种荧光可在高温的稀薄气体中观察到.

光谱特征

任何荧（磷）光都具有两种特征光谱：激发光谱与发射光谱。它们是荧（磷）光定性分析的基础。

激发光谱：改变激发波长，测量在最强荧（磷）光发射波长处的强度变化，以激发波长对荧光强度作图可得到激发光谱。

发射光谱：如果使激发光的波长和强度保持不变,而不断改变荧光的测定波长(发射波长)并记录相应的荧光强度,所得到的荧光强度对发射波长的谱图则为荧光的发射光谱.

激发光谱与发射光谱的关系

1. 波长比较：与激发（或吸收）波长相比，荧光发射波长更长，即产生所谓Stokes位移。（振动弛豫失活所致）
2. 形状比较：荧光光谱形状与激发波长无关。不管激发波长如何，电子都是从第一电子激发态的最低振动能层跃迁到基态的各个振动能层。
3. 镜像对称：通常荧光光谱与吸收光谱呈镜像对称关系。由于激发态和基态的振动能层分布具有相似性，因而呈镜像对称。

荧光寿命

当激发光切断后荧光强度衰减至原强度的1/e所经历的时间。

荧光量子产率

荧光物质吸光后所发射的荧光的光子数与所吸收的激发光的光子数之比值。

瑞利散射

激发波长太长，其能量不足以使分子中的电子跃迁到电子激发态，但能将电子激发到基态中较高振动能级。若电子在受激后能量没有损失并在瞬间（10-12s)内又回到原来的能级。于是便在各个不同的方向发射出与激发光波长相同的辐射。

拉曼散射

被激发至基态中较高振动能级的电子,当返回到比原来稍低的振动能级时,便产生波长略长于激发波长的拉曼散射光.拉曼光的强度远比瑞利散射和荧光弱.荧光谱带有特征波峰,而拉曼光的波长是随激发光的波长的改变而改变.

荧光强度与分子结构的关系：

1. σ键：沿核间连线方向由电子云重叠而形成的化学键称为σ键. σ键可分为共价键和配位键两种,共价键的两个电子分别来自两个原子,配位键的两个电子来自同一原子而后由两个原子共享.(头对头)
2. ∏键：当两个原子的轨道(p轨道)从垂直于成键原子的核间连线方向接近,发生电子云的重叠而成键.(肩并肩)
3. 未成键电子(n电子)：在元素周期表中,有些元素的原子,其外层电子数多于4(如N,SO),他们在化合物中往往有未参入成键的价电子,这些电子称为n电子. 如右图甲醛的成键情况.
4. 物质的分子,除了组成化学键的那些能量低的分子轨道外,每个分子还有一系列能量较高的空轨道.这些空轨道称为反键轨道. 有机分子中的价电子排列在能量不同的轨道上.

强荧光物质的特征:

1. 具有大的共轭∏结构.
2. 具有刚性的平面结构
3. 具有最低的单线电子激发态S1为∏1,∏1﹡型
4. 取代基团为给电子基团

化学环境对荧光的影响

1. 温度的影响：大多数荧光物质的荧光效率和强度随着温度升高而降低.因为温度的升高增加了分子的内部能量转化.
2. 溶剂效应
3. pH值影响
4. 重原子效应：外部重原子效应&内部重原子效应
5. 溶解氧效应

荧光分析法的应用

1. 无机，金属离子的分析
2. 有机分子的分析
3. 蛋白质的测定
4. 药物分子与蛋白质的相互作用
5. 荧光分析法在核酸分析中的应用-DNA结构

多光子荧光的特点

1. 荧光分子的多光子激发需要的激光波长比单波长长。如双光子激发波长大约是单光子激发所需激发波长的一倍。因此多光子激发能够用红外或者近红外光代替紫外光源。
2. 多光子激发只产生在焦点附近的一个极小区域中。依赖于多个光子同时到达,只有焦点处能满足多个光子同时达到产生多光子吸收。
3. 荧光强度与激发光功率对数的斜率（n）反映了荧光物质在被激发时吸收的光子数。（连续激光、脉冲激光、高的瞬时功率）

多光子荧光成像的特点

1. 对生物样品的光损伤小
2. 有效观测时间长（多光子成像减少光漂白）
3. 穿透深度深
4. 荧光收集率高
5. 信噪比高
6. 对探测光路的要求低
7. 适合多标记复合测量

多光子技术应用研究进展

1. 钙生物学研究
2. 神经学研究
3. 胚胎学与组织学研究
4. 分子生物学研究
5. 代谢过程研究
6. 化学疗法的动态跟踪
7. 笼锁化合物的定点释放
8. 荧光关联谱学
9. 多光子光谱学
10. 三维光学存储

单分子检测

1. 电子基态向电子激发态的跃迁,其速率与激发光功率成线性关系;
2. 电子激发态的内弛豫;
3. 由电子激发态向电子基态的辐射或非辐射跃迁,其速率与激发态寿命有关;
4. 电子基态的内弛豫.

单分子检测方法：

1. 光子爆发检测：光子爆发检测最为简单,直接测定爆发的光子数.
2. 单分子图象记录：单分子成像可指示分子在图像中的位置和发光强弱,实时跟踪记录单分子
3. 单分子光谱测绘：单分子荧光光谱的形状和强度随时间而波动,这种波动源自单分子荧光的典型特征-量子跳跃现象.这些固有的涨落包含着有关单分子和其周围环境之间丰富的动态信息。
4. 荧光相关光谱

单分子荧光的判断标准:

1. 检测到的荧光信号出现的频率或数目必须与分析物的浓度成线性关系,而信号的强度不变;
2. 光漂白要么完全发生,要么完全不发生,不存在中间模式;
3. 由于分子所处环境的扰动,不同分子的光谱,不同时间的光谱是变化的;
4. 信号依赖于激发强度,对单个分子而言会出现饱和;
5. 检测到的荧光数目不能超过单个分子在一个荧光周期内所能发射的光子数.
6. 由于分子之间是彼此分离的,荧光信号与时间的关系应该呈现出反群聚性.

原子力显微镜常用的样品基底：

1. 云母
2. 金表面
3. 硅表面
4. 石墨(HOPG)

化学发光

由化学反应产生能量,吸收了化学反应能的原子或分子由激发态回到基态时产生的这一光辐射现象叫化学发光

化学发光反应的基本条件

1. 该反应必须提供足够的激发能，导致电子从基态跃迁至激发态,这一电子跃迁常常伴随有分子的振动和转动变化.
2. 在多步骤反应中,由于化学激发的瞬时性,这个能量必须由某一步单独提供。
3. 处于激发态的分子或原子必须具有一定的化学发光量子效率使其能释放出光子,或者能够转移它的能量给另一个分子使之处于激发态,在从激发态回到基态的过程中释放出光子.

化学发光反应的主要类型

1. 自身化学发光反应
2. 敏化化学发光
3. 偶合化学发光反应
4. 光解化学发光
5. 火焰化学发光
6. 电致化学发光

化学发光试剂的主要类型

1. 鲁米诺(luminol)(1),异鲁米诺(isoluminol)(2)和它们的衍生物
2. 丫啶衍生物
3. 过氧草酸盐类
4. 二氧杂环丁烷类
5. 贵金属络合物发光试剂

化学发光分析法的应用:

1. 无机物的分析
2. 有机物和药物分析
3. 生物体内活性氧的化学发光研究
4. 化学发光在核酸杂交分析中的应用

隐失场的特点

1. 远场区电磁场强度随R成反比, 电场强度和功率在0和360度时为零;
2. 近场区电场强度随R三次方成反比, 是隐失场, 在0和360度时最大。
3. 对径向矢量R而言, 无论近场还是远场, B只有横向分量, 电场在近场横向纵向分量都有, 远场只有横向分量。
4. 近场是准静态场, 磁场比电场小很多倍, 近场区是电场。
   远场是辐射场, 近场是非辐射场。

近场光学显微镜技术要点

1. 探针尺寸越小越好, 小于波长.
2. 探针与样品间距离越小越好
3. 小区域成像, 要扫描

计算题

1. 第四章 导数光谱（对弱信号的放大作用）
   假如相互重叠的两个组分(x和y)吸收峰的宽度分别为:Hwx=5nm,Hwy=25nm,则经过四次微分之后,窄带x 比宽带y的导数光谱放大多少倍?
   解：

   $$(Aw^x/Aw^y)^4=(Hw^y/Hw^x)^4 =(25/5)4 =54$$
   假如相互重叠的两个组分(x和y)吸收峰的宽度分别为:Hwx=3nm,Hwy=9nm,则经过三次微分之后,窄带x 比宽带y的导数光谱放大多少倍?
   解：

2. 第五章 荧光光谱（拉曼散射）
   如果激发波长是480nm,拉曼散射峰是多少?
   
   注意! 1/ex和1/x的单位是m-1!
   如果激发波长是500nm,拉曼散射峰是多少?
   解：

3. 第六章 多光子激发荧光原理（多光子荧光成像）
   假设单光子激发的散射系数为1，则双光子激发的散射系数为$1/Ｎ^4 ＝１/ 2^4 = １/ 16$。
   那么三光子激发的散射系数是多少？
   解：