现代分析测试技术研究生实验讲义.doc

现代分析测试技术实验讲义山东轻工业学院分析测试中心2009-3-24实验一 红外光谱法测定苯乙酸、丁二醇一、实验目的1、了解红外光谱仪的结构、工作原理，熟悉红外光谱仪的使用方法。2、掌握KBr压片法和液膜法制备样品的方法。3、了解苯乙酸、丁二醇的红外光谱特征，通过实践掌握有机化合物的红外光谱鉴定方法。二、实验原理 红外光谱是由于分子振动能级的跃迁（同时伴随转动能级跃迁)而产生的。物质能吸收电磁辐射应满足两个条件，即：（1）辐射应具有刚好能满足物质跃迁时所需的能量，（2）辐射与物质之间有相互作用。当一定频率（一定能量）的红外光照射分子时，如果分子中某个基团的振动频率和外界红外辐射的频率一致，就满足了第一个条件。为满足第二个条件，分子必须有偶极矩的改变。任何分子就其整个分子而言，是呈电中性的，但由于构成分子的各原子因价电子得失的难易，而表现出不同的电负性，分子也因此而显示不同的极性，通常用分子的偶极矩m 来描述分子极性的大小。由于分子内原子处于在其平衡位置不断振动的状态，在振动过程中m的瞬时值亦不断地发生变化，分子具有确定的偶极距变化频率，上述物质吸收辐射的第二个条件，实质上是外界辐射能量迁移它的到分子中去。而这种能量的转移是通过偶极距的变化来实现的。可用图2-1的示意简图来说明。当偶极子处在电磁辐射的电场中时，此电场作周期性反转，偶极子将经受交替的作用力而使m增加和减小。由于偶极子具有一定的原有振动频率，显然，只有当辐射频率与偶极子频率相匹配时，分子才与辐射发生相互作用（振动偶合）而增加它的振动能，使振动加激（振幅加大），即分子由原来的基态振动跃迁到较高的振动能级。可见，并非所有的振动都会产生红外吸收，只有发生偶极距变化的振动才能引起可观测的红外吸收谱带，我们称这种振动活性为红外活性的，反之则称为非红外活性的。图1-1 偶极子在交变电场中的作用示意图由上可见，当一定频率的红外光照射分子时，如果分子中某个基团的振动频率和它一样，二者就会产生共振，此时光的能量通过分子偶极距的变化而传递给分子，这个基团就吸收一定频率的红外光，产生振动跃迁；如果红外光的振动频率和分子中各基团的振动频率不符合，该部分的红外光就不会被吸收。因此若用连续改变频率的红外光照射某试样，由于该试样对不同频率的红外光的吸收与否，使通过试样后的红外光在一些波长范围内变弱（被吸收），在另一些范围内则较强（不吸收）。将分子吸收红外光的情况用仪器记录，就得到该试样的红外吸收光谱图，如图2-2所示。图1-2 烯烃（CH3-(CH2)3-CH=CH2）的红外光谱图三、仪器与试剂傅立叶红外光谱仪（IRPretige-21，日本岛津公司），压片机，不锈钢模具和样品架，玛瑙研钵， KBr晶片，不锈钢刮刀，不锈钢镊子，红外烤箱。 苯乙酸（分析纯），KBr粉末（光谱纯），丁二醇（分析纯），无水乙醇（分析纯）。四、样品准备及其要求红外光谱是通过检测分子特征官能团进而推断物质结构的一种方法，多用于物质化学结构的定性测试，因此红外光谱测试的样品必须是反应前后分子中官能团发生变化的物质；如果反应前后分子的官能团没有发生变化，进行红外光谱实验没有任何的意义。一般要想得到一张质量相对较好的红外谱图，对所做的样品有明确的基本要求：（1）试样纯度应98%；（2）试样中不应含有游离水；（3）试样透射比最好处于10%80%范围内。五、实验操作步骤1.溴化钾压片制备样品将3mg的苯乙酸放入玛瑙研钵中，加入300mg干燥的KBr粉末，混合研磨使其分散均匀，使其粒度在2.5m以下，用不锈钢刮刀移取200mg混合粉末于不锈钢模具中，在16MPa的压力下，加压半分钟即可制的透明的样品。2.液膜法制备样品（演示内容） 在两个窗片之间， 取一滴丁二醇涂覆于KBr晶片上，使其在晶片上形成一层液膜。液膜的厚度可以通过调节液体池架上的螺丝调节。3.分别记录苯乙酸和丁二醇的红外光谱。4.注意事项：（1）注意潮气对测试结果的影响 （2）注意振动对测试结果的影响。六、红外谱图分析所谓谱图解析就是根据实验得的红外光谱图的吸收峰位置、强度和形状，利用基团振动频率与分子结构的关系，确定吸收带的归属，确认分子中所含的基团或键，进而推定分子的结构。简单地说，就是根据红外光谱所提供的信息，正确地把化合物的结构 “翻译”出来。1.准备工作 在进行未知物光谱解析之前，必须对样品有透彻的了解，根据样品存在的形态，选择适当的制样方法；注意视察样品的颜色、气味等，它们住往是判断未知物结构的佐证；样品的相对分子质量、沸点、熔点、折光率、旋光率等物理常数，可作光谱解释的旁证，并有助于缩小化合物的范围。2 确定不饱和度由元素分析的结果可求出化合物的经验式，由相对分子质量可求出其化学式，并求出不饱和度。 从不饱和度可推出化合物可能的范围。 不饱和度是表示有机分子中碳原子的不饱和程度。计算不饱和度W的经验公式为： W=1+n4+(n3-n1)/2 式中n4、n3、n1分别为分子中所含的四价、三价和一价元素原子的数目。 二价原子如S、O等不参加计算。当计算得： 当W=0时，表示分子是饱和的，应在 链状烃及其不含双键的衍生物。 当W=1时，可能有一个双键或脂环； 当W=2时，可能有 两个双键和脂环，也可能有一个 叁键； 当W=4时，可能有一个苯环等。3 谱图解析 图谱的解析主要是靠长期的实践、经验的积累，至今仍没有一个特定的办法。一般程序是先官能团区，后指纹区；先强峰后弱峰；先否定后肯定。首先在官能团区（40001300cm-1）搜寻官能团的特征伸缩振动，再根据指纹区的吸收情况，进一步确认该基团的存在以及与其它基团的结合方式。如果是芳香族化合物，应定出苯环取代位置。最后再结合样品的其它分析资料，综合判断分析结果，提出最可能的结构式，然后用已知样品或标准图谱对照，核对判断的结果是否正确。如果样品为新化合物，则需要结合紫外、质谱、核磁等数据，才能决定所提的结构是否正确。 图1-3 正己烷的红外谱图（nC-H 伸缩振动 3000 2800 cm-1 ；nC-H 弯曲振动 1500 1300 cm-1） 图1-4 3-戊酮的红外谱图 （2900-2800cm-1，nC-H 伸缩振动；1700nC=O的伸缩振动）图1-5 丁醛的红外谱图（2900-2800cm-1，nC-H 伸缩振动；2730 cm-1，nCHO， 伸缩振动；1700nC=O伸缩振动）通过以上谱图的分析方法，分析苯乙酸和丁二醇的红外谱图，指出各个特征吸收峰的与分子结构之间的对应关系。七、思考题1. 用压片法制样时，为什么要求研磨到颗粒粒度在2m左右？研磨时不在红外下操作，谱图上会出现什么情况？2. 对于一些高聚物材料，很难研磨成细小的颗粒，采用什么制样方法比较好实验二 电感耦合等离子体发射光谱法测定自来水中的钙、钠、钾一、 实验目的1.学习电感耦合等离子体原子发射光谱分析的基本原理。2.了解电感耦合等离子体的工作原理。3.掌握电感耦合等离子体原子发射光谱法测定水中金属离子的实验技术。二、 实验原理电感耦合等离子体（Inductively Coupled Plasma，ICP）是原子发射光谱（Atom Emission Spectrum，AES）的重要高效光源。等离子体是一种原子大部分已电离的气体。它是电的良导体，因其中的正、负电荷密度几乎相等，所以从整体来看它是电中性的。在ICP-AES测定中，测试溶液首先进入雾化系统，并在其中转化成气溶胶，一部分细微颗粒被氩气载入等离子体的环形中心。进入等离子体焰炬的气溶胶在高温作用下，经历蒸发、干燥、分解、原子化和电离过程，所产生的原子和离子被激发，并发出特定波长的光。发射光通过入射狭缝进入光谱仪，照射在光栅上。光栅通过出射狭缝照射在光电倍增管上产生电信号，此信号输入计算机后与标准的信号相比较，从而计算试液的浓度。电感耦合等离子体焰炬的形成原理：等离子炬管由三层同心石英管组成，外边两层通氩气作为炬管冷却等离子工作气体，内层为样品通道。感应线圈通常用紫铜管环绕2-5匝，高频发生器输出的高频电流在感应线圈内流过，在感应线圈的轴线方向产生一个强烈振荡电场。经高频装置产生火花，氩气部分电离，在高频磁场的加速作用下，带电离子与气体发生碰撞，形成越来越多的电子、离子，电子、离子在垂直于磁场方向的截面上就会感应生成流经闭合圆形路径的涡流，其产生的高热又将气体加热，瞬间形成最高温度达10000的稳定的等离子体焰炬。氩气流在此刻就起到变压器中一匝闭路的次级线圈的作用，它与铜管线圈发生耦合。形成的等离子体焰炬通过耦合作用从高频发生器源源不断地获得能量。三、 送样要求1.提供样品来源、种类、属性（如矿石、合金、硅酸盐、特种固熔体、高聚物等）。尽可能列出主要成份、杂质成份及其（估计）含量；待检元素中最低（估计）含量是多少？对于溶液，请写明介质成份（溶剂、酸碱的种类及其（估计）含量）、 含氟（ F-）与否 ？因为氟（F-）将严重腐蚀雾化器！2.固体样品要制成不含任何有机物的溶液，其最终酸度控制为 5% ，样品量为5-50 ml 。如含悬浮物或沉淀，务必过滤；另请同时送上试剂空白溶液用作扣除空白。3.样品要求处理成溶液以后才送至分析测试中心。四、 仪器与试剂1.美国PE公司Optima 2000 DV 等离子体原子发射光谱仪。2.聚乙烯试剂瓶（500mL），烧杯（500 mL），容量瓶（50 mL，100 mL），吸量管（0.5 mL，0.1 mL）3.1.000g/L的Ca标准贮备溶液 ；1.000g/L的Na标准贮备溶液 ； 1.000g/L的K标准贮备溶液 ；五、 实验内容1.标准系列溶液的配制在两个干净的100mL容量瓶中，分别加入0.5mL的Ca、 Na、 K标准贮备溶液，加去离子水稀释至刻度，摇匀。在两个干净的50mL容量瓶中，分别加入0.1mL的Ca、 Na、 K标准贮备溶液，加去离子水稀释至刻度，摇匀。2.未知试样溶液的配制取2mL自来水于25mL容量瓶中，加去离子水稀释至刻度，摇匀。3.测试步骤A、开机程序（1）打开室内排气装置。（2）打开Polyscience Chiller电源，将Power打到ON，温度调节到20，压力调到4580psig。（3）打开空压机，切割气的输出压力为40120psig。打开氩气，输出压力为80120psig。（4）打开ICP主机电源。打开计算机，运行ICP Winlab Software，击Plasma Control，点火。（5）进入到方法编辑页面。在方法编辑页面里分别输入被测元素的各种参数。（6）按下述操作进行分析测试。B、工作曲线和试样分析（1）吸入空白溶液，得到空白溶液中Ca、 Na、 K的发射信号强度。（2）由低浓度至高浓度分别吸入混合标准溶液，得到不同浓度所对应的Ca、 Na、 K的发射信号强度。（3）吸入样品溶液，分别得到Ca、 Na、 K的发射信号强度。C、关机程序（1）吸入蒸馏水冲洗进样系统5min，排空进样系统，停火，退出Winlab 操作界面。（2）依次关闭ICP，Polyscience Chiller，真空泵，氩气，及排气装置。（3）排空空压机内的水，将空气过滤器倒转过来，排出内部水气。六、 结果处理1.工作曲线和结果分析（1）调出工作曲线，查看线性系数。（2）打开Examin Spectra窗口，观察光谱干扰并进行校正。2.结果打印从Data Manager里调出结果信息，应用软件设置编辑合适的输出格式，打印结果。七、思考题1.简述等离子体焰炬形成的过程。2.通过实验，你体会到ICP-AES分析法有哪些优点？附：AA-6300型原子吸收分光光度计一、送样要求1. 现有12个空心阴极灯，可定量测定Zn， Mg， Cu ，Na ，K ，Fe ，Cr ，Pb， Bi ，Co ，Ni， Mn元素的含量 。2. 可测定矿物、金属、玻璃、陶瓷、水泥、土壤、河水、地下水、饮用水、污水、食品、生物等试样中的金属元素含量。3. 送检样品应为液体，溶液体积不少于10mL；送样者应提供样品主要成分组成及大概浓度范围。4. 若对样品检测有特殊要求，送样者应提供相关检测标准。5. 样品应标识清楚。二、仪器的结构着重讲解光源、原子化器的结构三、标准曲线的浓度范围制备标准样品溶液时，要使未知样品溶液的浓度落在标准系列的浓度范围内。通常在原子吸收光谱法中，吸收在 0.5 以下校准曲线呈现线性，因此最好校准曲线的吸收在 0.3 左右。原子吸收光谱法中吸收灵敏度一般用 1% 吸收值 ( 0.0044 Abs。)或检测限值表示。1% 吸收值是给出0.0044吸收的样品的浓度；检测限值是 相对于 2 倍噪声高度的样品浓度。因为 1% 吸收灵敏度相当于 0.004 Abs。校准曲线的浓度设置，低限样品的浓度应该相当于 10 倍的 1% 吸收值的浓度，上限相当于 70 80 倍的1% 吸收值的浓度，则吸收在 0.04 0.3 之间，可认为是最优的校准曲线的浓度范围。如从检测限值决定校准曲线的浓度范围，校准曲线的最高浓度应该约 1000 倍 检测限值，因为检测限值相当于 1/10 1/20 的 1% 吸收值。实验三 分子荧光法测定维生素B2一、实验目的1. 学习选择荧光激发和发射波长的方法2. 掌握荧光定量分析方法3. 掌握荧光光度计的基本构造和使用方法二、基本原理 某些物质受到一定波长的光照射时，可发射出较长波长的光，而停止照射时，这种光随之消失，这种光称为荧光。根据分子荧光强度与待测物质浓度成正比的关系，可对待测物进行定量分析。这种分析方法称为荧光分析法，它具有极高的灵敏度，在生物分析、食品分析与环境分析等方面是十分有用的分析手段。 在稀溶液中，荧光强度人与人射光的强度I0、荧光量子效率F以及荧光物质的浓度C等有关，可表示为 式中K为比例常数，与仪器性能有关，为摩尔吸光系数，b为液层厚度。所以，当仪器的参数固定后，以最大激发波长的光为人射光，测定最大发射波长光的强度时，荧光强度I。与荧光物质的浓度C成正比。 维生素B2即核黄素，它是一种典型的芳香族荧光物质，结构式、激发光谱与发射光谱如上图。VB2在 430440 nm 蓝光照射下，维生素 B2 就会发生绿色荧光，荧光峰值波长为535 nm。在 pH = 67 的溶液中其荧光最强，在 pH = 11 时其荧光消失。维生素B2在碱溶液中经光线照射后，会发生分解而转化为光黄素，后者的荧光比核黄素的荧光强的多，因此测定维生素2的荧光时，溶液要控制在酸性范围内，切必须在避光条件下进行。YPO4: Eu3+的激发光谱和荧光光谱见下图。 YPO4: Eu3+纳米晶的激发光谱(em=593nm) YPO4: Eu3+纳米晶的发射光谱(ex=393nm)三、仪器及试剂1. 仪器：HITACHI F4500 型荧光光度计，配1cm石英比色皿。100mL棕色容量瓶2个，50mL棕色容量瓶6个，1 mL、5ml移液管各1支2. 试剂：10.0 gmL-1 VB2 标准溶液，由 100gmL-1 VB2 贮备液稀释。未知水样；YBO4: Eu3+固体粉末。四、操作步骤1. 开启计算机和主机，联机、调节参数 (方法如下)： (1) 按顺序打开荧光光度计 power on、Xe lamp start (按下后Xe指示灯亮)、Main on开关，然后启动FL solution 2.0，联机自检。 (2) 自检完毕后，点击 method，选择 instrument，在此窗口输入适当的参数 (输入激发波长、发射波长、扫描速度、狭缝、灯，扫描模式选择波长扫描，数据方式选择荧光)，点击确定，在绿色 ready 出现后即可进行测试。 (3) 实验结束，先关闭 FL solution，然后依次关闭 Main on、Power on 开关。 2. VB2溶液的激发光谱和发射光谱的绘制取已稀释的维生素 B2溶液绘制其激发光谱和发射光谱曲线，并确定其最大激发波长和最大发射波长。3. 标准曲线的绘制 取五个50 毫升容量瓶，分别加入 1.00，2.00，3.00，4.00 及 5.00 毫升VB2 标准溶液，用水稀释至刻度，摇匀，配制标准系列溶液。根据维生素 B2 的激发光谱和发射光谱，测量上述标准溶液的荧光强度。绘制标准曲线。4. 未知水样的分析 将未知样品溶液置于 50 毫升容量瓶中，用水稀释至刻度，摇匀。用绘制标准曲线时相同的条件，测量荧光强度。 5. YBO4: Eu3+固体粉末的激发光谱和发射光谱的绘制五、数据记录及处理 1VB2的最大激发波长ex nm, 最大发射波长em nm。2. 记录未知样品的荧光强度，并从标准曲线上求得其原始浓度。加入试剂量(mL)12345回归方程VB2标准溶液浓度(gmL-1)VB2标准溶液相对荧光强度未知水样的相对荧光强度未知水样的VB2 含量(gmL-1) 3. YBO4: Eu3+的最大激发波长ex nm, 最大发射波长em nm。六、注意事项1. 荧光光度计要按操作规程使用。2. 绘制吸收曲线或标准曲线应使用方格坐标纸或作图软件。七、思考题1. 在荧光测量时，为什么激发光的入射与荧光的接收不在一直线上，而呈一定角度？2. 如何绘制激发光谱和发射光谱？3. 哪些因素可能会对VB2荧光产生影响？实验四 高效液相色谱定性定量分析一、实验内容（一）实验目的：1. 了解高效液相色谱仪的结构并熟悉用微机控制实验参数的方法。2. 掌握用数据微处理机计算色谱参数和测定各组分含量的方法。3. 了解反相键合相高效液相色谱法的基本原理以及操作条件的选择，进行实际样品的测定。4掌握液相色谱仪定量测量的方法和基本的谱图定性定量分析。（二）实验原理液相色谱仪的结构和操作原理外标法线形拟合曲线拟合值得的计算方法以及意义，如何利用拟合公式求得未知浓度（三）实验仪器与试剂1. 仪器高效液相色谱仪LC-10ATvp SPD-10Avp 超声波清洗器 l台 色谱柱微量注射(25L)1只 真空过滤器 1台2. 试剂甲醇 （色谱纯） 超纯水 甲硝唑（分析纯）3. 实验步骤色谱条件：色谱柱 150mm4.6mm(i.d.),VP-ODS柱温 室温 进样体积 20L流动相 甲醇:水=20:80流动相流速 1.0 (mL/min)检测器 UV，检测波长310nm(1)标准溶液的配制 准确称取甲硝唑，先用少量甲醇溶解，然后移入25mL容量瓶中，用甲醇稀释到刻度，得到标准溶液，浓度为0.15 (mg/mL)。然后稀释标准溶液，得到5组不同浓度梯度溶液。另配一组未知浓度。(2)HPLC仪器操作开机运行1. 打开色谱仪的泵开关，稳定仪器，设定流速。2. 打开色谱仪的紫外检测器开关，稳定后，设定检测波长。3. 打开电脑电源开关， 打开N2000在线工作站，选择通道1接受数据，设定实验平台选项以及数据保存路径（保存路径更改后，需要重起工作站，使新的设置生效）。4. 逆时针旋动泵上drain旋钮180度，按purge键，排除前面管道里的气泡。排除后，再按purge键，然后顺时针旋转drain按钮至原位置。5. 按pump键，将处理好的流通相送液，稳定柱子30分钟。在工作站中点开查看基线，并归零，待基线稳定后再进样。6. 进样最多20l进样前，注意检查，使针管中不要有气泡。进样时，扳起进样阀，将针头水平推到底，进样，扳下进样阀，工作站自动开始检测样品。7. 检测完毕后应用纯甲醇冲洗柱子，流速0.5ml/min，30分钟 (如使用缓冲盐流动相请先用水冲洗流路10分钟)，至柱压稳定。8. 每次做完样品后应该用溶解样品的溶剂清洗进样器。 设定前述色谱操作条件和合适的色谱微处理机参数，待HPLC运行稳定、基线平直并测定斜率后，注入最低浓度样品20L。并依次进行其他4个梯度浓度的样品。(3)数据处理观察记录5组不同浓度甲硝唑的保留时间、峰高、峰面积，对峰高和峰面积分别进行线形分析，得出拟合线形方程和R值。由拟和公式求出未知浓度。（四）思考题1液相色谱操作过程中需要注意哪些问题会影响你的实验结果，如何影响？2在你专业中举出一个液相色谱实例并附色谱实验条件。二、实验总结你需要知道的问题1、高效液相色谱法的应用范围（1）液相能做的事情定性、定量、分离制备（2）液相应用的范围2、来实验条件（1）我的实验目的是什么（2）所需要液相仪器的类型：流动相，色谱柱，检测器，标准品的准备以及其他条件3、样品预处理（1）为什么要进行样品预处理，去除杂质，提高检测灵敏度，提高与流动相的兼容性（2）液液萃取，液固萃取，膜技术，衍生化和柱浓缩色谱图分析和调整（1）定性分析：利用已知标准样，检测器的选择性，紫外检测器的全波长扫描，盖面流动相组成时被测组分的保留值变化规律，收集之后用别的方法检测（2）定量分析:：峰面积的测量，定量计算的几种方法。（3）如何修改色谱图4、液相实验中应注意的问题 可分析挥发性查，极性强，具有生物活性，热稳定性差的大分子量有机化合物，样品要求俄可以溶于有机溶剂。（1）样品要求：送样量，完全溶于溶剂并过滤，不含金属离子、表面活性剂、磷酸盐等不挥发盐，pH值：57，标明内容物的大致成分和相对含量，样品标识清楚（2） 送样写清自己的要求，提供检测标准和实验条件（3） 易燃易爆毒害腐蚀样品必须注明5、制备药品和流动相（1） 制备药品所需溶剂以及流动相所需药品应采用色谱纯级别的药品，其中水应采用双蒸水以上级别的水，以免影响分析结果或者损伤以其性能。（2） 流通相在配制应遵循以下步骤，以免影响实验结果或者缩短色谱柱寿命。流动相配好后应先过滤(使用0.45um或更细的膜过滤)，并针对流动相性质，选择水相或者有机相的过滤膜；然后在超声波仪中脱气20-30分钟，排除液体内气泡，；最后在室温下静置流通相15分钟，使其温度与室温平衡。（3） 相同配比流动相不同配制顺序和方法都会对实验产生影响（4） 相同类型色谱柱不同型号对实验产生的影响 所检测药品应根据药品溶剂的性质采用水相或者流动相的过滤膜用针筒进行过滤。6、维护保养1) 平时用纯甲醇保持柱子。2) 不能用纯乙腈作为流动相，这样会使单向阀粘住而导致泵不进液。3) 使用缓冲溶液时，做完样品后应立即用去离子水冲洗管路及柱子(一小时)，然 后用甲醇(或甲醇水溶液)冲洗40分钟以上，以充分洗去离子。对于柱塞杆外部，做完样品后也必须用去离子水冲洗20ml以上。4) 长时间不用仪器，应该将柱子取下用堵头封好保存，注意不能用纯水保存柱子，而应该用有机相(如甲醇等)，因为纯水易长霉。再上柱子的时候注意仪器柱子两头管子应伸出堵头并旋紧，防止漏液。5) C18柱绝对不能进蛋白样品，血样、生物样品。6) 如果进液管内不进液体时，要使用注射器吸液：通常在输液前要用流动相清洗。堵塞导致压力太大，按预柱混合器中的过滤器管路过滤器单向阀检查 并清洗。清洗方法；以异丙醇作溶剂冲洗：放在异丙醇中间用超声波清洗。7) 要注意柱子的PH值范围，不得注射强酸强碱的样品，特别是碱性样品。8) 更换流动相时应该先将吸滤头部分放入烧杯中边振动边清洗，然后插入新的流动相中。更换无互溶性的流动相时要用异丙醇过渡一下。实验五 未知物的气相色谱-质谱联用分析一、实验目的1. 熟悉和了解气相色谱-质谱联用仪。2. 了解气相色谱-质谱联用仪的一般分析过程。3. 进一步理解质谱法分析未知物的基本理论。二、基本原理气相色谱-质谱联用仪就是将气相色谱仪和质谱仪用一个接口连接起来，从而实现未知混合物的分离，同时还能获得被分离的每一组分的质谱图。气相色谱仪的作用是将有机混合物分离，并依次进入质谱仪。样品物质到达离子源后，被高能量的电子轰击，失去一个电子成为分子离子，或进一步裂解成碎片离子。生成的各种正离子在加速电场的作用下，进入四极杆质量分析器。四极杆上加有射频电压/直流电压（RF/DC），在四极杆电压作用下离子发生复杂振动，在一个电压组合下，将只有一种离子的振幅合适，可以通过四极杆区到达电子倍增器。连续改变射频电压和直流电压值，同时保持其比值不变，就可以使不同质荷比的离子顺序到达电子倍增器。电子倍增器检测并放大微弱的离子信号，输入计算机中即得样品的质谱图。GCMS-QP2010型气相色谱-质谱联用仪的计算机中存有140000多张物质的标准质谱图，计算机将所获得的样品质谱图与标准质谱图进行比较做相似性检索，在一、二分钟内就可给出该样品的详细资料，如名称、结构、分子式等。四极质谱的缺点是分辨率低，不能进行精确质量测量，不能测定亚稳离子，因此仅用它来确定完全未知的结构比较困难。三、送样要求气相色谱-质谱联用仪，广泛应用于分析复杂有机混合物，如石油化工产品、香精香料、农药、药物、有机溶剂、毒品等组分的分离和结构定性分析，对未知物的定性和定量特别有用。主要用于气体和可挥发的物质分析。1. 样品要求 （1）样品为可挥发、热稳定性好的、沸点不超过250的小分子量（分子量范围40-650）有机化合物。不能直接进样的，需经过前处理。 （2）气相色谱仪使用毛细管柱（DB-5），样品必须能在气相色谱柱的工作温度范围（室温至280）内完全气化。 （3）送样量：溶液浓度在10e-3数量级。注明浓度。 （4）样品能完全溶解在溶剂中（低沸点溶剂，如乙醚、丙酮、吡啶、乙醇等，不得含水），并预先经0.45m膜过滤或离心处理，不得有颗粒物。（5）样品中不得含有金属离子、表面活性剂、磷酸盐、硼酸盐等不挥发盐，否则会损坏离子源。（6）PH值：57，样品中严禁含有无机或有机强酸、强碱。（7）标明样品的大致成份和相对含量，尽可能提供样品成份的结构式、分子量或所含官能团。（8）样品标识清楚。2. 送样时若对样品有特殊的要求，需提供相关的检测标准，并提供具体的实验条件。3. 送样时应对具有毒性、腐蚀性、刺激性、易燃、易爆、放射性、磁性等对人员和仪器有害的样品（包括溶剂和分散介质）作出说明。四、仪器与试剂1. 仪器：日本岛津的GCMS-QP2010型气相色谱-质谱联用仪。2. 质量范围：m/z 10-1000 ，带有电子轰击源（EI），可用作气相色谱-质谱联用分析（GC/MS）。五、实验步骤1. 探索样品的分离条件：确定色谱柱型、柱温、载气流速等。2. 按操作规程开机械泵、扩散泵、气相色谱系统。3. 待真空达到要求及气相色谱系统稳定后，调谐并调整仪器参数。4. 进样，测得总离子流气相色谱图。5. 计算机检索。六、数据处理1. 对实验中得到的质谱数据进行计算机检索。2. 人工解析质谱。由实验得到一未知物质谱数据如下：m/z 49 130 128 51 93 79 81 95相对强度 100 67 52 31 23 20 20 17由此推测化合物的结构式：（1） 推测128可能为分子离子峰，130可能为分子离子的同位素峰。（2） 由m/z 93: m/z 951:1，m/z 79: m/z 811:1推测还有一个Br，93-79=14相当于一个CH2。（3） 从m/z 49: m/z 513:1，m/z 128与 m/z 93的差值接近Cl的原子量，推测可能含有1个Cl。（4） 推测分子结构式可能为BrCH2Cl，分子量为128。（5） 根据结构式解释各主要峰，说明推测合理。BrCH2ClBr+ CH2=Cl+ m/z 49BrCH2ClCl+ CH2= Br + m/z 93BrCH2ClBr + +CH2Cl m/z 79七、思考题 为什么色质联用是对未知有机混合物进行定性分析的一种强有力的手段？实验六 X射线衍射物相定性分析 一实验目的1学习了解X射线衍射仪的结构和工作原理；2掌握X射线衍射物相定性分析的方法和步骤；3给定实验样品，设计实验方案，做出正确分析鉴定结果。二实验原理根据晶体对X射线的衍射特征衍射线的位置、强度及数量来鉴定结晶物质之物相的方法，就是X射线物相分析法。每一种结晶物质都有各自独特的化学组成和晶体结构。没有任何两种物质，它们的晶胞大小、质点种类及其在晶胞中的排列方式是完全一致的。因此，当X射线被晶体衍射时，每一种结晶物质都有自己独特的衍射花样，它们的特征可以用各个衍射晶面间距d和衍射线的相对强度II1来表征。其中晶面间距d与晶胞的形状和大小有关，相对强度则与质点的种类及其在晶胞中的位置有关。所以任何一种结晶物质的衍射数据d和II1是其晶体结构的必然反映，因而可以根据它们来鉴别结晶物质的物相。三实验仪器与药品1仪器德国Bruker公司X射线粉末衍射仪（型号：D8 Advance）玛瑙研钵，标准样品架，载玻片2药品经预处理的待测样品氯化钠粉末，其它未知样品（实验室准备或自备）。四实验步骤1.开机 开总电源 开稳压电源开电脑开水冷系统开衍射仪加高压仪器预热20-30min。2.样品要求与制备X 射线衍射分析的粉末试样必需满足这样两个条件：粉末粒度要细小（将试样研细至10微米左右，定量相分析时要达到2微米。用拇指和中指捏住少量粉末，并碾动，两手指间没有颗粒感觉的粒度大致为10微米）；试样无择优取向(装填时用力不可太大，防止试样产生择优取向，必要时可在样品粉末中加入等体积的细粒硅胶)。粉末样品制备方法：标准样品台填充；微量样品台；玻璃板涂膜。最后将制作好的样品固定于衍射仪样品台上，关闭衍射仪防护门。3.测试启动XRD Commands软件轴初始化设定管电流和管电压（40KV，40mA）设定步长、扫描时间、扫描范围等参数按star开始测试测试结束后保存测试结果换取样品4. 关机调低管电压和管电流（25KV，5mA）关高压等20-30min后关软件、电脑关衍射仪关水冷系统关稳压电源关总电源五、数据处理1.打开EVA软件，打开“*.raw”文件，对图谱进行基本处理：扣除背底，曲线平滑，K2扣除，谱峰寻找，计算峰面积、半高宽等。2.物相定性分析，与pdf卡片数据库中的标准衍射数据进行比对，分析试样的物相。打印出待分析试样衍射曲线和相关数据。3. 峰形拟合：衍射峰一般都可以用一种“钟罩函数”来表示，拟合的意义就是把测量的衍射曲线表示为一种函数形式。在作“点阵常数精确测量”、“晶粒尺寸和微观应变测量”和“残余应力测量”等工作前都要经过扣背景、图形拟合的步骤。（下图为三氧化二铝五指峰拟合）4. 结晶度的测定 结晶度是结晶峰面积与总面积之比： XC = IC/ （IC +Ia）IC：结晶衍射的积分强度,Ia：非晶散射的积分强度样品: 氟铝酸铵（氟化铝铵）5.晶粒大小的测定 通过X射线仪测量时，有的衍射峰变得不尖锐而弥散加宽，根据峰的宽化程度，通过谢乐（Scherrer）公式可以测量这类晶体的粒度大小。L=K/COS 表示X射线的波长，为该晶面衍射峰的半高宽的宽化程度（弧度），K为形状因子（谢乐常数），取决于结晶形状，通常取0.9，为衍射角。6. 晶体点阵参数的确定X射线衍射法测定点阵参数是利用精确测得的晶体衍射线峰位 2 角数据，然后根据布拉格定律和点阵参数与晶面间距d值之间的关系式计算点阵参数的值 点阵参数是晶态材料的重要物理参数之一，精确测定点阵参数有助于研究该物质的键合能和键强，计算理论密度、各向异性热膨胀系数和压缩系数、固溶体的组分和固溶度、宏观残余应力大小，确定相溶解度曲线和相图的相界，研究相变过程，分析材料点阵参数与各种物理性能的关系等。7. X射线衍射在薄膜材料中的应用厚度是膜层的基本参数，厚度会产生三种效应：衍射强度随厚度而变，膜愈薄散射体积愈小；散射将显示干涉条纹，条纹的周期与层厚度关；衍射线随着膜厚度降低而宽化。因此可从衍射强度、线形分析和干涉条纹来实现薄膜厚度的测定用x射线仪测量单层膜的小角x衍射线，通过公式 （d表示膜厚，表示 X射线的波长， 表示掠射角）便可以计算单层膜的厚度。8.由多晶材料得到类单晶衍射数据确定一个晶态材料晶体结构最有力的手段是进行单晶x射线衍射，通常要求单晶的粒径在0.11mm之间，但是合乎单晶结构分析用的单晶有时难以获得，且所发现的新材料通常是先获得多晶样品，因此，仅仅依靠单晶衍射进行结构测定显然不能适应新材料研究快速发展的状况为加速研究工作的进展，以及对复合材料和纳米材料等的结构研究，都只能在多晶材料下进行研究和测定其晶体结构。近年来，利用粉末衍射数据测定未知结构的方法获得了很大的成功，这种方法的关键在于正确地对粉末衍射图谱进行分峰，确定相应于每一个面指数(hkl)的衍射强度，再利用单晶结构分析方法测定晶体结构从复杂的氧化物到金属化合物都可利用此方法测定晶体结构。六、思考题1.简述X射线衍射分析的特点和应用。2.简述X射线衍射仪的结构和工作原理。3.粉末样品制备应注意什么问题？4.如何选择X射线管及管电压和管电流？5.X射线谱图分析鉴定应注意什么问题？实验七 氢核磁共振谱测定未知物的结构一、实验目的1.了解几种常见化合物的氢核磁共振谱特征，掌握有机化合物的核磁共振谱鉴定方法。2.掌握液体样品的制备方法。3.了解和磁共振波谱仪的结构及使用方法。二、实验原理在外磁场作用下，用波长10-100m的电磁波照射分子，可引起分子中的某种能级发生跃迁，使分子从低能态跃迁到高能态，即核磁共振(Nuclear Magnetic Resonance, NMR)。分子的结构不同，会在不同的频率处产生吸收信号。吸收信号的频率对信号强度作图即为核磁共振波谱图，以此建立起来的分析方法称为核磁共振波谱分析法。 核磁共振谱图可以提供分子中氢原子(或其它原子)的化学环境、原子数目及其相邻基团的结构等信息。化学位移是确定分子结构的重要信息，主要用于基团鉴定。不同的基团具有不同的吸收特征，同一类基团中的氢核化学位移相似，因而其共振峰在相近的范围内出现，不同基团的共振峰则相差很远，即各种基团的化学位移具有特征性。附图2给出了各种环境中质子的吸收区域。图1 乙基在氢核磁共振谱中的裂分细则除了考虑质子的电子环境外，还应该考虑分子中磁核的相互作用。磁核之间的相互作用称为自旋自旋耦合，由自旋耦合所引起的峰的裂分现象称为自旋自旋裂分。某类质子产生裂分后，其精细结构中小峰的数目为(n+1)，n为临近全同磁核的数目，而多重峰中小峰的面积之比符合二项式(a+b)n的展开系数。图1以乙基为例，阐明了裂分细则。三、样品准备方法及送样要求一般样品均在稀溶液中测定谱图，因此溶剂的选择十分重要。理想的溶剂必须具备下列条件：溶剂分子结构中不含有氢原子、沸点低、化学惰性、对样品的溶解度好、价格便宜。对于极性低的样品，常用的溶剂是氘代氯仿(CDCl3)；如果样品只能溶解在强极性溶剂中，则可以使用重水或氘代二甲基亚砜(DMSO-d6)。虽然所有溶剂都已重氢化，但其取代纯度只能达到9899.8%，因此在谱图中会存在残余的溶剂峰。待测样品还需具备以下要求：1.样品必须预先纯化，以保证有足够的纯度(95%)；2.样品量1H谱15mg，13C谱30mg ，聚合物样品量适当增加；3.自备干净、干燥的样品管，外面不要粘贴标签；4.待测样品应先选好所用溶剂，溶解后溶液应为透明均相，不含固体微粒或磁性物质。5.可供选择的氘代溶剂有氯仿、二甲基亚砜、丙酮、甲醇、苯，尽量选用氯仿或二甲基亚砜。6.尽可能提供所测试样品的结构或来源。四、实验仪器与药品1.仪器布鲁克公司生产的核磁共振波谱仪，型号为AVANCE400。核磁共振波谱仪由超导磁体、射频振荡器、射频接收器、读数系统和样品管组成。仪器的附件包括空气压缩机和UPS电源。另外，为了维持磁体的超导性，每周消耗液氮50升，每年消耗液氦150升。2.药品氘代氯仿(CDCl3)异丙醇，三羟甲基丙烷，乙酸乙烯酯，乙醚，2-丁酮，乙苯，苯甲醇，正丙醇未知物，自备。要求1g，能够溶于氯仿或二甲基亚砜(选做)5mm核磁样品管，自备(选做)五、实验步骤1.制备样品取约30mg固体样品或0.05ml(约一滴)液体样品置于样品管中，然后加入0.6ml氘代氯仿。盖好后摇匀，使样品充分溶解。2.记录样品的氢核磁共振谱图。六、谱图分析1.根据被测样品的分子式、谱图及附图2，从化学位移、裂分规则两方面分析被测化合物的结构。2.根据未知物的谱图，分析其可能的结构。七、思考题1.在样品测试中，为什么用氘代溶剂？2.常用氘代溶剂的残余溶剂峰在什么位置？3.不同氘代溶剂中的水峰在什么位置？图2 各种化学环境中质子的化学位移实验八 样品的扫描电镜形貌观察及表面元素分析一、实验目的1了解扫描电镜的结构及操作步骤 2掌握纸张、高分子、粉末及皮革样品的制备方法；了解不同制备方法对观察效果的影响；3掌握电镜图片与能谱结果的分析。二、实验原理电子枪发射出的电流激发到样品表面，产生二次电子，通过信号收集与信号转换，到达屏幕，可看到样品表面的同步扫描照片，实现对样品表面的形貌观察。利用样品表面产生的特征X-射线的位置以及量的不同，实现对样品表面的元素鉴别及含量分析。三、Quanta-200型环境扫描电镜简介及工作原理1. 仪器简介环境扫描电镜，英文全称Environment Scanning Electron Microscopy，简写为ESEM。我院的ESEM于2002年从荷兰的FEI公司采购。ESEM具有高真空，低真空以及环扫工作模式，其中环扫模式是ESEM特有的工作方式，它应用多级压差光阑技术，支持含水样品的直接观察。2. 仪器构造及工作原理四、样品制备及送样要求1. 样品制备（根据不同专业特色，选取不同样品）（1）纸张样品制备通常测试的有纸浆，抄纸和各种成品纸。本次实验使用纸浆和成品纸。A纸浆的制备将潮湿的纸浆放在滤纸上，吸取部分水分后，脱水。有以下几种办法：在104烘箱中烘烤6小时；冷冻干燥36小时；临界点干燥。干燥好的样品待用。根据观察目的的不同，可抽取单根纤维，束纤维等，粘帖于有导电胶带的样品台上。B成品纸的制备成品纸都有明确的用途，根据用户的要求选择表面或截面观察。用手术剪刀裁剪样品，粘帖于有导电胶带的样品台上。（2）高分子样品制备高分子样品的过程与其性质以及功能有很大关系，每一种样品都应设计制备过程。本次实验课以聚苯乙烯的乳液为例，讲解样品制备的思路以及样品制备方法。液体样品必须经过特殊处理才能用于二次电子像的观察，然而，处理过程要尽量保证样品的各种性质不发生改变，能够原位观察。首先，要将样品分散于无水乙醇中，放置大小合适的玻片，一定时间后，取出的样品于红外灯下干燥至无水乙醇全部挥发，粘帖于有导电胶带的样品台上。（3） 粉末样品制备首先要判断粉末样品的粒径尺寸以及存放时间，对于我校的仪器，应观测直径大于