中山大学仪器分析总结.ppt

定义 概念 名词解释方法原理 特点仪器定性 定量分析误差来源及消除 仪器分析方法及分类 光分析法 热分析法 质谱分析法 分析仪器联用技术 仪器分析 色谱分析法 电化学分析法 原子光谱 分子光谱 原子发射 原子吸收 原子荧光 紫外可见 分子荧光 磷光 红外 电导 电位 库仑 伏安 气相色谱 液相色谱 吸附色谱 分配色谱 离子交换色谱 尺寸排阻色谱 亲和色谱 吸附色谱 分配色谱 仪器性能及其表征 精密度误差灵敏度检测限线性范围选择性 所谓校正 就是将仪器分析产生的各种信号与待测物浓度联系起来的过程 校正方法有 标准曲线法 标准加入法 内标法 仪器分析校正方法 第二章光学分析方法导论 光学分析方法 利用光电转换或其它电子器件测定 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 电磁辐射具有波动性和微粒性 E h hc 发射光谱吸收光谱线光谱 由处于气相的单个原子发生电子能级跃迁所产生的锐线 线宽大约为10 4A 带状光谱 由气态自由基或小分子振动 转动能级跃迁所产生的光谱 由于各能级间的能量差较小 因而产生的谱线不易分辨开而形成所谓的带状光谱 其带宽达几个至几十个nm 光谱仪器 光源灯或激光 样品容器 分光系统 光电转换 信号处理器 光源 样品 分光系统 光电转换 信号处理器 吸收 荧光 发射 1 光源 对光源的要求 强度大 分析灵敏度高 稳定 分析重现性好 2 吸收池除发射光谱外 其它所有光谱分析都需要吸收池 盛放试样的吸收池由光透明材料制成 石英或熔融石英 紫外光区 可见光区 3 m 玻璃 可见光区 350 2000nm 盐窗 NaCl NaBr晶体 红外光区 定义 将由不同波长的 复合光 分开为一系列 单一 波长的 单色光 的器件 3 分光系统 1 棱镜与光栅之比较 2 狭缝单色器的分辨能力 有效带宽S 应由下式决定 D 倒线色散率 W 狭缝宽度 当单色仪的色散率固定时 波长间隔将随狭缝宽度变化 狭缝宽度的选择原则 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 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 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 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 4 光电转换器定义 光电转换器是将光辐射转化为可以测量的电信号的器件 理想的光电转换器要求 灵敏度高 S N大 暗电流小 响应快且在宽的波段内响应恒定 光电倍增管 共有9个打拿极 dynatron 所加直流电压共为90 10V 优点 高灵敏度 响应快 适于弱光测定 甚至对单一光子均可响应 缺点 热发射强 因此暗电流大 需冷却 30oC 不得置于强光 如日光 下 否则可永久损坏PMT 第三章紫外 可见分光光度法 紫外 可见吸收光谱 利用物质的分子或离子对某一波长范围的吸收作用 对物质进行定性 定量分析及结构分析 所依据的光谱是分子或离子吸收入射光中特定波长的光而产生的吸收光谱 生色团含有 键的不饱和基团称为生色团 助色团有一些含有n电子的基团 它们本身没有生色功能 不能吸收 200nm的光 但当它们与生色团相连时 就会发生n 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 红移蓝移 分子吸收光谱的形成1 过程 运动的分子外层电子 吸收外来辐射 产生电子能级跃迁 分子吸收谱 各轨道能级高低顺序 n 1 为什么分子光谱是带状光谱 2 为什么紫外 可见光谱的吸收波长在200 800nm 3 为什么紫外 可见光谱可用于定性和定量分析 紫外 可见光谱的波长范围 200 800nm 1 转动能级间的能量差 r 0 005 0 050eV 跃迁产生吸收光谱位于远红外区 50 100um 远红外光谱 或分子转动光谱 2 振动能级的能量差 v约为 0 05 eV 跃迁产生的吸收光谱位于红外区 800 5000nm 红外光谱 或分子振动光谱 3 电子能级的能量差 e较大1 20eV 电子跃迁产生的吸收光谱在紫外 200 400nm 可见光区 400 800nm 紫外 可见光谱 或分子的电子光谱 紫外 可见吸收光谱的吸收曲线 同一种物质对不同波长光的吸光度不同 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 不同浓度的同一种物质 其吸收曲线形状相似 max不变 而对于不同物质 它们的吸收曲线形状和 max则不同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 max处吸光度A的差异最大 此特性可作作为物质定量分析的依据 1 共轭体系的存在 红移2 异构现象 使异构物光谱出现差异 3 空间异构效应 红移4 取代基 红移或蓝移 取代基为含孤对电子 如 NH2 OH Cl 可使分子红移 取代基为斥电子基 如 R OCOR 则使分子蓝移 苯环或烯烃上的H被各种取代基取代 多产生红移 5 pH值 红移或蓝移6 溶剂效应 红移或蓝移由n 跃迁产生的吸收峰 随溶剂极性增加 形成H键的能力增加 发生蓝移 由 跃迁产生的吸收峰 随溶剂极性增加 激发态比基态能量有更多的下降 发生红移 影响紫外 可见吸收光谱的因素 3 2吸收光谱的测量 Lambert Beer定律 吸光度A与透光率T A log I0 I A log 1 T T It I0 当浓度以mol L表示时 称k为摩尔吸光系数 以 表示 当浓度以g L表示时 称k为吸光系数 以a表示 标准曲线 标准对比 多组分定量 偏离Lambert Beer定律 1 样品性质影响a 待测物高浓度 b 试液中各组份的相互作用 d 胶体 乳状液或悬浮液对光的散射损失 2 仪器因素a 光源稳定性b 入射光的单色性 对策 提高仪器的单色性选择被测物的 MAX平坦处作为测量波长减小谱带宽度与狭缝宽度 3 3紫外 可见光度计 光源 单色器 样品室 检测器 显示 可见光区 钨灯 紫外区 氢 氘灯 石英池 玻璃池 光电二极管 光电倍增管 紫外 可见光度计的类型 可测多组份试样 混浊试样 不需参比液 消除了由于参比池的不同和制备空白溶液等产生的误差 灵敏度高 分光光度计的校正波长标度校正 镨 钕玻璃 可见光区 和钬玻璃 紫外光区 进行校正 吸光度标度校正 采用K2CrO4标准液校正 分析条件选择 分析中 为获得较高的灵敏度和准确度 需选择最佳测定条件 一 仪器测量条件 二 反应条件的选择 三 参比溶液的选择 四 干扰及消除方法 仪器测量条件a 由于光源不稳定性 读数不准等带来的误差 当A 0 434时 吸光度读数误差最小 b 吸收波长 最强吸收带最大吸收波长原则c 狭缝宽度 减小狭缝宽度试样吸光度不变为准 反应条件的选择 合理选择显色剂 控制显色剂用量 显色时间 温度 放置时间等 控制溶液酸度 显色剂的选择原则 a 选择性好 干扰少 或干扰容易消除 灵敏度足够高 有色物质的 应大于l04 b 有色化台物的组成恒定 符合一定的化学式 对于形成不同络合比的络合反应可以控制实验条件 使生成一定组成的络合物 c 有色化合物的化学性质应足够稳定 至少保证在测量过程中溶液的吸光度基本恒定 d 有色化合物与显色剂之间的颜色差别要大 即显色剂对光的吸收与络合物的吸收有明显区别 一般要求两者的吸收峰波长之差 称为对比度 大于60nm 参比溶液的选择 1 参比溶液的作用 在进行光度测量时 调节仪器的零点 消除由于吸收池壁及溶剂对入射光的反射和吸收带来的误差 有时还可以扣除干扰的影响2 参比溶液的选择原则 1 溶剂参比 试样组成简单 共存组份少 基体干扰少 显色剂不吸收时 直接采用溶剂 多为蒸馏水 为参比 2 试剂参比 当显色剂或其它试剂在测定波长处有吸收时 采用试剂作参比 不加待测物 3 试样参比 如试样基体在测定波长处有吸收 但不与显色剂反应时 可以试样作参比 不能加显色剂 第四章原子发射光谱分析 4 1概述4 2基本原理4 3AES仪器4 4定性定量分析方法 关键词 1 分析对象为大多数金属原子 2 物质原子的外层电子受激发射产生特征谱线 线光谱 3 谱线波长 定性分析 谱线强度 定量分析 定义 AES是据每种原子或离子在热或电激发下 发射出特征的电磁辐射而进行元素定性和定量分析的方法 2 概念激发电位 由低能态 高能态所需要的能量 以eV表示 原子线 原子外层电子的跃迁所发射的谱线 以I表示 如Na I 共振线 由激发态到基态跃迁所产生的谱线 电离电位 原子受激后得到足够能量而失去电子所需的能量 离子线 离子的外层电子跃迁 离子线 以II III IV等表示 自吸 灵敏线 激发电位较低的谱线 共振线 从激发态到基态的跃迁所产生的谱线 最后线 或称持久线 当待测物含量逐渐减小时 谱线数目亦相应减少 当c接近0时所观察到的谱线 是理论上的灵敏线或第一共振线 分析线 在进行元素的定性或定量分析时 根据测定的含量范围的实验条件 对每一元素可选一条或几条最后线作为测量的分析线 AES特点及不足1 多元素检测 multi element 2 分析速度快 多元素检测 可直接进样 固 液样品均可3 选择性好 Nb与Ta Zr与Ha Rare elements 4 检出限低 10 0 1 g g g mL ICP AES可达ng mL级 5 准确度高 一般5 10 ICP可达1 以下 6 所需试样量少 7 线性范围宽 linearrange 4 6个数量级 8 无法检测非金属元素 O S N X 处于远紫外 P Se Te 难激发 常以原子荧光法测定 AES定性原理当处于基态的气态原子或离子吸收了一定的外界能量时 其核外电子就从基态跃迁至激发态 处于激发态的原子或离子不稳定 经约10 8秒便跃迁返回到基态 并将激发所吸收的能量以一定的电磁波辐射出来 由于原子或离子的能级很多并且不同元素的结构是不同的 因此对特定元素的原子或离子可产生一系不同波长的特征光谱 通过识别待测元素的特征谱线存在与否进行定性分析 AES定量原理I acb Schiebe Lomarkin公式 logI blogc loga以logI对logc作图 得校正曲线 当试样浓度高时 b 1 工作曲线发生弯曲 影响谱线强度I因素 统计权重g 跃迁几率 激发电位或激发能 E 谱线的自吸及自蚀 e 激发温度T f 基态原子数N0或浓度c 前三项由待测物原子自身的性质决定 影响谱线强度及其稳定性最重要的的因素是温度T AES仪器由光源 单色系统 检测系统三部分组成 光源 样品 分光系统 光电转换 信号处理器 a 光电检测b 相板 ICP 电感耦合等离子体组成 ICP高频发生器 炬管 样品引入系统炬管包括 外管 冷却气 沿切线引入中管 辅助气 点燃ICP 点燃后切断 内管 载气 样品引入 使用Ar是因为性质稳定 不与试样作用 光谱简单 焰心区 内焰区 尾焰区 ICP光源特点1 低检测限 蒸发和激发温度高 2 稳定 精度高 高频电流 趋肤效应 涡流表面电流密度大 环状结构 样品引入通道 火焰不受样品引入影响 高稳定性 3 基体效应小 样品处于化学隋性环境 Ar 的高温分析区 待测物难生成氧化物 停留时间长 ms级 化学干扰小 样品处于中心通道 其加热是间接的 样品性质 基体性质 如样品组成 溶液粘度 样品分散度等 对ICP影响小 4 背景小 通过选择分析高度 避开涡流区 5 自吸效应小 试样不扩散到ICP周围的冷气层 只处于中心通道 即是处于非局部热力学平衡 6 分析线性范围宽 ICP在分析区温度均匀 自吸及自蚀效应小 7 众多元素同时测定 激发温度高 70多种 不足 对非金属测定的灵敏度低 仪器昂贵 维持费高 常用光源及选择依据a 试样的性质 如挥发性 电离电位等b 试样形状 如块状 粉末 溶液c 含量高低d 光源特性 蒸发特性 激发特性 放电稳定性 相板 又称干板 Plate 待测物发出的光谱经分光得一系列谱线 这些不同波长的光在感光板上曝光 经显影 定影后于相板上得到平行排列的谱线 黑线 这些谱线 变黑 的程度以黑度S来表示 其中 I0 Ii分别为未曝光部分和已曝光部分的光强 T为透过率 相板定量基础 为什么用乳剂特性曲线 曝光量H与黑度S之间的关系复杂 但可通过 乳剂特性曲线 得到二者之间的定量关系 S logH 二 定性分析光谱定性分析常采用摄谱法 相板为检测器 和光电直读光谱法 现以摄谱法为例 1 铁光谱比较法 为什么以Fe谱作标尺 Fe谱线丰富 有数千条 均匀 强度及间距 每条谱线波长已准确测得 三 定量分析发射光谱定量分析关系式为 I acb或者logI blogc loga由于试样组成和实验条件 蒸发 激发 试样组成 感光板特性 显影条件等 直接影响谱线强度 而这些影响很难完全避免 故以谱线绝对强度来定量往往带来很大误差 实际工作中常以分析线和内标线的强度比来进行定量分析 以补偿这些难以控制的变化因素的影响 内标法 内标元素及内标线的选择原则 内标元素1 外加内标元素在分析试样品中应不存在或含量极微 如样品基体元素的含量较稳时 亦可用该基体元素作内标 2 内标元素与待测元素应有相近的特性 蒸发特性 3 同族元素 具相近的电离能 内标线 1 激发能应尽量相近 匀称线对 不可选一离子线和一原子线作为分析线对 温度T对两种线的强度影响相反 2 分析线的波长及强度接近 3 无自吸现象且不受其它元素干扰 4 背景应尽量小 四 干扰来源及其消除方法1 背景干扰由连续光谱或分子带光谱等所产生的谱线强度 或黑度 叠加于线状光谱上所引起的干扰 背景来源 a 分子辐射 在光源中 试样本身或试样与空气作用产生的分子氧化物或氮化物等分子发射的带状光谱 b 连续辐射 光源中炽热的固体物质发射的光谱 如电极头 弧焰中的颗粒物等 2 基体干扰样品中除待测物以外的其它组份称为基体 基体干扰非常复杂 减少基体干扰的方法 在试样中加入光谱载体和光谱缓冲剂 以改善基体特性 从而减少基体对测定的干扰 提高测定灵敏度或准确度 光谱载体与光谱缓冲剂的作用光谱载体多是一些化合物和碳粉 其作用包括控制蒸发行为 通过高温化学反应 将样品中难挥发性化合物 氧化物 转变为低沸点 易挥发的化合物 如卤化物等 控制电弧温度 较大量的载体或低电离电位元素可控制电弧温度 增加停留时间 大量载体的原子蒸汽可减小待测原子在等离子区的自由运动范围 从而增加了待测原子的停留时间 提高了分析灵敏度 光谱缓冲剂大量辅助物质的加入 可补偿由于试样组成变化对测定的影响 减少标样与试样间的基体差异 第五章原子吸收光谱法 AAS特点 1 灵敏度高 2 准确度高 3 干扰小 选择性极好 4 测定范围广 可测70种元素 不足 多元素同时测定有困难 对非金属及难熔元素的测定尚有困难 对复杂样品分析干扰也较严重 石墨炉原子吸收分析的重现性较差 AES特点1 多元素检测 multi element 2 分析速度快 多元素检测 可直接进样 固 液样品均可3 选择性好 Nb与Ta Zr与Ha Rare elements 4 检出限低 5 准确度高 一般5 10 ICP可达1 以下 6 所需试样量少 7 线性范围宽8 无法检测非金属元素 O S N X 处于远紫外 P 概念 Doppler变宽压变宽积分吸收峰值吸收锐线光源为什么AAS中用锐线光源 定义 AAS是基于气态的基态原子外层电子对紫外光和可见光的吸收为基础的分析方法 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 AAS仪器及其组成 HCL 火焰原子化器石墨炉原子化器 可分掉火焰的杂散光并防止光电管疲劳 空心阴极灯 原理 为什么HCL会产生低背景的锐线光源 答 低压 原子密度低 LorentzBroadening小 小电流 温度低DopplerBroadening小 故产生锐线光源 惰性气体难于激发且谱线相对简单 低背景 2 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 但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 但对测量仍将产生一定干扰 光源调制 来自火焰的辐射背景 连续光谱 直流信号 可与待测物吸收线一同进入检测器 尽管单色器可滤除一部分背景 但仍不能完全消除这些背景对测定的干扰 为此 必须对光源进行 调制 光源调制定义 将入射光所产生的直流信号转换成交流信号 通过电学方法将其与来自火焰的直流信号滤掉 RC电路 从而避免火焰背景干扰 1 火焰原子化器 a 喷雾器 将试样溶液转为雾状 要求稳定 雾粒细而均匀 雾化效率高 适应性高 可用于不同比重 不同粘度 不同表面张力的溶液 b 雾化室 内装撞击球和扰流器 将雾状溶液与各种气体充分混合而形成更细的气溶胶并进入燃烧器 c 燃烧器 产生火焰并使试样蒸发和原子化的装置 其高度和角度可调 让光通过火焰适宜的部位并有最大吸收 d 火焰 调节高度 1 化学计量型 指燃助比近似于二者反应的计量关系 又称中性火焰 温度高 稳定 干扰小 背景低 适于大多数元素分析 2 富燃火焰 燃气比例较大的火焰 燃助比大于化学计量比 燃烧不完全 温度略低 具还原性 3 贫燃火焰 助燃气大于化学计量的火焰 温度最低 具氧化性 火焰类型 原子化过程原子化过程可分为四个阶段 即干燥 热解 原子化和除残 如图 干燥 去除溶剂 防样品溅射 110热解 使基体和有机物尽量挥发除去 100 1000原子化 待测物化合物分解为基态原子 此时停止通Ar 延长原子停留时间 提高灵敏度 1500 3000除残 样品测定完成 高温去残渣 净化石墨管 3500 石墨炉原子化器 火焰原子化器特点 优点 操作简便 重现性好 测定灵敏度低缺点 原子化效率低 自由原子在吸收区停留时间短 需要试样多 不能测粘稠液体和固体 比较FAAS和GFAAS的优缺点 石墨炉原子化器特点 缺点 操作复杂 重现性差 干扰严重优点 原子化效率高 自由原子在吸收区停留时间长 需要试样少 可测粘稠液体和固体可测有毒和放射性物质安全可靠 低温原子化方法主要应用于 As Sb Bi Sn Ge Se Pb Ti等元素原理 在酸性介质中 与强还原剂硼氢化钠反应生成气态氢化物 将待测试样在专门的氢化物生成器中产生氢化物 送入原子化器中检测 特点 原子化温度低 灵敏度高 对砷 硒可达10 9g 基体干扰和化学干扰小 冷原子化法 主要应用于 各种试样中Hg元素的测量 原理 将试样中的汞离子用SnCl2或盐酸羟胺完全还原为金属汞后 用气流将汞蒸气带入具有石英窗的气体测量管中进行吸光度测量 干扰及其消除一 基体干扰 物理干扰 来源 试样粘度 表面张力的不同使其进入火焰的速度或喷雾效率改变引起的干扰 消除 可通过配制与试样具有相似组成的标准溶液或标准加入法来克服 二 化学干扰来源 Analytes与共存元素发生化学反应生成难挥发的化合物所引起的干扰 主要影响原子化效率 使待测元素的吸光度降低 消除 1 加入释放剂 2 加入保护剂 配合剂 3 加入缓冲剂或基体改进剂 主要对GFAAS 4 化学分离 溶剂萃取 离子交换 沉淀分离等 三 电离干扰来源 高温导致原子电离 从而使基态原子数减少 吸光度下降 消除 加入消电离剂 主要为碱金属元素化合物 产生大电子 从而抑制待测原子的电离 四 光谱干扰1 谱线重叠干扰 由于光源发射锐线 因此 谱线重叠干扰的较少 一旦发生重叠干扰 则要求仪器可分辨两条波长相差0 1 的谱线 消除 另选分析线 2 非吸收线干扰 来自被测元素自身的其它谱线或光源中杂质的谱线 消除 减小狭缝和灯电流或另选分析线 3 火焰的直流发射 火焰的连续背景发射 可通过光源调制消除 4 火焰背景干扰来自燃烧气的背景干扰宽带吸收 火焰生成物的分子受激产生的宽带光谱对入射光的吸收 火焰未完全燃烧的分子或分子片段 粒子散射 火焰中粒子质对光的散射 波长越短 基体物质浓度越大 影响越大 消除 通过空白进行校正 来自样品基体的背景干扰宽带吸收 样品基体中分子或其碎片的形成 有机溶剂分子或其碎片对光的吸收 粒子散射 一些高浓度的元素 它们的氧化物直径较大 可对光产生散射 有机溶剂的不完全燃烧产生的微粒碳也会对光产生散射 消除 更换燃气 改变测量参数 如果知道干扰来源 可在标准液和样品中加入同样且大量的干扰物质 5 非火焰背景干扰非火焰的电热原子化 石墨炉 中产生的背景干扰 通常要比火焰原子化的干扰严重 背景干扰校正方法 3 塞曼效应背景校正校正原理 Zeeman背景校正是根据磁场将 简并的 谱线分裂成具有不同偏振特性的成份 对单重线而言 分裂成振动方向平行于磁场的 线 波长不变 和垂直于磁场的 线 波长增加或降低 并呈对称分布 由谱线的磁特性和偏振特性来区别被测元素吸收和背景吸收 分类 光源调制 磁场加在光源上 因应用较少 此处不作讨论 吸收线调制 磁场加在原子化器上 可分为恒定磁场和可变磁场 Zeeman背景校正的特点 波长范围宽 190 900nm 校正准确度较高 可用于强背景校正 AB可高达1 5 2 0 与非Zeeman效应扣背景相比 灵敏度略有下降 因为入射线分裂 使其光强下降 仪器价格昂贵 5 5原子吸收分析方法一 测量条件优化1 分析线的选择通常选共振线 最灵敏线或且大多为最后线 但不是绝对的 当待测原子浓度较高时 为避免过度稀释和向试样中引入杂质 可选取次灵敏线 2 狭缝宽度选择一般狭缝宽度选择在通带为0 4 4 0nm的范围内 对谱线复杂的元素 需在通带相当于1 或更小的狭缝宽度下测定 3 灯电流选择灯电流过小 光强低且不稳定 灯电流过大 发射线变宽 灵敏度下降 且影响光源寿命 4 原子化条件火焰原子化 火焰类型 温度 背景 氧还环境 燃助比 温度 氧还环境 燃烧器高度 火焰部位 温度 石墨炉原子化 升温程序的优化 具体温度及时间通过实验确定 干燥 105oC除溶剂 主要是水 灰化 基体 尤其是有机质的去除 在不损失待测原子时 使用尽可能高的温度和长的时间 原子化 通过实验确定何时基态原子浓度达最大值 净化 短时间 3 5s 内去除试样残留物 温度应高于原子化温度 1 标准曲线法 2 标准加入法 主要是为了克服标样与试样基体不一致所引起的误差 基体效应 荧光分析的特点 灵敏度高 视不同物质 检测下限在0 1 0 001 g mL之间 可见比UV Vis的灵敏度高得多 选择性好 可同时用激发光谱和荧光发射光谱定性 结构信息量多 包括物质激发光谱 发射光谱 光强 荧光量子效率 荧光寿命等 应用不广泛 主要是因为能发荧光的物质不具普遍性 增强荧光的方法有限 外界环境对荧光量子效率影响大 干扰测量的因素较多 激发态 基态的能量传递途径 电子处于激发态是不稳定状态 返回基态时 通过辐射跃迁 发光 和无辐射跃迁等方式失去能量 激发态停留时间短 返回速度快的途径 发生的几率大 发光强度相对大 荧光 10 7 10 9s 第一激发单重态的最低振动能级 基态 磷光 10 4 10s 第一激发三重态的最低振动能级 基态 1 振动弛豫在液相或压力足够高的气相中 处于激发态的分子因碰撞将能量以热的形式传递给周围的分子 从而从高振动能层失活至低振动能层的过程 2 内转换对于具有相同多重度的分子 若较高电子能级的低振动能层与较低电子能级的高振动能层相重叠时 则电子可在重叠的能层之间通过振动耦合产生无辐射跃迁 3 外转换受激分子与溶剂或其它分子相互作用发生能量转换而使荧光或磷光强度减弱甚至消失的过程 也称 熄灭 或 猝灭 4 系间跨跃系间跨跃是发生在两个不同多重态之间的无辐射跃迁 如从S1到T1 当不同多重态的两个电子能层有较大重叠时 处于这两个能层上的受激电子的自旋方向发生变化 即可通过自旋 轨道耦合而产生无辐射跃迁 5 荧光发射分子电子从单重激发态的最低振动能级在很短时间 10 9 10 6s 跃迁到基态各振动能层时所产生的光子辐射称为荧光 由于各种去活化过程的存在 荧光辐射能通常要比激发能量低 或者说 荧光波长大于激发波长 Stokes效应 6 磷光发射从单重态到三重态分子间发生系间跨跃跃迁后 再经振动弛豫回到三重态最低振动能层 最后 在10 4 10s内跃迁到基态的各振动能层所产生的辐射 3 定性分析任何荧 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 1 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 激发光谱可用于鉴别荧光物质 在定量时 用于选择最适宜的激发波长 2 发射光谱发射光谱即荧光光谱 一定波长和强度的激发波长辐照荧光物质 产生不同波长的强度的荧光 以荧光强度对其波长作图可得荧光发射光谱 由于不同物质具不同的特征发射峰 因而使用荧光发射光谱可用于鉴别荧光物质 激发光谱与发射光谱的关系i 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 ii 形状比较荧光光谱形状与激发波长无关 iii 镜像对称通常荧光光谱与吸收光谱呈镜像对称关系 4 影响荧光及荧光强度的因素产生并可观察到荧光的条件 i 分子具有与辐射频率相应的荧光结构 内因 ii 吸收特征频率的光后 应可产生具一定量子效率的荧光 即量子效率 足够大 4 取代基 给电子取代基增强荧光 p 共轭 如 OH OR NH2 CN NR2等 吸电子基降低荧光 如 COOH C O NO2 NO X等 重原子降低荧光但增强磷光 如苯环被卤素取代 从氟苯到碘苯 荧光逐渐减弱到消失 该现象也称重原子效应 5 溶剂效应 一般溶剂效应 溶剂对折射率和介电常数的影响特殊溶剂效应 溶剂极性可增加或降低荧光强度 改变 及n 跃迁的能量 粘度降低可降低荧光强度 与溶剂作用从而改变荧光物质结构来增加或降低荧光强度 6 温度 温度增加 荧光强度下降 因为内 外转换增加 粘度或 刚性 降低 因此体系降低温度可增加荧光分析灵敏度 7 pH值 具酸或碱性基团的有机物质 在不同pH值时 其结构可能发生变化 因而荧光强度将发生改变 对无机荧光物质 因pH值会影响其稳定性 因而也可使其荧光强度发生改变 8 内滤光和自吸 体系内存在可以吸收荧光的物质 如色胺酸中的重铬酸钾 或荧光物质的荧光短波长与激发光长波长有重叠 均可使荧光强度下降 称为内滤光 当荧光物质浓度较大时 可吸收自身的荧光发射 称为荧光自吸 9 荧光猝灭 荧光物质分子与溶剂或溶质分子的相互作用引起荧光强度降低的现象 碰撞猝灭 主要形式 静态猝灭 组成化合物的猝灭 转入三重态的猝灭 自猝灭 二 荧光仪器 光源与检测器处于相互垂直的位置 1 光源 氙灯 高压汞灯 激光 2 样品池 石英 低荧光材料 3 两个单色器 选择激发光单色器 分离荧光单色器 4 检测器 光电倍增管 三 磷光分析1 磷光的特点 磷光波长比荧光的长 T1 S1 磷光寿命比荧光的长 磷光为禁阻跃迁产生 速率常数小 磷光寿命和强度对重原子和氧敏感 自旋轨道耦合 使kISC增加 2 低温磷光过程 4 磷光仪器在荧光仪样品池上增加磷光配件 低温杜瓦瓶和斩光片 如右图所示 斩光片的作用是利用其分子受激所产生的荧光与磷光的寿命不同获取磷光辐射 转筒式 转盘式 原子荧光光谱一 定义通过测定原子在光辐射能作用下发射的荧光强度进行定量分析的一种发射光谱分析方法 因所用仪器与AAS仪器相近 二 特点1 灵敏度高 检出限较低 采用高强度光源可进一步降低检出限 2 谱线干扰少 可以做成非色散AFS 3 校正曲线范围宽 3 5个数量级 4 易制成多道仪器 多元素同时测定 5 荧光猝灭效应 复杂基体效应等可使测定灵敏度降低 6 散射光干扰 7 可测量的元素不多 应用不广泛 三 基本原理1 荧光的产生气态原子吸收光源的特征辐射后 原子外层电子跃迁到激发态 然后返回到基态或较低能态 同时发射出与原激发波长相同或不同的辐射即为原子荧光 是光致二次发光 AFS本质上仍是发射光谱 1 光源 可用锐线光源 HCL 高强度HCL及无极放电灯 或连续光源 氙弧灯 2 原子化器 与原子吸收光度计相同 但所用的火焰与AAS的不同 主要是因为在通常的AAS火焰中 荧光猝灭严重 必须用Ar稀释的火焰 当用氢化物发生法时 直接使用Ar气氛下的石英加热方法进行原子化 3 分光系统 非色散型用滤光器 因荧光光谱简单 色散型荧光仪用光栅 4 检测器 色散型荧光仪用光电倍增管 非色散型用日盲光电管光源与检测器成900C 防止激发光源发射的辐射对原子荧光信号测定的影响 第7章红外光谱法 1 定义 红外光谱又称分子振动转动光谱 属分子吸收光谱 样品受到频率连续变化的红外光照射时 分子吸收其中一些频率的辐射 分子振动或转动引起偶极矩的净变化 使振 转能级从基态跃迁到激发态 相应于这些区域的透射光强减弱 记录百分透过率T 对波数或波长的曲线 即为红外光谱 应用 有机化合物的结构解析 定性 基团的特征吸收频率 可以用峰数 峰位 峰形 峰强来描述 定量 特征峰的强度 3 红外光谱特点1 红外吸收只有振 转跃迁 能量低 2 应用范围广 除单原子分子及单核分子外 几乎所有有机物均有红外吸收 3 分子结构更为精细的表征 通过IR谱的波数位置 波峰数目及强度确定分子基团 分子结构 4 定量分析 5 固 液 气态样均可用 且用量少 不破坏样品 6 分析速度快 7 与色谱等联用 GC FTIR 具有强大的定性功能 基本原理1 产生红外吸收的条件辐射光子的能量应与振动跃迁所需能量相等辐射与物质之间必须有耦合作用 2 分子振动1 双原子分子振动 影响基本振动跃迁的波数或频率的直接因素为化学键力常数k和原子质量 k大 化学键的振动波数高 质量m大 化学键的振动波数低 简正振动整个分子质心不变 整体不转动 各原子在原地作简谐振动且频率及位相相同 理论振动数 峰数 设分子的原子数为n 对非线型分子 理论振动数 3n 6 对线型分子 理论振动数 3n 5 理论上 多原子分子的振动数应与谱峰数相同 但实际上 谱峰数常常少于理论计算出的振动数 这是因为 a 偶极矩的变化 0的振动 不产生红外吸收 如CO2 b 谱线简并 振动形式不同 但其频率相同 c 仪器分辨率或灵敏度不够 有些谱峰观察不到 基团吸收带数据 影响基团频率的因素1 电子效应 引起化学键电子分布不均匀的效应 诱导效应 取代基电负性 静电诱导 电子分布改变 k增加 特征频率增加 移向高波数 共轭效应 电子云密度均化 键长变长 k降低 特征频率减小 移向低波数 中介效应 孤对电子与多重键相连产生的p 共轭 结果类似于共轭效应 当诱导与共轭两种效应同时存在时 振动频率的位移和程度取决于它们的净效应 2 氢键效应 X H 分子内 分之间 形成氢键使电子云密度平均化 缔合态 使体系能量下降 基团伸缩振动频率降低 其强度增加但峰形变宽 3 振动耦合 Coupling 当两个振动频率相同或相近的基团相邻并由同一原子相连时 两个振动相互作用 微扰 产生共振 谱带一分为二 高频和低频 如羧酸酐分裂为 C O as1820 s1760cm 1 4 空间效应由于空间阻隔 分子平面与双键不在同一平面 此时共轭效应下降 红外峰移向高波数 空间效应的另一种情况是张力效应 四元环 五元环 六元环 随环张力增加 红外峰向高波数移动 5 物质状态及制样方法通常 物质由固态向气态变化 其波数将增加 6 溶剂效应极性基团的伸缩振动频率通常随溶剂极性增加而降低 调节T 或称基线调平器 置于吸收池之后可避免杂散光的干扰 一 色散型 与双光束UV Vis仪器类似 但部件材料和顺序不同 7 3红外光谱仪 2 吸收池红外吸收池使用可透过红外的材料制成窗片 不同的样品状态 固 液 气态 使用不同的样品池 固态样品可与晶体混合压片制成 检测器红外光能量低 因此常用热电偶 测热辐射计 热释电检测器和碲镉汞检测器等 7 5应用简介一 定性分析不饱和度的计算 通过元素分析得到该化合物的分子式 并求出其不饱和度过 第8章电化学分析基础一 基本概念化学电池 极化 去极化 超电位 二 电池表达式电极电位标准电极电位 条件电极电位二 Nernst方程式液接电位的形成及消除 电化学分析 通过测量组成的电化学电池待测物溶液所产生的一些电特性而进行的分析 一 基本概念 电极 将金属放入对应的溶液后所组成的系统 化学电池 由两支电极构成的系统 化学能与电能的转换装置 原电池 自发地将化学能转变成电能 电解电池 由外电源提供电能 使电流通过电极 在电极上发生电极反应的装置 3 电化学分析法的特点 1 灵敏度 准确度高 选择性好被测物质的最低量可以达到10 12mol L数量级 2 电化学仪器装置较为简单 操作方便直接得到电信号 易传递 尤其适合于化工生产中的自动控制和在线分析 3 应用广泛传统电化学分析 无机离子的分析 测定有机化合物也日益广泛 有机电化学分析 药物分析 电化学分析在药物分析中也有较多应用 活体分析 二 电化学分析法的类别 习惯分类方法 按测量的电化学参数分类 1 电导分析法 测量电导值 2 电位分析法 测量电动势 3 电解 电重量 分析法 测量电解过程电极上析出物重量 4 库仑分析法 测量电解过程中的电量 5 伏安分析 测量电流与电位变化曲线 6 极谱分析 使用滴汞电极时的伏安分析 电池表达式 电极a 溶液 a1 溶液 a2 电极b 阳极E阴极 电池电动势 E c a 液接 右 左 液接当E 0 为原电池 E 0为电解池 电极电位 1 平衡电极电位可以将金属看成离子和自由电子构成 以锌 硫酸锌为例当锌片与硫酸锌溶液接触时 金属锌中Zn2 的化学势大于溶液中Zn2 的化学势 则锌不断溶解到溶液中 而电子留在锌片上 结果 金属带负电 溶液带正电 形成双电层 双电层的形成建立了相间的电位差 电位差排斥Zn2 继续进入溶液 金属表面的负电荷又吸引Zn2 达到动态平衡 相间平衡电位 平衡电极电位 2 电极电位的测量 电极电位 IUPAC规定 任何电极与标准氢电极构成原电池所测得的电动势作为该电极的电极电位 标准电极电位 常温条件下 298 15K 活度a均为1mol L的氧化态和还原态构成如下电池 Pt H2 101325Pa H a 1M Mn a 1M M 条件电极电位 0 对氧化还原反应 式中 0 为条件电极电位 二 Nernst方程式对于任一电极反应 电极电位为 在常温下 若电池的总反应为 aA bB cC dD电池电动势为 当电池反应达到平衡时 E 0 此时利用此式可求得反应的平衡常数K 液接电位的消除 盐桥盐桥的制作 加入3 琼脂于饱和KCl溶液 4 2M 加热混合均匀 注入到U形管中 冷却成凝胶 两端以多孔沙芯 porousplug 密封防止电解质溶液间的虹吸而发生反应 但仍形成电池回路 由于K 和Cl 离子的迁移或扩散速率相当 因而液接电位很小 通常为1 2mV 液接电位及其消除液接电位的形成当两个不同种类或不同浓度的溶液直接接触时 由于浓度梯度或离子扩散使离子在相界面上产生迁移 当这种迁移速率不同时会产生电位差或称产生了液接电位 电极极化定义 当有较大电流通过电池时 电极电位完全随外加电压而变 或者当电极电位改变较大而电流改变较小的现象称为极化 影响因素 电极大小和形状 电解质溶液组成 搅拌情况 温度 电流密度 电池中反应物与生成物的物理状态 电极成份 分类浓差极化发生电极反应时 电极表面附近溶液浓度与主体溶液浓度不同所产生的现象称为极化 可通过增大电极面积 减小电流密度 提高溶液温度 加速搅拌来减小浓差极化 b 电化学极化主要由电极反应动力学因素决定 由于分步进行的反应速度由最慢的反应所决定 即克服活化能要求外加电压比可逆电动势更大反应才能发生 在阴极 应使阴极电位更负 在阳极应使阳极电位更正 二 去极化定义 电极电位不随外加电压变化面变化 或者电极电位改变很小而电流变化很大的现象 如饱和甘汞电极为去极化电极 三 超电位 定义 由于极化 使实际电位和可逆电位之间存在差异 此差异即为超电位 影响因素 a 电流密度 b T c 电极化学成份不同 不同d 产物是气体的电极 其 大 电极分类 1 参比电极 为什么可以作参比电极 标准氢电极 甘汞电极电极反应 Hg2Cl2 2e 2Hg 2Cl 银 氯化银电极 电极反应 AgCl e Ag Cl 电极电位 25 EAgCl Ag E AgCl Ag 0 059lgaCl 2 指示电极 1 第一类电极 金属 金属离子电极EMn M E Mn M 0 059lgaMn 第一类电极的电位仅与金属离子的活度有关 2 第二类电极 金属 金属难溶盐电极常用作参比电极 3 第三类电极 汞电极 4 惰性金属电极电极不参与反应 但其晶格间的自由电子可与溶液进行交换 故惰性金属电极可作为溶液中氧化态和还原态获得电子或释放电子的场所 两电极系统与三电极系统的区别 第九章电位分析法 电位分析 通常是由指示电极 参比电极和待测溶液构成原电池 直接测量电池电动势并利用Nernst公式来确定物质含量的方法 分类 直接电位法 测定原电池的电动势或电极电位 利用Nernst方程直接求出待测物质含量的方法 电位滴定法 向试液中滴加可与被测物发生氧化还原反应的试剂 以电极电位的变化来确定滴定终点 根据滴定试剂的消耗量间接计算待测物含量的方法 原理电位分析是通过在零电流条件下测定两电极间的电位差 电池电动势 所进行的分析测定 当测定时 参比电极的电极电位保持不变 电池电动势随指示电极的电极电位而变 而指示电极的电极电位随溶液中待测离子活度而变 理论基础 能斯特方程 电极电位与溶液中待测离子间的定量关系 对于氧化还原体系 Ox ne Red 离子选择性电极的结构 电池结构为 外参比电极 被测溶液 ai未知 内充溶液 ai一定 内参比电极 内外参比电极的电位值固定 且内充溶液中离子的活度也一定 则电池电动势为 敏感膜 膜电位产生机理 当内外玻璃膜与水溶液接触时 Na2SiO3晶体骨架中的Na 与水中的H 发生交换 G Na H G H Na 因为平衡常数很大 因此 玻璃膜内外表层中的Na 的位置几乎全部被H 所占据 从而形成所谓的 水化层 1 玻璃膜 非晶体膜 电极 膜电位 M 外 外部试液与外水化层之间 g 外水化层与干玻璃之间 g 干玻璃与内水化层之间 内 内水化层与内部试液之间 设膜内外表面结构相同 g g 即测定pH值的电池组成表达式为 Ag AgCl Cl 1 0M H3O ax 玻璃膜 H3O a Cl 1 0M AgCl Ag 玻璃电极 含内参比液 待测液 外参比电极 1 不对称电位 25 产生的原因 玻璃膜内 外表面含钠量 表面张力以及机械和化学损伤的细微差异所引起的 长时间浸泡后 24hr 恒定 1 30mV 2 高选择性 膜电位的产生不是电子的得失 其它离子不能进入晶格产生交换 当溶液中Na 浓度比H 浓度高1015倍时 两者才产生相同的电位 3 酸差 测定溶液酸度太大 pH12产生误差 主要是Na 参与相界面上的交换所致 晶体膜电极 氟电极 原理 LaF3的晶格中有空穴 在晶格上的F 可以移入晶格邻近的空穴而导电 对于一定的晶体膜 离子的大小 形状和电荷决定其是否能够进入晶体膜内 故膜电极一般都具有较高的离子选择性 当氟电极插入到F 溶液中时 F 在晶体膜表面进行交换 25 时 E膜 K 0 059lgaF K 0 059pF具有较高的选择性 需要在pH5 7之间使用 pH高时 溶液中的OH 与氟化镧晶体膜中的F 交换 pH较低时 溶液中的F 生成HF或HF2 4 敏化电极 敏化电极是指气敏电极 酶电极 细菌电极及生物电极等 三 离子选择电极的特性1 膜电位及其选择性 对阳离子响应的电极 K后取正号 对负离子响应的电极 K后取负号 KiJ称之为电极的选择性系数 pH的测定 实用定义 一 直接电位法 TISAB的作用 保持较大且相对稳定的离子强度 使活度系数恒定 维持溶液在适宜的pH范围内 满足离子电极的要求 掩蔽干扰离子 标准加入法 影响电位测定准确性的因素 测量温度温度对测量的影响主要表现在对电极的标准电极电位 直线的斜率和离子活度的影响上 在测量过程中应尽量保持温度恒定 线性范围和电位平衡时间一般线性范围在10 1 10 6mol L 平衡时间越短越好 溶液特性溶液离子强度 pH及共存组分等 选择性误差及电位测量误差当电位读数误差为1mV时 对于一价离子 由此引起结果的相对误差为3 9 对于二价离子 则相对误差为7 8 故电位分析多用于测定低价离子 第10章极谱法与伏安法 定义 伏安法和极谱法是一种特殊的电解方法 以小面积 易极化的电极作工作电极 以大面积 不易极化的电极为参比电极组成电解池 电解被分析物质的稀溶液 由所测得的电流 电压特性曲线来进行定性和定量分析的方法 当以滴汞作工作电极时的伏安法 称为极谱法 它是伏安法的特例 极谱分析的特殊之处 1 采用一大一小的电极 大面积的去极化电极 参比电极 小面积的极化电极 2 电解是在静置 不搅拌的情况下进行 电压由0 2V逐渐增加到0 7V左右 绘制电流 电压曲线 图中 段 仅有微小的电流流过 这时的电流称为 残余电流 或背景电流 当外加电压到达Pb2 的析出电位时 Pb2 开始在滴汞电极上迅速反应 继续增加电压 或 DME更负 即滴汞电极表面的Pb2 迅速获得电子而还原 电解电流急剧增加 此时溶液本体的Pb2 来不及到达滴汞表面 滴汞表面产生 浓差极化 i k C Cs 外加电压继续增加 Cs趋近于0 C Cs 趋近于C时 这时电流的大小完全受溶液浓度C来控制 极限电流id 极谱分析的特点 一 参比电极 在极谱分析中电流是很小的 而参比电极的面积较大 所以电流密度很小 Cl 的改变也很小 二 滴汞电极 1 电极电位完全受外加电压的控制2 由于滴汞电极的面积很小 所以 极谱分析中微小的电流在滴汞电极上也要产生很大的电流密度 3 滴汞和周围的溶液始终保持新鲜 保证同一外加电压下的电流的重现和前后电解不相互影响 4 汞电极对氢的超电位比较大 可在酸性介质中进行分析 对SCE 其电位可负至 1 2V 5 滴汞作阳极时 因汞会被氧化 故其电位不能超过 0 4V 即该方法不适于阴离子的测定 6 汞易纯化 但有毒 易堵塞毛细管 二 影响扩散电流的因素a 溶液组份的影响组份不同 溶液粘度不同 因而扩散系数D不同 分析时应使标准液与待测液组份基本一致 底液 b 毛细管特性的影响汞滴流速m 滴汞周期t是毛细管的特性 将影响平均扩散电流大小 与h1 2成正比 因此 实验中汞柱高度必须一致 该条件常用于验证极谱波是否扩散波 c 温度影响除z外 温度影响公式中的各项 尤其是扩散系数D 室温下 温度每增加1oC 扩散电流增加约1 3 故控温精度须在 0 5oC 1 残余电流 产生 在极谱分析时 当外加电压未达分解电压时所观察到的微小电流 称为残余电流 ir 包括因微量杂质引起的电解电流和因滴汞生长 掉落形成的电容电流 或充电电流 它们直接影响测定的灵敏度和检出限 电解电流 由存在于滴汞上的易还原的微量杂质如水中微量铜 溶液中未除尽的氧等引起 电容电流 又为充电电流 是残余电流的主要部分 是由于滴汞的不断生长和落下引起的 充电电流为10 7A 相当于10 5mol mL物质所产生的电位 影响测定灵敏度和检测限 扣