仪器分析教案.doc

精品文档 1欢迎下载 仪器分析仪器分析 课程辅导教案课程辅导教案 光学分析和色谱分析 光学分析和色谱分析 山东大学公共卫生学院卫生检验研究室 邵丽华 仪器分析是根据物质的物理和化学性质来获取物质化学组成 含量 结构及相关信息的科学 它是分析化学的重要组成部分 随着科学技术的发展 分析化学已由过去的经典分析方法为主转 向以仪器分析方法为主 仪器分析在医学科学和生命科学中 对揭示生命起源 从分子水平上研 究生命的过程 临床检验中的配合诊断和治疗疾病 预防医学领域内的环境监测 卫生检验领域 的职业中毒检验 营养成分分析等都起着重要作用 仪器分析是卫生检验专业的重要的专业基础课 仪器分析课程的特点是基本理论与实践紧密 结合 通过严格的实验训练 培养认真的科学态度及独立进行精密科学实验的技巧 提高分析问 题和处理问题的能力 为后继课程的学习以及从事医药卫生和科学研究打下良好的基础 章学时数累计学时数 紫外可见分光光度法 77 原子吸收分光光度法 512 分子荧光分析法 416 色谱分析导论 420 气相色谱法 626 高效液相色谱法 430 合 计 30 仪器分析 武汉大学化学系编 高等教育出版社出版 2001 年 3 月 第 1 版 仪器分析 方惠群 于俊生 史 坚编 科学出版社出版 2002 年 2 月 第 1 版 仪器分析 郭永等编 地震出版社出版 2001 年 4 月 第 1 版 1 本教案源自现山东大学卫生检验专业和预防医学专业使用教材 分析化学 邹学贤主编 人民 卫生出版社出版 第 1 版 教案中如有错漏 请以该教材中内容为准 2 每章中都备有 基本要点基本要点 共阅读时参考 3 为便于阅读 教案目录中的各个条目均与相应章节链接 点击目录中想要阅读的条目 即可跳 转 课程简介 参考书目 阅读说明 课时安排 精品文档 2欢迎下载 至相应位置以供阅读 想要返回目录页时 建议使用 word 工具栏的 返回 符号 精品文档 3欢迎下载 仪器分析教案目录仪器分析教案目录 紫紫外外可可见见分分光光度法光光度法 4 4 光学分光学分析析法法 4 4 电磁波电磁波 4 4 分子吸收光谱分子吸收光谱 6 6 光的光的吸吸收定收定律律 1010 分光光分光光度度计计 1 13 3 定性及定量分析方法定性及定量分析方法 1 16 6 光度法显色反应条件和测量条件的选择光度法显色反应条件和测量条件的选择 1818 紫外紫外 可可见见分光光度法应用分光光度法应用 2121 自自测测题题 2 21 1 原子吸原子吸收收分分光光光度法光度法 2 23 3 基本原基本原理理 2323 原子吸收分光光度原子吸收分光光度计计 3030 定量分析方法定量分析方法 3131 原子吸收分光光度法干扰及消除原子吸收分光光度法干扰及消除 3232 原子吸收实原子吸收实验验技术及技术及应应用用 3434 自自测测题题 3636 分子荧分子荧光光分分析析法法 3737 基本原基本原理理 3838 溶液的荧光强度溶液的荧光强度 4141 测量荧光的仪器测量荧光的仪器 4343 应用与应用与示示例例 4444 自自测测题题 4545 精品文档 4欢迎下载 色色谱谱分分析析导导论论 4646 色谱法及其分类色谱法及其分类 4646 色谱流出曲色谱流出曲线线和术语和术语 4848 色谱分色谱分析析基本原理基本原理 5050 自自测测题题 6060 气气相相色色谱谱法法 6262 概概 述述 6262 气相气相色色谱分离谱分离条条件的件的选选择择 6363 色色谱谱柱柱 6565 气相色谱检气相色谱检测测器器 6767 气相色气相色谱谱定性定定性定量量分析分析 7171 毛细管柱气毛细管柱气相相色色谱谱法法 7575 顶空气相顶空气相色色谱谱法法 7676 气相色谱气相色谱法法的的应应用用 7777 自自测测题题 7878 高效高效液液相相色色谱谱法法 7979 概概 述述 7979 高效高效液液相色相色谱谱仪仪 8080 色谱分离条件选择色谱分离条件选择 8484 液液 固色固色谱谱法法 8585 化学键合相色谱法化学键合相色谱法 8686 离子交换色离子交换色谱谱法法 8787 尺寸排阻色谱尺寸排阻色谱法法 8888 高效液相色高效液相色谱谱法法的应用的应用 8 89 9 自自测测题题 9090 精品文档 5欢迎下载 紫外可见分光光度法紫外可见分光光度法 光学分析法光学分析法 光学分析法光学分析法 利用辐射与物质间相互作用进行定性 定量的分析方法 光谱法 光学光谱 原子吸收 紫外可见 荧光分析 原子发射等 光 学 其它光谱 核磁共振 顺磁共振 X 射线荧光等 分析法 非光谱法 折射法 偏振法 旋光法 园二向色散法 X 射线衍射法等 电电 磁磁 波波 一一 电磁波电磁波 电磁波 实验证实 电磁波 电磁辐射 是一种以极高速度传播的光量子流 既 具有粒子性 也具有波动性 1 波动性 其特征是每个光子具有一定的波长 可以用波的参数如 波长 频率 周期 T 及振幅 A 等来描述 由于在真空中 所有电磁波均以同样的最大速度 C 传播 各种辐射在真空中 有固定的波长 1 c 基本要点 基本要点 1 1 理解分子吸收光谱的产生及特征 理解分子吸收光谱的产生及特征 2 2 理解光吸收基本定律和应用于紫外可见分光光度法的条件及其偏离因素 理解光吸收基本定律和应用于紫外可见分光光度法的条件及其偏离因素 3 3 了解紫外了解紫外 可见分光光度计的主要部件及其类型 可见分光光度计的主要部件及其类型 4 4 理解紫外理解紫外 可见分光光度法的显色反应条件和测量条件的选择 可见分光光度法的显色反应条件和测量条件的选择 5 5 掌握紫外掌握紫外 可见分光光度法的定性分析和定量分析方法及其应用 可见分光光度法的定性分析和定量分析方法及其应用 7 7 学时学时 精品文档 6欢迎下载 但电磁波在任何介质中的传播速度都比在真空中小 通常用真空中的 值来 标记各种不同的电磁波 波长单位 紫外可见区 常用 nm 红 外光 区 常用 微 波 区 常用 cm 2 粒子性 电磁辐射与物质之间能量的转移用粒子性来解释 特征 辐射能是由一颗一颗不连续的粒子流传播的 这种粒子叫光量子 是量子 化的 发射或被吸收 光量子的能量 E h 式中 h plank 常数 其值为 6 626 10 34 J S 光量子能量与波长的关系为 2 c hhE 例如 为 200nm 的光 一个光量子的能量是 由于光量子能量小 10 19J 因此定义 1eV 电子伏 1 6021 10 19 J 则 上例中 2 6 106021 1 10923 9 19 19 eVE 由 2 式 可知 E E 即 随着 辐射波动性变得较明显 随着 辐射的粒子性表现的较明显 二二 电磁波电磁波 电磁波谱 电磁辐射按波长顺序排列称为电磁波谱 紫外可见分光光度法紫外可见分光光度法 是根据物质分子对紫外及可见光谱区光辐射的吸收特征和吸收 程度进行定性 定量的分析方法 分子吸收光谱分子吸收光谱 一一 分子吸收光谱的产生分子吸收光谱的产生 10923 9 10200 10997925 2 10626 6 19 9 8 34 J c hE 精品文档 7欢迎下载 一 分子能级与电磁波谱 分子中包含有 原子和电子 分子 原子 电子都是运动着的物质 都具有能量 且 都是量子化的 在一定的条件下 分子处于一定的运动状态 物质分子内部运动状 态有三种形式 电子运动 电子绕原子核作相对运动 原子运动 分子中原子或原子团在其平衡位置上作相对振动 分子转动 整个分子绕其重心作旋转运动 所以 分子的能量总和为 E分子 Ee Ev Ej E0 E平 3 分子中各种不同运动状态都具有一定的能级 三种能级 电子能级 E 基态 E1 与激发态 E2 振动能级 V 0 1 2 3 转动能级 J 0 1 2 3 当分子吸收一个具有一定能量的光量子时 就有较低的能级基态能级 E1 跃迁到 较高的能级及激发态能级 E2 被吸收光子的能量必须与分子跃迁前后的能量差 E 恰 好相等 否则不能被吸收 jve EEEhvEEE 光子 12 图图 1 1 双原子分子的三种能级跃迁示意图双原子分子的三种能级跃迁示意图 精品文档 8欢迎下载 键 对多数分子 对应光子波长 光 谱 E 约为 1 20eV 1 25 0 06 紫外 可见区 电子 E 约为 0 5 1eV 25 1 25 中 红外区 振动 E约为 10 4 0 05eV 1 25cm 25 远 红外区 转动 分子的能级跃迁是分子总能量的改变 当发生电子能级跃迁时 则同时伴随有 振动能级和转动能级的改变 即 电子光谱 均改变 因此 分子的 电子光谱 是由许多线光谱聚集在一起的带光谱组成的谱带 称 为 带状光谱 由于各种物质分子结构不同 对不同能量的光子有选择性吸收 吸收光子后 产生的吸收光谱不同 利用物质的光谱进行物质分析的依据 二二 紫外紫外 可见吸收光谱与有机分子结构的关系可见吸收光谱与有机分子结构的关系 一 电子跃迁的类型 许多有机化合物能吸收紫外 可见光辐射 有机化合物的紫外 可见吸收光谱主要 是由分子中价电子的跃迁而产生的 分子中的价电子有 成 键 电 子 电子 电子 轨道上能量低 未成键电子 n 电子 轨道上能量较低 这三类电子都可能吸收一定的能量跃迁到能级较高的反键轨道上去 见 图 3 图图 2 2 分子中价电子跃迁示意图分子中价电子跃迁示意图 精品文档 9欢迎下载 1 跃迁 的能量差大 所需能量高 吸收峰在远紫外 150nm 饱和烃只有 轨道 只能产生 跃迁 例如 甲烷 吸收峰在 125nm 乙烷 吸收峰在 135nm 150nm 因空气中 O2对 150nm 辐射有吸收 定量分析时要求实验室有真空条件 要求一 般难达到 2 跃迁 能量差较小 所需能量较低 吸收峰紫外区 200nm 左右 不饱和烃类分子中有 电子 也有 轨道 能产生 跃迁 CH2 CH2 吸收峰 165nm 吸收系数 大 吸收强度大 属于强吸收 3 n 跃迁 n 能量较低 收峰紫外区 200nm 左右 与 接近 含有杂原子团如 OH NH2 X S 等的有机物分子中除能产生 跃迁外 同时能产生n 跃迁 例如 三甲基胺 CH3 3N 的 n 吸收峰 在 227 nm 约为 900 L mol cm 属于中强吸收 4 n 跃迁 n 能量低 吸收峰 在 近紫外 可见区 200 700nm 含有杂原子的不 饱和基团 如 C O C N 等 例如 丙酮 n 跃迁 max 280nm 左右 同时也可产生 跃迁 属于弱吸收 n n 紫外 可见吸收光谱法在有机化合物中应用主要以 n 为基础 二 吸收峰的长移和短移 长移 吸收峰向长 移动的现象 又称 红移 短移 吸收峰向短 移动的现象 又称 紫移 增强效应 吸收强度增强的现象 减弱效应 吸收强度减弱的现象 三 发色团和助色团 精品文档 10欢迎下载 n 跃迁都需要有不饱和的官能团以提供 轨道 因此 轨道的存在 是有机化合物在紫外 可见区产生吸收的前提条件 1 发色团 具有 轨道的不饱和官能团称为发色团 主要有 C O N N N O C C 等 但是 只有简单双键的化合物生色作用很有限 其有时可能仍在远紫外区 若分 子中具有单双键交替的 共轭大 键 离域键 时 如 丁二稀 CH2 CH CH CH2 由于大 键中的电子在整个分子平面上运动 活动性增加 使 与 间的能量 差减小 使 吸收峰长移 生色作用大大增强 2 助色团 本身不 生色 但能使生色团生色效应增强的官能团 称为助色团 主要有 OH NH2 SH Cl Br 等 具有未成键电子轨道 n 的饱和官能团 当这些基团单独存在时一般不吸收紫外 可见区的光辐射 但当它们与具有轨道的 生色基团相结合时 将使生色团的吸收波长长移 红移 且 使吸收强度增强 助色团至少要有一对与生色团 电子作用的孤对电子 四 溶剂效应 溶剂的极性对吸收带的影响 跃迁 溶剂的极性 长移 三三 吸收光谱吸收光谱 吸收光谱 又 称吸收曲线 是以波长 为横坐标 吸光度 A 为纵坐标所 描绘的图形 特征 吸收峰 曲线上比左右相邻处都高的一处 max 吸收程度最大所对应的 曲线最大峰处的 谷 曲线上比左右相邻处都低的一处 min 最低谷所对应的 肩峰 介于峰与谷之间 形状像肩的弱吸收峰 末峰吸收 在吸收光谱短波长端所呈现的强吸收而不呈峰形的部分 精品文档 11欢迎下载 图图 3 3 吸收曲线示意图吸收曲线示意图 定性分析 吸收光谱的特征 形状和定性分析 吸收光谱的特征 形状和 max max 定量分析 一般选定量分析 一般选 max max 测吸收程度 吸光度 测吸收程度 吸光度 A A 光的吸收定律光的吸收定律 一一 Lambert BeerLambert Beer 定律定律 光吸收基本定律光吸收基本定律 Lambert Beer 定律 是说明物质对单色光吸收的强弱与吸光物质的浓度 c 和 液层厚度 b 间的关系的定律 是光吸收的基本定律 是紫外 可见光度法 定量的基础 Lambert 定律 吸收与液层厚度 b 间的关系 Beer 定律 吸收与物质的浓度 c 间的关系 Lambert Beer 定律 可简述如下 当一束平行的单色光通过含有均匀的吸光物质的吸收池 或气体 固体 时 光 的一部分被溶液吸收 一部分透过溶液 一部分被吸收池表面反射 设 入射光强度为 I0 吸收光强度为Ia 透过光强度为It 反射光强度为Ir 则它 们之间的关系应为 I0 Ia It Ir 4 若 吸收池的质量和厚度都相同 则 Ir 基本不变 在具体测定操作时 Ir 的影响 可互相抵消 与吸光物质的 c及 b 无关 上式可简化为 I0 Ia It 5 6 cbK I I t ln 0 cbK I It 0 lg 精品文档 12欢迎下载 实验证明 当一束强度为 I0 的单色光通过浓度为 c 液层厚度为 b 的溶液时 一部分光被溶液中的吸光物质吸收后透过光的强度为 It 则 它们之间的关系为 称为透光率 用 T 表示 0 I It 称为 吸光度 用 A 表示 0 lg I It 则 A lgT K b c 7 此即 Lambert Beer 定律 数学表达式 L B 定律 可表述为 当一束平行的单色光通过溶液时 溶液的吸光度 A 与溶 液的浓度 C 和厚度 b 的乘积成正比 它是分光光度法定量分析的依据 二二 吸光度的加和性吸光度的加和性 设 某一波长 的辐射通过几个相同厚度的不同溶液c1 c2 cn 其透射 光强度分别为 I1 I2 In 根据吸光度定义 这一吸光体系的总吸光度为 n I I A 0 lg 而 各溶液的吸光度分别为 8 nnn n n n n I I IIII IIII I I I I I I AAA 0 121 12101 2 1 1 0 21 lglglglglg 吸光度的和为 9 n n AAA I I A 21 0 lg 即 几个 同厚度 溶液的吸光度等于各分层吸光度之和 如果溶液中同时含有 n 中吸光物质 只要各组分之间无相互作用 不因共存而改 变本身的吸光特性 则 A K1C1 b1 K2C2 b2 KnCn bn A1 A2 An 10 应用 进行光度分析时 试剂或溶剂有吸收 则可由所测的总吸光度 A 中扣除 即 以试剂或溶剂为空白的依据 测定多组分混合物 校正干扰 精品文档 13欢迎下载 三三 吸光系吸光系数数 Lambert Beer 定律中的比例系数 K 的物理意义是 吸光物质在单位浓度 单 位厚度时的吸光度 一定条件 T 及溶剂 下 K 是物质的特征常数 是定性的依据 K 在标准曲线上为斜率 是定量的依据 常有两种表示方法 1 摩尔吸光系数 当 c用 mol L b 用 cm 为单位时 用摩尔吸光系数 表示 单位为 L mol cm A b c 11 与 b及 c 无关 一般不超过 105 数量级 通常 104 为强吸收 104 为中强吸收 吸收系数不可能直接用 1 mol L 浓度的吸光物质测量 一般是由较稀溶液的吸光 系数换算得到 2 吸光系数 当 c 用 g L b 用 cm 为单位时 K 用吸光系数 a 表示 单位为 L g cm A a b c 12 与 a 之间的关系为 M a 13 通常多用于研究分子结构 a 多用于测定含量 四四 引起偏离引起偏离 Lambert BeerLambert Beer 定律的因素定律的因素 根据 L B 定律 A与c的关系应是一条通过原点的直线 称为 标准曲线 但 事实上往往容易发生偏离直线的现象而引起误差 尤其是在高浓度时 导致偏离L B 定律的因素主要有 1 吸收定律本身的局限性 事实上 L B 定律是一个有限的定律 只有在稀溶液中才能成立 由于在高浓 度时 通常 C 0 01mol L 吸收质点之间的平均距离缩小到一定程度 邻近质点彼 此的电荷分布都会相互受到影响 此影响能改变它们对特定辐射的吸收能力 相互影 响程度取决于C 因此 此现象可导致 A与 C 线性关系发生偏差 此外 n 为折射率 22 2 n n 真 精品文档 14欢迎下载 只有当 c 0 01mol L 低浓度 时 n 基本不变 才能用 代替 真 2 化学因素 溶液中的溶质可因 c 的改变而有离解 缔合 配位以及与溶剂间的作用等原因 而发生偏离 L B 定律的现象 例 在水溶液中 Cr 的两种离子存在如下平衡 Cr2O42 H2O 2CrO42 2H Cr2O42 CrO42 有不同的 A 值 溶液的 A 值是二种离子的 A 之和 但由于随着浓 度的改变 稀释 或改变溶液的 pH 值 Cr2O42 CrO42 会发生变化 使C总 与 A总 的关系偏离直线 消除方法 控制条件 3 仪器因素 非单色光的影响 L B 定律的重要前提是 单色光 即 只有一种波长的光 实际上 真正的单色 光却难以得到 由于吸光物质对不同 的光的吸收能力不同 不同 就导致对的 偏离 单色光 仅是一种理想情况 即使用棱镜或光栅等所得到的 单色光 实际上是有 一定波长范围的光谱带 单色光 的纯度与狭逢宽度有关 狭缝越窄 他所包含的波长 范围也越窄 4 其它光学因素 1 散射和反射 浑浊溶液由于散射光和反射光而偏离 L B 2 非平行光 分光光度计分光光度计 紫外 可见分光光度计 是 在紫外可见区可任意选择不同 的光测定吸光度的仪 器 一一 紫外紫外 可见分光光度计的主要部件可见分光光度计的主要部件 1 光源 提供入射光的装置 1 钨灯或碘钨灯 发射光 范围宽 但紫外区很弱 通常取此 350nm 光为可见区光源 2 氢灯或氘灯 气体放电发光光源 发射 150 400nm 的连续光谱 用作紫外区 同时配有 稳压电源 稳定 I0 光强补偿装置 聚光镜等 2 单色器 将来自光源的光按波长的长短顺序分散为单色光并能随意调节所需波长光 精品文档 15欢迎下载 的一种装置 1 色散元件 把混合光分散为单色光的元件是单色器的关键部分 常用的元件有 棱镜 由玻璃或石英制成 它对不同 的光有不同的折射率 将复合光分开 但 光谱疏密不均 长 区密 短 区疏 光栅 由抛光表面密刻许多平行条痕 槽 而制成 利用光的衍射作用和干扰 作用使不同 的光有不同的方向 起到色散作用 光栅色散后的光谱是均匀分布的 2 狭缝 入口狭缝 限制杂散光进入 出口狭缝 使色散后所需 的光通过 3 准直镜 以狭缝为焦点的聚光镜其作用为 将来自于入口狭缝的发散光变成单 色光把来自于色散元件的平行光 聚集于出口狭缝 3 吸收池 装被测溶液用的无色 透明 耐腐蚀的池皿光学玻璃吸收池 只能用于 可见区 石英吸收池 可用于紫外及可见区 定量分析时 吸收池应配套 同种溶液测定 A 0 5 4 检测器 将接受到的光信号转变成电信号的元件 常用的有 1 光电管 一真空管内装有 一个丝状阳极 用镍制成 一个半圆筒状阴极 金属制成 凹面涂光敏物质 国产光电管 紫敏光电管 用锑 铯做阴极 适用范围 200 625nm 红敏光电管 用银 氧化铯作阴极 适用范围 625 1000nm 2 光电倍增管 原理与光电管相似 结构上有差异 5 显示器 电表指针 数字显示 荧光屏显示等 显示方式 A T c 等 二二 分光光度计的类型分光光度计的类型 常见的可见及紫外 可见分光光度计 1 单波长 单光束分光光度计 721 722 752 型等 一个单色器 一种波长的单色光 一束单色光 2 单波长双光束分光光度计 从一个单色器获取一个波长的单色光用切光器分成二束强度相等的单色光实际测 精品文档 16欢迎下载 量到的吸光度 A 应为 A As AR 14 S R RS Rs I I I I I I AAAlglglg 00 式中消去了I0 即消除了光源不稳定性引起的 A 值测量误差 3 双波长分光光度计 二个单色器得到二个波长不同的单色光 两束波长不同的单色光 1 2 交替地通过同一试样溶液 同一吸收池 后照 射到同一光电倍增管上 最后得到的是溶液对 1和 2两束光的吸光度差值 A 即 A 1 A 2 图图 4 4 双波长双光束分光光度计以双波长单光束方式工作时的光学系统图双波长双光束分光光度计以双波长单光束方式工作时的光学系统图 若用于测定浑浊样品或背景吸收较大的样品时 可提高测定的选择性 用 AS 表示非 待测组分的吸光度 背景吸收 则 15 1 1 0 1 1 1 1 lg ss t AcbA I I A 16 2 2 0 2 2 2 2 lg ss t AcbA I I A 一般情况下 由于 1 与 2 相差很小 可视为相等 As 一般不受 的影响 或影 响甚微 As 1 As 2 因此 通过吸收池后的光强度差为 17 cbAA I I A lg 2121 2 1 0 0 该式表明 试样溶液中被测组分的浓度与两个波长 1 和 2处的吸光度差 A 成 精品文档 17欢迎下载 比例 这是双波长法的定量依据 双波长分光光度计不仅可测定多组分混合试样 浑 浊试样 而且还可测得导数光谱 定性及定量分析方法定性及定量分析方法 一一 定性分析定性分析 选择合适的溶剂 非极性 使用有足够纯度单色光的分光光度计 在相同的条件 下测定相近浓度的待测试样和标准品的溶液的吸收光谱 然后比较二者吸收光谱特征 吸收峰数目及位置 吸收谷及肩峰所在的位置 等 分子结构相同的化合物应有 完全相同的吸收光谱 二二 定量分析定量分析 一 单组分定量分析方法 1 标准曲线法 配制一系列 5 10 个不同c的标准溶液 在适当 通常为 max下 以适当的空白溶液作参比 分别测定A 然后作 A c 曲线同条件下测定试样 溶液吸光度 Ax 查找对应的 cx 2 直接比较法 已知试样溶液基本组成 配制相同基体 相近浓度的标准溶液 分别 测定吸光度A标 A样 根据 L A 定律 A标 K b c标 A样 K b c样 则 18 标 标 样 样 c A A c 二 多组分定量分析 混合组分的吸收光谱相互重叠的情况不同 测定方法也不相同 常见混合组分吸 收光谱相干扰情况有以下三种 图图 5 5 混合组分吸收光谱的三种相干情况示意图混合组分吸收光谱的三种相干情况示意图 1 第一种情况 各种吸光物质吸收曲线不相互重叠或很少重叠 则可分别在 1 及 2 精品文档 18欢迎下载 处测定 a 及 b 组分的 c 2 第二种情况 部分重叠 先在 1 处测得 ca 再在 2 处测得混合组分的吸光度 Aa b 根据吸收定律加和性 bbaababa cbcbAAA 22222 即可求得cb 应先求得 a 2 与 a 2 并使用相同 b 3 第三种情况 两吸收曲线互相重叠 但服从 L B 定律 1 解方程组法 若试样中需要测定两种组分 则选定两个波长 1 及 2 测得试液的吸光度为 A1和 A2 则可解方程组求得组分a b 的浓度ca cb 在 1 处 bbaa cbcbA 11 1 在 2 处 19 bbaa cbcbA 22 2 如果混合物含有 n 个组分 可不经分离 在 n 个适当波长处进行 n 次测量 获 得 n个吸光度值 然后解 n 个联立方程以求得各组分的浓度 2 等吸光度双波长 消去 法 吸收光谱重叠的 d e 两组分共存 现设法把一种组分 a 的吸光度消去 方法如下 图图 6 6 二组分混合物吸收光谱用作图法选择二组分混合物吸收光谱用作图法选择 1 1 2 2 双波长分光光度法 双波长分光光度法 选取两个适当的波长 1 和 2 ed eded AAAAAAAAA 112212 e e 精品文档 19欢迎下载 使 1d 2d 而尽可能大 则用这两个波长 1 和 2测得混合物溶液 ee b22 吸光度之差 A 应只与 ce 成正比 而与cd无关 直接测得ce 因为 所以 dd 21 0 12 d ddd cbA 若用 1cm 吸收池 ee e e ee e cKccAA 12 若需测定另一组分 d 时 也可用同样方法 选择另一个 1 和 2 先消去的 e 的干扰 直接求cd 光度法显色反应条件和测量条件的选择光度法显色反应条件和测量条件的选择 一一 影响显色反应的因素及反应条件的选择影响显色反应的因素及反应条件的选择 一 显色反应的选择 1 选择性好 干扰少或易排除 2 灵敏度高 S 尤其是对低含量组分 一般选择 104 105 L mol cm 3 有色化合物稳定 组成恒定 4 有色化合物与显色剂的颜色差别大 二 影响显色反应的因素及反应条件 1 显色剂的用量 M R MR 待测组分 显色剂 有色化合物 在被测组分一定及其它实验条件不变的情况下 分别测得加入不同量显色剂测得 A值 作A cR曲线 常见以下二种情况 cR cR 图图 7 7 吸光度与显色剂加入量的关系吸光度与显色剂加入量的关系 吸光度与显色剂加入量的关系吸光度与显色剂加入量的关系 a a b b 在 a 与 b之间任选一点 严格控制CR A A 精品文档 20欢迎下载 因此 合适的 cR 通过实验确定 2 溶液的酸度 1 对金属离子存在状态的影响 防止水解 防止沉淀生成 2 对显色剂浓度的影响 H2R 2H R2 3 对显色剂颜色的影响 pKa pKa H2R H HR 2H R2 6 9 12 4 黄 橙 红 适宜的 pH 通过实验确定 做 A pH 曲线 其它条件并不变 从中找出 A 较 大且基本不变的某 pH 范围 3 显色时间 各种显色反应得速度不同 反应完全所需时间不同 有些有色化合物在 一定的时间内稳定 选择方法 作 A t min 曲线 选择在 A 较大且稳定的时间内进行 4 显色温度 显色反应一般在室温下进行 但反应速度太慢或常温下不易进行的显色 反应需要升温或降温 选择方法 作 A T 曲线 选择在 A 较大的时间内进行 5 溶剂 实验确定 选择合适的溶剂 常为有机溶剂 提高反应的灵敏度及加快 反应速度 二二 分光光度法测量误差及实验条件的选择分光光度法测量误差及实验条件的选择 一 测量误差及 A 范围的选择 任何一台分光光度计都有光度误差 T 但给定的一台分光光度计 T 基本上 是一常数 一般为 0 002 0 01 但在不同 T 时同样的 T 对应的 A 则不同 所以引起的 C C 浓度的相对误差 就不同 由 L B 定律得 20 lg K T K A c T dT T e c dc lg lg 将此式微分得 T dT K e dc lg 精品文档 21欢迎下载 浓度相对误差为 21 T T TT T T e c c lg 434 0 lg lg 设 当 T 0 01 时 不同 T 时所对应的 c c 可从相关表查得 当 T 36 8 即 A 0 434 时 c c 最小 当 T 在 15 65 之间 即 A 在0 2 0 8范围内 c c 较小 实际测定时 可通过控制溶液的 c 及 b 使 A 在 0 2 0 8 范围内 二 测量波长选择 一般根据吸收光谱选择 max 测定 灵敏度高 A 随波长变化小若有干扰 根据 吸收大 干扰小 原则选择 如 3 3 二氨基联苯 DAB 和 Se 形成配合物 Se DAB 的最大吸收波长在 340nm 波 长处 DAB 也有很强的吸收 在这种情况下 分析波长应选用次大吸收波长 420nm 否 则测量误差较大 3 狭缝宽度 理论上 定性分析采用最小的狭缝宽度 在定量分析中 为避免狭缝太小 出射 光太弱而引起信噪比降低 可以将狭缝开大一点 通过测定 A 随狭缝宽度的变化规律 可选择出合适的狭缝宽度 狭缝宽度在某个范围内 A 值恒定 狭缝宽度增大至一定 程度时 A 减小 因此 合适的狭缝宽度是 在 吸光度不减小时的最大狭缝宽度 三 空白溶液的选择 空白溶液是用来调节工作零点 即 A 0 T 100 的溶液 以消除溶液中其它基体 组分以及吸收池和溶剂对入射光的反射和吸收所带来的误差 根据情况不同 常用空白溶液有如下选择 1 溶剂空白 当溶液中只有待测组分在测定波长下有吸收 而其它组分无吸收时 用纯溶剂作空白 2 试剂空白 如果显色剂或其它试剂有吸收 而待测试样溶液无吸收 则用不加待测组分的其它试剂作空白 3 试样空白 如果试样基体有吸收 而显色剂或其它试剂无吸收 则用不加显色剂的试样溶液作空白 4 平行操作空白 用溶剂代替试样溶液 以与试样完全相同的分析步骤进行平行操作 用所得的溶液作空白 紫外紫外 可见分光光度法应用可见分光光度法应用 精品文档 22欢迎下载 酸碱指示剂离解常数的测定酸碱指示剂离解常数的测定 分光光度法可以测定酸碱离解常数 若为一元弱酸 在溶液中的离解反应为 HB H B HB BH Ka lg HB B pHpKa 若测出 B 和 HB 就可算出 Ka 测定时 配制出三份不同 pH 的 HB 溶液 一份为强碱性溶液 另一份为强酸性溶液 分别在 B 和 HB 的吸收峰波长处测定吸 光度 由此计算出 B 和 HB 的摩尔吸光系数 第三份为已知 pH 值的缓冲液 其 pH 值在 pKa 附近 在测得 B 和 HB 的总吸光度后用双组分测定的方法算出 B 和 HB 的 浓度 即可计算出弱酸的离解常数 由 pH pKa lg HB B 可知 当 B 和 HB 相等时 pKa pH 若以 pH 为横坐标 以某波长处测得的不同 pH 时的 A 为纵坐标作图 得一条 S 形曲线 该曲线的中点所对应的 pH 即为 pK 值 自自 测测 题题 1 什么是分光光度中的吸收曲线 制作吸收曲线的目的是什么 2 什么是分光光度中的校准曲线 为什么一般不以透光度对浓度来制作校准曲线 3 试比较通常的分光光度法与双波长分光光度法的差别 并说明其理由 4 影响显色反应的条件有那些 怎样选择适宜的显色条件 5 浓度为 1 02 10 4 mol L 的酸碱指示剂 HIn Ka 1 42 10 5 水溶液 取 2 份 分别用等容的 0 2 mol L NaOH 与 HCl 0 2 mol L 稀释后 用 1 0cm 吸收池在 430nm 处 测得吸光度为 1 51 碱性液 与 0 032 酸性液 计算此指示剂的纯水溶液浓度分别 为 2 10 5 4 10 5 12 10 5mol L 时在 430nm 处的吸光度 精品文档 23欢迎下载 6 已知 Zn2 与螯合剂 Q2 生成的配阴离子 ZnQ22 在 480nm 有最大吸收 当螯合剂 的浓度超过阳离子 20 倍以上时 可以认为 Zn2 全部生成 ZnQ22 Zn2 或 Q2 对 480nm 的光都不吸收 现有含 Zn2 2 30 10 4mol L 与含 Q2 9 60 10 3 mol L 的溶液 用 1 00cm 吸收池于 480nm 处测得吸光度为 0 690 同样条件下 只把螯合剂浓度改变为 5 00 10 4mol L 测得的吸光度为 0 540 计算 ZnQ22 的稳定常数 7 某指示剂 HIn 的离解常数是 5 4 10 7 HIn 的 max是 485nm In 的 max 625nm 今制成 5 4 10 4 mol L 溶液用 1 00cm 的吸收池在酸性与碱性下测 得吸光度如下 吸光度 A 主 要 pH 485nm 625nm 存在形式 1 00 0 454 0 176 HIn 13 00 0 052 0 823 In 问 a 指示剂浓度不变而 H 浓度为 5 4 10 7mol L 时 在 485nm 与 625nm 处的吸光度 将是多少 b 指示剂浓度不变 改变溶液的 pH 值 在 625nm 处的吸光度是 0 298 求 溶液的 H 浓度 精品文档 24欢迎下载 原子吸收分光光度法原子吸收分光光度法 原子吸收分光光度法 原子吸收分光光度法 根据物质产生的原子蒸气中待测元素的基态原子对光源特征辐 射谱线吸收程度进行定量的分析方法 原子吸收分光光度法 的特点 1 灵敏度高 其检出限可达 10 9 g ml 某些元素可更高 2 选择性好 分析不同元素时 选用不同元素灯 提高分析的选择性 3 具有较高的精密度和准确度 试样处理简单 基本原理基本原理 一一 原子吸收光谱的产生及共振线原子吸收光谱的产生及共振线 在一般情况下 原子处于能量最低状态 最稳定态 称为基态 E0 0 当原 子吸收外界能量被激发时 其最外层电子可能跃迁到较高的不同能级上 原子的这种 运动状态称为激发态 处于激发态的电子很不稳定 一般在极短的时间 10 8 10 7s 便跃回基态 或较低的激发态 此时 原子以电磁波的形式放出能量 1 c hhEEE n 0 基本要点 基本要点 1 1 了解影响原子吸收谱线轮廓的因素 了解影响原子吸收谱线轮廓的因素 2 2 理解火焰原子化和高温石墨炉原子化法的基本过程 理解火焰原子化和高温石墨炉原子化法的基本过程 3 3 了解原子吸收分光光度计主要部件及类型 了解原子吸收分光光度计主要部件及类型 4 4 了解原子吸收分光光度法干扰及其抑制方法 了解原子吸收分光光度法干扰及其抑制方法 5 5 掌握原子吸收分光光度法的定量分析方法及实验条件选择原则 掌握原子吸收分光光度法的定量分析方法及实验条件选择原则 5 5 学时学时 精品文档 25欢迎下载 图图 1 1 原子光谱的发射和吸收示意图原子光谱的发射和吸收示意图 共振发射线 原子外层电子由第一激发态直接跃迁至基态所辐射的谱线称为共振发射 线 共振吸收线 原子外层电子从基态跃迁至第一激发态所吸收的一定波长的谱线称为共 振吸收线 共 振 线 共振发射线和共振吸收线都简称为共振线 由于第一激发态与基态之间跃迁所需能量最低 最容易发生 大多数元素吸收也 最强 因为不同元素的原子结构和外层电子排布各不相同 所以 共振线 也就不同 各有特征 又称 特征谱线 选作 分析线 二二 原子吸收值与原子浓度的关系原子吸收值与原子浓度的关系 一 吸收线轮廓及变宽 若将一束不同频率 强度为 I0 的平行光通 过厚度为 1cm 的原子蒸气时 一部分光被吸收 lK eII 0 2 图图 2 2 基态原子对光的吸收基态原子对光的吸收lK I I A 434 0lg 0 透射光的强度 I 仍服从朗伯 比尔定律 式中 K 基态原子对频率为的光的吸收系数 它是光源辐射频率的 函数 由于外界条件及本身的影响 造成对原子吸收的微扰 使其吸收不可能仅仅对应 于一条细线 即原子吸收线并不是一条严格的几何线 单色 而是具有一定的宽度 轮廓 即透射光的强度表现为一个相似于下图的频率分布 精品文档 26欢迎下载 图图 3 3 I I 与与 的关系的关系 若用原子吸收系数K 随 变化的关系作图得到吸收系数轮廓图 图图 4 4 原子吸收线的轮廓图原子吸收线的轮廓图 K0 峰值吸收系数或中心吸收系数 最大吸收系数 0 中心频率 最大吸收系数 K0 所对应的波长 吸收线的半宽度 K0 2 处吸收线上两点间的距离 积分吸收 吸收线下的总面积 d K 引起谱线变宽的主要因素有 1 自然宽度 在无外界条件影响下的谱线宽度谓之 根据量子力学的 Heisenberg 测不准原理 能级的能量有不确定量 E 可由 下式估算 激发态原子的寿命 当 为有限值时 则能级能量的不确定量 E 为有限值 此能级不是一条直线 而是一个 带 越小 宽度越宽 2 h E 精品文档 27欢迎下载 但对共振线而言 其宽度一般 10 5 nm 可忽略不计 2 多普勒 Doppler 宽度 由于原子无规则运动而引起的变宽 当火焰中基态原子向光源方向运动时 由于 Doppler 效应而使光源辐射的波长 0 增大 0 变短 基态原子将吸收较长的波长 反之亦反 因此 原子的无规则 运动 就使该吸收谱线变宽 当处于热力学平衡时 Doppler 变宽可用下式表示 3 A T A RT c D0 6 0 10716 0 2 ln22 即 D与 T 的平方根成正比 与相对分子量 A 的平方根成反比 对多数谱线 D 10 3 10 4 nm D 比自然变宽大 1 2 个数量级 是谱线变宽的主要原因 3 劳伦兹 Lorentz 变宽 原子与其它外来粒子 如气体分子 原子 离子 间的相 互作用 如碰撞 引起的变宽 5 11 1 2 2 MART PNA L 式中 P 气体压力 M 气体相对分子量 N0 阿伏加德罗常数 2 为原子和分子间碰撞的有效截面 劳伦兹宽度与多普勒宽度有相近的数量级 大约为 10 3 10 4nm 实验结果表明 对于温度在 1000 3000K 常压下 吸收线的轮廓主要受 Doppler 和 Lorentz 变宽影响 两者具有相同的数量级 约为 0 001 0 005nm 采用火焰原子化装置时 L是主要的 采用无火焰原子化装置时 D是主要的 二 吸收值的测量 峰值吸收系数 K0 与积分吸收 积分吸收就是将原子吸收线轮廓所包含的吸收系数进行积分 即 吸收曲线下的总 面积 根据经典的爱因斯坦理论 积分吸收与基态原子数的关系为 6 0 2 fN mc e dK 式中 e 电子电荷 m 电子质量 c 光速 N0 单位体积原子蒸气中能够吸收波长 范围辐射光的基态原子数 f 振子强度 每个原子中能够吸收或发射特定频率光的平均电子数 f 与能 精品文档 28欢迎下载 级间跃迁概率有关 反映吸收谱线的强度 在一定条件下 为常数 则 f mc e2 即 积分吸收与单位体积原子蒸气中能够吸收辐射的基态原子数成正比 这是原子 吸收光谱分析的理论依据 若能测得积分吸收值 则可求得待测元素的浓度 但 要测量出半宽度 只有 0 001 0 005nm 的原子吸收线轮廓的积分值 吸 收值 所需单色器的分辨率高达 50 万的光谱仪 这实际上是很难达到的 若采用连续光源时 把半宽度如此窄的原子吸收轮廓叠加在半宽度很宽的光 源发射线上 实际被吸收的能量相对于发射线的总能量来说及其微小 在这种条件下 要准确记录信噪比十分困难 1955 年 澳大利亚物理学家 A Walsh 提出以锐线光源为激发光源 用测量峰值吸 收系数 K0 的方法代替吸收系数积分值的方法成功地解决了这一吸收测量的 d K 难题 锐线光源 发射线的半宽度比吸收线的半宽度窄的多的光源 且 当其发射线中心频率或波长与吸收线中心频率或波长相一致时 可以认为在发 射线半宽度的范围内 K 为常数 并等于中心频率 处的吸收系数 K0 峰值吸收 K0 可准确测得 理想的锐线光源 空心阴极灯 用一个与待测元素相同的纯金属制成 由于灯内是低电压 压力变宽基本消除 灯电流仅几毫安 温度很低 热变宽也 很小 在确定的实验条件下 用空心阴极灯进行峰值吸收 K0 测量时 也遵守 Lamber Beer 定律 7 lK I I A 0 0 434 0lg 峰值吸收系数K0与谱线宽度有关 若仅考虑多普勒宽度 D 8 fN mc e K D 0 2 0 2lg2 峰值吸收系数 K0 与单位体积原子蒸气中待测元素的基态原子数 N0 成正比 0 kNdK 精品文档 29欢迎下载 9 0 2 2lg2 434 0 Nfl mc e A D 在一定条件下 上式中括号内的参数为定值 则 A K N0 10 此式表明 在一定条件下 当使用锐线光源时 吸光度 A 与单位体积原子蒸气中待测 元素的基态原子数 N0 成正比 三 基态原子数 N0 与待测元素原子总数 N 的关系 在进行原子吸收测定时 试液应在高温下挥发并解离成原子蒸气 原子化 过程 其中有一部分基态原子进一步被激发成激发态原子 在一定温度下 处于热力 学平衡时 激发态原子数 Nj与基态原子数 N0 之比服从波尔兹曼分布定律 11 KT E j j j e G G N N 0 0 式中 Gj G0 分别代表激发态和基态原子的统计权重 表示能级的间并 度 即相同能量能级的状态的数目 Ej 是激发态能量 K 波尔兹曼常数 1 83 10 23J K T 热力学温度 在原子光谱中 一定波长谱线的 Gj G0 和 Ej 都已知 不同 T 的 Nj N0 可用 上式求出 当 3000K 时 都很小 不超过 1 即基态原子数 N0 比 Nj 大的多 占总原子数的 99 以上 通常情况下可忽略不计 则 N0 N 若控制条件是进入火焰的试样保持一个恒定的比例 则 A与溶液中待测元素的浓 度成正比 因此 在一定浓度范围内 A K c 12 此式说明 在一定实验条件下 通过测定基态原子 N0 的吸光度 A 就可 求得试样中待测元素的浓度 c 此即为原子吸收分光光度法定量基础 原子吸收分光光度计原子吸收分光光度计 一一 仪器的主要部件仪器的主要部件 一 光源 提供待测元素的特征谱线 共振线 精品文档 30欢迎下载 基本要求 辐射的共振线宽度明显小于吸收线宽度 锐线光源 e 2 10 3 nm 共振辐射强度足够大 稳定性好 背景吸收小 1 空白阴极灯 低压气体放电管 Ne Ar 一个阳极 钨棒 末端焊有钛丝或钽片 一个空心圆柱形阴极 待测元素 一个带有石英窗的玻璃管 管内充入低压惰性气体 此种空心阴极灯中元素在阴极中可多次激发和溅射 激发效率高 谱线强度大 发射强度与灯电流有关 电流增大 发射强度增大 但过大 谱线变宽 2 多元素空心阴极灯 发射强度弱 3 无极放电灯 强度高 但制备困难 价格高 二 原子化器 将待测试样转变成基态原子 原子蒸气 的装置 1 火焰原子化法 原子化装置包括 雾化器和燃烧器 1 雾化器 使试液雾化 其性能对测定精密度 灵敏度和化学干扰等都有影响 因 此 要求雾化器喷雾稳定 雾滴微细均匀和雾化效率高 2 燃烧器 试液雾化后进入预混和室 雾化室 与燃气 如乙炔 丙烷等 在室 内充分 均匀 混合 最低的雾滴进入火焰中 较大的雾滴凝结在比 上 经下方废液管排出 燃烧器喷口一般做成狭缝式 这种形状即可获得原子蒸气较长的吸收光程 又可 防止回火 火焰原子化法比较简单 易操作 重现性好 但原子化效率较低 一般为 10 30 试样雾滴在火焰中的停留时间短 约为 10 4 s 且原子蒸气在火焰中又被大量气流所 稀释 限制了测定灵敏度的提高 2 无火焰原子化法 电热高温石墨炉原子化法 原子化效率高 可得到比火焰大数百倍的原子化蒸气浓度 绝对灵敏度可达 10 9 10 13g 一般比火焰原子化法提高几个数量级 特点 液体和固体都可直接进样 试样用量一般很少 但 精密度差 相对偏差约为 4 12 加样量少 精品文档 31