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第4章仪器分析法 本章教学目的 要求1 掌握仪器分析的基本概念和原理 2 掌握仪器分析定性 定量的分析方法 3 熟悉仪器分析的实际应用 4 熟悉一般分析仪器的操作过程 本章重点1 光光度法 原子吸收光谱法 电位分析法等仪器分析方法的原理 2 各种分析仪器的一般构造和基本分析程序 3 仪器分析定性 定量的分析方法 4 仪器分析的实际应用 本章难点1 光度分析的朗伯 比尔定律 2 色谱分析的塔板理论 3 有机化合物电子跃迁的类型及特点 本章教学目录 4 1吸光光度法4 2原子吸收光谱法4 3电位分析法4 4气相色谱法4 5其它仪器分析法简介 4 1吸光光度法 吸光光度法 基于物质对光的选择性吸收而建立的分析方法称为吸光光度法 包括比色法 可见分光光度法及紫外分光光度法等 比色分析 比较颜色的深浅来测定物质的浓度 分光光度法 使用分光光度计测量物质的吸光程度以确定其浓度的方法 分光光度法的特点 灵敏 准确 快速及选择性好 检测浓度下限 10 5 10 6mol L 检测相对误差 2 5 吸光光度法的基本原理 物质对光的选择性吸收 溶液对光的作用 图4 1溶液对光的作用示意图 物质对光的选择性吸收 物质的颜色 物质的颜色物质呈现的颜色是物质对不同波长的光选择性吸收的结果 溶液的颜色有透过光的颜色决定 表4 1物质颜色与吸收光颜色的互补关系 吸收的基本性质和物质吸收光的选择性 吸收的基本性质M h M 基态 激发态 物质吸收光的选择性分子 原子或离子具有不连续的量子化能级 仅当照射光光子的能量 hv 与被照射物质粒子的基态和激发态能量之差相当时才能发生吸收 不同的物质微粒由于结构不同而具有不同的量子化能级 能级和吸收曲线 图4 2双原子分子的能级 图4 3邻二氮杂菲亚铁溶液的吸收曲线 光吸收的基本定律 朗伯 比尔定律 图4 4溶液对光吸收示意图 溶液对光吸收过程 朗伯 比尔定律公式 朗伯 比尔定律表达式 A 吸光度 T 透光度 透射光强度I与入射光强度I0之比 a 吸收系数 c 溶液浓度 分光光度法的工作曲线 基本方法在固定液层厚度及人射光的波长和强度的情况下 测定一系列不同浓度标准溶液的吸光度 以吸光度为纵坐标 标准溶液浓度为横坐标作图 这时应得到一条通过原点的直线 图4 5光度分析工作曲线 偏离朗伯比尔定律的原因 非单色光 图4 6复合光对比尔定律的影响 朗伯 比尔定律的假设条件之一 入射光为单色光 偏离朗伯比尔定律的原因 化学因素 朗伯 比尔定律的假设条件之二 吸收粒子是独立的 彼此之间无相互作用 比尔定律适用于稀溶液 吸光组分的化学变化 吸光组分的缔合 离解 互变异构 络合物的逐级形成 以及与溶剂的相互作用等 都将导致偏离比耳定律 分光光度计及其基本部件 图4 7721型分光光度计结构示意图 光度计基本部件 光源单色器吸收池 参比池 检测系统 分光光度计的光源 基本要求 能发出所需波长范围内的连续光谱足够的光强度稳定性好可见光区 钨丝灯光源 320nm 2500nm 近紫外区 氢灯或氘灯光源 180 375nm 分光光度计的单色器 图4 8棱镜单色器示意图 单色器效果 获得半宽度5 10nm的单色光 分光光度计的吸收池 参比池 比色皿 比色皿的作用 用于盛吸收试液能透过所需光谱范围内的光线 可见光区的测定 无色透明 能耐腐蚀的玻璃比色皿长方形规格 液层厚度 为0 5 1 2 3cm同样厚度比色皿之间的透光率相差应小于0 5 分光光度计的检测系统 图4 9光电管检测器示意图 显色反应的选择 显色反应和显色剂将待测组分转变成有色化合物的反应叫显色反应 可分为络合反应和氧化还原反应两大类 与待测组分形成有色化合物的试剂称为显色剂 显色反应的选择 灵敏度高 为104 105 选择性好 显色剂在测定波长处无明显吸收 有色化合物的组成恒定 性质稳定 显色条件的选择 显色剂用量 显色反应的一般通式为 图4 10吸光度与显色剂浓度的关系 显色条件的选择 酸度 温度 显色时间 酸度显色温度显色时间干扰的消除掩蔽分离 显色剂的分类 无机显色剂有机显色剂发色团 生色团 助色团 图4 12偶氮砷类显色剂图4 13三苯甲烷类显色剂 吸光度测量条件的选择 入射波长 入射光波长的选择最大吸收波长干扰最小 图4 14吸收波长的选择 吸光度测量条件的选择 参比溶液 对透射光强度的影响反射溶剂 试剂对光的吸收 参比溶液的选择 纯溶剂空白溶液试样溶液试样溶液加掩蔽剂再加显色剂 分光光度法的应用 示差法 原理公式 图4 15示差法标尺扩大原理 分光光度法的应用 多组分分析 原理公式对x y两种物质 图4 16多组分分析的吸收曲线 分光光度法的应用 光度滴定 EDTA滴定Bi3 和Cu2 745nmBi3 和EDTA无吸收 图4 170 1mol LEDTA滴定0 002mol LBi3 和Cu2 吸光度的变化 分光光度法的应用 配合物组成的测定 配合物的反应通式M nL MLn 图4 18配合物的摩尔比法示意图 分光光度法的应用 双波长分光光度法 原理公式 对于x y两种物质 图4 20双物质的吸收曲线 图4 19双波长分光光度计示意图 紫外吸收光谱法简介 基本概念紫外吸收光谱法的基础是物质对紫外光选择性吸收 原理与可见分光光度法相同 定量分析原理 朗伯 比尔定律光源 氢灯或氖灯光学材料 石英玻璃检测器 对紫外光有灵敏的响应 有机化合物电子跃迁的类型 图4 21常见电子能级跃迁及对应波长范围和强度 影响紫外吸收光谱的因素 溶剂的影响考虑溶剂极性的变化溶剂pH的影响溶剂pH值的影响被测物质具有酸性或碱性基团空间效应分子中是否存在空间阻碍 紫外吸收光谱法的应用 计算 max 确定化合物的种类 比较吸收光谱 认定待测样品与已知标准物是否含相同的生色团 确定同分异构体和顺反异构 物质纯度的检查 光度法在环境监测方面的实际应用示例 纳式试剂比色法测定水样中的氨氮 二苯碳酰二肼分光光度法测定水样中的六价铬 钼酸铵分光光度法测定水样中的总磷 4 氨基安替比林分光光度法测定水样中酚 返回目录 4 2原子吸收光谱分析 原子光谱法的概念根据原子外层电子跃迁所产生的光谱进行分析的方法 称为原子光谱法 原子光谱法的分类原子发射光谱法原子吸收光谱法原子荧光光谱法 原子吸收光谱 原子吸收光谱法 基于测量试样所产生的原子蒸气中基态原子对其特征谱线的吸收 从而定量测定化学元素的方法 图4 22原子吸收示意图 原子吸收法的特点 灵敏度高 检测下限10 9g ml 10 12g ml 选择性好 准确度高 单一元素特征谱线测定 多数情况无干扰 测量范围广 测定70多种元素 操作简便 分析速度快 原子吸收法基本原理 共振线基本概念电子从基态跃迁到能量最低的激发态 为共振跃迁 所产生的谱线称为共振吸收线 当电子从第一激发态跃回基态时 则发射出同样频率的谱线 称为共振发射线 对大多数元素来说 共振线是指元素所有谱线中最灵敏的线 特征谱线各种元素的原子结构和外层电子排布不同 不同元素的原子从基态激发至第一激发态 或由第一激发态跃回基态 时 吸收 或发射 的能量不同 因此各种元素的共振线各有不同 称之为特征谱线 朗伯原理 图4 23原子吸收法的朗伯定律示意图 原理公式 频率为 时的吸收系数 吸收线及其基本概念 图4 24吸收线轮廓图图4 25吸收线半宽度 基态原子和激发态原子的分配 玻耳兹曼分布定律在原子化过程中 待测元素由分子离解成的原子 不可能全部都是基态原子 其中必有一部分为激发态原子 在一定温度下 当处于热力学平衡时 激发态原子数与基态原子数之比服从 Nj 激发态原子数 No 基态原子数 gj 激发态统计权重 go 基态统计权重 k为玻耳兹曼常数 原子吸收法的定量基础 积分吸收原子蒸气吸收的能量 成为积分吸收 即吸收线图中吸收线下整个面积 用下式表示 m 电子质量 c 光速 N 单位体积吸收辐射的原子数 f 振子强度 表示能被光辐射激发的每个原子的平均电子数 峰值吸收 峰值吸收和积分吸收的关系一般情况下 吸收线的半宽度较小 Ko近似等于Kv 峰值吸收近似等于积分吸收 峰值吸收的定义式 原子吸收法的吸光度 吸光度公式 k和K 比例常数 C 待测元素浓度 原子吸收光谱仪 图4 26原子吸收光谱仪结构示意图 光源 空心阴极灯的原理 图4 27空心阴极灯示意图 用不同的待测元素作阴极材料 可制成各相应待测元素的空心阴极灯 有单元素灯和多元素灯两种 缺点 每测一个元素均需要更换相应的待测元素的空心阴极灯 使用不太方便 原子化系统 图4 28原子化过程示意图 原子化过程的分类火焰原子化系统非火焰原子化系统 火焰原子化系统 火焰原子化系统包括雾化和燃烧两个部分 图4 29同心雾化器示意图图4 30燃烧器示意图 火焰的三种状态 化学计量火焰 中性火焰 燃烧气和助燃气比例按化学反应计量关系 最常用的火焰 分析碱金属除外的元素 富燃火焰 还原性火焰 燃烧气和助燃气比例大于化学反应计量关系 火焰中大量的半分解产物 有较强的还原性 分析易形成难熔氧化物的元素 如Mo W 稀土元素 贫燃火焰 氧化性火焰 燃烧气和助燃气比例小于化学反应计量关系 火焰温度较低 分析碱金属元素 非火焰原子化装置 图4 31石墨炉原子化装置示意图 特点 测定灵敏度高 其检出极限可达10 12g 试样用量少 可测定粘稠和固体试样 分光系统和检测系统 分光系统组成 主要由色散元件 凹面镜和狭缝组成 也称为单色器 其色散元件可用棱镜或衍射光栅 作用 是将待测元素的共振线与邻近谱线分开 检测系统组成 主要由检测器 光电倍增管 放大器 读数和记录系统等组成 作用 将经过原子蒸气吸收和单色器分光后的微弱光信号转换为电信号 再经过放大器放大后 便可在读数装置上显示出来 仪器类型 图4 32单光束型仪器示意图 图4 33双光束型仪器示意图 原子吸收法的定量分析方法 标准曲线法 图4 34标准曲线法示意图 方法设定条件 测定一系列已知浓度的样品的吸光度数值并作图 在相同条件下 测定样品的吸光度 由标准曲线求得样品待测元素浓度 原子吸收法的定量分析方法 标准加入法 图4 35标准加入法示意图 方法等分试样溶液 分别加入浓度不等的标准溶液 测定吸光度 由吸收曲线外推得到原始样品浓度 原子吸收法的干扰 电离干扰 由于基态原子电离而造成的干扰称为电离干扰 使测定结果偏低 化学干扰 待测元素与试样中共存组分或火焰成分发生化学反应 引起原子化程度改变所造成的干扰称为化学干扰 物理干扰 系指试样一种或多种物理性质 如粘度 密度 表面张力 改变所引起的干扰 光谱干扰 指与光谱发射和吸收有关的干扰 主要来自光源和原子化装置 其它 谱线干扰和背景干扰 灵敏度 灵敏度灵敏度IUPAC定义 为校正曲线的斜率 用S表示 实际应用特征浓度 火焰原子吸收法特征浓度系指能产生1 的吸收或能产生0 0044吸光度时待测元素的浓度 特征质量 石墨炉特征质量系指能产生1 的吸收或能产生0 0044吸光度时待测元素的质量 检出极限 检出极限定义系指仪器能以适当的置信度检出的待测元素的最小浓度或最小量 通常是指空白溶液吸光度信号标准偏差的3倍所对应的待测元素浓度或质量 以浓度举例 其中 Sc浓度的灵敏度 测定条件的选择 1 分析线 通常选择待测元素的共振线作为分析线 测量较高浓度时可选用次灵敏线 共振线在远紫外区 200nm以下 因火焰有明显吸收 不宜选作分析线 空心阴极灯电流 在保证有稳定和足够的辐射光强度的情况下 尽量选用较低的灯电流 以延长空心阴极灯的寿命 狭缝宽度 无邻近干扰线时 可选择较宽的狭缝 如测定K Na 若有邻近线干扰时 则选择较小的狭缝 如测定Ca Mg Fe 测定条件的选择 2 火焰根据待测元素原子化从易到难的顺序 依次选择低温 中温和高温火焰 Cr Mo W V Al等在火焰中易生成难离解的氧化物 宜用富燃火焰 另一些元素如K Na等在火焰中易于电离 则宜选用贫燃火焰观测高度调节燃烧头高度 使来自空心阴极灯的光束通过自由原子浓度最大的火焰区 此时灵敏度高 测量稳定性好 原子吸收法的实际应用示例 测定土壤样品中的重金属离子CuZnPbCd配制标准溶液 盐酸 硝酸 氢氟酸 高氯酸制取样品试液 绘制工作曲线 样品测量 返回目录 4 3电位分析法 电化学分析法分类电位分析法库仑分析法极谱分析法电导分析法电解分析法电位分析法概念电化学分析法主要是应用电化学的基本原理和技术 研究在化学电池内发生的特定现象 利用物质的组成及含量与它的电化学性质的关系而建立起来的一类分析方法 电位分析法特点灵敏度 选择性和准确度都较高被分析物质的最低量接近10 12mol数量级 电位分析法的原理 基本原理利用电池电动势与试液中离子活度之间一定的数量关系 从而测得离子的活度 分类直接电位法电位滴定法 测量方法 电池组成通常在待测电解质溶液中 插入两支性质不同的电极 一支参比电极 一支指示电极 用导线相连组成化学电池 M Mn 参比电极测量计算 参比电极 概念参比电极是测量电池电动势 计算电极电位的基准 要求电极电位已知而且恒定与不同的测试溶液间的液体接界电位数值很低 1 2mV 容易制作 使用寿命长 分类标准氢电极 SHE 参比电极的一级标准甘汞电极银 氯化银电极 甘汞电极 甘汞电极的电位计算 图4 36甘汞电极示意图 电极反应为 银 氯化银电极 电极反应为 银 氯化银电极电位 图4 37Ag AgCl电极示意图 指示电极 基本概念指示电极能快速而灵敏的对溶液中被测物质的离子的活度或不同氧化态的离子的活度比产生能斯特响应 常用的指示电极金属电极金属 金属离子电极金属 金属难溶盐电极汞电极惰性金属电极 金属电极 金属 金属离子电极Ag Ag 测定aAg 金属 金属难溶盐电极Ag AgCl测定aCl 汞电极Hg HgY2 MY n 4 Mn 测定aMn 惰性金属电极电极起传递电子的作用 本身不参与氧化还原反应 离子选择性电极 玻璃电极 图4 40玻璃膜示意图 玻璃电极的电位 图4 39玻璃电极示意图 直接电位法 pH的测定 测定原理的原电池表示 图4 41pH测定示意图 直接电位法 标准曲线法测定离子活度 1 示例 测定原理的原电池表示 一般公式 直接电位法 标准曲线法测定离子活度 2 方法 测量一系列标准溶液和电极组成电池的电动势 测量样品溶液组成电池的电动势 图4 42标准曲线测定示意图 电位滴定法 应用范围滴定反应平衡常数较小滴定突跃不明显用指示剂指示终点有困难 图4 43电位滴定的示意图 电位滴定终点的确定方法 图4 44E V曲线法图4 45 E V V曲线法 示例 0 1mol LAgNO3溶液滴定NaCl溶液 电位滴定的应用 表4 2电位滴定的电极使用 电位滴定的计算示例 返回目录 4 4气相色谱分析法 色谱法色谱法又名色层法 层析法 是一种用以分离 分析多组分混合物质的极有效的物理及物理化学分析方法 色谱法的特点 分离效能高 灵敏度高 快速 应用广泛 气相色谱仪的结构和分析流程 图4 46气相色谱仪的结构分析流程示意图 气固色谱和气液色谱 基本概念气固色谱的固定相是多孔性的固体吸附剂 气液色谱的固定相是由担体表面涂固定液组成 分离原理由于固定相对试样气体的溶解或吸附的能力将不同 易被溶解或吸附的组分 挥发或脱附较难 随载气移动的速度慢 在柱内停留的时间长 反之 不易被溶解或吸附的组分随载气移动的速度快 在柱内停留的时间短 所以 经过一定的时间间隔 一定柱长 后性质不同的组分便彼此分离 分配系数K和分配比k 分配系数K分配比kms 组分在固定相中间的质量 mM 组分在流动相中间的质量 K和k 表征了色谱的平衡关系 气相色谱的固定相 气固色谱非极性的活性炭极性的Al2O3氢健型的硅胶高分子多孔微球分子筛石墨化炭黑 碳多孔小球气液色谱 气相色谱分析理论基础 气相色谱流出曲线 色谱柱效能 色谱分离的三种情况 塔板理论 1 理论要点半经验的理论 把连续的色谱过程看作许多小段平衡过程的重复 设想色谱柱内有若干塔板 在每个塔板高度的间隔内 被分离组分在气液两相间达成分配平衡 分配系数小的物质先流出色谱柱 图4 48色谱柱示意图 塔板理论 2 理论公式 理论塔板数n L 色谱柱长度 H 塔板理论高度 塔板间距 计算公式 塔板理论 4 有效塔板数n有效 有效塔板高度H有效 速率理论 范氏方程 范氏方程 u 载气的线速度 A 涡流扩散项 组分分子运动的路径差异B u 分子扩散项 组分分子进入色谱柱浓度的差异Cu 传质阻力项 组分分子的传质阻力 分离度 分离度 R 色谱柱总分离效率的指标对难分离物质对1 2 R 1 5相邻色谱峰完全分离的指标分离达99 7 气相色谱分离操作条件的选择 1 载气种类及流速的选择 气相色谱分离操作条件的选择 2 柱温的选择 气相色谱分离操作条件的选择 3 柱长和柱内径的选择 气相色谱分离操作条件的选择 4 进样量的选择 进样量少 检测困难进样量多 色谱峰重叠一般进样量 液体0 1 5ul气体0 1 10ml 进样时间必须很快1s内完成进样时间很慢 引起色谱峰扩展变形 进样时间的选择 使用注射器和气体进样阀进样 气相色谱分离操作条件的选择 5 汽化温度的选择 针对液体试样 要求试样迅速汽化一般比柱温高30 70 不宜过高 以免试样被破坏 毛细管柱气相色谱法简介 毛细管柱气相色谱的特点 开管柱 无填充物 无涡流扩散 管径小 0 2um 0 5um 涂层薄 传质阻力小 柱长长 20 100m 柱效能高 理论塔板数104 106 为填充柱的10 100倍 石英材料制作 气相色谱检测器 检测器的作用将被色谱柱分离的组分按其物理 化学性质转化为易测量的电信号 m 被测物质的质量 S 检测器的响应值 Ai 单位质量mi的物质产生的峰面积 热导检测器TCD 检测原理利用不同气体或蒸气具有不同的热导系数 产生不同的散热效果 使电阻丝的电阻不同 产生电信号 图4 51四臂热导池的示意图 图4 52检测器线路示意图 热导检测器操作条件的选择 桥路电流热导池的灵敏度和桥路电流的三次方成正比 桥路电流增加 灵敏度增高 桥路电流过高 会引起基线不稳 甚至烧坏钨丝 池体温度 适当降低池体温度 可提高灵敏度 池体温度不能低于柱温 否则待测组分会在检测器内冷凝 载气 载气与试样的热导系数相差愈大 灵敏度就愈高 一般物质蒸气的热导系数较小 可选择热导系数大的H2或He作载气 氢火焰离子化检测器FID 检测原理有机物CnHm在火焰能源作用下电离形成含碳自由基CH3 CH2 CH CHO 和H3O 和e 在外加直流电场作用下 定向运动产生电流被检测记录 高灵敏度 能够检测10 12g ml的痕量有机物质 氢火焰离子化检测器FID的操作条件 其它检测器 气相色谱定性分析方法 定性分析的目的 确定试样的组成 即确定每个色谱峰各代表什么组分 气相色谱的定性能力相对较弱 定性分析的方法 利用纯物质对照的方法保留值定性加入纯物质 增加峰高 与质谱 红外光谱联用的方法 气相色谱定量分析方法 定量分析的依据 定量分析的峰面积测量峰高与半峰宽的乘积峰高与平均峰宽的乘积峰高与保留时间的乘积 常用的定量方法 归一化法 内标法 k 比例常数 高效液相色谱分析法简介 1 图4 56高效液相色谱仪器结构示意图 高效液相色谱分析法简介 2 方法特点 液体为流动相 高压 高速 高效 高灵敏度 高沸点 不能汽化 热不稳定 生理活性物质的分析分类 液 固吸附色谱 液 液分配色谱 离子交换色谱 空间排阻色谱 气相色谱的实际应用示例 植物 蔬菜中农药的测定 使用农药标准样品 进行标准曲线的绘制 提取植物 蔬菜中农药成分 测量样品中农药的含量 返回目录 4 5其它仪器分析方法简介 原子发射光谱法波谱分析法红外光谱法核磁共振光谱法质谱波谱的综合利用 原子发射光谱法简介 基本原理原子发射光谱法是根据待测元素发射出的特征光谱而对元素组成进行分析的方法 当基态原子获得一定能量后 外层电子可由基态跃迁至较高能级 此时原子处于激发状态 激发态的原子是不稳定的 在返回基态过程中 多余能量便以光的形式发射出来 由于各原子内部结构不同 发射出的谱线带有特征性 故称为特征光谱 测量各元素特征光谱的波长和强度便可对元素进行定性和定量分析 原子发射光谱法的特点 原子发射光谱法灵敏度高 10 3 10 9g 选择性好 可同时分析儿十种元素 线性范围宽 约2个数量级 但若采用电感藕合等离子体光源 则线性范围可扩大至6 7个数量级 不足之处 是谱线干扰较严重 对一些非金属元素还不能测定 原子发射光谱法分析过程和设备 原子发射光谱分析过程 试样蒸发 激发和发射 复合光分光 谱线记录检测 图4 57原子发射光谱法分析示意图 原子发射光谱 激发光源 主要作用 提供试样蒸发 离解 原子化和激发所需的能量 基本条件 能够提供足够的能量 光谱背景小 稳定性好 结构简单 易于维护 常用的激发光源 直流电弧交流电弧火花放电电感耦合等离子炬 ICP 常用激发光源 ICP的结构 ICP组成 高频发生器等离子体炬管雾化系统ICP特点温度高 稳定 环状轴向通道 利于难激发元素离解 化学干扰小 基体效应低 谱线强度大 不足之处 运行费用较高 图4 58电感耦合等离子炬的结构 原子发射光谱法常用检测器 常用检测设备映谱仪 测微光度计和光电直读光谱仪映谱仪 又称为光谱投影仪 用来放大光谱图 便于观察辨认谱线 进行定性和半定量分析 通常放大倍数为20 测微光度计 又称为黑度计 用于测量谱线底片上记录的谱线黑度 进行定量分析 光电直读光谱仪 用光栅做分光元件 光电倍增管作检测器 直接测出谱线强度 原子发射光谱法的定性分析 发射光谱定性分析 指定元素分析未知元素全分析 指定元素分析 与标准试样光谱图比较 即将待测元素的标准试样与未知试样并列摄谱 然后在映谱仪上观察二者特征谱线重叠情况 未知元素全分析 采用与铁谱比较的方法 以纯铁光谱作为元素定性的波长标尺 定性分析使用的标准光谱线图 图4 59元素标准光谱线 原子发射光谱法的定量分析 定量分析的依据 根据被测元素谱线强度来确定元素含量 罗马金 赛伯经验公式 I 谱线强度 c 被测元素浓度 a 发射系数 b 自吸系数 定量分析 内标法 1 分析线对 在待测元素中选一条谱线作为分析线 再在基体元素或定量加入的其他元素谱线中选一条谱线作为内标线 组成分析线对 待测元素内标因素两者相对强度 定量分析 内标法 2 分析线对相对强度与分析线对的黑度差 S关系 图4 60内标法分析原理图