现代仪器分析知识点总结

现代仪器分析 绪论 绪论 1仪器分析定义仪器分析定义 现代仪器分析是以物质的物理性质或物理化学性质及其在分析过程中所 产生的分析信号与物质的内在关系为基础 借助比较复杂或特殊的现代仪器 对待测物质 进行定性 定量及结构分析和动态分析的一类分析方法 2仪器分析的特点仪器分析的特点 灵敏度高 试样用量少 选择性好 操作简便 分析速度快 自动化程度高 用途广泛 能适应各种 分析要求 相对误差较大 需要价格比较昂贵的专用仪器 3仪器分析包括仪器分析包括 光分析法 分离分析法 电化学分析法 分析仪器联用技术 质谱法 4光分析光分析 光分析法是利用待 测组分的光学性质 如光的发射 吸收 散射 折射 衍射 偏振等 进行分析测定的一 种仪器分析方法 5光谱法包括光谱法包括 紫外 可见吸收光谱法 原子吸收光谱法 原子发射光谱 法 分子发光分析法 拉曼光谱法 红外光谱法 6电化学分析法电化学分析法 电化学分析法是利用 待测组分在溶液中的电化学性质进行分析测定的一种仪器分析方法 7电化学分析法包括电化学分析法包括 电导分析法 电位分析法 极谱与伏安分析法 电解和库仑分析法 8分离分析法分离分析法 利用 物质中各组分间的溶解能力 亲和能力 吸附和解吸能力 渗透能力 迁移速率等性能的 差异 先分离后分析测定的一类仪器分析方法 分离分析法包括 超临界流体色谱法 气 相色谱法 高效液相色谱法 离子色谱法 高效毛细管电泳法 薄层色谱法 9质谱法质谱法 质谱法是将待测物质置于离子源中电离形成带电离子 让离子加速并通过磁场或电场后 离子将按质荷比 m z 大小分离 形成质谱图 依据质谱线的位置和质谱线的相对强度建 立的分析方法称为质谱法 10联用分析技术联用分析技术 已成为当前仪器分析的重要发展方向 将几 种方法结合起来 特别是分离方法 如色谱法 和检测方法 红外吸收光谱法 质谱法 原子发射光谱法等 的结合 汇集了各自的优点 弥补了各自的不足 可以更好地完成试 样的分析任务 气相色谱 质谱法 GC MS 气相色谱 质谱法 质谱法 GC MS MS 液相色谱 质谱法 HPLC MS 11仪器分析方法的主要评价指标仪器分析方法的主要评价指标 精密度 Precision 准确度 Accuracy 选择性 Specificity 标准曲线 Calibration Curve 灵 敏度 Sensitivity 检出限 Detection Limit 12精密度精密度 指在相同条件下用同一方法对同 一样品进行多次平行测定结果之间的符合程度 同一人员在相同条件下测定结果的精密度 重复性 不同人员在不同实验室测定结果的精密度 再现性 13准确度准确度 指测定值与真 值相符合的程度 准确度常用相对误差 Er 来描述 Er 越小 准确度越高 准确度是分析 过程中系统误差和随机误差的综合反映 准确度愈高分析结果才愈可靠 14选择性选择性 指分 析方法不受试样中基体共存物质干扰的程度 选择性越好 即干扰越少 15标准曲线标准曲线 是 待测物质的浓度 或含量 与仪器响应 测定 信号的关系曲线 标准曲线的直线部分所 对应的待测物质浓度 或含量 的范围称为该方法的线性范围 16灵敏度灵敏度 待测组分单位 浓度或单位质量的变化引起响应信号值的变化程度 用 b 表示 指在浓度 线性范围内标准 曲线的斜率 斜率越大 方法的灵敏度就越高 17检出限检出限 指某一分析方法在给定的置信 度能够被仪器检出的待测物质的最低量 D 3S0 b S0 空白信号 仪器噪声 的标准偏 差 b 分析方法的灵敏度 标准曲线的斜率 3 IUPAC 建议在一定置信度所确定的系 数 检出限是方法的灵敏度和精密度的综合指标 方法的灵敏度越高 精密度越好 检出 限就越低 精密度 准确度及检出限是评价仪器性能及分析方法的最主要技术指标 第一章第一章 光分析法导论光分析法导论 1光分析法光分析法 基于电磁辐射能量与待测物质相互作用后所产生的辐射信号与物质组成及结 构关系所建立起来的分析方法 电磁辐射范围 射线 无线电波所有范围 相互作用方式 吸收 发射 散射 反射 折射 干涉 衍射和偏振等 光分析法在研究物质组成 结构 表征 表面分析等方面具有其他方法不可取代的地位 2电磁辐射的波粒二象性电磁辐射的波粒二象性 光在传 播时主要表现出波动性 可用波长 或波数 频率 描述 在与其他物质相互作用时 主要表现出粒子性 可用能量描述 3光的吸收光的吸收 M 光子 M 当光与物质接触时 某 些频率 的光被选择性吸收并使其强度减弱 这种现象称为物质对光的吸收 4吸收光谱吸收光谱 物质的粒子吸收某特定的光子后 由低能级跃迁到较高能级 当把物质对光的吸收情况按 照波长次序排列记录下来 得到吸收光谱 5透射率透射率T I I0 吸光度吸光度A Lg 1 T Lg I0 I 6 光吸收定律光吸收定律 朗伯 比耳定律 在一定浓度范围内 物质的吸光度 A 与吸光样品的浓度 c 及 厚度 L 的乘积成正比 这就是光的吸收定律 也称为朗伯 比尔 Lambert Beer 定律 它 是吸收光谱法定量分析的基础和依据 A KcL 或 I Io10 KcL K 比例常数 与介质的性质 温度及入射光波长有关 或 摩尔吸光 收 系数 L mol 1 cm 1 a 吸光系数 L g 1 cm 1 a M 7光的发射光的发射 M M 光子 当受激物质 或受热能 电能或其他外界能 量所激发的物质 从高能态回到低能态 包括基态 时 以光辐射形式释放多余能量的现 象 8光分析法的分类光分析法的分类 光谱法和非光谱法 9光谱法光谱法 以能源与物质相互作用引起原子 分子 内部量子化能级之间跃迁所产生的光的吸收 发射 散射等波长与强度的变化关系为基础 的光分析法 称为光谱法 10非光谱法非光谱法 非光谱法是利用光与物质作用时所产生的折射 干涉 衍射和偏振等基本性质的变化来达到分析测定的目的 主要有折射法 干涉法 衍 射法 旋光法和圆二色法等 11光谱法的分类光谱法的分类 产生光谱的物质类型不同 原子光谱 分 子光谱 固体光谱 产生光谱的方式不同 吸收光谱 发射光谱 散射光谱 光谱的性 质和形状 线光谱 带光谱 连续光谱 12光谱产生的原理光谱产生的原理 物质粒子总是处于特定的 不连续的能量状态 即能量是量子化的 分子的每一个能量值 称为一个能级 每一种分 子的能级数和能级值 取决于分子的本性和状态 具有特征的能级结构 通常 物质的分 子处于稳定的基态 当它受到光照或其他能量激发时 将根据分子所吸收能量的大小 引 起分子转动 振动或电子能级的跃迁 同时伴随光子的吸收或发射 光子的能量等于前后 两个能级的能量差 由于物质内部的粒子运动所处的能级和产生能级跃迁的能量变化都是 量子化的 物质只能吸收或发射与粒子运动相对应的特定波长的光 形成特征光谱 不同 的物质 组成和结构不同 粒子运动时所具有的能量不同 特征光谱不同 因此 根据物 质的特征光谱 可以研究物质的组成和结构 13原子光谱原子光谱 线光谱 line spectra 气态 原子发生能级跃迁时 能发射或吸收一定频率 波长 的电磁辐射 经过光谱仪得到的一 条条分立的线状光谱 称为原子光谱 14原子光谱为线光谱的根本原因原子光谱为线光谱的根本原因 产生原子光谱的 是处于稀薄气体状态的原子 相互之间作用力小 由于原子没有振动和转动能级 因此原 子光谱的产生主要是电子能级跃迁所致 在发生纯电子能级跃迁时 不会叠加振动和转动 能级跃迁 发射或吸收的是一些频率 或波长 不连续的辐射 相应的原子光谱便是一条 条彼此分立的线光谱 15分子光谱分子光谱 带光谱 band spectra 处于气态或溶液中的分子 当发生能级跃迁时 所发射或 吸收的是一定频率范围的电磁辐射组成的带状光谱 称为分 子光谱 16分子光谱为带光谱的根本原因分子光谱为带光谱的根本原因 当外界能量引起分子的振动能级发生跃迁时 必然同时叠加转动能级的跃迁 同样 在分子的电子能级跃迁的同时 总伴随着分子的振 动能级和转动能级的跃迁 分子的振动光谱 电子光谱是由许多线光谱聚集的谱带组成的 因使用的仪器不能分辨完全而呈现带光谱 第二章第二章 原子发射光谱法原子发射光谱法 1原子发射原子发射 气态原子或离子的核外层电子当获取足够的能量后 就会从基态跃迁到各种 激发态 处于激发态的原子很不稳定 电子从激发态跃迁回到基态或能量较低的激发态 以电磁辐射的形式将多余的能量释放出来 这一现象称之为原子发射 2原子发射光谱法原子发射光谱法 根据原子 或离子 在一定条件下受激后所发射的特征光谱来研究物质化学组成及含量的 方法 称为原子发射光谱法 3原子发射光谱分析过程原子发射光谱分析过程 激发源提供外部能量使被测试 样蒸发 解离 产生气态原子 并使气态原子的外层电子激发至高能态 处于高能态的原 子自发地跃迁回低能态时 以辐射的形式释放出多余的能量 经分光系统分光后形成一系 列按波长顺序排列的谱线 用检测系统记录和检测各谱线的波长和强度 4原子发射光谱原子发射光谱 法的特点法的特点 优点 可多元素同时检测 各元素同时发射各自的特征光谱 分析速度快 试样不需处理 同时 对几十种元素进行定量分析 检出限低 10 0 1 g mL 1 一般光源 ng mL 1 ICP 选择性好 各元素具有不同的特征光谱 准确度较高 相对误差 5 10 一般光源 1 ICP 试样用量少 测定范围广 目前可测定 70 余种元素 缺点 不适于部分 非金属元素如卤素 氧 氮 惰性气体等的分析 一般只用于元素总量分析 而无法确定 物质的空间结构和官能团 也无法进行元素的价态和形态分析 5原子发射光谱的产生原子发射光谱的产生 在正常状态下 元素处于基态 元素在受到热或电激发时 由基态跃迁到激发态 返回到 基态时 发射出特征光谱 线光谱 6谱线强度与试样中元素含量的关系谱线强度与试样中元素含量的关系I a c 在浓度较 大时 将发生自吸现象 上式应修正为 I a cb lgI blgc lga 在一定的实验条件下 a 为 常数 c 为被测元素的含量 b 为自吸系数 b 1 无自吸 b 1 有自吸 b 愈小 自吸愈 大 7谱线的自吸谱线的自吸 原子在高温区发射某一波长的辐射 被处在边缘低温状态的同种原子 所吸收的现象称为自吸 8谱线的自蚀谱线的自蚀 当样品达到一定含量时 由于自吸严重 谱线中 心的辐射完全被吸收 称为自蚀 9原子发射光谱仪的组成原子发射光谱仪的组成 主要由激发源 分光系统和 检测系统三部分组成 激发源作用激发源作用 激发源的作用是提供试样蒸发 原子化和激发所需的 能量 从而产生发射光谱 它的性能影响着谱线的数目和强度 分光系统作用分光系统作用 将样品中 待测元素的激发态原子 或离子 所发射的特征光经分光后 得到按波长顺序排列的光谱 检测器作用检测器作用 将原子的发射光谱记录或检测出来 以进行定性或定量分析 10光谱定性分光谱定性分 析依据析依据 元素不同 电子结构不同 光谱不同 特征光谱 11元素的灵敏线 最后线 主元素的灵敏线 最后线 主 共振线 特征线组 分析线共振线 特征线组 分析线 灵敏线 每种元素的原子光谱线中 凡是具有一定强度 能 标记某元素存在的特征谱线 称为该元素的灵敏线 最后线 当元素含量减少到最低限度 时 仍能够坚持到最后出现的谱线 称为最后线或最灵敏线 主共振线 由第一激发态与 基态之间跃迁所产生的共振线称为主共振线 通常也是最灵敏线 最后线 特征线组 是 指为某种元素所特有的 容易辨认的多重线组 分析线 用来进行定性或定量分析的特征 谱线 12定性方法定性方法 目前常用标准试样光谱比较法和铁光谱比较法 标准试样光谱比较法标准试样光谱比较法 将待测元素的纯物质与样品在相同条件下同时并列摄谱于同一感光板上 然后在映谱仪上 进行光谱比较 如果样品光谱中出现与纯物质光谱相同波长的谱线 一般看最后线 则表 明样品中有与纯物质相同的元素存在 对于测定复杂组分尤其是要进行全定性分析时 就 需要用铁光谱比较法 元素光谱图法 铁光谱比较法铁光谱比较法 以铁的光谱线作为波长的标尺 将 各个元素的最后线按波长位置标插在铁光谱 上方 相关的位置上 制成元素标准光谱图 在定性分析时 将待测样品和纯铁同时并列摄谱于同一感光板上 然后在映谱仪上用元素 标准光谱图与样品的光谱对照检查 如待测元素的谱线与标准光谱图中标明的某元素谱线 最后线 重合 则可认为可能存在该元素 为什么选铁谱为什么选铁谱 谱线间距离分配均匀 容易 对比 适用面广 谱线多 在 210 660 nm 范围内有数千条谱线 定位准确 已准确测量 了铁谱每一条谱线的波长 13原子荧光光谱法原子荧光光谱法 Atomic Fluorescence Spectrometry AFS 是一种通过测量待测元素的原子蒸气在辐射能激发下所产生荧光的发射强度 来测定待测 元素含量的一种发射光谱分析方法 14 HG AFS的优势的优势 检出限低 灵敏度高 11 种元 素 吸收线 300nm 优于 AAS 和 AES 谱线简单 干扰小 可以做成非色散 AFS 原 子化效率高 理论上可达到 100 分析曲线线性好 线性范围宽 便于制作多道仪器进 行多元素同时测定 产生的荧光向各个方向发射 可进行形态分析 价态分析 15原子原子 荧光荧光 气态原子吸收光源的特征辐射后 原子外层电子由基态或低能态跃迁到高能态 约 在 10 8s 内 又跃迁回到基态或低能态 辐射出与吸收光波长相同或不同的光辐射 即为 原子荧光 16原子荧光的特点原子荧光的特点 一 属光致发光 是二次发光过程 激发光源停止时 再 发射过程立即停止 二 发射的荧光强度与照射的光强有关 三 不同元素的荧光波长不 同 原子结构不同 电子能级排布不同 四 浓度很低时 强度与蒸气中该元素的浓度成 正比 定量依据 适用于微量或痕量分析 17原子荧光光度计的组成原子荧光光度计的组成 激发光源 原子化 器 分光系统 检测系统 激发光源 高强度空心阴极灯 无极放电灯 高压氙弧灯 原 子化器 与原子吸收光度计相同 但所用的火焰与 AAS 不同 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 分光系统 滤光片或光栅 检测系统 光电备增管 PMT 18 AFS 与与AES和和AAS的区别和联系的区别和联系 AAS 原子吸收光谱 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 基于物质所产生的原子蒸气对特征谱线 通常 是待测元素的特征谱线 的吸收作用来进行元素定量分析的一种方法 AES 原子发射光 谱 原子发射光谱分析是根据原子所发射的光谱来测定物质的化学组分的 AFS 原子荧 光光谱 Atomic Fluorescence Spectrometry 通过测定原子在光辐射能的作用下发射的荧光 强度进行定量分析的一种发射光谱分析方法 三者的区别与联系 相似之处 产生光谱的对象都是原子 不同之处 AAS 是基于 基态原子 选择性吸收光辐射能 hv 并使该光辐射强度降低 而产生的光谱 共振吸收线 AES 是基态原子受到热 电或光能的作用 原子从基态跃迁至激发态 然后再返回到基态 时所产生俄光谱 共振发射线和非共振发射线 AFS 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 同时发射出与原子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 原子发射光谱分析法在发现新元素和推动原子结构理论的建立方面曾做出过重要贡献 在 各种无机材料的定性 半定量及定量分析方面也曾发挥过重要作用 近 20 年来 由于新型 光源 色散仪和检测技术的飞速发展 原子发射光谱分析法得到更广泛的应用 到了二十 世纪三十年代 人们已经注意了到浓度很低的物质 对改变金属 半导体的性质 对生物 生理作用 对诸如催化剂及其毒化剂的作用是极为显著的 而且地质 矿物质的发展 对 痕量分析有了迫切的需求 促使 AES 迅速的发展 成为仪器分析中一种很重要的 应用很 广的方法 而到了五十年代末 六十年代初 由于原子吸收分析法 AAS 的崛起 AES 中的一些缺点 使它显得比 AAS 有所逊色 出现一种 AAS 欲取代 AES 的趋势 但是到了 七十年代以后 由于新的激发光源如 ICP 激光等的应用 及新的进样方式的出现 先进 的电子技术的应用 使古老的 AES 分析技术得到复苏 注入新的活力 使它仍然是仪器分 析中的重要分析方法之一 第三章第三章 原子吸收光谱法原子吸收光谱法 1原子吸收光谱法的定义原子吸收光谱法的定义 基于测量待测元素的基态原子对其特征谱线的吸收程度来确定 物质含量的分析方法 称为原子吸收光谱法 Atomic Absorption Spectrometry AAS 或原子 吸收分光光度法 简称原子吸收法 2原子吸收光谱法的特点原子吸收光谱法的特点 优点 一 检出限低 火 焰法 1 ng ml 石墨炉 100 0 01 pg 二 选择性好 一般情况下共存元素不干扰 三 精 密度和准确度高 RSD 火焰法 1 石墨炉 3 5 四 应用广 可测定 70 多个元素 各种样品中 五 需样量少 分析速度快 缺点 不能进行多元素同时分析 非金属元 素不能直接测定 3吸收光谱吸收光谱 基态原子 激发态 吸收一定频率的辐射能量 产生共振 吸收线 4发射光谱发射光谱 激发态 基态 发射出一定频率的辐射 产生共振和非共振发射线 5原子吸收谱线的轮廓与谱线变宽原子吸收谱线的轮廓与谱线变宽 表示原子吸收线轮廓的特征量是吸收线的特征频率 v0 和半宽度 v v0 由原子的能级分布特征决定 v 除谱线本身具有的自然宽度外 还受多种因素影响 6 自然宽度 自然宽度 由于激发寿命原因 原子吸收线有一定自然宽度 约为 10 5 nm 7多普勒变宽 热变宽 多普勒变宽 热变宽 由于多普勒效应 原子的不规则热运动 而导致的谱 线变宽 约为 10 3nm 数量级 8压力变宽压力变宽 由于同类原子 赫尔兹马克变宽 或与其它粒 子 分子 原子 离子 电子等 洛仑兹变宽 相互碰撞而造成的吸收谱线变宽 约为 10 3nm 数量级 9积分吸收法积分吸收法 某一频率的吸收不能代表所有原子的总吸收 因此要准确 测定原子吸收值 必须测定图中曲线和横坐标轴所包围的总面积 用积分吸收表示 10峰峰 值吸收法值吸收法 采用锐线光源作为辐射源测量谱线的极大吸收 或峰值吸收 11实现峰值吸实现峰值吸 收测量的条件收测量的条件 1 光源发射线的半宽度应小于吸收线的半宽度 发射 吸收 2 通过原子蒸气的发射线的特征频率恰好与吸收线 的特征频率重合 0 发射 0 吸收 12锐线光源需要满足的条件锐线光源需要满足的条件 1 光源的发射线与吸收线的特征频率 0 一致 2 发射线的半宽度 e 小于吸收线的 半宽度 a 13光吸收定律光吸收定律 A Kc 在特定条件下 吸光度 A 与待测元素的浓度 c 呈线性关系 14原子吸收光谱法的基本原理原子吸收光谱法的基本原理 基态原子吸收其共振辐射 外层电子由基态跃迁至激发态而产生原子吸收光谱 原子吸收 光谱位于光谱的紫外区和可见区 原子吸收光谱法是基于待测元素的基态原子在蒸气状态对其原子共振辐射的吸收进行元素 定量分析的方法 15原子吸收分光光度计的组成原子吸收分光光度计的组成 光源 原子化器 分光系统 检测系统 光源的作用 发射待测元素的特征共振辐射 必须使用待测元素制成的锐线光源 分光系 统的作用 是将待测元素的分析线与干扰线分开 使检测系统只能接受分析线 检测系统 组成 光电转换器 放大器和显示器 作用 把单色器分出的光信号转换为电信号 经放 大器放大后以透射率或吸光度的形式显示出来 16 HCL的特点的特点 只有一个操作参数 即 灯电流 辐射光强度大 稳定 谱线窄 灯容易更换 每测一种元素需更换相应的灯 17 原子化器的作用原子化器的作用 将试样中的待测元素转化为基态原子 以便对特征光谱线进行吸收 提 供能量 使试样干燥 蒸发和原子化 18原子化器类型原子化器类型 火焰原子化器 石墨炉原子化器 低温原子化技术 19测定条件的选择测定条件的选择 分析线 空心阴极灯电流 狭缝宽度 原子化条件 分析线分析线 通常选待测元素的主共振线作为分析线 为避免邻近谱线的干扰 可选次灵敏线 主共振线位于远紫外区 火焰背景吸收强烈 可选波长较长的次灵敏线 测量高浓度样品 时 可选次灵敏线 空心阴极灯电流空心阴极灯电流 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 选择原则 在保证稳定和合适光强输出的条件下 尽量选用低的工作电流 通常以空心阴极灯标明的最大灯电流的 1 2 2 3 为工作电流 最 佳灯电流通过实验确定 即测定吸收值随灯工作电流的变化来选定最适宜的工作电流 狭狭 缝宽度缝宽度 选择原则 是在不减小吸光度值的条件下 尽可能使用较宽的狭缝 合适的狭缝 宽度通过实验确定 不引起吸光度减小的最大狭缝宽度就是最合适的狭缝宽度 20标准加标准加 入法入法 该法可消除基体干扰 不能消除背景吸收的影响 21灵敏度灵敏度 b 定义为标准曲线 的斜率 即待测元素的浓度 c 改变一个单位时 吸光度 A 的变化量 斜率越大 灵 敏度越高 22干扰及消除方法干扰及消除方法 物理干扰 化学干扰 电离干扰 光谱干扰 23消除物消除物 理干扰的方法理干扰的方法 配制与待测溶液组成相似的标准溶液 浓度高的溶液可用稀释法 采用标 准加入法 23消除化学干扰的方法 消除化学干扰的方法 1 加释放剂 加入一种过量的金属元素 与干扰 元素形成更稳定或更难挥发的化合物 从而使待测元素释放出来 2 加保护剂 保护剂 与待测元素形成稳定的络合物 防止干扰物质与其作用 24消除电离干扰的方法消除电离干扰的方法 加入过 量消电离剂 抑制被测元素的电离 碱金属 例如 Ca 测定在高温下产生电离现象 加入 KCl 可消除 25消除背景吸收的方法消除背景吸收的方法 空白校正法 连续光源校正法 塞曼效应校正法 第第4章章 紫外紫外 可见吸收光谱法可见吸收光谱法 1紫外紫外 可见吸收光谱法可见吸收光谱法 利用紫外 可见分光光度计测量物质对紫外 可见光的吸收程度 吸光度 和紫外 可见吸收光谱来确定物质的组成 含量 推测物质结构的分析方法 称 为紫外 可见吸收光谱法或紫外 可见分光光度法 2 Lambert Beer定律的成立条件定律的成立条件 均一溶 液 稀溶液 c 200 nm 吸收峰 但与发色团相 连时 能使发色团吸收峰向长波方向移动 吸收强度增强的杂原子基团称为助色团 10吸吸 收带收带 吸收峰在紫外 可见光谱中的波带位置 分为 R 吸收带 K 吸收带 B 吸收带 E 吸收带 11影响紫外影响紫外 可见吸收光谱的因素可见吸收光谱的因素 1 助色效应 2 共轭效应和超共轭效应 3 空间位阻效应 4 溶剂效应 12助色效应助色效应 助色团与生色团相连 由于助色团的 n 电 子与生色团的 电子共轭 使吸收峰红移 吸收强度增强的现象 13共轭效应和超共轭共轭效应和超共轭 效应效应 电子共轭体系增大 max 红移 max 增大 超共轭效应增强 max 红移 max 增大 14空间位阻效应空间位阻效应 空间阻碍使共轭体系破坏 max 蓝移 max 减小 15 溶剂效应溶剂效应 溶剂极性增大 跃迁吸收带红移 n 跃迁吸收带蓝移 16仪器仪器 的基本构造的基本构造 光源 单色器 吸收池 检测器 显示器 连续光源 提供激发能 使待测 分子产生吸收 单色器 将光源辐射的复合光色散成单色光 吸收池 用来盛放被测样品 玻璃吸收池 可见光区 石英吸收池 紫外光区 可见光区 检测器 检测光信号 并将 光信号转变成可测量的电信号 17紫外紫外 可见吸收光谱法的误差 可见吸收光谱法的误差 溶液偏离朗伯 比尔定律 所引起的误差 仪器误差 操作误差 18测量条件的选择测量条件的选择 入射光波长的选择 吸光度读 数范围的选择 参比溶液的选择 19定性分析方法缺陷定性分析方法缺陷 只能定性分析化合物所具有的生 色团与助色团 光谱信息在紫外 可见光谱范围重叠现象严重 20透射率的读数误差是分透射率的读数误差是分 光光度法误差的重要来源 为减少这一误差 需要采用什么方法光光度法误差的重要来源 为减少这一误差 需要采用什么方法 答 为了减小浓度的相 对误差 提高测量的准确度 一般应控制待测液的吸光度在 0 2 0 7 透射率为 65 20 读数范围 当溶液的吸光度不在此范围时 可以通过改变称样量 稀释溶液以 及选择不同厚度的吸收池来控制吸光度 21偏离朗伯偏离朗伯 比尔定律的原因 比尔定律的原因 偏离朗伯 比尔定律的原因主要是入射的单色光不纯 有一定的频率宽度 及溶液本身的化 学变化所引起 朗伯 比尔定律只适用于低浓度 均匀 非散射的溶液 并且溶质不能有解 离 缔合 互变异构等化学变化 22什么是朗伯比尔定律什么是朗伯比尔定律 朗伯比尔定律是一束平行单色 光通过均匀的 非散射的吸光物质溶液时 溶液的吸光度与溶液浓度和液层厚度的乘积成 正比 第第5章章 红外吸收光谱法红外吸收光谱法 1红外吸收光谱 振动红外吸收光谱 振动 转动光谱 转动光谱 当用红外光照射物质时 物质分子的偶极矩发生变化 而吸收红外光光能 由振动能级基态跃迁到激发态 同时伴随着转动能级跃迁 产生的透 射率随波长变化的曲线 分子吸收光谱 2红外吸收光谱法红外吸收光谱法 利用红外分光光度计测 量物质对红外光的吸收及所产生的红外吸收光谱对物质的组成和结构进行分析测定的方法 3红外吸收光谱法的特点红外吸收光谱法的特点 除了单原子分子 对称双原子分子外 几乎所有的化合物都有 红外吸收 能提供丰富的结构信息 任何气态 液态和固态样品均可进行红外光谱测定 样品用量少 分析速度快 与色谱等联用 GC FTIR 具有强大的定性功能 4红外吸收红外吸收 光谱的产生光谱的产生 红外吸收光谱是由分子振动能级的跃迁同时伴随转动能级跃迁而产生的 是 分子的振动和转动光谱 是许多条相隔很近的谱线组成的吸收谱带 吸收峰与分子中各基 团的振动特性相对应 5红外吸收光谱产生的条件红外吸收光谱产生的条件 辐射应具有恰好能满足物质产生振动 跃迁所需的能量 辐射与物质间有相互偶合作用 产生偶极矩的变化 6红外吸收光谱的红外吸收光谱的 产生讨论产生讨论 没有偶极矩变化的振动跃迁 无红外活性 对称性分子的非对称性振动 有偶 极矩变化的振动跃迁 有红外活性 非对称分子 有偶极矩 红外活性 7双原子分子的双原子分子的 振动振动 沿键轴方向的伸缩振动 8基团频率基团频率 通常将基团由振动基态跃迁到第一振动激发 态所产生的红外吸收频率称为基团频率 光谱上出现的相应的吸收峰称为基频吸收峰 简 称基频峰 9分子振动的非谐性 分子振动的非谐性 分子振动能级的间隔并非如公式中所表现的那样完全相 等 而是随着振动量子数的增大 能级间隔越来越小 真实分子的能级跃迁不仅发生在相 邻能级间 而且可以一次跃迁两个或多个能级 倍频峰 10多原子分子的振动多原子分子的振动 伸缩振 动 v 原子沿键轴方向伸缩 键长变化但键角不变的振动 弯曲振动 基团键角发生周 期性变化 但键长不变的振动 11特征吸收峰特征吸收峰 通常把能代表某基团存在并有较高强度的 吸收峰的位置 称为该基团 官能团 的特征频率 简称基团频率 对应的吸收峰则称为 特征吸收峰 12基团的特征吸收峰可用于鉴定官能团基团的特征吸收峰可用于鉴定官能团 同一类型化学键的基团在不同化合 物的红外光谱中吸收峰位置大致相同 这一特性提供了鉴定各种基团 官能团 是否存在 的判断依据 从而成为红外光谱定性分析的基础 13红外吸收光谱图的分区红外吸收光谱图的分区 1 官能团区 4000 1300 cm 1 X H X C N O S 等 伸 缩振动区 4000 2500 cm 1 叁键和累积双键伸缩振动区 2500 2000 cm 1 双键伸缩振动 区 2000 1500 cm 1 C H 弯曲振动区 1500 1300 cm 1 2 指纹区 1300 670 cm 1 不含氢的单键伸缩振动区 1300 900 cm 1 CH2 平面摇摆 C H 面外变形振动区 900 670 cm 1 14影响基团频率的因素影响基团频率的因素 内部因素 诱导效应 共扼效应 氢键效应 空 间位阻等 外部因素 溶剂 试样状态 制样方法等 15诱导效应 诱导效应 I效应 效应 指电负性 不同的取代基 通过静电诱导作用而引起分子中电子云密度变化 从而改变了键力常数 使基团频率位移 16共扼效应 共扼效应 C效应 效应 由分子形成大 键所引起的效应 称共轭效 应 由于共轭效应使共轭体系中的电子云密度趋于平均化 导致双键略有伸长 单键略有 缩短 结果使双键频率向低频移动 单键频率略向高频移动 17氢键效应氢键效应 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 同时振动偶极矩的 变化加大 吸收强度增加 但峰形变宽 18空间效应空间效应 由于空间阻隔 分子平面与双键不 在同一平面 共轭效应下降 红外峰移向高波数 19物质状态及制样方法物质状态及制样方法 同一物质在不 同的物理状态时由于样品分子间作用力大小不同 所得红外光谱差异很大 通常 物质 由固态向气态变化 其波数将增加 20溶剂效应溶剂效应 极性基团的伸缩振动频率通常随溶剂极 性增加而降低 谱带变宽 21色散型红外吸收光谱仪的组成色散型红外吸收光谱仪的组成 光源 吸收池 单色器 检 测器 记录系统 UV Vis 吸收池放在单色器之后 可防止强光照射引起吸收池中一些 物质的分解 IR 吸收池放在光源与单色器之间 红外光源能量小 不会引起试样的分 解 而且可以减小来自试样和吸收池的杂散光对检测器的影响 工作波段范围不同 两者 的光源 透光材料与检测器等有很大的差别 22傅里叶变换红外吸收光谱仪傅里叶变换红外吸收光谱仪 FT IR FT IR 是 70 年代出现的新一代红外光谱仪 它根据光的相干性原理设计 没有色散元件 不 需要分光 主要由光源 干涉仪 吸收池 检测器 计算机和记录系统组成 23傅里叶变傅里叶变 换红外光谱仪的主要特点换红外光谱仪的主要特点 测定速度极快 1s 内 实现红外光谱仪与色谱仪的联用 灵敏 度和信噪比高 无狭缝装置 输出能量无损失 多次测定 多次累计 分辨率提高 波 数精度可达 10 2 cm 1 测定的光谱范围宽 10 104 cm 1 24试样制备对样品的要求试样制备对样品的要求 样 品需要有较高的纯度 98 通常在分析前 样品需要纯化 对于 GC FTIR 则无此要 求 样品不含有水 水可产生红外吸收且可侵蚀盐窗 样品浓度或厚度应适当 以使 T 在合适范围 25试样制备制样方法 试样制备制样方法 1 气体样品 注入抽成真空的气体吸收池进行测 定 2 液体或溶液样品 液体样品可滴在可拆池两窗之间形成薄的液膜进行测定 溶液 样品注入液体吸收池中进行测定 根据实验所需的透光范围 溶液性质选择窗片种类 水 溶液选用 CaF2 等水不溶性窗片 3 固体样品 固体样品最常用压片法进行测定 通常 用 300 mg 光谱纯的 KBr 粉末与 1 3 mg 固体样品共同研磨混匀后 压制成约 1 mm 厚的透 明薄片 放在光路中进行测定 由于 KBr 在 4000 100 cm 1 光区无吸收 因此可得到全波 段的红外光谱图 第六章第六章 分子发光分析法分子发光分析法 1分子发光的定义分子发光的定义 某些物质的分子吸收一定能量 光能 电能 化学能等 跃迁到较高 的电子激发态后 在返回电子基态的过程中伴随有光辐射 这种现象称为分子发光 Molecular Luminescence 以此建立起来的分析方法称为分子发光分析法 2分子发光分子发光 的分类的分类 1 光致发光 光能 PL 电致发光 电能 EL 化学发光 化学反 应能 CL 生物发光 生物体 酶类 化学发光 BL 3分子荧光和磷光的产生分子荧光和磷光的产生 物质 分子吸收光能而激发发光的现象 4单重态和三重态单重态和三重态 激发单重态 电子自旋相反 S S1 荧光 激发三重态 电子自旋平行 T T1 磷光 4光谱曲线光谱曲线 激发光谱的形状与发 射波长无关 发射光谱的形状与激发波长无关 变化的只是 If 光谱曲线高低 在最大激 发波长和最大发射波长下 荧光强度最大 同一物质的激发光谱与吸收光谱形状相似 最 大激发波长与最大吸收波长一致 同一组分的激发光谱 吸收光谱 波长最短 磷光波长 最长 荧光波长处于中间 5强荧光的有机化合物具备以下特征 荧光与分子结构的关系强荧光的有机化合物具备以下特征 荧光与分子结构的关系 内因 内因 具有大的共轭 键结构 具有刚性的平面结构 取代基为给电子取代基 具 有最低单重电子激发态 S1 为 跃迁 6 共轭 共轭 键体系键体系 提高共轭程度有利于增 加荧光效率 并产生红移 7刚性平面结构刚性平面结构 刚性和平面性增加 有利于荧光发射 8取代取代 基效应基效应 给电子取代剂加强荧光 HN2 NHR NR2 OH OR CN 得电子取代基 减弱荧光 加强磷光 C 0 COOH NO2 SH 对位 邻位取代基增强荧光 间位取代 抑制荧光 9重原子效应重原子效应 荧光分子的芳环上被 F Cl Br I 取代后 使系间窜跃加强 其荧光强度随卤素相对原子质量的增加而减弱 磷光相应增强 这种效应称为重原子效应 10电子跃迁类型电子跃迁类型 含 N O S 杂原子的有机物 S1 T1 系间窜跃强烈 荧光很弱或不发 荧光 不含 N O S 原子的有机荧光体系多发生 类型的跃迁 这是电子自旋允许 的跃迁 摩尔吸收系数大 约 104 L mol 1 cm 1 荧光辐射强 11影响荧光强度的因影响荧光强度的因 素 外因 素 外因 1 荧光猝灭 2 温度 酸度和溶剂的影响 T f If 酸碱化合 物 严格控制溶液 pH 溶剂极性 If em 红移 3 表面活性剂的影响 胶束增敏 作用 12荧光分析仪器荧光分析仪器 激发光源 样品池 双单色器系统 检测器 显示器 13荧光荧光 分析仪器特殊点分析仪器特殊点 有两个单色器 光源与检测器通常成直角 14荧光分光光度计与紫外可荧光分光光度计与紫外可 见分光光度计有何异同点 见分光光度计有何异同点 1 荧光分光光度计有两个单色器 而紫外只有一个单色器 2 荧光分光光度计的光源和检测器是成直角分布的 而紫外是成一条直线的 3 荧光分光光 度计是以氘灯做为光源 而紫外是以氢灯或氘灯作为紫外区光源 钨灯或卤钨灯作为可见 光区的光源 4 荧光分光光度计的比色皿是四壁均为光学面 而紫外仅为两面为光学面 15磷光的特点磷光的特点 磷光波长比荧光的长 T1 S1 磷光寿命比荧光的长 磷光寿命和强度对 重原子敏感 16工作曲线法工作曲线法 直接荧光工作曲线法 荧光猝灭工作曲线法 17多组分混合多组分混合 物的荧光分析物的荧光分析 各组分的荧光峰相互不干扰 直接测定 各组分的荧光峰相互干扰 激 发光谱有显著差别 选择不同的激发光进行测定 各组分的荧光光谱和激发光谱相互干 扰 利用荧光强度的加和性 If If1 If2 If3 在适宜的荧光波长处测定 用联立方 程来求解 18荧光分析注意事项荧光分析注意事项 防止荧光污染 防止散射光干扰 19荧光分析方法的特荧光分析方法的特 点点 优点 灵敏度高 比紫外 可见分光光度法高 2 4 个数量级 选择性好 可同时用激 发光谱和荧光发射光谱定性 重现性好 取样量少 仪器不复杂 缺点 应用范围小 20 化学发光化学发光 Chemiluminescence CL 是指通过化学反应产生的发光现象 生物体内的发光和有 酶参与的化学反应产生的光称为生物发光 Bioluminescence BL 利用电化学方法产生的光 称为电致化学发光 21荧光与化学发光的异同点荧光与化学发光的异同点 相同点 都是电子从激发态跃迁到基态 时放出的辐射 不同点 获得能量的途径不同 荧光是靠吸收紫外 可见光 化学发光是吸 收化学反应能 22化学发光反应的基本要求化学发光反应的基本要求 化学发光反应必须提供足够的激发能 即生 成激发态分子的效率 CE 足够大 处于激发态分子能够以辐射跃迁的方式返回基态 即 有足够大的激发态发光效率 EM 23化学发光反应的类型化学发光反应的类型 气相化学发光 主要有 O3 NO S 的化学发光反应 液相化学发光 主要有鲁米诺 光泽精 洛粉碱和没食子 酸等 固相化学发光 异相化学发光 24化学发光强度与化学发光分析的定量依据化学发光强度与化学发光分析的定量依据 在一 定条件下 峰值光强度与被测物浓度成线性 在一定条件下 曲线下面积为发光总强度 S 其与被测物浓度成线性 25发光反应可采用静态或流动注射的方式进行发光反应可采用静态或流动注射的方式进行 静态方式 用注 射器分别将试剂加入到反应器中混合 测最大光强度或总发光量 试样量小 重复性差 流动注射方式 用蠕动泵分别将试剂连续送入混合器 定时通过测量室 连续发光 测定 光强度 试样量大 26生物发光分析法 生物发光分析法 生物发光分析将酶反应的专一性和化学发光的高 灵敏性巧妙结合 在温和的自然条件下能以较高量子产率产生连续的冷光辐射 具有灵敏 度高 选择性好的显著特点 27化学发光分析特点化学发光分析特点 优点 1 灵敏度极高 2 仪器设备简 单 不需要光源 单色器和背景校正 3 发射光强度测量无干扰 无背景光 散射光等干 扰 4 线性范围宽 5 分析速度快 缺点 可供化学发光用的试剂少 发光反应效率低 大大低于生物体中的发光 机理研究少 28 荧光分析法的应用荧光分析法的应用 定性分析 依据不同 结构的物质所发射的荧光波长不同 定量分析 同种物质的稀溶液 产生的荧光强度与浓 度呈线性关系 29 磷光分析法的应用磷光分析法的应用 1 稠环芳烃分析 采取固体表面室温磷光分析法 快速灵敏测定稠环芳烃和杂环化合物 2 农药 生物碱 植物生长激素的分析 烟碱 降 烟碱 新烟碱等分析 检测限 0 01 g mL 3 药物分析和临床分析 第第7章电化学分析法章电化学分析法 1电化学分析电化学分析 应用电化学的基本原理和实验技术 依据物质电化学性质来测定物质组成 及含量的分析方法称为电化学分析或电分析化学 2电化学分析法分类电化学分析法分类 根据待测试液的 浓度与 某一电参数之间的关系 测量某一电参数突变指示滴定分析终点 通过电极反应将 待测组分转入第二相 用重量法滴定法进行分析 3电池的三要素电池的三要素 电极 电解质 外 电路 4绝对电极电位不能直接测量 为什么绝对电极电位不能直接测量 为什么 因为单个电极不能实现化学能和电能的相 互转换 单个电极也不能构成回路 从化学反应讲 单个氧化或还原反应中没有电子接受 体或电子给予体 反应无法进行 所以必须和另一支已知电极电位 人为地规定标准氢电 极 SHE 的电位为零 的电极组成一个测量电池进行相对测量 5标准氢电极标准氢电极 将 Pt 片插入 H 离子活度为 1 mol L 1 的酸溶液中 通入纯 H2气 其分压为 101 325 kPa 即构成标准 氢电极 6规定 规定 在任意温度下 标准氢电极的电极电位等于 0 0000 V 7标准电极电位标准电极电位 标准电极电位是指组成电极的体系处于标准状态 即电解质溶液中组成电极的离子活度均 为 1 mol L 1 气体的分压为 101 325 kPa 固体或液体均是纯物质 温度为 25 以标准 氢电极为标度测得的电极电位 以 0 表示 8用标准电极电位可以判断氧化还原的次序用标准电极电位可以判断氧化还原的次序 越正 越容易得电子 强氧化剂 越负 越容易失电子 强还原剂 9条件电极条件电极 电位 电位 条件电极电位是指电池反应中各物质浓度均为 1 mol L 1 或者它们的浓度之比为 1 活度系数及副反应系数均为常数时 在特定介质中测得的电极电位 用 0 表示 10 电极的极化电极的极化 电极电位值偏离平衡电位的现象 称为电极的极化 一般阳极极化时 其电 极电位更正 阴极极化时 电极电位更负 11超电位超电位 由于极化 使实际电位和平衡电位 之间存在差异 此差异即为超电位 超电位值的大小可以作为评价电极极化程度的参数 12浓差极化浓差极化 电化学中把由于电极表面和溶液主体间形成浓度梯度而引起的电极电位偏离 平衡电位的现象叫做浓差极化 通过增大电极面积而减小电流密度 提高温度和搅拌溶液 等方法均可以减小浓差极化 13电化学极化电化学极化 在电化学中把由于电极反应速率慢造成电极 电位偏离平衡电位的现象叫做电化学极化 由于分步进行的反应速度由最慢的反应所决定 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 14去极化去极化 电极电位不随外加 电压变化而变化 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 15电极的分类电极的分类 1 电极反应机理 金属基电极 膜电极 2 电极用途 指 示电极或工作电极 参比电极 辅助电极 16金属基电极金属基电极 在电极表面发生电子转移而产 生电位 1 第一类电极 金属和该金属离子溶液组成的电极体系 电位由金属离子活度 决定 随金属离子活度增加而增大 2 第二类电极 金属 金属难溶盐与难溶盐的阴离 子溶液组成的电极体系 电极电位由阴离子活度决定 随阴离子活度增加而减小 3 零 类电极 由金 铂或石墨等惰性导体浸入含有氧化还原电对的溶液中构成 也称为氧化还 原电极 电极本身不参加电极反应 只是作为氧化还原反应的场所传递电子和传导电流 电极电位取决于溶液中氧化还原电对的性质和活度 17甘汞电极甘汞电极 将 Hg Hg2Cl2 和饱和 KCl 一起研磨成糊状 表面覆盖一层纯净金属汞制成甘汞蕊 放入电极管中 并充入 KCl 作盐桥 以 Pt 丝作导线 电极管下端用多孔纤维等封口 电极电位稳定 常作为构成测量 电池的参比电极使用 18 Ag AgCl电极电极 将 Ag 金属丝在 0 1 mol L 1 HCl 溶液中电解 在 Ag 丝表面镀一层 AgCl 均匀覆盖层 插入含 Cl 的溶液中 组成半电池 常在固定 Cl 活 度条件下作为各类离子选择性电极的内参比电极 19膜电极膜电极 由特殊材料的固态或液态敏 感膜构成对溶液中特定离子有选择性响应的电极 离子选择性电极 特点 具有敏感膜 且能产生膜电位 20指示电极指示电极 Indicator Electrode 用来指示电极表面待测离子的活度 或浓度 在测量过程中溶液主体浓度不发生变化的体系的电极 如电位分析法中的离子 选择电极 ISE 21工作电极工作电极 Working Electrode 用来指示电极表面待测离子的活度 在 测量过程中溶液主体浓度发生变化的体系的电极 如伏安法中的铂电极 22 参比电极参比电极 Reference Electrode 电极电位恒定 不受溶液组成或电流流动方向变化影响的电极成为 参比电极 参比电极 SHE 甘汞电极 Ag AgCl 电极 23 辅助 对 电极辅助 对 电极 Counter Electrode 提供电子传递的