仪器分析(光谱部分).ppt

仪器分析 徐显利 第一章绪论第二章紫外 可见分光光度计分析第三章原子吸收分光光度计分析第四章红外分光光度计分析第五章气相色谱分析第六章高效液相色谱分析第七章薄层色谱分析 第一章绪论 1 与分析仪器发明发展相关的诺贝尔奖荣获者 2 仪器分析方法的分类 仪器分析 电化学分析法 光分析法 色谱分析法 热分析法 分析仪器联用技术 质谱分析法 电学 其他 光 色谱 1 光分析方法的分类 光分析法 原子吸收法 红外法 原子发射法 核磁法 荧光法 紫外可见法 2 色谱分析方法的分类 色谱分析法 气相色谱法 薄层色谱法 液相色谱法 激光色谱法 电色谱法 超临界色谱法 3 电化学分析方法的分类 电化学分析法 电位分析法 电解分析法 电泳分析法 库仑分析法 极谱与伏安分析法 电导分析法 4 其他分析方法的分类 其他分析法 质谱分析法 联用技术 热分析法 3 仪器分析应用领域 社会 体育 兴奋剂 生活产品质量 鱼新鲜度 食品添加剂 农药残留量 环境质量 污染实时检测 法庭化学 DNA技术 物证 化学 新化合物的结构表征 分子层次上的分析方法 生命科学 DNA测序 活体检测 环境科学 环境监测 污染物分析 材料科学 新材料 结构与性能 药物 天然药物的有效成分与结构 构效关系研究 4 仪器分析的特点 灵敏度高选择性高准确度高操作简便 分析速度快 易于实现自动化样品用量少价格一般来说比较昂贵 5 仪器分析的发展趋势 常用的分析仪器图片 常用到的前处理仪器 第二章紫外 可见分光光度法分析 引言 在临床上 亚硝酸盐中毒有急性和慢性之分 前者主要是超量食用后引起高铁血红蛋白病 1 3小时内便可让人缺氧 出现恶心 呕吐 头晕 乏力 口唇发紫 呼吸困难 腹痛 腹泻等症状 严重者则因昏迷 呼吸衰竭而死亡 例 亚硝酸盐大剂量的亚硝酸盐能够引起高铁血红蛋白症 导致组织缺氧 还可使血管扩张血压降低 人体摄入0 2克 0 5克即可引起中毒 3克可致死 中毒机理 亚硝酸盐为强氧化剂 进人人体后 可使血中低铁血红蛋白氧化成高铁血红蛋白 失去运氧的功能 致使组织缺氧 出现青紫而中毒 还是致癌物N 亚硝酰胺的前体物质 亚硝酸盐测定方法及限量值 2010食品安全国家标准食品中亚硝酸盐与硝酸盐的测定 pdf GB2762 2005食品中污染物限量 pdf 1 概述2 光的吸收原理3 紫外 可见分光光度计4 紫外 可见分光光度分析5 食品分析中的应用 紫外 可见分光光度法是基于物质分子对200 780nm区域内光辐射的吸收而建立起来的分析方法 1 概述 1 紫外 可见分光光度法分类 光谱区域 紫外分光光度法 200 380 可见分光光度法 380 780 检测器不同 目视比色法 人眼 光电比色法 光电转换器件 1 灵敏度高 分光光度法测定物质的浓度下限一般可达10 5 10 6的微量组分 对固体试样一般可测到10 7 如果对被测组分事先加以富集 灵敏度还可以提高1 2个数量级 2 准确度高 分光光度法的相对误差为2 5 其准确度虽不如化学分析法 但对微量成分来说 还是比较满意的 因为在这种情况下 化学分析法不够准确了 甚至无法进行测定 2 紫外 可见分光光度法的特点 3 操作简便 测定速度快 价格低廉 4 应用广泛 几乎所有的无机离子和有机化合物都可直接或间接地用分光光度法进行测定 如有机化学 生物化学 药品分析 食品检验 医药卫生 环境保护 生命科学等领域 2 光的吸收原理 1 单色光和互补光单色光 具有同一波长的光 很难获得 复合光 含有多种波长的光 如 白光 互补光 如果把适当颜色的两种光按一定强度比例混合 也可成为白光 这两种颜色的光称为互补光 2 物质对光的选择性吸收 如果我们把具有不同颜色的各种物体放置在黑暗处 则什么颜色也看不到 可见物质呈现的颜色与光有着密切的关系 一种物质呈现何种颜色 是与光的组成和物质本身的结构有关的 对溶液来说 溶液呈现不同的颜色 是由于溶液中的质点 分子或离子 选择性的吸收某种颜色的光所引起的 如果各种颜色的光透过程度相同 这种物质就是无色透明的 如果只让一部分波长的光透过 其他波长的光被吸收 则溶液就呈现出透过光的颜色 也就是溶液呈现的是与它吸收的光成互补色的颜色 例如硫酸铜溶液因吸收了白光中的黄色光而呈蓝色 高锰酸钾溶液因吸收了白光中的绿色光而呈现紫红色 3 物质的吸收光谱曲线 任何一种溶液 对不同波长的光的吸收程度是不相等的 如果将不同波长的光依次通过固定浓度的某一溶液 测量该溶液对各种单色光的吸收程度 以波长为横坐标 以吸光度为纵坐标可以得到一条曲线 叫做吸收光谱曲线或光吸收曲线 它清楚地描述了溶液对不同波长的光的吸收情况 将一固定浓度和厚度的溶液在不同波长的光下测定其吸光度 然后以波长对吸光度作图 画出的曲线即为该物质的吸收光谱曲线 例 横坐标表示吸收光的波长 用nm为单位 纵坐标表示吸收光的吸收强度 一般用A 吸光度 来表示 光谱曲线中最大吸收峰所对应的波长相当于跃迁时所吸收光线的波长称为 max 1 在进行光度测量时 通常都是选取在 max的波长处来测量 因为这时可得到最大的灵敏度 2 不同浓度的同一溶液 其吸收曲线形状相似 最大吸收波长也一样 所不同的是吸收峰峰高随浓度的增大而增高 3 不同物质的吸收曲线 其形状和最大吸收波长都各不相同 因此 可利用吸收曲线来作为物质定性分析的依据 4 光的吸收定律 1 朗伯 比尔定律朗伯和比耳分别于1760年和1852年研究了光的吸收与有色溶液按液层的厚度及溶液浓度的定量关系 奠定了分光光度分析法的理论基础 当一束平行单色光照射到一定浓度的均匀透明溶液时 光的一部分被介质吸收 一部分透过溶液 一部分被器皿的表面反射 如果入射光的强度为I0 吸收光的强度为Ia 透过光的强度为It 反射光的强度为Ir 则它们之间的关系为 I0 Ir Ia It 在分光光度测定中 盛溶液的比色皿都是采用相同质且的光学玻璃制成的 反射光的强度基本上是不变的其影响可以互相抵消 于是可以简化为 I0 It Ia 溶液浓度 液层厚度 朗伯定律 反应吸光度与溶液厚度的关系 A k1 b比尔定律 反应吸光度与溶液浓度的关系 A k2 c 朗伯 比尔定律 当一束平行的单色光垂直照射到一均匀透明的稀溶液时 其吸光度与溶液浓度和液层厚度成正比 A KbcA 吸光度 溶液对光的吸收程度 b 液层厚度 cm c 溶液的摩尔浓度 mol L K 是比例常数 与入射光的波长 物质的性质和溶液的温度等因素有关 如果保持入射光的强度不变 则光吸收程度与溶液的浓度和液层的厚度有关 2 吸收定律的适用性 入射光为单色平行光首先应选择比较好的单色器 此外还应将入射波长选定在待测物质的最大吸收波长且吸收曲线较平坦处 只适用于稀溶液 朗 比耳定律的假定 所有的吸光质点之间不发生相互作用 假定只有在稀溶液 c10 2mol L时 吸光质点间可能发生缔合 解离等相互作用 直接影响了对光的吸收 3 紫外 可见分光光度计 1 光源在整个紫外光区或可见光谱区可以发射连续光谱 具有足够的辐射强度 较好的稳定性 较长的使用寿命 可见光区 钨灯作为光源 其辐射波长范围在320 2500nm 紫外区 氢 氘灯 发射185 400nm的连续光谱 1 基本组成 2 单色器将光源发射复合光分解成所需单色光的光学系统 3 样品室样品室放置各种类型的吸收池 比色皿 和相应的池架附件 吸收池主要有石英池和玻璃池两种 在紫外区须采用石英池 可见区一般用玻璃池 比色皿使用注意事项 拿取比色皿时 只能用手指接触两侧的毛玻璃 避免接触光学面 凡含有腐蚀玻璃的物质的溶液不得长期盛放在比色皿中 不能将比色皿放在火焰或电炉上进行加热或干燥箱内烘烤 当发现比色皿里面被污染后 应用无水乙醇清洗 及时擦拭干净 盛装溶液时 高度为比色皿的2 3处即可 用完后立即清洗 4 检测器利用光电效应将透过吸收池的光信号变成可测的电信号 如 光电池 光电管 光电二极管或光电倍增管 目前常用 5 结果显示记录系统检流计 数字显示 计算机进行仪器自动控制和结果处理 2 分光光度计的类型 1 单光束分光光度计是指从光源中发出的光 经过单色器等一系列光学元件及吸收池后 最后照在检测器上时始终为一束光 简单 价廉 适于在给定波长处测量吸光度或透光度 一般不能作全波段光谱扫描 测定结果受光源强度波动的影响较大 要求光源和检测器具有很高的稳定性 2 双光束分光光度计从光源中发出的光经过单色器后被一个旋转的扇形反射镜 即切光器 分为强度相等的两束光 分别通过参比溶液和样品溶液 两束光在不同的时间交替地照在同一个检测器上 消除光源不稳定引起的误差 快速全波段扫描 特别适合于结构分析 3 双波长分光光度计与单波长分光光度计的主要区别在于采用双单色器 以同时得到两束波长不同的单色光 光源发出的光分为两束 分别经过两个可以自由转动的光栅单色器 得到两束具有不同波长的单色光 借切光器 使两束光以一定的时间间隔交替通过同一吸收池而后到达检测器 由检测器显示出在波长 1和 2的吸光度差值 A A与吸光物质c成正比 4 紫外 可见分光光度分析 1 红移与蓝移 有机化合物的吸收谱带常常因引入取代基或改变溶剂使最大吸收波长 max和吸收强度发生变化 max向长波方向移动称为红移 向短波方向移动称为蓝移 吸收强度增大或减小的现象分别称为增色效应或减色效应 2 定量分析 基础是朗伯 比耳定律 1 单组份样品的分析 标准曲线法 配制一系列不同含量的标准溶液 测定系列标准溶液的吸光度 作A c曲线 即标准曲线 在相同条件下测定未知试样的吸光度 从标准曲线上就可以找到与之对应的未知试样的浓度 在测定样品时 应按相同的方法制备待测试液 为了保证显色条件一致 操作上一般是试样与标样同时显色 在相同测量条件下测量试液的吸光度 然后在工作曲线上查出待测试液浓度 待测试液的浓度应在工作曲线线性范围内 最好在工作曲线中部 比较法 即将待测溶液与某一已知浓度的标样溶液 在相同的条件下 测各自的吸光度A样和A标 建立朗伯 比尔定律 解方程求出未知样品浓度与含量 2 多组分样品的同时测定 若各组分的吸收曲线互不重叠 则可在各自最大吸收波长处分别进行测定 这本质上与单组分测定没有区别 若各组分的吸收曲线互有重叠 则可根据吸光度的加合性求解联立方程组得出各组分的含量 A 1 a 1bca b 1bcbA 2 a 2bca b 2bcb 例 为测定含A和B两种有色物质中A和B的浓度 先以纯A物质作工作曲线 求得A在 1和 2时 A1 4800和 A2 700 再以纯B物质作工作曲线 求得 A1 800和 A2 4200 对试液进行测定 得A1 0 580和A2 1 10 求试液中A和B的浓度 上述测定时均用1cm比色皿 解 b 1 cA 7 94 10 5mol L 1 cB 2 48 10 4mol L 1 解方程组得 3 双波长分光光度法 不需空白溶液作参比 但需要两个单色器获得两束单色光 1和 2 以参比波长 1处的吸光度A 1作为参比 来消除干扰 在分析浑浊或背景吸收较大的复杂试样时显示出很大的优越性 灵敏度 选择性 测量精密度等方面都比单波长法有所提高 A A 2 A 1 2 1 bc两波长处测得的吸光度差值 A与待测组分浓度成正比 1和 2分别表示待测组分在 1和 2处的摩尔吸光系数 5 食品分析中的应用 酸奶中维生素A的测定水果汁中果糖的测定番茄红素的测定大豆总异黄酮含量的测定食品中咖啡因的测定食品中甜蜜素的测定食品中硝酸盐的测定面粉中过氧化苯甲酰的测定食品中防腐剂苯甲酸的测定发酵食品中黄曲霉毒素含量的测定 实验 亚硝酸盐的测定 1 原理 亚硝酸盐采用盐酸萘乙二胺法测定 试样经沉淀蛋白质 除去脂肪后 在弱酸条件下亚硝酸盐与对氨基苯磺酸重氮化后 再与盐酸萘乙二胺偶合形成紫红色燃料 测定亚硝酸盐含量 2 操作1 称取2 5 制成匀浆的试样经一定的样品前处理 略 得样品备用液 定容到了250mL容量瓶中 2 建立标准曲线亚硝酸钠标准溶液 200 g mL 亚硝酸钠标准使用液 5 0 g mL 0 1g 250mL 蒸馏水定容 200 g mL 取5mL 200mL 5 g mL 分别置于15mL带塞比色管中 波长538nm处测吸光度 绘制标准曲线比较 样品备用液处理同标准曲线 取样10mL 仪器使用视频 721 样品 吸光度 0 0846 亚硝酸盐 以亚硝酸钠计 的含量计算 式中 X1 试样中亚硝酸钠的含量 单位为mg kg A1 测定用样液中亚硝酸钠的质量 单位为 g m 试样质量 单位为 V1 测定用样液体积 单位为mL V0 试样处理液总体积 单位为mL 代入数据计算 5 526 mg kg 20 0 0846 0 0532x 0 0552x 0 5526 y 0 0532x 0 0552 第二章 完 第三章红外吸收光谱分析法 1 红外吸收光谱分析概述2 红外分光光度法基本原理3 红外光谱仪4 试样的制备方法5 定性方法 引言 阿司匹林一种历史悠久的解热镇痛药 用于治感冒 发热 头痛 牙痛 关节痛 风湿病 还能抑制血小板聚集 用于预防和治疗缺血性心脏病 心绞痛 心肺梗塞 脑血栓形成 1 红外吸收光谱分析概述 1 红外光的发现1800年 英国科学家海谢尔做了一个实验 他把阳光分成彩色光带以后 用温度计来测量各种光的温度 发现了一个奇怪的现象 靠近太阳光深红色光外的不可见部分 温度竟比红光还高 从而意识到红色光之外还存在有一种肉眼看不到的 光 因此把它称之为红外光 而对应的这段光区便称之为红外光区 2 物质对红外光的选择性吸收接着 赫谢尔在温度计前放置了一个水溶液 结果发现温度计的示值下降 这说明溶液对红外光具有一定的吸收 然后 他用不同的溶液重复了类似的实验 结果发现不同的溶液对红外光的吸收程度是不一样的 他还固定用一种溶液 改变红外光的波长做类似的实验 结果发现同一种溶液对不同的红外光也具有不同程度的吸收 也就是说对某些波长的红外光吸收得多 而对某些波长的红外光却几乎不吸收 所以 物质对红外光具有选择性吸收 1 红外吸收光谱分析概述 红外吸收光谱法 利用物质对红外光区电磁辐射的选择性吸收特性来分析分子中有关基团结构的定性 定量信息的分析方法 一 红外光的区划二 红外吸收过程三 红光谱的作用四 红外光谱的表示方法五 IR与UV的区别 3 红外光的分区 红外光 波长在0 75 1000 m 近红外光区的吸收带主要是由低能电子跃迁 含氢原子团 如O H N H C H 伸缩振动的倍频吸收等产生的 该区的光谱可用来研究稀土和其它过渡金属离子的化合物 并适用于水 醇 某些高分子化合物以及含氢原子团化合物的定量分析 中红外光区绝大多数有机化合物和无机离子的基频吸收带出现在该光区 由于基频振动是红外光谱中吸收最强的振动 所以该区最适于进行红外光谱的定性和定量分析 同时 由于中红外光谱仪最为成熟 简单 而且目前已积累了该区大量的数据资料 因此它是应用极为广泛的光谱区 通常 中红外光谱法又简称为红外光谱法 远红外光区的吸收带主要是由气体分子中的纯转动跃迁 振动 转动跃迁 液体和固体中重原子的伸缩振动 某些变角振动 骨架振动以及晶体中的晶格振动所引起的 由于低频骨架振动能很灵敏地反映出结构变化 所以对异构体的研究特别方便 此外 还能用于金属有机化合物 包括络合物 氢键 吸附现象的研究 但由于该光区能量弱 除非其它波长区间内没有合适的分析谱带 一般不在此范围内进行分析 4 红外光谱的作用 1 可以确定化合物的类别 芳香类 2 确定官能团 例 CO C C C C 3 推测分子结构 简单化合物 4 定量分析 5 红外光谱图表示方法 红外吸收光谱一般用T 曲线或T 波数曲线表示 纵坐标为百分透射比T 因而吸收峰向下 向上则为谷横坐标是波长 单位为 m 或波数 单位为cm 1 波长 与波数之间的关系为 cm 1 104 m 中红外区的波数范围是4000 400cm 1 T 曲线 前密后疏 T 曲线 前疏后密 6 红外吸收光谱法的特点 1 特征性高 就像人的指纹一样 每一种化合物都有自己的特征红外光谱 所以把红外光谱分析形象的称为物质分子的 指纹 分析 2 应用范围广 从气体 液体到固体 从无机化合物到有机化合物 从高分子到低分子都可用红外光谱法进行分析 3 用样量少 分析速度快 不破坏样品 4 分析速度快 2 红外分光光度法基本原理 1 产生红外吸收的条件 1 辐射光子具有的能量与发生振动跃迁所需的跃迁能量相等 当用红外光照射分子时 如果红外光子的能量正好等于分子振动能级跃迁时所需的能量 则可以被分子所吸收 这是红外光谱产生的必要条件 2 物质分子在振动过程中应有偶极矩的变化 对那些对称分子 如O2 N2 H2 Cl2等双原子分子 分子中原子的振动并不引起 的变化 则不能产生红外吸收光谱 2 红外吸收峰类型 基频峰 分子吸收一定频率的红外光 若振动能级由基态跃迁到第一振动激发态时 所产生的吸收峰称为基频峰 倍频峰 在红外吸收光谱上除基频峰外 还有振动能级由基态跃迁至第二 第三 第n振动激发态时 所产生的吸收峰称为倍频峰 如由n 0跃迁至n 2时 所产生的吸收峰称为二倍频峰 如由n 0跃迁至n 3时 所产生的吸收峰称为三倍频峰 依此类推 二倍频峰和三倍频峰等统称为倍频峰 合频峰 是两种振动的基频之和 如 基频为v1和v2的两个峰 合频峰为v1 v2 差频峰 是两种振动的基频之差 如 基频为v1和v2的两个峰 差频峰为v1 v2 泛频峰 倍频峰 合频峰和差频峰统称为泛频峰 3 红外吸收光谱的分区特征谱带区 红外光谱图上波数在4000 1300cm 1之间的高频区 通常称为特征谱带区 该区域中出现的谱带不多 主要是X H键 和重键的伸缩振动引起的吸收峰 该区域中出现的吸收峰受分子其他部分的影响较小 从而可以估计出化合物中含有哪些官能团 可能是哪类化合物 因此在该区域中能用于鉴定官能团存在的吸收峰成为特征吸收峰 指纹区 红外光谱上波数在1300 400cm 1之间的低频区 犹如人的指纹 通常称为指纹区 红外光谱上波数在1300 400cm 1之间的低频区 吸收带相当多 主要是C X键 X C N O 的伸缩振动及各种弯曲振动引起的吸收峰 它们受分子其它部分结构的影响较大 而且各种弯曲振动的能级差又较小 致使这一区域的谱带非常密集 犹如人的指纹 通常称为指纹区 该区域内的吸收带有些是由整个分子的振动 转动而引起的 故它们反映了整个分子的特征 没有两个化合物在这部分的信号是一样的 各种有机化合物结构上的微小差异在指纹区都有反映 因此 它们在确定有机化合物的结构 特别是确认两个化合物是否相同时特别有用 辐射与物质之间有耦合作用 为满足这个条件 分子振动必须伴随偶极矩的变化 红外跃迁是偶极矩诱导的 即能量转移的机制是通过振动过程所导致的偶极矩的变化和交变的电磁场 红外线 相互作用发生的 分子由于构成它的各原子的电负性的不同 也显示不同的极性 称为偶极子 通常用分子的偶极矩 来描述分子极性的大小 当偶极子处在电磁辐射的电场中时 该电场作周期性反转 偶极子将经受交替的作用力而使偶极矩增加或减少 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时 分子才与辐射相互作用 振动耦合 而增加它的振动能 使振幅增大 即分子由原来的基态振动跃迁到较高振动能级 因此 并非所有的振动都会产生红外吸收 只有发生偶极矩变化 0 的振动才能引起可观测的红外吸收光谱 该分子称之为红外活性的 0的分子振动不能产生红外振动吸收 称为非红外活性的 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致 二者就会产生共振 此时光的能量通过分子偶极矩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 如果用连续改变频率的红外光照射某样品 由于试样对不同频率的红外光吸收程度不同 使通过试样后的红外光在一些波数范围减弱 在另一些波数范围内仍然较强 用仪器记录该试样的红外吸收光谱 进行样品的定性和定量分析 4 常见官能团的特征吸收率 特征区段 4000 2500氢键区 O H N H CH2500 2000叁键区 C C C N2000 1500双键区 C C C N C O1500 1000单键区 C C C N C O3300 3000 CH 双键 三键 苯环 与一定结构单元相联系的 在一定范围内出现的化学键振动频率 基团特征频率 特征峰 3000 2700 CH 单键 2400 2100 C C C N1900 1650 C O1645 1500 C C C N1475 1300 C H1000 650 C C H Ar H 与一定结构单元相联系的 在一定范围内出现的化学键振动频率 基团特征频率 特征峰 例 2800 3000cm 1 CH3特征峰 1600 1850cm 1 C O特征峰 基团所处化学环境不同 特征峰出现位置变化 CH2 CO CH2 1715cm 1酮 CH2 CO O 1735cm 1酯 CH2 CO NH 1680cm 1酰胺 5 分子的不饱和度 定义 不饱和度是指分子结构中达到饱和所缺一价元素的 对 数 如 乙烯变成饱和烷烃需要两个氢原子 不饱和度为1 计算 若分子中仅含一 二 三 四价元素 H O N C 则可按下式进行不饱和度的计算 2 2n4 n3 n1 2式中n4 n3 n1分别为分子中四价 三价 一价元素数目 作用 由分子的不饱和度可以推断分子中含有双键 三键 环 芳环的数目 可以验证谱图解析的正确性 例 C9H8O2 2 2 9 8 2 6 通常规定 双键和饱和环状结构的不饱和度为1 三键的不饱和度为2 苯环的不饱和度为4 3 红外分光光度计 目前目前主要有两类红外光谱仪 色散型红外光谱仪和傅立叶变换红外光谱仪 1 色散型红外光谱仪 色散型红外光谱仪与紫外 可见分光光度计的组成基本相同 由光源 样品室 单色器以及检测器等部分组成 两种仪器在各元件的具体材料上有较大差别 1 工作原理 从光源发出的红外光分为两束 一束通过参比池 然后进入单色器内有一个以一定频率转到的扇形镜 扇形镜每秒旋转13次 周期性的切割两束光 使样品光束和参比光束每隔s交替进入单色器的棱镜或光栅 经色散分光后最后到检测器 随着扇形镜的转动 检测器就交替地接受两束光 光被单色器内的光栅或棱镜色散成各种波长的单色光 从单色器发出的波长为某频率的单色光 假定该单色光不被样品吸收 此两束光的强度相等 则检测器不产生交流信号 改变波长 若该波长下的单色光被样品吸收 则两束光强度就有差别 就在检测器上产生一定频率的交流信号 其频率决定于扇形镜的转动频率 通过放大器放大 此信号带动可逆马达 移动光楔进行补偿 样品对某一频率的红外光吸收愈多 光楔就愈多地遮住参比光路 即把参比光路同样地减弱 使两束光重新处于平衡 样品对于各种不同波长的红外光吸收有多少 参比光路上的光楔也相应地按比例移动 已进行补偿 记录笔是和光楔同步的 记录笔就记录下样品光束被样品吸收后的强度 百分透射比 作为纵坐标直接被描绘在记录纸上 单色器内的光栅或棱镜可以移动以改变单色光的波长 而光栅或棱镜的移动与记录纸的移动是同步的 这就是横坐标 这样在记录纸上就描绘出纵坐标 百分透射比对横坐标 波长或波数的红外吸收光谱 2 色散型红外光谱仪的结构包括光源 样品池 单色器和检测器 a 光源红外光谱仪中所用的光源通常是一种惰性固体 同电加热使之发射高强度的连续红外辐射 常用的是Nernst灯或硅碳棒 Nernst灯工作温度约为1700 它的特点是发射强度高 使用寿命长 稳定性较好 缺点是价格地硅碳棒贵 机械强度差 操作不如硅碳棒方便 硅碳棒工作温度在1200 1500 左右 b 吸收池因玻璃 石英等材料不能透过红外光 红外吸收池要用可透过红外光的NaCl KBr CsI KRS 5 TlI58 TlBr42 等材料制成窗片 用NaCl KBr CsI等材料制成的窗片需注意防潮 固体试样常与纯KBr混匀压片 然后直接进行测定 c 单色器单色器由色散元件 准直镜和狭缝构成 作用 把通过吸收池而进入入射狭缝的复合光分解成单色光照射到检测器上 d 检测器常用的红外检测器有高真空热电偶 热释电检测器和碲镉汞检测器 高真空热电偶是根据热电偶的两端点这一原理让红外光照射热电偶的一端 此时 两端点的温度不同 产生电势差 在回路中有电流通过 而电流的大小则随照射的红外光的强弱而变化 热释电检测器是利用硫酸三苷肽的单晶片作为检测元件 硫酸三苷肽 TGS 是铁电体 在一定的温度以下 能产生很大的极化反应 其极化强度与温度有关 温度升高 极化强度降低 将TGS薄片正面真空渡铬 半透明 背面镀金 形成两电极 当红外辐射光照射到薄片上时 引起温度升高 TGS极化度改变 表面电荷减少 相当于 释放 了部分电荷 经放大 转变成电压或电流方式进行测量 碲镉汞检测器 MCT检测器 是由宽频带的半导体碲化镉和半金属化合物碲化汞混合形成 其组成为Hg1 xCdxTe x 0 2 改变x值 可获得测量波段不同灵敏度各异的各种MCT检测器 2 Fourier变换红外光谱仪 FTIR Fourier变换红外光谱仪没有色散元件 主要由光源 硅碳棒 高压汞灯 Michelson干涉仪 检测器 计算机和记录仪组成 核心部分为Michelson干涉仪 它将光源来的信号以干涉图的形式送往计算机进行Fourier变换的数学处理 最后将干涉图还原成光谱图 它与色散型红外光度计的主要区别在于干涉仪和电子计算机两部分 1 工作原理由红外光源发出的红外光经准直为平行红外光束进入干涉仪系统 经干涉仪调制后得到一束干涉光 干涉光通过样品 获得含有光谱信息的干涉信号到达检测器上 由检测器将干涉信号转变成电信号 干涉仪 Fourier变换红外光谱仪工作原理 仪器中的Michelson干涉仪的作用是将光源发出的光分成两光束后 再以不同的光程差重新组合 发生干涉现象 当两束光的光程差为 2的偶数倍时 则落在检测器上的相干光相互叠加 产生明线 其相干光强度有极大值 相反 当两束光的光程差为 2的奇数倍时 则落在检测器上的相干光相互抵消 产生暗线 相干光强度有极小值 由于多色光的干涉图等于所有各单色光干涉图的加合 故得到的是具有中心极大 并向两边迅速衰减的对称干涉图 干涉图包含光源的全部频率和与该频率相对应的强度信息 所以如有一个有红外吸收的样品放在干涉仪的光路中 由于样品能吸收特征波数的能量 结果所得到的干涉图强度曲线就会相应地产生一些变化 包括每个频率强度信息的干涉图 可借数学上的Fourier变换技术对每个频率的光强进行计算 从而得到吸收强度或透过率和波数变化的普通光谱图 4 试样的制备方法 1 气体样品气态样品可在玻璃气槽内进行测定 它的两端粘有红外透光的NaCl或KBr窗片 先将气槽抽真空 再将试样注入 2 液体和溶液试样 1 液体池法沸点较低 挥发性较大的试样 可注入封闭液体池中 液层厚度一般为0 01 1mm 2 液膜法沸点较高的试样 直接直接滴在两片盐片之间 形成液膜 常用的红外光谱溶剂应在所测光谱区内本身没有强烈的吸收 不侵蚀盐窗 对试样没有强烈的溶剂化效应等 3 固体试样 1 石蜡糊法将干燥处理后的试样研细 与液体石蜡或全氟代烃混合 调成糊状 夹在盐片中测定 2 薄膜法主要用于高分子化合物的测定 可将它们直接加热熔融后涂制或压制成膜 也可将试样溶解在低沸点的易挥发溶剂中 涂在盐片上 待溶剂挥发后成膜测定 3 压片法 常用 将1 2mg试样与200mg纯KBr研细均匀 置于模具中 用 5 10 107Pa压力在油压机上压成透明薄片 即可用来测定 试样和KBr都应经干燥处理 研磨到粒度小于2微米 以免散射光影响 溴化钾压片视频 5 定性分析 官能团定性 是根据化合物的红外光谱的特征和基团频率来检定物质含有哪些基团 从而确定有关化合物的类别 结构分析 结构剖析 需要由化合物的红外光谱并结合其他试验资料 如相对的分子质量 物理常数 紫外光谱 核磁共振波谱 质谱等等 来推断有关化合物的化学结构 1 已知物的鉴定将试样的谱图与标准的谱图进行对照 或者与文献上的谱图进行对照 如果两张谱图各吸收峰的位置和形状完全相同 峰的相对强度一样 就可以认为样品是该种标准物 如果两张谱图不一样 或峰位不一致 则说明两者不为同一化合物 或样品有杂质 如用计算机谱图检索 则采用相似度来判别 使用文献上的谱图应当注意试样的物态 结晶状态 溶剂 测定条件以及所用仪器类型均应与标准谱图相同 2 未知物结构的测定测定未知物的结构 是红外光谱法定性分析的一个重要用途 如果未知物不是新化合物 可以通过两种方式利用标准谱图进行查对 1 查阅标准谱图的谱带索引 与寻找试样光谱吸收带相同的标准谱图 2 进行光谱解析 判断试样的可能结构 然后在由化学分类索引查找标准谱图对照核实 标准图片集 1 Sadtler红外谱图集 2 分子光谱文献DMS光谱图集 3 API光谱图集 在对光谱图进行解析之前 应收集样品的有关资料和数据 了解试样的来源 以估计其可能是哪类化合物 测定试样的物理常数 如熔点 沸点 溶解度 折光率等 作为定性分析的旁证 根据元素分析及相对摩尔质量的测定 求出化学式并计算化合物的不饱和度 1 n4 n3 n1 2当计算得 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 1时 可能有一个双键或脂环 当 2时 可能有两个双键和脂环 也可能有一个叁键 当 4时 可能有一个苯环等 但是 二价原子如S O等不参加计算 谱图解析一般先从基团频率区的最强谱带开始 推测未知物可能含有的基团 判断不可能含有的基团 再从指纹区的谱带进一步验证 找出可能含有基团的相关峰 用一组相关峰确认一个基团的存在 对于简单化合物 确认几个基团之后 便可初步确定分子结构 然后查对标准谱图核实 实例 例 化合物C8H8O2的红外光谱如右图所示 试推测其结构 解 计算不饱和度 3000cm 1有吸收 说明有和 C H基团存在 靠近1700cm 1的强度吸收 表明有C O基团 结合2730cm 1特征峰 进一步说明有醛基存在 1600 1520cm 1有吸收说明有苯环存在 根据820cm 1吸收带苯为对位取代 1460 1390cm 1是 CH3特征吸收峰 根据以上解析并对照标准谱图确定化合物为茴香醛 不饱和度为5 很可能含有苯环 第三章 完 第四章 原子吸收光谱分析 引言 金属元素测定 如铅 铅对人体危害 在当今众多危害人体健康和儿童智力的 罪魁 中 铅是危害不小的一位 铅进入人体后 除部分通过粪便 汗液排泄外 其余在数小时后溶入血液中 阻碍血液的合成 导致人体贫血 出现头痛 眩晕 乏力 困倦 便秘和肢体酸痛等 有的口中有金属味 动脉硬化 消化道溃疡和眼底出血等症状也与铅污染有关 小孩铅中毒则出现发育迟缓 食欲不振 行走不便和便秘 失眠 若是小学生 还伴有多动 听觉障碍 注意不集中 智力低下等现象 这是因为铅进入人体后通过血液侵入大脑神经组织 使营养物质和氧气供应不足 造成脑组织损伤所致 严重者可能导致终身残废 特别是儿童处于生长发育阶段 对铅比成年人更敏感 进入体内的铅对神经系统有很强的亲和力 故对铅的吸收量比成年人高好几倍 受害尤为严重 铅进孕妇体内则会通过胎盘屏障 影响胎儿发育 造成畸形等 1 概述2 原子吸收光谱的基本原理3 原子吸收分光光度计4 原子吸收光谱法的干扰及消除5 测量条件的选择6 定量方法7 实际应用 1 概述 1 原子吸收的发现1802年 伍朗斯顿在进行太阳观察时 发现太阳光谱中存在一些暗线 夫郎霍费在1814 1817年 布鲁斯特在1820年相继对这些暗线进行仔细的观察 认为是由于太阳外围较冷的气体吸收了太阳光所引起的 1860年 克希霍夫和本生用钠光灯照射含有食盐的火焰 发现这些火焰对钠光有吸收现象 他们又对其它几种碱金属以及碱土金属的火焰进行研究 发现它们都对某些特征光线有吸收 并且火焰中受热的钠蒸汽所发射的黄线与太阳光谱暗D线有准确的对应关系 于是他们认为太阳光谱中的暗线由于太阳外围气体中的某些元素吸收了太阳的连续光谱造成的 他们还指出 原子蒸气既能吸收一定波长的光形成特征光谱 也能发射出同样波长的谱线 并进一步指出 在通常情况下 火焰的温度比光源温度低的原子能够吸收来自光源发射的光 2 原子吸收光谱特点 1 检出限低火焰法可达 g ng mL 石墨炉法可达10 10 10 14g 2 精密度高 准确度高原子吸收程度受温度变化影响较小 重现性和稳定性好 3 选择性好 干扰少火焰法由谱线干扰带来的误差一般在2 以内 非火焰方法的误差在4 以内 4 抗干扰能力强原子吸收线数目少 一般不存在共存元素的光谱重叠干扰 干扰主要来自化学干扰 5 应用范围广可以测70多种元素 既可测低含量和主量元素 又可测微量和痕量元素 6 用样量小 7 仪器设备相对比较简单 操作简便 易于掌握 8 单元素测定每个元素需要特定的空心阴极灯 不能多元素同时测定 9 线性范围窄给对未知样品的测定带来不便 有时需多次稀释或浓缩才能满足测试的需求 10 高温元素准确性差 甚至不能测定 3 原子吸收光谱法 原子吸收分光光度法 它是利用待测元素所产生的基态原子对其特征谱线的吸收程度来进行定量分析的方法 2 原子吸收光谱的基本原理 1 原子吸收光谱的产生原子由原子核和核外电子所组成 原子的能量是量子化的 形成一个一个的能级 在不受到外界扰动的情况下 原子处于稳定的基态 基态原子受到加热 辐射 其它粒子进行非弹性碰撞时便吸收能量 当辐射频率 与原子中的电子由低能态跃迁到高能态所需要的能量 E相匹配时 发生吸收 产生该种原子的特征原子吸收光谱 原子吸收光谱通常位于光谱的紫外区和可见区 2 原子吸收光谱的波长原子吸收光谱的波长和频率由产生跃迁的两能级的能量差 E决定 其中 波长 频率c 光速h 普朗克常数 原子光谱波长是进行光谱定性分析的依据 高能态 低能态 3 共振线如果电子是从基态吸收光后跃迁到激发态 我们称这种吸收谱线为共振吸收线 又称共振线 如果跃迁到第一激发态 就称之为第一共振线 如果跃迁到第二激发态 就称之为第二共振线 余次类推 由于电子处在基态的原子数目最大 又最容易跃迁到第一激发态 因而一般说来 第一共振线的吸收强度最大 是元素的最灵敏线 也是原子吸收分析中优先选择的谱线 除了基态电子能够吸收光跃迁到激发态外 较低的激发态电子也能吸收光跃迁到更高能量的激发态 因此 共振线一定是吸收线 但吸收线不一定是共振线 显然 这种激发所占的比例很小 所产生的吸收谱线很弱 一般不能选作进行原子吸收分析的谱线 4 吸收线的轮廓与变宽由于当光源波长 hc E时 才会出现原子吸收 在波长大于或小于 时都没有吸收 因此原子吸收应该是没有宽度的线状吸收 实际上用特征吸收频率辐射光照射时 获得一峰形吸收 具有一定宽度 K为吸收系数 表示单位体积内原子对光的吸收值 为频率 吸收最大处所对应的频率叫中心频率 最大吸收值叫峰值吸收 最大吸收值的一半处所对应的宽度叫谱线宽度 用 表示 二 吸收线的轮廓与变宽 原子吸收谱线尽管很窄 但不是严格的几何线 有一定的宽度和轮廓当强度为I0的不同频率的光 通过原子蒸气时 透过光的强度I 与频率 关系图 若在各频率下测定A 吸收系数 吸收厚度 K 为吸收系数 随入射光频率变化而变化 用K 对 作图得原子吸收线的轮廓对不同频率的光 原子的吸收不同 有一定频率宽度的峰形吸收吸收线最高点对应的吸收系数叫峰值吸收系数或极大吸收系数Ko 最大吸收对应的频率叫中心频率或特征频率 o 极大吸收系数一半Ko 2处的宽度叫半宽度用 表示 二 吸收线的轮廓与变宽 0 K0 K 原子吸收线的轮廓 原子吸收光谱分析 4 8 2020 原子吸收光谱分析 165 中心频率或波长是指极大吸收系数所对应的频率和波长 吸收线的半宽度是指最大吸收的一半处的谱线轮廓上两点的频率 或波长 差 用 1 2或 1 2表示 造成的吸收谱线变宽的原因有很多 由自身测不准原理称为自然宽度 由于受热 碰撞 压力 各种场等都会使吸收谱线变宽 他们分别叫做热变宽 碰撞变宽 场效应变宽等 原子吸收线的宽度则是所有这些宽度的总和 但主要是热变宽和碰撞变宽 在通常的原子吸收光谱分析条件下可以不予考虑场效应变宽 谱线变宽的原因 1 自然宽度照射光具有一定的宽度 自然宽度约在10 5nm数量级 2 温度变宽 多普勒变宽 多普勒效应 一个运动着的原子发出的光 如果运动方向离开观察者 接受器 则在观察者看来 其频率较静止原子所发的频率低 反之 高 由于多普勒效应而导致的谱线变宽 其宽度约为10 3nm数量级 3 压力变宽由于同类原子或与其它粒子 分子 原子 离子 电子等 相互碰撞而造成的吸收谱线变宽 其宽度也约为10 3nm数量级 4 自吸变宽光源空心阴极灯发射的共振线被灯内同种基态原子所吸收产生自吸现象 灯电流越大 自吸现象越严重 5 原理 原子吸收分光光度法是基于从光源辐射出具有待测元素特征波长的光通过试样原子蒸气时 被蒸气中被测元素的基态原子所吸收 我们利用光被吸收的程度来测定被测元素的含量 遵循朗伯 比尔定律 3 原子吸收分光光度计 原子分光光度计由下列四个部分构成 光源 原子化系统 单色器及检测器 光源 原子化系统 单色器 检测器 1 光源 作用是发射被测元素的特征波长线 1 对光源的要求a 发射线半宽度要窄 以提高分析测定的灵敏度 b 光源的发射线强度要大 而且背景要小 c 发射线强度要稳定 使测定具有良好的重现性 以提高测定的准确度 d 为了节省开支 灯的寿命越长越好 空心阴极阳极惰性气体石英或玻璃窗口 2 空心阴极灯 a 空心阴极灯的结构 b 空心阴极灯工作原理在阴极和阳极间加上足够的电压 阴极上有电子产生 在电场作用下 高速射向阳极 在向阳极运动过程中与内充的惰性气体碰撞并使之电离 电离产生的正离子在电场作用下高速射向阴极 阴极的金属原子溅射出来 溅射出的原子与其它粒子碰撞而被激发 从激发态返回基态时 发射待测元素的特征谱线 工作过程 高压直流电 300V 阴极电子 撞击隋性原子 电离 二次电子维持放电 正离子 轰击阴击 待测原子溅射 聚集空心阴极内被激发 待测元素特征共振发射线 c 灯电流空心阴极灯的光强度和稳定性与灯电流有关 增大灯的工作电流 可增加发射强度 但太大 温度上升 热变宽增加 谱线变宽 寿命缩短 灯电流过低 光强度减弱 导致稳定性信噪比下降 灯工作电流一般在1 20mA 根据情况选择合适的灯电流 满足要求的情况下 选用较低的工作电流 2 原子化系统 a 火焰原子化器主要由三部分组成 喷雾器 雾化室 燃烧器 作用是使试样中的待测元素转化为气态的基态原子 喷雾器 将试样溶液转为雾状 雾化室 内装撞击球和扰流器 去除大雾滴并使气溶胶均匀 燃烧器 产生火焰并使试样蒸发和原子化的装置 原子化视频 雾化及试样原子化 火焰作用 试样雾滴在火焰中 经蒸发 干燥 离解 还原 等过程产生大量基态原子 火焰的组成 空气 乙炔火焰 温度在2500K左右 N2O 乙炔火焰 温度可达到3000K左右 富燃火焰化学计量火焰贫燃火焰 燃助比 约1 6氧化性较强 温度较高 适用于碱金属和不宜氧化的元素如 Au Pt Pd等 约1 4正常火焰 温度高适用于多数元素原子化 约1 3温度较低 还原性强 适用于难熔氧化物的原子化Al Cr Ba等 b 石墨炉原子化器主要由三部分组成 电源保护系统石墨管 电源 10 25V 500A 用于产生高温 保护系统 保护气 Ar 分成两路管外气 防止空气进入 保护石墨管不被氧化 烧蚀 管内气 流经石墨管两端及加样口 可排出空气并驱除加热初始阶段样品产生的蒸汽 石墨管 待测元素原子化 石墨炉原子化过程 原子化过程可分为四个阶段 即干燥 灰化 原子化和净化 干燥 去除溶剂 防样品溅射 灰化 使基体和有机物尽量挥发除去 原子化 待测物化合物分解为基态原子 净化 高温去残渣 净化石墨管 应该说空心阴极灯发射的是半宽很窄的原子的特征谱线 似乎不存在分光问题 但由于元素发射的谱线不止一条 且空心阴极灯内阴极材料的不纯 以及充入的惰性气体的辐射等因素 使被测元素特征谱线附近夹带着一些其它谱线 这种光谱干扰使测定灵敏度下降 原子吸收光谱分析中常用的色散元件是棱镜或光栅 当然 原子吸收光谱分析中对单色器的要求没有那么高 只要能分辨Mn279 5nm 279 8nm二条谱线即可 它们的使用波长范围通常为190 900nm 在原子吸收光谱分析中 不管测定什么元素都需调节适当的狭缝宽度 其实 那并非是实际的机械宽度 而称之为单色器的通带宽度 选择合适的通带宽度可消除干扰谱线的干扰 通带宽度的物理意义 出射狭缝能通过的谱线宽度 通带宽 B 倒线色散率 nm mm 狭缝宽 mm 狭缝宽度选择过大 使干扰谱线和被测元素特征谱线同时通过单色器狭缝 使测定灵敏度下降 如果狭缝太窄 使光源强度减弱 同样 使灵敏度下降 所以在选择狭缝宽度时 应尽量使被测元素的特征线通过 而不让干扰线通过 3 单色器 4 检测器 把分光系统分出来的待测元素的光信号转换为电信号 适当放大 转换成吸光度A 作用就是将待测元素的分析线与干扰谱线分开 只让分析线通过 非分析线不让通过 3 单色器 由色散元件 棱镜 光栅 凹凸镜 狭缝等组成 作用就是将待测元素的分析线与干扰谱线分开 只让分析线通过 非分析线不让通过 4 原子吸收光谱法的干扰及消除 原子吸收光谱法的主要干扰有光谱干扰 化学干扰和物理干扰三种 1 光谱干扰 光谱干扰主要有谱线重叠干扰和背景吸收干扰两种 1 谱线重叠干扰和抑制在原子吸收光谱分析中 谱线的重叠的几率是很小的 通常认为 0 03nm时即为重叠谱线 一般通过减小狭缝宽度与灯电流或另选次灵敏线来消除光谱重叠干扰 2 背景吸收干扰和抑制分子吸收与光散射是形成光谱背景的主要因素 a 分子吸收 在原子化过程中所产生的气体分子 氢氧化物 难解离的盐类 难熔氧化物等分子对待测元素共振线的吸收而产生干扰 带光谱 b 光散射是指原子化过程中产生的微小的固体颗粒使光发生散射 造成透过光减小 吸收值增加 无机酸的分子吸收 H2SO4 H3PO4在250nm以下有强的分子吸收 测在紫外吸收的元素时 一般用HNO3 HCl 王水处理样品 而不用H2SO4 H3PO4 火焰气体的吸收 火焰成分有N2 OH CO2 CN C H 它们都会出现分子吸收 但火焰点燃后 通过 调零 方法即能克服这些影响 氘灯背景扣除 最常用的抑制方法 由于背景吸收属于宽带吸收 当连续光源的发射线通过单色器时的谱带宽度取决于狭缝宽度 被测元素对该谱带中某一波长的吸收只占谱带总强度的很小一部分 故可忽略 但背景对连续光源谱带的吸收与它对元素共振线的吸收相近 因此使用连续光源测得的吸收即为背景吸收 而用锐线光源测得的吸收是原子吸收和背景吸收之和 显然 连续光源和锐线光源差即为纯的原子吸收 目前常用连续光源是氘灯 故称氘灯背景校正 氘灯扣背景光路图 2 化学干扰及其抑制在溶液或原子化过程中待测元素与其他共存物质发生化学反应 生成高熔点 难挥发 难离解的化合物 给测定结果带来影响 使基态原子浓度降低 A减小 化学干扰是主要干扰 产生干扰的原因较复杂 化学干扰抑制 a 选择合适的原子化方法提高原子化