现代环境仪器分析实验讲义

1、现代环境仪器分析实验讲义武汉大学资源与环境科学学院环境科学系编2007年4月目录实验一武汉市主要地表水体中PPCPs的检测实验二极谱法测定水中重金属离子Cd2+、Zn2+和抗坏血酸(VC及电极反应速率常数实验三火焰原子吸收分光光度法测定水中Cu2+含量实验四紫外光谱实验-吸收光谱的测定及溶剂效应实验五红外吸收光谱实验:透射谱与反射谱的测定实验六工作场所空气中铍及其化合物的荧光法测定实验一武汉市主要地表水体中PPCPs的检测一、实验目的本实验针对我国实际应用的药物情况,就PPCPs 中几种主要的类别(如抗生素和环境激素在武汉部分水体中的浓度情况进行检测。检测的主要对象是我国应用较广泛的几种典型的

2、抗生素和雌激素。通过上述实验内容达到以下教学目的:1.掌握水样中痕量有机污染物测试的基本流程;2.学习使用固相萃取和K-D浓缩器;3.学习GC与LC的基本结构与使用方法;4.了解GC/MS和LC/MS分析数据的处理方法。二、实验原理痕量有机污染物通过固体吸附剂富集,然后被小体积有机溶剂洗脱,体积变化后,使得有机物浓度得到较大提高,然后对洗脱液通过K-D浓缩器减小体积从而进一步提高待测样品中有机污染物的浓度,以满足分析仪器的检测限要求。色谱分离以及质谱检测的原理参考其他教科书。三、实验材料与仪器设备1.实验材料SPE吸附小柱(HLB和C18、普通滤纸、0.45m滤膜、H 2SO4、甲醇、乙腈、正

3、己烷、二氯甲烷、三氟乙酸酐(TFA、吡啶、MSTFA(N-甲基-N-三甲基硅基-三氟乙酰胺、超纯水、N2气。2.仪器设备固相萃取装置(IST公司、K-D浓缩器、GC/MS (Thermo Finnigan Trace DSQ;LC/MS(Agilent 1100 LC/MSD SL四、实验步骤(一对于抗生素类(大致7种1.采样初步定下采样点的大致位置:东湖、二桥、府河、龙王庙、杨泗、月湖、宗关、南太子湖、墨水湖、龙阳湖、南湖;在排污口的上下游还可以采样做对比。每个采样点取自水面下深约1米处,各取20升水样。 2.水样处理将所取水样用H2SO4调节水样PH至3,将上清液通过0.45m滤膜真空抽滤

4、。利用以苯乙烯-二乙烯苯共聚物为主体的HLB(亲水亲酯固相萃取柱固相萃取柱。HLB固相萃取柱预先采用3×2ml甲醇、3×2ml超纯水分别进行淋洗处理,将水样倾入并控制流速约为10mlmin。柱富集完成后,将柱于N2保护下干燥一小时,最后用2ml甲醇淋洗3次,洗脱液收集于10ml具塞离心管中,在室温下用N2吹扫至近干。最后用乙腈-水(6040定容至1ml,待测。注:HLB柱对我国7种典型的抗生素有较好的富集作用(氧氟沙星、诺氟沙星、罗红霉素、红霉素、磺胺嘧啶、磺胺二甲嘧啶和磺胺甲恶唑等。3.LC-MSMS分析色谱条件:色谱柱,ODS-P(4.6mm×250mm,DI

5、KMA,进样量20L,流动相为乙腈(A和0.2%甲酸溶液(B,流速0.4mlmin;梯度淋洗程序,40%A 保持8min,然后在2min内把A线性增加到60%并保持15min,随后在5min内降低A至40%并保持5min。质谱条件:离子源为ESI源;离子源(GS1和(GS2的气体流量分别为20mlmin和40 mlmin,各离子源的碰撞气和气帘气流量分别为6 mlmin和15 mlmin,气体均为N2;辅助加热器温度450;电离电压5500V;检测方式为多反应选择监测(MRM离子模式。该法对目标物有高的选择性和较低的检出限(能达到ng/L。(二对于雌激素类1.采样在武汉市几个主要污水处理厂获取

6、水样,每个20升。2.水样处理采样后立即处理,不能立即处理的样品放于20冰箱冷藏保存,并在24h 内进行处理。先用普通滤纸过滤掉较大的悬浮物等,再用0.45m滤膜真空抽滤。用C20处理过的400mgC-18固相萃取柱过水样,流速为12mL/min,过柱后用3mL蒸馏水洗该小柱,后用平稳N2流吹20min,以除去小柱固定相中的水.用甲醇:正己烷:二氯甲烷=0.5:3:3的洗脱液9mL洗脱,收集淋洗液于硅烷化的瓶中.在35用微氮气流吹干洗脱液,密封。3.样品的衍生化处理在上述干燥的浓缩样品中加入200L正己烷, 300L三氟乙酸酐(TFA,密封后并置于90烘箱中加热40min.冷却至室温后,用平稳

7、氮气流吹干溶剂,用三氯甲烷将瓶中的样品溶液转移(转移3次至塑料瓶中.用氮气将样品浓缩至0.1mL,密封待分析;或在浓缩样品中加入50L吡啶和100L的MSTFA(N-甲基-N-三甲基硅基-三氟乙酰胺,密闭放置50min,然后加入100L正己烷,在100加热100min,冷却后进行色谱分析。4.GC-MS分析色谱分析程序为:初始温度80,保持2min,以10/min的速度升温至250,保持15min,再以1/min的速度升至260,保持20min。衍生化样品的色谱分析采用不分流进样方式,TFA 酰化样品用针尖浓缩法定量注入20L,硅烷化样品进样2L。样品中目标组分的确定采用与标样对照和GC-MS

8、法定性。质谱条件:电离源:电子轰击源(EI70ev,接口及离子源250,离子化电流300A,检测方式:全扫描模式,扫描范围40-450amu。五、实验数据处理1.定性分析利用获得的MS结果,参考有关文献,通过典型的定性碎片峰和分子离子峰,确定水样中存在那些PPCPs;2.定量分析在标准品齐备的条件下,通过外标法定量,绘制标准曲线,计算PPCPs的浓度;在标准样品缺少情况下,采用简单的归一化法处理实验数据。六、实验结果讨论1.参考提供的背景资料,结合实验结果,谈谈武汉市主要地表水体中PPCPs污染物的来源与存在情况;2.比较GC与LC在有机污染物分析上的特点。3.举例说明其它有机污染物测试样品预

9、处理的方法。七、背景资料PPCPs(Pharmaceuticals and Personal Care Products即药物和个人保健品的总称,它包括处方药和非处方药、诊疗剂、香料、化妆品以及其它许多拥有很高生化活性的化合物;种类繁多,应用广泛,除了人体外用或摄取,还用于宠物及其它家养动物(如饲料添加剂。这一类化学物质带来的巨大利益毋庸置疑,但是它们进入环境的后果却很少被人们了解和关注。在美国及一些发达国家,政府对于消费者向药店、制造厂及有害废弃物处理点返还这一类过期的或多余的药物及保健品的行为,还没有制定全国性的规范。污水处理厂(sewage treatment works,即STWs并没

10、有专门的措施去除PPCPs。STWs 处理的重点一贯是一小部分的标准污染物,而在处理的过程当中许多无规则的污染物碰巧也被去除了。尽管如此,经过处理后的排水仍然含有一系列复杂的化合物,PPCPs便是一个大类。生活中,个人保健品比药品更大量的被消费。这些药物因其疗效面向不同的生化受体而具有明显的生物活性。目前有两类药物的影响受到更多的关注。一种是抗生素,由于人们的滥用和误用而相对提高了病原体的耐药性及抗药性,这是最近关注的焦点;另一种便是性激素,包括天然的、内原的,尤其是那些用于生育控制的雌激素以及人造的类似物,例如雌二醇类污染物。甾族化合物尤其是性激素有扰动或调节荷尔蒙(或内分泌系统的能力。此外

11、,某些其它的PPCPs以及多种人造化合物均具有内分泌活性。总之,这些内分泌干扰物给水生环境造成的影响是在ppt浓度水平使雄性鱼雌性化以及改变两性的行为。由于荷尔蒙系统对绝大多数生物的生长、功能和繁殖具有重要意义,因此这些化合物对水环境还会有许多其它的一些影响。抗生素的抗药性及荷尔蒙效应仅仅是众多负面影响中的两个。其它的类似于神经系统方面的影响因其太微妙而尚未引起我们的广泛关注,但是这种影响日积月累总有一天会形成重大的外在效应。因为人类使用的PPCPs通过污水处理厂不断排入环境,要考虑生物体同时暴露于多种生物活性物质,对其进行风险评价很有必要。目前环境中的PPCPs对野生动物的影响尚不清楚,它们

12、的代谢途径和潜在的受体与人类不同。单个药物在环境中的累积很低,但其联合作用不可忽视。这些药物化合物在水生生物体内可能得到富集,从而产生明显的变化。有必要扩展研究污染物的范围,从传统的污染物到生物活性化学物质。需要将我们对环境内分泌干扰物研究的一部分注意力从传统的污染物转到PPCPs。与传统污染物相比,PPCPs的环境效应所知甚少。随着近来对该种污染物认识水平的提高,水体中出现PPCPs已经不是新的环境问题了。只要PPCPs应用于商业流通,便会一直存在于环境中。由于PPCPs较高的极性,它们在水体中的分布及状态与原始结构和性质有关,而且这些分布的水体不仅包括地表水,还包括地下水。环境中的非研究有

13、机体将无意暴露于这类毒害的风险之中,特别是接近PPCPs排放口的那些水生生物。而人类则由于饮水得到更深度的去污处理受到的风险相对较小。更进一步说,水体中千千万万的水生生物世世代代都持续地暴露在这种风险当中,而人体则是通过长期却间断的含有超低浓度PPCPs的饮用水进行暴露。这些风险很难估计,主要因为环境中可测得的浓度非常低,数量级小到ppb。此外,人们对于生物体暴露后的可能效应也不太了解。PPCPs在饮水中出现的几率更小,浓度更是低至ppt。虽然PPCPs的浓度很低,但它们却因不断被引入水体而在环境中长久存在。由于其降解的同时可以持续地获得排放的新鲜污水的补给,所以即使PPCPs的半衰期很短,也

14、能在环境中建立平衡,达到一个“假稳态”。2002年涌现出了大批针对环境中PPCPs各个层面的研究论文。美国环境保护机构也开辟了一个致力于该主题的网站。尽管环境中的PPCPs得到了各个领域科学家们的关注,但是随着研究的深入,越来越多的问题将会产生,前方仍然存在着更大的未知领域。目前国内外对来自环境样品里的某些典型PPCPs残留建立了一些样品前处理方法及相关的检测技术。这里列举部分如下: 实 极谱法测定水中重金属离子Cd 2+、Zn 2+和抗坏血酸(V C 及电极反应速率常数一、方法原理阳极溶出伏安法也称反向极谱法。其测定分为两个基本过程,即在一定的电压条件下先将被测金属离子电解一定时间,使其富集

15、在一悬汞电极上,然后将电压从负往正方向扫描,使还原的金属从电极上氧化溶出,并记录其氧化波,根据溶出峰电位确定被测物质成分,根据氧化波的高度确定被测物质的含量。阴极富集与阳极溶出的全过程可表示为: Me n+ne -(+Hg Me (Hg 溶出是富集的逆过程,但富集是缓慢的积累,溶出则是快速的释放,因而作为信号的法拉第电流大为增加,从而提高了测定的灵敏度。方法检出限可达µg/L 。极谱法测定水中抗坏血酸(C 6H 8O 6则是基于抗坏血酸在电极上被氧化为脱氢抗坏血酸:C 6H 8O 66H 6O 6+2e -+2H + 循环伏安法是在电极上施加线性扫描电压,当到达某设定的终止电压后,再

16、反向回扫至某设定的起始电压,若溶液中存在氧化态O ,电极上将发生还原反应: O +ne R反向回扫时,电极上生成的还原态R 将发生氧化反应:R O +ne峰电流可表示为:c v t m D Kn i 2132322123p = 其峰电流与被测物质浓度c 、扫描速度v 等因素有关。从循环伏安图可确定被测物质的氧化峰峰电流i p,a 和还原峰电流i p,c ,氧化峰峰电位E p,a 值和还原峰峰电位E p,c 值。对于可逆体系,氧化峰峰电流与还原峰峰电流比:1p,cp,a i i氧化峰峰电位与还原峰峰电位差:V (058.0c p,a p,nE E E -=其条件电位E f :2cp,a p,f

17、E E E +=由此可判断电极反应的可逆性。对于可逆过程(如Cd 2+,非均相电荷传递速度很快,在相界面上达到动力学平衡(k s > 10-1cm s -1。电极表面上的测量值-电流由最慢步骤的传质控制(扩散控制。该条件下的E p 为59mV/n 。对于准可逆过程(如Zn 2+(10-1> k s >10-5cm s -1,除传质外,电流还与电荷传递有关,基本满足能斯特方程条件。电位扫描速度较高时,峰电位的差值大于59mV/n 。改变扫描速度,电极反应受电荷传递和扩散控制。对于不可逆过程(如抗坏血酸,电极上电荷传递速度极低(k s <10-5cms -1。与电位有关,仅

18、可测量阴极或阳极电荷传递反应的速率。该条件下不适用能斯特方程。二、仪器与试剂1. 797-VA 型极谱仪;2. 悬汞电极(工作电极;Ag-AgCl 电极(参比电极;铂电极(辅助电极;3. 乙酸盐溶液(1.5mol/LKCl+0.5mol/L 乙酸钠、镉标准溶液(1g/L、锌标准溶液(1g/L;4. 乙酸缓冲溶液(0.1mol/L 乙酸+0.1mol/L 乙酸钠、抗坏血酸标准溶液(1g/L ,现配现用二次水;5.硝酸钾溶液(0.1mol/L 、镉标准溶液(1g/L 、锌标准溶液(1g/L 、抗坏血酸溶液(1g/L 、乙酸盐溶液(1.5mol/LKCl+0.5mol/L 乙酸纳;6. 二次水三、实

19、验步骤1.镉、锌离子的定量测定按照附录的方法依次打开测量仪器与软件,然后往测量杯中加入10mL 待测液和1mL KCl-醋酸钠溶液,按如下参数设置分别测量镉、锌和空白溶液的溶出伏安曲线,在与上述相同条件下,于烧杯中分别加入一定量的镉、锌标准溶液,记录溶出伏安图。镉、锌测定的仪器参数设置 2.抗坏血酸的定量测定按照附录的方法依次打开测量仪器与软件,然后往测量杯中加入20mL乙酸缓冲溶液和1mL待测液,按如下参数分别测量抗坏血酸和空白溶液的溶出伏安曲线,在与上述相同条件下,于烧杯中分别加入一定量的抗坏血酸标准溶液,记录溶出伏安图。抗坏血酸测定的仪器参数设置 3.镉、锌和抗坏血酸的循环伏安法测定按照

20、附录的方法依次打开测量仪器与软件,然后往测量杯中分别加入:(1 20mlKNO3和200L Cd2+标准溶液;(220ml乙酸和200L Zn2+标准溶液;(320mlKNO 3和200L 抗坏血酸溶液,按如下参数分别记录镉、锌和抗坏血酸溶液的循环伏安曲线,并比较三者之间的循环伏安图的区别。镉、锌和抗坏血酸循环伏安测定的参数设置 记录含20ml KNO 3和200L Zn 2+标准的电解质溶液的循环伏安图。实验条件如上图。电位扫描范围10100mV/s ,间隔:10mV/s 。测定正反应和负反应的峰电位。四、数据处理 1.溶出伏安法测量峰高的方法,以锌峰为例,第一个峰沿峰前脚基线及波峰斜坡各作

21、一条切线,通过两条切线的交点作一条与横轴平行的直线,量取峰顶至平行线的垂直高度即为峰高(以mm 或格计。以后的几个峰为峰顶到峰前脚的垂直高度。计算公式:当加入标准溶液的体积水样体积的1%而可忽略时:(h H V V c h c s s x -=当加入标准溶液的体积较大而不可忽略时:(Vh V V V V c h c s ss x -+=式中:h -水样测得峰高(mm 或格计;H -水样中加入标准溶液后测得的总溶出峰(mm 或格计; c s -加入标准溶液的浓度(mg/L ; V s -加入标准溶液的体积(ml ; V -测试时所取水样的体积(ml 。 2.循环伏安法计算公式:21ox 21(D

22、 nFs RT k r s =21re dox (D D =式中:-电荷转移系数;k s -反应速率常数(cm/s ; D ox -氧化态扩散系数(cm 2/s ; D red -还原态扩散系数(cm 2/s ; n - 转移的电子数; s r -电位扫描速度(V/s; F -法拉第常数; R -气体常数; T -绝对温度(K 。从下表的函数对n E p 作图可知,可通过实验所得的峰电位差值求得值。=0.30.8时,计算Ks 。=0.5,所得的Ks 值最佳。 利用实验测得的nE p,可以由上表确定某电位扫描速率的,即可计算电极反应速率常数k s值,并判断电极反应可逆性。五、问题与思考1.溶出伏

23、安法为什么有较高的灵敏度?2.实验中为何要对实验条件严格保持一致?3.极谱法能够测定哪些有机化合物?4.极谱法测定水中抗坏血酸时,为何采用乙酸缓冲液?5.如何通过循环伏安图求出可逆体系的转移电子数?6.可逆体系、准可逆体系与不可逆体系的循环伏安图有何区别?是什么原因导致其差异。7.利用实验测得的nE p,确定某电位扫描速度的,并利用该值计算电极反应速率常数(=0.25,D Zn2+=7.2×10-6cm2/s,D Zn(Hg =1.57×10-5cm2/s。附录V A Computrace 797 伏安极谱仪使用方法1.依次打开电脑显示器电源开关、主机电源开关;2.双击工作

24、站图标,打开工作软件、打开极谱仪电源开关;3.双击control图标,打开控制界面;4.打开氮气阀,调节流量至0.1mPa;5.选择电极类型(悬汞或滴汞等,点击new drop生成新鲜汞滴,通氮气搅拌除氧。6.选择测量方法、设置参数windowsMonitorstart开始测量;测量结束后处理数据、保存结果数据;7.清洗电极回收废汞加水浸没毛细管下端,并悬一滴汞;8.关氮气阀和调节阀关极谱仪电源关闭工作站软件电脑关机关闭电源开关。实验三火焰原子吸收分光光度法测定水中Cu2+含量一、目的要求:1、熟悉原子吸收仪的构造原理及操作方法。2、掌握原子吸收光谱法检测Cu 2+的分析技术。二、原子吸收光谱

25、法基本原理和特点及方法概述:原子吸收光谱法(Atomic Absorption Spectroscopy 又称为原子吸收分光光度法,通常简称原子吸收法(AAS,其基本原理为:从空心阴极灯或光源中发射出一束特定波长的入射光,在原子化器中待测元素的基态原子蒸汽对其产生吸收,未被吸收的部分透射过去。通过测定吸收特定波长的光量大小,来求出待测元素的含量。待测元素对特定波长的吸收(吸光度与待测元素的含量之间的关系符合郎伯-比耳定律。待测元素的含量可用工作曲线法或标准加入法求出。该法具有灵敏度及精确度高;选择性好;速度快;可测元素多等特点。仪器参数的选择和实验条件直接影响着测定的灵敏度,精密度,并和干扰消

26、除等有关。使用前应熟悉原子吸收分光光度计使用说明和仪器性能。对燃气流量,灯流量,燃烧器高度,光谱宽度等都应预先进行实验,确定出相对应的条件。三、仪器与试剂:1、原子吸收分光光度计2、容量瓶:100mL3个,25mL 5个3、烧杯:25 mL 2个。4、移液管:5mL,10mL各1支。5、Cu2+标准溶液:用硫酸铜配成1.0mg/mL标准液(贮备液6、Cu2+标准使用液:用移液管吸取标准贮备液2.5mL于100mL容量瓶中,用去离子水稀释至标线,摇匀,此溶液每毫升含Cu2+25 g。7、四、试验内容:1.按原子吸收分光光度计使用说明,熟悉使用方法具体步骤如下:i.首先打开计算机;将钙灯装入原子吸

27、收仪,灯座号码应与插孔所标识号码对应;ii.打开原子吸收仪电源开关,再打开空气压缩机(0.22-0.24间;iii.打开通风柜电源开关;iv.点开计算机上原子吸收工作软件(名称w2.1,设置操作参数,吸收波长寻峰;v.打开乙炔瓶,先开钢瓶上阀门(逆时针扭一圈即可,再开微调(顺时针打到0.7;vi.点火;vii.测样;viii.测量结束后,先关钢瓶上阀门,再关工作软件,最后关机,各电源开关。2. 选择仪器参数配制3.0ppm铜标准溶液,在确定的吸收波长选择最佳条件(改变参数:燃气流量,灯流量,高度,光谱宽度,以吸光度最高为最佳条件。3. 绘制工作曲线吸取铜使用液1.0;2.0;3.0;4.0;5

28、.0mL分别置于5个25mL容量瓶中,用去离子水稀释至标线,摇匀,配成铜浓度为1.0,2.0,3.0,4.0,5.0ppm的标准系列。在最佳条件下测定吸光值,绘制工作曲线。4. 水样测定将水样与标准溶液相同的条件下进行测定,测其吸光值,从工作曲线上查出水样中铜的浓度,报出结果。五、试验记录: 六、数据处理与讨论:根据测量数据确定仪器参数,用标准溶液绘制工作曲线,通过工作曲线得出样品中Cu2+的含量。七.注意事项:(1原子吸收分光光度计系精密贵重仪器,在未熟悉仪器的性能及操作方法之前,不得随意拨动主机记录器的各个开关和旋钮。(2仪器在开机时必须严格按照“四”所述的操作方法进行。(3本实验使用易燃

29、气体乙炔,故在实验室严禁烟火,以免发生事故。(4点燃火焰时,必须先开空气,后开乙炔,熄灭火焰时,则应先关乙炔,后关空气,防止回火,爆炸事故的发生。(5样品测试结束后依次水洗,稀硝酸洗,再水洗。(6由于喷雾口孔径小,溶液必须事先过滤除去颗粒物,否则容易引起堵塞。八、思考题:如何判断测试方法的可靠性,样品测试结果的准确性?请自己设计并进行实验。实验四紫外光谱实验-吸收光谱的测定及溶剂效应一.实验目的1.学习紫外光谱的产生,掌握扫描式分光光度计的基本操作与使用。2.了解不同的助色团对苯的紫外吸收光谱的影响。3.学习溶剂极性和pH值对化合物的最大吸收波长的影响。4.学习分光光度计波长精度的校正方法二.

30、实验原理紫外-可见吸收光谱源于分子中电子能级的变化,化合物的紫外-可见光谱是分子中电子在各能级间跃迁的内在规律的特征体现。利用紫外-可见光谱可以对许多化合物进行定性定量分析。芳香族化合物的紫外光谱具有由*跃迁产生的3个特征吸收带,E1,E2和B带,当苯环上带有取代基时,取代基强烈影响苯的3个特征吸收带。此外化合物的最大吸收波长还收到溶剂的极性和pH值的影响。三.仪器与试剂1.日本岛津UV1601PC分光光度计,配电脑和打印机2.1cm石英比色皿3.试剂:苯、甲苯、苯胺、无水乙醇、环己烷、盐酸、氢氧化钠四.实验步骤1.苯及其一取代物的吸收光谱的测绘分别配制苯、甲苯、苯胺的乙醇溶液,将它们依次装入

31、石英吸收池中,以乙醇为参比,从220320 nm进行波长扫描,获得吸收光谱。观察各吸收光谱的图形,找出最大吸收波长max,并计算各取代基使苯的max红移了多少?2.溶剂极性对吸收峰吸收强度和形状的影响分别配制苯胺的水和环己烷溶液,相对各自的溶剂,从220350 nm进行波长扫描比较苯胺在环己烷、乙醇、水中的吸收光谱,并进行讨论。3.溶液的酸碱性对苯胺吸收光谱的影响取二只10mL的比色管,各加入1.0 mL苯胺的储备液,分别用0.1 mol·L-1HCl、0.1 mol·L-1NaOH溶液稀释至刻度,摇匀,以水为参比,从220350 nm进行波长扫描,获得吸收光谱。比较它们的

32、最大吸收波长及吸收峰形状,并解释。4.分光光度计的波长精度校正利用氘灯在486.0、656.1nm处的两条特征谱线对分光光度计进行波长校正。五.注意事项更换样品时,用相应溶剂洗涤比色皿,并用滤纸将比色皿外壁擦干。样品加入量为比色皿容积的2/3即可。六.思考题1.利用紫外-可见吸收光谱法测定时样品溶液制备需要注意哪些事项?实验五红外吸收光谱实验: 透射谱与反射谱的测定一、实验目的(1掌握红外光谱样品的制样方法;(2掌握红外光谱及衰减全反射、漫反射附件的工作原理和测试方法;(3了解未知物鉴定的一般过程,掌握利用标准谱库来鉴定的方法。二、实验原理1、红外光谱工作原理红外光谱分析方法主要是依据分子内部

33、原子间的相对振动和分子转动等信息进行测定。由于不同的化学键或官能团其振动能级从基态跃迁到激发态所需能量不同,因此要吸收不同的红外光。物质吸收不同的红外光,在不同的波长出现吸收峰,从而得到红外谱图。但是当化学物质受到电磁辐照时,要产生红外吸收必须满足以下两个条件:(一红外辐射的频率必须与分子的振动频率相同;(二振动必须伴随偶极矩的变化。若偶极矩改变为零则无红外活性,即无红外吸收峰。红外吸收峰的强度与偶极矩变化的大小有关。吸收峰的强弱与分子振动时偶极矩的变化的平方成正比。一般,永久偶极矩大的,振动时偶极矩变化也较大。利用红外光谱法可以获得的信息有:(1可以获得结构特征如官能团种类信息,阐明顺反异构

34、、环的取代位置、氢键和螯合作用等,从而推断分子结构;(2在对待测物有一定认识的基础上,可通过与已知物光谱相比较来鉴定和确认未知物;(3用于定量分析。2、衰减全反射工作原理衰减全反射(ATR附件,其工作原理是将来自红外光源的光聚焦反射到KRS-5(或Ge,ZnSe等晶体上,再入射到样品的表面,由于样品的折射率小于晶体的折射率,入射角比临界角大,光线完全被反射产生全反射现象(见图1。事实上,全反射现象不完全是在两种介质的界面上进行的,部分光束要进入到样品一段距离(约几微米才反射回来。透入样品的光束被样品有选择的吸收使透入到样品的光束在发生吸收的波长处减弱,其强度随透入深度的增加按指数规律递减,这也

35、是称为衰减全反射的原因。收集衰减全反射光就可以获得样品的衰减全反射光谱。 图1 ATR法测定原理衰减全反射(A TR光谱技术主要用来收集材料表面的光谱信息,适用于普通红外光谱无法测定的厚度大于0.1mm的塑料、橡胶、树脂和薄膜等样品。与常用的透射光谱,如KBr压片相比,ATR谱图吸收峰相对强度与透射谱并不完全一致。ATR还是一种非破坏性分析方法,能够保持样品原貌进行测定。常用的透射光谱如KBr压片法,对样品的研磨或挤压可能改变样品的微观状态。3、漫反射工作原理把粉末样品分散在无红外吸收的KBr介质中,此时物质的晶形取向是随意的。当红外光照射到样品上时,一部分光在样品表面产生镜面反射,另一部分光

36、经折射进入样品内部,在样品内部与样品分子发生作用而发生反射、折射、散射和吸收现象,最后光线由样品表面辐射出来,辐射出来的光由于样品随意的晶形而散向空间各个方向的现象称为漫反散(图1。由于漫反射光曾进入样品内部与样品分子发生作用,因此漫反射光将载有样品分子的结构信息。收集漫反射光就可以获得样品的漫反射光谱。漫反射光谱技术主要用来收集高散射样品的,适用于粉末状的样品。实验时将粉末与KBr或KCl粉末按1:20-1:10混合后装入样品池,以卤化钾粉末的漫反射谱为背景即可测得样品的漫反射谱。有时亦可金刚砂纸摩擦表面来制样,同样可以获得高质量的谱图。 图1 红外光在粉末中的反射漫反射光谱经Kubelka

37、-Munk方程校正后,光谱的纵坐标就与浓度成正比,从而可进行定量分析。但K-M方程不适用于高浓度区域,一般样品在卤化钾中的浓度应在10%以下。三、仪器与试剂仪器:Nicolet FT-IR 5700 光谱仪,Omnic 采样器,漫反射附件,压片机,模具,样品架,研钵,钢铲,红外灯。试剂:氨基葡萄糖盐酸盐,正丁醇,分析纯KBr粉末,液体石蜡,壳聚糖四、实验内容与步骤1、样品透射谱的测定及未知样品的定性分析(1糊状法取氨基葡萄糖盐酸盐2-3mg放入玛瑙研钵中研磨成细粉末,滴加2-4滴石蜡油,再研磨成均匀的糊状,取少许糊状物涂在盐片上测定。用石蜡油作为背景。(2压片法取2-3mg氨基葡萄糖盐酸盐与2

38、00-300mg干燥的KBr粉末在玛瑙研钵中混均,充分研磨后,用不锈钢铲取70-90mg压片,然后测定红外谱图。(3液膜法先压制两片仅含KBr片,然后取1-2滴正丁醇于两片KBr之间,形成一层薄的液膜,用夹具轻轻夹住后测定红外谱图。(4未知样品的定性分析取一未知样品,采用KBr压片后测定红外谱图,谱图处理后,检索谱图,确认化学结构。2、衰减全反射(ATR谱的测定(1将ATR附件安装到红外光谱仪上,测定空气背景谱图;(2将壳聚糖粉末压到晶体材料上测定ATR谱图。(3将壳聚糖粉末用KBr压片后在样品架上测定透射光谱,所得谱图与A TR 谱图比较。3、漫反射谱的测定(1将漫反射附件安装到红外光谱仪上

39、;(2将KBr粉末装入样品杯内,测定本底谱图;(3取3mg 氨基葡萄糖盐酸盐晶体放在研钵中,加相当量的KBr混均后,再增加KBr的量不断混均直至装满样品杯,测粗颗粒样品的谱图。(4取3mg氨基葡萄糖盐酸盐晶体放在研钵研磨后,加相当量的KBr混均后,再增加KBr的量不断混均直至装满样品杯,测细颗粒样品的谱图。五、数据处理1、样品透射谱及未知样品的定性分析(1将谱图通过基线校正、平滑及表峰后绘制出标有吸收峰的透射光谱图;(2选择正丁醇的透射光谱图,归属谱图中各峰;(3未知样品,通过谱图检索确定结构,列出主要吸收峰并指认归属。2、衰减全反射(ATR谱(1将所获得的ATR谱图进行ATR校正,给出校正前

40、后谱图,比较二者不同并归属主要吸收峰;(2ATR校正后的谱图与透射谱相比较。3、漫反射谱将所获得的粗细颗粒得到的谱图进行K-M校正,给出校正前后谱图,归属主要吸收峰并与KBr压片谱图进行比较。六、注意事项1、制样时,样品浓度要合适,最强谱峰的透光度在1-5%,基线在90-95%。2、压片法制样时颗粒粒度要研磨到2m左右,同时研磨时要在红外灯下操作,以免片样吸水。3、在漫反射测量中,卤化钾粉末研磨的粒径越小越好,因为卤化钾反射率与粒子尺寸有关,粒径的尺寸越小,测得的漫反射谱越好。七、思考题1、在KBr压片法测定的红外谱图中,测得的谱图基线倾斜,这可能的原因是什么?若谱图基线逐渐上升且有许多不对称

41、的吸收峰,这可能的原因又是什么?2、压片法、ATR法和漫反射法在制样和对样品的形态影响等方面有何区别?实验六 工作场所空气中铍及其化合物的荧光法测定 1 目的 1.1 荧光分光光度计计的基本组成结构、测试原理和使用方法 1.2 荧光激发与发射光谱图的测绘及最佳激发、发射波长的选择 2 原理 空气中铍及其化合物用微孔滤膜采集，消解后，铍离子与桑色素反应 生成黄绿色荧光络合物；测量荧光强度，进行定量。 3 仪器 3.1 微孔滤膜，孔径0.8µm。 3.2 采样夹，滤膜直径40mm。 3.3 小型塑料采样夹，滤膜直径25mm。 3.4 空气采样器，流量03L/min和010L/min。 3

42、.5 烧杯，50ml。 3.6 电热板或电砂浴。 3.7 离心管，5ml。 3.8 具塞比色管，10ml。 3.9 荧光分光光度计 仪器操作条件 激发光波长：415nm； 狭 狭 4 试剂 实验用水为去离子水，用酸为优级纯。 4.1 高氯酸，201.67g/ml。 4.2 硝酸，201.42g/ml。 4.3 盐酸，201.18g/ml。 4.4 消化液：取100ml 高氯酸，加入到900ml 硝酸中。 4.5 盐酸溶液，0.6mol/L：10ml 盐酸加水至200ml。 25 缝：10nm； 缝：8nm。 发射光波长：540nm； 4.6 盐酸溶液，2mol/L：10ml 盐酸加水稀释至60

43、ml。 4.7 氢氧化钠溶液，160g/L。 4.8 刚果红试纸，变色范围：pH3.05.2。 4.9 乙二胺四乙酸（EDTA）二钠溶液，10g/L。 4.10 桑色素溶液：称取0.05g 桑色素，溶于100ml 无水乙醇中。置棕色瓶 中于冰箱内保存；第二天开始使用，可稳定两个月；临用前，用无水乙醇 稀释10倍。 4.11 缓冲液：8g 氢氧化钠和6.2g 硼酸溶于水，稀释至100ml。 4.12 标准溶液：称取0.1968g 硫酸铍(BeSO4·4H2O，用20ml 水溶解，加入 5ml 盐酸，定量转移入100ml 容量瓶中，用水稀释至刻度。此溶液为 100µg/ml 铍标准贮备液。 临用前， 用0.6mol/L盐酸溶液稀释成0.01µg/ml 铍 标准溶液；或用国家认可的标准溶液配制。 样品的采集、 5 样品的采集、运输和保存 5.1 短时间采样：在采样点，将装好微孔滤膜的采