环境监测分析方法仪器分析法

关于环境监测分析方法仪器分析法3.1光学分析法导论光学分析法是依据物质发射电磁辐射或物质与电磁辐射相互作用而建立起来的各种分析法的统称。一、光的基本性质光是一种电磁波,具有波粒二象性。

光的波动性可用周期T(s)、频率ע(Hz)、波长λ(nm)和波数σ（cm-1）等参数描述。

光的粒子性：光是由光子组成的，光子具有能量，其能量与频率或波长的关系为：

E=hv=h·c/λ第2页,共63页，2024年2月25日，星期天波谱区光学光谱区高能辐射区第3页,共63页，2024年2月25日，星期天

高能辐射区γ射线能量最高，来源于核能级跃迁

χ射线来自内层电子能级的跃迁光学光谱区紫外光来自原子和分子外层电子能级的跃迁可见光红外光来自分子振动和转动能级的跃迁波谱区微波来自分子转动能级及电子自旋能级跃迁无线电波来自原子核自旋能级的跃迁波长长第4页,共63页，2024年2月25日，星期天

1．光谱法：利用物质与电磁辐射作用时，物质内部发生量子化能级跃迁而产生的吸收、发射或散射辐射等电磁辐射的强度随波长变化的定性、定量析方法。吸收光谱法发射光谱法按能量交换方式分子光谱→带状光谱原子光谱→线状光谱按作用结果不同二、光学分析法分类光谱法和非光谱法第5页,共63页，2024年2月25日，星期天2．非光谱法：利用物质与电磁辐射的相互作用测定电磁辐射的反射、折射、干涉、衍射和偏振等基本性质变化的分析方法。分类：折射法、旋光法、比浊法、χ射线衍射法3．光谱法与非光谱法的区别光谱法：内部能级发生变化

原子吸收/发射光谱法：原子外层电子能级跃迁分子吸收/发射光谱法：分子外层电子能级跃迁非光谱法：内部能级不发生变化仅测定电磁辐射性质改变第6页,共63页，2024年2月25日，星期天发射光谱吸收光谱

例：γ-射线；荧光例：原子吸收光谱，分子吸收光谱第7页,共63页，2024年2月25日，星期天3.2光谱分析法3.2.2原子吸收光谱法3.2.1分光光度法第8页,共63页，2024年2月25日，星期天3.2.1学习要求1、了解分子对光的吸收与溶液颜色的关系。2、掌握分光光度法定性、定量分析的基础。3、熟悉朗伯-比尔定律各参数的物理意义。4、掌握吸收曲线与标准曲线的意义。4、了解目视比色法、分光光度法的特点，分光光度计的基本部件。5、熟悉分光光度法显色条件和测量条件的选择。6、了解分光光度法的应用。第9页,共63页，2024年2月25日，星期天3.2.1学习内容3.2.1.1概述3.2.1.2分光光度法的基本原理3.2.1.3分光光度计3.2.1.4显色反应及其条件的选择3.2.1.5分光光度法的应用第10页,共63页，2024年2月25日，星期天

一、物质的颜色───是其分子对不同波长的光选择性吸收而产生。

颜色与吸收光之间的关系红650～760绿蓝橙610～650蓝黄580～610紫黄绿560～580红紫绿500～560红蓝绿490～500橙绿蓝480～490黄蓝450～480黄绿紫400～450互补光颜色

/nm蓝绿互补色光和各种颜色光的波长范围，可供光度测定时选择测量波长参考。

3.2.1.1概述第11页,共63页，2024年2月25日，星期天溶液的颜色与光吸收的关系完全吸收完全透过吸收黄色光光谱示意表观现象示意复合光第12页,共63页，2024年2月25日，星期天

吸收光谱曲线或光吸收曲线：测定某种物质对不同波长单色光的吸收程度，以波长为横坐标，吸光度为纵坐标作图。KMnO4

的吸收曲线最大吸收波长，

maxKMnO4溶液对525nm附近绿色光吸收最强，而对紫色和红色吸收很弱。浓度不同时，

max相同；波长不同时，吸光度不同。二、光吸收曲线（A～λ）第13页,共63页，2024年2月25日，星期天300400500600700

/nm350525545Cr2O72-MnO4-1.00.80.60.40.2Absorbance350Cr2O72-、MnO4-的吸收曲线第14页,共63页，2024年2月25日，星期天小结：（1）同一种物质对不同波长的光吸收程度不同。吸光度最大处对应的波长称为最大吸收波长λmax

。

吸收曲线是定量分析中选择入射光波长的重要依据。（2）同一种物质浓度不同，其吸收曲线形状相似λmax不变。在λmax处，吸光度A正比于浓度C，测定最灵敏。（3）不同物质吸收曲线的特性不同。吸收曲线的特性包括曲线的形状、峰的数目、峰的位置和峰的强度等。它们与物质特性有关，吸收曲线可以提供物质的结构信息，并作为物质定性分析的依据之一。第15页,共63页，2024年2月25日，星期天

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。三、比色法与分光光度法比较比较颜色的深浅来测定物质的浓度，也称目视比色法。使用光电比色计（分光光度计）测量有色溶液对入射光的吸光程度以进行分析的方法，又称光电比色法。分光光度法的特点：①灵敏、准确、快速及选择性好②检测浓度下限：10-5－10-6

mol/L。③检测相对误差：2%－5%。第16页,共63页，2024年2月25日，星期天当一束平行单色光，通过一均匀的溶液后，光的强度会减弱。I0=Ia+It入射光强度吸收光强度透过光强度3.3.1.2分光光度法的基本原理一、透射比与吸光度第17页,共63页，2024年2月25日，星期天透光度T

（透射比）Transmittance定义透光度：T取值为0.0~1.0全部吸收~~~~全部透射

A=lg(1/T)=-lgT吸光度A

(Absorbance）A取值为0.0~∞全部透射~~~全部吸收二者关系为：定义吸光度：第18页,共63页，2024年2月25日，星期天二、朗伯-比尔定律

朗伯（LambertJH)和比尔(BeerA)分别于1760年和1852年研究了光的吸收与溶液液层厚度及溶液浓度的定量关系（入射光波长保持不变），二者结合称为朗伯-比尔定律。当一束平行单色光通过含有吸光物质的稀溶液时，溶液的吸光度与吸光物质浓度、液层厚度乘积成正比。朗伯-比尔定律吸光光度法定量分析的理论基础！第19页,共63页，2024年2月25日，星期天朗伯-比尔定律的数学表达式为：A=lg(I0/It)=Kbc吸光物质浓度吸收层厚度(cm)吸光度式中比例常数K与吸光物质的本性，入射光波长及温度等因素有关。c为吸光物质浓度，b为透光液层厚度。第20页,共63页，2024年2月25日，星期天朗伯-比尔定律的应用条件

朗伯-比尔定律不仅适用于紫外光、可见光，也适用红外光；在同一波长下，各组分吸光度具有加和性：

A=A1+A2++An

吸光度的“加和性”使用条件：

（1）入射光必须为单色光（2）被测样品必须是均匀介质（3）在吸收过程中吸收物质之间不能发生相互作用。

第21页,共63页，2024年2月25日，星期天

配制一系列不同浓度的标准溶液，在选择的实验条件下显色，分别测定其吸光度，然后以标准溶液中待测组分的含量为横坐标，吸光度为纵坐标，可得到一条通过原点曲线，称为标准曲线。三、标准曲线（A～c）通常液层厚度是相同的，按照朗伯-比尔定律，标准曲线应该是一条通过直角坐标原点的直线。但在实际工作中，往往会偏离线性而发生弯曲。第22页,共63页，2024年2月25日，星期天影响标准曲线弯曲的原因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。

1、非单色光第23页,共63页，2024年2月25日，星期天朗伯-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。2、化学因素第24页,共63页，2024年2月25日，星期天一、光度计基本部件：光源、单色器、吸收池(参比池)、检测系统、显示装置。3.2.1.3分光光度计第25页,共63页，2024年2月25日，星期天光源：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。单色器：包括狭缝、准直镜、色散元件棱镜——对不同波长的光折射率不同色散元件分出光波长不等距光栅——衍射和干涉分出光波长等距钨灯或卤钨灯——可见光源350~1000nm氢灯或氘灯——紫外光源180~375nm第26页,共63页，2024年2月25日，星期天吸收池：

玻璃——能吸收UV光，仅适用于可见光区石英——不吸收紫外光，适用于紫外和可见光区要求：匹配性（对光的吸收和反射应一致）检测器：将光信号转变为电信号的装置光电池光电管光电倍增管二极管阵列检测器第27页,共63页，2024年2月25日，星期天指示器吸光度与透光率标度第28页,共63页，2024年2月25日，星期天二、分光光度计类型

1、单光束分光光度计特点：使用时来回拉动吸收池→移动误差对光源要求高比色池配对第29页,共63页，2024年2月25日，星期天2、双光束分光光度计

特点：不用拉动吸收池，可以减小移动误差；对光源要求不高；可以自动扫描吸收光谱

第30页,共63页，2024年2月25日，星期天3、双波长分光光度计特点：利用吸光度差值定量；消除干扰和吸收池不匹配引起的误差第31页,共63页，2024年2月25日，星期天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。3.2.1.4显色反应及其条件的选择一、对显色反应的要求①选择性好，干扰少，或干扰容易消除；②有色化合物的组成要恒定，化学性质要稳定，不易被空气所氧化或被日光照射分解；③有色化合物和显色剂之间的颜色差别要大；④显色条件易于控制，以便提高重现性和方法的精密度。第32页,共63页，2024年2月25日，星期天二、显色剂的分类无机显色剂（形成的化合物不够稳定、灵敏度和选择性不高。）有机显色剂

（助色团)发色团(生色团)指某些含不饱和键的基团，如偶氮基、对醌基和羰基等，这些基团可以吸收可见光而表现出颜色。指某些含孤对电子的基团，如氨基、羟基和卤代基等，这些基团与生色团的不饱和键相互作用，可以影响生色团对光的吸收，使颜色加深。第33页,共63页，2024年2月25日，星期天

偶氮砷类显色剂三苯甲烷类显色剂第34页,共63页，2024年2月25日，星期天三、显色条件的选择显色反应的一般通式为：吸光度与显色剂浓度的关系1、显色剂用量第35页,共63页，2024年2月25日，星期天2、溶液的酸度3、显色温度4、显色时间5、溶剂

6、干扰及其消除

酸度等因素对吸光度的影响pH、T、t第36页,共63页，2024年2月25日，星期天1、入射光波长的选择四、测量条件的选择一般控制标准溶液和待测溶液的吸光度在0.2～0.8范围内，此时浓度测量的相对误差较小。（1）最大吸收原则；（2）吸收最大，干扰最小。

2、吸光度范围的选择第37页,共63页，2024年2月25日，星期天3、参比溶液的选择原则(1)当试液及显色剂均无色时，可用蒸馏水作参比溶液；（纯溶剂)

(2)显色剂为无色，而被测试液中存在其他有色离子，可用不加显色剂的被测试液作为参比溶液；（试样溶液）(3)显色剂有颜色，可用不加试样溶液的试剂空白作为参比溶液；（空白溶液）(4)显色剂和试样均有颜色，可将一份试液中的待测组分掩蔽起来，再按条件加入显色剂和其他试剂，以此作为参比溶液；（试样溶液加掩蔽剂再加显色剂）(5)改变加入试样的顺序，使被测组分不发生显色反应，以此溶液作为参比溶液来消除干扰。第38页,共63页，2024年2月25日，星期天一、高含量组分的测定：示差法

示差法标尺扩大原理3.2.1.5分光光度法的应用

示差法测定试液浓度Cx时，首先使用浓度稍低于试液的标准溶液Cs作参比溶液调节仪器透光度读数为100％(A=0)，然后测定试液的吸光度，该吸光度称为相对吸光度Ar，对应的透光度称为相对透光度Tr。如果用普通光度法以纯溶剂或空白作参比溶液，测得试液及标准液的吸光度分别为Ax及As，对应的透光度为Tx及Ts，则根据比耳定律得：第39页,共63页，2024年2月25日，星期天原理：使两束不同波长的单色光以一定的时间间隔交替地照射同一吸收池，测量并记录两者吸光度的差值。这样可以从分析波长的信号中扣除来自参比信号的波长，消除各种干扰，得待测组分的含量。双波长分光光度法原理示意图二、双波长分光光度法ΔA=Aλ1-Aλ2=(ελ1-ελ1)bc第40页,共63页，2024年2月25日，星期天三、光度滴定法光电比色计来进行的。测定滴定过程中溶液的吸光度，并绘制滴定剂体积和对应的吸光度的曲线以确定滴定终点。

0.1mol/LEDTA滴定0.002mol/LBi3+和Cu2+吸光度的变化光度测量可用来确定滴定的终点。光度滴定通常都是用经过改装的在光路中可插人滴定容器的分光光度计或EDTA滴定Bi3+和Cu2+：745nm，Bi3+和EDTA无吸收。第41页,共63页，2024年2月25日，星期天四、配合物组成的测定配合物的反应通式

M+nLMLn配合物的摩尔比法示意图第42页,共63页，2024年2月25日，星期天3.2.2学习要求1、了解原子吸收光谱法的定义和特点。2、掌握原子吸收光谱的基本原理。3、熟悉原子吸收分光光度计的构造。4、熟悉原子吸收光谱法测定条件的选择。5、掌握原子吸收光谱法的定量分析方法。第43页,共63页，2024年2月25日，星期天3.2.2学习内容3.2.2.1概述3.2.2.2原子吸收光谱法的基本原理3.2.2.3原子吸收分光光度计3.2.2.4原子吸收光谱法测定条件的选择3.2.1.5原子吸收光谱法定量测定方法第44页,共63页，2024年2月25日，星期天3.2.2.2概述一、原子吸收光谱法的定义

原子吸收光谱法又称原子吸收分光光度法，简称原子吸收分析法。它是基于从光源辐射出具有待测元素特征谱线的光，通过试样蒸气时被蒸气中待测元素基态原子所吸收，由辐射特征谱线光被减弱的程度来测定试样中待测元素含量的方法。──基于待测元素的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。第45页,共63页，2024年2月25日，星期天

2、原子吸收光谱法的特点灵敏度高，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。

第46页,共63页，2024年2月25日，星期天3.2.2.2原子吸收分光光度法的基本原理共振线

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。第47页,共63页，2024年2月25日，星期天

从微观的角度考虑：在原子化过程中，待测元素的原子不可能全部是基态原子，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玻兹曼方程式原子光谱中，对一定波长的谱线，Pj/P0和Ej（激发能）都是已知值，因此只要火焰温度T确定，就可求得Nj/N0值。第48页,共63页，2024年2月25日，星期天实际分析中，要求测定的是试样中待测元素的浓度，而此浓度是与待测元素吸收辐射的原子总数成正比的，因此在一定浓度范围和一定火焰宽度L的情况下有A=kNL=Kc比尔定律上式表明在定实验条件下，吸光度与浓度呈正比关系。原子吸收光谱的定量基础！第49页,共63页，2024年2月25日，星期天3.2.2.3原子吸收分光光度计

原子吸收分光光度计结构示意图一、原子吸收分光光度计组成一般由光源、原子化系统、光学系统及检测系统组成。第50页,共63页，2024年2月25日，星期天光源－空心阴极灯的原理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。第51页,共63页，2024年2月25日，星期天原子化系统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第52页,共63页，2024年2月25日，星期天火焰原子化系统石墨炉原子化系统日立Z-5000原子吸收分光光度计第53页,共63页，2024年2月25日，星期天火焰原子化系统

火焰原子化系统包括雾化和燃烧两个部分。同心雾化器示意图燃烧器示意图

第54页,共63页，2024年2月25日，星期天非火焰原子化装置石墨炉原子化装置示意图特点：①测定灵敏度高，其检出极限可达10-12g；②试样用量少；可测定粘稠和固体试样。第55页,共63页，2024年2月25日，星期天日立Z-5000原子吸收分光光度计结构示意图光源原子化系统光学系统检测系统第56页,共63页，2024年2月25日，星期天分光系统和检测系统分光系统组成：主要由色散元件、