仪器分析及其实验技术 讲义提纲 1引言 1.1光分析 1.1.1光的性质和光谱仪器的分类 光谱方法:基于测量辐射的波长和强度,每一个参数值对应于每一组分色,所记录的辐射值。 利用电磁辐射的本质,有:分子光谱、原子光谱法。根据辐射能传递方式,分为发射光谱 吸收光谱、荧光光谱、拉曼光谱等。 非光谱方法:利用电磁辐射与物质的相互作用,引起电磁辐射在方向上的改变,或物理性质 的变化,有:折射、反射、散射、干涉、衍射、偏振 光波、波长、频率、能量与光谱仪器的关系 能量100-1Mev1Kev-104cm12500033cm-1-1cm-1 波长<14nm 13.6-400nm 400-800nm 800-4.6×105mm>46×105nm 光区X射线紫外 可见 红外 微波、射频 仪器X光谱仪紫外光谱仪 可见光谱仪 红外光谱仪 核磁共振谱仪 跃迁电子间跃迁外电子跃迁外电子跃迁分子振动 分子转动和自旋 光的物理性质和光谱仪器的关系 原子光谱 分子光谱 发射光谱发射光谱仪、 ICP-AES、原子荧光荧光、磷光、化学发光 吸收光谱 原子吸收 紫外可见、红外、拉曼 1.12光谱仪器框图 光源—被测物质—单色仪—信号接收—处理 1.1.3定性分析和定量分析依据 定性:波长 定量:光强 1.14有机四大谱 质谱、核磁共振、红外、紫外-可见 特别指出,质谱仪被列为光谱仪器,实为以质荷比为分析基础的仪器 12分离分析 色谱法也称之为色层法或层析法,利用混合物中各组份在两相间分配系数的差别,当两相做 相对移动时,各组份在两相间进行多次分配,从而使各组份得到分离。 1.2.1气相色谱
1 仪器分析及其实验技术 讲义提纲 1 引言 1.1 光分析 1.1. 1 光的性质和光谱仪器的分类 光谱方法：基于测量辐射的波长和强度，每一个参数值对应于每一组分色，所记录的辐射值。 利用电磁辐射的本质，有：分子光谱、原子光谱法。根据辐射能传递方式，分为发射光谱、 吸收光谱、荧光光谱、拉曼光谱等。 非光谱方法：利用电磁辐射与物质的相互作用，引起电磁辐射在方向上的改变，或物理性质 的变化，有：折射、反射、散射、干涉、衍射、偏振。 光波、波长、频率、能量与光谱仪器的关系 能量 100-1Mev 1Kev-104cm-1 25000-33 cm-1 -1cm-1 1cm-1 波长 14nm 13.6-400nm 400-800nm 800-4.6105nm 4.6105nm 光区 X 射线 紫外 可见 红外 微波、射频 仪器 X 光谱仪 紫外光谱仪 可见光谱仪 红外光谱仪 核磁共振谱仪 跃迁 电子间跃迁 外电子跃迁 外电子跃迁 分子振动 分子转动和自旋 光的物理性质和光谱仪器的关系 原子光谱 分子光谱 发射光谱 发射光谱仪、ICP-AES、原子荧光 荧光、磷光、化学发光 吸收光谱 原子吸收 紫外-可见、红外、拉曼 1.1.2 光谱仪器框图 光源 被测物质 单色仪 信号接收 处理 1.1.3 定性分析和定量分析依据 定性：波长 定量：光强 1.1.4 有机四大谱 质谱、核磁共振、红外、紫外-可见 特别指出，质谱仪被列为光谱仪器，实为以质荷比为分析基础的仪器。 1.2 分离分析 色谱法也称之为色层法或层析法，利用混合物中各组份在两相间分配系数的差别，当两相做 相对移动时，各组份在两相间进行多次分配，从而使各组份得到分离。 1.2.1 气相色谱
物质以气态被分离,流动相为气体。 22液相色谱 物质以液态被分离,流动相为液体。 123高效毛细管电泳 与液相色谱相辅 124其他色谱方法 纸色谱、薄层色谱、凝胶色谱、超临界流体色谱 2.5定性定量分析依据 定性:保留时间或特效检出 定量:峰高或峰面积 1.3电分析 电分析法通过电化学体系在特定条件下,电势、电流、电容及阻抗的变化来研究电化学体系 的特征、浓度、温度、反应速度等。 1.3.1电化学基本概念 原电池 13.2电分析仪器的分类 A电势法,在电流约为零下测电势,包括:电位测定法和电位滴定法 B库仑法,测量电解电量,包括:恒电流库仑法、恒电势库仑法和电重量法 C伏安法,恒变电位测电流,包括:极谱法和伏安法 D电导法:测电导 14联用技术 14.1分离仪器-特效检测器的联用 色谱质谱联用:GC-MS、LC-M 色谱红外光谱联用:GC-FTR 色谱-原子光谱联用:LC-AAS 142自动化系统与分离、检测系统联用 自动进样器 流动注射分析仪 143计算机的应用 自动化系统的控制 数据采集和处理 专家系统和数据库 2
2 物质以气态被分离，流动相为气体。 1.2.2 液相色谱 物质以液态被分离，流动相为液体。 1.2.3 高效毛细管电泳 与液相色谱相辅 1.2.4 其他色谱方法 纸色谱、薄层色谱、凝胶色谱、超临界流体色谱 1.2.5 定性定量分析依据 定性：保留时间或特效检出 定量：峰高或峰面积 1.3 电分析 电分析法通过电化学体系在特定条件下，电势、电流、电容及阻抗的变化来研究电化学体系 的特征、浓度、温度、反应速度等。 1.3.1 电化学基本概念 原电池 1.3.2 电分析仪器的分类 A 电势法，在电流约为零下测电势，包括：电位测定法和电位滴定法 B 库仑法，测量电解电量，包括：恒电流库仑法、恒电势库仑法和电重量法 C 伏安法，恒变电位测电流，包括：极谱法和伏安法 D 电导法：测电导 1.4 联用技术 1.4.1 分离仪器-特效检测器的联用 色谱-质谱联用：GC-MS、LC-MS 色谱-红外光谱联用：GC-FTIR 色谱-原子光谱联用：LC-AAS 1.4.2 自动化系统与分离、检测系统联用 自动进样器 流动注射分析仪 1.4.3 计算机的应用 自动化系统的控制 数据采集和处理 专家系统和数据库
2分光光度法(UvvS) 产生于价电子在电子能级间跃迁的光谱称紫外可见光谱 2.1有机化合物的电子光谱 能吸收UV-ⅥS的原子团或结构系统 本身不吸收,但使生色团的吸收峰向长波方向移动,并增加其吸收强度 红移:某些化合物经取代反应引入含有未共享电子对的基团后,吸收的最大波长向长波移动 这种效应称红移效应,这些基团称向红团 兰移:某些发色团的碳原子端引入一些取代基后,吸收的最大波长向短波方向移动。这种效 应称兰移效应,这些基团称向兰团。 能产生UVⅥS光谱的电子类型 A、形成单键的G电子一原子中的S、Px B、形成双键的π电子一原子中的Py、Pz电子 C、未成键的n电子一原子中的孤对电子 主要讨论的跃迁类型 远紫外一近紫外区 nn元 π*近紫外一可见光区 π*近紫外一可见光区 D、电荷转移跃迁近紫外一可见光区 内氧化一还原过程,使波长增长 配位体场吸收(d—d跃迁)可见光区 22光的吸收定律 朗伯定律A= loglo/lt=KL 当入射光强度和溶液浓度一定时,溶液的吸光度与溶液的厚度成正比。 比尔定律A=cbc(A=abc) 当入射光强度和溶液层厚度一定时,溶液的吸光度与溶液的浓度成j 2.3分光光度计 光源—单色仪一吸收池一检测器 读出 2.3.1光源 A、白炽光源:钨灯、碘钨灯波长:320-2500nm B、气体放电光源:氢灯、氘灯波长:200-350nm 232单色器 射狭缝、出射狭缝,各种透镜或反射镜,控制带宽 色散元件:棱镜或光栅,使不同波长的光以不同角度传播 光栅原理: A、衍射角与入射波长有关
3 2 分光光度法（UV-VIS） 产生于价电子在电子能级间跃迁的光谱称紫外-可见光谱 2.1 有机化合物的电子光谱 生色团：能吸收 UV-VIS 的原子团或结构系统 助色团：本身不吸收，但使生色团的吸收峰向长波方向移动，并增加其吸收强度 红移：某些化合物经取代反应引入含有未共享电子对的基团后，吸收的最大波长向长波移动， 这种效应称红移效应，这些基团称向红团。 兰移；某些发色团的碳原子端引入一些取代基后，吸收的最大波长向短波方向移动。这种效 应称兰移效应，这些基团称向兰团。 能产生 UV-VIS 光谱的电子类型 A、 形成单键的电子—-原子中的 S、Px B、 形成双键的电子—-原子中的 Py、Pz 电子 C、 未成键的 n 电子—-原子中的孤对电子 主要讨论的跃迁类型 A、 n * 远紫外—近紫外区 B、 n * 近紫外—可见光区 C、 * 近紫外—可见光区 D、电荷转移跃迁 近紫外—可见光区 内氧化—还原过程，使波长增长 E、配位体场吸收（d d 跃迁） 可见光区 2.2 光的吸收定律 朗伯定律 A = logI0 /It = KL 当入射光强度和溶液浓度一定时，溶液的吸光度与溶液的厚度成正比。 比尔定律 A = bc (A = abc) 当入射光强度和溶液层厚度一定时，溶液的吸光度与溶液的浓度成正比。 2.3 分光光度计 光源 单色仪 吸收池 检测器 读出 2.3.1 光源 A、白炽光源：钨灯、碘钨灯 波长：320-2500nm B、气体放电光源：氢灯、氘灯 波长：200-350nm 2.3.2 单色器 入射狭缝、出射狭缝，各种透镜或反射镜，控制带宽 色散元件：棱镜或光栅，使不同波长的光以不同角度传播 光栅原理： A、 衍射角与入射波长有关
B、分辨率与光栅刻度成正比 C、亮度随光栅上的总条纹数增加而增加 闪耀光栅:利用光栅槽面的平面反射作用,使衍射光集中到某一角度范围内,因而在某一角 度观察时,可得到特别明亮的光谱。适当选择线角度,可使闪耀角定向到所需的光域。 233吸收池 比色皿,玻璃(可见)、石英(可见、紫外) 234检测器 将光信号转化成电信号 光电管,光电倍增管,光伏电池 235读出系统 百分透光率T%,吸光度A 24定量分析 A=ebc ε值小时,须使被测物质与显色剂生成颜色较深的有色物质而进行测定。显色剂多为络合剂。 方法: A、标准曲线法 B、多组分混合物的同时测定 C、差示分光光度法 2.5实验技术 A、吸收波长的选择:绘制吸收光谱图 B、比尔定律的范围:A=0.2-0.8为佳,测量误差小 C、吸收池的校正。同一组池相互间的吸光度差值<0.5% 仪器的调整:波长的校正 D、试样的处理、显色 混浊溶液引起散射,正偏差,须过滤或离心 仪器操作 3荧光光度法 分子荧光:分子价电子跃迁 原子荧光:原子外层电子跃迁 X一荧光:原子内层电子跃迁 3.1荧光的产生 分子在辐射能的照射下,电子跃迁至单重激发态,并以无辐射弛豫方式回到第一单重激发态 的最低振动能级,由此再跃回基态或基态中其它振动能级时所发出的光 基态和激发态 单重态和三重态:单重态的分子具有抗磁性,三重态的分子有顺磁性 跃迁分为:辐射跃迁(光)和无辐射跃迁(热) 必要条件: A、有吸收结构
4 B、 分辨率与光栅刻度成正比 C、 亮度随光栅上的总条纹数增加而增加 闪耀光栅：利用光栅槽面的平面反射作用，使衍射光集中到某一角度范围内，因而在某一角 度观察时，可得到特别明亮的光谱。适当选择线角度，可使闪耀角定向到所需的光域。 2.3.3 吸收池 比色皿，玻璃（可见）、石英（可见、紫外） 2.3.4 检测器 将光信号转化成电信号 光电管，光电倍增管，光伏电池 2.3.5 读出系统 百分透光率 T%，吸光度 A 2.4 定量分析 A = bc 值小时，须使被测物质与显色剂生成颜色较深的有色物质而进行测定。显色剂多为络合剂。 方法： A、 标准曲线法 B、 多组分混合物的同时测定 C、 差示分光光度法 2.5 实验技术 A、 吸收波长的选择：绘制吸收光谱图 B、 比尔定律的范围：A = 0.2-0.8 为佳，测量误差小 C、 吸收池的校正。同一组池相互间的吸光度差值0.5% 仪器的调整：波长的校正 D、 试样的处理、显色 混浊溶液引起散射，正偏差，须过滤或离心 E、仪器操作 3 荧光光度法 分子荧光：分子价电子跃迁 原子荧光：原子外层电子跃迁 X—荧光：原子内层电子跃迁 3.1 荧光的产生 分子在辐射能的照射下，电子跃迁至单重激发态，并以无辐射弛豫方式回到第一单重激发态 的最低振动能级，由此再跃回基态或基态中其它振动能级时所发出的光。 基态和激发态 单重态和三重态：单重态的分子具有抗磁性，三重态的分子有顺磁性 跃迁分为：辐射跃迁（光）和无辐射跃迁（热） 必要条件： A、 有吸收结构
B、入射光频率=特征频率 C、有高的荧光效率 3.2荧光光谱曲线 激发光谱:固定发射波长,改变激发波长,测荧光强度和激发光波长的关系 荧光光谱:固定激发波长为最大激发波长处,测不同波长时的荧光强度 选择合适的激发波长(根据物质激发光谱曲线来确定),固定激发光波长,然后测定不同波长 时所发射的荧光强度 33荧光的影响因素 A、荧光效率(量子产率)φ 小9=发射荧光的分子数/激发分子总数 分子结构 是否有共轭双键体系,共轭高,荧光效率高 是否有刚性平面结构,刚性平面使荧光效率高 取代基类型,给电子基团使荧光增强,吸电子基团使荧光减弱 C、溶剂的影响 增大溶剂的极性使荧光增强 含重原子的溶剂( e.g. CBr4)使荧光减弱 D、荧光猝灭 激发分子与溶剂分子或其它溶质分子的相互作用,使能量转移,荧光强度减弱甚至消失 E、温度影响 温度上升,荧光减弱 34定量分析 F=pKlOCL =KCL q莢光效率,K:仪器常数,C:浓度,lo:吸收光强 分光法与荧光法定量比较 UVS分光法 荧光法 定量基础 A=lglo/l F∝C 两个较大信号o和I的微小差别叠加在很小背景值上的荧光信号 灵敏度 与ε有关 与qE有关 检测限 10-6-10 3.5荧光光度计 与UVVS的两个差异 A、90°角接收光信号—一去除透射 B、两个单色器(激发单色器、发射单色器)—去除杂散光
5 B、 入射光频率=特征频率 C、 有高的荧光效率 3.2 荧光光谱曲线 激发光谱：固定发射波长，改变激发波长，测荧光强度和激发光波长的关系。 荧光光谱：固定激发波长为最大激发波长处，测不同波长时的荧光强度。 选择合适的激发波长（根据物质激发光谱曲线来确定），固定激发光波长，然后测定不同波长 时所发射的荧光强度 3.3 荧光的影响因素 A、荧光效率（量子产率） = 发射荧光的分子数 / 激发分子总数 B、分子结构 是否有共轭双键体系，共轭高，荧光效率高 是否有刚性平面结构，刚性平面使荧光效率高 取代基类型，给电子基团使荧光增强，吸电子基团使荧光减弱 C、溶剂的影响 增大溶剂的极性使荧光增强 含重原子的溶剂（e.g. CBr4）使荧光减弱 D、荧光猝灭 激发分子与溶剂分子或其它溶质分子的相互作用，使能量转移，荧光强度减弱甚至消失 E、温度影响 温度上升，荧光减弱 3.4 定量分析 F = KI0CL = K’CL :荧光效率，K：仪器常数，C：浓度，I0：吸收光强 分光法与荧光法定量比较 UV-VIS 分光法 荧光法 定量基础 A = lgI0 /I F C 两个较大信号 I0 和 I 的微小差别 叠加在很小背景值上的荧光信号 灵敏度 与 有关 与 有关 检测限 10-6-10-9 10- 9-10- 12 3.5 荧光光度计 与 UV-VIS 的两个差异： A、 90角接收光信号——去除透射 B、两个单色器（激发单色器、发射单色器）——去除杂散光