大学仪器分析复习课件.docx

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大学仪器分析复习课件

第一章绪论

第一节仪器分析与化学分析

分析化学是人们用来认识、解剖自然的重要手段之一；分析化学是研究获取物质的组成、含量、结构等方面的信息及其相关理论的科学。

分析化学是化学中的信息科学。

分析化学的发展过程是人们从化学的角度认识世界、解释世界的过程。

仪器分析是分析化学的发展方向。

仪器分析与化学分析相比的特点：

1、灵敏度高。

适用于微量、痕量和超痕量成分的测定。

2、选择性好。

可以选择或调整测定条件，使共存组分测定时互不干扰。

3、操作简便，分析速度快，自动化程度高。

4、样品用量少，应用范围广泛。

5、化学分析需要在溶液中进行，仪器分析可以在物质原始状态下分析。

缺点：

•相对误差较化学分析误差高，达3-5%，不适合常量和高含量分析；

•需要结构复杂的分析仪器，分析成本较高。

仪器分析包括光学分析法、电化学分析法、热分析法、分析仪器联用技术、质谱分析法、色谱分析法

光学分析法：

红外光谱法、核磁共振法、分子磷光法、分子荧光法、紫外可见光谱法；原子吸收法、原子发射法、原子荧光法

色谱分析法：

薄层色谱法，激光色谱法，电色谱法，液相色谱法，气相色谱法，超临界色谱法

第三节仪器分析应用领域

社会：

体育（兴奋剂）、生活产品质量（农药残留、食品添加剂）、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；水质分析。

材料科学：

新材料的结构与性能；

药物：

天然药物的有效成分与结构，构效关系研究。

仪器分析的发展方向：

微型，高效，自动，智能

第二章光学分析法导论

光学分析法：

基于电磁辐射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。

可分为光谱法和非光谱法两大类。

光谱法：

测量光与物质相互作用时由物质内部量子化能级跃迁而产生的发射、吸收或辐射的波长和强度来进行分析的方法。

非光谱法：

基于光与物质相互作用时所产生的折射、散射、干涉等变化的分析方法。

第一节电磁辐射的基本性质

电磁辐射是一种以极大的速度通过空间，不需要任何物质作为传播媒介的能量。

电磁辐射范围：

射线～无线电波所有范围；但是射线、X射线以及微波和射频辐射很少被人们所认识，用的较少。

一、电磁辐射的基本性质

电磁辐射（电磁波）：

以接近光速（真空中为光速）传播的能量；电磁辐射具有波动性和微粒性

C=λ*v=v/σ

E=h*v=hc/λ

c：

光速，2.997×1010cm·s-1；λ：

波长,m,cm,μm,nm,Ǻ；

1m=102cm=106μm=109nm=1010Ǻ

ν：

频率,Hz；σ：

波数,cm-1；E：

能量,J,ev,

1ev=1.602×10-19J；h：

普朗克常数,6.626×10-34J·s

例1、计算下列辐射的频率（Hz）和波数（cm-1）

1）0.25cm的微波束2）324.7nm铜的发射线

解：

1）ν＝c/λ=3×1010/0.25=1.2×1011（Hz）σ=1/λ=1/0.25=4.0（cm-1）

2）324.7nm=3.247×10-5cmν＝c/λ=3×1010/（3.247×10-5）=9.24×1014（Hz）

σ=1/λ=3.1×104（cm-1）

例2、计算频率为4.47×1014Hz的可见光波长（cm为单位）。

解：

λ＝c/ν=3×1010/（4.47×1014）=6.711×10-5（cm）

例3、计算5889.95Ǻ的Na线相应的能量是多少电子伏特。

解：

E=hν=hc/λ＝6.626×10-34×3×1010/（5889.95×10-8）=3.374×10-19（J）（3.374×10-19）/（1.602×10-19）=2.11（ev）

第二节光与物质的相互作用

（1）吸收物质选择性吸收特定频率的辐射能，并从低能级跃迁到高能级；

（2）发射将吸收的能量以光的形式释放出；

（3）透射光通过透明介质时传播速度发生变化而频率不变；

（4）散射光通过不均匀介质时，一部分光改变了传播方向；

（5）折射折射是光在两种介质中的传播速度不同；光前进方向发生变化。

（6）反射以与入射角相同的角度将光反射出去

（7）干涉频率相同、周相相等或相差恒定的波相互叠加；

（8）衍射光绕过物体而弯曲地向其后面传播的现象；

第三节光谱产生原理及光谱法分类

三个基本过程：

（1）能源提供能量；

（2）能量与被测物之间的相互作用；（3）产生信号。

三个基本特点：

（1）所有光分析法均包含三个基本过程；

（2）选择性测量，不涉及混合物分离（3）涉及大量光学元器件。

一、光谱产生的原理

1.物质的能态原子、离子分子

2.电磁辐射的吸收与发射

A.原子光谱线光谱Linespectra

B.分子光谱带光谱Bandspectra有机、无机分子

二、光谱法分类

按光谱产生方式：

吸收光谱：

将频率一定电磁辐射通过一层固体、液体或气体物质，而电磁波的能量正好等于物质的基态和某一激发态之间的能量时，物质就会吸收辐射。

由于不同物质其跃迁的能级差不同，所以对吸收频率的研究可提供一种表征物质试样组成的方法。

以吸光度对波长或频率作图，得吸收光谱图。

发射光谱：

当受激粒子弛豫回到低能级或基态时，常常以光子形式释放多余的能量，产生电磁辐射，以该辐射的相对强度对波长或频率作图，得发射光谱图。

按产生光谱的物质类型：

按光谱的性质和形状：

原子光谱（线光谱）：

由一系列有确定峰位的锐线组成，它是激发单个气态原子所产生。

可以利用的四种：

基于原子外层电子跃迁的原子吸收光谱（AAS）；原子发射光谱（AES）、原子荧光光谱（AFS）；

基于原子内层电子跃迁的X射线荧光光谱（XFS）；

分子光谱（带状光谱）：

由几组线光谱组成，由于他们排列紧密，以至于仪器不能分辨它们。

基于分子中电子能级、振－转能级跃迁；

紫外光谱法（UV）；分子荧光光谱法（MFS）；

红外光谱法（IR）；分子磷光光谱法（MPS）；

连续光谱：

固体被加热至炽热会发射连续光谱。

光谱分析法：

1原子光谱法：

原子发射，原子吸收，原子应该，X射线荧光

2分子光谱法：

紫外可见，红外光谱，分子荧光，分子磷光，核磁共振，化学发光

3吸收光谱法：

原子吸收，紫外可见，红外光谱，核磁共振

4发射光谱法：

原子发射，原子荧光，分子荧光，X射线荧光，化学发光

第三章紫外－可见光谱法

基于物质对200-800nm光谱区辐射的吸收特性而建立起来的分析测定方法称为紫外-可见吸收光谱法或紫外-可见分光光度法。

它属于分子光谱法，是由于分子内电子跃迁而产生的光谱。

特点：

1）灵敏度高2）准确度较高3）仪器价格较低，操作简便、快速4）应用范围广

第一节紫外－可见光谱法的基本原理

一、紫外-可见吸收光谱

由分子中价电子能级跃迁产生。

分子具有三种不同能级：

电子能级、振动能级和转动能级。

三种能级都是量子化的，且各自具有相应的能量。

价电子跃迁的同时，伴随着核振动、分子自身转动能级的跃迁（带状光谱）。

波长范围：

100～800nm.

（1）远紫外光区:

100～200nm

（2）近紫外光区:

200～400nm（3）可见光区:

400～800nm

可用于结构鉴定和定量分析。

物质对光的选择性吸收及吸收曲线

E=E2－E1=h

量子化；选择性吸收

用不同波长的单色光照射，测吸光度；以A～作图，可得吸收曲线。

吸收曲线的讨论：

♥①同一种物质对不同波长光的吸光度不同。

吸光度最大处对应的波长称为最大吸收波长λmax

♥②同一种物质的不同浓度，其吸收曲线形状相同λmax不变。

而对于不同物质，它们的吸收曲线形状和λmax则不同。

♥③在λmax处吸光度随浓度变化的幅度最大，所以测定最灵敏。

吸收曲线是定量分析中选择入射光波长的重要依据。

二、紫外-可见吸收光谱与分子结构的关系

1、有机化合物的紫外可见吸收光谱

有机化合物的紫外-可见吸收光谱取决于分子中价电子分布和结合情况。

基态有机化合物的价电子：

σ电子、π电子、n电子

由电子对组成的共价键可分为σ键和π键，s轨道重叠组成σ键，p轨道重叠组成π键，一个成键轨道一定有一个相应的具有较高能量的反键轨道。

分子中没有参加成键的电子称为非键电子或电子.

分子轨道理论：

成键轨道－反键轨道。

当外层电子吸收紫外或可见辐射后，就从基态向激发态（反键轨道）跃迁。

主要涉及两种类型的电子跃迁：

1）成键轨道和反键轨道间的跃迁；2）非键电子激发到反键轨道的跃迁。

这四种跃迁所需能量ΔE大小顺序为：

n→π＊<π→π＊

在紫外-可见吸收光谱分析中，有机化合物的吸收光谱主要由n→π＊，π→π＊，n→σ＊及电荷转移跃迁产生。

σ→σ＊跃迁所需能量最大；σ电子只有吸收远紫外光的能量才能发生跃迁；饱和烷烃的分子吸收光谱出现在远紫外区；吸收波长λ＜200nm；例如甲烷的λmax＝125nm，乙烷的λmax＝135nm。

只能被真空紫外分光光度计检测到，因此常作为溶剂用。

n→σ＊跃迁

所需能量较大。

吸收波长为150～260nm，大部分在远紫外区，近紫外区仍不易观察到。

含非键电子的饱和烃衍生物（含N、O、S和卤素等杂原子）均呈现n→σ*跃迁。

π→π＊跃迁

它需要的能量低于*跃迁，吸收峰一般处于近紫外光区，在200nm左右，其特征是摩尔吸光系数大，一般max104，为强吸收带。

如乙烯（蒸气）的最大吸收波长max为162nm。

含有π电子的基团，如双键、叁键、羰基等都可发生π→π＊跃迁。

n→π＊跃迁

这类跃迁发生在近紫外光区。

它是简单的生色团如羰基、硝基等中的孤对电子向反键轨道跃迁。

其特点是谱带强度弱，摩尔吸光系数小，通常小于100，属于禁阻跃迁。

电荷转移跃迁

Ø某些分子同时具有电子给予体和电子接受体，它们在外来辐射的照射下会强烈吸收紫外光或可见光，使电子给予体轨道向接受体轨道跃迁，这种跃迁称为电荷转移跃迁。

Ø电荷转移跃迁产生的吸收光谱称电荷转移吸收光谱。

Ø电荷转移吸收带的特点是谱带较宽，吸收强度大，摩尔吸光系数可大于104L•mol-1•com-1。

2、常用术语

生色团：

最有用的紫外－可见光谱是由π→π＊和n→π＊跃迁产生的。

这两种跃迁均要求有机物分子中含有不饱和基团。

这类可以吸收光子而产生跃迁的原子基团称为生色团。

简单的生色团由双键或叁键体系组成，如乙烯基、偶氮基－N＝N－、羰基、乙炔基、腈基－CN≡等。

助色团：

有一些含有n电子的基团（如－OH、－OR、－NH２、—X等）,它们本身没有生色功能，但当它们与生色团相连时，就会发生n－π共轭作用，增强生色团的生色能力（最大吸收波长向长波方向移动，且吸收强度增加），这样的基团称为助色团。

吸收带

R带:

R带相当于n→π*跃迁所产生的吸收带。

含有杂

原子的不饱和基团，如-C=O、-N=N-、-NO、-NO2

特点：

（1）吸收较弱；

（2）波长较长，200-400nm。

K带:

由于共轭双键中π→π*跃迁所产生的吸收带称为K带。

特点：

（1）吸收强度大，摩尔吸光系数大（104-105之间）。

（2）波长在217-280nm之间。

（3）利用紫外吸收光谱是否有K吸收带，作为判断共

轭体系的重要依据。

E带和B带------芳香烃及其杂环化合物的吸收光谱

苯的吸收光谱：

E1带:

180184nm=47000

E2带:

200204nm=7000

苯环上三个共扼双键的→*跃迁特征吸收带；

有助色团,E2向长波移动,有生色团,E2与K合并,红移

B带:

230-270nm,=200→*与苯环振动引起；

是芳香族化合物的特征吸收，在极性溶剂中消失或变得不明显。

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λmax和吸收强度发生变化:

λmax向长波方向移动称为红移，向短波方向移动称为蓝移（或紫移）。

吸收强度即摩尔吸光系数ε增大或减小的现象分别称为增色效应或减色效应，如图所示

三、有机化合物的紫外-可见吸收光谱

1.饱和有机化合物

2.不饱和烃及共轭烯烃

3.羰基化合物

4.芳香族化合物

四、无机化合物的紫外-可见吸收光谱

一些无机物也产生紫外-可见吸收光谱，其跃迁类型包括p-d跃迁或称电荷转移跃迁以及d-d,f-f跃迁或称配场跃迁。

A.电荷转移跃迁（Chargetransfertransition）

一些同时具有电子给予体（配位体）和受体（金属离子）的无机分子，在吸收外来辐射时，电子从给予体跃迁至受体所产生的光谱。

max较大（104以上），可用于定量分析

B.配场跃迁（Ligandfieldtransition）

过渡元素的d或f轨道为简并轨道（Degenerationorbit），当与配位体配合时，轨道简并解除，d或f轨道发生能级分裂，如果轨道未充满，则低能量轨道上的电子吸收外来能量时，将会跃迁到高能量的d或f轨道，从而产生吸收光谱。

吸收系数max较小（102），很少用于定量分析；多用于研究配合物结构及其键合理论。

五、影响紫外-可见吸收光谱的因素

1）共轭效应

共轭效应使各级能量的能级间的能量差减小，跃迁时所需能量也相应减小，使吸收波长产生红移，吸收强度增加。

共轭不饱合度越多，红移越明显，吸收强度也随之增强。

2）溶剂效应

n－*跃迁产生的吸收峰，随溶剂极性增加，形成氢键的能力增加，发生蓝移；

由－*跃迁产生的吸收峰，随溶剂极性增加，发生红移。

随溶剂极性增加，吸收光谱变得平滑，精细结构消失。

3）助色效应

当助色团与发色团相连时，助色团的n电子发色团的电子共轭，使吸收峰向长波方向，吸收强度增强

4）超共轭效应

烷基上的电子与共轭体系中的电子共轭，使吸收峰向长波方向移动，吸收强度增强，这种键与键共轭引起现象称为超共轭。

超共轭效应的影响比共轭效应小得多。

5）空间效应

由于空间障碍，妨碍两个发色团处于同一个平面，共轭程度降低，使吸收峰向短波方向，吸收强度减弱。

6）pH值的影响：

如果化合物在不同的pH下存在不同的型体，则会产生红移或蓝移现象。

苯酚在酸性或中性水溶液中，有210.5nm及270nm两个吸收带；而在碱性溶液中，则分别红移到235nm和287nm（p-共轭）.

六、紫外-可见光谱法在有机化合物结构鉴定中的应用

1）比较法：

制作试样的吸收曲线并与标准紫外光谱对照

比较吸收光谱曲线的形状、吸收峰的数目及最大吸收波长的位置及相应的摩尔吸光系数。

标准谱图库：

46000种化合物紫外光谱的标准谱图。

2）利用Woodward-Fieser和Scott经验规则求最大吸收波长：

即当通过其它方法获得一系列可能的分子结构式后，可通过此类规则估算最大吸收波长并与实测值对比。

•Woodward-Fieser规则用于讲算共轭二烯、多烯烃及共轭烯酮类化合物跃迁的最大吸收波长。

•Scott规则用于计算芳香族羰基衍生物，如苯甲醛、苯甲酸、苯甲酸酯等在乙醇中的最大吸收波长。

第二节紫外-可见光谱法的定量分析方法

一、光谱学定量基础

（1）朗伯－比尔定律数学表达式

当一束平行单色光通过单一均匀的、非散射的吸光物质稀溶液时，溶质吸收了光能，光的强度就要减弱，溶液的浓度c愈大，液层厚度b愈厚，则光被吸收得愈多，光强度的减弱也愈显著。

朗伯－比尔定律的数学表达式为：

A＝kbc

其中A：

吸光度；k：

比例常数；b：

比色皿的厚（cm）;c：

物质浓度（mol∙L-1或g∙L-1）

此定律不仅适用于溶液，也适用于其它均匀非散射的吸光物质（气体、固体），是各类吸光光度法定量分析的依据。

注：

吸光度具有加和性

（2）几个概念

透光率（T）

入射光的强度I0，透过光的强度I，则T＝I/I0

吸光度（A）

透过率的负对数－lgT，即A＝－lgT。

摩尔吸光系数（ε）及吸光系数（a）

ε在数值上等于浓度为1molL-1，液层厚度为1cm时有色溶液的吸光度。

a在数值上等于浓度为1gL-1，液层厚度为1cm时有色溶液的吸光度。

ε值越大，表示该有色物质对该波长光的吸收能力越强，显色反应越灵敏，因此，测定时为了提高灵敏度，必须选择ε值大的有色化合物，并以最大吸收波长的光作为入射光。

（3）偏离朗伯－比尔定律的原因

按照朗伯－比尔定律，浓度c与吸光度A之间的关系应该是一条通过原点的直线，事实上，往往溶液发生偏离直线的现象而引入误差。

导致偏离的主要有三个原因。

a.Beer定律本身的局限性。

朗伯－比尔定律只有在溶液浓度小于0.01mol/L的稀溶液中才成立，溶液浓度大时，误差太大。

b.化学因素

溶液中溶质可因浓度改变而有离解、缔合与溶剂间的作用等原因形成新的配合物而发生偏离Beer定律的现象。

c.光学因素

Beer定律的一个重要前提是入射光是单色光。

但是单色器分离出来的光，同时包含了所需波长的光和附近波长的光，即是具有一定波长范围（宽度）的光。

二、定量分析法

a.单组分定量方法

标准曲线法：

首先配制一系列不同含量的标准溶液，以不含目标组分的空白溶液为参比，在相同条件下测定标准溶液的吸光度，绘制吸光度—浓度曲线即标准曲线。

然后在同样的实验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

b.多组分定量方法

根据吸光度具有加和性的特点，在同一试样中可以测定两个

以上的组分。

假设试样中含有x，y两种组分，将它们转化为

有色化合物，分别绘制其吸收光谱，会出现以下三种情况

（a）情况时组分x和y互不干扰，可以分别在λ1和λ2两个波长下测定两种物质的含量。

（b）情况下组分x干扰组分y的测量。

此时对组分y要用解方程的方法测定。

（c）情况下组分x和组分y相互干扰，要通过解方程组的方法实现分别测定。

具体方法如下：

首先在λ1和λ2处分别测定混合物吸光度和

用x和y的纯组分，可以分别测得λ1时的和以及

λ2时的和根据吸光度的加和性原则，可列出

方程式组：

Cx和Cy值可通过解联立方程求得。

对于更复杂的多组分体系，可用计算机处理测定的结果。

对于组分x和组分y相互干扰严重的情况，还可以通过双波长

吸收法实现分别测定。

具体方法如下：

如下图所示，当x、y组分共存时，如要测定组分x的含量，

组分y的干扰可以通过选择对y组分具有等吸收的两个波长

λ1和λ2加以消除。

以λ2为参比波长，λ1为测定波长，对

混合物进行测定，可得：

Aλ1＝Aλ1x＋Aλ1y

Aλ2＝Aλ2x＋Aλ2y

Aλ1、Aλ2、Aλ1x、Aλ1y、Aλ2x、Aλ2y分别为混合物、组分x和y在波长λ1和λ2下的吸光度且Aλ1y＝Aλ2y则得到：

A＝Aλ1－Aλ2＝Aλ1x－Aλ2x＝（ελ1x－ελ2x）b∙c

对于被测组分x来说，（ελ1x－ελ2x）∙b为定值，所以A与组分x浓度c成正比。

ελ1x、ελ2x可由x的标准溶液求出。

同理适当选择组分x具有等吸收的两个波长，也可以对组分y进行定量测定。

三、光谱法定量分析的准确度、灵敏度及检测限

由于光源不稳定性、读数不准等带来的误差。

当分析高浓度的样品时，误差更大。

由L-B定律：

微分后得：

将上两式相比，并将dT和dc分别换为T和c，得

当相对误差c/c最小时，求得T=0.368或A=0.434。

即当A=0.434时，吸光度读数误差最小！

通常可通过调节溶液浓度或改变光程b来控制A的读数在0.15~1.00范围内。

四、分析条件的选择

1、仪器测量条件

（1）波长。

通常按照最大吸收原则即选择最强吸收带的最大吸收波长为入射光的波长，若在最大吸收波长处有干扰，则选择吸收最大、干扰最小的原则。

（2）狭缝宽度。

一般选择狭缝宽度约是吸收峰半宽度的十分之一。

（3）吸光度值。

在0.15-1.00之间，可减小测量误差。

2、反应条件选择

a.显色剂的选择原则：

使配合物吸收系数最大、选择性好、组成恒定、配合物稳定、显色剂吸收波长与配合物吸收波长相差大等。

b.显色剂用量：

配位数与显色剂用量有关；在形成逐级配合物，其用量更要严格控制。

c.溶液酸度：

配位数和水解等与pH有关。

d.显色时间、温度、放置时间等。

3、参比液选择

a.溶剂参比：

试样组成简单、共存组份少（基体干扰少）、显色剂不吸收时，直接采用溶剂（多为蒸馏水）为参比；

b.试剂参比：

当显色剂或其它试剂在测定波长处有吸收时，采用试剂作参比（不加待测物）；

c.试样参比：

如试样基体在测定波长处有吸收，但不与显色剂反应时，可以试样作参比（不能加显色剂）。

4、干扰消除

a.控制酸度：

配合物稳定性与pH有关，可以通过控制酸度提高反应选择性，副反应减少，而主反应进行完全。

如在0.5MH2SO4介质中，双硫腙与Hg2+生成稳定有色配合物，而与Pb2+、Cu2+、Ni2+、Cd2+等离子生成的有色物不稳定。

b.选择掩蔽剂c.合适测量波长d.干扰物分离e.导数光谱及双波长技术

第三节紫外－可见光谱仪

一、基本组成

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360～2500nm。

紫外区：

氢、氘灯。

发射190～400nm的连续光谱。

2.单色器

将光源发射的复合光分解成单色光并可从中选出一任波长单色光的光学系统。

①入射狭缝：

光源的光由此进入单色器；

②准光装置：

透镜或返射镜使入射光成为平行光束；

③色散元件：

将复合光分解成单色光；棱镜或光栅；

④聚焦装置：

透镜或凹面反射镜，将分光后所得单色光聚焦至出射狭缝；

⑤出射狭缝。

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，可见光区一般用玻璃池。

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，常用的有光电池、光电管或光电倍增管

5.结果显示记录系统

检流计、数字显示、微机进行仪器自动控制和结果处理

二、紫外-可见光谱仪的类型

1.单波长单光束光谱仪

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，要求光源和检测器具有很高的稳定性。

2.单波长双光束光谱仪

自动记录，快速全波段扫描。

可消除光源不稳定、检测器灵敏度变化等因素的影响，特别适合于结构分析。

仪器复杂，价格较高

3.双波长光谱仪

将不同波长的两束单色光（λ1、λ2）快束交替通过同一吸收池而后到达检测器，得到两次吸光度差值，无需参比池。

△=1～2nm。

两波长同时扫描即可获得导数光谱。

采用双波长分光光度计进行分析时，可以通过波长的选择方便地校正背景吸收，消除吸收光谱重叠的干扰，因而