1、常见光谱分析法 及紫外分光光度法的原理和应用 光：一种电磁波或电磁辐射 。 电磁波是广义的光 。 光谱分析法：建立在物质光学光谱性质上的分析方法 。 1. 光谱及光谱分析法 光谱法的发展史： 1858 1859年间 ， 德国化学家 本生 和物理学家 基尔霍夫 奠定了一种新的化学分析方法 光谱分析法的基础 。 他 2人被公认为光谱分析法的创始人 。 光谱法的应用：开创了化学和分析化学的新纪元 ， 不少化学元素通过光谱分析发现；已广泛地用于地质 、 冶金 、 石油 、化工 、 农业 、 医药 、 生物化学 、 环境保护等许多方面：是常用的灵敏 、 快速 、 准确的近代仪器分析方法之一 。 3 电磁
2、波的划分 1） 按波长区域不同：远红外光谱 ， 红外光谱 ， 可见光谱 ， 紫外光谱 ， 远紫外光谱 （ 真空紫外光谱 ） 2） 按光谱的形态不同：线状光谱 ， 带状光谱 ， 连续光谱 3） 按产生光谱的物质类型不同：原子光谱 ， 分子光谱 ， 固体光谱 4） 按产生光谱的方式不同：发射光谱 ， 吸收光谱 ， 散射光谱 5） 按激发光源的不同：火焰光谱 ， 闪光光谱 ， 激光光谱 ， 等离子体光谱等 4 2. 光谱分析法的特点 1） 分析速度较快：原子发射光谱用于炼钢炉前的分析 ， 可在 l 2分钟内 同时给出二十多种元素的分析结果 。 2） 操作简便：有些样品不经任何化学处理 ， 即可直接进
3、行光谱分析 ， 采用计算机技术 ， 有时只需按一下键盘即可自动进行分析 、 数据处理 和打印出分析结果 。 在毒剂报警 、 大气污染检测等方面 ， 采用分子 光谱法遥测 ， 不需采集样品 ， 在数秒钟内 ， 便可发出警报或检测出 污染程度 。 3） 不需纯样品：只需利用已知谱图 ， 即可进行光谱定性分析 。 4） 可同时测定多种元素或化合物：省去复杂的分离操作 。 5 5） 选择性好：可测定化学性质相近的元素和化合物 。 它们的谱线可分开 而不受干扰 ， 成为分析这些化合物的得力工具 。 6） 灵敏度高：可利用光谱法进行痕量分析 。 目前 ， 相对灵敏度可达到 千万分之一至十亿分之一 ， 绝对
4、灵敏度可达 10-8g10-9g 7） 样品损坏少：可用于古物以及刑事侦察等领域 。 随着新技术的采用 （ 如应用等离子体光源 ） ， 定量分析的线性范围 变宽 ， 使高低含量不同的元素可同时测定 。 还可以进行微区分析 。 局限性： 光谱定量分析建立在相对比较的基础上 ， 必须有一套标准样品 作为基准 ， 而且要求标准样品的组成和结构状态应与被分析的 样品基本一致 ， 这常常比较困难 。 常见的光谱分析法： 一、原子吸收光谱分析法 二、红外吸收光谱法 三、核磁共振波谱法 四、荧光光谱法 五、紫外 -可见分光光度法 一 、 原子吸收光谱分析法 8 1. 原子吸收光谱法 ， 又称为原子吸收分光光
5、度法 原理： 物质产生的原子蒸气对特定谱线 （ 待测元素的特征谱线 ） 的吸收作用进行分析 ， 根据特征谱线强度减弱的程度可求出待测元素的含量 。 与发射光谱的关系：是互相联系的两种相反的过程 。 原子发射光谱是原子由激发态回到基态时产生的原子发射光谱线 。 原子由基态跃迁到激发态时要吸收能量 ， 产生原子吸收光谱线 。 9 共振吸收线 使电于子从基态跃迁到第一激发态时产生的吸收线 ， 简称共振线 。不同元素 ， 共振线不同 ， 是元素的特征谱线 。 它易产生 ， 是最灵敏线 。 原子吸收光谱利用处于基态的待测元素原子蒸气对共振线或其他分析线吸收的程度进行定量分析 分析的原理 一定波长 和强度
6、 I0的光通过某元素的原子蒸气时 ， 若辐射波长的能量等于原子由基态跃迁到激发态所需能量 ， 蒸气吸收辐射的光能产生原子吸收光谱 (定性 )。 元素浓度越大 ， 吸收的光能越多 (定量 )。 例， 镁灯的 285.2nm线 。 若透射光强度为 I1， 测量气态原子对特定波长的辐射吸收强度 (I0 / I1)， 就可确定该元素的浓度 （ 含量 ） 假定光源理想 ， 无中心波长位移 ， 实验条件稳定 ， 可导出 比耳定律 10 2. 仪器设备的基本构成 原子吸收分光光度计主要由光源 、 原子化器 、 单色器和检测系统四部分组成： 原子吸收分光光度计结构示意图 11 光源： 作用是发射被测元素的特征
7、谱线 。 目前常用空心阴极灯和无极放电灯作光源 ， 前者应用最广泛 原子化器： 作用是提供足够的能量 ， 使试液中的待测元素转变成原子蒸气 ， 是原子吸收光谱分析法中的关键部件之一 。 有火焰原子化器和无焰原子化器两类 分光系统单色器： 作用是把要测量的吸收谱线同其他谱线分开分光部件有棱镜和光栅两种类型 检测系统： 作用是接受光信号 ， 并把光信号转换成电信号 ，经放大和运算处理 ， 给出分析结果 。 主要由检测器 、 放大器 、 读数和记录系统等组成 2原子吸收光谱分析的应用 原子吸收光谱分析现已广泛应用于各个分析领域，主要有四个方面： 理论研究，元素分析，有机物分析，金属化学形态分析。 (
8、1) 在理论研究中的应用 原子吸收可作为物理和物理化学的一种实验手段，对物质的一些基本性能进行测定和研究。电热原子化器容易做到控制蒸发过程和原子化过程，所以用它测定一些基本参数有很多优点。用电热原子化器所测定的一些参数有元素离开基体的活化能、气态原子扩散系数、解离能振子强度、光谱线轮廓的变宽、溶解度、蒸气压等。 (2) 在元素分析中的应用 原子吸收光谱分析，由于其灵敏度高、干扰小、分析简便快速，现已广泛用于许多领域。目前原子吸收已成为金属元素分析的最有力工具之一而且在许多领域已成为标准分析方法。 原子吸收光谱分析的特点决定了它在地质和冶金分析中的重要地位，它不仅取代了许多一般的湿法化学分析，而
9、且还与 X射线荧光分析，甚至与中子活化分析有着同等的地位。目前原子吸收法已用来测定地质样品中 40多种元素，并且大部分能够达到足够的灵敏度和很好的精密度。钢铁合金和高纯金属中多种痕量元素的分析现在也多用原子吸收法。 (2) 在元素分析中的应用 原子吸收法在食品分析中的应用也越来越广泛。食品和饮料中的 20多种元素已有满意的原子吸收分析方法。生化和临床样品中必需元素和有害元素的分析现已采用原子吸收法。有关石油产品、陶瓷、农业样品、药物和涂料中金属元素的原子吸收分析的文献报道近年来越来越多。水体和大气等环境样品的微量金属元素分析已成为原子吸收分析的重要领域之一。 利用间接原子吸收法尚可测定某些非金
10、属元素。 (3) 在有机物分析中的应用 利用间接法可以测定多种有机物。 8-羟基喹啉 (Cu)、醇类 (Cr)、醛类 (Ag)、酯类 (Fe)、酚类 (Fe)、联乙酰 (Ni)、酞酸 (Cu)、脂肪胺 (Co)、氨基酸(Cu)、维生素 C(Ni)、氨茴酸 (Co)、雷米封 (Cu)、甲酸奎宁 (Zn)、有机酸酐 (Fe)、苯甲基青霉素 (Cu)、葡萄糖 (Ca)、环氧化物水解酶 (Pb)、含卤素的有机化合物 (Ag)等多种有机物，均可通过与相应的金属元素之间的化学计量反应而间接测定。 (4) 在金属化学形态分析中的应用 通过气相色谱或液相色谱分离然后用原子吸收光谱加以测定，可以分析同种金属元素
11、的不同有机化合物。例如，汽油中的 5种烷基铅，大气中的 5种烷基铅、烷基汞、烷基胂、烷基锡、有机铬，生物中的烷基铅、烷基汞、有机锌、有机铜等多种金属有机化合物，均可通过不同类型的色谱 -原子吸收联用方式加以鉴别和测定。 二 、 红外吸收光谱法 18 二 、 红外吸收光谱法 1. 红外吸收光谱法原理 红外吸收光谱法 （ IR） 是分子吸收光谱分析法的一种 。 它利用物质分子对红外光区辐射的选择性吸收特性进行物质成分结构分析 、 定性鉴定 、 定量测定的一种分析方法 ， 又称为红外光分光光度分析法 。多用于有机物分析 在红外吸收光谱分析中 ， 通常把红外光区分成三部分：近红外区 、中红外区和远红外
12、区 。 三个区域的波长 （ wave length） 和波数 （wave number） 如下页表示 。 如此分类 ， 是因为在测定这些区的光谱时 ， 所用的仪器不同 ， 各区所得信息也不同 注意：波长 与波数 的关系：倒数 ， 但单位不同 m/10cm/1cm/ 4119 名称 波长 /（ m） 波数 /（ cm-1） 近红外区 0.786 2 12820 5000 中红外区 2 25 5000 400 远红外区 25 300 400 33 使用较多的是 2m 25m的中红外区 20 原理和特点 物质吸收辐射需满足两个条件： A、 辐射具有刚好满足物质跃迁所需的能量； B、 辐射与物质之间有
13、偶合作用 。 中红外区域红外具有适合的能量能导致振动跃迁的产生 。 一定频率的红外照射分子 ， 若分子中某基团的振动频率和外界辐射频率一致 ， 即满足了第一个条件 。 吸收光谱主要由分子中原子的振动和转动能级跃迁产生 。 故又称分子振动转动光谱 。 只有在振动的周期内发生偶极矩变化的振动才能产生红外吸收光谱 ， 即正 、 负电荷中心不重合的分子才能产生；正 、 负电荷中心重合的分子如 N2、O2不能产生红外吸收光谱 。 原因：仅当偶极矩变化时 ， 分子才与辐射发生相互作用 (振动偶合 )而增加它的振动能 ， 分子由原基态振动跃迁至较高振动能级 。 称这种振动为红外活性的 ， 反之称为非红外活性
14、的 。 21 当一定频率的红外光照射分子时，若分子中某基团的振动频率和它一样，二者会产生共振，光的能量通过分子偶极矩的变化传递给分子，这个基团就吸收一定频率的红外光，产生振动跃迁；若红外光的振动频率与分子中各基团振动频率不符合，则该部分红外不会被吸收。故若用连续改变频率的红外光照射某试样，则得一谱带。 振动能级的跃迁伴随着转动能级的跃迁。红外吸收光谱不是简单的吸收线而是一个个吸收谱带，这也正是分子吸收光谱的特征。这些特征反映了物质分子的组成和结构。对红外吸收光谱进行剖析，便可以对物质进行定性和定量分析 分子振动的形式 双原子分子较简单，多原子分子可分为伸缩振动，变形或弯曲振动等六种形式，如 C
15、O2的几种振动方式 22 2. 红外吸收光谱仪 是测定红外吸收光谱的仪器 ， 也称红外光分光光度计 。 主要由红外光源 、 试样池 、 分光系统 、 检测系统四部分组成 23 测试原理 光源有硅碳棒和奈恩斯特灯两种 。 加热至 1200 1800 时 ， 发出红外光 ， 分成两束能量相同的光 ， 分别照射样品池和参比池 ， 经切光器进入分光器系统 。 经色散后射向检测器 ， 信号经放大 ， 由记录器得到红外吸收光谱图 。 分光系统有棱镜和光栅两种 。 棱镜多用碱金属卤化物 ， 如氯化钠 、溴化钾制成 ， 极易潮解 ， 应严格去湿防潮 。 检测器部分常用热电偶 、 热敏电阻 、 高雷池 、 硫化
16、铅光导管等 数据表示与处理 横坐标：以波长 m或波数 cm-1表示 。 波数是每厘米长度红外光波的数目 m/10cm/1cm/ 4124 纵坐标 多以百分透光率 T 表示 。 自下而上由 0 至 100 标度 。 随吸收强度降低 ， 曲线向上移动 ， 无吸收部分的曲线在图的上部 。 这和紫外可见光分光光度以吸光度为纵坐标的习惯不同 。 因此 ， 红外吸收光谱的所谓吸收“ 峰 ” 实际上是向下的 “ 谷 ” 。 某化合物的红外吸收光谱图如下图所示 三 、 核磁共振波谱法 26 概况 定义：用电磁波照射处于强磁场中的待测物质分子所得到的波谱称NMR。 与红外 、 紫外光谱一样 ， 都是吸收光谱 原
17、理： NMR波长位于无线电波范围 (10m 100m)， 能量小 ， 仅引起电于子及核在其自旋态能阶之间的跃迁 。 电磁波照射分子 ， 不会引起分子振动能级或转动能级及电子能级跃迁 。 但电磁波能与暴露在强磁场中的某些特定的原子核作用 ， 并在某些特定磁场强度处产生强弱不同的吸收信号 ， 以这种原理建立起来的分析方法称核磁共振波谱法 应用： NMR与元素分析 、 紫外光分光光度分析法 、 红外吸收光谱法 、质谱配合使用 ， 可测定有机化合物的结构 ， 检验化合物的纯度 ， 某些核磁共振主要信号不重叠的混合物的分析 27 1. 核磁共振波谱法基本原理 核磁共振现象： 核自旋产生的磁场与外加磁场之
18、间会相互作用发生回旋运动 。 回旋运动的频率 n与外加磁场强度 H成正比 。 核磁共振谱的分类： 按测定的核：测定氢核的称为氢谱（ 1H NMR） ；测定碳 13核的称为碳谱 （ 13C NMR） 。 28 2. 核磁共振波谱仪 核磁共振波谱仪由磁铁 、 射频振荡器 、 扫描发生器 、 样品管 、 检测器和记录器组成 1一扫描发生器 2一磁铁 3一射频振荡器 4一样品管 5一检测器 6一记录器 29 （ 1） 磁铁：供给一个强而均匀的磁场 。 核磁共振要求磁铁功效大 ，高度稳定 ， 磁场均匀 ， 反复使用后磁场稳定 （ 2） 射频振荡器：产生供给一个固定频率的电磁波 ， 也称兆周频率发生器 ，
19、 测定氢核时常用 60MHz或 100MHz的电磁波 ， 产生核磁共振信号的磁场强度分别为 1.41T和 2.36T （ 3） 试样管：由玻璃制成 。 常量试样管的容量 0.4ml， 试样数十毫克微量样品管的容量 0.1ml， 试样数毫克 。 管中受照射的试样承受的磁场强度必须均匀 ， 否则不同部位的核对各不相同的频率发生共振吸收 ， 从而产生宽吸收带信号 ， 降低分辨能力 （ 4） 扫描发生器：在磁铁上绕一磁场扫描线圈 ， 在线圈中通以直流电 ， 电流由小到大可作线性调节 ， 产生的附加磁场叠加到磁铁固有磁场上去就成了可调节磁场强度 。 按磁场强度改变的数值换算成相应的频率被检测记录 30 （ 5） 检测器和记录器：检测线圈垂直于磁场扫描线圈和射频振荡线圈 ， 检测器与射频振荡器频率须调成一致 。 当氢原子核的回旋频率与射频振荡器频率匹配时 ， 检测器就能检测到吸收信号 。 信号放大后送人记录器 。 自动记录下核磁共振波谱图形 a）低分辨 NMR b）高分辨 NMR 核磁共振波谱图纵坐标表示信号强度 ， 它反映被测定核的数目 。横坐标表示磁场强度或频率 ， 即一个个核磁共振吸收峰 。
