1、第十一章几种现代仪器分析方法简介通过特殊的仪器，测定物质的物理或物理化学性质从而进行定性、定量及结构分析的方法，称为仪器分析法。仪器分析方法的种类繁多，内容广泛，本书第八、第九两章介绍了吸光光度分析和电化学分析，根据我国工、农业生产和科研的实际情况以及仪器分析的发展趋势，本章再简要介绍几种现代仪器分析方法。第一节原子吸收光谱分析法一、概述原子吸收光谱分析法(atomic absorption spectrometry, AAS)，简称原子吸收法。它是基于物质所产生的基态原子蒸气对特征谱线的吸收来进行定性和定量分析的。与吸光光度分析的基本原理相同，都遵循朗伯比尔定律，在仪器及其操作方面也有相似之
2、处。目前，原子吸收分光光度法已成为一种非常有效的分析方法，并广泛地应用于各个分析领域，该法具有以下一些特点。1选择性好，方法简便吸收光辐射的是基态原子，吸收的谱线频率很窄，光源发出的是被测元素的特征谱线，所以，不同元素之间的干扰一般很小，对大多数样品的测定，只需要进行简单的处理，即可不经分离直接测定多种元素。2灵敏度高火焰原子吸收法对大多数金属元素测定的灵敏度为 1081010g?mL1；非火焰原子吸收法的绝对灵敏度可达 1010g。3精密度好，准确度高由于温度的变化对测定的影响较小，所以，该法有着较好的稳定性和重现性。对微量、痕量元素的测定，其相对误差为 0.10.5%。由于原子吸收分光光度
3、法有着灵敏、准确、快速等优点，因而其广泛地应用于农业、林业、国防、化工、冶金、地质、石油、环保、医药等部门，可以测定近 70 多种金属元素。二、基本原理原子对光的吸收或发射，与原子外层电子在不同能级间的跃迁有关。当电子从低能级跃迁到高能级时，必须从外界吸收相应于这两能级间相差的能量；从高能级跃迁到低能级时，则要放出这部分能量。由于原子中的能级很多，电子按一定规律在不同的能级间跃迁，使原子吸收或发射一系列特征频率的光子，从而得到原子的吸收或发射光谱。通常认为，由基态与最接近基态的第一电子激发态之间的电子跃迁产生的谱线，为这种元素的特征谱线，也称为共振线。由于从基态到第一电子激发态的跃迁最容易发生
4、，因此，对大多数元素来说，共振线是元素所有谱线中最灵敏的谱线。理论和实践都证明，无论原子发射还是原子吸收谱线，都不是一条严格的几何线，都具有一定的形状，即谱线有一定的宽度和轮廓。导致谱线变宽的原因有很多。主要有与原子激发态寿命和能级差有关的自然宽度；有原子在空间作相对运动导致的热变宽，也称多普勒变宽；有原子之间的相互碰撞导致的压力变宽；有自吸导致的自吸变宽；还有电场、磁场效应导致的场致效应变宽等。在分析测试过程中，谱线的变宽往往会导致原子吸收分析的灵敏度下降。当光源发射某元素的特征谱线通过该元素的基态原子蒸气时，原子中的外层电子就选择性的吸收其特征谱线，使入射光强度减弱，其吸光度与原子蒸气的厚
5、度 L、蒸气中基态原子的数目 N0 之间的关系，符合朗伯比尔定律。（111）在原子吸收分光光度分析中，一般火焰的温度小于 3000K。火焰中激发态原子和离子数目很少，因此，蒸气中的基态原子数目接近于被测元素的总原子数，与被测试样的浓度成正比，由于原子蒸气的厚度 L 一定，故（111）式可简化为：A = KC（112）（112）式即为原子吸收分光光度分析的定量关系式。三、原子吸收分光光度计一般原子吸收分光光度计有两类，即单光束和双光束。不论何种类型，其主要装置均是由光源、原子化器、单色器及检测系统四大部件所组成。如图（111）所示。图 111 原子吸收分光光度计示意图1光源图 112 空心阴极灯
6、光源的作用是发射被测元素的特征谱线。理想的光源应该具备：稳定性高，发射强度大，使用寿命长，能发射待测元素的共振线，背景辐射小。满足这些要求的光源有很多，但最为常用的是空心阴极灯，它是一种低压气体放电管，其结构如图（112）所示。它有一个内含待测元素或其合金作为阴极材料的空心圆柱，阳极多为含有钽或钛丝（吸气剂）的钨棒所组成。管内充入低压惰性气体（氖、氩、氙或氦），窗口材料取决于发射谱线的波长，大于 350nm 时，采用硬质玻璃；小于 350nm 时，采用石英玻璃。当空心阴极灯两极间施加一定电压时，电子就从阴极高速射向阳极，在此过程中，电子与管内惰性气体相碰撞，并使之电离，产生的正离子在电场的作用
7、下被加速，强烈地轰击阴极表面，使阴极表面的原子发生溅射，溅射出来的原子再与电子、填充气体的原子等发生碰撞而被激发，当激发态的原子返回基态时，发射出该元素的特征谱线。实际上，也会夹杂一些内充气体和阴极杂质的谱线。用不同的元素作阴极材料，可制成相应元素的空心阴极灯。由于阴极材料多是用电解法制成的，常会有少量的氢气溶于其中，工作时释放于灯内，会产生噪声。所以，当灯工作一段时间后，把空心灯的阴、阳极反接，加 20mA 电流，阳极上的钛、钽可以吸收氢气，保证其良好的工作性能。灯电源除了用直流、交流和方波电源供电外，还可以用短脉冲电源供电，以利于提高放电的稳定性和发射谱线的强度，并延长灯的使用寿命。 2原
8、子化器图 113 预混合燃烧器结构示意图原子化器的作用是使试样原子化，产生基态原子蒸气，是仪器的关键部件。测定的灵敏度、准确度和干扰情况等在很大程度上取决于试样的原子化过程。因而要求其性能稳定，再现性好，不受试样组分的影响，装置简单，原子化效率高。常用的原子化器有火焰原子化器和非火焰原子化器。火焰原子化器的结构如图（113）所示。主要由喷雾器、雾化室、燃烧器、火焰和供气系统所组成。由供气系统供给助燃气，将被测溶液吸入喷雾器，使其分散成很小的雾滴，并在雾化室内与燃气混合，较大的雾滴从下端废液管排出，细雾滴进入燃烧器产生原子蒸气。燃烧器灯头有“孔型”和长缝型。为延长吸收光程，一般采用长缝型灯头。分
9、析不同的元素，需要用不同的火焰和不同的温度，常用的火焰有空气乙炔和氧化亚氮乙炔火焰，其温度分别可达 2300和 2900。火焰原子化器的主要缺点是原子化效率较低，试样被火焰成百万倍的稀释，故降低了测定的灵敏度。非火焰原子化器可弥补这一不足，常用的有石墨炉原子化器。它是利用电加热使试样蒸发并进行原子化的，其主要优点是原子化效率和测定的灵敏度高，检测限可达 1012g。但其测定的精密度较差，装置较为复杂。 3单色器单色器的作用是将待测元素的吸收谱线与其它谱线分开。主要有棱镜和光栅。由空心阴极灯发出的谱线，包含有阴极元素的共振线及其它谱线，还包含有阴极杂质和惰性气体的谱线等，这些非吸收谱线如果照射到
10、检测器上，同样也会产生电信号。所以，空心阴极灯发射出的谱线经原子蒸气吸收后，还需经一个单色器，将测量的吸收线从混合信号中分离出来，以准确测量。4检测系统检测系统包括检测器（光电管或光电倍增管）、放大器、对数变换器和读数或记录装置。四、定量分析方法原子吸收分析的定量方法很多，我们仅介绍几种较为常用的方法。1标准曲线法配制一系列标准溶液，在一定的实验条件下，依次测定其吸光度 A，以 A 为纵坐标，待测元素的浓度或者含量为横坐标，绘制标准曲线。在相同的条件下，测定试液的吸光度，由标准曲线上查出待测元素的浓度或者含量。另外，喷雾效率、火焰状态、波长漂移等条件的变化，均会对标准曲线有一定的影响。所以，每
11、次测定，应同时做标准曲线或者用标样对已制成的标准曲线进行校正后再使用。2紧密内插法预先配制两个标准溶液，其中一个比试液稍浓（C1），另一个比试液稍稀（C2），在同一条件下，测定标准溶液及试液的吸光度，设其分别为 A1、A2、AX，则试液的浓度（CX）可按下式求出。（ 113）在一般的定量分析中，紧密内插法应用较多，分析结果的精密度也较为满意。3标准加入法（1）计算法将试液分成完全等同的两份，取其中一份加入一定量的标准溶液，定容为相同的体积，设其浓度分别为 CX 及 CX + C 标，在完全相同的条件下，测定其吸光度为 AX 及 A0，则：AX = K CX，A0 = K （CX + C 标），
12、（114）（2）作图法 取四至五份等体积的试液，从第二份开始，分别按比例加入不同量的待测元素的标准溶液，然后都定容为相同的体积，测定各溶液的吸光度，以吸光度为纵坐标，以加入的待测元素的量为横坐标作图。将所得的曲线外延与横坐标相交，自原点到相交点的截距即为待测元素的量，如图（114）所示。这种标准加入外推法，适用于试样组成复杂，基体未知，待测元素含量较低样品的测定。由于每个待测液都含有相同的组分，故可消除基体或干扰元素的影响。加入标准溶液后，要有较好的线性，所以，要注意加入标准溶液的量，过高，会落入标准曲线弯曲范围；过低，则标准曲线的斜率小，外推结果误差较大。4内标法该法是在系列标准溶液和试液中
13、，分别加入一定量的试液中不存在的内标元素，测得标液和待测液中待测元素和内标元素的吸光度，求出其比值，用此比值对标准溶液中待测元素的浓度作标准曲线，根据待测液的比值，从标准曲线上求得试液中待测元素的浓度。使用内标法，能够较好的消除溶液粘度、表面张力、样品的雾化率及火焰温度等因素的影响。此法只能在多波道原子吸收分光光度计上测定。另外，内标元素在基体内和火焰中的物理性质、化学性质与待测元素要相近，而且试样中不应存在这种元素。第二节原子发射光谱分析法一、概述原子发射光谱(atomic emission spectrometry)（包括离子发射光谱）是由于原子外层电子受到热能、电能、光能等能量激发后，返
14、回较低激发态或基态时所伴随的发光。按其激发形式的不同，可分为电激发原子发射光谱，火焰原子发射光谱，原子荧光光谱。如果包括原子内层电子的激发，还有 X 射线荧光光谱。物质发射的光谱有线状光谱、带状光谱及连续光谱。由气态原子或离子发射的光谱为线状光谱；带状光谱是由气态分子被激发后的发射；连续光谱是由炽热的固体或液体的发射。原子发射光谱分析有以下特点：1分析速度快对于岩石、矿物等试样，一般不经处理，就能直接对试样中的几十种金属元素同时测定，并快速给出定性、半定量甚至是定量的结果。2选择性好每一种元素的原子被激发后，都产生其特征的系列谱线，根据这些特征谱线，就能较容易地进行定性分析。3取样量少，灵敏度
15、高测定时，一般需样品量为数毫克至数十毫克。对大部分金属元素的测定，灵敏度约为 109g。二、基本原理原子发射光谱分析法是利用原子或离子发射的特征谱线来进行分析的。这种线状光谱只反映原子或离子的性能，而与原子或离子来源的分子状态无关，所以，它只能确定试样物质的元素组成和含量，而不能给出试样分子的结构信息。任何元素的原子，都是由带正电荷的原子核和围绕着它运动的电子所组成。每个电子都处在一定的能级上，具有一定的能量。正常情况下，原子处于稳定的基态。在外加热能和电能的作用下，使原子外层的电子从基态跃迁到较高的能级上，即激发态。当外加能量足够大时，可以把原子中的电子从基态激发到无限远的地方，脱离原子核的
16、束缚，使原子成为离子；当外加能量更大时，离子还可以进一步电离成二级、三级等离子。处于激发态的原子是很不稳定的，在极短的时间内（约 108 秒），便跃迁至基态或其它较低的能级上，以光的形式释放出多余的能量，产生一定波长的光谱线。每条谱线的波长，取决于跃迁前后两能级的能量差。由于不同元素的原子结构不同，离子与其相应的原子相比，也少了一个或几个电子，电子构型不相同；所以，各元素都有其特征的光谱，同一元素的离子光谱与原子光谱也不相同，这就是光谱定性分析的依据；而谱线的强弱和谱线出现的数目与试样中元素的含量有关，据此可以进行光谱半定量或定量分析。三、原子发射光谱分析仪器原子发射光谱分析一般有摄谱法和光电
17、直读分析法。其仪器装置如图（115）所示：图 115 原子发射光谱分析仪示意图光电直读法图 115 原子发射光谱分析仪器装置图原子发射光谱分析仪器主要有光源、分光系统（光谱仪）及检测系统三部分组成。1光源光源的主要作用是对试样的蒸发和激发提供所需的热能和电能，使之产生光谱。原子发射光谱分析常用的光源有直流电弧、低压交流电弧、高压火花及电感耦合等离子体光源等。（1）直流电弧这种光源装置简单，如图（116）所示。由直流发电机供给电源，工作电压为 220380V，电流为520A，可由滑线电阻 R 来调节，G 为电极间隙。点弧时，首先将两电极接触，这时，由于接触点的电阻很大，通电时此处发热。随后，将两
18、电极慢慢拉开。灼热的阴极所发射的电子与元素蒸气相互碰撞发生电离，产生大量的离子和电子，在两电极间隙形成电通路，产生电弧。这种光源的电极头温度较高，当试样放置在阳极进行蒸发时，最高可达 3800K 左右，有利于难挥发元素的蒸发。电弧的弧焰温度随试样的组成而变化，可高达 40007000K，所产生的谱线主要是原子线，也称为电弧线，常用于矿石分析。（2）低压交流电弧由 220V 交流电源供电，由于交流电弧随时间以正弦波形式发生周期性变化，因而它不象直流电弧那样，依靠两个电极相接触来点弧，须采用高频引火装置，使其在每一个交流半周期时引火一次，维持电弧不灭。这种光源与直流电弧一样，在电极间隙中具有相似的
19、放电性质。电弧的弧焰温度比直流电弧略高，但电极头的温度较直流电弧略低，常用于金属与合金分析。（3）高压火花光源将 10000V 以上的高压电，通过电容器的充电、放电，以较大的瞬时电流击穿电极间隙，使之产生具有振荡特征的火花放电。这种光源的特点是放电的稳定性好，分析的重复性好，电弧放电的瞬间温度可达 10000K 以上，适合于难激发元素的测定。由于其激发能量大，产生的主要是离子线，又称为火花线。但其每次放电后的间隙时间较长，电极头温度低，不利于试样的蒸发和激发。以上三种光源的电极头和弧焰温度均受试样组成的影响。当试样组成变化时，可明显地改变试样在电极间隙中的蒸发和激发。（4）电感耦合等离子体光源
20、它是利用高频电流感应线圈将高频电能耦合到石英管内，用电火花引燃使引发管内的气体（Ar 气）放电，形成等离子体。此时，高频电流就在等离子体内产生感应电流，形成感应焰炬。试液被雾化后由载气带入等离子体内，加热至很高的温度而激发。该光源的特点是：灵敏度高、干扰少、稳定性好、检出限低、准确度高。2分光系统（光谱仪）光谱仪是用来把复合光分解成按一定次序排列成单色光的仪器，它的主要作用是将试样中待测元素发射的特征谱线、光源及其它干扰谱线分离开，以便进行测量。光的色散可由棱镜和光栅来实现。因此，光谱仪又分为棱镜和光栅光谱仪两类。3检测系统分为摄谱法检测系统和光电法检测系统两类。（1）摄谱法摄谱法是用感光板作
21、为检测器，用照相的方法来记录试样的光谱。该法是将感光板经摄谱、显影和定影后，根据谱片中被测元素的特征谱线是否出现及谱线的黑度来进行定性和定量分析的。（2）光电法光电法是采用光电倍增管作为检测器，并通过一套电子系统来测量谱线的强度。四、分析方法1定性分析由于原子结构的不同，试样中各种元素的原子在光源的激发下，都可产生一系列特征的光谱线。有些元素的光谱线较为简单，仅有少数谱线；有的则较为复杂，谱线数目多至几千条。定性分析时，为了确定某种元素是否存在，虽然没有必要把该元素可能产生的谱线都找出来，但也不能只凭某一条谱线的出现与否来作出判断。为了防止共存元素谱线的重叠干扰，一般选用 23 条灵敏线是否出
22、现来判断某一元素是否存在。进行定性分析时，最常用的是标准图片比较法，即采用事先制好的“元素光谱线图”与试样光谱进行比较，从而确定试样中是否含有某种元素。制作标准图片时，首先摄制一条纯铁的光谱作为特殊的波长标尺（铁的谱线在各个波段都很丰富，且各条谱线的波长均经过精确测量），然后，将混合有各种元素的标准样品与铁光谱并列摄谱，再将各元素的谱线位置记载在铁光谱图上，即得载有各种元素灵敏线的标准光谱图，定性分析时，可在同一块感光板上并列摄取铁光谱和试样光谱，然后用标准光谱图与所摄的试样谱片在映谱仪上进行比较，如试样在某一元素的灵敏线位置出现，即可认为有此元素存在。用所摄的试样谱片与标准光谱图进行比较的过
23、程称之为译谱。2.半定量分析光谱半定量分析的准确度较差，相对误差一般为 30%200%，但这种方法能同时分析多种元素，方法简单、快速，故常用于准确度要求不太高的试样分析。主要有目视谱线强度比较法和谱线呈现法两种。（1）谱线强度比较法这种方法是在同一谱片上，直接用眼睛比较所摄的试样与标样的谱线黑度来估计含量。例如，在分析试样中的锗含量时，可选择 Ge2651.18 和 Ge2651.58 这两条谱线的黑度进行比较，若分析试样中锗的这两条谱线与含锗 0.01%标准样品中这两条谱线的黑度相近，则此试样中锗的含量约为 0.01%；若分析试样中锗线的黑度介于标准样品 0.001%与 0.003%之间，则
24、可近似地估计此试样中锗的含量约为 0.002%。这种方法当试样组成与标准样品相近时，可获得较为满意的结果。（2）谱线呈现法每一种元素在光谱中出现的谱线数目与试样中元素的含量有关。在含量很低时，仅出现一至二条最灵敏的谱线；随着含量的增加，呈现的谱线数目也增加。因此，可选择在摄谱条件下，用不同含量的标准样品摄谱，把相对应出现的谱线，预先编制一个谱线呈现表，如表 111 所示。表 111 铅的谱线呈现表铅% 谱线及其特征0.001 2833.07 清晰可见,2614.18 和 2802.00 谱线很弱。0.003 2833.07 和 2614.18 谱线增强，2802.00 谱线清晰。0.01 上述
25、各线均增强，2663.17 和 2873.32 谱线不太明显。0.03 2633.17 和 2873.32 谱线清晰。0.3 出现 2393.8 谱线。1 上述谱线均增强，出现 2401.95 ，2443.83 及 2446.2 谱线。3 上述谱线均增强，出现 3320.5 及 2332.42 弱线。测定时，将试样按选定条件摄谱，利用谱线呈现表，就可很快地估计出试样中元素的半定量结果。3.定量分析在定量分析中，元素的谱线强度 I 与含量 C 之间的关系，可由下列经验公式表示：I =aCb(115)取对数得：lgI = blgC + lga(116)在一定的条件下，b 和 a 为常数，此时，谱线
26、强度的对数与 C 的对数成直线关系。式中 b 为自吸收系数，当含量很低时，谱线无自吸收，b = 1；当含量较高时，谱线产生自吸收，b1；这是因为原子激发、跃迁而产生的光谱是发生在电弧光源中心、温度较高的区域，而其外围的蒸气云温度较低，原子处于基态；含量高，则基态原子多，由电弧中心产生的谱线向外发射时，会被外围蒸气云中同种元素原子所吸收，使谱线减弱。所以，b 值与试样中分析元素的含量有关。a 值是一个与试样组成、试样的蒸发和激发过程有关的参数。实际工作中，要把许多条件都控制不变、即使 b 和 a 值都固定不变是十分困难的。所以，很少采用测量谱线绝对强度的方法来定量分析。一般采用测量谱线相对强度，
27、即内标法来定量分析。在被测元素中选一根谱线作为分析线，在基体元素（或加入固定量的其它元素）的谱线中选一根谱线作为内标线，分析线与内标线构成分析线对。设分析线和内标线的谱线强度分别为 I 和 I 标，则：I = aCb,I 标=a 标当内标元素的含量固定且内标线无自吸收时， 为一常数，即：I 标=K，设分析线与内标线的谱线强度比为 R，则： R=II 标=KCb取对数得到：lgR = blgC+lgK（117）该式为内标法定量分析的基本关系式。在一定的条件下，分析线对的相对强度的对数与被测元素的含量的对数成直线关系。a 和 a 标受光源的蒸发、激发等条件变化的影响程度基本上一样，所以，光源不稳定
28、对分析线对相对强度的影响基本上可以忽略。内标元素及分析线对应当符合：内标元素含量必须固定，且分析线与内标线均应没有自吸收。内标元素与分析元素应具有相近的沸点和化学性质，以减少试样蒸发条件变化的影响。分析线对应具有相近的激发电位和电离电位，以减少激发条件变化的影响。（1） 摄谱法 用该法进行定量分析时，是利用感光板上所记录谱线的黑度来表示谱线的强度的。感光板经过曝光、显影和定影后，其曝光部分由于析出金属银而变黑，其变黑的程度称为黑度，定义为：S=lg 1TT 为测量谱线黑度时光线的透光率。感光板上谱线的黑度是由测微光度计测出的。谱线的黑度值与谱线强度之间存在着一定的关系，一定条件下，分析线对的黑
29、度差 S 与谱线强度的关系为：S= rlgR = r将该式代入（107）式中可得：S = rlgR = rblgC+rlgK （118）式中 r 为一与感光板性质有关的常数，称为反衬度，这就是摄谱法定量分析的基本公式。进行定量分析时，在选定的工作条件下，在同一感光板上摄取分析试样和数目不少于三个标准试样的光谱，用标准试样中分析线对的黑度差 S 与标准试样含量的对数 lgC 绘制标准曲线，再由试样分析线对的黑度差 S 值，从标准曲线中求出其含量。（2） 光电法摄谱法要经过摄谱、暗室处理、取得谱板后还需鉴别谱线、测量黑度和计算才能得到分析结果，分析过程较长。光电法定量分析是利用光电倍增管来接收分析
30、谱线，并将其光强度信号转换成电信号，通过读数系统直接读出谱线强度或分析结果。五、火焰光度分析法火焰光度分析是用火焰作为激发光源的一种发射光谱分析法。基本原理与发射光谱法相同，但其仪器结构及操作使用与分光光度法相似，因此常称为火焰光度分析法。用火焰作为激发光源，由于其温度较低，所以激发能量小。但火焰燃烧时较为稳定，因此，该法具有谱线简单、重现性好等优点。主要用于碱金属和碱土金属等激发电位较低的元素的测定。1火焰分光光度计主要由光源（火焰）、单色器及检测系统三部分组成，如图（117）所示。图 117 火焰分光光度计示意图光源包括供气系统、喷雾器和燃烧器三部分，其作用是将被测试液雾化、并与燃烧气混合
31、后，在燃烧器上燃烧使被测元素在火焰中受到激发而产生光谱。常用的燃烧气体是空气丙烷和空气乙炔，其火焰温度分别约为 1900和 2300。分光系统一般用棱镜或光栅作单色器。检测系统一般用光电管或光电倍增管，经放大器放大、由检流计、记录仪或显示器记录读数。2.定量分析方法 火焰光度法定量分析的依据为：I = aCb,由于火焰燃烧较为稳定，参数 a 是一个常数，一般试液浓度很低，自吸现象可以忽略， b = 1 ，于是：I=aC（119）（1）标准曲线法配制一系列待测元素的标准溶液，在选定波长处，用空白喷雾燃烧，调节检流计读数为零，再将浓度最大的标准溶液引入火焰，调节检流计为最大读数。然后，再依此将各标
32、准溶液引入火焰，测出相应读数，将读数对浓度绘制标准曲线。最后，将试液引入火焰测其读数，并由标准曲线求得其含量。（2）标准加入法在没有自吸的浓度范围内，将待测溶液分为等同的 A、B 两份，往 B 中加入已知量的被测元素，然后，将这两份溶液稀释至相同体积，分别进行测定。令 IA 和 IB 分别为两溶液在光度计上的读数，CX 和 CS 分别为试液中待测元素和加入的被测元素的浓度，则：IA=KCX，IB=K（ CX +CS ）（1110）（3）内标法其原理和内标的选择与摄谱分析的内标法相同。在每一个标准溶液和试液中加入固定量的内标元素，测量待测元素和内标元素的辐射强度的比值，由各比值对相应标准溶液的浓
33、度绘制标准曲线，由试液的比值从标准曲线中求出待测元素的含量。第三节荧光分析和化学发光分析一、概述有些物质的分子或原子吸收了相应的能量被激发至较高能量的激发态后，在返回基态的过程中伴随着光的辐射，这种现象称为分子或原子发光。荧光或磷光(fluorescence or phosphorescence)分析一般是指分子吸收光能而发光的分析；而原子吸收光能而发光的分析，称为原子荧光分析；因吸收化学反应或生物体释放的能量激发而发光的分析称为化学或生物化学发光分析(chemiluminescence analysis or biochemiluminescence analysis)。由于物质结构的不同，
34、所吸收的能量和发射光的波长就有所不同，据此可进行定性分析；同一种物质，在相同条件下，浓度不同，发光强度不同，据此可进行定量分析。荧光分析和化学发光分析均具有较高的选择性和灵敏度，通常其灵敏度比分子吸光光度法高个数量级。二、荧光分析的基本原理1荧光的产生荧光的波长，可以与其吸收的激发光波长相同，称之为共振荧光。由于物质吸收了一定波长的光能后，先在其内部进行了无辐射跃迁的能量转移后，再以光的形式释放出来。所以多数情况下，荧光的波长比激发光波长长。这种现象称为斯托克斯位移，斯托克斯位移越大，激发光对荧光的干扰越小，当它们相差大于nm 时，就可以很好的进行荧光测定。物质对光能的吸收、转移、辐射的的情况
35、，如图(118)所示。图 118 光能的吸收、转移、发射示意图 从图(118)中可以看出，物质吸收了光能后，分子中的某些电子从基态的最低振动能级跃迁至较高的电子能级中的某些振动能级后，由于分子间的相互碰撞，消耗了一定的能量(无辐射跃迁)而降落至第一电子激发态的最高振动能级，然后通过振动松弛(无辐射跃迁)跃迁到第一电子激发态的最低振动能级。由此最低振动能级再降落至基态中的某些不同振动能级的同时，发射出比其吸收的波长稍长的光辐射，即荧光。有的物质分子吸收光能并降落至第一电子激发态的最低振动能级后，不继续降落至基态，而是通过再一次无辐射跃迁至一中间的亚稳态(称为系间跨跃)，分子在该亚稳态稍事停留、通
36、过无辐射跃迁至此激发态的最低振动能级后，再发出光辐射而回到基态的各振动能级，这种辐射称之为磷光。当某些分子跃迁至亚稳状态后，通过热激活作用可再回到第一电子激发态的各个振动能级，然后由该激发态的最低振动能级返回基态而发射荧光，这种荧光称为迟滞荧光。荧光和磷光的区别在于其发光途径不同，磷光的能量比荧光低，波长比荧光的长，从激发到发光，磷光所需途径长、时间长，有时在入射光源关闭后，还能看到磷光，其发射时间约在照射后的 10410 秒之间，而荧光在关闭光源后随即消失，其发射时间约在照射后的1081014 秒之间。2激发光谱与荧光光谱图 119 硫酸奎宁的激发光谱（a）及荧光光谱（b）用不同波长的激发光
37、对物质进行扫描，来测定其发射荧光的强度，然后以荧光强度对激发光波长作图，得到荧光物质的激发光谱，即其表观吸收光谱。激发光谱中最高峰的波长、能使荧光物质发射最强的荧光，为该物质的最大激发波长。荧光的产生是由第一电子激发态的最低振动能级开始的，而与分子被激发至哪一能级无关。如果固定激发光的波长和强度不变，对分子发射的荧光波长扫描，依次测定其荧光强度，以荧光强度对相应的荧光波长作图，得到荧光物质的发射光谱，简称荧光光谱。荧光光谱的波长和形状与激发光的波长无关，但荧光强度与其有关。荧光光谱中最高峰的波长，为该物质的最大发射波长，如图（119）所示。一般来讲，测定激发光谱时，是将物质的发射波长固定为最大
38、发射波长；测定其荧光光谱时，是将其激发波长固定为最大激发波长。3荧光强度与溶液浓度的关系荧光是由物质吸光后而发出的辐射，因此，溶液的荧光强度与该溶液的吸光度及荧光物质发射的荧光效率有关。溶液被入射光激发后，可以在溶液的各个方向观察到荧光，但由于激发光部分可透过溶液，所以，一般应在与激发光垂直方向观测荧光，如图（1110）所示。图 1110 溶液的荧光图中入射光强度为 I0，透过光强度为 It，则溶液的荧光强度为： (I0 It)式中 为荧光的量子效率。=10-则 (I0 I010-)= I0 (1-10-)= I0 (1-e-2。303)当溶液浓度很稀，=0.05 时，e-2。3032.303
39、，则： 2.303 I0 （1111）对于一定的物质来讲，当入射光波长和强度固定、液层厚度固定时，（1111）式可进一步简化为： （1112）式（1112）为荧光分析的定量关系式。该式只有当溶液浓度很稀，0.05 时才成立，否则，荧光强度与溶液浓度不呈线性关系。在浓溶液中，荧光强度往往不随溶液浓度增大而增大，反而由于所谓“自吸收”现象而导致荧光减弱。三、荧光分析仪器荧光分析仪器与一般的光度计有类似之处，都是由光源、单色器、样品池及检测系统四大部件所组成，如图（1111）所示。图 1111 荧光分析仪器结构图荧光分析仪器常用的光源有高压汞蒸气灯及氙孤灯，前者发射的为非连续光谱，后者发射的为nm
40、的连续光谱。为了能分别测定激发光谱和发射光谱、选择合适的激发和发射光、除去干扰光，荧光分析仪器具备两个单色器，即激发光单色器和发射光单色器。荧光光度计是用滤光片作单色器，而荧光分光光度计大都用光栅、有的采用石英棱镜与光栅复合分光，也有的用干涉滤光片作为简化的分光系统。荧光分析所用的样品池，通常为低荧光材料的石英制成的散射光较少的方形池，四面透明，清洗或握执时，应注意任何一面都不能污染。荧光光度计是检测荧光信号，必须避开激发光的影响，因此，检测器与激发光应有一定的角度，通常为直角。四、定量分析方法1标准曲线法配制一系列标准溶液，在同一条件下，分别测定它们和试液的荧光强度，以荧光强度对标准溶液的浓
41、度绘制标准曲线，由试液的荧光强度对照标准曲线求得其含量。绘制标准曲线时，常采用标准系列中较浓的标准溶液为基准，将该溶液的荧光强度调至或，将试剂空白的读数调至，或扣除空白的荧光值。2.比较法取已知量的纯荧光物质配制与试液浓度 C相近的标准溶液 CS，在相同条件下分别测得它们的荧光强度FX 和 FS，若试剂空白的荧光强度为 F0，按下式计算试液的浓度：（1113 ） 五、化学发光分析法（一） 化学发光分析的基本原理能够产生化学发光的反应称为化学发光反应。一个化学发光反应必须能够提供足够的化学能，且能够被发光物质吸收而形成激发态，当其返回基态时以光的形式释放出吸收的能量或把能量转移给另一个能量接受体
42、并产生化学发光。如：化学激发 A + B C* + D，化学发光 C*C+ hf（直接化学发光）或化学激发 A + B + C AB + C*化学发光 C*C+ hf（敏化化学发光）在气相、液相或固相中进行的化学发光反应，分别称为气相、液相或固相化学发光；在两相界面上进行的，则称为异相化学发光。一定条件下，利用化学发光强度与反应物浓度之间的关系，即可进行定量分析。（二） 化学发光反应的主要类型1.液相化学发光此类化学发光在分析化学中的应用最为广泛。常用的发光试剂有鲁米诺、光泽精、草酸酯等。例如，鲁米诺（3氨基邻苯二甲酰环肼）在碱性条件下，被 H2O2 氧化可产生最大发射波长为 425nm 的化
43、学发光，发光效率为 0.010.05。其历程为：+hf（1）除 H2O2 以外，O2、OCl、ClO2、I2、MnO4、NO2 等氧化剂也可以氧化鲁米诺产生化学发光，故鲁米诺化学发光体系可用于此类氧化剂的检测。（2）由于氧化酶催化的生化反应大都涉及到 H2O2 的产生，所以鲁米诺化学发光体系可通过 H2O2 来检测酶促反应的底物、各类氧化酶的活性以及研究生化反应。（3）鲁米诺化学发光反应通常较慢，常需要用催化剂催化加快反应速度，许多金属离子能催化该发光体系如：Co（）、Cu（）、Ni（）、Cr（）、Fe（、）、Ag（）、Au（）、Mn（）、Hg（）、Os（、）、Ru（）、V（）、Ir（）等离子
44、，所以，该体系可用于这些离子的测定。2.气相化学发光 气相化学发光反应的种类有很多，其主要测定对象有两类，一类是常温下即为气体的氢化物、硫化物、氮化物、臭氧、已烯等；另一类是在火焰中易生成气态原子的 P、N、S、Te 等元素。例如：NO + O3NO2* + O2NO2 +hf， 利用该反应可以测定各种氮化物。再如：O + O + SO2O2 + SO*2 SO2 + hf，利用该反应可以测定试样中的 SO2 等硫化物的含量。3.异相化学发光在两相界面上所产生的化学发光称为异相化学发光。例如，在含有没食子酸和罗丹明 B 的玻璃圆盘或硅胶上，O3 与没食子酸起氧化反应后形成高能中间体 A*，它把
45、能量转移给罗丹明 B，使其处于激发态，然后进行化学发光：没食子酸+O3A*+O2 罗丹明 B+A*罗丹明 B* 罗丹明 B* 罗丹明 B+hf，该反应可测定大气中的 O3。4.生物化学发光生物化学发光反应通常都是酶促反应，具有很高的发光效率和很高的选择性和灵敏度。其中荧光虫素生物发光体系测定三磷酸腺苷（ATP）是生物发光分析的成功实例。在荧光虫素酶（E）与 Mg（）存在时，荧光虫素与 ATP 反应，生成荧光虫素与磷酸腺苷（AMP）的复合物和焦磷酸镁，然后复合物与氧发生反应，产生化学发光。（三）化学发光分析仪器化学发光分析仪器不需要激发光源，一般也不需要性能很好的分光系统，故具有结构简单，价格便
46、宜的优点。化学发光仪一般由进样装置、发光反应池、光电转换器、信号放大及记录系统组成。根据进样方式的不同，液相化学发光仪可分为分立取样式和流动注射式两种类型。1分立取样式该仪器是一种在静态下测量化学发光信号的装置，如图（1112）所示。它是利用移液管或注射器将试剂与样品加入反应室中进行化学发光反应，然后由检测器测定其发光信号，根据发光峰面积或峰高进行定量测定。2.流动注射式 该仪器是一种动态的自动分析仪器，如图（1113）所示。如用鲁米诺化学发光体系测定金属离子时，发光试剂、H2O2 及分析溶液由蠕动泵驱动流经各管路，发光试剂与 H2O2 溶液首先混合形成载流，样品溶液通过注射阀注射到连续的载流
47、中，试样在管路中产生化学发光，通过调节泵的转速、管道的长度及内径，可使产生的化学发光在流动池内达到最大，并被检测记录下来。在流动注射分析系统中，测定是连续和自动化的，所以有着较高的精密度。第四节红外光谱分析一、概述利用物质对红外光（波长为 0.781000m）的吸收进行定性、定量及结构分析的方法称为红外光谱(infrared spectrometry)分析法。通常将红外光分为三个区域：波长在 0.782.5m 为近红外区,主要是某些能量较低的电子跃迁，也包含某些含氧原子团，如 CH、NH、OH 等的振动能级跃迁产生泛频吸收。波长在 2.525m 为中红外区,主要是由分子的振动和转动能级跃迁产生
48、吸收。大多数有机物和无机物的化学键的基频吸收均在此谱区内。是有机物结构及定性分析应用较多的区域。波长在 251000m为远红外区,主要是气体分子的纯转动能级跃迁及重原子（卤素原子、S 原子等）伸缩振动产生吸收。红外吸收光谱主要是由于分子的振动及转动能级跃迁产生的吸收，分子的振动和转动决定于分子的原子组成、空间分布及化学键性质等分子结构与组成的特征，所以，红外吸收光谱最重要和最广泛的应用，是对有机物的定性和结构分析。对于结构复杂的有机物，它能较为准确地测定出它的组成和结构，被誉为有机物的“指纹”。物质对红外光的吸收也符合朗伯比耳定律。但由于物质对红外光的吸收比对紫外、可见光的吸收弱的多，使定量分
49、析的难度较大，实际应用不多。二、红外光谱与分子结构的关系1.分子的振动与红外光谱红外光谱是由于分子吸收红外光波的能量，使成键原子发生振动能级跃迁所引起的吸收光谱。分子中原子的振动方式可分为两大类：一类是沿着键轴的伸长和缩短，称为伸缩振动，振动时键长有变化，但键角不变。另一类是离开或向着键轴的弯曲变形，称为弯曲振动。振动时键长不变，但键角常有变化。分子的振动并不都能引起红外吸收。如 CO2 等高度对称结构的分子振动，不能引起偶极炬的变化，故不产生红外吸收。只有那些改变分子偶极炬的大小或方向的振动才能产生红外吸收光谱。不同的化学键，强度不同，即便是振动形式相同，吸收频率也不同，同一基团基本上是相对稳定在某一特定范围内出现吸收。2分子的结构与红外光谱若有 N 个原子组
