1、仪器分析,赵竹青 Tel:87281539(home)87282163(office) Email:,主要内容,绪论 光谱分析导论 紫外-可见分光光谱法 原子吸收光谱法 红外吸收光谱法 发射光谱法（部分） 色谱分析 极谱分析,要求,严守课堂纪律 做好课堂笔记 独立完成作业 认真完成实验 及时提出问题 成绩评定：平时20%，实验30%，考试50%,参考书,1、现代仪器分析 中国农业大学出版社 2、仪器分析 朱世盛编 复旦大学出版社 3、仪器分析 朱明华编 高等教育出版社4、现代仪器分析 清华大学出版社5、有机仪器分析 陈贻文编 湖南大学出版社 6、仪器分析原理 斯科格等编（美） 上海科技出版社
2、7、农业仪器分析法 严国光等编 农业出版社8、仪器分析原理及其在农业中的应用 严国光等编 科学出版社,第一章 绪论,第一节仪器分析学科的性质与分类 一、分析化学与仪器分析 分析：指对物质和事进行研究，取得信息，以确定物质的组成，结构或事物的变化特征和规律。,物质分析（substance analysis） 事物分析(matter analysis),事物分析研究方法：调查研究-归纳-思考-特征和变化规律。 物质分析的研究方法：分析化学(analytical chemistry) 分析化学：化学分析(chemical analysis)和物理物化分析（仪器分析，instrumental anal
3、ysis）,二 仪器分析学科的性质,仪器分析：根据物质的理化性质，采用分析仪器探测物质的物理化学信息，通过计算机处理，得到物质的化学组成和结构信息，实现对物质进行定量定性分析的目的,仪器分析的特点,多学科交叉 功能强 速度块 灵敏度高 重现行好,三 仪器分析分类,光学分析：以物质的光学性质为特征信息，以光的辐射为分析信号的仪器分析方法。 光谱特征：紫外，可见，红外，荧光 光与物质作用：发射，散射，衍射，旋转,电分析,电流分析，电位分析，电导分析，电重量分析，库仑法，伏安法。,分离分析(separate analysis)：色谱法，电泳法，质谱法,其它(other analysis)：电子显微镜
4、，超速离心机，放射性技术等,第二节 仪器分析的分析过程,物质取得物质的物理或物理化学性质的信息 分析仪器（硬件） 进行数学处理得到物质的组成和结构 计算机(软件) ,第三节 分析仪器,一、分析仪器的基本结构 分析信号发生器 信号检测器 信息处理器 结果显示器,二、分析仪器对测定结果的影响,分析技术 分析方法 分析仪器测定结果的可靠性与仪器特性好坏、灵敏度、重复性、准确度有关； 与仪器使用是否得当有关。,仪器分析的发展趋势,在线检测 快速多维捕捉分析信息 多功能化 智能化,第二章 光谱分析导论 Chapter Two Introduction of spectroscopic analysis,
5、第一节 光的性质 The characterization of ligh),一、光的波动性(Characterization of light waves),波动性参数： （波长,Wavelength）;n（频率,frequency）; C（光速,The velocity of light） 1（波数,wave number） 关系式CC,单色光(monochromatic light)-只含一种频率或波长的光。 复合光(multichromatic lights)-多种频率或波长的光。 散射光(杂散光，(scatting light)-指定波长外的光。,光波长与能量,光谱区 波长范围 常用
6、单位 E射线 0.005-1.4 A A 100 eVX射线 0.1-100 A A 远紫外 10-200 nm A or nm 124-6.2 ev紫 外 200-380nm A or nm 6.2-3.26 ev可见光 380-780nm A or nm 3.26-1.59 ev 近红外780-2500nm A or nm 1.59-0.50 ev中红外2.5-50m m or v 0.50-0.025 ev 远红外 50-300 m m or v 0.025-0.004 ev 微 波 0.3 mm-1m mm cm m 0.001eV 无线电波 1-1000 M,光与物质的颜色,We “
7、see” objects by means of either transmitted (透过) or reflected （反射）light. When “white light” containing a whole spectrum of wavelengths, passes through a medium（介质） such a colored glass or a chemical solution which is transparent to certain wavelengths but absorbs others, the medium appears colored t
8、o the observer. Since only the transmitted wave reach the eye, their wavelengths dictate the color of the medium. This color is said to be complementary（互补）to the color that would be perceived（感觉） if the absorbed light could be inspected, because the transmitted and absorbed light together make up t
9、he original white light. Similarly opaque colored objects absorb some wavelengths and reflect others when illuminated with white light.,可见光颜色与互补色,Wavelength,nm Color Complementary color400-435 Violet Yellow-green435-480 Blue Yellow480-490 Green-blue Orange490-500 Blue-green Red500-560 Green Purple（紫
10、红）560-580 Yellow-green Violet580-595 Yellow Blue595-610 Orange Green-blue610-750 Red Blue-green,二、光的微粒性(Microparticle characterization of light ),Parameter of microparticle characterization ：E E=hv=hC/ hPlancks constanth=4.1410-15ev.sec =6.62610-27erg.secC=31010cm/sec One photon energy:E=1240/ (ev)
11、的单位为 nm,第二节 原子与分子的能级及电子在能级间的跃迁 Atoms and molecules energy levels and electronic transition on levels,一、原子能级及电子在能级间的跃迁（Atoms energy levels and electronic transition on levels）,Atoms energy levels ： E 1-20 ev on UV-Vis spctrum 原子光谱的特征（Characterization of atoms spectrum）： 电子能级间的跃迁,属电子光谱,线状光谱（Transition
12、 on electronic levels, electronic spectrum, linear spectrum.）,二、分子的能级及电子在能级间的跃迁molecules energy levels and electronic transition on levels）,UV-Vis:电子、带状光谱。在特定条件下,能反映振动能级的精细结构 Infrared:振动、带状光谱, 在特定条件下, 能反映转动能级的精细结构,nAtoms spectrum: Electronic transitions on electronic levels Electronic spectrumLinear
13、 spectrum,nMolecules spectrum: UV-Vis: Electronic transitions on electronic levels Electronic spectrum with vibrational fine structure Band spectrum Infrared: Electronic transitions on vibrational levels Vabrational spectrum with rotational fine structure Band spectrum,分子能级 电子能级 能级差 E 1-20 ev 反映价电子能
14、量状况等信息可给出物质的化学性质的信息。(主要用于定量测定) 振动能级 E 0.05-1 ev 反映价键特性等结构信息（红外波区) 。主要用于定性，定量比UV/Vis 差。 转动能级E 0.05-0.005ev反映分子大小、键长度、折合质量等分子特性的信息(远红外区） 。,二、物质和光的作用（Interaction of light and matter）,当一束光照射到物体上时,除透过部分光与分子没有作用外,物质将吸收和散射一部分光。 When a beam of radiation strikes any object it can absorbed, scattered, reflect
15、ed or it can excite fluorescence except transmitted light.,1. 物质吸收光的过程,分子吸收光能,吸收时间极短,只有10-15 sec.,电子由基态跃迁到较高能态的激发态。 X + hv X* 激发态的寿命很短,约为10-8 sec.,然后以发生光物理和光化学反应后,以下列形式回到基态。,A、激发分子与其它分子相碰,损失能量产生热能后回到基态,称无辐射退激。 X* X + 热能 B. 激发分子发射光子直接回到基态: X* X + hv 如发射光的波长等于入射光的波长,这种发射称共振发射,其谱线称共振谱线。对分子来说,这种可能性很少,对原
16、子来说,可能性较大。,C. 激发分子与其它分子相碰,一部分能量转化为热能后,下降到第一激发态的最低振动能级,然后再回到基态的其它振动能级并发射光子,这种发射光称荧光。 X* X + hv + 热能 荧光的发射波长比入射光的波长长。 D、激发分子与其它分子相碰,一部分能量转化为热能后,下降到第一激发态的最低振动能级,它不直接跃迁回到基态而是转入到亚稳的三重态,分子在三重态的寿命较长(从10-4 sec.到10sec.),然后再回到基态的其它振动能级并发射光子,这种发射光称磷光。,2. 物质散射光的过程拉曼(raman)散射 入射光与分子碰撞后,可发生弹性散射或非弹性散射。 弹性散射时,光子与分子
17、无能量交换,仅光子方向改变,这种散射称瑞利散射。 非弹性散射有两种情况:,A.斯托克斯散射 入射光与基态分子碰撞后,将一部分能量给了分子,于是散射光的能量比入射光的能量下降,即波长变长。散射光谱中的谱线称斯托克斯谱线。,B.反斯托克斯散射 入射光与振动能级处于较高能态的分子发生非弹性碰撞后,被碰撞分子由较高的振动能级跃回较低能级,其能量的差值给了光子,于是,光子能量增加,产生的谱线波长比入射光的波长更短,此谱线称反斯托克斯线。散射光的能量比入射光的能量下降,即波长变长。散射光谱中的谱线称斯托克斯谱线。,第三节 物质的光谱与光谱分析 Spectrum of matter and spectros
18、copic analysis,一、光谱的基本类型 按照光谱产生的方式可分: 1吸收光谱(absorbed spectrum) 原子吸收光谱(如AA)； 分子吸收光谱(如 UV/VI,IR 等)。 2. 发射光谱(emission spectrum) 原子发射光谱(原子发射,原子荧光)； 分子发射光谱(分子荧光,磷光)。 散射光谱(拉曼散射光谱,scatter spevtrum),二、光谱分析法(spectroscopic analysis) 利用各种光谱包含着原子或分子能级结构和含量的信息,作定性和定量分析的方法。 主要光谱分析法有： 1、吸收光谱法原子吸收光谱法(AA) 分子吸收光谱法(如
19、UV/VI,IR 等) 2、发射光谱法 原子发射光谱法(原子发射,原子荧光) 分子发射光谱法(分子荧光,磷光) 3、散射光谱法(拉曼散射光谱法),第四节 光谱仪 Spectroscopic instruments,光谱仪的作用: 通过分析过程的信息传递链,取得样品的真实光谱。,光谱仪的基本构成:,1、 *:光源(Souse) 2、:单色器 (Monochromator) 3、:样品池 (Sample cell)或: 原子化器(Atomiser) 4、:检测器(Detector) 5、:信号转换、处理器(Transmodulator) 6、: 显示器 (Display),光谱仪的几种基本模式,吸
20、收光谱仪 光源-单色器-样品池-检测器-信号处理器-显示器 （A分子光谱）光源-原子化器-单色器-检测器-信号处理器-显示器 （B原子光谱）,发射、荧光等光谱仪,C 光源-单色器-样品池-单色器-检测器-信号处理器-显示器(分子光谱） D1原子化器-单色器-检测器-信号处理器-显示器（原子光谱） D2光源-单色器-原子化器-单色器-检测器-信号处理器-显示器（原子光谱）,第三章 紫外可见吸收光谱分析法 （Ultraviolet Visible Spectrophotometer，简称 UV-Vis）,第一节 紫外可见光谱法基本原理 The Theory of UV-Vis Spectropho
21、tometry,一、紫外可见吸收光谱与分子结构的关系（UV-Vis absorbed spectrum molecular structure relation） 1. UV-Vis吸收的化学由来（Chemical origins of UV-Vis absorption） 分子外层电子的分子轨道可以分为五种,即成键与* 反键轨道,成键与*反键轨道,非键轨道。,A. 分子轨道(bonding) molecular orbital), 如: -C-C- B.键轨道(bonding) molecular orbital),如: CC CO -NN- -CC-C.键轨道(non-bonding) m
22、olecular orbital),如： -C-Br: -CO:H -C-N:H D. *反键轨道(sigma star)orbital E. *反键轨道(pi star)orbital,2、分子电子能级和跃迁（Molecular-electronic orbital and transition）,The following electronic transition can therefore occur by the absorption of ultraviolet and visible light : *，*，*,* , *, * .,A. * 跃迁（ * transition）
23、E 较大,跃迁发生在远紫外区,波长范围低于 200nm。如甲烷(125nm),乙烷 (135 nm)。,B.* 跃迁(* transition)E 较* 跃迁要小,跃迁发生在150-250nm波长范围内。如含有杂原子饱和烃衍生物。摩尔吸收系数一般在100-300范围内。,由* 跃迁而产生吸收的一些例子,化合物 最大波长（nm) 摩尔吸收系数 H2O 167 1480 (CH3)2S 229 140CH3 OH 184 150 (CH3)2O 184 2520CH3Cl 173 200 CH3NH2 215 600CH3Br 204 200 (CH3)2NH 220 100CH3I 258 36
24、5 (CH3)3N 227 900,C. * 和 * 跃迁,* 和* 跃迁的吸收特征,Page 21,3.分子结构和光谱的相互关系（Correlation of molecular structure and spectrum）,A.共轭效应（Conjugation effect ）当分子含有多个键,并且被单键隔开时,共轭效应增加,* 跃迁能量更低,吸收光谱最大吸收峰向长波方向移动,摩尔吸收系数增大。称红移效应(red shift effect)。,如: max(nm) max CC 180-200 10000CCCC 217 21000CCCCCC 258 35000,The same ef
25、fect occurs when groups containing n electrons are conjugated with a electron group,含有电子芳香体系,最大吸收向紫外方向移动。称蓝移效应(blue shift effect)。,生色团与助色团,生色团又称发色团。在有机化合物中哈有多个键，对200nm以上的辐射具有吸收性，人们把这些使物质具有颜色的基团称发色团。 助色团：有些基团本身不使物质具有颜色，但会增大某一发色团的发色能力，这样的基团称为助色团。,二、定量分析的基础Beer - Lambert定律,A=Kcl A=cl 在一定的浓度范围内，物质对某一波长的
26、光的吸光值与物质的浓度成正比，与光通过的路径成正比。,偏离Beer-Lambert定律的因素,浓度过高 非单色光 非吸收光 散色 其他因素,第一节 紫外可见分光光度计 (UV-Vis spectrophotometer),分光光度计的组成（Spectrophotometer component parts) 光源-单色器-比色槽-检测器-显示器钨灯 钨卤灯 氘灯,1光源,A 高强度( High intensity) B.宽波长范围( Wide spectral range) C.稳定的输出( Stable output) D.长寿命( Long life ) E.价格低( Low cost)
27、F.适宜的尺寸( Optimum size),Lamp Tungsten Tungsten-halogen Deuterium 波长 330-2500 200-900 190-370 寿命 长 长 短 输出能量 15%在可见区 高 高与V4成正比,2单色器,1. 要求特性( Desirable characteristics of monochromatoes) A.高效能( High efficiency or throughput )B.宽波长范围 (Wide wavelength range) C.容易调节波长(Easily selected wavelength)D.好的波长精度和重现
28、性(Good wavelength accuracy and reproducibility)E.高的光谱纯度( High spectral purity)F.好的机械稳定性( Good mechanical stability),滤光片单色器( filter monochromator),组成: 入口狭缝,滤光片口,狭缝三部分组成。 （entrance slit） （filter）（exit slit） 性能： 吸收滤片 干涉滤光片absorbed filter Interference filter 光谱通带宽度(nm) 20-30 10-15 透过率( T% ) 5-20% 40-60%
29、,棱镜和光栅单色器(Prisms and Gratings Monochromator),光谱通带宽度 少于 1nm 组成: 狭缝（slit：entrance slit, exit slit）色散元件（dispersive element）准直元件: 透镜(focus mirror)、反射镜(mirror),棱镜和光栅单色器比较：,A、光栅为匀排光谱,棱镜为非匀排光谱。光栅所采用的狭缝可产生几乎恒定的光谱通带而与波长无关。棱镜要得到恒定的带宽时,长波时要求狭缝窄,短波时要求狭缝宽一些。 光栅200 400 600 800 1000 1200nm 棱镜200 300 400 600 800 10
30、00 1200 n m,B 光栅对温度不敏感,棱镜对温度很敏感(折射率n与温度有关)。C、光栅存在着潜在的杂散光源。D、光栅需要有一个“级消除滤光片(order-sorting filters)”以消除/2,/3,等波长的干扰。 E、光栅光能量消耗大。,3 样品池 ( Sample cell),按材料不同分: 玻璃池 340-1000nm石英池 200-340nm紫外级石英池 185-220nm 按用途分: 常用比色池 0.5, 1.0, 1.5, 2.0厘米,微 量 池 0.5毫升以下流 动 池 5-11微升,注意：样品池使用前必需进行以下测定: 玻璃池: 365nm时, 每个池之间T0.5
31、%,即A0.002 石英池: 240nm时, 每个池之间T1.5%, 即A0.007,4 检测器 ( Detectors ),作用: 光信号转变为电信号。 A. 几种光检测器性能的比较光电池 光电管 光电倍增管(photocells) (phototubes)(hotomultipliers)波长(nm) 400-750 190-650(蓝敏) 180-900(Wavelength) 600-1000(红敏)响应速度 慢 约10-8 秒 10-9 秒灵敏度 低 105 -106 108 -109,B、结构和作用 a. 真空光电管（Vacuum Phototube）篮敏光电管阴极镀有光电发射材料
32、金属锑和铯。红敏光电管阴极镀有光电发射材料金属银和氧化铯。 b.光电倍增管（Photomultipliers）作用: 除了将光信号转变为电信号作用外,还具有放大作用。,二、分光光度计的结构（Spectrophotometer configurations）,1、单光束争光光度计(Single beam instruments ) 优点:结构简单,易操作,灵敏度高。 缺点:光源不稳定影响结果的准确性和重现性。 2、双光束分光光度计（Double Beam spectrophotometer） 特点: 消除光源不稳定的影响,灵敏度没有单光束那么高,第三节 定性和定量分析 Quantitative
33、and Qualitative Analysis,一.仪器条件的选择1.测量波长的选择 A. 优先选择最大吸收波长 B.最大波长受到共存杂质干扰时,选择次强波长。 C 最大波长的吸收峰太尖锐,测量波长难以重复时,选择次强波长。,2. 透过率或吸光度的范围的选择 选择T15%-70%或A0.150-0.800之间。 3. 狭缝宽度的选择 定性分析：选择较小的狭缝,以尽量保留振动能级跃迁的精细结构。 定量分析：在吸光度稳定的情况下,选用最少狭缝。 4. 样品池选择 根据测定波长、溶液浓度(选择L)等选择。,二. 定性分析（Qualitative Analysis） 未知试样检定 根据光谱形状(极大
34、、极小和拐点波长)吸收峰数目,位置与标准试样比较。 2、有机化合物分子结构的推测 3、同份异构体鉴别 如己二酮异构体鉴别 4.纯度的检查,5 反应条件的选择 a.酸度 b.显色剂浓度 c. 显色时间与反应温度 d.共存离子干扰,测定误差与吸光值关系,AlogTlog100/T2-logT-logTKCL . 左边换成自然对数后,求导得: -0.4343.dT/TKLdC/得: dC/C0.4343 dT/T logT 即: C/C0.4343 T/T logT,T A （C/C）1000.95 0.022 10.20.80 0.097 2.800.70 0.155 2.00 0.60 0.22
35、2 1.63 0.40 0.399 1.36 0.368 0.434 1.36 0.20 0.699 1.55 0.30 0.523 1.38 0.15 0.824 1.76 0.10 1.000 2.17,三 定量分析（Quantitative Analysis） 标准曲线: 直接分取标准溶液进行光度测定或显色测定所测得的A与C作图得到的曲线。工作曲线: 标准溶液按样品处理进行测定得到的A与C的曲线。 标准加入法：将相同的样品分成 1. 普通的分光光度法 适用于A在0.15-0.8之间的组分的测定,此时仪器所造成的相对误差2%。,2. 高浓度示差分光光度法 当透过率少于15%时(A0.8), 仪器所造成的相对误差2%, 为了减少误差, 可以用示差分光光度法。 A(Cx - Cs)L 设CyCx - Cs 则 CxCy + Cs 设浓度测量相对误差 C/Cy2% 又设Cy只占Cx的10%, 则实际误差只有: 2%10%0.1%,
