《紫外-可见光吸收光谱课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《紫外-可见光吸收光谱课件.ppt（56页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、第9章 仪器分析基础,概述分析化学、仪器分析。介绍几种常见的仪器分析方法的基本原理、仪器组成和适用范围；包括原子发射光谱分析、红外吸收光谱分析、紫外可见光吸收光谱、电位分析、色谱和质谱分析等。,一、分析化学、仪器分析概述,分析化学：通过实验测量来研究物质的组成、含量和结构的学科。获得物质化学组成和结构信息，即物质中有哪些组分，这些组分在物质中如何存在以及各组分的含量等。分析化学可分为定性分析、定量分析和结构分析三个层次；以及化学分析和仪器分析两大类方法。,化学分析,化学分析：基于试样的化学反应以及反应物之间定量关系达到分析目标的方法，主要包括重量分析和容量分析，分别通过测定相关物质的重量或体积
2、进行分析。化学分析主要应用于无机元素和无机化合物的定性、定量分析。目前渐渐被仪器分析所取代。,仪器分析,使用仪器研究试样的性质达到分析目标的方法。包括光谱分析、电分析、质谱分析、色谱分析等。各类别还包含多种不尽相同的分析方法，如光谱分析。,光谱分析的类型,按对象，可分为分子光谱和原子光谱；按分析对象与光的相互作用，可分为吸收光谱、发射光谱、散射光谱等；按光或电磁波谱范围，可从x射线能谱到紫外-可见光谱，再从红外光谱到射频等；从测定系列波长下信号分布情况、还是测定单一波长下的特定信号强度，可分为光谱分析和分光光度分析等。,电磁波谱范围与分子、电子能级的对照关系表,物理性质在仪器分析中的应用-1,
3、物理性质在仪器分析中的应用-2,二、原子发射光谱分析,光是电磁波，具有波粒二象性，可用以下两式描述：=c 其中c为光速，真空中为2.998108ms-1 E=h=h c/其中h(普朗克常数)为6.626 10-34J s原子发射光谱：当物质中原子或离子受到热、电或光的能量激发后，能发射出一些特征电磁辐射。原子发射光谱分析：测量特征辐射的频率（波长）和强度，可以分析物质中元素的种类和含量。,最简单原子-氢原子发射光谱,十九世纪末，里德伯总结的氢原子的发射光谱经验式：其中n1、n2为正整数，且n2 n1；R(里德伯常量)为1.097 107 m1。,红 绿 蓝 紫,H H H H,656.3 48
4、6.1 434.1 410.2/109m0.457 0.617 0.691 0.731/1015s1,氢原子发射光谱,把n1=2，n2=3、4、5、6分别代入里德伯光谱经验式，可算出4条谱线的频率。如n2=4时，=(1.097107)(2.998108)=0.617 1015 s1，与图中的H线相符。当n1=1，n2 1或n1=3，n2 3时，可分别求得在紫外区或红外区氢原子发射光谱谱线的波长。,原子发射光谱的产生机理,分子吸收电磁波后解离（原子化），原子中的电子从低能级状态（基态）跃迁到高能级状态（激发态）。如氢原子的电子从n1=2 跃迁至n2=4，吸收波长486nm激发态的样品不稳定，经约
5、10-8秒电子返回基态，并辐射出与激发时同样波长的电磁波。如氢原子的电子从n1=4返回至n2=2时，辐射486nm的电磁波，即发射光谱图中的H线。外层电子跃迁的频率范围为200750nm，处于近紫外和可见光区，按波长顺序排列即为原子光谱。,一些原子在可见光区域的发射光谱。,钠 氢钙镁氖,定性和定量分析,定性分析：不同元素的核外电子的能级不同，每种元素的原子或离子可产生一系列特定波长的特征谱线，通过测量元素的原子发射光谱，根据特征谱线可以判断样品中存在什么元素。定量分析：谱线的强度与试样含量成正比。在固定的条件下，通过比较同一谱线的强度，可以分析样品中元素的含量。,原子发射光谱仪,原子发射光谱仪
6、由激发光源、分光系统和检测器组成。原子发射光谱仪装置示意图,原子发射光谱仪,激发光源：高温燃烧（如电感偶合等离子光源）、放电（如电弧光源）、激光等使试样分子分解、原子化、电子激发。如用电弧光源时，可将固体待测样品直接作为电极，或将样品粉碎后放入电极小孔中；溶液样品可蒸发浓缩后滴入电极小孔；有机物可通过干燥灰化后放置在电极上。分光系统：将光源发射的（含试样辐射光线）光束，按波长大小分开的装置。有棱镜分光或光栅分光两种类型。棱镜分光后的光谱是非匀排，光栅分光色散率高，光谱匀排，效果好。,棱镜分光和光栅分光,棱镜分光,光栅分光,检测器：接受样品辐射的电磁波，将其转变为电信号并记录。检测器有摄谱仪、单
7、道光子检测器、多道光子检测器等。其中多道光子检测器，如电荷耦合阵列检测器（CCD）等已成为主流检测器，可实现全光谱多元素的同时定量测定。,仪器装置,应用实例：磷矿石的主、痕量成分分析,电感耦合等离子体原子发射光谱分析磷矿石中磷、钙、铁、锰、镁、铝、钛、钾、钠等九种元素。称取0.1g磷矿石105烘2小时，加氢氟酸10 mL和高氯酸1mL，加热分解至白烟冒尽，再加入高氯酸2 mL加热冒烟至近干，稍冷加18%盐酸5 mL和适量水，加热溶解试样中的可溶性盐类，移入100 mL量瓶定容，转至聚乙烯瓶中供光谱仪测定。分析波长(nm)：磷213.618、钙317.933、铁238.204、锰257.610、
8、镁279.097、铝396.152、钛334.941、钾766.490、钠589.592。检出限(g.mL-1)：磷0.027、钙0.0065、铁0.072、锰0.0098、镁0.0087、铝0.0024、钛0.011、钾0.36、钠0.15。,三、紫外-可见分子吸收分光光度分析,物质在光照下呈现的颜色，是分子吸收了不同波长的可见光的结果。叶绿素a对紫蓝和橙红波段的可见光吸收强烈，而对青绿黄波段吸收很少，因而叶绿素分子呈现青绿黄色。,紫外可见光谱产生机理,不同于原子发射光谱，分子中电子的跃迁、成键原子的相对振动、分子绕质心的转动，都伴随着分子能级跃迁。分子从低能级跃迁到高能级，物质就吸收相应能
9、量电磁波。电子跃迁、振动、转动的能级跃迁所吸收的电磁波分别在紫外、可见光和红外光区域。测量分子对紫外-可见光的吸收，可得到紫外-可见吸收光谱不同电子能级跃迁对应不同波长的吸收。吸收最多的波长为max，如KMnO4溶液对545nm的光吸收最强。不同浓度的溶液，max相同，但是吸收光的强度不同，显然，溶液越浓，吸收光强度越大。,分子吸收分光光度分析原理,应用分光仪器，将包含多种波长的复合光色散成各种单一波长的光，选择可被待测物质吸收的单色光（如max）照射待测物质，测量从溶液中透射的光的强度，经过计算可确定被测物质的浓度。定量依据是朗伯-比尔定律：当一束平行的单色光通过均匀的有色溶液后，溶液的吸光
10、度与溶液浓度及液层厚度的乘积成正比。,分子吸收分光光度分析原理,吸光度（A）：入射光强度（Io）与透射光强度（It）比值的对数，是用来衡量光被吸收程度的物理量。式中T为透光率，朗伯-比尔定律的数学表达式：A=kbc 式中，k为比例系数，b为液层厚度，c为溶液浓度,仪器装置,紫外-可见光分光光度仪主要组件：光源、分光系统、吸收池、检测显示装置紫外-可见分光光度仪示意图,紫外-可见分光光度仪,光源：可见光用钨灯(4001000nm)或卤素灯(320 2500 nm)；紫外光用氢灯或氘灯(180375nm)。分光系统：包括狭缝、棱镜或光栅、准直装置等，可见光分光光度计常用玻璃材质分光器件，由于玻璃对
11、紫外光有吸收，紫外可见光分光光度计常用石英材质分光器件。吸收池：在可见光范围内可使用光学玻璃，在紫外光范围内使用石英。,检测显示装置：较常见的光电倍增管，是在光电转换的基础上，通过多重二次电子倍增发射，将仅数百个光子的信号指数式放大，用计算机显示结果。,紫外-可见分光光度仪,光电倍增管工作原理示意图,定量分析方法,标准曲线法：配制一系列浓度梯度的标准溶液，测定吸光度，得到吸光度-浓度标准曲线。用相同的方法测定待测溶液吸光度，从标准曲线上找出对应的浓度。在仪器、方法和条件都固定时，标准曲线可以多次使用而不必重新制作，因而标准曲线法尤其适用于大批量和经常性的试样分析工作。在可见光区域无色或浅色物质
12、（如金属离子等），可通过加显色剂，实现分光光度分析。常见的显色剂是一些无机或有机配位剂。,多组分试样分光光度法定量,两组分A和B混合物的吸收光谱部分重叠。在A的最大吸收波长1处，B有吸收；而B的最大吸收波长2处，A也有吸收。分别测定1和2两波长处两物质吸光度之和A1A+B和A2A+B，则：A1A+B=A1A+A1B=kA1 bcA+kB1 bcB A2A+B=A2A+A2B=kA2 bcA+kB2 bcB当两组分在A、B两波长的吸收系数aA1、aB1、aA2、aB2均已知，解上述方程组可求得含量cA和cB。,分析方法：Au3+、Ag+的SCN-配位阴离子，与4,4-双（二甲氨基）硫代二苯甲酮（
13、TMK）反应显色，扫描Au-TMK、Ag-TMK吸收光谱，确定Au-TMK和Ag-,应用实例：双波长光度法同时测定金和银,1.试剂空白，2.Ag-TMK，3.Au-TMK,TMK的检测波长分别为518、495nm（图中c、a），参比波长分别为475、597nm（图中d、b），进行双波长光度分析。,乙酸乙酯红外吸收光谱图,用具有红外连续波长辐射的光源照射试样，记录试样的红外吸收光谱，进行定性、定量分析的方法。,四、红外光谱分析,红外吸收光谱的波数,红外光谱用波数(cm-1)表示吸收频率，用透光率T表示吸收的程度。波数与波长和频率的关系：式中c是光速。如碳碳双键的伸缩振动 的频率(4.941013
14、 Hz)换算成波数为：与分子内成键和结构关系密切的是中红外区的光谱，波长2.515m，频率1.210146.01013 Hz，波数4000670cm-1,红外吸收光谱产生机理,分子内部成键原子间相对位置的反复变动、分子本身绕其重心的转动，与分子中的分子振动能级、转动能级的跃迁相关，引发对红外光的吸收。分子振动有对称伸缩振动、不对称伸缩振动、弯曲振动等。如分子内部亚甲基的伸缩振动方式：对称伸缩振动 不对称伸缩振动,红外吸收频率的计算,双原子分子沿成键方向的伸缩振动，类比于弹簧振子的简谐振动。用简谐振动方程描述振动频率：式中，为该化学键两端原子的 折合质量，k为“弹簧”的力常数。分子官能团的红外吸
15、收频率可由此计算。如 C=C 的伸缩振动，k 960(N/m)，折合质量：伸缩振动频率：波数=1645cm-1,红外吸收光谱与物质的结构,常见官能团的红外光谱特征吸收,红外光谱分析仪：色散型红外光谱仪，干涉型红外光谱仪。色散型红外光谱仪：用单色器将光源复合光分光，使单色光依次通过待测试样，测定各波长透光率。,红外吸收光谱仪,红外吸收光谱仪,干涉型红外光谱仪：通过干涉仪，使光源复合光分束后形成相干光，无需分光，计算机全波段测定、解析不同波长信号强度的技术。干涉型红外光谱仪测定速度明显加快，并且无须分光，减少光损失，因而检测灵敏度提高；同时体积大大减小，成为该仪器发展主流的趋势。,定性和结构分析,
16、红外光谱分析时，固体试样常与无机盐（纯KBr）混匀压片，然后直接进行测定。由于红外分光光度仪与紫外可见光分光光度仪相比，光源强度低，检测灵敏度也较低，必须使用较宽的狭缝，这些因素会导致对比尔定律的偏离。所以，红外吸收光度主要用于物质定性和结构分析，较少用于定量分析。,乙酸+正丁醇乙酸丁酯。用红外光谱分析判断反应程度。与丁醇的光谱相比，产物光谱多了1742cm-1峰（C=O伸缩振动)，少了3332cm-1峰（O-H伸缩振动）。说明产物中有酯，几乎无醇。,应用实例：反应产物的判断,产物,原料丁醇,五、电位分析,电化学分析法以待测试样溶液作为化学电池（原电池或电解池）的一部分，根据该电池的相关物理量
17、（如电极电势、电流、电量、电阻等）与待测试样含量的关系进行测定。Nernst方程将电动势与离子浓度等联系起来，是电化学分析的理论基础。常见的电化学分析方法有：测定电极电势和电动势的电位分析，测定电阻的电导分析，测定电量的库仑分析，测定电流电压曲线的伏安分析等，本节着重介绍电位分析。,该电池电动势 E=A+/A 参比，因 参比已知，所以测量E，可求得 A+/A，根据Nernst方程求得浓度cA+。参比电极：电极电势不变且数值已知的电极；常见甘汞电极或银/氯化银电极，电极电势为 参比。,电位分析包括指示电极和参比电极。若指示电极的电极电势高于参比电极，原电池为：参比电极A+(c)A,电位分析的原理
18、与电极,银-氯化银电极,指示电极,指示电极：对待测离子敏感的选择性电极，有金属电极或离子选择性膜电极等，电极电势为 A+/A。金属电极：由金属及其离子构成。如锌丝插入Zn2+溶液，构成能响应Zn2+浓度的锌电极。金属电极还可指示阴离子浓度，如Ag+AgCl/Cl 电极可测定Cl浓度。离子选择性膜电极：电极表面含有对特定离子有选择性响应的敏感元件（选择膜），被测离子在膜内外的浓度差异产生电位差。敏感元件是膜电极的关键，可以是单晶、混晶、液膜、高分子功能膜及生物膜等。,离子选择性膜电极的结构。pH玻璃电极：由特殊薄玻璃膜制成，可测H浓度。玻璃膜是非晶体膜，在SiO2基质中加入Na2O、Li2O和C
19、aO烧结而成，厚度约为0.05mm。,指示电极,pH玻璃电极结构示意图1-玻璃膜；2-外壳；3-HCl溶液；4-内参比电极；5-绝缘套；6-引线；7-插头,膜电极结构示意图,离子选择性膜电极,氟离子选择性电极：敏感膜为掺有氟化铕（EuF2）的氟化镧（LaF3）单晶。,二氧化碳的气敏电极：玻璃电极外上覆盖一层可吸收CO2分子的溶液，气体渗入溶液，引起pH值的变化，导致玻璃电极电势的变化。,应用实例：血清及指血中氟的电位分析,氟离子选择性膜电极和饱和甘汞电极组成电对，由电化学分析仪进行电位分析。(1)血清氟：取0.25mL血清，加0.25mL总离子强度调节剂（由酸碱缓冲溶剂和强电解质盐组成，调节溶
20、液酸度和导电性：1.0 mol.L-1 氯化钠、0.2mol.L-1 醋酸、0.75 mol.L-1 醋酸钠、0.1 mol.L-1柠檬酸钠、0.1 mol.L-1 乙二胺四乙酸二钠，pH5.05.5），作为供试液。(2)手指全血氟：取0.24mL总离子强度调节剂，加0.24mL水稀释，再取手指全血20l注入测量杯中，待完全溶血后，作为供试液。,六、色谱分析,进行物质分析时，待测物常是含有数种组分的混合物、而非纯净物，需要先行分离，再分别分析测定组分的含量或浓度。常用的仪器分离分析方法有：色谱法和高效毛细管电泳法。色谱法：基于不同组分在固定相、流动相之间吸附或分配平衡的差异实现分离，结合分光光
21、度分析、电化学等检测器进行组分的定量分析。,色谱分离基本原理,色谱分离是待分离的组分在固定相和流动相两相之间的不断分配、达到分离的过程。固定相有较大比表面积，是多孔的微粒或键合在多孔微粒表面的薄层液体。流动相携带试样组分渗滤过固定相，是气体或液体,色谱分离基本原理,流动相携试样组分流经固定相时，试样组分与固定相存在相互作用。若固定相为固体，发生吸附/脱附作用；若固定相为通过化学键结合在固体表面的薄层液体，发生溶解（或萃取）/洗脱作用。因为不同组分在性质和结构上的差异，与固定相的作用力的强弱不同；如吸附/脱附可随分子量而变化，溶解能力可 随分子的极性而变化等。各组分经反复多次吸附/脱附（或溶解分
22、配）平衡，被固定相保留的时间不同而逐渐分离，按次序流出。,色谱法的分类,色谱分析主要包括气相色谱和高效液相色谱,气相色谱仪,1-载气钢瓶；2-减压阀；3-净化干燥管；4-针形阀；5-流量计；6-进样器；7-色谱柱；8-检测器,高效液相色谱仪,由高压输液系统、进样阀、色谱分离柱、检测器、数据记录处理系统等组成。其中高压输液系统包括储液瓶、高压输液泵、流动相梯度混合装置等。,常见检测器,常见气相色谱热导检测器（TCD）和高效液相色谱紫外光度检测器（UV），适于定量测定。而质谱仪或红外光谱仪等作为色谱检测器，可用于组分定性和结构分析。,TCD是通用性检测器。热敏电热丝通电于控温的检测池内，当不同导热
23、系数的气体流过时，引起电热丝与池体间的温度变化，导致热敏电热丝的电阻变化；电磁阀切换待测气体与流动相参比气体交替进入TCD，记录两信号之差。,UV检测器是选取适合的紫外-可见波长单色光，照射色谱柱后的流通池，用光电转换装置检测透射光强以定量(A)。若用阵列光电转换器(如二极管阵列检测器)，可同时测定色谱柱后多波长紫外-可见吸收光谱(B)。,常见检测器,A,B,色谱图,试样组分经色谱分离，从柱后流出产生响应信号，记录成为色谱图。纵坐标为信号强度，横坐标为组分在柱内的停留时间。,tR保留时间，tM 死时间（组分在流动相中停留时间），调整保留时间tR=tR-tM（组分在固定相中停留时间）。,色谱定量
24、方法,根据色谱峰的面积（或高度）推算进行定量。如果组分i的质量mi与峰面积Ai成正比：mi=fiAi，fi为校正因子，可通过称取一定质量mi的标准样i进行色谱分析，测量峰面积Ai求得。如果组分i的质量mi与峰面积Ai不成正比，需称取一系列质量mi1、mi2、mi3的样品，测量色谱峰面积Ai1、Ai2、Ai3，制作miAi标准曲线；最后测量未知试样的色谱峰面积求得质量。,应用实例：蔬菜中农药残留量分析,苯基聚硅苯-硅氧烷键合固定相，氮气流动相，氮磷检测器。,1.甲胺磷，2.乙酰甲胺磷，3.甲拌磷，4.氧化乐果，5.毒死蜱，6.甲基对硫磷，7.对硫磷，8.克百威，9.抗蚜威,取3 kg蔬菜制成匀浆
25、；匀浆10 g加二氯甲烷70 mL，加无水硫酸钠30100 g脱水。加活性炭0.20.8 g脱色；振摇0.5小时过滤。取滤液35.0mL，浓缩近干，用正己烷和丙酮(1+1)定容至2.0 mL。取1 L溶液气相色谱仪测定。,中药三七中的有效成分分析,十八烷基硅烷键合硅胶固定相，乙腈水二元流动相，二极管阵列检测器紫外光度检测。取三七粉0.5 g，加0.5g硅藻土混匀，加压（6.895MPa）高温（150）甲醇提取,1.三七皂苷R1，211.人参皂苷Rgl、Re、Rf、Rbl、Rg2、Rc、Rb2、Rb3、Rd、Rg3,15min，25 mL量瓶定容后，用0.45m微孔滤膜过滤，取10L提取液高效液相色谱测定。,
