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1、有机波谱学organic spectroscopy,赵文元,第一章 有机波谱学概论,本课程设置目的,了解波谱分析的的主要内容和应用领域掌握红外光谱、紫外可见光谱、核磁共振光谱和质谱的基本原理和仪器构造学习掌握应用上述分析方法解决有机材料，特别是高分子材料的结构分析问题，以及该领域的最新发展动态。,第一章 有机波谱学概论,什么是有机波谱分析？有机波谱分析的主要任务是什么？有机波谱分析可以解决那些问题？有机波谱分析是采用波谱分析手段对有机物质的分子结构进行定性分析的方法和原理，是非常重要的现代分析手段和方法。有机波谱分析的主要任务是通过各种有机物质分子的波谱响应规律探索测量其分子结构和组成。通过有
2、机波谱分析，人们可以了解未知物质的分子结构。（是什么？）,第一章 有机波谱学概论,有关分析化学的相关概念和分类,1.分析化学:是化学量测和表征的科学，化学量测 获取指定体系中有关物质的质、量和结构等各种信息；表征是精确地描述其成分、含量、价态、状态、结构和分布等特征。2.分析化学的目的：得到被分析体系中分子的结构和组成信息，前者为定性分析过程，主要获知物质的结构信息，后者为定量分析过程，主要获知物质体系中不同成分之间的量的关系。3.分析化学的操作过程 施加分析信号（物理或化学信号）-获得反馈信号-信号分析（信息处理）-得到分析结果（是什么，有多少）,第一章 有机波谱学概论,分析化学学科的主要内
3、容：,分析化学原理分析方法的理论依据、分析化学方法获取化学信息的手段和方式、分析化学仪器和装置获取化学信息的物质基础，分析化学结果的表述对分析结果进行科学准确的处理和描述,第一章 有机波谱学概论,分析化学方法分类：,根据分析目的：定性分析化学，定量分析化学根据分析原理：仪器分析（依据分析的物理性质）和化学分析（依据分子的化学性质）仪器分析方法：光学分析法，电化学分析法，色谱分析法，热分析法，质量分析法光学分析方法：发射光谱，吸收光谱，衍射光谱，散射光谱，折射光谱，偏振光谱有机波谱分析：有机质谱，核磁共振谱，红外光谱，激光拉曼光谱，紫外可见光谱,第一章 有机波谱学概论,分析方法,化学分析仪器分析
4、,光谱分析法电化学分析法色谱分析热分析,重量法容量法（酸碱、络合、氧化-还原、沉淀等滴定法）,第一章 有机波谱学概论,仪器分析,电化学分析,光化学分析,色谱分析,波谱分析,电导、电位、电解、库仑极谱、伏安,发射、吸收，荧光、光度,气相、液相、离子、超临界、薄层、毛细管电泳,红外、核磁、质谱,第一章 有机波谱学概论,光谱分析法,原子光谱法分子光谱法其它波谱法,原子发射光谱法原子吸收光谱法原子荧光光谱法,紫外-可见吸收光谱法红外吸收光谱法分子荧光与磷光光谱法化学发光光谱法拉曼光谱法,核磁共振波谱法质谱法,第一章 有机波谱学概论,电化学分析法,电导分析法电位分析法（pH与离子选择性电极）电流分析法（
5、库仑分析和电重量法）伏安分析法（极谱和溶出伏安法）,分离法,色谱分离法电泳分离法,气相色谱法液相色谱法超临界流体色谱法,毛细管电泳法毛细管电动色谱法,第一章 有机波谱学概论,第一章 有机波谱学概论,与分析仪器发明相关的诺贝尔奖获得者,1901Rontgen et al首次发现X射线存在1907Michelson et al首次制造精密光谱仪器1922Aston et al发明质谱测定同位素1923Pregl et al发明有机物微量分析1930Raman et al发现拉曼效应1944Rabi et al用共振方法记录原子核磁性1948Tiselius et al用电泳法发现血浆蛋白性质195
6、2Bloch et al发展核磁共振精细测量法1952Martin et al发明分配色谱1959Heyrovsky et al发明极谱法1981Siegbahn et al发明高分辨电子光谱法1981Bloembergen et al发展激光光谱学1991Ernst et al对高分辨核磁共振方法发展,第一章,有机波谱学概论Indroduction of Orgainic Spectrscopy,第一章 有机波谱学概论,第一章 有机波谱学概述,有机分析的基本任务常见有机分析方法波谱分析的基本原理常见波谱分析的适用范围,第一章 有机波谱学概论,第一节 有机分析的基本任务,材料学研究的内容：材料
7、的制备技术，材料的分析与表征技术，材料的结构与性能研究，材料的应用研究 材料分子与表征研究内容：材料的性能分析与测定，材料的组成和结构分析与测定 材料组成与结构分析的内容：组成分析，分子结构分析，材料微观结构分析，表面和界面分析,第一章 有机波谱学概论,有机波谱分析在材料学中的位置,第一章 有机波谱学概论,材料的组成与结构,组成：元素组成，分子（化学物质）组成，晶体组成等 分子结构：高分子的链结构，官能团结构，交连与支化结构等 材料的微观结构：聚集态结构（晶态、非晶态，玻璃态等），相态结构，取向结构等 表面和界面：为相界面，表面通常指固体材料与真空或气态物质的界面，界面指固体材料与固体材料或液
8、体材料之间的界面。界面组成、界面结构和界面状态是界面分析的主要内容,第一章 有机波谱学概论,可用于结构分析的物理性质,测定的物理性质相应的分析方法质量重量分析法容量（体积）容量分析法辐射的吸收波谱法、比色法，原子吸收辐射的发射发射光谱法，荧光法，光度法、放射化学法辐射的散射比浊法，激光拉曼法辐射的折射折射法，干涉法辐射的衍射X-射线分析，电子射线分析辐射的旋光偏振法、旋光法、圆二色法电位电位法，伏安法电流极谱法，电流滴定法电导电导法电量库仑法质量-电荷比质谱法热性质量热法,第一章 有机波谱学概论,第二节 常见有机分析方法,化学分析：GMA，VMA，CM 仪器分析：色谱分析（GC,LC,TLC,
9、GPC,EC）、波谱分析(UV,IR,NMR,MS,ESR，AAS,AES),热分析(DTA,DSC,TG)、衍射分析（ED，ND，XRD)、显微分析（microscopy，EM，SEM）、电分析（PM、polarography、CM、CM、DM介电松弛谱等）,第一章 有机波谱学概论,第三节 波谱分析的基本原理,电磁波：电场与磁场相互作用的一种能量传播形式，具有粒子和波双重属性。光的基本属性：吸收、反射、折射、透射、衍射、干涉、偏振等。波谱分析：光谱分析法是基于检测能量（电磁辐射）作用于待测物质后产生的辐射信号或所引起的变化的分析方法。这些电磁辐射包括从射线到无线电波的所有电磁波谱范围。电磁波
10、的吸收与发射：一种辐射能量耗散与能量输出过程。吸收与发射具有选择性（共振吸收）物质结构的能量吸收与弛豫现象：物质可以吸收与其结构变化能量相匹配的辐射，并将吸收能量转化成热、光、电、化学等形式。物质的辐射发射：物质吸收某种能量，并转换成辐射形式输出，发射电磁波的能量与物质结构变化能量有关。,第一章 有机波谱学概论,一、光分析法及其特点 optical analysis and its characteristics,光分析法：基于电磁辐射能量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；电磁辐射范围：射线无线电波所有范围；相互作用方式：发射、吸收、反射、折射、散射
11、、干涉、衍射等；注意：光分析法在研究物质组成、结构表征、表面分析等方面具有其他方法不可区代的地位；,第一章 有机波谱学概论,辐射能量与物质结构之间的相关性,第一章 有机波谱学概论,第一章 有机波谱学概论,电磁辐射与物质相互作用的三个基本过程：（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。基本特点：（1）所有光分析法均包含三个基本过程；（2）不适合混合物测定（不同于色谱分析）（3）涉及大量光学元器件。,第一章 有机波谱学概论,二、电磁辐射的基本性质 basic properties of electromagnetic radiation,电磁辐射（电磁波）：以接近光速（
12、真空中为光速）传播的能量；c=/E=h=h c/c：光速；：波长；：频率；：波数；E：能量；h：普朗克常数 电磁辐射具有波动性和微粒性；,第一章 有机波谱学概论,辐射能的特性：,(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)散射 瑞利(Reyleigh)散射和拉曼(laman)散射；(4)折射 折射是光在两种介质中的传播速度不同产生的方向变化；(5)反射 反射与入射方向相反(6)干涉 两束光相互叠加产生干涉现象；(7)衍射 光绕过物体而弯曲地向后面传播的现象；(8)偏振 只在一个固定方向有振动的光称为平面偏振光,第一章 有机
13、波谱学概论,物质辐射的吸收与发射过程,第一章 有机波谱学概论,三、光分析分类 type of optical analysis,光谱法基于物质与辐射能作用时，分子发生能级跃迁而产生的发射、吸收或散射的波长或强度进行分析的方法；原子光谱、分子光谱、非光谱法 原子光谱（线性光谱）：最常见的三种 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）；基于原子核与射线作用的穆斯堡谱；,第一章 有机波谱学概论,光谱分析法可分为光谱法和非光谱法两大类。1.光谱法是基于物质与辐射能作用时，测量由物质内部发生量子化的能级
14、之间的跃迁而产生的发射、吸收或散射辐射的波长和强度进行分析的方法。2.光谱法可根据分析对象进一步分为原子光谱法和分子光谱法。3.原子光谱法是由原子外层或内层电子能级的变化产生的，它的表现形式为线光谱。属于这类分析方法的有原子发射光谱法（AES）、原子吸收光谱法（AAS），原子荧光光谱法（AFS）以及X射线荧光光谱法（XFS）等。4.分子光谱法是由分子中电子能级、振动和转动能级 的变化产生的，表现形式为带光谱。属于这类分析方法的有紫外-可见分光光度法（UV-Vis），红外光谱法（IR），分子荧光光谱法（MFS）和分子磷光光谱法（MPS）等。5.非光谱法是基于物质与辐射相互作用时，测量辐射的某些性
15、质，如折射、散射、干涉、衍射、偏振等变化的分析方法。非光谱法不涉及物质内部能级的跃迁，电磁辐射只改变了传播方向、速度或某些物理性质。属于这类分析方法的有折射法、偏振法、光散射法、干涉法、衍射法、旋光法和圆二向色性法等。,第一章 有机波谱学概论,分子光谱（带状光谱）：基于分子中电子能级、振-转能级跃迁；紫外光谱法（UV）；红外光谱法（IR）；分子荧光光谱法（MFS）；分子磷光光谱法（MPS）；核磁共振与顺磁共振波谱（N）；非光谱法：不涉及能级跃迁，物质与辐射作用时，仅改变传播方向等物理性质；偏振法、干涉法、旋光法等；,第一章 有机波谱学概论,第一章 有机波谱学概论,第一章 有机波谱学概论,第四节
16、 常见波谱分析方法及其适用领域,1.各种光谱分析方法简介2.波谱分析的主要特点3.常用光谱分析方法的适用范围,第一章 有机波谱学概论,一、各种光谱分析法简介 a brief introduction of optical analysis,1.原子发射光谱分析法 以火焰、电弧、等离子炬等作为光源，使气态原子的外层电子受激发射出特征光谱进行定量分析的方法。2.原子吸收光谱分析法 利用特殊光源发射出待测元素的共振线，并将溶液中离子转变成气态原子后，测定气态原子对共振线吸收而进行的定量分析方法。,第一章 有机波谱学概论,3.原子荧光分析法气态原子吸收特征波长的辐射后，外层电子从基态或低能态跃迁到高能
17、态，后跃回基态或低能态时，发射出特征不同的荧光辐射，在与光源成90度的方向上，测定荧光强度进行定性和定量分析的方法。4.分子荧光分析法 物质被紫外光照射激发后，在回到基态的过程中发射出比原激发波长更长的荧光，通过测量荧光强度和荧光光谱进行的定量和定量分析方法。,第一章 有机波谱学概论,发射、吸收、荧光三种光谱分析过程示意图,第一章 有机波谱学概论,5.分子磷光分析法 处于第一最低单重激发态分子以无辐射弛豫方式进入第一三重激发态，再跃迁返回基态发出磷光。测定磷光强度进行定性和定量分析的方法。6.X射线荧光分析法 原子受高能辐射，其内层电子发生能级跃迁，发射出特征X射线（X射线荧光），测定其强度可
18、进行定性和定量分析。7.化学发光分析法 利用化学反应提供能量，使待测分子被激发，返回基态时发出一定波长的光，依据其强度与待测物浓度之间的线性关系进行定量分析的方法。,第一章 有机波谱学概论,8.紫外吸收光谱分析法利用溶液中分子吸收紫外和可见光产生跃迁所记录的吸收光谱图，可进行化合物结构分析，根据最大吸收波长强度变化可进行定量分析。9.红外吸收光谱分析法 利用分子中基团吸收红外光产生的振动-转动吸收光谱进行定量和有机化合物结构分析的方法。10.核磁共振波谱分析法 在外磁场的作用下，核自旋磁矩与磁场相互作用而裂分为能量不同的核磁能级，吸收射频辐射后产生能级跃迁，根据吸收光谱可进行有机化合物结构分析
19、。,第一章 有机波谱学概论,11.顺磁共振波谱分析法 在外磁场的作用下，电子的自旋磁矩与磁场相互作用而裂分为磁量子数不同的磁能级，吸收微波辐射后产生能级跃迁，根据吸收光谱可进行结构分析。12.旋光法 溶液的旋光性与分子的非对称结构有密切关系，可利用旋光法研究某些天然产物及配合物的立体化学问题，旋光计测定糖的含量。13.衍射法 X射线衍射：研究晶体结构，不同晶体具有不同衍射图。电子衍射：电子衍射是透射电子显微镜的基础，研究物质的内部组织结构。,第一章 有机波谱学概论,常见的有机波谱分析方法,核磁共振谱：磁性原子核对射频辐射的吸收特征，辐射能量（波长）30003米红外光谱：分子对红外辐射的吸收特征
20、，辐射能量0.75300微米（也称为振转光谱）紫外可见光谱：原子外层电子对紫外和可见光的吸收特征，辐射能量190810纳米（也称为电子光谱）质谱：电子轰击分子后，产生荷电碎片组成特征，与辐射无关。激光Raman光谱法，辐射能量范围和对应分子信息与红外光谱类似。X射线光电子能谱XPS：分子内层电子吸收高能光子后解离成自由电子，电子动能与丰度作图即为光电子能谱，可用来测量原子种类、数量和价态。,第一章 有机波谱学概论,二、波谱分析的主要特点,直接与物质的结构相联系，灵敏度高，选择性好，分析速度快，设备复杂昂贵。灵敏度：MS 选择性:NMR 分析速度:(响应速度，测试速度)，UV-VIS,IR,NMR,MS 成本：NMR,MS,IR,UV-Vis,第一章 有机波谱学概论,三、常见波谱分析方法的适用范围,核磁共振谱：适合分析分子骨架结构、构象结构、取向结构，以及特定元素组成，常见的有CNMR,HNMR红外光谱：适合分析分子的官能团和化学组成紫外可见光谱：适合分析分子的化学键，特别是不饱和键结构质谱：适合分析分子的连接次序、分子量和分子组成光电子能谱：适合分析物质中原子的种类、数量和价态,
