第9章儀器分析基礎(chǔ)

1、 第第9 9章章 儀器分析基礎(chǔ)儀器分析基礎(chǔ) 概述分析化學、儀器分析。概述分析化學、儀器分析。介紹幾種常見的儀器分析方法的基本原理介紹幾種常見的儀器分析方法的基本原理、儀器組成和適用范圍；包括原子發(fā)射光譜、儀器組成和適用范圍；包括原子發(fā)射光譜分析、紅外吸收光譜分析、紫外可見光吸分析、紅外吸收光譜分析、紫外可見光吸收光譜、電位分析、色譜和質(zhì)譜分析等。收光譜、電位分析、色譜和質(zhì)譜分析等。一、分析化學、儀器分析概述一、分析化學、儀器分析概述分析化學：通過實驗測量來研究物質(zhì)的組成、含量分析化學：通過實驗測量來研究物質(zhì)的組成、含量和結(jié)構(gòu)的學科。獲得物質(zhì)化學組成和結(jié)構(gòu)信息，即和結(jié)構(gòu)的學科。獲得物質(zhì)化學組成和

2、結(jié)構(gòu)信息，即物質(zhì)中有哪些組分，這些組分在物質(zhì)中如何存在以物質(zhì)中有哪些組分，這些組分在物質(zhì)中如何存在以及各組分的含量等。及各組分的含量等。分析化學可分為定性分析、定量分析和結(jié)構(gòu)分析三分析化學可分為定性分析、定量分析和結(jié)構(gòu)分析三個層次；以及化學分析和儀器分析兩大類方法。個層次；以及化學分析和儀器分析兩大類方法。化學分析化學分析化學分析：基于試樣的化學反應以及反應物之間定化學分析：基于試樣的化學反應以及反應物之間定量關(guān)系達到分析目標的方法，主要包括重量分析和量關(guān)系達到分析目標的方法，主要包括重量分析和容量分析，分別通過測定相關(guān)物質(zhì)的重量或體積進容量分析，分別通過測定相關(guān)物質(zhì)的重量或體積進行分析。行分

3、析?；瘜W分析主要應用于無機元素和無機化合物的定性化學分析主要應用于無機元素和無機化合物的定性、定量分析。目前漸漸被儀器分析所取代。、定量分析。目前漸漸被儀器分析所取代。儀器分析儀器分析使用儀器研究試樣的性質(zhì)達到分析目標的方使用儀器研究試樣的性質(zhì)達到分析目標的方法。包括光譜分析、電分析、質(zhì)譜分析、色法。包括光譜分析、電分析、質(zhì)譜分析、色譜分析等。譜分析等。各類別還包含多種不盡相同的分析方法，如各類別還包含多種不盡相同的分析方法，如光譜分析。光譜分析。光譜分析的類型光譜分析的類型按對象，可分為分子光譜和原子光譜；按對象，可分為分子光譜和原子光譜；按分析對象與光的相互作用，可分為吸收光譜、發(fā)按分析對

4、象與光的相互作用，可分為吸收光譜、發(fā)射光譜、散射光譜等；射光譜、散射光譜等；按光或電磁波譜范圍，可從按光或電磁波譜范圍，可從x射線能譜到紫外射線能譜到紫外-可見可見光譜，再從紅外光譜到射頻等；光譜，再從紅外光譜到射頻等；從測定系列波長下信號分布情況、還是測定單一波從測定系列波長下信號分布情況、還是測定單一波長下的特定信號強度，可分為光譜分析和分光光度長下的特定信號強度，可分為光譜分析和分光光度分析等。分析等。電磁波譜范圍與分子、電子能級的對照關(guān)系表電磁波譜范圍與分子、電子能級的對照關(guān)系表光譜名稱光譜名稱波長范圍波長范圍躍遷類型躍遷類型X X射線射線0.0110nmn=1和和2層電子層電子遠紫外

5、光遠紫外光10200nm中層電子中層電子近紫外光近紫外光200400nm外層電子外層電子可見光可見光400750nm外層電子外層電子近紅外光近紅外光0.752.5m分子振動分子振動中紅外光中紅外光2.55.0m分子振動分子振動遠紅外光遠紅外光5.01000m分子轉(zhuǎn)動和振動分子轉(zhuǎn)動和振動微波微波0.1100cm分子轉(zhuǎn)動分子轉(zhuǎn)動無線電波（射頻）無線電波（射頻）11000m核的自旋核的自旋物理性質(zhì)在儀器分析中的應用物理性質(zhì)在儀器分析中的應用-1-1物理性質(zhì)物理性質(zhì)儀器分析方法儀器分析方法電磁波發(fā)射電磁波發(fā)射發(fā)射光譜（發(fā)射光譜（X-X-射線、紫外、可見、電子能譜、俄射線、紫外、可見、電子能譜、俄歇電子

6、譜）分析，熒光、磷光、發(fā)光（歇電子譜）分析，熒光、磷光、發(fā)光（X-X-射線、射線、紫外、可見）分析紫外、可見）分析電磁波吸收電磁波吸收吸收光譜和光度（吸收光譜和光度（X-X-射線、紫外、可見、紅外）射線、紫外、可見、紅外）分析，光聲光譜分析，核磁共振分析，順磁共振分析，光聲光譜分析，核磁共振分析，順磁共振分析分析電磁波散射電磁波散射 拉曼光譜分析、濁度分析拉曼光譜分析、濁度分析電磁波折射電磁波折射 折光分析、干涉分析折光分析、干涉分析電磁波衍射電磁波衍射 X-X-射線和電子衍射分析射線和電子衍射分析電磁波旋轉(zhuǎn)電磁波旋轉(zhuǎn) 旋光分析，旋光色散分析，圓二色光譜分析旋光分析，旋光色散分析，圓二色光譜分

7、析物理性質(zhì)在儀器分析中的應用物理性質(zhì)在儀器分析中的應用-2-2物理性質(zhì)物理性質(zhì)儀器分析方法儀器分析方法電勢電勢電位分析電位分析電量電量庫侖分析庫侖分析電流電流安培分析，極譜分析安培分析，極譜分析電阻電阻電導分析電導分析質(zhì)量質(zhì)量石英微晶天平分析石英微晶天平分析質(zhì)量質(zhì)量/ /電荷比電荷比質(zhì)譜分析質(zhì)譜分析熱性質(zhì)熱性質(zhì)熱重分析，差熱分析、熱重分析，差熱分析、差示掃描量熱分析、差示掃描量熱分析、熱電導分析熱電導分析同位素放射同位素放射穩(wěn)定同位素稀釋分析穩(wěn)定同位素稀釋分析二、原子發(fā)射光譜分析二、原子發(fā)射光譜分析 光是電磁波，具有波粒二象性，可用以下兩式描述：光是電磁波，具有波粒二象性，可用以下兩式描述：

8、= c 其中其中c為光速，真空中為為光速，真空中為2.998108ms-1 E =h =h c/ 其中其中h(普朗克常數(shù)普朗克常數(shù))為為6.626 10-34J s 原子發(fā)射光譜：當物質(zhì)中原子或離子受到熱、電或光的原子發(fā)射光譜：當物質(zhì)中原子或離子受到熱、電或光的能量激發(fā)后，能發(fā)射出一些特征電磁輻射。能量激發(fā)后，能發(fā)射出一些特征電磁輻射。 原子發(fā)射光譜分析：測量特征輻射的頻率（波長）和強原子發(fā)射光譜分析：測量特征輻射的頻率（波長）和強度，可以分析物質(zhì)中元素的種類和含量。度，可以分析物質(zhì)中元素的種類和含量。最簡單原子最簡單原子-氫原子發(fā)射光譜氫原子發(fā)射光譜 十九世紀末，里德伯總結(jié)的氫原子的發(fā)射光譜

9、經(jīng)驗式：十九世紀末，里德伯總結(jié)的氫原子的發(fā)射光譜經(jīng)驗式： 其中其中n1、n2為正整數(shù)，且為正整數(shù)，且n2 n1； R(里德伯常量里德伯常量) 為為1.097 107 m 1。221211R cnn紅紅 綠綠 藍藍 紫紫H H H H 656.3 486.1 434.1 410.2 /10 9 m0.457 0.617 0.691 0.731 /1015 s 1氫原子發(fā)射光譜氫原子發(fā)射光譜把把n1 = 2 ，n2 = 3、4、5、6分別代入里德伯光譜分別代入里德伯光譜經(jīng)驗式，可算出經(jīng)驗式，可算出4條譜線的頻率。如條譜線的頻率。如n2 = 4時，時， = (1.097107) (2.998108

10、) = 0.617 1015 s 1 ，與圖中的，與圖中的H線相符。線相符。當當n1 = 1，n2 1或或n1 = 3，n2 3時，可分別求得時，可分別求得在紫外區(qū)或紅外區(qū)氫原子發(fā)射光譜譜線的波長。在紫外區(qū)或紅外區(qū)氫原子發(fā)射光譜譜線的波長。221124原子發(fā)射光譜的產(chǎn)生機理原子發(fā)射光譜的產(chǎn)生機理 分子吸收電磁波后解離（原子化），原子中的電子從低分子吸收電磁波后解離（原子化），原子中的電子從低能級狀態(tài)（基態(tài)）躍遷到高能級狀態(tài)（激發(fā)態(tài)）。如氫能級狀態(tài)（基態(tài)）躍遷到高能級狀態(tài)（激發(fā)態(tài)）。如氫原子的電子從原子的電子從n1 = 2 躍遷至躍遷至n2 =4，吸收波長，吸收波長486nm 激發(fā)態(tài)的樣品不穩(wěn)定

11、，經(jīng)約激發(fā)態(tài)的樣品不穩(wěn)定，經(jīng)約10-8秒電子返回基態(tài)，并輻秒電子返回基態(tài)，并輻射出與激發(fā)時同樣波長的電磁波。如氫原子的電子從射出與激發(fā)時同樣波長的電磁波。如氫原子的電子從n1 = 4返回至返回至n2 =2時，輻射時，輻射486nm的電磁波，即發(fā)射光譜的電磁波，即發(fā)射光譜圖中的圖中的H線。線。 外層電子躍遷的頻率范圍為外層電子躍遷的頻率范圍為200750nm，處于近紫外，處于近紫外和可見光區(qū)，按波長順序排列即為原子光譜。和可見光區(qū)，按波長順序排列即為原子光譜。一些原子在可見光區(qū)域的發(fā)射光譜。鈉鈉 氫氫鈣鈣鎂鎂氖氖定性和定量分析定性和定量分析定性分析：不同元素的核外電子的能級不同，每種定性分析：不

12、同元素的核外電子的能級不同，每種元素的原子或離子可產(chǎn)生一系列特定波長的特征譜元素的原子或離子可產(chǎn)生一系列特定波長的特征譜線，通過測量元素的原子發(fā)射光譜，根據(jù)特征譜線線，通過測量元素的原子發(fā)射光譜，根據(jù)特征譜線可以判斷樣品中存在什么元素?？梢耘袛鄻悠分写嬖谑裁丛亍?定量分析：譜線的強度與試樣含量成正比。在固定定量分析：譜線的強度與試樣含量成正比。在固定的條件下，通過比較同一譜線的強度，可以分析樣的條件下，通過比較同一譜線的強度，可以分析樣品中元素的含量。品中元素的含量。原子發(fā)射光譜儀原子發(fā)射光譜儀 原子發(fā)射光譜儀由激發(fā)光源、分光系統(tǒng)和檢測器組成。原子發(fā)射光譜儀由激發(fā)光源、分光系統(tǒng)和檢測器組成。

13、原子發(fā)射光譜儀裝置示意圖原子發(fā)射光譜儀裝置示意圖原子發(fā)射光譜儀原子發(fā)射光譜儀 激發(fā)光源：高溫燃燒激發(fā)光源：高溫燃燒（如電感偶合等離子光源）（如電感偶合等離子光源）、放電放電（如電弧光源）（如電弧光源）、激光等使試樣分子分解、原子、激光等使試樣分子分解、原子化、電子激發(fā)。如用電弧光源時，可將固體待測樣品化、電子激發(fā)。如用電弧光源時，可將固體待測樣品直接作為電極，或?qū)悠贩鬯楹蠓湃腚姌O小孔中；溶直接作為電極，或?qū)悠贩鬯楹蠓湃腚姌O小孔中；溶液樣品可蒸發(fā)濃縮后滴入電極小孔；有機物可通過干液樣品可蒸發(fā)濃縮后滴入電極小孔；有機物可通過干燥灰化后放置在電極上。燥灰化后放置在電極上。 分光系統(tǒng)：將光源發(fā)射的

14、（含試樣輻射光線）光束，分光系統(tǒng)：將光源發(fā)射的（含試樣輻射光線）光束，按波長大小分開的裝置。有棱鏡分光或光柵分光兩種按波長大小分開的裝置。有棱鏡分光或光柵分光兩種類型。棱鏡分光后的光譜是非勻排，光柵分光色散率類型。棱鏡分光后的光譜是非勻排，光柵分光色散率高，光譜勻排，效果好。高，光譜勻排，效果好。 棱鏡分光和光柵分光棱鏡分光和光柵分光棱鏡分光棱鏡分光光柵分光光柵分光檢測器：接受樣品輻射的電磁波，將其轉(zhuǎn)變檢測器：接受樣品輻射的電磁波，將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柌⒂涗?。為電信號并記錄。檢測器有攝譜儀、單道光子檢測器、多道光檢測器有攝譜儀、單道光子檢測器、多道光子檢測器等。其中多道光子檢測器，如電荷子檢測器等

15、。其中多道光子檢測器，如電荷耦合陣列檢測器（耦合陣列檢測器（CCD）等已成為主流檢測）等已成為主流檢測器，可實現(xiàn)全光譜多元素的同時定量測定。器，可實現(xiàn)全光譜多元素的同時定量測定。儀器裝置儀器裝置應用實例：磷礦石的主、痕量成分分析應用實例：磷礦石的主、痕量成分分析 電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜分析磷礦石中磷、鈣、鐵、錳電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜分析磷礦石中磷、鈣、鐵、錳、鎂、鋁、鈦、鉀、鈉等九種元素。、鎂、鋁、鈦、鉀、鈉等九種元素。 稱取稱取0.1g磷礦石磷礦石105烘烘2小時，加氫氟酸小時，加氫氟酸10 mL和高氯酸和高氯酸1mL，加熱分解至白煙冒盡，再加入高氯酸，加熱分解至白煙冒盡，再加入

16、高氯酸2 mL加熱冒煙至近干，加熱冒煙至近干，稍冷加稍冷加18%鹽酸鹽酸5 mL和適量水，加熱溶解試樣中的可溶性鹽類和適量水，加熱溶解試樣中的可溶性鹽類，移入，移入100 mL量瓶定容，轉(zhuǎn)至聚乙烯瓶中供光譜儀測定。量瓶定容，轉(zhuǎn)至聚乙烯瓶中供光譜儀測定。 分析波長分析波長(nm)：磷：磷213.618、鈣、鈣317.933、鐵、鐵238.204、錳、錳257.610、鎂、鎂279.097、鋁、鋁396.152、鈦、鈦334.941、鉀、鉀766.490、鈉鈉589.592。 檢出限檢出限(g .mL-1)：磷：磷0.027、鈣、鈣0.0065、鐵、鐵0.072、錳、錳0.0098、鎂鎂0.008

17、7、鋁、鋁0.0024、鈦、鈦0.011、鉀、鉀0.36、鈉、鈉0.15。 三、紫外紫外- -可見分子吸收分光光度分析可見分子吸收分光光度分析 物質(zhì)在光照下呈現(xiàn)的顏色，是分子吸收了不同波長的物質(zhì)在光照下呈現(xiàn)的顏色，是分子吸收了不同波長的可見光的結(jié)果。可見光的結(jié)果。 葉綠素葉綠素a對紫藍和橙紅波段的可見光吸收強烈，而對青對紫藍和橙紅波段的可見光吸收強烈，而對青綠黃波段吸收很少，因而葉綠素分子呈現(xiàn)青綠黃色。綠黃波段吸收很少，因而葉綠素分子呈現(xiàn)青綠黃色。紫外可見光譜產(chǎn)生機理紫外可見光譜產(chǎn)生機理 不同于原子發(fā)射光譜，分子中電子的躍遷、成鍵原子的相不同于原子發(fā)射光譜，分子中電子的躍遷、成鍵原子的相對振動

18、、分子繞質(zhì)心的轉(zhuǎn)動，都伴隨著分子能級躍遷。分對振動、分子繞質(zhì)心的轉(zhuǎn)動，都伴隨著分子能級躍遷。分子從低能級躍遷到高能級，物質(zhì)就吸收相應能量電磁波。子從低能級躍遷到高能級，物質(zhì)就吸收相應能量電磁波。電子躍遷、振動、轉(zhuǎn)動的能級躍遷所吸收的電磁波分別在電子躍遷、振動、轉(zhuǎn)動的能級躍遷所吸收的電磁波分別在紫外、可見光和紅外光區(qū)域。紫外、可見光和紅外光區(qū)域。 測量分子對紫外測量分子對紫外-可見光的吸收，可得到紫外可見光的吸收，可得到紫外-可見吸收光譜可見吸收光譜 不同電子能級躍遷對應不同波長的吸收。吸收最多的波長不同電子能級躍遷對應不同波長的吸收。吸收最多的波長為為 max，如，如KMnO4溶液對溶液對54

19、5nm的光吸收最強。不同濃度的光吸收最強。不同濃度的溶液，的溶液， max相同，但是吸收光的強度不同，顯然，溶液相同，但是吸收光的強度不同，顯然，溶液越濃，吸收光強度越大。越濃，吸收光強度越大。分子吸收分光光度分析原理分子吸收分光光度分析原理 應用分光儀器，將包含多種波長的復合光色散成各種應用分光儀器，將包含多種波長的復合光色散成各種單一波長的光，選擇可被待測物質(zhì)吸收的單色光（如單一波長的光，選擇可被待測物質(zhì)吸收的單色光（如 max）照射待測物質(zhì)，測量從溶液中透射的光的強度，）照射待測物質(zhì)，測量從溶液中透射的光的強度，經(jīng)過計算可確定被測物質(zhì)的濃度。經(jīng)過計算可確定被測物質(zhì)的濃度。 定量依據(jù)是朗伯

20、定量依據(jù)是朗伯-比爾定律：當一束平行的單色光通過比爾定律：當一束平行的單色光通過均勻的有色溶液后，溶液的吸光度與溶液濃度及液層均勻的有色溶液后，溶液的吸光度與溶液濃度及液層厚度的乘積成正比。厚度的乘積成正比。分子吸收分光光度分析原理分子吸收分光光度分析原理 吸光度（吸光度（A）：入射光強度（）：入射光強度（Io）與透射光強度（）與透射光強度（It）比）比值的對數(shù)，是用來衡量光被吸收程度的物理量。值的對數(shù)，是用來衡量光被吸收程度的物理量。 式中式中T為透光率，為透光率， 朗伯朗伯-比爾定律的數(shù)學表達式：比爾定律的數(shù)學表達式： A =kbc 式中，式中，k為比例系數(shù)，為比例系數(shù)， b為液層厚度，為

21、液層厚度，c為溶液濃度為溶液濃度0tt0IIA=log=-log=-logTIIt0IT=I儀器裝置儀器裝置紫外紫外-可見光分光光度儀主要組件：光源、分光系可見光分光光度儀主要組件：光源、分光系統(tǒng)、吸收池、檢測顯示裝置統(tǒng)、吸收池、檢測顯示裝置紫外紫外-可見分光光度儀示意圖可見分光光度儀示意圖紫外紫外- -可見分光光度儀可見分光光度儀 光源：可見光用鎢燈光源：可見光用鎢燈(4001000nm)或鹵素燈或鹵素燈(320 2500 nm)；紫外光用氫燈或氘燈；紫外光用氫燈或氘燈(180375nm)。 分光系統(tǒng)：包括狹縫、棱鏡或光柵、準直裝置等，可分光系統(tǒng)：包括狹縫、棱鏡或光柵、準直裝置等，可見光分光

22、光度計常用玻璃材質(zhì)分光器件，由于玻璃對見光分光光度計常用玻璃材質(zhì)分光器件，由于玻璃對紫外光有吸收，紫外紫外光有吸收，紫外可見光分光光度計常用石英材可見光分光光度計常用石英材質(zhì)分光器件。質(zhì)分光器件。 吸收池：在可見光范圍內(nèi)可使用光學玻璃，在紫外光吸收池：在可見光范圍內(nèi)可使用光學玻璃，在紫外光范圍內(nèi)使用石英。范圍內(nèi)使用石英。 檢測顯示裝置：較常見的光電倍增管，是在光電轉(zhuǎn)換檢測顯示裝置：較常見的光電倍增管，是在光電轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)上，通過多重二次電子倍增發(fā)射，將僅數(shù)百個的基礎(chǔ)上，通過多重二次電子倍增發(fā)射，將僅數(shù)百個光子的信號指數(shù)式放大，用計算機顯示結(jié)果。光子的信號指數(shù)式放大，用計算機顯示結(jié)果。紫外紫外-

23、-可見分光光度儀可見分光光度儀光電倍增管光電倍增管工作原理示意圖工作原理示意圖定量分析方法定量分析方法 標準曲線法：配制一系列濃度梯度的標準溶液，測定標準曲線法：配制一系列濃度梯度的標準溶液，測定吸光度，得到吸光度吸光度，得到吸光度-濃度標準曲線。用相同的方法測濃度標準曲線。用相同的方法測定待測溶液吸光度，從標準曲線上找出對應的濃度。定待測溶液吸光度，從標準曲線上找出對應的濃度。 在儀器、方法和條件都固定時，標準曲線可以多次使在儀器、方法和條件都固定時，標準曲線可以多次使用而不必重新制作，因而標準曲線法尤其適用于大批用而不必重新制作，因而標準曲線法尤其適用于大批量和經(jīng)常性的試樣分析工作。量和經(jīng)

24、常性的試樣分析工作。 在可見光區(qū)域無色或淺色物質(zhì)（如金屬離子等），可在可見光區(qū)域無色或淺色物質(zhì)（如金屬離子等），可通過加顯色劑，實現(xiàn)分光光度分析。常見的顯色劑是通過加顯色劑，實現(xiàn)分光光度分析。常見的顯色劑是一些無機或有機配位劑。一些無機或有機配位劑。多組分試樣分光光度法定量多組分試樣分光光度法定量 兩組分兩組分A和和B混合物的吸收光譜部分重疊。在混合物的吸收光譜部分重疊。在A的最大的最大吸收波長吸收波長 1處，處，B有吸收；而有吸收；而B的最大吸收波長的最大吸收波長 2處，處，A也有吸收。分別測定也有吸收。分別測定 1和和 2兩波長處兩物質(zhì)吸光度之兩波長處兩物質(zhì)吸光度之和和A 1A+B和和A

25、2A+B，則：，則： A 1A+B = A 1A + A 1B = kA 1 bcA + kB 1 bcB A 2A+B = A 2A + A 2B = kA 2 bcA + kB 2 bcB 當兩組分在當兩組分在A、B兩波長的吸收系數(shù)兩波長的吸收系數(shù)aA 1、 aB 1、 aA 2、 aB 2均已知，解上述方程組可求得含量均已知，解上述方程組可求得含量cA和和cB。 分析方法：分析方法：Au3+、Ag+的的SCN-配位陰離子，與配位陰離子，與4,4-雙雙（二甲氨基）硫代二苯甲酮（二甲氨基）硫代二苯甲酮（TMK）反應顯色，掃描）反應顯色，掃描Au-TMK、Ag-TMK吸收光譜，確定吸收光譜，確

26、定Au-TMK和和Ag-應用實例：雙波長光度法同時測定金和銀應用實例：雙波長光度法同時測定金和銀1. 試劑空白，試劑空白，2. Ag-TMK，3. Au-TMKTMK的檢測波長分別為的檢測波長分別為518、495nm（圖中（圖中c、a），參比波長分），參比波長分別為別為475、597nm（圖中（圖中d、b），），進行雙波長光度分析。進行雙波長光度分析。乙酸乙酯紅外吸收光譜圖乙酸乙酯紅外吸收光譜圖 用具有紅外連續(xù)波長輻射的光源照射試樣，記錄試樣的紅用具有紅外連續(xù)波長輻射的光源照射試樣，記錄試樣的紅外吸收光譜，進行定性、定量分析的方法。外吸收光譜，進行定性、定量分析的方法。609634787848

27、936104810991243137417432986 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90%T 500 1000 1500 2000 2000 3000 4000 Wavenumbers (cm-1)四、紅外光譜分析四、紅外光譜分析紅外吸收光譜的波數(shù)紅外吸收光譜的波數(shù) 紅外光譜用波數(shù)紅外光譜用波數(shù) (cm-1)表示吸收頻率，用透光率表示吸收頻率，用透光率T表表示吸收的程度。波數(shù)與波長示吸收的程度。波數(shù)與波長和頻率和頻率的關(guān)系：的關(guān)系： 式中式中c是光速。如碳碳雙鍵的伸縮振動是光速。如碳碳雙鍵的伸縮振動 的頻率的頻率(4.941013 Hz)換算成波數(shù)為：換算成波數(shù)為： 與

28、分子內(nèi)成鍵和結(jié)構(gòu)關(guān)系密切的是中紅外區(qū)的光譜，與分子內(nèi)成鍵和結(jié)構(gòu)關(guān)系密切的是中紅外區(qū)的光譜，波長波長2.515m，頻率，頻率1.210146.01013 Hz，波數(shù)，波數(shù)4000670cm-11c13511814.94 101.645 10 ()1645 ()3 10mcmc紅外吸收光譜產(chǎn)生機理紅外吸收光譜產(chǎn)生機理 分子內(nèi)部成鍵原子間相對位置的反復變動、分子本身分子內(nèi)部成鍵原子間相對位置的反復變動、分子本身繞其重心的轉(zhuǎn)動，與分子中的分子振動能級、轉(zhuǎn)動能繞其重心的轉(zhuǎn)動，與分子中的分子振動能級、轉(zhuǎn)動能級的躍遷相關(guān)，引發(fā)對紅外光的吸收。級的躍遷相關(guān)，引發(fā)對紅外光的吸收。 分子振動有對稱伸縮振動、不對稱

29、伸縮振動、彎曲振分子振動有對稱伸縮振動、不對稱伸縮振動、彎曲振動等。如分子內(nèi)部亞甲基的伸縮振動方式：動等。如分子內(nèi)部亞甲基的伸縮振動方式： 對稱伸縮振動對稱伸縮振動 不對稱伸縮振動不對稱伸縮振動紅外吸收頻率的計算紅外吸收頻率的計算 雙原子分子沿成鍵方向的伸縮振動，類比于彈簧振子的簡雙原子分子沿成鍵方向的伸縮振動，類比于彈簧振子的簡諧振動。用簡諧振動方程描述振動頻率：諧振動。用簡諧振動方程描述振動頻率： 式中式中 ，為該化學鍵兩端原子的為該化學鍵兩端原子的 折合質(zhì)量，折合質(zhì)量，k為為“彈簧彈簧”的力常數(shù)。的力常數(shù)。分子官能團的紅外吸收頻率可由此計算。如分子官能團的紅外吸收頻率可由此計算。如 C=

30、C 的伸縮的伸縮振動，振動，k 960(N/m)，折合質(zhì)量：，折合質(zhì)量： 伸縮振動頻率：伸縮振動頻率：波數(shù)波數(shù) =1645cm-112km1212m mmmm3232712 12(10 )/6.023 109.962 10 ()12 12mk94 10 ()229.962 10ksm紅外吸收光譜與物質(zhì)的結(jié)構(gòu)紅外吸收光譜與物質(zhì)的結(jié)構(gòu)常見官能團常見官能團的紅外光譜的紅外光譜特征吸收特征吸收基團基團 振動振動波數(shù)波數(shù) cm-1 C-H對稱伸縮振動對稱伸縮振動 2885-2860 -CH3C-H不對稱伸縮振動不對稱伸縮振動 2975-2950 C-H變形振動變形振動 1385

31、-1365 C-H對稱伸縮振動對稱伸縮振動 2870-2845 -CH2 -C-H不對稱伸縮振動不對稱伸縮振動 2940-2915 C-H變形振動變形振動 1480-1440 C=C C=C伸縮振動伸縮振動 1645-1640 C-H伸縮振動伸縮振動 3310-3300 CC-H CC伸縮振動伸縮振動 2260-2100 C-H伸縮振動伸縮振動 3080-3030 苯環(huán)苯環(huán) 苯環(huán)骨架振動苯環(huán)骨架振動 1600，1500 C=O C=O伸縮振動伸縮振動 1870-1635 -NH N-H伸縮振動伸縮振動 3500-3100 N-H變形振動變形振動 1650-1550 C-O-H O-H伸縮振動伸

32、縮振動 3670-3230 C-O伸縮振動伸縮振動 1300-1000 紅外光譜分析儀：色散型紅外光譜儀，干涉型紅外紅外光譜分析儀：色散型紅外光譜儀，干涉型紅外光譜儀。光譜儀。色散型紅外光譜儀：用單色器將光源復合光分光，色散型紅外光譜儀：用單色器將光源復合光分光，使單色光依次通過待測試樣，測定各波長透光率。使單色光依次通過待測試樣，測定各波長透光率。紅外吸收光譜儀紅外吸收光譜儀紅外吸收光譜儀紅外吸收光譜儀干涉型紅外光譜儀：通過干涉儀，使光源復合光分干涉型紅外光譜儀：通過干涉儀，使光源復合光分束后形成相干光，無需分光，計算機全波段測定、束后形成相干光，無需分光，計算機全波段測定、解析不同波長信號

33、強度的技術(shù)。解析不同波長信號強度的技術(shù)。干涉型紅外光譜儀測定速度明顯加快，并且無須分干涉型紅外光譜儀測定速度明顯加快，并且無須分光，減少光損失，因而檢測靈敏度提高；同時體積光，減少光損失，因而檢測靈敏度提高；同時體積大大減小，成為該儀器發(fā)展主流的趨勢。大大減小，成為該儀器發(fā)展主流的趨勢。 定性和結(jié)構(gòu)分析定性和結(jié)構(gòu)分析紅外光譜分析時，固體試樣常與無機鹽（純紅外光譜分析時，固體試樣常與無機鹽（純KBr）混勻壓片，然后直接進行測定?；靹驂浩?，然后直接進行測定。由于紅外分光光度儀與紫外由于紅外分光光度儀與紫外可見光分光光度儀相可見光分光光度儀相比，光源強度低，檢測靈敏度也較低，必須使用較比，光源強度低

34、，檢測靈敏度也較低，必須使用較寬的狹縫，這些因素會導致對比爾定律的偏離。所寬的狹縫，這些因素會導致對比爾定律的偏離。所以，紅外吸收光度主要用于物質(zhì)定性和結(jié)構(gòu)分析，以，紅外吸收光度主要用于物質(zhì)定性和結(jié)構(gòu)分析，較少用于定量分析。較少用于定量分析。 乙酸乙酸+正丁醇正丁醇乙酸丁酯。用紅外光譜分析判斷反應程度。乙酸丁酯。用紅外光譜分析判斷反應程度。與丁醇的光譜相比，產(chǎn)物光譜多了與丁醇的光譜相比，產(chǎn)物光譜多了1742cm-1峰（峰（C=O伸縮伸縮振動振動)，少了，少了3332cm-1峰（峰（O-H伸縮振動）。說明產(chǎn)物中有伸縮振動）。說明產(chǎn)物中有酯，幾乎無醇。酯，幾乎無醇。應用實例：反應產(chǎn)物的判斷應用實例

35、：反應產(chǎn)物的判斷產(chǎn)物產(chǎn)物原料丁醇原料丁醇五、電位分析五、電位分析 電化學分析法以待測試樣溶液作為化學電池（原電池電化學分析法以待測試樣溶液作為化學電池（原電池或電解池）的一部分，根據(jù)該電池的相關(guān)物理量（如或電解池）的一部分，根據(jù)該電池的相關(guān)物理量（如電極電勢、電流、電量、電阻等）與待測試樣含量的電極電勢、電流、電量、電阻等）與待測試樣含量的關(guān)系進行測定。關(guān)系進行測定。 Nernst方程將電動勢與離子濃度等聯(lián)系起來，是電化方程將電動勢與離子濃度等聯(lián)系起來，是電化學分析的理論基礎(chǔ)。學分析的理論基礎(chǔ)。 常見的電化學分析方法有：測定電極電勢和電動勢的常見的電化學分析方法有：測定電極電勢和電動勢的電位分

36、析，測定電阻的電導分析，測定電量的庫侖分電位分析，測定電阻的電導分析，測定電量的庫侖分析，測定電流電壓曲線的伏安分析等，本節(jié)著重介紹析，測定電流電壓曲線的伏安分析等，本節(jié)著重介紹電位分析。電位分析。該電池電動勢該電池電動勢 E E = = A+/AA+/A 參比參比，因，因 參參比比已知，所以測量已知，所以測量E E，可求得，可求得 A+/AA+/A，根據(jù)，根據(jù)NernstNernst方程求得濃度方程求得濃度c cA+A+。參比電極：電極電勢不變且數(shù)值已知的電參比電極：電極電勢不變且數(shù)值已知的電極；常見甘汞電極或銀極；常見甘汞電極或銀/ /氯化銀電極，電極氯化銀電極，電極電勢為電勢為 參比參比

37、。 電位分析包括指示電極和參比電極。電位分析包括指示電極和參比電極。 若指示電極的電極電勢高于參比電極，原電池為：若指示電極的電極電勢高于參比電極，原電池為： 參比電極參比電極A+(c) A電位分析的原理與電極電位分析的原理與電極銀銀-氯化銀電極氯化銀電極指示電極指示電極 指示電極：對待測離子敏感的選擇性電極，有金屬電極指示電極：對待測離子敏感的選擇性電極，有金屬電極或離子選擇性膜電極等，電極電勢為或離子選擇性膜電極等，電極電勢為 A+/A。 金屬電極：由金屬及其離子構(gòu)成。如鋅絲插入金屬電極：由金屬及其離子構(gòu)成。如鋅絲插入Zn2+ 溶溶液，構(gòu)成能響應液，構(gòu)成能響應Zn2+ 濃度的鋅電極。金屬電

38、極還可指濃度的鋅電極。金屬電極還可指示陰離子濃度，如示陰離子濃度，如Ag+AgCl/Cl 電極可測定電極可測定Cl濃度。濃度。 離子選擇性膜電極：電極表面含有對特定離子有選擇性離子選擇性膜電極：電極表面含有對特定離子有選擇性響應的敏感元件（選擇膜），被測離子在膜內(nèi)外的濃度響應的敏感元件（選擇膜），被測離子在膜內(nèi)外的濃度差異產(chǎn)生電位差。敏感元件是膜電極的關(guān)鍵，可以是單差異產(chǎn)生電位差。敏感元件是膜電極的關(guān)鍵，可以是單晶、混晶、液膜、高分子功能膜及生物膜等。晶、混晶、液膜、高分子功能膜及生物膜等。 離子選擇性膜電極的結(jié)構(gòu)。離子選擇性膜電極的結(jié)構(gòu)。 pH玻璃電極：由特殊薄玻璃膜制成，玻璃電極：由特殊薄

39、玻璃膜制成，可測可測H濃度。玻璃膜是非晶體膜，在濃度。玻璃膜是非晶體膜，在SiO2基質(zhì)中加入基質(zhì)中加入Na2O、Li2O和和CaO燒結(jié)而成，厚度約為燒結(jié)而成，厚度約為0.05mm。 指示電極指示電極pH玻璃電極結(jié)構(gòu)示意圖玻璃電極結(jié)構(gòu)示意圖1-玻璃膜；玻璃膜；2-外殼；外殼；3- HCl溶液；溶液；4-內(nèi)內(nèi)參比電極；參比電極；5-絕緣套；絕緣套；6-引線；引線；7-插頭插頭膜電極結(jié)構(gòu)示意圖膜電極結(jié)構(gòu)示意圖離子選擇性膜電極離子選擇性膜電極 氟離子選擇性電極：敏感膜為摻有氟離子選擇性電極：敏感膜為摻有氟化銪（氟化銪（EuF2） 的氟化鑭（的氟化鑭（LaF3）單晶。單晶。 二氧化碳的氣敏電極：玻璃電極

40、外上二氧化碳的氣敏電極：玻璃電極外上覆蓋一層可吸收覆蓋一層可吸收COCO2 2分子的溶液，氣體滲分子的溶液，氣體滲入溶液，引起入溶液，引起pHpH值的變化，導致玻璃電值的變化，導致玻璃電極電勢的變化。極電勢的變化。應用實例：血清及指血中氟的電位分析應用實例：血清及指血中氟的電位分析 氟離子選擇性膜電極和飽和甘汞電極組成電對，由電化氟離子選擇性膜電極和飽和甘汞電極組成電對，由電化學分析儀進行電位分析。學分析儀進行電位分析。 (1)血清氟：取血清氟：取0.25mL血清，加血清，加0.25mL總離子強度調(diào)節(jié)總離子強度調(diào)節(jié)劑（由酸堿緩沖溶劑和強電解質(zhì)鹽組成，調(diào)節(jié)溶液酸度劑（由酸堿緩沖溶劑和強電解質(zhì)鹽組

41、成，調(diào)節(jié)溶液酸度和導電性：和導電性：1.0 mol.L-1 氯化鈉、氯化鈉、0.2mol.L-1 醋酸、醋酸、0.75 mol.L-1 醋酸鈉、醋酸鈉、0.1 mol.L-1檸檬酸鈉、檸檬酸鈉、0.1 mol.L-1 乙乙二胺四乙酸二鈉，二胺四乙酸二鈉，pH5.05.5），作為供試液。），作為供試液。(2)手指全血氟：取手指全血氟：取0.24mL總離子強度調(diào)節(jié)劑，加總離子強度調(diào)節(jié)劑，加0.24mL水稀釋，再取手指全血水稀釋，再取手指全血20l注入測量杯中，待注入測量杯中，待完全溶血后，作為供試液。完全溶血后，作為供試液。六、色譜分析六、色譜分析進行物質(zhì)分析時，待測物常是含有數(shù)種組分的混合進行物

42、質(zhì)分析時，待測物常是含有數(shù)種組分的混合物、而非純凈物，需要先行分離，再分別分析測定物、而非純凈物，需要先行分離，再分別分析測定組分的含量或濃度。組分的含量或濃度。常用的儀器分離分析方法有：色譜法和高效毛細管常用的儀器分離分析方法有：色譜法和高效毛細管電泳法。電泳法。色譜法：基于不同組分在固定相、流動相之間吸附色譜法：基于不同組分在固定相、流動相之間吸附或分配平衡的差異實現(xiàn)分離，結(jié)合分光光度分析、或分配平衡的差異實現(xiàn)分離，結(jié)合分光光度分析、電化學等檢測器進行組分的定量分析。電化學等檢測器進行組分的定量分析。色譜分離基本原理色譜分離基本原理 色譜分離是待分離的組分色譜分離是待分離的組分在固定相和流

43、動相兩相之在固定相和流動相兩相之間的不斷分配、達到分離間的不斷分配、達到分離的過程。的過程。 固定相有較大比表面積，固定相有較大比表面積，是多孔的微?；蜴I合在多是多孔的微?；蜴I合在多孔微粒表面的薄層液體。孔微粒表面的薄層液體。 流動相攜帶試樣組分滲濾流動相攜帶試樣組分滲濾過固定相，是氣體或液體過固定相，是氣體或液體色譜分離基本原理色譜分離基本原理 流動相攜試樣組分流經(jīng)固定相時，試樣組分與固定相流動相攜試樣組分流經(jīng)固定相時，試樣組分與固定相存在相互作用。若固定相為固體，發(fā)生吸附存在相互作用。若固定相為固體，發(fā)生吸附/脫附作用脫附作用；若固定相為通過化學鍵結(jié)合在固體表面的薄層液體；若固定相為通過化

44、學鍵結(jié)合在固體表面的薄層液體，發(fā)生溶解（或萃?。?，發(fā)生溶解（或萃取）/洗脫作用。洗脫作用。 因為不同組分在性質(zhì)和結(jié)構(gòu)上的差異，與固定相的作因為不同組分在性質(zhì)和結(jié)構(gòu)上的差異，與固定相的作用力的強弱不同；如吸附用力的強弱不同；如吸附/脫附可隨分子量而變化，溶脫附可隨分子量而變化，溶解能力可解能力可 隨分子的極性而變化等。隨分子的極性而變化等。 各組分經(jīng)反復多次吸附各組分經(jīng)反復多次吸附/脫附（或溶解分配）平衡，被脫附（或溶解分配）平衡，被固定相保留的時間不同而逐漸分離，按次序流出。固定相保留的時間不同而逐漸分離，按次序流出。色譜法的分類色譜法的分類 色譜分析主要包括氣相色譜和高效液相色譜色譜分析主要

45、包括氣相色譜和高效液相色譜流動相流動相液液 體體氣氣 體體固定相固定相固固 體體液液 體體固固 體體液液 體體名稱名稱液固色譜液固色譜液液色譜液液色譜 氣固色譜氣固色譜 氣液色譜氣液色譜按色譜按色譜原理分類原理分類吸附吸附色譜色譜離子交離子交換色譜換色譜凝膠凝膠色譜色譜分配分配色譜色譜吸附吸附色譜色譜分配分配色譜色譜氣相色譜儀氣相色譜儀1-載氣鋼瓶；載氣鋼瓶；2-減壓閥；減壓閥； 3-凈化干燥管；凈化干燥管；4-針形閥；針形閥；5-流量計；流量計；6-進樣器；進樣器；7-色譜柱；色譜柱；8-檢測器檢測器高效液相色譜儀高效液相色譜儀 由高壓輸液系統(tǒng)、進樣閥、色譜分離柱、檢測器、數(shù)據(jù)記由高壓輸液系

46、統(tǒng)、進樣閥、色譜分離柱、檢測器、數(shù)據(jù)記錄處理系統(tǒng)等組成。其中高壓輸液系統(tǒng)包括儲液瓶、高壓錄處理系統(tǒng)等組成。其中高壓輸液系統(tǒng)包括儲液瓶、高壓輸液泵、流動相梯度混合裝置等。輸液泵、流動相梯度混合裝置等。 常見檢測器常見檢測器 常見氣相色譜熱導檢測器（常見氣相色譜熱導檢測器（TCD）和高效液相色譜紫）和高效液相色譜紫外光度檢測器（外光度檢測器（UV），適于定量測定。而質(zhì)譜儀或紅），適于定量測定。而質(zhì)譜儀或紅外光譜儀等作為色譜檢測器，可用于組分定性和結(jié)構(gòu)外光譜儀等作為色譜檢測器，可用于組分定性和結(jié)構(gòu)分析。分析。TCDTCD是通用性檢測器。熱敏電熱絲通電于是通用性檢測器。熱敏電熱絲通電于控溫的檢測池內(nèi)，當不同導熱系數(shù)的氣體控溫的檢測池內(nèi)，當不同導熱系數(shù)的氣體流過時，引起電熱絲與池體間的溫度變化流過時，引起電熱絲與池體間的溫度變化，導致熱敏電熱絲的電阻變化；電磁閥切，導致熱敏電熱絲的電阻變化；電磁閥切換待測氣體與流動相參比氣體交替進入換待測氣體與流動相參比氣體交替進入TCDTCD，記錄兩信號之差。，記錄兩信號之差。 UV檢測器是選取適合的紫外檢測器是