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1 儀器分析 課程教案 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院儀器分析教研室 劉 曉 宇 儀器分析是食品科學(xué)與工程專業(yè)和食品安全專業(yè)的基礎(chǔ)課程之一 是測(cè)定物質(zhì)的化學(xué) 組成 含量 狀態(tài)和進(jìn)行科學(xué)研究與質(zhì)量監(jiān)控的重要手段 課程內(nèi)容既有成分分析又有結(jié) 構(gòu)分析 既有無(wú)機(jī)分析又有有機(jī)分析 它是從事化學(xué) 生物 地質(zhì) 食品分析等學(xué)科工作 人員的基礎(chǔ)知識(shí) 通過本課程的學(xué)習(xí) 使學(xué)生能基本掌握常用儀器分析方法 初步具有應(yīng)用此類方法解 決相應(yīng)問題的能力 常用儀器分析方法是 原子發(fā)射光譜法 原子吸收光譜法 紫外 可見吸收光譜法 紅 外吸收光譜法 核磁共振波譜法 色譜法 質(zhì)譜法等 通過本課程的學(xué)習(xí) 學(xué)生對(duì)這些方 法的原理 儀器結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用要有基本的理解 具體的要求可歸納為 1 理解各分析方法的原理 如定性 定量分析的依據(jù) 有關(guān)的定律 公式及其應(yīng)用 2 知道有關(guān)儀器的結(jié)構(gòu) 如儀器由幾部分組成 有哪些重要部件 簡(jiǎn)單工作過程 3 了解各方法的特點(diǎn) 應(yīng)用范圍及局限性 能根據(jù)實(shí)際問題 選擇合適的方法 4 掌握各方法的分析步驟和數(shù)據(jù)處理 了解各方法對(duì)樣品的要求與樣品的處理 實(shí)驗(yàn) 條件的選擇 基本數(shù)據(jù)的運(yùn)用 分析數(shù)據(jù)的處理 學(xué) 時(shí) 分 配 課程內(nèi)容 理論學(xué)時(shí) 實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí) 緒論 2 光譜分析導(dǎo)論 2 紫外 可見吸收光譜法 4 2 原子吸收光譜法 4 2 紅外吸收光譜法 3 2 色譜法 色譜分析導(dǎo)論 2 氣相色譜法 5 2 高效液相色譜法 4 2 合 計(jì) 30 10 總 計(jì) 40 課程簡(jiǎn)介 2 第一章 緒 論 教學(xué)目的和要求 本章是 儀器分析 課程的介紹 主要是讓學(xué)生了解 化學(xué)分析 與 儀器分析 的 聯(lián)系與區(qū)別 儀器分析方法的分類和它的發(fā)展情況 介紹儀器定量分析方法的評(píng)價(jià)指標(biāo) 教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn) 1 儀器分析方法的分類 2 相關(guān)系數(shù) 檢出限 授課方式 本章為理論課 共 0 5 學(xué)時(shí) 采用多媒體課件教學(xué) 在多媒體教室講授 并采用回顧 儀器分析的發(fā)展歷史的方法來(lái)激發(fā)學(xué)生的興趣 授課主要內(nèi)容 第一節(jié) 儀器分析簡(jiǎn)介 一 儀器分析和化學(xué)分析 分析化學(xué) analytical chemistry 是研究物質(zhì)化學(xué)組成的測(cè)量和表征的科學(xué) 主要 任務(wù)是鑒定物質(zhì)的化學(xué)組成 結(jié)構(gòu)和測(cè)量有關(guān)組分的含量 是研究物質(zhì)及其變化的重要方 法 化學(xué)分析 以物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)為基礎(chǔ)的分析方法 儀器分析 物理物化分析 以物質(zhì)的物理和物理化學(xué)性質(zhì) 光 電 熱 磁等 為 基礎(chǔ)的分析方法這類分析方法一般要依靠?jī)x器來(lái)完成 故習(xí)慣上稱為儀器分析 二 儀器分析方法的分類 一 光學(xué)分析法 spectroscopic analysis 以物質(zhì)的光學(xué)性質(zhì) 吸收 發(fā)射 散射 衍射 為基礎(chǔ)的儀器分析方法 包括原子吸收光譜法 原子發(fā)射光譜法 紫外 可見吸收光譜法 紅外光譜法 核磁共 振波譜法等 二 電分析 electrical analysis 電流分析 電位分析 電導(dǎo)分析 電重量分析 庫(kù)侖法 伏安法 三 色譜分析 chromatography analysis 氣相色譜法 液相色譜法 四 其它儀器分析方法 other analysis 1 質(zhì)譜法 2 熱分析法 包括熱重法 差熱分析法 示差掃描量熱法等 3 電子顯微鏡 超速離心機(jī) 放射性技術(shù)等 三 儀器分析的特點(diǎn) 多學(xué)科交叉 3 1 儀器分析法具有很強(qiáng)的檢測(cè)能力 絕對(duì)檢出限可達(dá)微克 納克 皮克 甚至飛克數(shù)量級(jí) 2 儀器分析法的取樣量較少 可用于微量分析 0 1 10mg 或 0 01 1mL 和超微量分析 0 1mg 或 0 01mL 3 儀器分析具有很高的分析效率 4 儀器分析法具有更廣泛的用途 可用于成分分析 價(jià)態(tài) 狀態(tài)及結(jié)構(gòu)分析 在線分析等 而化學(xué)分析一般只能用于離 線的成分分析 5 儀器分析的儀器設(shè)備比較復(fù)雜 價(jià)格比較昂貴 四 儀器分析在生產(chǎn)實(shí)踐及科學(xué)研究中的作用 1 應(yīng)用于傳統(tǒng)領(lǐng)域 醫(yī)藥 食品 商檢 公安 國(guó)防 材料 能源 環(huán)保等 2 應(yīng)用于前沿領(lǐng)域 例 遺傳研究 儀器確定 DNA 雙螺旋結(jié)構(gòu) 生命科學(xué)研究 利用核磁共振 質(zhì)譜確定蛋白質(zhì)等大分子結(jié)構(gòu) 五 儀器分析的發(fā)展歷史及發(fā)展趨勢(shì) 發(fā)展歷史 第一階段 起始于 20 世紀(jì)初 這正是分析化學(xué)的第一次變革時(shí)期 第二階段 20 世紀(jì) 40 年代后 物理學(xué)和電子學(xué)的發(fā)展 促進(jìn)了各種儀器分析方法的 迅速建立 儀器分析成為分析化學(xué)中的重要支柱 并形成了第二次變革 第三階段 20 世紀(jì) 70 年代后 是儀器分析日新月異發(fā)展的時(shí)期 也是分析化學(xué)的第 三次變革時(shí)期 與 分 析 儀 器 發(fā) 明 相 關(guān) 的 諾 貝 爾 獎(jiǎng) 獲 得 者 The men awrde the Nobel prize rlating to invention f anlytical instrument 獲 獎(jiǎng) 時(shí) 間 獲 獎(jiǎng) 者 姓 名 獲 獎(jiǎng) 內(nèi) 容 1907 Michelson et al 首 次 制 造 精 密 光 譜 儀 器 192 Aston et al 發(fā) 明 質(zhì) 譜 測(cè) 定 同 位 素 1923 Pregl et al 發(fā) 明 有 機(jī) 物 微 量 分 析 1930 Ramn et al 發(fā) 現(xiàn) 拉 曼 效 應(yīng) 194 abi et al 用 共 振 方 法 記 錄 原 子 核 磁 性 1948 Tiselius et al 用 電 泳 法 發(fā) 現(xiàn) 血 漿 蛋 白 性 質(zhì) 1952 Bloch et al 發(fā) 展 核 磁 共 振 精 細(xì) 測(cè) 量 法 1952 Martin et al 發(fā) 明 分 配 色 譜 195 Heyrovsky et al 發(fā) 明 極 譜 法 1981 Siegbahn et al 發(fā) 明 高 分 辨 電 子 光 譜 法 1986 Bloembergen et al 發(fā) 展 激 光 光 譜 學(xué) 1986 inig et al 創(chuàng) 制 掃 描 隧 道 顯 微 鏡 191 Ernst et al 發(fā) 展 高 分 辨 核 磁 共 振 方 法 4 發(fā)展趨勢(shì) 1 計(jì)算機(jī)技術(shù)在儀器分析中更廣泛地應(yīng)用 分析儀器實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化 2 不同儀器分析方法聯(lián)用 提高了儀器分析的功能 3 新型儀器更加微型化 智能化 落地式 臺(tái)式 移動(dòng)式 便攜式 手提式 Lab on a Chip 芯片實(shí)驗(yàn)室 第二節(jié) 定量分析方法的評(píng)價(jià)指標(biāo) 靈敏度 物質(zhì)單位濃度或單位質(zhì)量的變化引起響應(yīng)信號(hào)值變化的程度 稱為方法的靈 敏度 用 S 表示 精密度 是指使用同一方法 對(duì)同一試樣進(jìn)行多次測(cè)定所得測(cè)定結(jié)果的一致程度 精密度用測(cè)定結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差 s 或相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差 s r 量度 準(zhǔn)確度 試樣含量的測(cè)定值與試樣含量的真實(shí)值 或標(biāo)準(zhǔn)值 相符合的程度稱為準(zhǔn)確 度 檢出限 某一分析方法可以檢出被測(cè)物質(zhì)的最小濃度或最小質(zhì)量 稱為該方法對(duì)該物 質(zhì)的檢出限 以濃度表示的稱為相對(duì)檢出限 以質(zhì)量表示的稱為絕對(duì)檢出限 本章作業(yè) 1 儀器分析方法的分類 2 儀器分析和化學(xué)分析的區(qū)別和聯(lián)系 5 第二章 光譜分析導(dǎo)論 教學(xué)目的和要求 本章是學(xué)習(xí)光學(xué)分析法之前應(yīng)具備的基礎(chǔ)知識(shí) 要求掌握光的波粒二象性 原子光譜 和分子光譜基礎(chǔ)知識(shí) 了解能級(jí)躍遷圖 光譜儀的分類等 教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn) 1 光的波粒二象性 2 電磁波譜區(qū) 3 原子光譜項(xiàng) 分子光譜能及躍遷圖 授課方式 本章為理論課 1 5 學(xué)時(shí) 采用多媒體課件教學(xué) 在多媒體教室講授 課件中采用動(dòng) 畫效果以求生動(dòng)和形象的效果 授課主要內(nèi)容 第一節(jié) 光與光譜 一 光的波動(dòng)性 Characterization of light waves 波動(dòng)性參數(shù) 波長(zhǎng) Wavelength 頻率 frequency C 光速 The velocity of light 1 波數(shù) wave number 關(guān)系式 C C 單色光 monochromatic light 只含一種頻率或波長(zhǎng)的光 復(fù)合光 multichromatic lights 多種頻率或波長(zhǎng)的光 散射光 雜散光 scatting light 指定波長(zhǎng)外的光 二 光的微粒性 Microparticle characterization of light Parameter of microparticle characterization E E h hC h Planck s constant h 4 14 10 15ev sec 6 626 10 27erg sec C 3 1010cm sec One photon energy E 1240 ev 的單位為 nm 第二節(jié) 原子與分子的能級(jí)及電子在能級(jí)間的躍遷原子能級(jí)及電子在能級(jí)間的躍遷 6 原子光譜的特征 Characterization of atoms spectrum 電子能級(jí)間的躍遷 屬電子光譜 線狀光譜 Transition on electronic levels electronic spectrum linear spectrum 二 分子的能級(jí)及電子在能級(jí)間的躍遷 分子形成帶狀光譜的原因 能量離散 導(dǎo)致譜線寬度擴(kuò)展 測(cè)不準(zhǔn)原理 相對(duì)論效應(yīng)導(dǎo)致譜線寬度擴(kuò)展 再加上能級(jí)之間的能量間距非常小 導(dǎo) 致躍遷所產(chǎn)生的譜線非常多 間距非常小 易于重疊 儀器條件造成色散元件難以將譜線完全分開 真實(shí)分子光譜的特征 UV Vis 電子 帶狀光譜 在特定條件下 能反映振動(dòng)能級(jí)的精細(xì)結(jié)構(gòu) Infrared 振動(dòng) 帶狀光譜 在特定條件下 能反映轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)的精細(xì)結(jié)構(gòu) 原子光譜和分子光譜小結(jié) 原子光譜 電子能級(jí)上的電子躍遷 電子光譜 線狀光譜 分子光譜 紫外 可見 UV Vis 電子能級(jí)上的電子躍遷 反映振動(dòng)精細(xì)結(jié)構(gòu)的電子光譜 帶狀光譜 紅外光譜 Infrared 振動(dòng)能級(jí)上的電子躍遷 反映轉(zhuǎn)動(dòng)精細(xì)結(jié)構(gòu)的電子光譜 帶狀光譜 三 物質(zhì)和光的作用 Interaction of light and matter 當(dāng)一束光照射到物體上時(shí) 除透過部分光與分子沒有作用外 物質(zhì)將吸收和散射一部分 光 1 物質(zhì)吸收光的過程 分子吸收光能 吸收時(shí)間極短 只有 10 15 sec 電子由基態(tài)躍遷到較高能態(tài)的激發(fā)態(tài) X hv X 激發(fā)態(tài)的壽命很短 約為 10 8 sec 然后以發(fā)生光物理和光化學(xué)反應(yīng)后 以下列形式回 到基態(tài) 1 無(wú)輻射退激 激發(fā)分子與其它分子相碰 損失能量產(chǎn)生熱能回到基態(tài) 稱無(wú)輻射退激 X X 熱能 2 共振發(fā)射 激發(fā)分子發(fā)射光子直接回到基態(tài) X X hv 如發(fā)射光的波長(zhǎng)等于入射光的波長(zhǎng) 這種發(fā)射稱共振發(fā)射 其譜線稱共振譜線 對(duì)分子 來(lái)說 這種可能性很少 對(duì)原子來(lái)說 可能性較大 7 3 熒光 激發(fā)分子與其它分子相碰 一部分能量轉(zhuǎn)化為熱能后 下降到第一激發(fā)態(tài)的最低振動(dòng)能 級(jí) 然后再回到基態(tài)的其它振動(dòng)能級(jí)并發(fā)射光子 這種發(fā)射光稱熒光 X X hv 熱能 熒光的發(fā)射波長(zhǎng)比入射光的波長(zhǎng)長(zhǎng) 4 磷光 激發(fā)分子與其它分子相碰 一部分能量轉(zhuǎn)化為熱能后 下降到第一激發(fā)態(tài)的最低振動(dòng)能 級(jí) 它不直接躍遷回到基態(tài)而是轉(zhuǎn)入到亞穩(wěn)的三重態(tài) 分子在三重態(tài)的壽命較長(zhǎng) 從 10 4 sec 到 10sec 然后再回到基態(tài)的其它振動(dòng)能級(jí)并發(fā)射光子 這種發(fā)射光稱磷光 2 物質(zhì)散射光的過程 拉曼 raman 散射 A 瑞利散射 入射光與分子碰撞后 可發(fā)生彈性散射或非彈性散射 彈性散射時(shí) 光子與分子無(wú)能量 交換 僅光子方向改變 這種散射稱瑞利散射 B 非彈性散射有兩種情況 斯托克斯散射 入射光與基態(tài)分子碰撞后 將一部分能量給了分子 于是散射光的能量比入射光的能量 下降 即波長(zhǎng)變長(zhǎng) 散射光譜中的譜線稱斯托克斯譜線 反斯托克斯散射 入射光與振動(dòng)能級(jí)處于較高能態(tài)的分子發(fā)生非彈性碰撞后 被碰撞分子由較高的振動(dòng)能 級(jí)躍回較低能級(jí) 其能量的差值給了光子 于是 光子能量增加 產(chǎn)生的譜線波長(zhǎng)比入射光的 波長(zhǎng)更短 此譜線稱反斯托克斯線 散射光的能量比入射光的能量下降 即波長(zhǎng)變長(zhǎng) 散射 光譜中的譜線稱斯托克斯譜線 第三節(jié) 物質(zhì)的光譜與光譜分析 Spectrum of matter and spectroscopic analysis 一 光譜的基本類型 按照光譜產(chǎn)生的方式可分 1 吸收光譜 absorbed spectrum 原子吸收光譜 如 AA 分子吸收光譜 如 UV VI IR 等 2 發(fā)射光譜 emission spectrum 原子發(fā)射光譜 原子發(fā)射 原子熒光 分子發(fā)射光譜 分子熒光 磷光 3 散射光譜 拉曼散射光譜 scatter spectrum 第四節(jié) 光譜儀 Spectroscopic instruments 1 光譜儀的作用 通過分析過程的信息傳遞鏈 取得樣品的真實(shí)光譜 2 光譜儀的分類 本章作業(yè) 8 1 玻爾茲曼常數(shù)的物理意義 2 原子光譜和分子光譜的區(qū)別 第三章 紫外可見吸收光譜分析法 Ultraviolet Visible Spectrophotometer 簡(jiǎn)稱 UV Vis 教學(xué)目的和要求 要求掌握紫外 可見吸收光譜的產(chǎn)生 紫外 可見分光光度計(jì)儀器原理和結(jié)構(gòu)以及 紫外 可見吸收光譜法在有機(jī)定性及結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)用 教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn) 1 生色團(tuán)的共軛作用 2 雙波長(zhǎng)分光光度計(jì)原理及構(gòu)造 3 Beer Lambert 定律 4 化合物的鑒定 結(jié)構(gòu)分析 授課方式 本章為理論課 實(shí)驗(yàn)課 共 7 學(xué)時(shí) 理論課 3 學(xué)時(shí) 采用多媒體課件教學(xué) 在多媒體教 室講授 課件中采用動(dòng)畫效果以求生動(dòng)和形象的效果 實(shí)驗(yàn)課 4 學(xué)時(shí) 在中心實(shí)驗(yàn)室上課 為教師演示實(shí)驗(yàn) 注 實(shí)驗(yàn)課教案另附 授課主要內(nèi)容 第一節(jié) 概述 定義 紫外 可見吸收光譜法是根據(jù)溶液中物質(zhì)的分子或離子對(duì)紫外和可見光譜區(qū)輻能 的吸收來(lái)研究物質(zhì)的組成和結(jié)構(gòu)的方法 應(yīng)用 主要用于有機(jī)物的定量及定性分析 分子光譜 分子是由原子組成的 分子的運(yùn)動(dòng)包括分子中電子的運(yùn)動(dòng) 分子的振動(dòng)及其轉(zhuǎn) 動(dòng) 所有這些運(yùn)動(dòng)都必須由能量來(lái)維持 故分子的能量包括 E 分子分子 Ee Ev Er 第二節(jié) 紫外可見光譜法基本原理 The Theory of UV Vis Spectrophotometry 一 有機(jī)化合物的紫外 可見吸收光譜 一 電子躍遷類型 分子外層電子的分子軌道可以分為五種 即 成鍵與 反鍵軌道 成鍵與 反 9 鍵軌道 非鍵軌道 A 分子軌道 bonding molecular orbital 如 C C B 鍵軌道 bonding molecular orbital 如 C C C O N N C C C 鍵軌道 non bonding molecular orbital 如 C Br C O H C N H In addition two typed of antibonding orbital may be involved in the transitions D 反鍵軌道 sigma star orbital E 反鍵軌道 pi star orbital n 鍵軌道為基態(tài)軌道 ground state orbital 為激發(fā)態(tài)軌道 excited state orbital 根據(jù)軌道能量 n 2 分子電子能級(jí)和躍遷 Molecular electronic orbital and transition The following electronic transition can therefore occur by the absorption of ultraviolet and visible light 1 躍遷 transition E 較大 躍遷發(fā)生在遠(yuǎn)紫外區(qū) 波長(zhǎng)范圍低于 200nm 如甲烷 125nm 乙烷 135 nm 2 躍遷 transition E 較 躍遷要小 躍遷發(fā)生在 150 250nm 波長(zhǎng)范圍內(nèi) 如含有雜原子飽和烴衍生物 摩爾吸收系數(shù)一般在 100 300 范圍 內(nèi) 由 躍遷而產(chǎn)生吸收的一些例子 3 和和 躍遷躍遷 這兩類躍遷是最有用的 E 比較少 最大吸收波長(zhǎng)均大于 200 nm 這兩類躍遷的差 別在于吸收峰的強(qiáng)度不同 躍遷摩爾吸收系數(shù)很少 僅在 10 100 范圍內(nèi) 而 躍遷摩爾吸收系數(shù)很大 比 躍遷大 100 1000 倍 達(dá)到 1000 100000 生色團(tuán)的概念 含有 鍵的不飽和集團(tuán)稱為生色團(tuán) 二 分子結(jié)構(gòu)和光譜的相互關(guān)系 Correlation of molecular structure and spectrum 1 共軛效應(yīng) Conjugation effect 當(dāng)分子含有多個(gè) 鍵 并且被單鍵隔開時(shí) 共軛效應(yīng)增加 躍遷能量更低 吸收 光譜最大吸收峰向長(zhǎng)波方向移動(dòng) 摩爾吸收系數(shù)增大 稱紅移效應(yīng) red shift effect 2 含有 電子芳香體系 最大吸收向紫外方向移動(dòng) 稱藍(lán)移效應(yīng) blue shift effect Aromatic systems which contain electrons absorb strongly in the ultraviolet助色團(tuán) 一些原子和原子團(tuán)不吸收 200 800nm 范圍內(nèi)的光 但與生色團(tuán)結(jié)合后 具有能使生色團(tuán) 的吸收峰向長(zhǎng)波或短波方向移動(dòng)的作用 這樣的原子或原子團(tuán)稱為助色團(tuán) Auxochromes An auxochrome is a group which does not absorb significantly in the region 200 800nm but which affect the spectrum of the chromophore to which it is attached Examples of auxochromes are 三 溶劑對(duì)吸收光譜的影響 影響最大吸收波長(zhǎng) 溶劑極性的改變會(huì)使由 躍遷和 n 躍遷產(chǎn)生的兩 10 種吸收峰的最大吸收波長(zhǎng)向不同方向移動(dòng) 溶劑極性增加 躍遷吸收峰發(fā)生紅移 長(zhǎng)波方向 n 躍遷吸收峰發(fā)生藍(lán)移 短波方向 二 定量分析的基礎(chǔ) Beer Lambert 定律 When a bean of radiation strikes any object it can be absorbed transmitted scattered reflected or it can excite fluorescence 1 Correlation of T and C 2 朗伯 比爾定律 3 濃度測(cè)量中相對(duì)誤差與透光率和吸光度的關(guān)系 4 Beer Lambert 定律在混合物中的表達(dá)式 5 偏離 Beer Lambert 定律的因素 第三節(jié) 紫外可見分光光度計(jì) UV Vis spectrophotometer 1 分光光度計(jì)的組成 Spectrophotometer component parts 紫外紫外 可見分光光度計(jì)可見分光光度計(jì) 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 一 光源 sources 1 理想光源的特性 The characteristics of ideal source A 高強(qiáng)度 High intensity B 寬波長(zhǎng)范圍 Wide spectral range C 穩(wěn)定的輸出 Stable output D 長(zhǎng)壽命 Long life E 價(jià)格低 Low cost F 適宜的尺寸 Optimum size 2 常用光源 Commonly used sources 鎢燈 鎢鹵燈 氘燈 二 單色器 Monochromators 1 要求特性 Desirable characteristics of monochromatoes A 高效能 High efficiency or throughput B 寬波長(zhǎng)范圍 Wide wavelength range C 容易調(diào)節(jié)波長(zhǎng) Easily selected wavelength D 好的波長(zhǎng)精度和重現(xiàn)性 Good wavelength accuracy and reproducibility E 高的光譜純度 High spectral purity F 好的機(jī)械穩(wěn)定性 Good mechanical stability 2 濾光片單色器 filter monochromator 組成 入口狹縫 entrance slit 濾光片 filter 出口狹縫 exit slit 三部 分組成 3 棱鏡和光柵單色器 Prisms and Gratings Monochromator 光譜通帶寬度 少于 1nm 組成 狹縫 slit entrance slit exit slit 色散元件 dispersive element 準(zhǔn)直元件 透鏡 focus mirror 反射鏡 mirror 棱鏡和光柵單色器比較 11 A 光柵為勻排光譜 棱鏡為非勻排光譜 光柵所采用的狹縫可產(chǎn)生幾乎恒定的光 譜通帶而與波長(zhǎng)無(wú)關(guān) 棱鏡要得到恒定的帶寬時(shí) 長(zhǎng)波時(shí)要求狹縫窄 短波時(shí)要求狹縫寬 B 光柵對(duì)溫度不敏感 棱鏡對(duì)溫度很敏感 折射率 n 與溫度有關(guān) C 光柵存在著潛在的雜散光源 D 光柵需要有一個(gè) 級(jí)消除濾光片 order sorting filters 以消除 2 3 等波長(zhǎng)的干擾 E 光柵光能量消耗大 三 樣品池 Sample cell 按材料不同分 玻璃池 340 1000nm 石英池 200 340nm 紫外級(jí)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 動(dòng) 池 5 11 微升 注意 樣品池使用前必需進(jìn)行以下測(cè)定 玻璃池 365nm 時(shí) 每個(gè)池之間 T 0 5 即 A 0 002 石英池 240nm 時(shí) 每個(gè)池之間 T 1 5 即 A 0 007 四 檢測(cè)器 Detectors 作用 光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào) A 幾種光檢測(cè)器性能的比較 光電池 photocells 光電管 phototubes 光電倍增管 photomultipliers 波長(zhǎng) nm Wavelength 400 750 190 650 藍(lán)敏 600 1000 紅敏 180 900 響應(yīng)速度 Speed of response 慢 約 10 8 秒 10 9 秒 靈敏度 Sensitivity 低 10 5 106 108 109 B 結(jié)構(gòu)和作用 a 真空光電管 Vacuum Phototube 籃敏光電管陰極鍍有光電發(fā)射材料金屬銻和銫 紅敏光電管陰極鍍有光電發(fā)射材料金屬銀和氧化銫 b 光電倍增管 Photomultipliers 作用 除了將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)作用外 還具有放大作用 二 分光光度劑的分類及特點(diǎn) 1 單光束分光光度計(jì) 特點(diǎn) 光路系統(tǒng)簡(jiǎn)單 機(jī)械振動(dòng)小 信噪比高 2 雙光束分光光度計(jì) 特點(diǎn) 消除了光源不穩(wěn)定造成的影響 具有較高的精密度和準(zhǔn)確度 3 雙光束分光光度計(jì) 12 特點(diǎn) 僅使用一個(gè)吸收池 第四節(jié) 定性和定量分析 Quantitative and Qualitative Analysis 一 儀器條件的選擇 1 測(cè)量波長(zhǎng)的選擇 A 優(yōu)先選擇最大吸收波長(zhǎng) B 最大波長(zhǎng)受到共存雜質(zhì)干擾時(shí) 選擇次強(qiáng)波長(zhǎng) C 最大波長(zhǎng)的吸收峰太尖銳 測(cè)量波長(zhǎng)難以重復(fù)時(shí) 選擇次強(qiáng)波長(zhǎng) 2 透過率或吸光度的范圍的選擇 選擇 T 15 70 或 A 0 150 0 800 之間 3 狹縫寬度的選擇 定性分析 選擇較小的狹縫 以盡量保留振動(dòng)能級(jí)躍遷的精細(xì)結(jié)構(gòu) 定量分析 在吸光度穩(wěn)定的情況下 選用最少狹縫 4 樣品池選擇 根據(jù)測(cè)定波長(zhǎng) 溶液濃度 選擇 L 等選擇 二 定性分析 Qualitative Analysis 1 未知試樣檢定 根據(jù)光譜形狀 極大 極小和拐點(diǎn)波長(zhǎng) 吸收峰數(shù)目 位置與標(biāo)準(zhǔn)試樣比較 2 有機(jī)化合物分子結(jié)構(gòu)的推測(cè) 有機(jī)化合物的吸收光譜 結(jié)構(gòu)與光譜 1 如在 200nm 到 400nm 區(qū)域內(nèi)沒有吸收峰 則可以初步判斷待測(cè)化合物無(wú)雙鍵或不含 環(huán)狀共軛體系 2 若 250nm 處有吸收峰 而且 emax 約 103 104 時(shí) 化合物可能具有芳香環(huán)結(jié)構(gòu) 如果 芳香環(huán)被取代而使共軛體系延長(zhǎng)時(shí) e max 大于 104 3 如在 270 350nm 區(qū)域有弱的吸收峰 emax 大約 10 到 100 且 200nm 以上無(wú)其它吸收 說明該化合物含有帶孤對(duì)電子的未共軛 的生色團(tuán) 如 3 同份異構(gòu)體鑒別 4 純度的檢查 三 定量分析 Quantitative Analysis 標(biāo)準(zhǔn)曲線 直接分取標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行光度測(cè)定或顯色測(cè) 定所測(cè)得的 A 與 C 作圖得到的 曲線 工作曲線 標(biāo)準(zhǔn)溶液按樣品處理進(jìn)行測(cè)定得到的 A 與 C 的曲線 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比法 只配制一個(gè)濃度的標(biāo)準(zhǔn)溶液和樣品比對(duì) 求出待測(cè)樣品的濃度 標(biāo)準(zhǔn)加入法 增量法 本章作業(yè) 1 生色團(tuán)及助色團(tuán)的概念 2 紫外可見分光光度計(jì)的基本組成有哪幾部分 3 吸光度 A 與透光率 T 的轉(zhuǎn)換 13 第四章 原子吸收分光光度法 Atomic Absorption Spectrometry 教學(xué)目的和要求 本章要求掌握原子吸收光譜法的基本原理 基本儀器裝置和定量分析方法 教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn) 1 積分吸收與 No 的關(guān)系 NofmCedk 2v 2 峰值吸收與被測(cè)定元素含量的關(guān)系 3 光譜通帶的概念和作用 4 干擾的類型和消除方法 授課方式 本章為理論課 實(shí)驗(yàn)課 共 8 學(xué)時(shí) 理論課 4 學(xué)時(shí) 采用多媒體課件教學(xué) 在多媒體教 室講授 課件中采用動(dòng)畫效果以求生動(dòng)和形象的效果 實(shí)驗(yàn)課 4 學(xué)時(shí) 在中心實(shí)驗(yàn)室上課 為教師演示實(shí)驗(yàn) 注 實(shí)驗(yàn)課教案另附 授課主要內(nèi)容 第一節(jié) 概述 定義 原子吸收分光光度法 AAS 是根據(jù)物質(zhì)的基態(tài)原子蒸汽對(duì)同種元素特征譜線 的共振吸收作用來(lái)進(jìn)行元素定量測(cè)量的方法 原子吸收法的特點(diǎn) 1 高選擇性 2 檢出限低 可達(dá) 10 10g 無(wú)火焰法可達(dá) 10 14g 3 準(zhǔn)確度高 一般 0 5 2 測(cè)定誤差 4 可測(cè)定的元素多 與采用的火焰類型有關(guān) 空氣 乙炔火焰可測(cè) 36 種元素 N 2O 乙 炔火焰可測(cè) 33 種元素 間接測(cè)定法可測(cè) 16 種元素 除交叉測(cè)定外 共可測(cè) 70 多種元素 5 分析速度快 6 在通常情況下 分析一個(gè)元素 就要用該元素的空心陰極燈作光源 原子吸收光譜分析原理原子吸收光譜法是基于基態(tài)原子對(duì)特征譜線的吸收而建立起來(lái) 14 的一種元素分析方法 原理 從空心陰極燈 光源 輻射出來(lái)的特征譜線 通過含有該待測(cè)元素的基態(tài)原子 蒸氣后 由于該待測(cè)元素對(duì)特征譜線進(jìn)行吸收而使特征譜線的強(qiáng)度減弱 在一定范圍內(nèi) 特征譜線的減弱程度 吸光度 與待測(cè)元素的含量呈正比 第三節(jié) 原子吸收光譜法基本原理 一 原子吸收線 一 原子吸收線的產(chǎn)生 由于原子受外界能量激發(fā) 最外層電子從基態(tài)躍遷到不同 的較高能態(tài)而產(chǎn)生 二 原子吸收譜線的輪廓 1 原子吸收線的輪廓和寬度 2 影響原子譜帶變寬的內(nèi) 外部因素 A 自然寬度 10 6 10 5 nm 原子發(fā)生能級(jí)間躍遷時(shí) 激發(fā)態(tài)原子壽命不一樣而產(chǎn)生 B 多普勒變寬 熱變寬 10 3nm 原子無(wú)規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生 C 碰撞變寬 壓力變寬 10 3nm 原子間或原子同其它粒子的碰撞使原子的基態(tài)能級(jí)稍有變化 因而吸收譜線變寬 a 赫爾茲馬克變寬 Holtzmark 由同種原子碰撞引起 也稱為共振變寬 b 羅倫茨變寬 Lorentz 由不同種原子碰撞引起 D 自吸變寬 由光源周圍溫度較低的原子蒸氣吸收同種原子發(fā)射線而導(dǎo)致的譜線變寬 E 埸致變寬 由強(qiáng)電埸和強(qiáng)磁埸引起 結(jié)果 譜線的變寬導(dǎo)致原子吸收分析的靈敏度下降 二 基態(tài)原子數(shù)與原子化溫度的關(guān)系在一定的溫度下 原子達(dá)到熱平衡時(shí) 基態(tài)原子數(shù) No 與 激發(fā)原子數(shù) Ni 的比值符合波爾茲曼分布 E 為激發(fā)電位 T 為絕對(duì)溫度 K 波爾茲曼常數(shù) 1 38 10 16 爾格 度 qi qo 分別為激發(fā)態(tài)和基態(tài)的統(tǒng)計(jì)權(quán)重 三 原子譜線的測(cè)量 1 原子吸收與原子濃度之間的關(guān)系根據(jù)電動(dòng)力學(xué)理論 在給定的頻率范圍內(nèi)的積分吸 收值為 KTEiieqN 0 15 要將此理論變?yōu)閷?shí)踐 則必須要獲得一個(gè)單色光波長(zhǎng)只有 0 001nm 的光源 此光源稱銳 線光源 峰值吸收理論認(rèn)為 當(dāng)銳線光源發(fā)射的譜線 其中心頻率剛好與原子吸收的中心 頻率相同 且能保證銳線光源的譜線寬度小于原子吸收譜線寬度的 1 5 時(shí) 這樣銳線光源 的光理論上可以 100 被原子吸收 從而實(shí)現(xiàn)對(duì)峰值吸收的測(cè)量 必須滿足的條件 銳線光源發(fā)射的譜線 其中心頻率剛好與原子吸收的中心頻率 no 完全一致 銳線光源的譜線半寬度比原子吸收譜線半寬度更窄 一般為 1 5 第三節(jié) 原子吸收光譜儀器 基本部件 光源 原子化器 單色器 檢測(cè)器 轉(zhuǎn)換裝置 顯示 記錄系統(tǒng) 一 銳線光源 1 作用 提供原子吸收所需要的足夠尖銳的共振線 2 要求 輻射強(qiáng)度大 穩(wěn)定性好 背景小 壽命長(zhǎng) 操作方便 空心陰極燈結(jié)構(gòu)和機(jī)理機(jī)理 當(dāng)施加 300 400 伏直流電壓時(shí) 陰極發(fā)射出的電子在電 場(chǎng)作用下 高速飛向陽(yáng)極 途中與惰性氣體碰撞而使其電離 正離子又在電場(chǎng)作用下被大大加 速飛向陰極 對(duì)陰極表面猛烈轟擊 使金屬原子被濺射出來(lái) 被濺射出來(lái)的原子再與電子 原 子 離子等粒子互相碰撞而被激發(fā) 從而發(fā)射出被測(cè)元素的特征譜線 二 原子化器 作用 將試樣蒸發(fā)并使待測(cè)定元素轉(zhuǎn)化為基態(tài)原子蒸汽 分類 火焰原子化法 非火焰原子化法 氫化物發(fā)生法 Hydride Generation HG 1 火焰原子化器 霧化器 霧化室 燃燒器 2 無(wú)火焰原子化器 最常用的是石墨爐 3 化學(xué)原子化器 氫化物原子化法 三 單色器 組成 入射狹縫 光柵 反射鏡和出射狹縫 作用 選出有用的譜線 光譜通帶 即單色器出光狹縫允許通過的波長(zhǎng)范圍 W D S W 光譜通帶 nm D 倒線色散率 nm mm 1 S 狹縫寬度 mm 位置 置于原子化器之后 目的是防止原子化時(shí)產(chǎn)生的輻射干擾進(jìn)入檢測(cè)器 避免強(qiáng) 烈輻射引起的光電倍增管疲勞 NofmCekvd 2 16 第四節(jié) 原子吸收光譜法的干擾及其消除方法 分類 物理干擾 化學(xué)干擾 電離干擾 光譜干擾和背景干擾 一 物理干擾及其抑制方法 1 物理干擾 是由于試液和標(biāo)準(zhǔn)溶液的物理性質(zhì)的差異 引起進(jìn)樣速度 進(jìn)樣量 霧 化效率 原子化效率差異所產(chǎn)生的干擾 1 干擾因素 溶液的黏度 表面張力 密度 溶劑的蒸汽壓 霧化氣體的壓力 2 干擾性質(zhì) 非選擇性干擾 對(duì)試樣中各元素的影響基本相同 2 消除和抑制方法 1 配制與待測(cè)試樣溶液相似組成的標(biāo)準(zhǔn)溶液 并在相同條件下進(jìn)行測(cè)定 如試 樣組成不詳 采用標(biāo)準(zhǔn)加入法加以消除物理干擾 2 避免使用黏度大的硫酸 磷酸來(lái)處理試樣 稀釋試液 二 化學(xué)干擾及其抑制方法 化學(xué)干擾 化學(xué)干擾是由于待測(cè)元素與共存組分發(fā)生了化學(xué)反應(yīng) 生成了難揮發(fā)或難 解離的化合物 使基態(tài)原子數(shù)目減少所產(chǎn)生的干擾 2 消除和抑制方法 1 提高火焰溫度 提高火焰溫度使難揮發(fā) 難解離的化合物較完全基態(tài)原子化 采用 N2O C2H2 高溫火焰 代替常用的空氣 乙炔火焰 可提高原子化效率 適用于難揮發(fā) 難解離的金屬鹽類 氧 化物 氫氧化物 2 加入釋放劑 releaser 加入釋放劑與干擾元素生成更穩(wěn)定或更難揮發(fā)的化合物 從而使被測(cè)定元素從含有干 擾元素的化合物中釋放出來(lái) 3 加入保護(hù)劑 有機(jī)絡(luò)合物 它與被測(cè)元素或干擾元素形成穩(wěn)定的絡(luò)合物 避免待測(cè)元素與干擾元素生成難揮發(fā)化 合物 4 加入基體改進(jìn)劑 石墨爐原子吸收光譜分析中 加入某些化學(xué)試劑于試液或石墨管中 改變基體或被測(cè) 定元素化合物的熱穩(wěn)定性 避免了化學(xué)干擾 這些化學(xué)試劑稱為基體改進(jìn)劑 5 化學(xué)分離法 萃取法 離子交換法和沉淀法 作用 可將待測(cè)定元素與干擾元素分離 不僅可以消除基體元素的干擾 還可以 富集待測(cè)定元素 三 電離干擾及其抑制 1 電離干擾 某些易電離元素在火焰中產(chǎn)生電離 使基態(tài)原子數(shù)減少 降低了元素測(cè) 定的靈敏度 這種干擾稱為電離干擾 2 抑制方法 加入消電離劑 17 常用的消電離劑有 CsCl KCl NaCl 四 光譜干擾及其抑制 譜線干擾和消除方法 1 譜線干擾 它是指單色器光譜通帶內(nèi)除了元素吸收分析線外 還進(jìn)入了發(fā)射線的鄰 近線或其它吸收線 使分析方法的靈敏度和準(zhǔn)確度下降 2 消除和抑制方法 減小狹縫寬度 提高儀器的分辨率 使元素的共振吸收線與干擾譜線完全分開 降低燈電流 選擇無(wú)干擾的其它吸收線 分離共存的干擾元素 五 背景干擾和抑制方法 1 光譜背景干擾 原子吸收光譜分析中的背景干擾主要是指原子化過程中產(chǎn)生的分子 吸收和固體微粒產(chǎn)生的光散射干擾效應(yīng) 2 光譜背景干擾的抑制和校正 1 光譜背景干擾的抑制 火焰法 改變火焰類型 燃助比和調(diào)節(jié)火焰觀測(cè)區(qū)高度 石墨爐原子吸收法 選用適當(dāng)基體改進(jìn)劑 采用選擇性揮發(fā)來(lái)抑制分子吸收 2 光譜背景的校正 儀器調(diào)零吸收法 鄰近非共振線校正背景法 連續(xù)光源校正背景法 塞曼 Zeeman 效應(yīng)校正背景法 校正原理 有背景吸收時(shí) 測(cè)得的分析線的吸光度 A x b 是分析物吸光度 A x 與背景 吸光度 A b 之和 即 AbkcxbA 鄰近非共振線校正背景 原理 由空心陰極燈發(fā)射波長(zhǎng)跟分析線相鄰近的非特征吸收線測(cè)量背景吸光度 而分 析物對(duì)非特征吸收線無(wú)吸收 連續(xù)光源校正背景法 紫外區(qū) 氘燈校正 可見區(qū) 碘鎢燈 氙燈校正 氘燈校正原理 氘燈 連續(xù)光源 所測(cè)吸光度為背景吸收 而銳線光源 空心陰極燈 測(cè)定的吸光度為原子吸收和背景吸收的總吸光度 第四節(jié) 原子吸收光譜定量分析 一 分析測(cè)量條件的選擇 18 1 分析線的選擇 選擇元素的共振線 2 狹縫的選擇 以排除干擾和具有一定透光強(qiáng)度為原則 3 燈電流的選擇 在保證空心陰極燈有穩(wěn)定輻射和 足夠的入射光強(qiáng)度條件下 使用 最低燈電流 4 原子化條件選擇 火焰原子化法 選擇火焰類型和調(diào)節(jié)燃?xì)馀c助燃?xì)獗壤?石墨爐原子化法 通過實(shí)驗(yàn)選擇合適的干燥 灰化 原子化及除殘等階段的溫度 和持續(xù)時(shí)間 二 定量分析方法 1 標(biāo)準(zhǔn)曲線法或工作曲線法標(biāo)準(zhǔn)曲線法或工作曲線法 2 標(biāo)準(zhǔn)加入法 三 方法靈敏度 1 特征濃度 C0 火焰原子化法 某待測(cè)元素產(chǎn)生 1 吸收時(shí) 即 A 0 0044 的對(duì)應(yīng)濃度 單位為 g Ml 1 C0 Cx 0 0044 A 單位為 g Ml 1 2 特征質(zhì)量 m0 2 檢出限 指儀器能以適當(dāng)?shù)闹眯哦葯z出元素的最低 濃度或最低質(zhì)量 在原子吸收法中 檢出限 D L 是指被測(cè)定元素能產(chǎn)生的信號(hào)為空白 值的標(biāo)準(zhǔn)偏差 3 倍 3 S 時(shí)元素的質(zhì)量濃度或質(zhì)量 相對(duì)檢出限 D L D L CX 3S A g mL 絕對(duì)檢出限 D L 檢出限取決于儀器的穩(wěn)定性 3 靈敏度用途 1 檢查儀器性能儀器是否調(diào)整好 儀器部件性能是否降低 測(cè)試條件 是否在最佳狀態(tài) 2 估計(jì)最適宜的測(cè)量濃度和取樣量例 本章作業(yè) 1 在原子吸收光譜分析中 為什么要用峰值吸收代替積分吸收 實(shí)現(xiàn)峰值吸收必需滿 足的條件是什么 2 簡(jiǎn)述空心陰極燈的構(gòu)造和工作原理 3 在原子吸收光譜分析中 產(chǎn)生化學(xué)干擾 光譜干擾和背景干擾的因素有哪些 相應(yīng) 的消除方法是什么 4 已知用原子吸收法測(cè)鎂時(shí)的靈敏度為 0 005 g mL 試樣中鎂的含量約為 0 01 配 制試液時(shí)最適宜濃度范圍為多少 若制備 50mL 試液時(shí) 應(yīng)該稱取多少克試樣 19 第五章 紅外吸收光譜法 Infrared absorption spectrographic analysis 教學(xué)目的和要求 本章要求掌握紅外吸收的基本理論 包括分子振動(dòng)紅外光譜產(chǎn)生的條件 紅外吸收光 譜儀結(jié)構(gòu)及簡(jiǎn)單的紅外圖譜分析 教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn) 1 紅外光譜產(chǎn)生的條件 2 吸收地 檢測(cè)器 邁克爾遜干涉儀 3 紅外圖譜解析 授課方式 本章為理論課 實(shí)驗(yàn)課 共 6 學(xué)時(shí) 理論課 2 學(xué)時(shí) 采用多媒體課件教學(xué) 在多媒體教 室講授 課件中采用動(dòng)畫效果以求生動(dòng)和形象的效果 實(shí)驗(yàn)課 4 學(xué)時(shí) 在中心實(shí)驗(yàn)室上課 為教師演示實(shí)驗(yàn) 注 實(shí)驗(yàn)課教案另附 授課主要內(nèi)容 第一節(jié) 概述 一 紅外吸收光譜 IR 基本概念 是依據(jù)物質(zhì)對(duì)紅外輻射的特征吸收建立的一種光譜分析方法 分子吸收紅外輻射后發(fā) 生振動(dòng)能級(jí)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)的躍遷 故又稱為分子振動(dòng) 轉(zhuǎn)動(dòng)光譜 紅外光譜法是有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)分析的重要手段 與紫外吸收光譜法 核磁共振波譜法 及質(zhì)譜法被稱為四大譜學(xué)方法 二 紅外光區(qū)劃分紅外區(qū) 0 78 1000 m 按波長(zhǎng)分成三個(gè)波區(qū) 1 近紅外區(qū) 0 78 2 5 m 780 nm 2500 nm C H N H O H 的振動(dòng)能級(jí)躍遷 20 所產(chǎn)生的泛頻吸收或能量較低的電子能級(jí)的躍遷發(fā)生在此波區(qū) 主要用于蛋白質(zhì) 脂肪 水分 淀粉 纖維 半纖維 木質(zhì)素等的定性定量分析 2 中紅外區(qū) 2 5 25um 3 遠(yuǎn)紅外區(qū) 25 1000 um 4 紅外光譜圖線性波長(zhǎng)表示法 橫坐標(biāo)為波長(zhǎng) um 縱坐標(biāo)為 T 線性波數(shù)表示法 橫坐標(biāo)為波數(shù) cm 1 縱坐標(biāo)為 T 第二節(jié) 紅外吸收產(chǎn)生的原理與條件 一 紅外吸收光譜產(chǎn)生的條件 1 輻射具有能滿足分子躍遷所需要的能量 2 輻射與分子之間有耦合作用發(fā)生 一 輻射光子具有的能量與發(fā)生振動(dòng)躍遷所需的躍遷能量相等 基頻峰 分子由基態(tài)振動(dòng)能級(jí) n 0 躍遷至第一振動(dòng)激發(fā)態(tài) n 1 時(shí) 所產(chǎn)生的 吸收峰 倍頻峰 n 0 n 2 3 4 躍遷產(chǎn)生的譜帶 稱第一倍頻 第二倍頻 等 只有符合 V 1 2 的躍遷才會(huì)產(chǎn)生紅外吸收帶 例 CO2 三原子線性分子 振 動(dòng)自由度為 3 3 5 4 但 Vs 1388cm 1 為非活性的 668cm 1 頻率相同 發(fā)生簡(jiǎn)并 故只 有二條 二 輻射與分子之間有耦合作用發(fā)生 只有在振動(dòng)過程中偶極矩發(fā)生變化的那種振動(dòng)方式 才能吸收紅外幅射 在紅外光譜中 出現(xiàn)吸收譜帶 這種方式稱紅外活性的 否則稱紅外非活性的 二 多分子振動(dòng)的幾種方式 1 伸縮振動(dòng) 沿鍵軸方向伸縮 使鍵長(zhǎng)發(fā)生變化的振動(dòng) 伸縮振動(dòng)有兩種方式 對(duì)稱伸縮振動(dòng) 用 V S 表示 反對(duì)稱伸縮振動(dòng) 亦稱不對(duì)稱伸縮振動(dòng) 用 VAS 表示 2 彎曲振動(dòng) 變形振動(dòng) 鍵角發(fā)生變化的振動(dòng) 面內(nèi)彎曲振動(dòng) 剪式振動(dòng) 和平面搖擺振動(dòng) 面外彎曲振動(dòng) 扭曲振動(dòng) 和非平面搖擺振動(dòng) 三 振動(dòng)自由度 簡(jiǎn)正振動(dòng) 基本振動(dòng) 基頻譜帶 V 0 V 1 四 吸收紅外幅射的選擇定則 1 只有在振動(dòng)過程中偶極矩發(fā)生變化的那種振動(dòng)方式 才 能吸收紅外幅射 在紅外光譜中出現(xiàn)吸收譜帶 這種方式稱紅外活性的 否則稱紅外非活性 的 2 只有符合 V 1 2 的躍遷才會(huì)產(chǎn)生紅外吸收帶 例 CO2 三原子線性分子 振動(dòng)自由度為 3 3 5 4 但 Vs 1388cm 1 為非活性的 668cm 1 頻率相同 發(fā)生簡(jiǎn)并 固只 有二條 五 基團(tuán)頻率區(qū)和指紋區(qū) 1 基團(tuán)頻率區(qū) 4000 1300 cm 1 1 4000 2500 cm 1 是 X H 伸縮振動(dòng)區(qū) 2 2500 1900 cm 1 為叁鍵和累積雙鍵區(qū) 21 3 1900 1200 cm 1 是雙鍵伸縮振動(dòng)區(qū) 2 指紋區(qū) 1300 600cm 1 1 1300 900 區(qū)域 cm 1 是 C O C N 等單鍵的伸縮振動(dòng)和 C S S O 等雙鍵的伸縮振 動(dòng) 2 900 650 cm 1 區(qū)域可用來(lái)確認(rèn)化合物的順反異構(gòu) 第三節(jié) 紅外光譜儀 一 色散型紅外光譜儀的基本部件 1 光源 2 樣品池 液體樣品 a 液膜法 b 固定池 可拆裝式液體池 可變池 固體樣品 1 2mg 樣品 150 200mg KBr 研磨壓成厚度為 1 2mm 透明薄片 3 單色器 與 UV Vis 相同 4 檢測(cè)器 硫酸三甘肽 TGS0 碲汞鎘檢測(cè)器 熱電偶 測(cè)幅射熱計(jì) Golay Cell 二 富立葉變換紅外光譜儀 1 邁克爾遜干涉儀 當(dāng)動(dòng)鏡移動(dòng) 1 4 的奇數(shù)倍時(shí) 光程差 X 為 1 2 3 2 5 2 兩光束 位相差 180 度 發(fā)生相消干涉 亮度最小 當(dāng)動(dòng)鏡移動(dòng) 1 4 的偶數(shù)倍時(shí) 光程差 X 為 的整數(shù)倍 發(fā)生相長(zhǎng)干涉 亮度最大 當(dāng)動(dòng)鏡連續(xù)運(yùn)行時(shí) 其干涉圖方程 I x B Cos2 X 其中 I 干涉強(qiáng)度 B 入射光強(qiáng)度 X 光程差 當(dāng)為復(fù)合光時(shí) 其方程為 當(dāng)干涉光通過樣品后 樣品吸 vdxCosBxI 2 收某些頻率的光 經(jīng)計(jì)算機(jī)對(duì)方程進(jìn)行富立葉變換后 得到透過率隨波長(zhǎng)變化的紅外圖譜 2 FT IR 的工作原理 3 富立葉變換紅外光譜儀的優(yōu)點(diǎn) A 分辨率高 在 1000cm 1 處時(shí) 棱鏡 3cm 1 光柵 0 2cm 1 FT IR 0 1 0 005cm 1 B 波數(shù)精度高 FT IR 可精確至 0 01cm 1 C 掃描時(shí)間快 FT IR 1 秒鐘可掃完全圖譜光譜范圍寬 10000 10cm 1 E 靈敏度高 可分析 10 9 g 樣品 第四節(jié) 定性分析 一 有機(jī)分子紅外吸收光譜與分子結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系 基團(tuán)頻率區(qū)和指紋區(qū) 1 基團(tuán)頻率區(qū) 4000 1300 cm 1 22 1 4000 2500 cm 1 是 X H 伸縮振動(dòng)區(qū) 2 2500 1900 cm 1 為叁鍵和累積雙鍵區(qū) 3 1900 1200 cm 1 是雙鍵伸縮振動(dòng)區(qū) 2 指紋區(qū) 1300 600cm 1 1 1300 900 區(qū)域 cm 1 是 C O C N 等單鍵的伸縮振動(dòng)和 C S S O 等雙鍵的伸縮振 動(dòng) 2 900 650 cm 1 區(qū)域可用來(lái)確認(rèn)化合物的順反異構(gòu) 二 定性分析 1 利用已知物與未知物圖譜比較對(duì)照鑒定 2 未知物的結(jié)構(gòu)測(cè)定 步驟 A 用元素分析儀測(cè)定未知物的 C H O N 等元素的比例 求取分子式 B 測(cè)定紅外光譜 C 計(jì)算不飽和度 W 1 n 4 n3 n1 2 n1 n3 n4 分別是價(jià)數(shù)為 1 3 4 的原子數(shù)通常 雙鍵和飽和環(huán)狀化合物的 U 為 1 叁鍵 U 為 2 苯環(huán) U 為 4 D 先找官能團(tuán)區(qū) 后找指紋區(qū)證實(shí) 本章作業(yè) 1 產(chǎn)生紅外吸收的條件是什么 是否所有的分子都能產(chǎn)生紅外吸收光譜 為什么 2 簡(jiǎn)述述色散型紅外光譜儀與富立葉變換紅外光譜儀在原理上的區(qū)別 23 第六章 色譜學(xué)導(dǎo)論 教學(xué)目的和要求 1 了解色譜法的分類 2 掌握色譜分析的基本原理 3 理解柱效率的物理意義及其計(jì)算方法 4 理解速率理論方程對(duì)色譜分離的指導(dǎo)意義 5 掌握分離度的計(jì)算及影響分離度的重要色譜參數(shù) 教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn) 1 色譜圖中的各種參數(shù)的含義 2 塔板理論 3 速率理論 授課方式 本章為理論課 共 2 學(xué)時(shí) 采用多媒體課件教學(xué) 在多媒體教室講授 課件中采用動(dòng) 畫效果以求生動(dòng)和形象的效果 授課主要內(nèi)容 第一節(jié) 色譜法概述 一 色譜分析的歷史 定義與分類 History and definition and classification of chromatography 色譜分析是從分離技術(shù)發(fā)展成為分離 分析技術(shù)的一門綜合性學(xué)科 1 Tswett 的方 24 法是借助于各組分在固定相中吸附能力的強(qiáng)弱不同而進(jìn)行分離的 稱為吸咐色譜 Adsorpting Chromatography 2 1941 年 Martin 和 Synge 把氨基酸的混合液注入到以硅 膠作固定相的柱中 用氯仿作流動(dòng)相 借助于氨基酸在硅膠中的水和有機(jī)溶劑氯仿兩相中的 溶解度不同而達(dá)到分離 故稱為分配色譜 Partition Chromatography 3 1944 年 Martin 和 Synge 用濾紙代替硅膠 不用色譜柱 固定相是濾紙中含有水份的纖維素 流動(dòng) 相用有機(jī)溶劑 也成功地分離了氨基酸 從而創(chuàng)立了紙色譜法 Paper Chromatography 4 1952 年 Martin 等又提出以氣體作流動(dòng)相的氣相色譜法 Gas Chromatography 5 50 年代又出現(xiàn)了將固定相涂布在玻璃板上的薄層色譜法 Thin Layer Chromatography 二 二 色譜分析的定義色譜分析的定義 Definition of chromatography 色譜分析的定義 Keulemans definition serves as well as any chromatography is a physical method of separation in which the components to be separated are distributed between two phases one of these phase constituting a stationary bed of large surface area the other being a fluid that percolates through or along the stationary bed 色譜法是一種物理化學(xué)的分離分析方法 它是利用樣品中各種組分在固定相與流動(dòng)相 中受到的作用力不同 而將待分析樣品中的各種組分進(jìn)行分離 然后順序檢測(cè)各組分含量 的一種分離分析方法 三 色譜法分類 1 按固定相及流動(dòng)相的狀態(tài)分類 氣相色譜 氣液色譜 氣固色譜 液相色譜 液液色譜 液固色譜 2 按固定相形狀分類 柱色譜 紙色譜 薄層色譜 3 按色譜過程的物理 化學(xué)機(jī)理分類 1 吸附色譜 用固體吸附劑作固定相的色譜 它是利用組分在吸附劑上吸附力的不 同 因而吸附平衡常數(shù)不同而將組分分離的色譜 2 分配色譜 用液體作固定相 利用組分在液相中的溶解度不同 因而分配系數(shù)不 同而進(jìn)行分離的色譜 3 離子交換色譜 利用離子交換原理而進(jìn)行分離的色譜 4 排阻色譜 利用分子大小不同而進(jìn)行分離的色譜 5 電色譜 利用帶電物質(zhì)在電場(chǎng)作用下移動(dòng)速度不同進(jìn)行分離的色譜 4 按儀器分類 氣相色譜 Gas chromatography 填充柱氣相色譜 Packed column gas chromatography 毛細(xì)管氣相色譜 Capillary column gas chromatography 裂解氣相色譜 Pyrolysis gas chromatography 25 頂空氣相色譜 Headspace gas chromatography 氣相質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù) Gas chromatography Mass spectrometry 液相色譜 Liquid chromatography 高效液相色譜 High performance liquid chromatography 超臨界流體色譜 Supercritical fluid chromatography 高效毛細(xì)管電泳 High performance capillary electrophoresis 毛細(xì)管電色譜 Capillary electrochromatography 液相質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù) Liquid chromatography Mass spectrometry 色譜法分類 Classification of Chromatography 平面色譜法 Planar chromatography 薄層色譜 Thin layer chromatography 薄層電泳色譜 Thin layer electrophoresis 紙色譜 Paper chromatography 二 色譜分離過程 色譜法具有的三個(gè)共同點(diǎn) 1 凡是色譜分離都具有兩個(gè)相 流動(dòng)相和固定相 2 固定相是不動(dòng)的 流動(dòng)相對(duì)固定相作相對(duì)的運(yùn)動(dòng) 3 被分離的組分對(duì)流動(dòng)相和固定相有不同的作用力 這種作用力有吸附力 吸附 色譜 溶解能力 分配色譜 離子交換能力 離子交換色譜 等 在色譜分析中我們常 用分配系數(shù)來(lái)描述組分對(duì)流動(dòng)相和固定相的作用力的差別 K 分配系數(shù) Cs 組分在固定相中的濃度 Cm 組分在流動(dòng)相中的濃度 色譜學(xué)研究的三個(gè)重要問題 要想使二組分 特別是難分離的二組分 亦稱物質(zhì)對(duì) 分離 就要使它們的流出峰相 距足夠的遠(yuǎn) 二物質(zhì)的流出峰的距離與它們?cè)趦上嗟姆峙湎禂?shù) K 有關(guān) 而 K 與物質(zhì)的分子 結(jié)構(gòu)和性質(zhì)有關(guān) 因此必須研究這一分配過程中的熱力學(xué)基礎(chǔ) 它是發(fā)展高選擇性色譜柱 的理論基礎(chǔ) 兩峰具有一定距離還不足以分離 還必須要求峰寬要窄 色譜峰的寬窄與物質(zhì)在色譜 過程中的運(yùn)動(dòng)情況有關(guān) 這就要求研究色譜過程中的動(dòng)力學(xué)因素 當(dāng)改變操作條件時(shí) 色譜峰寬和距離均可能同時(shí)起變化 色譜分離條件的選擇 就成 了色譜學(xué)理論研究的第三個(gè)重要問題 三 一些重要的參數(shù) 一 色譜圖中一些重要參數(shù) msCK 26 1 色譜峰 峰寬 用 W 或 Y 表示 峰高 用 H 表示 半峰寬 用 W 1 2 或 Y 1 2 表示 亦有用 2 X 1 2表示 標(biāo)準(zhǔn)偏差 用 表示 標(biāo)準(zhǔn)偏差亦稱曲折點(diǎn)峰寬 即峰高 0 607 處峰的寬度 與峰寬和半峰寬的關(guān)系如下式表示 Y 4 Y 1 2 2 2 Ln2 2 355 2 時(shí)間保留值 死時(shí)