第一章 《仪器分析》引言 1）精密度（Precision） 使用同一方法或步骤进行多次重复测量所得分析数据之间符合的程度。 标准偏差(Absolute standard deviation)，s 平均标准偏差(Standard deviation of mean, sm) 相对标准偏差(Relative standard deviation, RSD) l 变异系数(Coefficient of variance, CV) 方差(Variance): s2 2) 误差（Bias） 测量值的总体平均值x与“真值?”接近的程度。即 ? 通过多次测量已知浓度或含量的物质（称为标准物质），得到总体平均值与标准物质含量（真实值）比较。 在建立新的分析方法时，对标准物质的测量可找出误差的来源！并通过空白分析和仪器校正来消除误差。 3）灵敏度（Sensitivity） 反映了仪器或方法识别微小浓度或含量变化的能力，也就是说，当浓度或含量有微小变化时，仪器或方法均可以觉察出来。 影响灵敏度的因素有二： a）校正曲线的斜率； b) 分析的重现性或精密度。 IUPAC推荐使用“校正灵敏度”或者“校正曲线斜率”作为衡量灵敏度高低的标准。 因此，有人建议以“分析灵敏度(Analytical Sensitivity)”表示，即 优点：当仪器信号放大时，k 值增加，灵敏度提高； 但此时 s 也相应增加，从而一定程度地保证了灵敏度恒定； 缺点：s 与浓度有关，即灵敏度随浓度而变化 4）检测限（Detection limit, DL） 检测限：在已知置信水平，可以检测到的待测物的最小质量或浓度。它和分析信号（Singnal）与空白信号的波动（噪音, Noise）有关，或者说与信噪比（S/N）有关。 只有当有用的信号大于噪音信号时，仪器才有可能识别有用信号。 检出限如何计算呢？ ① 测定空白样品(或浓度接近空白值）20-30次，求其平均值 Sb 及其标准偏差 sb，则可分辨的最小信号 SDL= Sb+k1?sb ② 通过校正曲线的斜率k，将最小待测物信号SDL转化为浓度值CDL，即 经统计学的 t 和 z 检验，当k1=3 时，大多数情况下，检测结果的置信度为95%。因此上式可转换为： 5）信噪比（singnal-to-noise ratio, S/N） 任何测量值均由两部分组成：信号及噪音。其中信号反映了待测物的信息，是我们所关心的，而噪音是不可避免的，它降低分析的准确度和精密度、提高检出限，是我们不希望的。 多数情况下，N是恒定的，与S大小无关。当测量信号较小时，测量的相对误差将增加。因此用信噪比S/N是恒量仪器性能和分析方法好坏最为有效的指标！ ? 当S/N2~3时，分析信号将很测定。 噪声的来源 （1）化学噪声：分析体系中难以控制的一些化学因素。比如, ①化学反应中温度和压力等参数的变化和波动； ②相对湿度导致样品含水量的不同； ③粉状固体粒度不均； ④光敏材料产生的光密度不均； ⑤实验室烟尘与样品或试剂作用的随机性；等等。 （2）仪器噪声 仪器的光(电)源、输入(出)转换器、信号处理单元等都是仪器噪声的来源。所用仪器的每个部分都可产生不同类别的噪声。通常将仪器噪声分为4类： ? ①热噪声（Thermal, or Johnson, noise）：属于白噪音(white noise)，由元器件中电子或电荷受热激发所产生的噪音信号。由于荷电粒子受激的随机性和周期性，因而会导致电荷的不均一，进而使读出的信号发生波动。只有在绝对零度时，该噪音才会消失。 当电阻R ，T?，则N?。(如UV-Visible二极管阵列检测器在77K时，其噪音下降一半左右；此外，减少带宽，可降低噪音，但同时也会延长响应时间，并降低测定的可靠性。? ②散粒噪声（Shot noise）它是由电子或其它荷电粒子通过界面（如PN结，光电池或真空管的阴阳极之间）时所产生的噪音，亦属白噪音。 ③闪变噪声（Flicker noise）闪变噪声存在十分普遍，其大小与频率成反比，尤其在低频时（100Hz），其对测定的影响更大。有时也称之为1/f 噪声。产生该噪声的机制还不很清楚。采用绕线电阻或金属膜式电阻代替含碳型电阻可显著降低该类噪声。 ④环境噪声（Environmental noise）环境噪声来自于周围环境的各个方面。由于仪器的每个部分都可以看作是一个天线，一种可接收各种辐射的接收器。而环境中存在在大量的电磁辐射：交流电线、收音机、TV台、马达电刷、引擎点火系统等。 消除噪声可采用硬件方法（接地和屏幕、差分放大器、模拟滤波、频率调制方法、断续放大或切光器、闭锁装置放大等）、软件方法（总体平均、方脉冲平均、数字滤波等）以及其它方法（噪声数据平滑、谱库比较、谱峰识别技术）。 6）动态范围（Dynamic range） 通常的分析方法，其线性动态范围LOL/LOQ至少要达到2个数量级。 7） 选择性(selectivity) 定义：样品基体中其它组份对测定待测物时的干扰程度。在分析中，没有哪种测定不受到诸多因素的干扰，换句话说，分析的过程就是消除或减少干扰对测定影响的过程，也就是提高分析选择性的过程。 通常用选择性系数来反应仪器或方法的选择性，但该应用并不多，只是在ISE分析中用到选择性系数。 4. 仪器分析校正方法 所谓校正(Calibration)，就是将仪器分析产生的各种信号与待测物浓度联系起来的过程。除重量法和库仑法之外，所有仪器分析方法都要进行“校正”。 校正方法有三：标准曲线法；标准加入法；内标法。 ? 标准曲线法（Calibration curve，Working curve, Analytical curve）具体做法： ①准确配制已知待测物浓度的系列: 0 (空白)，c1，c2，c3，c4……..； ②通过仪器分别测量以上各待测物的响应值S0，S1，S2，S3，S4……及待测物的响应值Sx； ③以浓度c对响应信号与S作图得到标准曲线，然后通过测得的Sx从下图中求得cx；或者通过最小二乘法获得其线性方程再直接进行计算。 标准曲线法的准确性与否与两个因素有关：标准物浓度配制的准确性；标准基体与样品基体的一致性。 2）标准加入法（Standard addition method）具体做法： ①将一系列已知量待测物分别加入到几等份的样品中，配制成浓度为(cx+0)，(cx+c1), (cx+c2), (cx+c3)……..，得到和样品有相同基体的标准系列(加标，spiking)； ②通过仪器分别测量以上系列的响应值S0，S1，S2，S3，S4……； ③以浓度c 对响应信号与S作图，再将直线外推与浓度轴相交于一点(下图)，求得样品中待测物浓度cx。 优点：基体(matrix)相近，或者说基体干扰相同；缺点：麻烦，适于小数量的样品分析。 ? a.当样品量很少时，可在一份样品中加标，加一次作一次测量，可得到上述方法相同的结果； ? b.当觉得上述过程麻烦时，可只加标一次，分别测量样品和加标样品的仪器响应，再直接通过公式进行计算。 3）? 内标法（Internal standard method） 该法可以说是上述两种校正曲线的改进。可用于克服或减少仪器或方法的不足等引起的随机误差或系统误差。 具体作法： ①寻找一种物质或内标物，该内标物必须是样品中大量存在的或完全不存在的。然后，在所有样品、标准及空白中加入相同量的上述内标物； ②分别测量样品及标准中待测物及内标物的响应值，然后以Sx/Si比值对浓度c作图； ③按前述校正方法获得cx。? 说明：当待测物与内标物的响应值的波动一致时，其比值可抵消因仪器信号的波动和操作上的不一致所引起的测定误差； 例如：Li可作为血清中K，Na测定的内标物（Li与K，Na性质相似，但在血清中不存在）。 但寻找合适的内标物（与待测物性质相似而且仪器可以识别各自的信号），或重复引入内标物往往有一定的困难，因此，寻找合适内标物是十分费时的。 5. 选择分析方法的几种考虑 仪器分析方法众多，对一个所要进行分析的对象，到底选择何种分析方法呢？可从以下几个方面考虑： ? ①您所分析的物质是元素？化合物？有机物？化合物结构剖析？ ? ②您对分析结果的准确度要求如何？ ? ③您的样品量是多少？ ? ④您样品中待测物浓度大小范围是多少？ ? ⑥可能对待测物产生干扰的组份是什么？ ? ⑦样品基体的物理或化学性质如何？ ? ⑧您有多少样品，要测定多少目标物？ 第二章 光学分析方法导论 原子光谱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，如原子发射光谱、原子吸收光谱法。原子荧光光谱法和X射线荧光光谱法。分子光谱室由分子的电子能级、振动和转动能级的变化产生的，表现形式为带光谱，如紫外-可见分光光度法、红外光谱法、分子发光分析法等。 光学分析方法： 利用光电转换或其它电子器件测定“辐射与物质相互作用”之后的辐射强度等光学特性，进行物质的定性和定量分析的方法。 1. 光的波动性 电磁辐射为正弦波（波长、频率、速度、振幅）。与其它波，如声波不同，电磁波不需传播介质，可在线）波的叠加（Superposition） 频率相同的正弦波叠加得相同频率的合成正弦波；频率不同的正弦波叠加得不同频率的非正弦波；更多的正弦波叠加可形成方波 2）光波的衍射（Diffraction） 衍射：当一束平行光通过窄的开口如狭缝时发生弯曲的现象。 丁达尔散射(Tyndall)： 大分子（如胶体粒子和聚合物分子）尺寸与光的波长相近时所产生的散射现象，此时散射光极强（与λ2成反比），可以肉眼观察到。 瑞利散射(Rayleigh)：（弹性碰撞， 方向改变，但λ不变） 当分子或分子集合体的尺寸远小于光的波长时所发生的散射现象。散射光强与光的波长的λ4、散射粒子的大小和极化率成反比。？天空为什么呈蓝色？ 拉曼散射(Raman)：（非弹性碰撞，方向及波长均改变） 光照导致的分子内振动能级跃迁而产生的分子极化过程。分子极化率越大，Raman散射越强。 2. 光的粒子性 当物质发射电磁辐射或者电磁辐射被物质吸收时，就会发生能量跃迁。此时，电磁辐射不仅具有波的特征，而且具有粒子性，最著名的例子是光电效应现象的发现。 1）光电效应（Photoelectric effect） 2）? 能态（Energy state） 量子理论(Max Planck，1900)： 物质粒子总是处于特定的不连续的能量状态，即能量是量子化的；处于不同能量状态粒子之间发生能量跃迁时的能量差ΔE 可用 hν表示。 两个重要推论： 物质粒子存在不连续的能态，各能态具有特定的能量。当粒子的状态发生变化时，该粒子将吸收或发射完全等于两个能级之间的能量差；反之亦是成立的，即E =E1-E0=h? 3）电磁波的发射—光谱图 AES 电弧,火花,火焰 , ICP 原子,离子, 分子 原子,离子, 分子 UV,VIS,IR 原子*,离子*, 分子* 激发 发射 能量 激发态 基态 基态 原子,离子, 分子 轰击 X-ray 原子*, 离子*,分子* 原子,离子, 分子 X 激发 电子或者其它 基本粒子 发射 能量 基态 激发态 基态 AFS, MFS, XFS 光（一次光） 激发 电磁辐射或者 化学反应 原子,离子, 分子 原子*, 离子*,分子* 能量 激发态 基态 分子荧光光谱 荧光（二次光） 发射 产生的辐射通称为发射光谱，以辐射能对辐射频率或波长作图可得到发射光谱图： 原子、离子 、分子 基态 X射线荧光光谱 光谱组成 线光谱(Line spectra): 由处于气相的单个原子发生电子能级跃迁所产生的锐线A。 带状光谱(Band spectra): 由气态自由基或小分子振动-转动能级跃迁所产生的光谱，由于各能级间的能量差较小，因而产生的谱线不易分辨开而形成所谓的带状光谱，其带宽达几个至几十个nm)； 连续光谱(Continuum spectra)： 固体被加热到炽热状态时，无数原子和分子的运动或振动所产生的热辐射，也称黑体辐射。通常产生背景干扰。温度越高，辐射越强，而且短波长的辐射强度增加得最快！ 电磁辐射 原子、离子、分子 光 原子*、离子*、分子* 原子、离子、分子 激发 激发态 基态 基态 能量 吸收 另一方面，炽热的固体所产生的连续辐射是红外、可见及较长波长的重要辐射源（光源）。 4）电磁波的吸收 ? 现象：当电磁辐射通过固体、液体或气体时，具一定频率(能量)的辐射将能量转移给处于基态的原子、分子或离子，并跃迁至高能态，从而使这些辐射被选择性地吸收。 原子吸收：原子吸收光谱分析(AAS); 分子吸收：紫外可见光度分析(UV-Vis)； 分子吸收：红外光谱分析(IR)及拉曼光谱(Raman) ； 核吸收：核磁共振光谱(NMR)。 此框是重点 三、光谱仪器 组成：光源，单色器，样品容器，检测器（光电转换器、电子读出、数据处理及记录）。 光源或炽热固体 信号处理器 光电转换 分光系统 样品容器 吸收 信号处理器 光电转换 分光系统 样品容器 荧光 光源灯或 激光 信号处理器 光电转换 分光系统 光源+样品 发射 光源 光源有连续光源和线光源等。一般连续光源主要用于分子吸收光谱法，线光源用于荧光、原子吸收和Raman光谱法 对光源的要求：强度大（分析灵敏度高）、稳定（分析重现性好）。 *Laser=light amplification by stimulated emission of radiation 2. 分光系统（monochromator, wavelength selector） 定义：将由不同波长的“复合光”分开为一系列“单一”波长的“单色光”的器件。 理想的100%的单色光是不可能达到的，实际上只能获得的是具有一定“纯度”的单色光，即该“单色光具有一定的宽度（有效带宽）。有效带宽越小，分析的灵敏度越高、选择性越好、分析物浓度与光学响应信号的线性相关性也越好。 构成：狭缝、准直镜、棱镜或光栅、会聚透镜。 其中最主要的分光原件为棱镜和光栅。 1）棱镜（Prism）： 棱镜的色散作用是基于构成棱镜的光学材料对不同波长的光具有不同的折射率。波长大的折射率小，波长小的折射率大。 棱镜特性 色散率： 角色散率dθ/dλ，表示偏向角θ对波长的变化。在最小偏向角时（折射线平行于棱镜底边），可以导出： ? ? 可见角色散率与折射率 n 及棱镜顶角α有关。 因此，增加角色散率dθ/dλ的方式有三： ? 改变棱镜材料，玻璃比石英的折射率大，但玻璃只适于可见光区；增加棱镜顶角，多选 600；增加棱镜数目，但由于设计及结构上的困难，最多用2个。 线色散率dl/dλ或倒线色散率dλ/dl：它表示两条谱线在焦面上被分开的距离对波长的变化率： ? 可见线色散率除与角色散率有关外，还与会聚透镜焦距 f 及焦面和光轴间夹角β有关。 因此，增加透镜焦距、减小焦面与光轴夹角棱镜色散能力提高。 分辨率R：指将两条靠得很近的谱线分开的能力（Rayleigh准则），可表示为 ? ? ?其中，m---棱镜个数；b底边有效长度（cm） 可见，分辨率随波长变化而变化，在短波部分分辨率较大，即棱镜分光具有“非匀排性”，色谱的光谱为“非匀排光谱”。这是棱镜分光最大的不足。 光栅 通常的刻线刻槽/mm。最常用的是1200-1400刻槽/mm（紫外可见）及100-200刻槽/mm（红外）。 平面反射光栅（闪耀光栅，小阶梯光栅）： 将平行的狭缝刻制成具有相同形状的刻槽（多为三角形），此时，入射线的小反射面与夹角β一定，此时反射线集中于一个方向，从而使光能集中于所需要的一级光谱上。此种光栅又称闪耀光栅。当α=θ=β时，在衍射角θ方向可获得最大的光强，θ也称为闪耀角。 光栅特性 角色散率dθ/dλ： 线色散率dl/dθ: ? 从上式中可见，色散率近似与衍射角无关，或者说，在同一级光谱上，各谱线是均匀排列的！可通过增加 f 值和减小 d 值来提高色散率。 分辨率R： N—光栅总刻线数（条）；W—光栅被照亮的宽度（mm）；d—光栅常数(mm) 凹面光栅（concave grating） 在半径为 r 的半球内侧刻划一系列平行刻槽而制成的光栅，多用于光电直读光谱仪。由于此类光栅除具有分光作用外，也具有聚焦作用，因此分光系统中不需要会聚透镜等光学部件:光能损失小,节省费用。 凹面光栅 参见第五章 分光、聚焦作用 节省能量 中阶梯光栅（echelle grating）与平面反射光栅的结构区别： ? 阶梯宽度（宽边, t）大于高度（短边，s）或者说，t/s1； ? 使用刻槽的短边，而不是长边，因而入射角大； ? 刻槽数量少或者说光栅常数 d 很大，通常为300条/mm。 中阶梯光栅与平面反射光栅结构区别？ ①阶梯宽度大于高度 ② ③ 3）狭缝（Slit）（构成比较重要） 构成：狭缝是两片经过精密加工、具有锐利边缘的金属组成。两片金属处于相同平面上且相互平行。入射狭缝可看作是一个光源，在相应波长位置，入射狭缝的像刚好充满整个出射狭缝。 有效带宽：整个单色器的分辨能力除与分光元件的色散率有关外，还与狭缝宽度有关。即单色器的分辨能力（有效带宽S）应由下式决定：S=DW D=角色散率；W=狭缝宽度。当单色仪的色散率固定时，波长间隔将随狭缝宽度变化。 狭缝宽度的选择原则 ① 定性分析：选择较窄的狭缝宽度—提高分辨率，减少其它谱线的干扰，提高选择性； ② 定量分析：选择较宽的狭缝宽度—增加照亮狭缝的亮度，提高分析的灵敏度； ③ 应根据样品性质和分析要求确定狭缝宽度。并通过条件优化确定最佳狭缝宽度。 ④与发射光谱分析相比，原子吸收光谱因谱线数少，可采用较宽的狭缝。但当背景大时，可适当减小缝宽。 集光本领（Light-gathering power of monochromator) 为提高光谱仪的信噪比，必须使得达检测器的光能量足够强。常以集光本领来反映： 其中，F 为准直镜的焦距；d 为其直径。 可见，集光本领与 f 数平方成反比，但与狭缝宽度无关。较短焦距、较长直径的准直镜使色散率降低，但可获得更大的集光本领。 3. 吸收池（Sample container，Cell，Cuvette） 除发射光谱外，其它所有光谱分析都需要吸收池。盛放试样的吸收池由光透明材料制成。 石英或熔融石英：紫外光区—可见光区—3um； 玻璃：可见光区（350-2000nm）； 透明塑料：可见光区（350-2000nm）； 盐窗（NaCl, NaBr晶体）：红外光区。 4. 光电转换器（Transducer） A）定义：光电转换器是将光辐射转化为可以测量的电信号的器件。 S = kP + kd = kP K:校正灵敏度；P：辐射功率；kd: 暗电流（可通过线） B）理想的光电转换器要求： 灵敏度高；S/N大；暗电流小；响应快且在宽的波段内响应恒定。 硒光电池 (当外电阻400Ω，i =10-100uA) 优点：光电流直接正比于辐射能；使用方便、便于携带（耐用、成本低）； 缺点：电阻小，电流不易放大；响应较慢。只在高强度辐射区较灵敏；长时间使用后，有“疲劳”(fatigue)现象。 真空光电管 阴极表面可涂渍不同光敏物质：高灵敏(K,Cs,Sb其中二者)、红光敏(Na/K/Cs/Sb, Ag/O/Cs)、紫外光敏、平坦响应(Ga/As，响应受波长影响小)。产生的光电流约为硒光电池的1/10。 优点：阻抗大，电流易放大；响应快；应用广。 缺点：有微小暗电流（Dark current，40K的放射线激发）。 光电倍增管（photomultiplier tube, PMT） 优点：高灵敏度；响应快；适于弱光测定，甚至对单一光子均可响应。 缺点：热发射强，因此暗电流大，需冷却（-30oC)。不得置于强光(如日光)下，否则可永久损坏PMT！ 硅二极管 反向偏值—耗尽层(depletion layer)—pn结电导趋于0 (i=0)； 光照—耗尽层中形成空穴和电子—空穴移向p区并湮灭—外 加电压对pn“电容器”充电—产生充电电流信号 (i≠0) 。 特点：灵敏度介于真空管和倍增管之间。 光电二极管阵列，PDA 说明： ①在一个硅片上，许多 pn 结以一维线性排列，构成“阵列”； ②每个 pn 结或元（element，64-4096个）相当于一个硅二极管检测器； ③硅片上布有集成线路，使每个 pn 结相当于一个独立的光电转换器； ④硅片上置于分光器焦面上，经色散的不同波长的光分别被转换形成电信号； ⑤实现多波长或多目标同时（simultaneously）检测。 PDA在灵敏度、线性范围和S/N方面不如光电倍增管。应用较少。 电荷转移器件, CTD CCD CID 热检测器 包括：热电偶，热辐射计及热释电检测器。这类检测器主要用于红外及Raman光谱分析中，拟在以后相关章节作介绍。 光检测器--各自优缺点？ 第二章 紫外-可见分光光度法(Ultraviolet and Visible Spectrophotometry, UV-Vis) UV-Vis方法是分子光谱方法，它利用分子对外来辐射的选择性吸收特性。 UV-Vis涉及分子外层电子的能级跃迁；光谱区在160~780nm. UV-Vis主要用于分子的定量分析，但紫外光谱(UV)为四谱之一，是鉴定许多化合物，尤其是有机化合物的重要定性工具之一。 2.1 紫外-可见吸收光谱 一、分子吸收光谱的形成 1. 过程：运动的分子外层电子--------吸收外来辐射------产生电子能级跃迁-----分子吸收谱。 2. 能级组成：除了电子能级(Electron energy level)外，分子吸收能量将伴随着分子的振动和转动，即同时将发生振动(Vibration)能级和转动(Rotation)能级的跃迁！据量子力学理论，分子的振-转跃迁也是量子化的或者说将产生非连续谱。因此，分子的能量变化ΔE为各种形式能量变化的总和： 其中ΔEe最大：1-20 eV; ΔEv次之：0.05-1 eV; ΔEr最小：0.05 eV 可见，电子能级间隔比振动能级和转动能级间隔大1~2个数量级，在发生电子能级跃迁时，伴有振-转能级的跃迁，形成所谓的带状光谱。 分子的振动能级间隔ΔEv大约比ΔEe小10倍；分子的转动能级间隔ΔEr大约比ΔEv小10倍或100倍。 由于得到的谱线nm（太小，仪器无法区别，所以显示为带状，其实还是一条条线），如此小的间隔使他们连在一起，呈现带状，称为带状光谱 不同物质结构不同或者说其分子能级的能量(各种能级能量总和)或能量间隔各异，因此不同物质将选择性地吸收不同波长或能量的外来辐射，这是UV-Vis定性分析的基础。 定性分析具体做法是让不同波长的光通过待测物，经待测物吸收后，测量其对不同波长光的吸收程度(吸光度A)，以吸光度A为纵坐标，辐射波长为横坐标作图，得到该物质的吸收光谱或吸收曲线，据吸收曲线的特性(峰强度、位置及数目等)研究分子结构。 分子具有三种不同能级：电子能级、振动能级、转动能级。所有能级都量子化。电子能级的跃迁伴有振、转能级的跃迁。 紫外特点？ 如果改变通过某一吸收物质的入射光的波长，并记录该物质在每一波长处的吸光度（A），然后以波长为横坐标、以吸光度为纵坐标作图，这样得到的谱图称为该物质的吸收光谱或吸收曲线。某物质的吸收光谱反应了它在不同的光谱区域内吸收能力的分布情况，可以从波形、波峰的强度、位置及其数目看出来，为研究物质的内部结构提供重要的信息。（09） 有机化合物的紫外-课件光谱 1. 可能的跃迁类型 有机分子包括:成键轨道σ、π；反键轨道 σ*、π*非键轨道 n λmax决定于分子的激发态与基态之间的能量差。 各轨道能级高低顺序：σπnπ*σ*（分子轨道理论计算结果）； 可能的跃迁类型：σ-σ*；σ-π*；π-σ*；n-σ*；π-π*；n-π* 定性依据：吸收光谱的波长分布是由产生谱带的跃迁能级间的能量差所决定，反映了分子内部能级分布情况。 不同物质的λmax有时可能相同，但εmax不一定相同，吸收谱带强度与该物质分子吸收的光子数成正比---定量分析的依据。 以上四种跃迁都与σ成键和反键轨道有关（σ-σ*；σ-π*；π-σ*；n-σ*），跃迁能量较高，这些跃迁所产生的吸收谱多位于真空紫外区，因而在此不加讨论。 只有π-π*和n-π*两种跃迁的能量小，相应波长出现在近紫外区甚至可见光区，且对光的吸收强烈，是我们研究的重点。 2. 几个概念： 生色团（Chromogenesis group）（一般不饱和键）：分子中含有非键或π键的电子体系，能吸收特征外来辐射时并引起π-π*和n-π*跃迁，可产生此类跃迁或吸收的结构单元，称为生色团。 助色团（Auxochromous group）（一定含孤对电子）：含有孤对电子，可使生色团吸收峰向长波方向移动并提高吸收强度的一些官能团，称之为助色团。 常见助色团助色顺序为： -F-CH3-Br-OH-OCH3-NH2-NHCH3-NH(CH3)2-NHC6H5-O- 红移或蓝移（Redshift or blueshift）：在分子中引入的一些基团或受到其它外界因素影响，吸收峰向长波方向（红移）或短波方向移动（蓝移）的现象。 那么促使分子发生红移或蓝移的因素有哪些呢？（要能给一个判断另一个） 1）共轭体系的存在----红移 如CH2=CH2的π-π*跃迁，λmax=165~200nm；而1,3-丁二烯，λmax=217nm 2）异构现象：使异构物光谱出现差异。 如CH3CHO含水化合物有两种可能的结构：CH3CHO-H2O及CH3CH(OH)2; 已烷中，?max=290nm，表明有醛基存在，结构为前者；而在水溶液中，此峰消失，结构为后者。 3）空间异构效应---红移 如CH3I(258nm), CH2I2(289nm), CHI3(349nm) 4）取代基：红移或蓝移。 取代基为含孤对电子，如-NH2、-OH、-Cl，可使分子红移；取代基为斥电子基，如-R，-OCOR，则使分子蓝移。 苯环或烯烃上的H被各种取代基取代，多产生红移。 5）pH值：红移或蓝移 苯酚在酸性或中性水溶液中，有210.5nm及270nm两个吸收带；而在碱性溶液中，则分别红移到235nm和 287nm（p-π共轭）. 6）溶剂效应：红移或蓝移 由n-π*跃迁产生的吸收峰，随溶剂极性增加，形成 H 键的能力增加，发生蓝移；由π-π*跃迁产生的吸收峰，随溶剂极性增加，激发态比基态能量有更多的下降，发生红移。 随溶剂极性增加，吸收光谱变得平滑，精细结构消失。 无机物分子能级跃迁 不要求，只要知道为什么生色即可。 电荷转移跃迁 (Charge transfer transition) 配场跃迁(Ligand field transition) 2.2 吸收光谱的测量-----Lambert-Beer 定律 当强度为I0的入射光束(Incident beam) 通过装有均匀待测物的介质时，该光束将被部分吸收，未被吸收的光将透过(Emergent)待测物溶液以及通过散射(Scattering)、反射(Reflection),包括在液面和容器表面的反射)而损失，这种损失有时可达10%，那么， I0=Ie + Is +I r 因此，在样品测量时必须同时采用参比池和参比溶液扣除这些影响！ 二、Lambert-Beer 定律（使用条件、分析灵敏度、ε物理意义、各因素产生偏离L-=B定律） 当入射光波长一定时，待测溶液的吸光度A与其浓度和液层厚度成正比，即 ，k 为比例系数，与溶液性质、温度和入射波长有关。 当浓度以 g/L 表示时，称 k 为吸光系数，以 a 表示，即 当浓度以mol/L表示时，称 k 为摩尔吸光系数，以ε表示，即（ε物理意义？） ε比a更常用。ε越大，表示方法的灵敏度越高。ε与波长有关，因此，ε常以ελ表示。 三、偏离 L-B 定律的因素 样品吸光度 A 与光程 b 总是成正比。但当 b 一定时，A 与 c 并不总是成正比，即偏离 L-B 定律！这种偏离由样品性质和仪器决定。 1. 样品性质影响 a）待测物高浓度--吸收质点间隔变小—质点间相互作用—对特定辐射的吸收能力发生变化---ε变化； b）试液中各组份的相互作用，如缔合、离解、光化反应、异构化、配体数目改变等，会引起待测组份吸收曲线的变化； c）溶剂的影响：对待测物生色团吸收峰强度及位置产生影响； d）胶体、乳状液或悬浮液对光的散射损失。 2. 仪器因素 仪器因素包括光源稳定性以及入射光的单色性等。 a）入射光的非单色性：不同光对所产生的吸收不同，可导致测定偏差。 假设入射光由测量波长λx和干扰λi波长组成，据Beer定律，溶液对在λx和λi 的光的吸光度分别为： 综合前两式，得 当λx=λi时，或者说当εx=εi时，有A=εxbc, 符合L-B定律； 当λx≠λi时，或者说当εx≠εi时，则吸光度与浓度是非线性的。二者差别越大，则偏离L-B越大； 当εxεi，测得的吸光度比在“单色光”λx处测得的低，产生负偏离；反之，当εxεi，则产生正偏离。 b）谱带宽度与狭缝宽度：“单色光”仅是理想情况，经分光元件色散所得的“单色光”实际上是有一定波长范围的光谱带(即谱带宽度)。单色光的“纯度”与狭缝宽度有关，狭缝越窄，它所包含的波长范围越小，单色性越好。 2.3 紫外-可见光度计仪（参数的选择）器组成 紫外-可见光度计仪器由光源、单色器、吸收池和检测器四部分组成。 一、光源 对光源基本要求：足够光强、稳定、连续辐射且强度随波长变化小。 1. 钨及碘钨灯：340~2500 nm，多用在可见光区； 2. 氢灯和氘灯：160~375nm，多用在紫外区。 二、单色器(Mnochromator) 与原子吸收光度仪不同，在UV-Vis光度计中，单色器通常置于吸收池的前???！（可防止强光照射引起吸收池中一些物质的分解） 三、吸收池(Cell，Container)： 用于盛放样品。可用石英或玻璃两种材料制作，前者适于紫外区和可见光区；后者只适于可见光区。有些透明有机玻璃亦可用作吸收池。 检测器：硒光电池、PMT（光电倍增管）、PDA（光电二极管阵列） 二、紫外可见光度计仪器 分光光度计分为单波长和双波长仪器。 1. 单波长分光光度计 单光束 双光束（空间分隔） 双光束（时间分隔） 特点：双光束方法因光束几乎同时通过样品池和参比池，因此可消除光源不稳产生的误差。 2. 双波长分光度计 光源 检测器 单色器 单色器 切光器 吸收池 双波长分光光度计示意图 通过切光器使两束不同波长的光交替通过吸收池，测得吸光度差ΔA。 ΔAB1和ΔAB2分别为在λ1和λ2处的背景吸收，当λ1和λ2 相近时，背景吸收近似相等。二式相减，得 这表明，试样溶液浓度与两个波长处的吸光度差成正比。 特点：可测多组份试样、混浊试样、而且可作成导数光谱、不需参比液(消除了由于参比池的不同和制备空白溶液等产生的误差)、克服了电源不稳而产生的误差，灵敏度高。 A理论上可以测无限大-但由于仪器原因只可测到（课本上的笔记，看不清楚） 对于多组分混合物、混浊试样（如生物组织液）分析，以及存在背景干扰或共存组分吸收干扰的情况下，利用双波长分光光度法，往往能提高方法的灵敏度和选择性。利用双波长分光光度计，能获得导数光谱。通过光学系统转换，使双波长分光光度计能很方便地转化为单波长工作方式。如果能在λ1和λ2处分别记录吸光度随时间变化的曲线，还能进行化学反应动力学研究。 3. 分光光度计的校正 当光度计使用一段时间后其波长和吸光度将出现漂移，因此需要对其进行校正。 波长标度校正： 使用镨-钕玻璃（可见光区）和钬玻璃（紫外光区）进行校正。因为二者均有其各自的特征吸收峰。 吸光度标度校正： 采用 K2CrO4 标准液校正（在25oC时，于不同波长处测定0.04000g/L的 KOH 溶液（0.05mol/L）的吸光度 A，调整光度计使其A 达到教材 P32中表3.2所列的吸光度。 2.4 分析条件选择（仪器参数） 一、仪器测量条件 由于光源不稳定性、读数不准等带来的误差。当分析高浓度的样品时，误差更大。 当相对误差 Δc/c最小时，求得T=0.368 或 A=0.434。即当A=0.434 时，吸光度读数误差最小！ 通常可通过调节溶液浓度或改变光程b来控制A的读数在0.15~1.00范围内。 反应条件选择（不要求） 显色剂的选择原则：使配合物吸收系数ε最大、选择性好、组成恒定、配合物稳定、显色剂吸收波长与配合物吸收波长相差大等。 2. 显色剂用量：配位数与显色剂用量有关；在形成逐级配合物，其用量更要严格控制。 3. 溶液酸度：配位数和水解等与 pH 有关。 4. 显色时间、温度、放置时间等。 显色反应一般应满足下述要求： 反应的生成物必须在紫外、可见光区有较强的吸光能力，即摩尔吸光系数较大，反应有较高的选择性； 反应生成物应当组成恒定、稳定性好，显色条件易于控制等，这样才能保证测量结果有良好的重现性； 对照性要好，显色剂与有色配合物的λmax的差别要在30nm以上（若小于60nm灵敏度会大大下降，原因：在调零点时背景的去除）。 显色剂的用量可通过实验确定，作吸光度随显色剂浓度变化曲线，选恒定吸光度值时的显色剂用量。 三、参比液选择（参比液吸收不可太强） 1. 溶剂参比：试样组成简单、共存组份少（基体干扰少）、显色剂不吸收时，直接采用溶剂（多为蒸馏水）为参比； 2. 试剂参比：当显色剂或其它试剂在测定波长处有吸收时，采用试剂作参比（不加待测物）； 3. 试样参比：如试样基体在测定波长处有吸收，但不与显色剂反应时，可以试样作参比（不能加显色剂）。 四、干扰消除 1. 控制酸度： 配合物稳定性与pH有关，可以通过控制酸度提高反应选择性，副反应减少，而主反应进行完全。如在0.5MH2SO4介质中，双硫腙与Hg2+生成稳定有色配合物，而与Pb2+、Cu2+、Ni2+、Cd2+等离子生成的有色物不稳定。 2. 选择掩蔽剂 3. 合适测量波长 4. 干扰物分离 5. 导数光谱及双波长技术 2.5 UV-Vis分光光度法的应用 一、定性分析 1. 制作试样的吸收曲线并与标准紫外光谱对照； 2. 利用Woodward-Fieser 和Scott经验规则求最大吸收波长。（不考） 二、定量分析 1. 单组份定量方法 1）标准曲线）标准对比法： 该法是标准曲线法的简化，即只配制一个浓度为cs的标准溶液，并测量其吸光度，求出吸收系数k，然后由Ax=kcx求出cx 该法只有在测定浓度范围内遵守L-B定律，且cx与cs大致相当时，才可得到准确结果。 2. 多组分定量方法 由于吸光度具有加合性，因此可以在同一试样中测定多个组份。 设试样中有两组份 X 和 Y，将其显色后，分别绘制吸收曲线，会出现如图所示的三种情况： ? 图a)：X,Y 组份最大吸收波长不重迭，相互不干扰，可以按两个单一组份处理。 图b)和c) ：X,Y 相互干扰，此时可通过解联立方程组求得X和Y的浓度： 其中，X,Y 组份在波长λ1 和λ2处的摩尔吸光系数ε可由已知浓度的 X, Y 纯溶液测得。解上述方程组可求得cx及cy。 3. 双波长法---等吸收点法（与常规法区别？比常规法要求应低，但可多组分同时测定） 当混合物的吸收曲线重迭时，如下图所示，可利用双波长法来测定。 具体做法：将a视为干扰组份，现要测定b组份。 a)?分别绘制各自的吸收曲线a, b； b)?画一平行于横轴的直线分别交于a组份曲线上两点，并与b组分相交； c)?以交于a上一点所对应的波长λ1为参比波长，另一点对应的为测量波长λ2，并对混合液进行测量，得到： A1=A1a + A1b + A1s A2 =A2a + A2b + A2s 若两波长处的背景吸收相同，即A1s= A2s 二式相减， 得，A=(A2a- A1a)+( A2b- A1b) 由于 a 组份在两波长处的吸光度相等， 因此，A=( A2b- A1b)=(ε2b-ε1b)lcb 从中可求出cb，同理，可求出ca. 4. 系数倍率法 情况同3。但若其中一干扰组份 b 在测量波长范围内无吸收峰时，或者说没有等吸收点时可采用该法。 具体做法：同前法可得到下式， A1=A1a + A1b A2 =A2a + A2b 两式分别乘以常数k1、k2并相减，得到， S=k2(A2a+A2b)-k1(A1a+A1b)=(k2A2b-k1A1b)+(k2A2a-k1A1a) 调节信号放大器，使之满足k2/k1=A1b/A2b，则 S=(k2A2a-k1A1a)=(k2ε2-k1ε1)lca 因此，差示信号只与ca有关，从而求出ca。同样可求cb。 5. 示差分光光度法 测量原理：当试样中组份的浓度过大时，则A值很大，会产生读数误差。此时若以一浓度略小于试样组份浓度作参比，则有： 具体做法：以浓度为cs的标准溶液调T=100%或A=0（调零），所测得的试样吸光度实际就是上式中的ΔA，然后求出Δc，则试样中该组份的浓度为(cs+Δc)。 6. 导数光谱法 1）定义：将吸光度信号转化为对波长的导数信号的方法。导数光谱是解决干扰物质与被测物光谱重叠，消除胶体等散射影响和背景吸收，提高光谱分辨率的一种数据处理技术。 2）原理： 已知 ，对波长求一阶导数，得 控制仪器使I0在整个波长范围内保持恒定，即dI0/dλ=0，则 可见，一阶导数信号与浓度成正比。 同样可得到二阶、三阶….n 阶导数信号亦与浓度成正比。 随导数阶数的增加，峰形越来越尖锐，因而导数光谱法分辨率高（右图）。 （能根据右图看出是几阶导数） 吸收峰数为：导数阶数+1，即 n+1 3）导数峰高测量方法测量方法有三，如下图： 正切法：相邻峰(极大或极小)切线中点至相邻峰切线(极小或极大)的距离d； 峰谷法：两相邻峰值(极大或极小)间的距离p1或p2； 峰零法：极值峰至零线. 配合物组成和稳定常数测定（不过多要求） 1）摩尔比法(饱和法)（怎么测配合物组成；K怎么测；不做过多要求） 设配合物的显色反应为： 具体做法：固定cM，增加cR，并测定一系列MRn的吸光度A，以cR/cM比值对A作图，得如图所示曲线。其中，曲线拐点处对应的值为配合比 n。 2）等摩尔连续变化法(Job法) 具体做法：保持cR+cM=c 恒定，但改变cM与cR的相对比例，若以cM/c对吸光度A作图，当达最大吸光度时cM/cR之比即为配位比。由两曲线外推的交点所对应的cM/c亦可得出配位比。若比值为0.5，则配位比n为1:1；若比值为0.33，则配位比n为1:2……或者n=(1-cM/c)/(cM/c)。该法适于离解度小、配合比低的配合物组成测定。 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 A’ A A cM/c 8. 弱酸离解常数的测定 双波长分光光度计与常规法的区别（见高教P299） ①双波长分光光度计采用两个单色器而常规法采用一个单色器。 ②双波长测定的是组分在两个波长处的吸光光度计差，这是双波长的测量基础。而单波长是测得单波长的吸光度。 ③双波长分光光度计可作单波长分光光度计用。 灵敏度 双波长分光光度计不仅可测定多组分混合试样、混浊试样，而且还可测定导数吸收光谱。测量时使用同一吸收池，不用空白溶液作参比，消除了参比池的不同和制备空白溶液等产生的误差。此外使用一光源来获得两束单色光，减少了由光源电压变化而产生的误差，因此灵敏度高。 课后题3.13和3.23 第3章 红外光谱法（Infrared Analysis, IR） 基本原理（如何产生） 什么物质产生红外（偶极距）光能 3.1 概述 1. 定义：红外光谱又称分子振动转动光谱，属分子吸收光谱。样品受到频率连续变化的红外光照射时，分子吸收其中一些频率的辐射，分子振动或转动引起偶极矩的净变化，使振-转能级从基态跃迁到激发态，相应于这些区域的透射光强减弱，记录百分透过率T%对波数或波长的曲线，即为红外光谱。 主要用于化合物鉴定及分子结构表征，亦可用于定量分析。 红外光谱的表示方法：红外光谱以T~λ或T~来表示，注意换算公式 3. 红外光谱特点 1）红外吸收只有振-转跃迁，能量低； 2）应用范围广：除单原子分子及单核分子外，几乎所有有机物均有红外吸收； 3）分子结构更为精细的表征：通过IR谱的波数位置、波峰数目及强度确定分子基团、分子结构； 4）定量分析； 5）固、液、气态样均可用，且用量少、不破坏样品； 6）分析速度快。 7）与色谱等联用（GC-FTIR）具有强大的定性功能。 3.2 基本原理（什么样物质产生红外光谱；条件（内界；外界）） 1. 产生红外吸收的条件 分子吸收辐射产生振转跃迁必须满足两个条件： 条件一：辐射光子的能量应与振动跃迁所需能量相等---外界 条件二：辐射与物质之间必须有耦合作用（非对称分子，Δν ，吸收 ） 2. 分子振动 1）双原子分子振动 分子的两个原子以其平衡点为中心，以很小的振幅（与核间距相比）作周期性“简谐”振动，其振动可用经典刚性振动描述： k为化学键的力常数（dyn/cm) ; c=3 ? 1010cm/s; ?为双原子折合质量 如折合质量μ以原子质量为单位；k以mdyn/?为单位。则有： 影响基本振动跃迁的波数或频率的直接因素为化学键力常数 k 和原子质量。 k大，化学键的振动波数高，如:kC三C(2222cm-1)kC=C(1667cm-1)kC-C(1429cm-1)（质量相近） 质量m大，化学键的振动波数低，如:mC-C(1430cm-1)mC-N(1330cm-1)mC-O(1280cm-1)(力常数相近） 经典力学导出的波数计算式为近似式。因为振动能量变化是量子化的，分子中各基团之间、化学键之间会相互影响，即分子振动的波数与分子结构（内因）和所处的化学环境（外因） 有关。 2）多原子分子 多原子分子的振动更为复杂（原子多、化学键多、空间结构复杂），但可将其分解为多个简正振动来研究。 简正振动：整个分子质心不变、整体不转动、各原子在原地作简谐振动且频率及位相相同。此时分子中的任何振动可视为所有上述简谐振动的线性组合。 简正振动基本形式 伸缩振动ν：原子沿键轴方向伸缩，键长变化但键角不变的振动。 变形振动δ：基团键角发生周期性变化，但键长不变的振动。又称弯曲振动或变角振动。 下图给出了各种可能的振动形式（以甲基和亚甲基为例）。 理论振动数（峰数） 设分子的原子数为n，对非线-5=4 非线型分子：n个原子有板有3n个自由度，但有3个平动和3个绕轴转动无能量变化； 线型分子：n个原子有板有3n个自由度，但有3个平动和2个绕轴转动无能量变化。 理论上，多原子分子的振动数应与谱峰数相同，但实际上，谱峰数常常少于理论计算出的振动数，这是因为： a）偶极矩的变化Δμ=0的振动，不产生红外吸收, 如CO2； b）谱线简并（振动形式不同，但其频率相同）； c）仪器分辨率或灵敏度不够，有些谱峰观察不到。 以上介绍了基本振动所产生的谱峰，即基频峰（ΔV=±1允许跃迁）。在红外光谱中还可观察到其它峰跃迁禁阻峰： 泛频峰 倍频峰：由基态向第二、三….振动激发态的跃迁（ΔV=±2、± 3.）； 合频峰：分子吸收光子后，同时发生频率为ν1，ν2的跃迁，此时产生的跃迁为? ν1+ν2的谱峰。 差频峰：当吸收峰与发射峰相重叠时产生的峰ν1-ν2。 泛频峰可以观察到，但很弱，可提供分子的“指纹”。 3. 谱带强度 分子对称度高，振动偶极矩小，产生的谱带就弱；反之则强。 如C=C，C-C因对称度高，其振动峰强度小；而C=X，C-X，因对称性低，其振动峰强度就大。峰强度可用很强（vs）、强（s）、中（m）、弱（w）、很弱（vw）等来表示。 说明：1）吸收峰强度与分子偶极距变化的平方成正比。而偶极距变化主要由化学键两端原子间的电负性差；振动形式；其它如共振、氢键、共轭等因素；2）强度比UV-Vis强度小2-3个数量级；3）IR光度计能量低，需用宽狭缝，同一物质的?随不同仪器而不同，因此常用vs, s, m等来表示吸收强度。 4. 振动频率 1）基团频率 通过对大量标准样品的红外光谱的研究，处于不同有机物分子的同一种官能团的振动频率变化不大，即具有明显的特征性。 这是因为连接原子的主要为价键力，处于不同分子中的价键力受外界因素的影响有限！即各基团有其自已特征的吸收谱带。通常，基团频率位于4000~1300cm-1之间。可分为三个区。X-H伸缩振动区：4000-2500cm-1 叁键及累积双键区（2500~1900cm-1） 双键伸缩振动区（1900~1200cm-1） 2）指纹区（可分为两个区） 在红外分析中，通常一个基团有多个振动形式，同时产生多个谱峰（基团特征峰及指纹峰），各类峰之间相互依存、相互佐证。通过一系列的峰才能准确确定一个基团的存在。 5. 影响基团频率的因素 基团频率主要由化学键的力常数决定。但分子结构和外部环境因素也对其频率有一定的影响。 1）电子效应：引起化学键电子分布不均匀的效应。 诱导效应(Induction effect)：取代基电负性—静电诱导—电子分布改变—k 增加—特征频率增加（移向高波数）。 共轭效应(Conjugated effect)：电子云密度均化—键长变长—k 降低—特征频率减小（移向低波数）。 中介效应(Mesomeric effect)：孤对电子与多重键相连产生的p-π共轭，结果类似于共轭效应。 当诱导与共轭两种效应同时存在时，振动频率的位移和程度取决于它们的净效应。 2）氢键效应（X-H） 形成氢键使电子云密度平均化（缔合态），使体系能量下降，基团伸缩振动频率降低，其强度增加但峰形变宽。 3）振动耦合（Coupling） 当两个振动频率相同或相近的基团相邻并由同一原子相连时，两个振动相互作用（微扰）产生共振，谱带一分为二（高频和低频）。如羧酸酐分裂为νC=O（νas1820、νs1760cm-1） 4）费米共振 当一振动的倍频与另一振动的基频接近（2νA=νB）时，二者相互作用而产生强吸收峰或发生裂分的现象。 Ar-C(δ)=880-860cm-1 1773cm-1 C=O(as)=1774cm-1 1736cm-1 5）空间效应 C CH 3 O O CH 3 C CH 3 由于空间阻隔，分子平面与双键不在同一平面，此时共轭效应下降，红外峰移向高波数。 νC=O=1663cm-1 νC=O=1686cm-1 空间效应的另一种情况是张力效应：四元环五元环六元环。随环张力增加，红外峰向高波数移动。 6）物质状态及制样方法 通常，物质由固态向气态变化，其波数将增加。如丙酮在液态时νC=O=1718cm-1; 气态时νC=O=1742cm-1，因此在查阅标准红外图谱时，应注意试样状态和制样方法仪器分析。 7）溶剂效应 极性基团的伸缩振动频率通常随溶剂极性增加而降低。如羧酸中的羰基C=O： 气态时：νC=O=1780cm-1 非极性溶剂νC=O=1760cm-1 溶剂：νC=O=1735cm-1 乙醇溶剂：νC=O=1720cm-1 因此红外光谱通常需在非极性溶剂中测量。 3.3 红外光谱仪 光源 常用的红外光源有Nernst灯和硅碳棒。 2. 吸收池 红外吸收池使用可透过红外的材料制成窗片；不同的样品状态（固、液、气态）使用不同的样品池，固态样品可与晶体混合压片制成。 3. 单色器 由色散元件、准直镜和狭缝构成。其中可用几个光栅来增加波数范围，狭缝宽度应可调。 狭缝越窄，分辨率越高，但光源到达检测器的能量输出减少，这在红外光谱分析中尤为突出。为减少长波部分能量损失，改善检测器响应，通常采取程序增减狭缝宽度的办法，即随辐射能量降低，狭缝宽度自动增加，保持到达检测器的辐射能量的恒定。 4. 检测器及记录仪 红外光能量低，因此常用热电偶、测热辐射计、热释电检测器和碲镉汞检测器等。 以光栅为分光元件的红外光谱仪不足之处： 1）需采用狭缝，光能量受到限制； 2）扫描速度慢，不适于动态分析及和其它仪器联用； 3）不适于过强或过弱的吸收信号的分析。 二、傅立叶红外光谱仪(为什么要用Fourier变换？ ) 迈克尔逊干扰仪 样品池 它是利用光的相干性原理而设计的干涉型红外分光光度仪。仪器组成为： 摆动的 凹面镜 红外光源 摆动的凹面镜 检测器 干涉图谱 参比池 同步摆动 计算机解析 还原 红外谱图 傅立叶红外光谱仪优点：扫描速率快，测量时间短，可在1s内获得红外光谱，适于对快速反应过程的追踪，也便于何色谱法联用；灵敏度高，检出限可达10-9-10-12g；分辨本领高，波数精度可达0.01cm-1；光谱范围广，可研究整个红外区（10000--10cm-1）的光谱；测定精度高，重复性可达0.1%，而杂散光小于0.01%。 3.4 试样制备 一、对试样的要求 1）试样应为“纯物质”（98%），通常在分析前，样品需要纯化；对于GC-FTIR则无此要求。 2）试样不含有水（水可产生红外吸收且可侵蚀盐窗）； 3）试样浓度或厚度应适当，以使T在合适范围。 二、制样方法 液体或溶液试样 1）沸点低易挥发的样品：液体池法。 2）高沸点的样品：液膜法（夹于两盐片之间）。 3）固体样品可溶于CS2或CCl4等无强吸收的溶液中。 固体试样 1）压片法：1~2mg样+200mg KBr——干燥处理——研细：粒度小于 2μm（散射小）——混合压成透明薄片——直接测定； 2）石蜡糊法：试样——磨细——与液体石蜡混合——夹于盐片间；(石蜡为高碳数饱和烷烃，因此该法不适于研究饱和烷烃)。 3）薄膜法：高分子试样——加热熔融——涂制或压制成膜；高分子试样——溶于低沸点溶剂——涂渍于盐片——挥发除溶剂 样品量少时，采用光束聚光器并配微量池。 3.5 应用简介 一、定性分析 1. 已知物的签定 将试样谱图与标准谱图对照或与相关文献上的谱图对照。 2. 未知物结构分析 如果化合物不是新物质，可将其红外谱图与标准谱图对照（查对） 如果化合物为新物质，则须进行光谱解析，其步骤为： 1）该化合物的信息收集：试样来源、熔点、沸点、折光率、旋光率等； 2）不饱和度的计算： 通过元素分析得到该化合物的分子式，并求出其不饱和度过Ω. Ω=0 时，分子是饱和的，分子为链状烷烃或其不含双键的衍生物； Ω=1 时，分子可能有一个双键或脂环； Ω=3 时，分子可能有两个双键或脂环； Ω=4 时，分子可能有一个苯环。 一些杂原子如S、O不参加计算。 3）查找基团频率，推测分子可能的基团； 4）查找红外指纹区，进一步验证基团的相关峰； 5）能过其它定性方法进一步确证：UV-V is、MS、NMR、Raman等。 各类化合物的红外特征光谱？ 课后4.7 4.8 4.9 4.10 4.17 第4章 分子发光分析法（Molecular Luminescence Analysis） 特点： ①灵敏度高（1-100ppb)：有的可达0.01ppb。WHY?? 荧光灵敏度除待测物浓度有关外，还与入射光强度及光度计灵敏度有关；②选择性好③方法简单快速，用样量少④应用不太广泛。 荧光灵敏度高于紫外。 4.1 分子荧光分析及磷光分析 一、基本原理 分子发光：处于基态的分子吸收能量（电、热、化学和光能等）被激发至激发态，然后从不稳定的激发态返回至基态并发射出光子，此种现象称为发光。由于吸收光能而导致的发光称为光致发光。发光分析包括荧光、磷光、化学发光、生物发光等。 物质吸收光能后所产生的光辐射称之为荧光和磷光。 1. 分子能级、荧光及磷光的产生 分子能级=电子能级(Ee)+振动能级(Ev)+转动能级(Er)。 其中电子能级包含振-转能级，如图。 基态：电子自旋配对， 多重度=2s+1=1，为单 重态，以S0表示。 激发单重态：分子吸收能 量，电子自旋仍然配对， 为单重态，称为激发单 重态，以S1，S2…表示 激发三重态：分子吸收能 量，电子自旋不再配对， 为三重态，称为激发三 重态，以T1，T2….表示。 三重态能级低于单重态（Hund规则） 电子激发态的多重度用M=2s+1表示，s为电子自旋量子数的代数和，其数值为0或1。假如分子中全部轨道里的电子都是自旋配对的，即s-0，分子的多重度M=1，该分子体系便处于单重态，用符号s表示。大多数有机物分子的基态是处于单重态的。分子吸收能量后，若电子在跃迁过程中不发生自旋方向的变化，这时分子处于激发的单重态，如果电子在跃迁过程中还伴随着自旋方向的改变，这时分子便具有两个自旋不配对的电子，即s=1，分子的多重度M=3，分子处于激发的三重态，用符号T表示。处于分立轨道上的非成对电子，平行自旋要比成对自旋更稳定些（Hund规则），因此三重态能级总是比相应的单重态能级略低。 2. 去活化过程（Deactivation） 处于激发态分子不稳定，通过辐射或非辐射跃迁等去活化过程返回至基态。其中速率最快，激发态寿命最短的途径占优势。这些过程包括： 1）振动弛豫（Vibrational Relaxation, VR） 在液相或压力足够高的气相中，处于激发态的分子因碰撞将能量以热的形式传递给周围的分子，从而从高振动能层失活至低振动能层的过程，称为振动弛豫。 2）内转换（Internal Conversion，IC） 对于具有相同多重度的分子，若较高电子能级的低振动能层与较低电子能级的高振动能层相重叠时，则电子可在重叠的能层之间通过振动耦合产生无辐射跃迁，如S2-S1；T2-T1。 3）外转换（External Conversion，EC） 受激分子与溶剂或其它分子相互作用发生能量转换而使荧光或磷光强度减弱甚至消失的过程，也称“熄灭”或“猝灭”。 4）系间跨跃（Intersystem Conversion，ISC） 系间跨跃是发生在两个不同多重态之间的无辐射跃迁，如从S1到T1，该跃迁是禁阻的。然而，当不同多重态的两个电子能层有较大重叠时，处于这两个能层上的受激电子的自旋方向发生变化，即可通过自旋-轨道耦合而产生无辐射跃迁，该过程称为系间跨跃。 5）荧光发射 分子电子从单重激发态（Kasha规则）的最低振动能级在很短时间（10-9-10-6s）跃迁到基态各振动能层时所产生的光子辐射称为荧光。由于各种去活化过程的存在，荧光辐射能通常要比激发能量低，或者说，荧光波长大于激发波长（Stokes效应）。 6）磷光发射 从单重态到三重态分子间发生系间跨跃跃迁后，再经振动弛豫回到三重态最低振动能层，最后，在10-4-10s内跃迁到基态的各振动能层所产生的辐射。 3. 定性分析 任何荧（磷）光都具有两种特征光谱：激发光谱与发射光谱。它们是荧（磷）光定性分析的基础。 1）激发光谱 绘制激发光谱时，选择荧光（磷光）的最大吸收波长为测量波长，改变激发波长，测量在最强荧（磷）光发射波长处的强度变化，以激发波长对荧光强度作图可得到激发光谱。 激发光谱形状与吸收光谱形状完全相似，经校正后二者完全相同！这是因为分子吸收光能的过程就是分子的激发过程。 激发光谱可用于鉴别荧光物质；在定量时，用于选择最适宜的激发波长。 2）发射光谱 发射光谱即荧光光谱。一定波长和强度的激发波长辐照荧光物质，产生不同波长的强度的荧光，以荧光强度对其波长作图可得荧光发射光谱。 由于不同物质具不同的特征发射峰，因而使用荧光发射光谱可用于鉴别荧光物质。 3）激发光谱与发射光谱的关系(或有何异同？) i）波长比较 与激发（或吸收）波长相比，荧光发射波长更长，即产生所谓Stokes位移。（振动弛豫失活所致）（Stokes位移：在溶液中，分子荧光的发射峰相对于吸收峰位移到较长的波长） ii）形状比较 荧光光谱形状与激发波长无关。尽管分子受激后可到达不同能层的激发态，但由于去活化（内转换和振动弛豫）到第一电子激发态的速率或几率很大，好像是分子受激只到达第一激发态一样。 换句话说，不管激发波长如何，电子都是从第一电子激发态的最低振动能层跃迁到基态的各个振动能层。 iii）镜像对称 通常荧光光谱与吸收光谱呈镜像对称关系。 4. 影响荧光及荧光强度的因素 产生并可观察到荧光的条件：（什么样物质产生荧光？双键、共轭体大、刚性平面） i）分子具有与辐射频率相应的荧光结构（内因）； ii）吸收特征频率的光后，应可产生具一定量子效率的荧光。即量子效率ψ足够大： 可见，凡是使 kF 增加，使其它去活化常数降低的因素均可增加荧光量子产率。通常， kF 由分子结构决定（内因），而其它参数则由化学环境和结构共同决定。只适用于稀溶液 下面讨论影响荧光及强度的因素。 1）跃迁类型：通常，具有π—π*及n—π*跃迁结构的分子才会产生荧光。而且具π—π*跃迁的量子效率比n—π*跃迁的要大得多（前者ε大、寿命短、kISC小）。 2）共轭效应：共轭度越大，荧光越强。 3）刚性结构：分子刚性（Rigidity）越强，分子振动少，与其它分子碰撞失活的机率下降，荧光量子效率提高。如荧光素（ψ大）与酚酞（ψ=0）；芴（ψ=1）与联苯（ψ=0.18）。 4）取代基：①给电子取代基增强荧光（p-π共轭），如-OH、-OR、-NH2、-CN、NR2等；? ②吸电子基降低荧光，如-COOH、-C=O、 -NO2、-NO、-X等；③重原子降低荧光但增强磷光，如苯环被卤素取代，从氟苯到碘苯，荧光逐渐减弱到消失，该现象也称重原子效应。 5）溶剂效应：①溶剂极性可增加或降低荧光强度（改变π—π*及n—π* 跃迁的能量）； ? ②与溶剂作用从而改变荧光物质结构来增加或降低荧光强度。 6）温度：温度增加，荧光强度下降（因为内、外转换增加、粘度或“刚性”降低）。因此体系降低温度可增加荧光分析灵敏度。 7）pH值：具酸或碱性基团的有机物质，在不同pH值时，其结构可能发生变化，因而荧光强度将发生改变；对无机荧光物质，因pH值会影响其稳定性，因而也可使其荧光强度发生改变。 8）内滤光和自吸：体系内存在可以吸收荧光的物质，或荧光物质的荧光短波长与激发光长波长有重叠，均可使荧光强度下降，称为内滤光；当荧光物质浓度较大时，可吸收自身的荧光发射，称为荧光自吸。 9）荧光猝灭（荧光物质分子与溶剂分子或其他溶质分子的相互作用引起荧光强度降低的现象）：①碰撞猝灭；②静态猝灭；③转入三重态的猝灭；④电子转移猝灭；⑤自猝灭。 5. 定量分析（使用条件：极稀溶液、ψf恒定） 荧光强度与溶液浓度的关系是定量的基础 二、荧光仪器（光源与检测器处于相互垂直的位置） 1）光源：氙灯、高压汞灯、激光； 2）样品池：石英（低荧光材料）； 3）两个单色器：选择激发光单色器；分离荧光单色器； 4）检测器：光电倍增管。 荧光分析的特点： ①灵敏度高（最大特点）：视不同物质，检测下限在0.1~0.001μg/mL之间。可见比UV-Vis的灵敏度高得多！WHY？ ②选择性好：可同时用激发光谱和荧光发射光谱定性。结构信息量多：包括物质激发光谱、发射光谱、光强、荧光量子效率、荧光寿命等。 ③应用不广泛（缺点）：主要是因为能发荧光的物质不具普遍性、增强荧光的方法有限、外界环境对荧光量子效率影响大、干扰测量的因素较多。 原子发射光谱法（AES定性原理，课本有总结；请用一段话准确描述原子发射光谱定性及定量分析原理） 分析对象：大多数金属原子；外层电子；线状光谱(line spectrum);谱线波长--定性分析，谱线 概述 定义：AES是据每种原子或离子在热或电激发下，发射出特征的电磁辐射而进行元素定性和定量分析的方法。 AES特点：（记住+缺点） 多元素检测(multi-element) : 分析速度快: 多元素检测; 可直接进样; 固、液样品均可 选择性好(selectivity)：Nb与Ta；Zr与Ha，Rare-elements 检出限(detection limit, DL)低: 10-0.1?g/g(或?g/mL),ICP-AES可达ng/mL级 准确度高(accuracy):一般5-10%，ICP可达1%以下。 所需试样量少； 线性范围宽(linear range)，4-6个数量级： 8）无法检测非金属元素----O、S、N、X（处于远紫外）；P、Se、Te-----难激发，常以原子荧光法测定） 5.2 基本原理 当原子受到外来能量如光、电、热作用时，原子中的最外层电子就被激发而从基态跃迁到激发态，处于激发态的原子或离子是很不稳定的，在极短的时间内，电子从激发态跃迁回基态或能量较低的激发态，此时，电子以电磁辐射的形式将多余的能量释放出来，称为原子发射，通过测量原子的特征频率或波长进行定性分析，通过测量这些谱线的强度进行定量分析。由于核外电子能级是量子化的，当核外电子由激发态返回低能态时，所发射的光子能量即为跃迁前后两个能级差，它决定了光子的频率或波长。每一种原子中的电子能级很多，原子激发以后将有各种跃迁情况出现，因此元素可能产生的谱线是相当众多和复杂的，由于每一种元素都有其特有的电子构型，即特定的能级层次，所以各元素的原子只能发射出它特有的那些波长的光，经过分光系统，得到各元素发射的互不相同的光谱，即各种元素的特征光谱。 一、原子发射光谱的产生 1、过程 a) 能量（电或热、光）—基态原子 b) 外层电子(outer electron) （低能态E1 高能态E2） c) 外层电子（低能态E1 高能态E2） d) 发出特征频率(?)的光子: ?E = E2-E1 = h? =hc/? 2、几个概念 激发电位(excited potential)：由低能态--高能态所需要的能量，以eV表示。每条谱线对应一激发电位。 原子线：原子外层电子的跃迁所发射的谱线，以I表示, 如Na(I) 共振线(resonance linre)：由激发态——基态(ground state)跃迁所产生的谱线，激发电位最小 —最易激发—谱线最强。 电离(ionization)、电离电位(ionization potential)和离子线：原子受激后得到足够能量而失去 电子—电离；所需的能量称为电离电位；离子的外层电子跃迁—离子线。以II，III，IV等 表示。 二、原子能级与能级图(energy level diagram) 原子能级通常以光谱项(spectral term)符号来表示： n2S+1L2J+1 核外电子的运动状态描述： 单个价电子(valence electron)运动状态 以四个量子数(quantum number)描述： n：主量子(main quantum)数，电子能量及距原子核的距离；n=1,2,3,… l:角量子(azimuthal quantum)数，电子角动量大小，及轨道形状（空间伸展方向）l=0,1,2,…,(n-1) m: 磁量子(magnetic quantum)数，角动量分量，磁场中电子轨道的空间伸展方向,m=0,?1,?2,…, ?l ms:?自旋量子(spin quantum)数，电子自旋的方向，?1/2 多个价电子的运动状态 n:主量子数 L:总角量子数，为l的失量和：L=?li 如2个价电子,l1,l2: L=(l1+l2),(l1+l2-1),(l1+l2-2),…,l1-l2; S:总自旋量子数，为各个ms的失量和：S=?ms其值可取：0，?1/2,?1,?2/3,?2,… J:为内量子数：轨道运动与自旋运动的相互作用，即轨道磁距与自旋磁距的相互作用而得出。即J=L+S 具体求法是：J=(L+S),(L+S-1),(L+S-2),…, L-S 当L?S，J=L+S到L-S，有2S+1个取值 当L?S，J=S+L到S-L，有2L+1个取值 因此：描述多个价电子的运动状态可用下列光谱项来表示：n2S+1LJ 其中2S+1称为光谱的多重性(multiplet) 例一：单价电子（Na, Mg(I)） Na: 3s1(外层)----(3s1,4s,5s….)-(3p,4p,5p…)-(3d,4d,5d…)… a) S=+1/2或-1/2; L=l=0; J=L+S=0+1/2=1/2 2S1/2 b) S=+1/2或-1/2; L=l=1; J=[L+S, L-S]=3/2, 1/2 2P1/2, 2P3/2 c) S=+1/2或-1/2; L=l=2; J=[L+S, L-S]=5/2, 3/2 2D3/2, 2D5/2 产生双重线（doublet）：如Na, Li, Mg(I) 对Na, Mg(I): 32S1/2-------32P3/2 Na 589.0 nm(D2线.6 nm(D1线 nm 例二：双价原子 外层电子：3s2 或 S=(1/2-1/2); (1/2+1/2)，即0(异向)和1(同向)；光谱多重性为：2S+1=1和3 ------产生单线和双重线 自旋方向不同（单重线；而J=[L+S, L-S], 即J取0，光谱项：1S0 当S=0，L=1时，2S+1=1；而J=[L+S, L-S], 即J取1， 光谱项：1P1 当S=0，L=2时，2S+1=1；而J=[L+S, L-S]，即J取2，光谱项：1D2 b)自旋方向相同（三重线；而J=[L+S, L-S]，即J取1，光谱项：3S1 当S=1，L=1时，2S+1=3；而J=[L+S, L-S]，即J取2，1和0，光谱项：3P2，3P1，3P0 当S=1，L=2时，2S+1=3；而J=[L+S, L-S]，即J取3，2和1，光谱项：3D3，3D2，3D1 单重线 nm) 三重线; 43S1 ------33P2 那么对于含三个或者多个价电子的原子，其谱线)如何计算呢？这里给出结果： 3个价电子：双重线、四重线个价电子：单重线、三重线、五重线个价电子：双重线、四重线、六重线、跃迁定则(transition rule) ： ?n=0或任意正整数 ?L=?1， S P；P D；D F ?S=0； ?J=0，?1 （J=0时，?J=0的跃迁为禁戒跃迁） 两点说明： 以上定则不是绝对的，但机会极少，如一旦发生，其谱线大多很弱； 每个光谱支项n2S+1L2J+1在磁场中可进一步分裂成2J+1个能级，即Zeeman effect 或ultra-fine structure 3、跃迁定则(transition rule) ： ?n=0或任意正整数 ?L=?1， S P；P D；D F ?S=0； ?J=0，?1 （J=0时，?J=0的跃迁为禁戒跃迁） 两点说明： 1）以上定则不是绝对的，但机会极少，如一旦发生，其谱线在磁场中可进一步分裂成2J+1个能级，即Zeeman effect 或ultra-fine structure 以上从量子力学基本理论介绍了AES的能级（以光谱项表示）这使得我们对AES定性分析(qualification)原理有了清楚的认识： 当处于基态的气态原子或离子吸收了一定的外界能量时，其核外电子就从基态跃迁至激发态。处于激发态的原子或离子很不稳定，经约10-8秒便跃迁返回到基态，并将激发所吸收的能量以一定的电磁波辐射出来。将这些电磁波按一定波长顺序排列即为原子光谱（线状光谱）。由于原子或离子的能级很多并且不同元素的结构是不同的，因此对特定元素的原子或离子可产生一系不同波长的特征光谱，通过识别待测元素的特征谱线存在与否来进行定性分析--------定性原理。 当等离子体处于热力学平衡状态时，能量为E0的基态原子数N0与激发到能量为Ei的激发态原子数Ni之间的关系满足Boltzmann分布： ……………(1) 其中，N为原子数，g为统计权重（2J+1）；k为Boltzmann常数（1.38?10-23J/oC） 又，考虑到原子外层电子在i,j两能级之间的跃迁以及谱线强度Iij与激发态原子数Ni成正比，即 ………(2) 由于激发态原子数目较少，因此基态原子数N0可以近似代替原子总数N，并以浓度c代替N: N = N0 = k’C ………….(3) 简单地，Iij ?C，此式为光谱定量分析的依据。 更进一步，考虑到谱线的自吸（自吸：原子在高温区发射某一波长的辐射，被处在边缘低温状态的同种原子所吸收的现象）效应系数b I=acb（Schiebe-Lomarkin公式）（记住） 去对数此式变为logI=blogc+loga 此式为AES分析的最基本的关系式。 以logI对logc作图，得校正曲线。当试样浓度很高时，bI，工作曲线、影响Iij因素*:

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