第9章 光谱分析法概论

仪器分析药物分析教研室何丹1.分析化学是做什么的？（任务）分析化学:研究物质的化学组成和结构1）What?定性分析(qualitativeanalysis):目标物质的原子、分子或功能基团组成信息；2）Howmuch?定量分析(quantitativeanalysis):目标物质的数量信息。2.分析化学分类化学分析化学分离：沉淀、萃取、蒸馏等分离方法；定性方法：加入各种试剂，测量待测物的颜色、沸熔点、气味、光学性质（拆射、反射、衍射等）以及在不同溶剂中的溶解特性。定量方法：重量法、容量法仪器分析化学分离：色谱技术和毛细管电泳技术开始取代沉淀、萃取、蒸馏等分离方法；定性定量方法：利用物质原子、分子结构的特性，光谱、波谱、色谱。3.仪器分析应用领域社会：体育（兴奋剂）、生活产品质量（鱼新鲜度、食品添加剂、农药残留量）、环境质量（污染实时检测）、法庭化学（DNA技术，物证）化学：新化合物的结构表征；分子层次上的分析方法；生命科学：DNA测序；活体检测；环境科学：环境监测；污染物分析；材料科学：新材料，结构与性能；药物：药物的结构鉴定、定性定量分析、建立方法实例如何知道某种蛋白质的氨基酸组成及含量?如何知道中药制剂中主要有效成分的百分含量？AmonoacidNumberofaminoacidinaBSAmoleculeLiteraturevalueResultThr(苏氨酸)3432.8Ser(丝氨酸)2828.2Glu(谷氨酸)7978.9Pro(脯氨酸)2829.8Gly(甘氨酸)1619.1Ala(丙氨酸)4646Val(缬氨酸)3634.6Met(蛋氨酸)44.6lle(异亮氨酸)1445.6Leu(亮氨酸)6159.9Tyr(酪氨酸)1920.7Phe(苯丙氨酸)2728.7Lys(赖氨酸)5953.8His(组氨酸)1717.7电位分析法电导分析法电解分析法库仑分析法极谱分析法电化学分析法仪器分析方法原子光谱法（AAS）分子光谱法（UV-Vis、IR）X射线光谱法核磁共振波谱法光学分析法光谱分析法非光谱分析法其他仪器分析法质谱分析法热分析法放射化学分析法色谱分析法气相色谱法高效液相色谱法薄层色谱分析法纸色谱法4.种类第九章光谱分析法概论光学分析法（opticalanalysis)：基于物质发射的电磁辐射或物质与辐射相互作用后产生的辐射信号或发生的信号变化来测定物质的性质、含量和结构的仪器分析方法。例如：KMnO4溶液选择吸收了白光中的绿色(500~560nm)光，与绿色光互补的紫色光因未被吸收而透过溶液，所以KMnO4溶液呈现紫色。§1电磁辐射及其与物质的相互作用光的波动性λ（波长）-空间参数（频率）-时间参数波数c（光速）;＝1／λ=/c（波数）;＝c／λ＝c光的微粒性E=h=hc/λ=hch—Planck’sconstant(普朗克常数)h=6.6262×10-34J.secc=3×1010cm/sec计算1mol波长为200nm的光子的能量E（J)E572310341098.5102001002217.610997925.2106262.6磁场向量电场向量传播方向YZX与物质作用紫兰绿黄橙红300400500600700800nm可见光区宇宙射线γ射线X射线远紫外红外微波区无线电波10-610-310-11011031051091012Eλ10nm10nm－1mm1mm124ev102ev－10－3ev10-3ev能谱分析光谱分析波谱分析X－衍射分析紫外、可见核磁共振红外、原子吸收电磁波谱电磁辐射与物质的相互作用物质内能不变化透射、散射、反射、折射和衍射等物理现象物质内能变化对光的吸收、产生荧光、磷光和拉曼散射吸收发射拉曼散射折射和反射干涉和衍射§-2光学分析法的分类一、光谱法(Spectrometry)：利用物质与电磁辐射作用时，物质内部发生量子化能级跃迁而产生的吸收、发射或散射等电磁辐射的强度随波长变化的定性、定量分析方法。按能量交换方向分吸收光谱法发射光谱法按作用结果不同分原子光谱→线状光谱分子光谱→带状光谱非光谱法利用物质与电磁辐射的相互作用,测定电磁辐射的反射、折射、干涉、衍射和偏振等基本性质变化的分析方法。分类：折射法、旋光法、比浊法、χ射线衍射法二、原子光谱和分子光谱原子光谱电子能级的电子跃迁电子光谱线状光谱分子光谱紫外可见红外电子能级的电子跃迁兼有振动精细结构的电子光谱带状光谱振动能级的电子跃迁兼有转动精细结构的振动光谱带状光谱基态电子激发态电子原子核Li原子示意图原子结构及跃迁1S2S2P3S电子能级间的跃迁,属电子光谱,线状光谱。A2003004005006007008009001000nm分子的能级及电子在能级间的跃迁v’3J‘v’2J‘电子v1’激发态v’oJv3v2J电子v1J基态v0J电子振动转动能级能级能级分子能级能级差反映的信息电子能级△E1--20ev反映价电子能量状（紫外可见波区）况等信息可给出物质的化学性质的信息。(主要用于定量测定)振动能级△E0.05--1ev反映价键特性等结（红外波区）构信息。主要用于定性，定量比UV/Vis差。转动能级△E0.005-0.05ev反映分子大小、键（远红外区）长度、折合质量等分子特性的信息。理想分子光谱的示意图A紫外可见红外远红外微波电子跃迁振动精细结构振动跃迁转动精细结构转动跃迁200200020000波长(nm)原子光谱和分子光谱特征纯电子能态间跃迁S2S1S0S3hE2E0E1E3S2S1S0hAhhh分子内电子跃迁带状光谱线状光谱A分子形成带状光谱的原因1、能级之间的能量间距非常小，导致跃迁所产生的谱线非常多，间距非常小，易于重叠。2、色散元件难以将谱线完全分开吸收光谱法当物质所吸收的电磁辐射能与该物质的原子核、原子或分子的两个能级间跃迁所需的能量满足△E=hv的关系时，将产生吸收光谱。1)红外吸收光谱：分子振动光谱，吸收光波长范围2.51000m,主要用于有机化合物结构鉴定。2)紫外吸收光谱：电子跃迁光谱，吸收光波长范围200400nm（近紫外区），可用于结构鉴定和定量分析。3)可见吸收光谱：电子跃迁光谱，吸收光波长范围400760nm，主要用于有色物质的定量分析。4)原子吸收光谱法三、吸收光谱与发射光谱发射光谱法物质通过电致激发、热致激发或光致激发等激发过程获得能量，变为激发态原子或分子M*，当从激发态过渡到低能态或基态时产生发射光谱。线光谱：是由气态或高温下物质在解离为原子或离子时被激发后而发射的光谱带光谱：分子被激发后而发射的光谱连续光谱：固体加热至炽热会发射连续光谱，这类热辐射称为黑体辐射。物质吸收和发光的过程示意图第二激发态第一激发态h=△E三重态振动能级基态吸收无辐射退激荧光磷光共振发射不发光，发热发光，波长最短，不发热发光，波长最长，发热发光，波长变长，发热§3光谱分析仪一、光源光谱分析中，光源必须具有足够的输出功率和稳定性。连续光源：在很大的波长范围内能发射强度平稳的具有连续光谱的光源。紫外光源氢灯或氘灯160-375nm可见光源钨灯或氙灯200-700nm红外光源能斯特灯、硅碳棒6000-200cm-1线光源：金属蒸气灯汞灯和钠蒸气灯空心阴极灯用于原子吸收光谱中二、分光系统将复合光分解成单色光或有一定波长范围的谱带棱镜棱镜的作用是把复合光分解为单色光。这是由于不同波长的光在同一介质中具有不同的折射率而形成的。入射狭缝准直透镜棱镜聚焦透镜出射狭缝白光λ1λ2800600500400光栅：在镀铝的玻璃表面刻有数量很大的等宽度等间距条痕(600、1200、2400条/mm)。光栅衍射示意图原理：利用光通过光栅时发生衍射和干涉现象而分光.迈克尔干涉仪工作原理图狭缝狭缝是由两片经过精密加工，且具有锐利边缘的金属片组成，其两边必须保持互相平行，并且处于同一平面上。狭缝宽度直接影响分光质量过宽:单色光不纯,吸收度变值过窄:光通量变小,灵敏度降低三、检测器检测器可分为两类，一类对光子有响应的光检测器，另一类为对热产生响应的热检测器。光检测器有硒光电池、光电管、光电倍增管、半导体等。热检测器是吸收辐射并根据吸收引起的热效应来测量入射辐射的强度，包括真空热电偶、热电检测器、热电偶等。1.同一电子能级，振动态变化时所产生的光谱波长范围是(1)可见光区(2)紫外光(3)红外光区(4)微波区2.在光学分析法中,采用钨灯作光源的是(1)原子光谱(2)分子光谱(3)可见分子光谱(4)红外光谱3.可以概述三种原子光谱(吸收、发射、荧光)产生机理的是(1)能量使气态原子外层电子产生发射光谱(2)辐射能使气态基态原子外层电子产生跃迁(3)能量与气态原子外层电子相互作用(4)辐射能使原子内层电子产生跃迁4.电子能级间隔越小,跃迁时吸收光子的(1)能量越大(2)波长越长(3)波数越大(4)频率越高紫外可见光谱属于吸收光谱，荧光、磷光属于发射光谱光学分析法是建立在物质与电磁辐射互相作用基础上的一类分析方法.带光谱是由分子中电子能级、振动和转动能级的跃迁；产生的,线光谱是由原子或离子的外层或内层电子能级的跃迁产生的。