仪器分析技术一2011

第四章常用仪器分析技术（一）授课人：陈丽琴现代仪器分析技术种类：光谱分析法质谱分析法色谱分析法现代仪器分析技术重要性：法医毒物分析这门学科是以现代仪器分析技术为基础发展和建立起来的。鉴定毒物的确证实验和定量试验往往是仪器分析方法，而其它方法往往是毒物鉴定的预试验或筛选试验。例：检测嫌疑人尿样中的毒品吗啡。免疫分析法化学显色法第一节光谱分析法►光谱分析法概论►紫外-可见分光光度法►荧光分光光度法►原子吸收分光光度法光谱分析法概论一、光的基本性质二、光谱分析法的概念三、光谱分析法的基本原理四、光谱分析法的分类一、光的基本性质♥光是一种电磁波、电磁辐射，具有波粒二象性。♥光是由光子流组成，光子具有能量：E=hc/=h（E：能量；h：Planck常数；c：光速；：波长nm；频率=c/；波数=1/,cm-1)光的波长越短，能量越大。♥单色光：单波长的光(由具有相同能量的光子组成)♥紫外光区：远紫外区10-200nm（真空紫外区）近紫外区200-400nm可见光区：400-800nm红外光区：800nm-1000μm（中红外区2.5-25μm）电磁辐射谱区波长能量γ射线短长大小X射线紫外可见红外微波无线电波二、光谱分析法的概念在光（电磁波、电磁辐射）的作用下，通过测量物质产生的吸收光或发射光的波长和强度来测定物质的性质、结构或含量的一类仪器分析方法。1.任何光谱分析法包括三个主要过程（1）电磁波提供能量（2）能量与被测物质粒子相互作用使其发生能级跃迁•光（电磁波）照射物质，物质粒子（分子、离子、原子）能够选择性吸收光子，从能量较低的能级（基态）跃迁到能量较高的能级（激发态），即物质粒子发生能级跃迁，激发态不稳定，瞬间发射光子释放能量回到稳定的基态。光子的吸收和发射伴随着能级跃迁。三、光谱分析法的基本原理（3）产生被检测讯号①入射与透射电磁波二者强度的变化（反映光吸收程度）②发射光子的波长和强度若某波长电磁波的光子i的能量hc/i＝△E＝E2-E1M+hc/iM*基态激发态E1E2M+热M+荧光或磷光则光子i被选择性吸收：2.物质对光的选择性吸收若某波长电磁波的光子i的能量hc/i＝△EM+hc/iM*基态激发态E1E2M+热M+荧光或磷光则光子i不被吸收：物质粒子能级跃迁类型发射光的波长和强度能级分布特征吸收光的波长和强度3.光谱分析法进行定性、定量分析的基本原理分子结构具有特征性能级分布具有特征性吸收特定波长的光完成特征性的能级跃迁形成特征性的吸收光谱（吸收曲线）用不同波长的单色光照射，测吸光度—吸收光谱4.物质粒子能级跃迁的类型及对应光谱类型引子：光谱：♦光谱是一种图谱，以光的波长或波数为横坐标，以物质粒子对光的吸收或发射强度为纵坐标。♦分为吸收光谱和发射光谱两类。♦光谱本质上是反映了物质粒子能级跃迁的特征。电磁辐射区段光谱类型γ射线γ射线发射光谱X射线X射线吸收、发射光谱紫外紫外-可见吸收、发射光谱可见红外红外吸收光谱微波微波吸收光谱无线电波核磁共振光谱物质粒子能级跃迁的类型及对应光谱类型：四、光谱分析法的分类（1）吸收光谱法（紫外－可见分光光度法、红外分光光度法、原子吸收分光光度法）发射光谱法（荧光分光光度法）（2）分子光谱法（紫外－可见分光光度法、红外分光光度法、荧光分光光度法）原子光谱法（原子吸收分光光度法）紫外-可见分光光度法一、朗伯－比尔定律二、紫外-可见吸收光谱三、紫外-可见分光光度计四、紫外-可见分光光度分析方法♥物质分子的外层电子或分子轨道电子由基态跃迁到激发态，需要的能量较高，一般需要吸收紫外光区、可见光区的光能，在吸收过程中形成的吸收光谱称为紫外-可见吸收光谱。♥利用物质的紫外-可见吸收光谱特征进行物质性质、结构和定量分析的方法称为紫外-可见分光光度法。这种方法所用的仪器称为紫外-可见分光光度计。一、朗伯－比尔（Lambert-Beer）定律朗伯(Lambert)于1760年阐明了光的吸收程度A和液层厚度L的关系。A∝L1852年比耳(Beer)又提出了光的吸收程度A和吸收物浓度C之间也具有类似的关系。A∝C二者的结合称为朗伯—比耳定律，其数学表达式为：1.朗伯－比尔定律数学表达式A＝ECL=－lg(I/I0)式中A：吸光度（absorbance,A）描述溶液对光的吸收程度；L：液层厚度(光程长度)通常以cm为单位；C：溶液的浓度摩尔浓度的单位mol·L－１或百分浓度的单位g/100mL；E：吸光系数（absorptivity,E）定义：1单位浓度、液层厚度为1cm时溶液在某一波长下的吸光度。摩尔浓度对应的吸光系数称为摩尔吸光系数ε。百分浓度对应的吸光系数称为百分吸光系数E1cm1%。描述入射光透过溶液的程度:T=I/I0单位：％吸光度A与透光率T的关系:A＝－lgT2.透光率(transmittance,T)3.朗伯－比尔定律的意义和应用范围朗伯—比耳定律是光谱分析法的理论基础和定量测定的依据。应用于各种吸光光度法的定量测量。4.摩尔吸光系数ε的讨论（1）ε在数值上等于浓度为1mol/L、液层厚度为1cm时吸光物质溶液在某一波长下的吸光度。（2）ε是吸光物质在一定波长和溶剂条件下的特征常数。（3）ε不随浓度C和光程长度L的改变而改变。在温度、溶剂和波长等条件一定时，ε仅与吸收物质本身的性质有关，是反映物质吸光性质的重要参数。（4）ε可作为定性鉴定的参数。（5）同一吸光物质在不同波长下的ε值是不同的。在最大吸收波长λmax处的摩尔吸光系数，常以εmax表示。εmax表明了该吸光物质最大限度的吸光能力，也反映了光度法测定该物质可能达到的最大灵敏度。（6）εmax越大表明该物质的吸光能力越强，用光度法测定该物质的灵敏度越高。5.吸光度的加和性当溶液中含有两种吸光物质组分，且它们之间不存在相互作用时，则该溶液对波长λ光的总吸光度为溶液中每一组份的吸光度之和，这种性质称为吸光度的加和性。AT=E1C1L1+E2C2L2应用于多组分的定量测定。二、紫外－可见吸收光谱(ultraviolet/visiblespectrum,UV/VIS)1.形成UV/VIS的电子跃迁类型有机化合物的紫外－可见吸收光谱，是其分子中外层价电子跃迁的结果。（三种外层电子：σ电子、π电子、n电子）。分子轨道理论：分子中一个成键轨道必定有一个相应的反键轨道（空轨道）。通常外层电子均处于分子轨道的基态，即成键轨道或非键轨道上。外层电子吸收紫外或可见光后，就从基态向激发态(反键轨道)跃迁。主要有四种跃迁类型，所需能量ΔΕ大小顺序为：n→π＊π→π＊n→σ＊σ→σ＊⑴σ→σ＊跃迁所需能量最大，发生在远紫外光区。饱和烷烃中的化学键属于这种类型。⑵n→σ＊跃迁所需能量较大。吸收波长为150～250nm，大部分在远紫外区，近紫外区仍不易观察到。含N、O、S和卤素等杂原子的饱和化学键均呈现n→σ*跃迁。如甲醇（CH3OH）n→σ＊跃迁的λ为183nm。饱和烃的分子吸收光谱出现在远紫外区(吸收波长λ200nm，只能被真空紫外分光光度计检测到)。如乙烷（CH3CH3）σ→σ＊跃迁的λ为135nm。所需能量较小，吸收波长处于远紫外区的近紫外端或近紫外区。不饱和烃、共轭烯烃和芳香烃类中的不饱和化学键可发生该类跃迁。如：乙烯（CH2CH2）π→π*跃迁的λ为162nm，εmax为1×104L·mol-1·cm-1。⑷n→π＊跃迁需能量最低，这类跃迁发生在近紫外光区和可见光区.含有杂原子的不饱和化学键发生n→π＊跃迁。丙酮（CH3COCH3）n→π＊跃迁的λ为275nm。⑶π→π＊跃迁由于电子跃迁的类型不同，实现跃迁需要的能量也不同，因而吸收的波长范围也不相同。紫外-可见吸收光谱常用于研究不饱和有机化合物，特别是具有共轭体系的有机化合物。许多毒物是含有芳环或不饱和共轭结构的有机分子，大都有紫外吸收。电子跃迁及所形成光谱的讨论：生色团与助色团生色团：有机分子的紫外吸收主要是由π→π＊和n→π＊跃迁产生的。分子中能产生紫外吸收电子跃迁的基团称生色团。简单的生色团由双键或叁键不饱和基团组成，如乙烯基、羰基、亚硝基、偶氮基—N＝N—、乙炔基、腈基—C㆔N等。助色团：一些带有杂原子的饱和基团(如—OH、—OR、—NH２、—NHR、—X等)，它们本身没有生色功能(不能吸收λ200nm的光)，但当它们与生色团相连时，能增强生色团的生色能力(吸收波长向长波方向移动，且吸收强度增加)，这样的基团称为助色团。有机化合物的吸收谱带常常因引入取代基或改变溶剂使λmax和吸收强度发生变化:λmax向长波方向移动称为红移（长移），向短波方向移动称为蓝移（或紫移、短移）。吸收强度即摩尔吸光系数ε增大或减小的现象分别称为增色效应或减色效应。红移与蓝移2.描述紫外－可见吸收光谱特征的参数吸收光谱一般都具有一些特征，分别用一些参数或术语进行描述。吸收光谱参数值、摩尔吸光系数以及整个吸收光谱的形状是紫外-可见分光光度法进行化合物定性鉴别的重要依据。1.吸收峰：吸收曲线上比左右相邻都高的一处称为吸收峰，其所在波长称为最大吸收波长（λmax）。2.谷：峰与峰之间吸光度最小的部位称为谷，其所在波长称为最小吸收波长（λmin）。3.肩峰：形状如肩的平坦吸收峰称为肩峰。4.末端吸收：在短波端呈现的强吸收称为末端吸收，不成峰形。主要参数3.吸收光谱的讨论：同一种物质对不同波长光的吸光度不同。吸光度最大处对应的波长称为最大吸收波长λmax不同浓度的同一种物质，其吸收曲线形状相似，λmax不变。而对于不同物质，它们的吸收曲线形状和λmax则不同。吸收曲线可以提供物质的结构信息，并作为物质定性分析的依据之一。不同浓度的同一种物质，在某一定波长下吸光度A有差异，吸光度与浓度成线性比例关系，此特性可作为物质定量分析的依据。在λmax处吸光度随浓度变化的幅度最大，所以测定最灵敏。吸收曲线是定量分析中选择入射光波长的重要依据。4.溶剂极性、酸碱性对紫外-可见吸收光谱的影响溶剂的极性、酸碱性除影响吸收峰的位置外，还影响吸收强度和光谱形状，所以一般应注明使用溶剂。利用溶剂极性、酸碱性对一些化合物紫外-可见吸收光谱的影响，有助于对其进行定性鉴别。溶剂极性对紫外-可见吸收光谱的影响•极性溶剂使л→л*跃迁吸收峰长移∵л→л*跃迁中激发态的极性总比基态极性大，激发态与极性溶剂之间相互作用所降低的能量更大∴极性溶剂使完成л→л*跃迁所需能量降低（吸收电磁辐射的波长变大）•极性溶剂使n→л*跃迁吸收峰短移∵n→л*跃迁中，基态的极性大于激发态，基态与极性溶剂之间相互作用所降低的能量更大∴极性溶剂使完成n→л*跃迁所需能量变大（吸收电磁辐射的波长变短）溶剂酸碱性对紫外-可见吸收光谱的影响•许多有机物的共轭体系中含有酸碱基团，因此溶剂酸碱性影响这些物质的电离状态和化学结构，从而对这些物质的紫外-可见吸收光谱产生明显影响。例：巴比妥类药物吸收峰的位置、吸收强度、吸收曲线形状随溶液pH值的改变而变化巴比妥苯巴比妥pH2：210nm附近肩峰pH9.2：240nm附近吸收峰pH13：255nm附近吸收峰（红移）紫外吸收光谱法定性鉴别不同类型巴比妥类药物甲基苯巴比妥光源单色器样品室检测器显示1.光源在紫外光区和可见光区可以发射连续光谱。可见光区：钨灯作为光源，辐射波长范围在350～1000nm。紫外区：氢、氘灯。发射190～400nm的连续光谱。三、紫外-可见分光光度计2.单色器将光源发射的复合光分解成单色光，并可从中选出任一波长单色光的光学系统。①入射狭缝：光源的光由此进入单色器；②准光装置：透镜或返射镜使入射光成为平行光束；③色散元件：将复合光分解成单色光；棱镜或光栅；④聚焦装置：透镜或凹面反射镜，将分光后所得单色光聚焦至出射狭缝；⑤出射狭缝。3.样品室样品室放置各种类型的吸收池（比色皿）和相应的池架附件。吸收池主要有石英池和玻璃池两种。在紫外区须采用石英池，可见区一般用玻璃池。4.检测器利用光电效应将透过吸收池的光信号变成可测的电信号，常用的有光电池、光电管或光电倍增管。