高等分离分析总结中国科学院大学研究生课程

1、第一章 绪论化学分析与仪器分析的关系，分析化学的发展方向，分析化学中的仪器分析方法，仪器分析的基本原理。1.1 化学与分析化学化学：研究包括原子、分子、超分子等各种物质的不同层次与复杂程度的聚集态的合成和制备、反应和转化、分离和分析、结构和形态、化学物理性能和生物与生理活性及其规律和应用的科学。 分析化学：一门发展和应用各种理论、方法、仪器和策略，以获取有关物质在相对时空内的组成和性质的信息的科学 1.2 分析化学的任务（1）定性分析：考质 是什么：组成、（2D/3D)结构、物理化学性质（2）定量分析：求数 有多少：浓度、丰度、比率 静态定量分析（3）时空变化：求数 - 动态的定量分析：时空分

2、辨化学组成/浓度分布 反应动力学、2D/3D 分子成像1.3 分析化学的种类 按方法分类：（1）化学分析：以物质的化学反应及其计量关系为基础的分析方法。（2）仪器分析：通过测量物质的某些物理或物理化学性质的参数及其变化来获取物质的化学组成、成分含量及化学结构等信息的分析方法。按分析对象：无机分析、有机分析按所需试样量：常量分析、半常量分析、微量分析、超微量分析按分析物状态：成分分析、价态分析、形态分析、结构分析1.4 分析化学的发展历史（1）第一次变革：20世纪初，物理化学溶液理论的发展，建立了溶液中四大反应平衡理论，酸碱（电离）平衡、沉淀平衡 、配位平衡、氧化还原平衡（2）第二次变革：第二次

3、世界大战前后到60年代，核磁共振波谱、气相色谱、极谱分析 （3）第三次变革：始于1980，计算机控制的分析数据采集与处理、化学计量学、化学信息学。1.5 仪器分析特点（1）三高：高灵敏度、高选择性、高速度；三微：微区、微粒、微量。（2）相对误差较大 5%，不适合常量和高含量成分的测定 。（3）需要价格比较昂贵的专用仪器 1.6 仪器分析的应用化学：新化合物的结构表征、反应机理探索 Ø生命科学：组学研究、DNA测序、临床检验、医学成像 Ø环境科学：环境监测、环境毒理 Ø材料科学：新材料表征、结构与性能关系 Ø药物发现：靶标发现、构效关系研究、药理学 

4、16;地质科学：地质年代学、天体年代学、太阳系星云演化、月球形成与演化、地球古环境 Ø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取证，身份确认） 1.7 仪器分析的发展趋势（1）高灵敏度、高通量、低样耗（2）自动化、数字化、计算机化（3）微型化、智能化、仿生化（4）在线、非侵入、无损（微创）（5）原位、实时、多维（6）简便、经济、现场1.8 仪器分析的分类质谱分析法、光学分析法、热分析法、电分析化学法、分离分析法、分析仪器联用技术（1）光学分析方法分类紫外可见吸收光谱法、红外吸收光谱法、核磁共振波谱法、荧光光谱法

5、、原子吸收光谱法、原子发射光谱法（2）电化学分析方法电导分析法、点解分析法、库伦分析法、电位分析法、电泳分析法、极谱与伏安分析法（3）分离（色谱）分析法气相色谱法、液相色谱法、电色谱法、激光色谱法、薄层色谱法、超临界色谱法（4）其它仪器分析方法 热分析法、质谱分析法、放射分析法、表面分析法、联用技术1.9 分析仪器的基本结构单元（1）样品系统分析试样的引进或放置，可包括功能：试样物理、化学状态改变、成分分离等。要求：试样性质不得改变。（2）能源提供与被分析物或系统发生作用的探测能源。 类型包括：电磁辐射、场、电能、机械能、核能等。（3）信息发生器转换器：将非电信号转换成电信号或相反的特殊装置。

6、 如：光电倍增管、光电二极管、光电池、热敏电阻、热电堆等 传感器：一类能连续、可逆地监测特殊化学成分的分析装置或器件，能将某些化学成分感应转变成电信号。 如：玻璃电极、光纤传感器等。 检测器：通常是一个机械、电或化学装置，在外能作用下，基于检测物质的物理、化学性质产生检测信息或信号，如电信号、发射电磁波、核辐射、电子流、热能、压力、粒子或分子等 。作用：整个仪器的接收装置，指示或记录物理或化学量，分析物或系统环境中存在的某个变量或它的变化。如：质谱仪中的质量分析器。（4）信息处理单元 功能：信号或信息接收及处理。 包括：信号的放大、衰减、相加、差减、积分、微分、数字化、(傅里叶）变换、存储等。

7、 （5）信息显示单元功能：将电信号或信息转变成人们能直接观察和理解的信息，包括：表头、记录仪、示波器、显示器、打印机等 。 1.10 分析仪器的性能指标（1）精密度同一分析仪器的同一方法对同一个样品多次测定所得数据的一致程度，是表征随机误差大小的指标，即重现性。 按国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)规定，用相对标准p偏差表示精密度(也记为RSD%，变异系数): （2）灵敏度分析仪器区别具有微小浓度差异分析物能力的度，灵敏度决定于校准曲线的斜率和仪器设备的重现性或精密度，标准曲线斜率越大，方法越灵敏。根据IUPAC规定，灵敏度用校准灵敏度表示(calibration sensitivity)

8、 ：R=Sc+Sb1R：测定的响应信号；S：校准灵敏度；c：分析物浓度；Sb1：仪器本底空白信号分析灵敏度：Sa=S/Ss （S，标准曲线斜率，即校准灵敏度；Ss，测定标准偏差）（3）检出限又称检测下限或最低检出量等，定义为一定置信水平下检出分析物或组分的最小量或最小浓度。 Sm=Sbla+ksbl Sbla，空白信号平均值；k=3；sbl，空白信号标准差。（4）动态范围定量测定最低浓度(LOQ)扩展到校准曲线偏离线性响应(LOL)的浓度范围 动态范围。 定量测定下限一般取等于10倍空白重复测定标淮差，或10sbl。 （5）选择性和响应速度选择性是指避免试样中含有其他组分干扰组分测定的能力。响

9、应速度是指仪器对检测信号的反应速度，定义为仪器达到信号总变化量一定百分数所需的时间。（6）分辨率仪器鉴别由两相近组分产生信号的能力。 （7）分析仪器和方法校正仪器分析中将分析仪器产生的各种响应信号值转变成被测物质的质或量的过程称为校正，一般包括分析仪器的特征性能指标和定量分析方法校正。 Ø 仪器分析定量方法校正，即建立仪器输出的测定信号与被分析物质浓度或量的关系。最普通的方法是用一组含待测组分量不同的标准试样或基准物质配成浓度不同溶液作出校正曲线。 Ø 仪器定量方法校正，根据标准物不同，一般可分为外标法和内标法两大类。外标法的共同点是所使用的标准物质与被测定物是同一物质;内

10、标法的标准物与被测定物不是同一物质。 第二章 分析过程分析过程： 1）分析方法的选择 2）采样 3）样品处理4）分析测试 5）数据处理, 报告结果。 1.正确的抽样方案必须掌握两个基本原则：（1）随机性原则。保证总体的各个单位都有入选的机会。 （2）保证实现最大的抽样效果原则。 2.抽样的常见方式：1） 简单随机抽样；2） 等距抽样；3） 分层抽样；4） 多级抽样 3.对于存在形态不一定的散料来讲，为了使样品具有代表性， 良好的采样操作有三条原则: （1）应该从运动中的体系抽取样品，例如粉末物料应该在形成料堆的过程中从运动的物流种采样，而不是形成料堆后再从静止的料堆中采样。 （2）应该切取物流

11、的全部截面，而不是只切取一部分截面。 （3）应该在物流中频繁的切取少量，而不是频繁的切取多量。 4.样品预处理的目的 :（1）浓缩痕量的被测组分， （2）消除基体及其它组分对测定的干扰， （3）通过衍生化处理，使有响应， （4）衍生化还用于改变基体或其他组分的性质，提高它们与被测组分的分离度，改进方法的选择性， （5）使样品容易保存和运输， （6）除去对分析系统有害的物质，延长仪器的使用寿命。 5.评价所选择的预处理方法是否合理必须考虑以下因素：（1）能否最大限度的除去影响测定的干扰物质， （2）被测组分的回收率是否高， （3）操作是否简便， （4）成本是否低廉， （5）对人体及生态环境是否有

12、影响。 6.用于样品前处理的经典物理方法主要包括：蒸馏、柱色谱、重结晶、萃取、过滤、干燥、离心等。 （1）蒸馏：它是根据物质相对挥发度的不同加以分离的。 根据操作方式不同，蒸馏可分为以下几种：常压蒸馏、减压蒸馏、蒸汽蒸馏、共沸蒸馏、萃取蒸馏、升华。 （2）萃取：萃取是指被测物质从液体或固体样品中转移到另一种与样品不相溶的溶剂中的过程。液液萃取按操作不同分为间歇式、连续式和逆流三种。 （3）重结晶：是一种从溶液中析出固体的过程。重结晶过程中溶剂的选择十分重要，合适的溶剂必须符合以下条件：1）重结晶的物质在高温与低温下的饱和溶解度必须有明显的差别，2）易使重结晶的物质形成晶体，3）溶剂本身容易被除

13、去，4）不与晶体发生化学反应，5）易挥发而不可燃。 （4）分级固化及区域熔融：晶体中杂质的存在会破坏晶格的完整性，从而降低分子或离子之间的能量，所以含有杂质的晶体，其熔点往往比晶体低，而且杂质越多，熔点越低，此时若把一部分熔融态物质逐渐冷却，首先凝固形成晶体析出的往往是含杂质最少的物质。根据这一原理而建立的分级固化技术常用于具有一定纯度物质的精制。（5）过滤：过滤是一种从溶液中分离出固体物质的方法，如沉淀物与溶液、晶体与母液的分离。 （6）离心：离心也是从液体中分离固体的常用方法之一。 （7）膜技术：膜分离技术以膜为介质，可以分为1）微孔膜。与滤纸相似，孔径在101000埃之间，用于分离大小差

14、别较大的颗粒与分子，2）离子交换膜。 其多孔的表面有可交换的离子基团，其分离机理与孔径、表面离子电荷性质及密度有关，3）均相膜。组成均一，分离是基于分子在膜中扩散速率的不同，也与浓度有关。 7.用于样品前处理的经典化学方法：（1）络合（2）沉淀（3）衍生 8.经典样品预处理方法的局限性: （1）劳动强度大，许多操作要重复多次进行。 （2）时间周期长，通常处理一个稍微复杂的样品少则 12小时，多则几天。 （3）手工操作居多，样品容易损失，重复性差，引入误差的机会多。 （4）对复杂的样品需要多种方法配合，操作步骤多，各步骤间的转移也多，样品损失引入误差的机遇也增加。 （5）难以符合快速分析和在线质

15、量控制的要求。 （6）多数方法需大量溶剂，如重结晶、蒸馏、液体萃取等。 9.样品预处理的新方法和新技术 样品预处理的新方法可以分为脱机处理与联机处理两大类。具体可分为：超临界流体萃取、 液膜萃取法 、 固相萃取法、 微波溶出法、 固相微萃取法 。 （1）超临界流体萃取：与通常液-液或液-固萃取一样，超临界流体萃取也是在两相之间进行的一种萃取方法，所不同的是萃取剂不是液体，而是超临界流体。超临界流体是介于汽相与液相之间的一种既非气态又非液态的物质，这种物质只能在物质的温度和压力超过其临界点时才能存在。 萃取剂的选择随萃取对象的不同而改变. 优点： 1）缩短处理时间12个数量级 2）避免使用大量溶

16、剂 3）与其它仪器分析方法联用，避免样品转移损失，减少人为误差。 （2）固相萃取法：固相萃取法是近年来发展很快的样品前处理技术之一，它的基本原理上与液相色谱分离过程相仿，根据被萃取组分与样品基质及其它成分在固定相填料上作用力强弱的不同而使它们分离，它不仅用于除去干扰或对分析测定有害的物质，而且可以使组分分级，达到浓缩和纯化的作用。 缺点：柱径窄，增大流速受限制；较脏样品易堵塞；颗粒间隙降低分离浓缩效率等。 新一代固相萃取装置采用膜过滤片。固相萃取在环境样品预处理中的应用主要是对水样的处理 。（3）液膜萃取法：液膜萃取的基本原理是由浸透了与水互不相溶的有机溶剂的多孔聚四氟乙烯薄膜把水溶液上分隔成

17、两相萃取相与被萃取相，（与流动的样品水溶液系统相连的相为被萃取相，静止不动的为萃取相）。样品水溶液中的离子流入被萃取相与其中加入的某些试剂形成中性分子（处于活化态），这种中性分子通过扩散溶入吸附在多孔聚四氟乙烯上的有机液膜中，再进一步扩散进入萃取相。一旦进入萃取相，中性分子受萃取相中化学条件的影响又分解为离子（处于非活化态）无法再返回液膜中去。其净结果是使被萃取相中的离子通过液膜进入萃取相中。 由上述机理可知，在液膜萃取中，被萃取的物质在流动相的水溶液中只有转化活化态（即中性分子）才能进入有机液膜，否则无法扩散到萃取相中。 控制这种转化因素的途径有： 1）改变被萃取相与萃取相的化学环境，如调节

18、水溶液的PH值就可以把各种pk值不同的物质有选择地萃取出来。 2）改变聚四氟乙烯隔膜中有机液体极性的大小，从而提高对极性不同物质的萃取效率。 优点： 1）使用有机溶剂少 2）操作易自动化，萃取相与被萃取相之比可达到1：1000；而传统的液液萃取达到1：50都很困难。 与透析的不同： 1）前者可以富集 2）透析主要用于分离分子大小不同的物质，而液膜萃取不仅用于分离分子大小不同的物质，而且可以选择性的分离特定物质。（4）微波溶出法：微波技术用在样品制备中是近年来发展起来的。它是利用微波为能量，进行样品处理的，它可以用于样品的溶解、干燥、灰化、及浸取等方面。以往微波制备样品主要用于无机分析，自80年

19、代末期开始，已逐步扩展到有机分析。 微波溶出法主要适用于固体或半固体样品。样品制备的整个过程包括：1粉碎2）与溶剂混合3）微波辐射4）分离 与传统的样品处理技术（如索氏抽提、超声萃取）相比，微波萃取的主要特点是快速，而且有利于萃取热不稳定的物质，可以避免长时间的高温引起样品分解，有助于被萃物质从样品基体上解吸，故特别适用于快速处理大量的样品。（5） 固相微萃取法：固相微萃取与固相萃取完全不同，它用裸露的熔融石英光导纤维或其表面经有机固定相处理后作为固相吸附剂（类似色谱的固定相）。当它浸在水或其它样品溶液中时，溶液中的有机物经扩散被吸附在石英光导纤维表面或有机固定相内，吸附平衡后，将光导纤维转移

20、到气相色谱入口处，经加热或其它方法使吸附物质脱附，随载气流入色谱柱进行分离与测定。由于被萃取的组分在石英光导纤维表面的吸附量与它在在原始样品中的浓度存在一定的线性关系，因此从分析结果得到的光导纤维表面的吸附量就能换算出被萃取的组分在原始样品中的浓度。所以它是一种完全无溶剂的样品处理技术。提高被测物质萃取率的方法有： 1）使用不同的有机固定相或改变固定相的组成，提高被测物的分配系数；或对光导纤维裸露表面进行物理或化学处理，改变表面结构与性能以提高被测物的吸附系数，增加吸附量。有机固定相可以是液体或固体，当然不能与样品溶液互溶。它们分极性与非极性两类，前者适用于萃取亲水性物质，如苯酚类化合物和水溶

21、性农药等；后者适用于萃取疏水性物质，如石油烃类，芳香族化合物等。 2）增加固定相的厚度。固定相越厚，其总量也越大，因而萃取的化合物总量也越多。 与其它样品的制备与前处理方法相比，固相微萃取的特点不仅是操作简便，主要在于不需任何溶剂，易于自动化，易联用。在环境分析，临床分析得到了广泛应用。 10.误差及其表示方法 分类：1）系统误差：方法、仪器、试剂、操作引起，可测 2）偶然误差：不可避免，符合统计规律 3）过失误差。表示方法：准确度、精密度。11. 数字修约规则: 四舍六入五成双，有效数字是指测量时实际能测得的数字 有效数字的计算规则: 1）基于误差传递：加减时，绝对误差传递到结果中，和的绝对

22、误差等于各加数绝对误差之和，差的绝对误差等于被减数与减数绝对误差之差； 2）乘除时，相对误差传递到结果中去、积的相对误差等于各因子相对误差之和。商的相对误差等于被除数与除数相对误差之差。 12. 分析测试方法的标准化与规范化，六个方面的制约：1）分析方法 2）分析测试仪器 3）标准试剂 4）样品 5）实验室环境条件 6）容器。13.标准物质：标准物质是具有一种或多种良好的特性，可用来校准测量仪器，评价测量方法或确定材料特性的物质。应具有以下基本特征： （1）应该是稳定而均匀的物质； （2）必须具有量值的准确性，该量值是由检定过的精密计量仪器测定的， 经公认的权威机构鉴定过的，具有最高或比较高的

23、测量精密度和准确度，应附有有关检定合格证或有关技术条件； （3）应能成批生产，用完后可按规定精度重新制备。作用： （1）验证、评价方法的准确度和精密度； （2）校准仪器； （3）作为质指控样品，实现实验室内部质量保证； （4）保证结果可比性，实验室外部质量保证； （5）消除基体效应。 第三章 光谱分析法导论1.光学分析方法分类： 分子光谱：紫外可见吸收光谱法、红外吸收光谱法、核磁共振波谱法 原子光谱：原子吸收光谱法、原子发射波谱法 荧光光谱法 非光谱分析法：折光法、旋光法、比浊法、X射线衍射法、电子衍射法等2.光学分析方法：基于光辐射与待测物相互作用后发生的某种变化建立起来的一系列分析方法，统

24、称为光分析法。 方法基础-1：能量作用于待测物质后产生光辐射，该能量形式可以是光辐射和其他辐射能量形式，也可以是声、电、磁或热等能量形式； 方法基础-2：光辐射作用于待测物质后发生某种变化，这种变化可以是待测物质物理化学特性的改变，也可以是光辐射光学特性的改变。 三个主要过程： （1）能源提供能量 （2）能量与被测物质相互作用 （3）产生被检测的信号 光辐射信号 或电磁辐射信号 3.电磁辐射的性质 光是一种电磁辐射，电磁辐射是一种以极大的速度(在真空中为2.998×1010 cm/s)通过空间,不需要以任何物质作为传播媒介的能量。电磁辐射具有波粒二相性。（1） 电磁辐射的波动性电磁辐

25、射具有波动性，电磁辐射可以在空间进行传播，传播速率等于光速c，= c ：Hz，s-1 = 1/ ：cm-1 ；：cm= 104/ ：cm-1 ；：m电磁辐射具有波粒二相性，微观来上看，由光子组成，具有粒子性，宏观上看表现出波动性。（2） 电磁辐射的微粒性 电磁辐射的微粒性表现为电磁辐射的能量不是均匀连续分布在它传播的空间，而是集中在辐射产生的微粒上。 因此，电磁辐射不仅具有广泛的波长（或频率、能量）分布，而且由于电磁辐射波长和频率的不同而具有不同的能量和动量。通常用eV表示电磁辐射的能量， 1 eV为一个电子通过1V电压降时所具有的能量。E=h=hc/ p（电磁辐射动量）=h/c=h/ 光的吸

26、收、发射和光电效应都是电磁辐射微粒性的现实表现（3） 电磁波谱将电磁辐射按其波长（或频率、能量）顺序排列，即为电磁波谱。因此，电磁辐射不仅具有广泛的波长（或频率、能量）分布，而且由于电磁辐射波长和频率的不同而具有不同的能量和动量与不同量子跃迁对应的电磁辐射具有不同的波长（或频率、能量）区域，而且产生的机理也不相同。通常以一种量子跃迁为基础可以建立一种电磁波谱方法，不同的量子跃迁对应不同的波谱方法(光谱分析方法）。 （4） 电磁辐射与物质的相互作用 吸收当电磁波作用于固体、液体和气体物质时，若电磁波的能量正好等于物质某两个能级（如第一激发态和基态）之间的能量差时，电磁辐射就可能被物质所吸收，电磁

27、辐射能（或光能）被转移到组成物质的原子或分子上，原子或分子从较低能态吸收电磁辐射而被激发到较高能态或激发态。 吸收 原子吸收 ： 当电磁辐射作用于气态自由原子时, 电磁辐射将被原子所吸收。 ü原子外层电子任意两能级之间的能量差所对应的频率基本上处于紫外或可见光区，气态自由原子主要吸收紫外或可见电磁辐射 原子吸收光谱法。 电子能级数有限，吸收的特征频率也有限。 ü原子通常处于基态，由基态向更高能级的跃迁具有较高的概率。 ü在现有的检测技术条件下，通常只有少数几个非常确定的频率被吸收，表现为原子中的基态电子吸收特定频率的电磁辐射后，跃迁到第一激发态、第二激发态或第三激

28、发态等. 吸收 分子吸收 ： 当电磁辐射作用于分子时，电磁辐射也将被分子所吸收。分子除外层电子能级外，每个电子能级还存在振动能级，每个振动能级还存在转动能级，因此分子吸收光谱较原子吸收光谱要复杂得多。分子的任意两能级之间的能量差所对应的频率基本上处于紫外、可见和红外光区 - 紫外-可见吸收光谱和红外吸收光谱。 分子振动能级相同但转动能级不同的两个能级之间的能量差很小，由同一能级跃迁到该振动能级相同但转动能级不同的两个跃迁的能量差也很小，因此对应的吸收频率或波长很接近，通常的检测系统很难分辨出来，而分子能量相近的振动能级又很多，因此，表观上分子吸收的量子特性表现不出来，而表现为对特定波长段的电磁

29、辐射的吸收，光谱上表现为连续光谱。 ü 分子的总能量分子通常包括三个部分： E分子电子振动转动 吸收 磁场诱导吸收 ：将某些元素原子放入磁场，其电子和核受到强磁场的作用后，其具有磁性质的简并能级发生分裂，产生具有微小能量差的不同量子化的能级，进而可以吸收低频率的电磁辐射。 以自旋量子数为1/2的常见原子核1H、13C、19F及31P为例，自旋量子数为1/2的能级实际上是磁量子 数分别为+1/2和-1/2，但自旋量子数均为1/2的两个能级的简并能级。这两个能级在通常情况下能量相同，只有在外磁场作用下，由于不同磁量子数的能级在磁场中取向不同，因而与磁场的相互作用也不同，最终导致能级的分裂

30、。磁场诱导产生的不同能级间的能量差很小，对于原子核，一般吸收30500MHz（=100060 cm）的射频无线电波; 对于电子而言，其吸收频率为9500 MHz（=3 cm）左右的微波，据此分别建立了核磁共振波谱法（NMR）和电子自旋共振波谱法（ESR）。 发射当原子、分子和离子等处于较高能态时，可以以光子形式释放多余的能量而回到较低能态，产生电磁辐射，这一过程叫做发射跃迁。发射 原子发射 ：当气态自由原子处于激发态时，将发射电磁波而回到基态，所发射的电磁波处于紫外或可见光区。通常采用的电、热或激光的形式使样品原子化并激发原子，一般将原子激发到以第一激发态为主的有限的几个激发态，致使原子发射具

31、有限的特征频率辐射，即特定原子只发射少数几个具有特征频率的电磁波 原子发射光谱法。发射 辐射驰豫和非辐射弛豫：通过光激发而处于高能态的原子和分子的寿命很短，它们一般通过不同的弛豫过程返回到基态，这些弛豫过程分为辐射弛豫和非辐射弛豫。辐射弛豫通过分子发射电磁波的形式释放能量，而非辐射弛豫通过其他形式释放能量。 折射与反射 ：当光作用于两种物质的界面时，将发生折射和反射现象 折射法、旋光法（圆二色性法)、比浊法 。干涉与衍射 电磁辐射波动性的表现 ：当频率相同、振动相同、相位相等或相差保持恒定的波源所发射的相干波互相叠加时，会产生波的干涉现象。干涉现象： 两列或几列光波在空间相遇时相互叠加，在某些

32、区域始终加强，在另一些区域则始终削弱，形成稳定的强弱分布的现象。 光的衍射：光在传播过程中，遇到障碍物或小孔时，光将偏离直线传播的途径而绕到障碍物后面传播的现象，叫光的衍射(Diffraction of light) X射线衍射法、电子衍射法（透射电子显微镜） 光经过圆形口径后成像，由于光的衍射效应，并不会汇聚成绝对的点，而是形成明暗相间，距离不等的同心圆光斑，即Airy Disc（爱里斑）。光的衍射极限（Diffraction Limit）是指不考虑光学系统几何像差，一个完美光学系统的分辨率仅受衍射（光波波长）限制的情况。对于圆形或类圆形物镜，其衍射极限分辨率就是Airy Disc的直径。4

33、. 光学分析法的分类 根据光与被测物质相互作用的性质分为光谱法和非光谱法两大类。 非光谱法 - 不涉及光谱的测定光与物质作用方式: 反射、折射、散射、干涉、衍射。折射法： 基于测量物质折射率的方法称为折射法。可用于纯化合物的定性及纯度测定，并可用作二元混合物的定量分析，还可得到物质的基本性质和结构的某些信息。方法简单，但应用范围有限。 目前，已有携带式Rayleigh干涉仪可供实际工作应用。这种方法已被应用于研究水、胶体溶液、发酵液、牛奶以及测定血浆、血液中的二氧化碳，酶的活性和重水浓度等。旋光法： 溶液的旋光性与分子非对称结构有密切的关系，因此，旋光法可作为鉴定物质化学结构的一种手段。它对于

34、研究某些天然产物及络合物的立体化学问题，更有特殊的效果。此外，它还可用于物质纯度的鉴定，例如“糖量计”就是专用于测定具有旋光性的糖含量。 圆二色性法（circular dichroism， CD）是旋光法的一种。(个人意见：涉及到光谱的测定 CD spectrum) 。比浊法： 测量光线通过胶体溶液或悬浮液后的散射光强度来进行定量分析，主要适用于测定BaSO4、AgCl及其他胶体沉淀溶液的浓度。衍射法：（1） X射线衍射法 晶体结构解析 以X射线照射晶体时，由于晶体的点阵常数与X射线的波长为同一个数量级（约10-8cm），故可产生衍射现象。Bragg（布拉格）方程表示X射线的波长 、衍射角与晶

35、格间距d的关系，即 n=2d s i n l（n: 衍射级） q=（2）电子衍射法 透射电子显微镜 在电镜中，电子透镜使衍射束会聚成为衍射斑点，晶体试样的各衍射点构成了衍射图。电子衍射的衍射角小，一般为12°；形成衍射图的时间短，只需几秒钟。但电子束的穿透能力小，所以只适用于研究薄晶体。光谱法 基于测量辐射（光)的波长和强度光谱分析方法涉及不同能级之间的跃迁，这种跃迁可以是吸收辐射的跃迁，也可以是发射辐射的跃迁。由此建立了基于外层电子能级跃迁的光谱法、基于转动及振动能级跃迁的光谱法、基于内层电子能级跃迁的光谱法、基于原子核能级跃迁的光谱法，以及Raman散射光谱法。 线状光谱：原子发

36、射光谱法、原子吸收光谱法、原子荧光光谱法带状光谱：紫外-可见吸收光谱法、分子荧光光谱法、分子磷光光谱法、化学发光分析法5.光谱法 （1）基于分子转动、振动能级跃迁的光谱法 红外吸收光谱 - 波段范围: 750nm1000m - 复杂的带状光谱 （2）基于原子内层电子能级跃迁的光谱法 X射线荧光法、X射线吸收法 - 基于高能电子的减速运动或原子内层电子跃迁所产生的短波电磁辐射所建立的分析方法 （3）基于原子核能级跃迁的光谱法 核磁共振波谱法 - 在强磁场作用下，核自旋磁矩与外磁场相互作用分裂为能量不同的核磁能级，核磁能级之间的跃迁吸收或发射射频区的电磁波 （5）基于Raman散射的光谱法 Ram

37、an光谱 - 光子与物质分子发生能量交换，不仅光子的运动方向发生变化，能量也发生变化，称为Raman散射，散射光的频率与入射光的频率不同，产生Raman位移。Raman位移的大小与分子的振动和转动能级有关 6. 光谱分析仪器（1）光谱分析仪器原理 光谱分析仪器是在物质与光的吸收、发射、散射、衍射等相互作用基础上，根据相应的光谱分析原理构建起来的。 例：紫外-可见吸收光谱原理：A=log(I0/I)= bc 构建紫外-可见吸收光谱仪的核心就是要能够检测不同波长的吸光度值A，而吸光度值A不是一个可直接检测的信号，构建紫外-可见吸收光谱仪的核心是实现不同波长入射光强度I0与出射光强度I的检测。（2）

38、光谱分析仪器的基本构造 能源样品系统 信号发生器（检测器）信息处理单元信号显示单元吸收光谱仪：光源或炽热固体样品系统分光系统光电转换信息处理及输出荧光光谱仪：样品系统分光系统光电转换信息处理及输出光源等或激光发射光谱仪：光源+样品系统分光系统光电转换信息处理及输出（3）光源系统连续光源：氘灯、钨灯、碳碳棒线状光源：空心阴极灯脉冲电源：激光电源（3）分光系统分光系统 波长选择器 - 单色仪 - 将多色光谱色散成含有一定波长范围的谱带的装置 典型的单色仪有棱镜单色仪、光栅单色仪，主要由五个部分组成：1）入射狭缝；2）准直装置，功能是使光束成平行光线传播；3）色散装置，即棱镜或光栅；4）聚焦透镜或凹

39、面反射镜；5）出射狭缝。1）单色器：滤光片：吸收滤光片：由有色玻璃或夹在两片玻璃间的分散在明胶薄层中的吸光染料组成，因此只适用于可见光区的波带选择，而且其所选光波带的带宽较宽，透射效率低，只能用于较简单的以定量测定为主的光度计中。干涉滤光片：通过光的干涉作用而获得窄的辐射带宽，通常由两层半透明银膜和银膜间的介电薄膜（常为氟化钙或氟化镁）组成。介电膜的厚度决定了透射光的波长。当光线通过第一层银膜后，将在第二层银膜上反射，并随之在第一层膜的内侧反射。可用于可见、紫外、红外 2）棱镜 (a) Cornu棱镜 （b) Littrow棱镜3）光栅光栅分为透射光栅和反射光栅。近代光谱仪主要采用反射光栅作为

40、色散元件，包括平面反射光栅和凹面反射光栅。 光栅色散作用的产生是多缝干涉和单缝衍射二者联合作用的结果，光栅的色散作用满足光栅（Bragg）方程。 l±= （4）样品引入系统 电弧原子发射光谱：固体样品，放电体系下电极的凹槽内； Ø高压火花原子发射光谱：直接将金属样品制成电极； Ø等离子体原子发射光谱：溶液样品，直接喷雾进样； 石墨炉原子吸收光谱：溶液样品，注射器直接加入石墨炉； Ø原子荧光光谱：溶液样品，喷雾进样； 分子光谱：常温常压下的固体、液体或气体样品，只需要一个透光容器和相应的样品架即可，或者制成透光的固态或液态样品形式直接引入光路。 Ø

41、;玻璃容器：普通光学玻璃和石英玻璃； Ø固体压片或液膜：红外光谱。 （5）检测系统理想的检测器: 1）整个研究波长范围内对光辐射有恒定的响应； 2）高灵敏度、高信噪比、响应时间快； 3）在没有光辐射时，检测器输出信号应该为零； 4）响应光辐射所产生的信号还应该正比于光辐射的强度。 实际上，理想检测器是不存在的，主要是因为实际的检测器不可能在整个研究波长范围内对光辐射有恒定的响应，与实际光源相关的作用于检测器的光辐射强度I也是波长的函数，实际检测器还存在暗信号输出, 即背景信号不为零。 1）光电检测器顾名思义，光电检测器是将光信号转换为可量化输出的电信号的检测器。 v 一类检测器的信号

42、转换功能主要通过光敏材料来实现，当光作用于光敏材料时，光敏材料释放出电子，实现光电转换。 v 另一类检测器的信号转换功能主要通过半导体材料来实现，当光作用于半导体材料时，半导体材料的导电特性发生改变，实现光电转换。 由于光敏材料释放出电子以及半导体材料导电特性改变均需要一定的能量，而光能量的大小与波长呈反比，因此光敏材料和半导体材料只对紫外光、可见光和近红外光敏感，相应的光电检测器只适用于紫外到近红外光区的光谱检测 适用于原子吸收光谱、原子发射光谱、原子荧光光谱、紫外-可见吸收光谱、分子荧光光谱、分子磷光光谱、化学发光以及近红外光谱。 红外光的能量较低，不足以使光敏材料释放出电子，或使半导体材

43、料的导电特性发生改变，因此光电检测器不适用做红外光谱的检测器。 单波长检测器：硒光电池、真空光电管、光导检测器、硅二极管和光电倍增管 - 均需要通过狭缝采光，将不同波长的光投射到检测器上分别检测； 多波长检测器：硅二极管阵列和电荷转移器件 - 本质上是多个单波长检测器的集成，可进行多波长同时测定。 光电倍增管：一种加上多级倍增电极的光电管，具有光电转换和电流放大功能，外壳由光学玻璃或石英玻璃制成，内部为真空状态。光电倍增管由阴极C吸收入射光子的能量并将其转换为电子,其转换效率（阴极灵敏度）随入射光的波长而变化，这种光阴极灵敏度与入射光波长之间的关系叫做光谱响应特性； 阴极一般都采用具有低电子逸

44、出动能的碱金属材料所形成的光电发射面，而入射窗材料通常由硼硅玻璃、透紫玻璃（UV玻璃）、合成石英玻璃和氟化镁（或镁氟化物）玻璃制成。 2）热检测器热检测器是基于黑体吸收辐射并根据吸收引起的热效应测定辐射强度的一类检测器。热检测器广泛用于红外辐射的检测，其响应值与入射光的平均功率相关联。测热辐射计：基于导体（如铂、镍）或半导体吸收辐射后，温度的改变使其电阻改变，从而产生输出信号而构建的检测器； （6）信号处理和读出系统信号处理和读出系统主要由信号处理器和读出器件组成； 信号处理器通常是一种电子器件，它可放大检测器的输出信号，也可以把信号从直流变成交流（或相反），改变信号的相位，滤掉不需要的成分。

45、同时，信号处理器也可用来执行某些信号的数学运算，如微分、积分或转换成对数等； 在现代分析仪器中，常用的读出器件有数字表、记录仪、电位计标尺、阴极射线管等。 光电检测器的输出通常采用模拟技术处理和显示，即将由检测器输出的平均电流、电位等放大、记录或馈入某一个适当的表头。近年来，将应用在X射线辐射功率测量中的光计数技术，引入了紫外和可见光区光电倍增管输出信号的测量； 与模拟技术比较，光计数技术有许多优点，包括：改善信噪比和低辐射强度的灵敏度；提高给定测量时间的测量精度；降低光电倍增管电压和温度的敏感性。采用光计数技术需要较复杂的设备，价格昂贵，目前该技术尚不能广泛用于紫外可见光区的测量。而在那些低

46、强度辐射中，如荧光、化学发光和拉曼光谱，已成为首选的方法。 第四章 原子光谱1.原子光谱分析原理（1）光谱选择定则 1）主量子数变化为整数，包括0； 2）总量子数的变化，L=±1 ；3）内量子数的变化， J=0，±1 ；4）总自旋量子数S=0 。满足上述条件的光谱项（能级）之间的跃迁是许可的，否则是禁阻（不能发生或发生的机率很小）。（2）基本原理原子发射光谱法是将试样导入光源中，由光源的能量先将样品蒸发，形成气态原子，并进一步使其激发产生光辐射，用单色器分光，记录序列谱线而得到线状光谱，通过光谱的辨认和谱线强度的测量来对被测元素进行定性和定量分析。定性分析原理：1）元素的特

47、征谱线；2）元素的灵敏性、最后线与分析线。（3）自然宽度 不受任何外界影响时的谱线宽度,与原子外层电子发生能级间跃迁时激发态原子的寿命有关，是客观存在。（4）影响谱线变宽的因素1) Doppler变宽 无规则热运动引起,是谱线变宽的主要因素。一般情况: D=10-2 Å 发光原子作无规热运动，运动的原子发出的光波产生多普勒频移，频移的大小依赖于原子运动速度沿观测方向的分量，趋近的原子发光频率增大，远离的原子发光频率减小；不同速度分量的原子发光频移大小不同。叠加的总效果造成谱线的多普勒增宽，其值与绝对温度的平方根成正比。通常多普勒增宽比自然宽度大23个量级。2）Lorentz变宽 碰撞

48、变宽 光源中众多的发光原子之间相互作用，彼此碰撞阻断原子发光，或光波位相发生位移导致谱线变宽。3）共振变宽 同类原子发生非弹性碰撞导致的谱线变宽 4）自吸变宽 共振线被较冷原子吸收 5）场致变宽 Stark效应 原子或分子在外电场作用下能级和光谱发生分裂的现象 塞曼效应 - 原子光谱线在外磁场作用下发生分裂的现象（5）谱线的超精细结构原子核具有自旋，伴随之具有磁矩。核磁矩与电子之间的相互作用造成能级分裂。核磁矩很小，能级的分裂也很小。超精细结构能级由电子总角动量量子数J、核自旋I和包括核自旋的总角动量量子数F来标记。能级间隔遵从类似的朗德间隔定则。朗德间隔定则：在同一多重谱项中，相邻两个能级的

49、间距正比于这一间距所包括的一对能级中较大的总角动量量子数J。（6）原子的吸收与辐射 原子激发可以是通过热激发、场致激发（电激法）、光致激发（发生三种跃迁，吸收、自发、受激）、激发态原子交换引起的激发等。（7）谱线的强度 原子吸收谱线的强度 :与基态原子数和照射时间成正比，还与入射光的能量密度成正比。原子发射谱线的强度 : 与激发态原子数和自发跃迁时间成正比。（8）原子发射光谱基本原理原子发射光谱的产生：气态原子或离子的核外层电子当获取足够的能量后，就会从基态跃迁到各种激发态，处于各种激发态不稳定的电子(寿命<10-8s)迅速回到低能态时，就要释放出能量，若以光辐射的形式释放能量，得到原子

50、发射光谱。（9）常用术语1）激发电位: 低能态电子被激发到高能态时所需要的能量。 2）共振线、第一共振线: 由激发态直接跃迁至基态时辐射的谱线称为共振线。由第一激发态直接跃迁至基态的谱线称为第一共振线。 3）最灵敏线、最后线、分析线 ：第一共振线一般也是元素的最灵敏线。当该元素在被测物质里降低到一定含量时，出现的最后一条谱线，称为最后线，也是最灵敏线；用于该元素定性定量分析的谱线称分析线。 4）原子线: 原子核外激发态电子跃迁回基态所发射出的谱线。 5）离子线: 离子核外激发态电子跃迁回基态所发射出的谱线。 （10）谱线的自吸与自蚀 自吸：在发射光谱及吸收光谱中，光源中谱线的辐射是从光源发光区

51、域的中心轴辐射出来，通过周围空间一段路程后向四周空间发射。发光层四周的蒸汽原子，一般比中心原子处于较低的能级，因而当辐射能通过这段路程时，将被其自身的原子所吸收，而使谱线中心的强度减弱，这种现象称为“自吸”。 自蚀：当原子浓度低时，谱线不存在自吸现象；原子浓度增大时，谱线产生自吸。由于发射谱线的宽度比吸收谱线宽度大，谱线中心的自吸比边缘部分大，使谱线出现“边强中弱”现象。当自吸非常严重时，谱线中心的辐射被完全吸收，这种现象称为“自蚀”。 （11）原子发射光谱仪 1）激发光源：具有原子化和激发发光双重功能。 (MmNn(s)（蒸发）MmNn(g)（解离）Mm+Nn+（原子化）M+N（激发）M*+

52、N*（发射原子光谱）M+N应具备以下性能： 灵敏度高。稳定性好。蒸发性能优良。背景小。结构简单、操作容易和使用安全。 ¾ ¾ ¾® + ¾ ¾¾® + ¾ ¾ ¾ ¾ ¾® 激发光源：等离子体光源：ICP 电感耦合高频等离子体光源、DCP 直流等离子体光源、MWP 微波等离子体光源电弧：直流、交流高压电容火花激光微探针光源经典电源：ICP光源组成：预热区；感应区；初辐射区；标准分析区；尾焰区。2）样品引入激发光源的方式 溶液样品气动雾化器：利用动力学原理将

53、液体试样变成气溶胶并传输到原子化器的进样方式。 超声雾化器：根据超声波振动的雾化作用把溶液雾化成气溶胶后，由载气传输到火焰或等离子体的进样方法。 与气动雾化器相比，超声雾化器具有雾化效率高，可产生高密度均匀的气溶胶，不易被阻塞等优点。 电热蒸发进样（ETV）：将蒸发器放在一个有惰性气体（氩气）流过的密闭室内。当有少量的液体或固体试样放在碳棒或钽丝制成的蒸发器上，电流迅速地将试样蒸发并被惰性气体携带进入原子化器。 与前两种雾化器不同，电热蒸发产生的是不连续的信号。样品引入激发光源的方式 气体样品 气体样品可直接引入激发源进行分析。有些元素可以转变成相应的挥发性化合物（如氢化物发生法）而采用气体进

54、样方式。 例如砷、锑、铋、锗、锡、铅、硒和碲等元素。氢化物发生法可以提高对这些元素的检出限10100倍。样品引入激发光源的方式 固体样品 将固体引入原子化器有如下几种形式：试样直接插入进样（如碱金属、碱土金属样品）；电弧和火花熔融法；电热蒸发进样；激光熔融法3）元素的蒸发行为 是指某种元素从样品中蒸发出来的先后次序与蒸发速率；可将元素分为易挥发、中等挥发和难挥发三种类型。 样品中不同组分的蒸发有先后次序的现象称为分馏。4）样品的原子化过程 样品在光源中的原子化过程可分为蒸发过程、电离过程、激发过程、扩散过程和凝聚过程；蒸发过程是样品原子化过程的主过程，后几个过程是伴随过程或后续过程。 气态原子

55、或离子在等离子体内与粒子高速运动碰撞而引起的激发为热激发；与电子的碰撞所引起的激发为电激发。5）载体效应和缓冲作用 凡能促使样品中分析物的蒸气输运进光源激发区的添加剂称为光谱载体。 凡能促使分析物的测量免（少）受干扰成份浓度变化影响的添加剂称为光谱缓冲剂。 载体效应：载体的加入有利于元素的蒸发和激发，进而提高谱线的强度和分析的灵敏度 缓冲作用：缓冲剂的作用有利于降低或消除样品组成的影响，降低基体效应，从而提高分析结果的准确度。 载体和缓冲剂的作用：改善元素的蒸发行为；控制电弧的激发温度； 降低待测元素的电离度；延长被测元素在观测区的停止时间。6）分光系统分光系统 波长选择器 - 单色仪 - 将

56、多色光谱色散成含有一定波长范围的谱带的装置 典型的单色仪有棱镜单色仪、光栅单色仪，主要由五个部分组成：1）入射狭缝；2）准直装置，功能是使光束成平行光线传播；3）色散装置，即棱镜或光栅；4）聚焦透镜或凹面反射镜；5）出射狭缝。棱镜分光系统波长不同，折射率就不同；越短，n越大。当含有不同波长的复合光通过棱镜时，不同波长的光就会因折射率的不同而分散开来。把不同波长谱线的分散开的能力，就是色散率，用角色散率和线色散率来表征。棱镜的顶角越大或折射率越大，棱镜的角色散率越大。角色散率（D）意义：波长相差d光线通过棱镜色散后分开角度的大小。D（角色散率）越大，谱线分的越开。线色散率（DL）意义：波长相差为d的光线，通过棱镜后，在焦面上被分开的距离为dl。DL不是一个常数，它随波长增大而减小。分辨率 R将两条靠的很近的谱线分开的能力。瑞利原理：恰能分辨是指等强度的两条谱线，一条谱线的衍射极大，刚好落在另一条衍射极小的位置上，则可认为两条谱线刚好能被分辨。7）检测器目视法：用眼睛来观测谱线强度的方法称为目视法。仅适用于可见光波段 燃放烟花 摄谱法：用感光板记录光谱。将光谱感光板置于摄谱仪焦面上，接受被分析试样的光谱作用而感光，再经过显影、定影等过程后，用影谱仪观察谱线位置及大致强度，进行光谱定性及半定量分析。用测