仪器分析基础概述

1、第9章 仪器分析基础概述分析化学、仪器分析。介绍几种常见的仪器分析方法的基本原理、仪器组成和适用范围；包括原子发射光谱分析、红外吸收光谱分析、紫外可见光吸收光谱、电位分析、色谱和质谱分析等。一、分析化学、仪器分析概述分析化学：通过实验测量来研究物质的组成、含量和结构的学科。获得物质化学组成和结构信息，即物质中有哪些组分，这些组分在物质中如何存在以及各组分的含量等。分析化学可分为定性分析、定量分析和结构分析三个层次；以及化学分析和仪器分析两大类方法。化学分析化学分析：基于试样的化学反应以及反应物之间定量关系达到分析目标的方法，主要包括重量分析和容量分析，分别通过测定相关物质的重量或体积进行分析。

2、化学分析主要应用于无机元素和无机化合物的定性、定量分析。目前渐渐被仪器分析所取代。仪器分析使用仪器研究试样的性质达到分析目标的方法。包括光谱分析、电分析、质谱分析、色谱分析等。各类别还包含多种不尽相同的分析方法，如光谱分析。光谱分析的类型按对象，可分为分子光谱和原子光谱；按分析对象与光的相互作用，可分为吸收光谱、发射光谱、散射光谱等；按光或电磁波谱范围，可从x射线能谱到紫外-可见光谱，再从红外光谱到射频等；从测定系列波长下信号分布情况、还是测定单一波长下的特定信号强度，可分为光谱分析和分光光度分析等。电磁波谱范围与分子、电子能级的对照关系表光谱名称波长范围跃迁类型X射线0.0110nmn=1和

3、2层电子远紫外光10200nm中层电子近紫外光200400nm外层电子可见光400750nm外层电子近红外光0.752.5m分子振动中红外光2.55.0m分子振动远红外光5.01000m分子转动和振动微波0.1100cm分子转动无线电波（射频）11000m核的自旋物理性质在仪器分析中的应用-1物理性质仪器分析方法电磁波发射发射光谱（X-射线、紫外、可见、电子能谱、俄歇电子谱）分析，荧光、磷光、发光（X-射线、紫外、可见）分析电磁波吸收吸收光谱和光度（X-射线、紫外、可见、红外）分析，光声光谱分析，核磁共振分析，顺磁共振分析电磁波散射拉曼光谱分析、浊度分析电磁波折射折光分析、干涉分析电磁波衍射X

4、-射线和电子衍射分析电磁波旋转旋光分析，旋光色散分析，圆二色光谱分析物理性质在仪器分析中的应用-2物理性质仪器分析方法电势电位分析电量库仑分析电流安培分析，极谱分析电阻电导分析质量石英微晶天平分析质量/电荷比质谱分析热性质热重分析，差热分析、差示扫描量热分析、热电导分析同位素放射稳定同位素稀释分析二、原子发射光谱分析光是电磁波，具有波粒二象性，可用以下两式描述： = c 其中c为光速，真空中为2.998108ms-1 E =h =h c/ 其中h(普朗克常数)为6.626 10-34J s原子发射光谱：当物质中原子或离子受到热、电或光的能量激发后，能发射出一些特征电磁辐射。原子发射光谱分析：测

5、量特征辐射的频率（波长）和强度，可以分析物质中元素的种类和含量。最简单原子-氢原子发射光谱十九世纪末，里德伯总结的氢原子的发射光谱经验式： 其中n1、n2为正整数，且n2 n1； R(里德伯常量) 为1.097 107 m1。红 绿 蓝 紫H H H H656.3 486.1 434.1 410.2 /109m0.457 0.617 0.691 0.731 /1015s1氢原子发射光谱把n1 = 2 ，n2 = 3、4、5、6分别代入里德伯光谱经验式，可算出4条谱线的频率。如n2 = 4时， = (1.097107) (2.998108 ) = 0.617 1015 s1 ，与图中的H线相符。

6、当n1 = 1，n2 1或n1 = 3，n2 3时，可分别求得在紫外区或红外区氢原子发射光谱谱线的波长。原子发射光谱的产生机理分子吸收电磁波后解离（原子化），原子中的电子从低能级状态（基态）跃迁到高能级状态（激发态）。如氢原子的电子从n1 = 2 跃迁至n2 =4，吸收波长486nm激发态的样品不稳定，经约10-8秒电子返回基态，并辐射出与激发时同样波长的电磁波。如氢原子的电子从n1 = 4返回至n2 =2时，辐射486nm的电磁波，即发射光谱图中的H线。外层电子跃迁的频率范围为200750nm，处于近紫外和可见光区，按波长顺序排列即为原子光谱。一些原子在可见光区域的发射光谱。钠 氢钙镁氖定性

7、和定量分析定性分析：不同元素的核外电子的能级不同，每种元素的原子或离子可产生一系列特定波长的特征谱线，通过测量元素的原子发射光谱，根据特征谱线可以判断样品中存在什么元素。 定量分析：谱线的强度与试样含量成正比。在固定的条件下，通过比较同一谱线的强度，可以分析样品中元素的含量。原子发射光谱仪原子发射光谱仪由激发光源、分光系统和检测器组成。原子发射光谱仪装置示意图原子发射光谱仪激发光源：高温燃烧（如电感偶合等离子光源）、放电（如电弧光源）、激光等使试样分子分解、原子化、电子激发。如用电弧光源时，可将固体待测样品直接作为电极，或将样品粉碎后放入电极小孔中；溶液样品可蒸发浓缩后滴入电极小孔；有机物可通

8、过干燥灰化后放置在电极上。分光系统：将光源发射的（含试样辐射光线）光束，按波长大小分开的装置。有棱镜分光或光栅分光两种类型。棱镜分光后的光谱是非匀排，光栅分光色散率高，光谱匀排，效果好。棱镜分光和光栅分光棱镜分光光栅分光检测器：接受样品辐射的电磁波，将其转变为电信号并记录。检测器有摄谱仪、单道光子检测器、多道光子检测器等。其中多道光子检测器，如电荷耦合阵列检测器（CCD）等已成为主流检测器，可实现全光谱多元素的同时定量测定。仪器装置应用实例：磷矿石的主、痕量成分分析电感耦合等离子体原子发射光谱分析磷矿石中磷、钙、铁、锰、镁、铝、钛、钾、钠等九种元素。称取0.1g磷矿石105烘2小时，加氢氟酸1

9、0 mL和高氯酸1mL，加热分解至白烟冒尽，再加入高氯酸2 mL加热冒烟至近干，稍冷加18%盐酸5 mL和适量水，加热溶解试样中的可溶性盐类，移入100 mL量瓶定容，转至聚乙烯瓶中供光谱仪测定。分析波长(nm)：磷213.618、钙317.933、铁238.204、锰257.610、镁279.097、铝396.152、钛334.941、钾766.490、钠589.592。检出限(g .mL-1)：磷0.027、钙0.0065、铁0.072、锰0.0098、镁0.0087、铝0.0024、钛0.011、钾0.36、钠0.15。三、紫外-可见分子吸收分光光度分析物质在光照下呈现的颜色，是分子吸收

10、了不同波长的可见光的结果。叶绿素a对紫蓝和橙红波段的可见光吸收强烈，而对青绿黄波段吸收很少，因而叶绿素分子呈现青绿黄色。紫外可见光谱产生机理不同于原子发射光谱，分子中电子的跃迁、成键原子的相对振动、分子绕质心的转动，都伴随着分子能级跃迁。分子从低能级跃迁到高能级，物质就吸收相应能量电磁波。电子跃迁、振动、转动的能级跃迁所吸收的电磁波分别在紫外、可见光和红外光区域。测量分子对紫外-可见光的吸收，可得到紫外-可见吸收光谱不同电子能级跃迁对应不同波长的吸收。吸收最多的波长为max，如KMnO4溶液对545nm的光吸收最强。不同浓度的溶液， max相同，但是吸收光的强度不同，显然，溶液越浓，吸收光强度

11、越大。分子吸收分光光度分析原理应用分光仪器，将包含多种波长的复合光色散成各种单一波长的光，选择可被待测物质吸收的单色光（如max）照射待测物质，测量从溶液中透射的光的强度，经过计算可确定被测物质的浓度。定量依据是朗伯-比尔定律：当一束平行的单色光通过均匀的有色溶液后，溶液的吸光度与溶液浓度及液层厚度的乘积成正比。分子吸收分光光度分析原理吸光度（A）：入射光强度（Io）与透射光强度（It）比值的对数，是用来衡量光被吸收程度的物理量。 式中T为透光率，朗伯-比尔定律的数学表达式： A =kbc 式中，k为比例系数， b为液层厚度，c为溶液浓度仪器装置紫外-可见光分光光度仪主要组件：光源、分光系统、

12、吸收池、检测显示装置紫外-可见分光光度仪示意图紫外-可见分光光度仪光源：可见光用钨灯(4001000nm)或卤素灯(320 2500 nm)；紫外光用氢灯或氘灯(180375nm)。分光系统：包括狭缝、棱镜或光栅、准直装置等，可见光分光光度计常用玻璃材质分光器件，由于玻璃对紫外光有吸收，紫外可见光分光光度计常用石英材质分光器件。吸收池：在可见光范围内可使用光学玻璃，在紫外光范围内使用石英。检测显示装置：较常见的光电倍增管，是在光电转换的基础上，通过多重二次电子倍增发射，将仅数百个光子的信号指数式放大，用计算机显示结果。紫外-可见分光光度仪光电倍增管工作原理示意图定量分析方法标准曲线法：配制一系

13、列浓度梯度的标准溶液，测定吸光度，得到吸光度-浓度标准曲线。用相同的方法测定待测溶液吸光度，从标准曲线上找出对应的浓度。在仪器、方法和条件都固定时，标准曲线可以多次使用而不必重新制作，因而标准曲线法尤其适用于大批量和经常性的试样分析工作。在可见光区域无色或浅色物质（如金属离子等），可通过加显色剂，实现分光光度分析。常见的显色剂是一些无机或有机配位剂。多组分试样分光光度法定量两组分A和B混合物的吸收光谱部分重叠。在A的最大吸收波长1处，B有吸收；而B的最大吸收波长2处，A也有吸收。分别测定1和2两波长处两物质吸光度之和A1A+B和A2A+B，则： A1A+B = A1A + A1B = kA1

14、bcA + kB1 bcB A2A+B = A2A + A2B = kA2 bcA + kB2 bcB当两组分在A、B两波长的吸收系数aA1、 aB1、 aA2、 aB2均已知，解上述方程组可求得含量cA和cB。分析方法：Au3+、Ag+的SCN-配位阴离子，与4,4-双（二甲氨基）硫代二苯甲酮（TMK）反应显色，扫描Au-TMK、Ag-TMK吸收光谱，确定Au-TMK和Ag-应用实例：双波长光度法同时测定金和银1. 试剂空白，2. Ag-TMK，3. Au-TMKTMK的检测波长分别为518、495nm（图中c、a），参比波长分别为475、597nm（图中d、b），进行双波长光度分析。乙酸乙

15、酯红外吸收光谱图用具有红外连续波长辐射的光源照射试样，记录试样的红外吸收光谱，进行定性、定量分析的方法。四、红外光谱分析红外吸收光谱的波数红外光谱用波数 (cm-1)表示吸收频率，用透光率T表示吸收的程度。波数与波长和频率的关系： 式中c是光速。如碳碳双键的伸缩振动 的频率(4.941013 Hz)换算成波数为：与分子内成键和结构关系密切的是中红外区的光谱，波长2.515m，频率1.210146.01013 Hz，波数4000670cm-1红外吸收光谱产生机理分子内部成键原子间相对位置的反复变动、分子本身绕其重心的转动，与分子中的分子振动能级、转动能级的跃迁相关，引发对红外光的吸收。分子振动有

16、对称伸缩振动、不对称伸缩振动、弯曲振动等。如分子内部亚甲基的伸缩振动方式： 对称伸缩振动 不对称伸缩振动红外吸收频率的计算双原子分子沿成键方向的伸缩振动，类比于弹簧振子的简谐振动。用简谐振动方程描述振动频率： 式中 ，为该化学键两端原子的 折合质量，k为“弹簧”的力常数。分子官能团的红外吸收频率可由此计算。如 C=C 的伸缩振动，k 960(N/m)，折合质量： 伸缩振动频率：波数 =1645cm-1红外吸收光谱与物质的结构常见官能团的红外光谱特征吸收基团 振动波数 cm-1 C-H对称伸缩振动 2885-2860 -CH3C-H不对称伸缩振动 2975-2950 C-H变形振动 1385-1

17、365 C-H对称伸缩振动 2870-2845 -CH2 -C-H不对称伸缩振动 2940-2915 C-H变形振动 1480-1440 C=C C=C伸缩振动 1645-1640 C-H伸缩振动 3310-3300 CC-H CC伸缩振动 2260-2100 C-H伸缩振动 3080-3030 苯环 苯环骨架振动 1600，1500 C=O C=O伸缩振动 1870-1635 -NH N-H伸缩振动 3500-3100 N-H变形振动 1650-1550 C-O-H O-H伸缩振动 3670-3230 C-O伸缩振动 1300-1000 红外光谱分析仪：色散型红外光谱仪，干涉型红外光谱仪。色

18、散型红外光谱仪：用单色器将光源复合光分光，使单色光依次通过待测试样，测定各波长透光率。红外吸收光谱仪红外吸收光谱仪干涉型红外光谱仪：通过干涉仪，使光源复合光分束后形成相干光，无需分光，计算机全波段测定、解析不同波长信号强度的技术。干涉型红外光谱仪测定速度明显加快，并且无须分光，减少光损失，因而检测灵敏度提高；同时体积大大减小，成为该仪器发展主流的趋势。定性和结构分析红外光谱分析时，固体试样常与无机盐（纯KBr）混匀压片，然后直接进行测定。由于红外分光光度仪与紫外可见光分光光度仪相比，光源强度低，检测灵敏度也较低，必须使用较宽的狭缝，这些因素会导致对比尔定律的偏离。所以，红外吸收光度主要用于物质

19、定性和结构分析，较少用于定量分析。乙酸+正丁醇乙酸丁酯。用红外光谱分析判断反应程度。与丁醇的光谱相比，产物光谱多了1742cm-1峰（C=O伸缩振动)，少了3332cm-1峰（O-H伸缩振动）。说明产物中有酯，几乎无醇。应用实例：反应产物的判断产物原料丁醇五、电位分析电化学分析法以待测试样溶液作为化学电池（原电池或电解池）的一部分，根据该电池的相关物理量（如电极电势、电流、电量、电阻等）与待测试样含量的关系进行测定。Nernst方程将电动势与离子浓度等联系起来，是电化学分析的理论基础。常见的电化学分析方法有：测定电极电势和电动势的电位分析，测定电阻的电导分析，测定电量的库仑分析，测定电流电压曲

20、线的伏安分析等，本节着重介绍电位分析。该电池电动势 E = A+/A 参比，因 参比已知，所以测量E，可求得 A+/A，根据Nernst方程求得浓度cA+。参比电极：电极电势不变且数值已知的电极；常见甘汞电极或银/氯化银电极，电极电势为 参比。电位分析包括指示电极和参比电极。若指示电极的电极电势高于参比电极，原电池为： 参比电极A+(c)A电位分析的原理与电极银-氯化银电极指示电极指示电极：对待测离子敏感的选择性电极，有金属电极或离子选择性膜电极等，电极电势为 A+/A。金属电极：由金属及其离子构成。如锌丝插入Zn2+ 溶液，构成能响应Zn2+ 浓度的锌电极。金属电极还可指示阴离子浓度，如Ag

21、+AgCl/Cl 电极可测定Cl浓度。离子选择性膜电极：电极表面含有对特定离子有选择性响应的敏感元件（选择膜），被测离子在膜内外的浓度差异产生电位差。敏感元件是膜电极的关键，可以是单晶、混晶、液膜、高分子功能膜及生物膜等。离子选择性膜电极的结构。pH玻璃电极：由特殊薄玻璃膜制成，可测H浓度。玻璃膜是非晶体膜，在SiO2基质中加入Na2O、Li2O和CaO烧结而成，厚度约为0.05mm。 指示电极pH玻璃电极结构示意图1-玻璃膜；2-外壳；3- HCl溶液；4-内参比电极；5-绝缘套；6-引线；7-插头膜电极结构示意图离子选择性膜电极氟离子选择性电极：敏感膜为掺有氟化铕（EuF2） 的氟化镧（L

22、aF3）单晶。 二氧化碳的气敏电极：玻璃电极外上覆盖一层可吸收CO2分子的溶液，气体渗入溶液，引起pH值的变化，导致玻璃电极电势的变化。应用实例：血清及指血中氟的电位分析氟离子选择性膜电极和饱和甘汞电极组成电对，由电化学分析仪进行电位分析。(1)血清氟：取0.25mL血清，加0.25mL总离子强度调节剂（由酸碱缓冲溶剂和强电解质盐组成，调节溶液酸度和导电性：1.0 mol.L-1 氯化钠、0.2mol.L-1 醋酸、0.75 mol.L-1 醋酸钠、0.1 mol.L-1柠檬酸钠、0.1 mol.L-1 乙二胺四乙酸二钠，pH5.05.5），作为供试液。(2)手指全血氟：取0.24mL总离子强

23、度调节剂，加0.24mL水稀释，再取手指全血20l注入测量杯中，待完全溶血后，作为供试液。六、色谱分析进行物质分析时，待测物常是含有数种组分的混合物、而非纯净物，需要先行分离，再分别分析测定组分的含量或浓度。常用的仪器分离分析方法有：色谱法和高效毛细管电泳法。色谱法：基于不同组分在固定相、流动相之间吸附或分配平衡的差异实现分离，结合分光光度分析、电化学等检测器进行组分的定量分析。色谱分离基本原理色谱分离是待分离的组分在固定相和流动相两相之间的不断分配、达到分离的过程。固定相有较大比表面积，是多孔的微粒或键合在多孔微粒表面的薄层液体。流动相携带试样组分渗滤过固定相，是气体或液体色谱分离基本原理流

24、动相携试样组分流经固定相时，试样组分与固定相存在相互作用。若固定相为固体，发生吸附/脱附作用；若固定相为通过化学键结合在固体表面的薄层液体，发生溶解（或萃取）/洗脱作用。因为不同组分在性质和结构上的差异，与固定相的作用力的强弱不同；如吸附/脱附可随分子量而变化，溶解能力可 随分子的极性而变化等。各组分经反复多次吸附/脱附（或溶解分配）平衡，被固定相保留的时间不同而逐渐分离，按次序流出。色谱法的分类色谱分析主要包括气相色谱和高效液相色谱流动相液 体气 体固定相固 体液 体固 体液 体名称液固色谱液液色谱气固色谱气液色谱按色谱原理分类吸附色谱离子交换色谱凝胶色谱分配色谱吸附色谱分配色谱气相色谱仪1

25、-载气钢瓶；2-减压阀； 3-净化干燥管；4-针形阀；5-流量计；6-进样器；7-色谱柱；8-检测器高效液相色谱仪由高压输液系统、进样阀、色谱分离柱、检测器、数据记录处理系统等组成。其中高压输液系统包括储液瓶、高压输液泵、流动相梯度混合装置等。常见检测器常见气相色谱热导检测器（TCD）和高效液相色谱紫外光度检测器（UV），适于定量测定。而质谱仪或红外光谱仪等作为色谱检测器，可用于组分定性和结构分析。TCD是通用性检测器。热敏电热丝通电于控温的检测池内，当不同导热系数的气体流过时，引起电热丝与池体间的温度变化，导致热敏电热丝的电阻变化；电磁阀切换待测气体与流动相参比气体交替进入TCD，记录两信号之差。