现代分析化学技术课件

现代分析化学技术.ppt现代分析化学技术.ppt第一节现代分析化学

现代分析化学-------已远远超出化学学科的领域，它正把化学与数学，物理学，计算机科学，生物学结合起，已经发展成一门多学科为基础的综合性科学。1.分析化学已经发展到分析科学阶段经典分析化学相关概念——定量分析系统，重量法，容量法，溶液(solution)反应，四大平衡，化学热力学(energetics)。现代分析化学(advanceanalyticalchemistry)相关概念——化学计量学(metrology)，传感器(sensor)过程控制，自动化(automatization)分析，专家系统，生物技术和生物过程，微型化(micromation)分析等。第一节现代分析化学现代分析化学-------分析化学(AnalyticalChemistry)的发展历史经历了三次具大的变革。1）第一次变革发生在本世纪初，由于物理化学(PhysicalChemistry)的发展，为分析技术提供了理论基础，建立了溶液中四大平衡的理论，使分析化学(analyticalchemistry)从一门技术发展成为一个学科，这也可以说是分析化学(analyticalchemistry)和物理化学(PhysicalChemistry)结合的时代。这一时期分析化学(analyticalchemistry)的确是化学的一个分支。2）第二次变革发生在第二次世界大战前后直到60年代。物理学，电子学，半导体及原子能工业的发展促进了分析中物理方法的大发展，仪器分析方法的大发展。分析化学(analyticalchemistry)突破了以经典化学分析为主的局面，开创了仪器分析的新时代。3）从70年代末到现在，以计算机应用为主要标志的信息时代的来临，给科学技术的发展带来具大的活力。分析化学(analyticalchemistry)正处在第三次变革时期。分析化学(analyticalchemistry)已发展到分析科学阶段。分析化学正在成长为一门建立在化学，物理学，数学，计算机科学，精密仪器制造科学等学科以上的综合性的边缘科学。分析化学(AnalyticalChemis

学科之间的相互渗透（包括分析方法中不同技术的联用）是分析化学发展的基本规律。

工农业生产的发展，新兴科学技术的发展，为分析化学(analyticalchemistry)提出了一系列难题，促进了分析化学(analyticalchemistry)的发展也促进了相关学科的发展；另一方面新兴科学技术的发展也为分析化学(analyticalchemistry)的发展提供了理论基础和技术条件，使分析化学(analyticalchemistry)的发展成为可能。2.分析化学发展的基本规律学科之间的相互渗透（包括分析方法中不同技术的联社会其它科学技术领域社会需要分析问题研究与发展分析化学分析化学与社会和其它科学技术领域的关系社会其它科学技术领域社会需要分析问题研究与发展分析化学分析化3.现代分析化学研究的两个方面分析化学分析方法分析对象具体的分析技术都包括两个部分：测定对象和测定方法。任何具体的分析手段都是为对象服务的，每有对象就谈不上方法；没有方法对象的含量也无从可知。所以对象和方法是相互依存的关系；它们又是相互矛盾的，任何一个具体的分析工作都是对象和方法的矛盾的统一。对象和方法共存与分析工作的每个方面，对象和方法的矛盾是分析化学发展的动力，生产实践和科学试验的发展不断向分析化学提出新的课题，分析化学也不断吸取当代科学技术的最新成就来完善解决这些难题的手段，进而促进了分析化学的快速发展。3.现代分析化学研究的两个方面分析化学分析方法具体的分析技举例：（1）—矿石和水分析的发展使分析化学从容量分析过渡到光谱分析（2）—原子能科学的发展带动了离子交换分离法的发展（3）—复杂物质分析的需求使仪器分析向智能化发展（二恶英分析）DD可以有75个家庭成员人体暴露到二恶英中的允许值为:0.000000000001g/kgday（110-12g/kgday）目前利用色谱-质谱联用技术检测二恶英。举例：DD可以有75个家庭成员人体暴露到二恶英中的允许值为4.现代分析化学发展趋势现代分析化学(advanceanalyticalchemistry)的任务以不仅限于测定物质的组成和含量，而是要对物质的形态(configuration)（氧化—还原态，络合态，晶态），结构（空间分布），微区，薄层，及活性等作出实时追踪（realtime）,在线监测(on-line)等分析及过程控制。分析化学发展方向（见图）-----高灵敏度（达原子级、分子级）、高选择性（复杂体系分析）、智能化（专家系统）、自动化（计算机技术）、联用化（不同分析方法的联用）并向实时、在线的动态分析方向纵身发展。4.现代分析化学发展趋势分析化学发展方向（见图）-----高

分析化学主要发展趋向化学计量学在线分析实时分析原位分析活体分析教育定性传感器固定化接口自动化微型化新原理新技术新仪器分离技术联用技术仪器和计算机其它科技领域生物分析环境分析过程分析表面分析大分子表征化学图象无损分析单细胞分析单分子单聚集体分析分析化学化学计量学在线分析实时分析原位分析活体分析教高灵敏度(达分子级)高选择性(复杂体系)快速自动智能化生物和环境分析在线实时原位分析活体、无损分析过程分析新仪器、传感器高灵敏度(达分子级)高选择性(复杂体系)快速自动智能化生物和（2）智能化和小型化随着微电子技术及计算机技术在仪器分析的应用更加广泛和深入，智能化的仪器分析方法将逐渐成为常规分析的重要手段。（1）高灵敏度和高选择性随着技术的发展及科学技术及经济发展的需要，许多高灵敏度、高选择性的分析方法将逐步建立。（3）应用范围将日以扩大仪器分析除了应用于成分分析外，将在更大程度上应用于物质的结构分析、状态和价态分析、表面分析及微区分析等，而且在许多学科的研究工作中将得到愈来愈广泛的应用。（2）智能化和小型化（1）高灵敏度和高选择性（3）应用范围将（4）与生物医学相结合生命科学是21世纪最为热门的研究领域之一。将仪器分析中各种新方法应用于生命过程的研究；生物医学中的酶催化反应、免疫反应等技术和成果也将进一步应用于仪器分析，开拓出新的研究领域和方法。（5）自动检测或遥控分析仪器分析将在各种工业流程及特殊环境中的自动在线监控或遥控监测中发挥重大的作用。在这一领域中各种新型的化学及生物传感器及流动注射分析技术将是十分重要的。（6）仪器分析中各种方法的联用技术仪器分析中各种方法有其自身的一些特点，将仪器分析中各种方法的联用，将进一步发挥各种方法的效能解决复杂的分析问题。（4）与生物医学相结合（5）自动检测或遥控分析（6）仪器分

常见的联用技术还有：HPLC-NMRICP-MSGC-FTIR-MS，HPLC（CE）-ICP-MS等常见的联用技术还有：5.现代分析化学技术分类

现代分析化学技术

结构分析（定性）ＵＶ紫外光谱ＩＲ红外光谱ＮＭＲ核磁共振波谱ＭＳ质谱分子荧光光谱激光拉曼光谱电子顺磁共振谱MÖssbauer谱Ｘ射线光电子能谱Ｘ射线多晶衍射分析X射线单晶衍射分析Ｘ射线荧光光谱状态分析（形态，表面）阳极溶出伏安法Ｘ射线光电子能谱电子能谱扫描电镜Ｘ射线衍射热分析比表面分析和粒度分析成分分析（定量）ＧＣ气相色谱ＬＣ液相色谱ＴＬＣ薄层色谱ＣＥ毛细管电泳SFC超临界流体色谱元素自动分析仪

原子吸收光谱原子荧光光谱

原子发射光谱

电感偶合等离子体紫外-可见光谱5.现代分析化学技术分类现代分析化学第二节光分析基础(1)光分析法：基于电磁辐射能量与待测物质相互作用后所产生的辐射信号与物质组成及结构关系所建立起来的分析方法；电磁辐射范围：射线～无线电波所有范围；(2)相互作用方式：发射、吸收、反射、折射、散射、干涉、衍射等；光分析法在研究物质组成、结构表征、表面分析等方面具有其他方法不可区代的地位；1.光分析法及其特点第二节光分析基础(1)光分析法：基于电磁辐射能量与待

(3)三个基本过程：能源提供能量；能量与被测物之间的相互作用；产生信号。

(4)光分析法基本特点：所有光分析法均包含三个基本过程；选择性测量,不涉及混合物分离（不同于色谱分析）；涉及大量光学元器件。(3)三个基本过程：能源提供能量；2.电磁辐射的基本性质电磁辐射（光或电磁波）：以接近光速（真空中为光速）沿波前方向传播的交变磁场和电场

1)电磁辐射2.电磁辐射的基本性质电磁辐射（光或电磁波）：以接近光速（真光是一种电磁波，光具有波粒二象性。C＝λ•ν＝ν/c：光速；λ：波长；ν：频率；：波数；E=hν=hc/λE：能量；h：普朗克常数光的波动性：光的粒子性：2)光的波粒二象性周期T：相邻两个波峰或波谷通过空间某一点所需要的时间间隔称为周期，单位为s秒。波长λ：相邻两个波峰或波谷的直线距离，单位为米（m）、厘米（cm）、微米（μm）、纳米（nm）和埃（Å）。光是一种电磁波，光具有波粒二象性。光的波动性：光的粒子性：2三.光学分析法波谱3.电磁波谱与现代分析化学方法波谱区-射线波长5~140pm跃迁类型核能级X-射线远紫外光10-3~10nm10~200nm原子内层电子莫斯鲍尔光谱法:-射线原子核-射线吸收X-射线吸收光谱法:

X-射线/放射源原子内层电子（n>10)X-射线吸收X-荧光光谱法:

X-射线原子内层电子特征X-射线发射远紫外光----真空紫外区。此部分光谱会被空气吸收原子光谱：原子发射光谱、原子吸收光谱、原子荧光光谱分子光谱：紫外-可见吸收光谱、分子荧光/磷光光谱、化学发光近紫外光可见光200~400nm400~750nm原子外层电子/分子成键电子三.光学分析法波谱3.电磁波谱与现代分析化学方法波谱区-射波谱区近红外光中红外光波长0.75~2.5

m2.5~50

m跃迁类型分子振动远红外光微波射频50~1990

m0.1~100cm1~100m分子转动电子、核自旋近红外光谱区:配位化学的研究对象红外吸收光谱法:红外光分子吸收远红外光谱区电子自旋共振波谱法:微波分子未成对电子吸收核磁共振波谱法:射频原子核自旋吸收波谱区近红外光中红外光波长0.75~2.5m2.5~504.光与物质相互作用1)光与物质相互作用形式作用形式吸收发射散射折射反射干涉衍射偏振吸收光谱发射光谱折射法散射法干涉法衍射法偏振法4.光与物质相互作用1)光与物质相互作用形式作用形式吸收发射2)吸收基态激发态hν3)发射激发态hν吸收激发基态发光2)吸收基态激发态hν3)发射激发态hν吸收激发基态发光5.光分析分类

1)光谱法—基于物质与辐射能作用时，分子发生能级跃迁而产生的发射、吸收或散射的波长或强度进行分析的方法；

原子光谱、分子光谱

(1)原子光谱（线性光谱）：最常见的三种

基于原子外层电子跃迁的原子吸收光谱（AAS）；原子发射光谱（AES）、原子荧光光谱（AFS）；基于原子内层电子跃迁的X射线荧光光谱（XFS）；基于原子核与射线作用的穆斯堡谱；5.光分析分类1)光谱法—基于物质与辐射能作用时，分子发(2)分子光谱（带状光谱）

基于分子中电子能级、振-转能级跃迁；紫外光谱法（UV）；红外光谱法（IR）；分子荧光光谱法（MFS）；分子磷光光谱法（MPS）；核磁共振（NMR）顺磁共振波谱（EPR）；2)非光谱法：

不涉及能级跃迁，物质与辐射作用时，仅改变传播方向等物理性质；偏振法、干涉法、旋光法等；

(2)分子光谱（带状光谱）基于分子中光分析法光谱分析法非光谱分析法原子光谱分析法分子光谱分析法原子吸收光谱原子发射光谱原子荧光光谱X射线荧光光谱折射法圆二色性法X射线衍射法干涉法旋光法紫外光谱法红外光谱法分子荧光光谱法分子磷光光谱法核磁共振波谱法光分析法光谱分析法非光谱分析法原子光谱分析法分子光谱分析法原第三节

吸收光谱和发射光谱1、吸收光谱法——当物质吸收的光能等于该物质两能级跃迁所需的能量时，即ΔE=hν时，就产生吸收光谱。I0Iν1或ν2ΔE1=hν1=hc/λ1ΔE2=hν2=hc/λ2基态激发态λ1λ2λAλ=hc/ΔE第三节吸收光谱和发射光谱1、吸收光谱法——当物质吸收的2、发射光谱法（1）用热能激发发光—用火焰、电弧或电火花等热能使物质激发，当跃迁回至低能态或基态时产生发射光谱。样品火焰、电弧等激发发射辐射ΔE21=hν21=hc/λ21ΔE2=hν2=hc/λ2ΔE1=hν1=hc/λ1激发发射λ1λ2λ21λIλ=hc/ΔE2、发射光谱法（1）用热能激发发光—用火焰、电弧或电火花等热（2）光致发光—物质吸收光能跃迁至激发态，当跃迁回至低能态或基态时产生发射光谱。I0IL激发发射辐射ΔE21=hν21=hc/λ

21ΔE2=hν2=hc/λ2ΔE1=hν1=hc/λ1激发发射λ1λ2λ21λILλ=hc/ΔE（2）光致发光—物质吸收光能跃迁至激发态，当跃迁回至低能态或第四节原子光谱和分子光谱原子光谱—原子的外层电子在不同能级间跃迁吸收或发射光量子时产生的光谱原子光谱分析法（AS）是分析化学中最常用的原素成份分析法，主要抱括：

原子发射光谱法（AES），ICP-AES，MIP-AES原子吸收光谱法（AAS）原子荧光光谱法（AFS）原子质谱法（AMS），ICP-AMS，MIP-AMSX射线荧光光谱法（XRF）前4种方法仅涉及到原子外层电子的跃迁和电离，而后一种方法涉及原子内层电子的跃迁。ICP-电感藕合等离子体;MIP-微波等离子体1、原子光谱第四节原子光谱和分子光谱原子光谱—原子的外层电子在不同光源1）空心阴极灯2）无极放电灯1)原子吸收光谱法（AAS）光源原子化器光学系统检测与处理光源1）空心阴极灯1)原子吸收光谱法（AAS）光源原子化器光原子化器1）预混合火焰原子化器2）石墨炉电热原子化器3）氢化物发生原子化器4）冷原子发生原子化器1)原子吸收光谱法（AAS）光源原子化器光学系统检测与处理原子化器1）预混合火焰原子化器1)原子吸收光谱法（AAS）光1)原子吸光谱法（AAS）光学系统棱镜和光栅光源原子化器光学系统检测与处理1)原子吸光谱法（AAS）光学系统棱镜和光栅光源原子化器光学光源原子化器光学系统检测与处理1)原子吸收光谱法（AAS）检测与处理光电倍增管检测器（PMT）光电二极管阵列检测器（PDA）光源原子化器光学系统检测与处理1)原子吸收光谱法（AAS）检检测与处理激发光源光学系统2)原子发射光谱法（AES），ICP-AES，MIP-AES激发光源1）直流电弧。2）交流电弧。3）电火花光源4）直流等离子体喷焰（DCP）5）电感藕合等离子体（ICP）6）微波感生等离子体（MIP）检测与处理激发光源光学系统2)原子发射光谱法（AES），IC光学系统棱镜和光栅分光系统检测与处理激发光源光学系统2)原子发射光谱法（AES），ICP-AES，MIP-AES光学系统棱镜和光栅分光系统检测与处理激发光源光学系统2)原子检测与处理照相感应板光电倍增管检测器（PMT）光电二极管阵列检测器（PDA）电荷藕合器件（CCD）电荷注入器件（CID）检测与处理激发光源光学系统2)原子发射光谱法（AES），ICP-AES，MIP-AES检测与处理照相感应板检测与处理激发光源光学系统2)原子发射光(1)电感藕合等离子体（ICP）光谱仪ICP摄谱仪ICP单色器顺序等离子体光谱仪多通道ICP光谱仪综合型ICP光谱仪中阶梯光栅ICP光谱仪2)原子发射光谱法（AES），ICP-AES，MIP-AES（ICP）光谱仪的类型:(1)电感藕合等离子体（ICP）光谱仪ICP摄谱仪ICP光谱分析的特点:可以测定72个元素，多数有较好的检出限。精密度好，在分析物浓度为检出限50-100倍时，谱线强度的标准偏差1%。动态范围宽，标准曲线的线性范围可达105-106。基体效应比较低，较易建立分析方法。可进行多元素同时测定。2)原子发射光谱法（AES），ICP-AES，MIP-AESICP光谱分析的特点:可以测定72个元素，多数有较好的检出限(2)微波等离子体（MIP）光谱仪MIP光源激发能量很高，能激发ICP光源不易激发的元素。载气用量很低，工作气体消耗量很少。电源功率低，节省电能。MIP测定非金属的检出限

MIP光谱仪主要用于测定F，Cl，Br，C，H，N，O，S等非金属元素，测定金属元素的灵敏度比ICP光源差。此外，作为气相色谱及液相色谱的检测器，用于测定有机化合物的原子比，用以对有机物进行定量及定性分析。2)原子发射光谱法（AES），ICP-AES，MIP-AES(2)微波等离子体（MIP）光谱仪MIP光源激发能量很高3)原子质谱法（AMS），ICP-AMS，MIP-AMS质量分析器四极杆质量分析器双聚焦扇形质量分析器离子阱质量分析器飞行时间质量分析器样品引入系统气动雾化法（液体）激光烧蚀法（固体）悬浮雾化法（固体）在线样品处理流动注射（FI）在线富集色谱法与AS的联用微波在线消解3)原子质谱法（AMS），ICP-AMS，MIP-AMS质分子光谱(moleculespectrum)——通过分子内部运动，化合物(compound)吸收或发射光量子(photons)时产生的光谱(spectrum)。

2、分子光谱原子光谱为线状光谱，10-4nm分子光谱为带状光谱；50nm为什么分子光谱为带状光谱？分子光谱(moleculespectrum)——通过分子内原子光谱图分子光谱图原子光谱图分子光谱图紫外光谱法（UV）；红外光谱法（IR）；分子荧光光谱法（MFS）；分子磷光光谱法（MPS）；核磁共振（NMR）顺磁共振波谱（EPR）；有机波谱分析法——是分析化学中最常用的有机结构分析方法，主要抱括：其中紫外光谱法（UV）、红外光谱法（IR）、核磁共振波谱法（NMR）和质谱(MS)合称为四大谱.随着现代仪器分析的不断发展和普遍使用,四种光谱分析方法相互配合,形成了一套有机结构鉴定的完整方法.紫外光谱法（UV）；有机波谱分析法——是四大谱分析方法的特点:样品用量少---仅需毫克级,甚至微克级纯样分析方法多为非破坏性过程---可直接得到可靠的结构信息,并能回收贵重样品操作简便,分析速度快,易于实现自动化灵敏度高，检出限低选择性好价格一般来说比教昂贵就是讨论谱图解析-------即如何利用四大谱谱图间接地证明或推断有机化合物分子结构的方法.本课程的重点:四大谱分析方法的特点:样品用量少---仅需毫克级,甚至微克级1)光波谱的产生价电子(valenceelectron)运动分子运动分子振动(vibration)分子转动(rotation)

△EJ△EV△Ee跃迁

基态激发态转动能级振动能级电子能级吸收能量△E

吸收光谱转动光谱振动光谱电子光谱1)光波谱的产生双原子分子能级图(EnergyLevelDiagram)双原子分子能级图(EnergyLevelDiagram)势能曲线图

(PotentialEnergyGraph)MM*

势能曲线图(PotentialEnergyGraph)Franck-condon原理(1)垂直跃迁(verticaltransition)(2)电子能级(energylevel)跃迁(transition)的同时伴有振动能级和转动能级(energylevel)的变化(3)振动能级(energylevel)跃迁(transition)的同时伴有转动能级(energylevel)的变化Franck-condon原理(1)垂直跃迁(vert