大学化学基础其他仪器分析法简介

第十二章其他仪器分析法简介大学基础化学（第二版）§12－1原子吸收分光光度法§12－2荧光分析法§12－3质谱法§12－4红外吸收光谱法§12－5核磁共振法学习要求1.了解原子吸收分光光度法的特点、基本原理、原子吸收分光光度计主要部件以及原子吸收分光光度法定量方法和应用；2.了解荧光分析法的特点、荧光光谱产生的原理、荧光分光光度计主要部件以及荧光分析法定量方法和应用；3.了解红外光谱和核磁共振波谱产生的原理、条件及其在有机化合物结构分析中的应用；4.了解质谱产生的原理、条件和用途。§12-1原子吸收分光光度法

一、基本原理

原子吸收光谱法（AAS）是基于元素的基态原子蒸气对特征谱线的吸收程度，根据朗伯-比耳定律来确定元素含量的方法。原子吸收光谱位于光谱的紫外区和可见区。

该法具有灵敏度高、选择性好、抗干扰能力强、快速、准确度高等优点，目前可以测定近70多种金属元素。

+11原子的能级与跃迁基态（A0）---基态原子激发态（A*）---激发态原子基态

第一激发态吸收一定频率的辐射能量A0+h

→A*产生共振吸收线（简称共振线）吸收光谱激发态

基态发射出一定频率的辐射A*-h

→A0

产生共振发射线（也简称共振线）发射光谱Na2811s22s22p63s1一、基本原理电子从基态跃迁到能量最低的激发态（称为第一激发态）时要吸收一定频率的光，—共振吸收线激发态的电子再跃迁回基态时，则发射出同样频率的光（谱线），—共振发射线共振吸收较易发生，且最灵敏。共振吸收线是最灵敏的吸收线。一、基本原理元素的特征谱线（1）各种元素原子结构和外层电子排布不同，基态

第一激发态跃迁，吸收能量不同。如：钠589.0nm，铁372.0nm，铜324.8nm（2）各种元素的基态

第一激发态，最易发生，吸收最强，最灵敏。特征谱线。（3）利用原子蒸气对特征谱线的吸收定量分析。一、基本原理定量依据

原子吸收值与原子蒸气厚度L、蒸气中基态原子数目N0之间的关系，符合朗伯-比尔定律。

由于原子蒸气厚度L一定，可简化为A=K'×c

这就是原子吸收分光光度法定量计算公式。

一、基本原理二、仪器及流程光源提供待测元素的特征光谱光源应满足如下要求：（1）能发射待测元素的共振线；（2）能发射锐线；（3）辐射光强度大，稳定性好。二、仪器及流程优缺点：（1）仅有一个操作参数，辐射光强度大，稳定，谱线窄，灯容易更换。（2）每测一种元素需更换相应的灯。

空心阴极灯二、仪器及流程原子化系统将试样中离子转变成原子蒸气二、仪器及流程原子化方法二、仪器及流程单色器作用将待测元素的共振线与邻近线分开。组件色散元件（棱镜、光栅），凹凸镜、狭缝等。二、仪器及流程检测系统作用：检测光辐射的强度检测器将单色器分出的光信号转变成电信号。如：光电池、光电倍增管、光敏晶体管等。放大器将光电倍增管输出的较弱信号，经电子线路进一步放大。对数变换器光强度与吸光度之间的转换。显示、记录新仪器配置：计算机工作站二、仪器及流程三、定量分析方法标准曲线法

配制一系列不同浓度的标准试样，由低到高依次分析，将获得吸光度A对应于浓度c作标准曲线。在相同条件下测定试样吸光度A，在标准曲线上查出对应的浓度值。标准加入法

取若干份体积相同的试液（cx），依次按比例加入不同量的待测物的标准溶液（co），定容后浓度依次为：

cx，cx+co，cx+2co，cx+3co

，cX+4co…分别测得吸光度为：Ax，A1，A2，A3，A4…。以A对浓度c做图得一直线，图中cx点即待测溶液浓度。三、定量分析方法标准加入法以A对浓度c做图得一直线，图中cx点即待测溶液浓度。三、定量分析方法

在标准样品和未知样品中加入内标元素，测定分析样品和内标样品的吸收的光强度比，以吸收的光强度比值对被测元素含量绘制校正曲线，然后从校正曲线上推算出被测元素含量。内标应选择与被测元素吸收特性相近的元素。内标法三、定量分析方法四、应用示例例如：口服补液盐Ⅱ中总钠含量处方：氯化钠1750g枸橼酸钠1450g氯化钾750g无水葡萄糖10000g制成1000包本品每包装量为13.95g，含钠应为0.926~1.1131g。含量测定（1）对照品溶液的制备精密称取经110℃干燥至恒重的分析纯氯化钠1.017g，用水配至钠浓度为100μg/mL的标准溶液。精密量取1、2和3mL，分别置3个100mL量瓶中，再分别各加10％氯化锶溶液2、4和6mL，用水稀释至刻度，摇匀，照原子吸收分光光度法，在589.0nm波长处测得吸光度读数分别为：0.483、0.965和1.402，绘制标准曲线。四、应用示例（2）供试品溶液的制备和测定精密称取口服补液盐Ⅱ13.95g，置250mL量瓶中，加水溶解并稀释至刻度，摇匀；精密量取5mL，置100mL量瓶中，加水溶解并稀释至刻度，摇匀；再精密量取1mL，置100mL量瓶中，加10％氯化锶溶液4mL，用水稀释至刻度，摇匀。在相同条件下测得吸光度读数为0.952。按每包口服补液盐Ⅱ的规格为13.95g，计算每包中含钠多少克？四、应用示例解：对照品溶液中钠的浓度（μg/mL）1.0002.0003.000吸光度A0.4830.9651.402测定口服补盐液Ⅱ中总钠的标准曲线四、应用示例

从标准曲线查得吸光度为0.952时，相应的浓度为1.977μg/mL，则每包口服补液盐Ⅱ含钠为：答：按每包口服补液盐Ⅱ的规格为13.95g计算每包中含钠0.989g。四、应用示例§12-2荧光分析法

荧光：分子吸收较短波长的光（通常紫外光和可见光），在很短时间内发射出比照射光波长较长的光。根据物质的荧光谱线位置可确定其分子结构；根据荧光强度可测定物质的含量。荧光分析法特点灵敏度高(10-10g/mL，甚至10-12g/mL)、选择性好、所需样品量少。在医药、临床分析中有着特殊的重要性。

分子发光包括荧光、磷光、化学发光、生物发光。室温下，大多数分子处于基态的最低振动能级，处于基态的分子吸收能量（光能、化学能、电能或热能）后被激发为激发态，激发态不稳定，将很快衰变到基态，若返回到基态时伴随着光子的辐射，这种现象称为“发光”。一、基本原理荧光的分类（按辐射源）：紫外－可见荧光：物质受紫外－可见光激发而发出的荧光。X射线荧光：以X射线为辐射源发射出比入射X光波长稍长的X光。红外光荧光：物质受红外光激发而发出比红外光波长稍长的荧光。一、基本原理荧光与磷光的产生

分子能级与跃迁分子能级比原子能级复杂；在每个电子能级上，都存在一系列的振动、转动能级；用S0表示基态；第一、第二、…电子激发单重态S1、S2…表示第一、第二、…电子激发三重态T1、T2…表示

v=0，1，2，3表示振动能级。

一、基本原理电子激发态的多重度

电子激发态的多重度：M=2S+1

S为电子自旋量子数的代数和(0或1)；平行自旋比成对自旋稳定(洪特规则)，三重态能级比相应单重态能级低；大多数有机分子的基态处于单重态；

S0→T1禁阻跃迁一、基本原理电子激发态的多重度一、基本原理一、基本原理激发态→基态的能量传递途径传递途径辐射跃迁荧光磷光内转移外转移系间窜越振动弛豫非辐射跃迁一、基本原理S2S1S0T1吸收发射荧光发射磷光系间窜越内转换振动弛豫能量l2l1l

3

外转换l

2T2内转换振动弛豫一、基本原理能量传递途径

激发光谱与发射光谱

激发光谱:用不同波长的激发光使物质发射某一波长荧光所得的光谱。通过改变入射光的波长，产生的荧光通过检测器，在固定的检测波长下测定相应的荧光强度，荧光强度对激发光波长(λex)作图所得的光谱曲线即为激发光谱。从激发光谱图可找出最佳激发波长。一、基本原理激发光谱与发射光谱

发射光谱：固定激发光的波长，进行发射波长扫描，检测不同发射波长下相应的荧光强度，得发射光谱图。从荧光光谱图可找出最佳检测波长。激发光谱和荧光光谱也可用来做荧光物质的定性分析。一、基本原理激发光谱与发射光谱的关系

激发光谱与发射光谱之间的波长差值。发射光谱的波长比激发光谱的长，振动弛豫消耗了能量。称为斯托克斯（Stokes）位移。一、基本原理激发光谱与发射光谱的关系一、基本原理200250300350400450500荧光激发光谱荧光发射光谱nm蒽的激发光谱和荧光光谱发射光谱的形状与激发波长无关通常荧光发射光谱与激发光谱成镜像对称关系一、基本原理荧光的产生与分子结构的关系分子产生荧光必须具备的条件（1）具有合适的结构；（2）具有一定的荧光量子产率。荧光量子产率（

f）：表示物质发射荧光的能力一、基本原理化合物结构与荧光（1）跃迁类型：

*→的荧光效率高，系间跨越过程的速率常数小，有利于荧光的产生。（2）共轭效应：提高共轭度有利于增加荧光效率并产生红移。一、基本原理化合物结构与荧光含→*跃迁能级的芳香族化合物的荧光最强化合物（在环己烷中）

f

λ/nm

苯0.07283联苯0.18316对-联三苯0.93342一、基本原理（3）刚性平面结构：可降低分子振动，减少与溶剂的相互作用，故具有很强的荧光。如荧光素和酚酞有相似结构，荧光素有很强的荧光，酚酞却没有。一、基本原理化合物结构与荧光一、基本原理刚性平面结构具有较强的荧光（4）取代基效应：芳环族化合物苯环上不同取代基对该化合物的荧光强度和荧光光谱有很大的影响，可归为下列几种类型：第一，供电子基团常常使荧光增强；第二，吸电子基团会减弱甚至破坏荧光；一、基本原理化合物结构与荧光（4）取代基效应第三，同电子体系相互作用小的取代基和烷基对发光影响不明显；第四，将一个高原子序数的原子引入，常常增强磷光而减弱荧光；第五，双取代和多取代较难预测，但若能增加分子的平面性，则荧光增强，反之，则荧光减弱。一、基本原理一、基本原理二、荧光分光光度计

测量荧光的仪器主要由四个部分组成：激发光源、样品池、双单色器系统、检测器。特殊点：有两个单色器，光源与检测器通常成直角。二、荧光分光光度计

基本流程如图：单色器：选择激发光波长的第一单色器和选择发射光(测量)波长的第二单色器光源：氙灯和高压汞灯样品池：石英玻璃检测器：光电倍增管。三、定量依据与方法

定量依据当荧光物质浓度很小时，荧光强度If与荧光物质浓度c之间的关系式为

If

=2.3

f

I0εbc

式中：

f为荧光效率，I0为激发光的强度，ε荧光物质的摩尔吸收系数，b为试样池的光程，c为荧光物质的浓度。三、定量依据与方法定量依据

在一定条件下，

f、I0、ε、b均为常数，荧光强度F与荧光物质浓度c可写成If=K×c

即荧光强度If与荧光物质的浓度c成正比。荧光强度和溶液浓度呈线性关系，只限于极稀的溶液。对于较浓溶液，会产生浓度猝灭现象。

定量方法

标准曲线法配制一系列标准浓度试样测定荧光强度，绘制标准曲线，再在相同条件下测量未知试样的荧光强度，在标准曲线上求出未知试样的浓度。三、定量依据与方法应用示例：丹参注射液中丹参素的含量测定（1）标准曲线的制备精密称取丹参素对照品10mg，加水溶解，并稀释至浓度为1.0×10－6g/mL。准确量取上述溶液1.0~6.0mL，在波长317nm处，分别以水为空白对照测定荧光强度，激发波长为285nm，结果丹参素浓度在(1.0~6.0)×10－7g/mL范围内与荧光强度成线性关系。回归方程c＝9.35×10－9If＋2.06×10－8，R2＝0.9996，c为浓度，If为荧光强度。应用示例：丹参注射液中丹参素的含量测定

（2）样品测定精密吸取丹参注射液适量，按照标准曲线制备项下操作，于317nm处测定荧光强度，激发波长为285nm，以水为空白，由回归方程计算其中丹参素的含量。定量方法比较法

在线性范围内，测定标样和试样的荧光强度。If(0)为空白溶液的荧光强度三、定量依据与方法应用示例：利血平片中利血平的含量测定（1）对照品溶液的制备（2）供试品溶液的制备（3）测定方法在激发波长为400nm、发射波长为500nm处测定荧光读数，对照品溶液及其空白的荧光读数分别为If(s)和If(s0)，供试品溶液及其空白的荧光读数分别为If(x)和If(x0)，计算：§12-3质谱法（MS）质谱法（简称MS）是一种利用电磁场将具有不同质量电荷比的物质分离测定的物理化学分析方法。20世纪初，第一台质谱仪，并发现了同位素和测定了它的丰度。

一、仪器与基本原理进样系统离子源质量分析器检测器1.气体扩散2.直接进样3.气相色谱1.电子轰击2.化学电离3.场致电离4.激光

1.单聚焦2.双聚焦3.飞行时间4.四极杆

质谱仪需要在高真空下工作：离子源（10-3~10-5Pa

）质量分析器（10-6Pa

）(1)大量氧会烧坏离子源的灯丝；(2)用作加速离子的几千伏高压会引起放电；(3)引起额外的离子－分子反应，改变裂解模型，谱图复杂化。一、仪器与基本原理一、仪器与基本原理电离室原理与结构一、仪器与基本原理离子源M+(M-R2)+(M-R3)+MassSpectrum(M-R1)+一、仪器与基本原理++++:R1:R2:R3:R4:e+质量分析器一、仪器与基本原理质量分析器在磁场存在下，带电离子按曲线轨迹飞行；离心力=向心力；m

2/R=H0eV曲率半径：R=（m

）/eH0

质谱方程式：m/e=(H02R2)/2V离子在磁场中轨道半径R取决于：m/e、H0、V改变加速电压V,可使不同m/e的离子进入检测器。质谱分辨率=M/M一、仪器与基本原理检测器（1）电子倍增管

15～18级；可测出10-17A微弱电流（2）渠道式电子倍增器阵列一、仪器与基本原理二、应用二、应用GC-MS联用仪器SampleSample

58901.0DEG/MINHEWLETTPACKARDHEWLETTPACKARD5972AMassSelectiveDetectorDCBA

ABCDGasChromatograph(GC)MassSpectrometerSeparationIdentificationBACDADBCMS二、应用GC-MS中的分子分离器

分子分离器类型：微孔玻璃式、半透膜式和喷射式三种。喷射式分子分离器：由一对同轴收缩型喷嘴构成，喷嘴被封在一真空室中，如图。二、应用LC-MS(离子阱)联用仪器结构示意图二、应用

红外吸收光谱也称分子吸收光谱，是由于分子振动、转动能级跃迁产生。当不同频率的红外光谱通过测定分子时，就会出现不同强弱的吸收现象，用T-λ作图就得到红外吸收光谱。有很强的特征性，可以作为物质定性和定量的依据。

§12-4红外吸收光谱法(IR)

优点：（1）气态、液态、固体样品均可用红外光谱测定。（2）每种化合物均有红外吸收，由红外图谱可以得到丰富的信息。（3）仪器价格低廉，易于购置。（4）样品用量少，毫克级。

红外光谱表示方法透光率－波数即T-б曲线阿司匹林的红外吸收图谱一、基本原理

红外光波长范围0.76μm~500μm现在红外光谱只能扫描2.5~25μm习惯上用cm的倒数来表示，即波数cm-1表示。一、基本原理一、基本原理

红外光谱区的划分：近红外区：0.76μm~2.5μm，OH、NH及CH的倍频吸收；中红外区：2.5μm~50μm，分子振动伴随着分子转动；一、基本原理

红外光谱区的划分：远红外区：50μm~500μm，分子转动。应用最广泛的是中红外区，其波数在4000~400cm-1

分子振动的类型：伸缩振动，弯曲振动，整个结构基团的振动当测定物质的分子中基团的振动频率与照射红外光谱的频率相同时，此物质就能吸收这种红外光谱，使分子由振动基态跃迁到激发态，产生吸收光谱。一、基本原理分子的基本振动形式一、基本原理

对称伸缩振动

s

不对称伸缩振动

as

伸缩振动面内弯曲振动β面外弯曲振动γ弯曲振动面外摇摆ω扭曲振动τ

剪式弯曲振动δ摇摆弯曲振动ρ

一、基本原理

基团频率不同的官能团其特征吸收频率不同，可作为红外光谱定性分析的依据。相关峰由一个官能团（或基团）所产生的一组相互依存的吸收峰，称为相关峰。一、基本原理特征区4000~1250cm-1区域的吸收峰有比较明确的官能团和频率的对应关系，故可用于官能团的鉴别，称为特征吸收峰，该区域称为特征区。指纹区1250~200cm-1区域内吸收峰的位置和强度随化合物而异，犹如人的指纹，称为指纹区。一、基本原理O-H、N-H键伸缩振动段不饱和C-H伸缩振动段饱和C-H伸缩振动段三键与累积双键段一、基本原理中红外区又分为9个吸收区段羰基伸缩振动段双键伸缩振动段键面内弯曲振动段不饱和C-H面外弯曲振动段键面外弯曲振动段一、基本原理中红外区又分为9个吸收区段主要特征峰和相关峰一、基本原理二、仪器和制样分类：光栅色散型：扫描速度慢，灵敏度较低，无法实现色谱－光谱联用傅里叶变换（FT-IR

）型：分辨率高，灵敏度高，扫描速度快，是实现色谱－光谱联用较理想的仪器二、仪器和制样光栅型分光光度计气体样品：气体池装载，防止水蒸汽在红外区的强吸收干扰液体样品：可拆式液体池,不要带气泡对吸收很强的液体或固体样品：用特殊溶剂稀释CS2、CCl4、CH2Cl2等，并通过溶剂为参比进行校正。红外光谱试样的制备二、仪器和制样固体样品：溶液法、糊状法、压片法、薄膜法

最通常用压片法：5％试样＋95％分析纯KBr混合研磨，研磨均匀装在模具中置于压片机内用0.8×106kPa抽2min后，取出。在制备试样时应做到试样中不含水，多组分试样在测定前要分离，选择适当试样浓度和厚度。二、仪器和制样傅里叶变换红外分光光度计（FT-IR

）二、仪器和制样二、仪器和制样三、应用简介定性分析（1）已知物的鉴定将试样谱图与标准谱图对照或与相关文献上的谱图对照。

定性分析（2）未知物结构分析

如果化合物为新物质，则须进行光谱解析，其步骤为：1）该化合物的信息收集：试样来源、熔点、沸点、折光率、旋光率等；三、应用简介2）不饱和度的计算通过元素分析得到该化合物的分子式，并求出其不饱和度

。三、应用简介

=0

时，分子是饱和的，分子为链状烷烃或其不含双键的衍生物；

=1

时，分子可能有一个双键或脂环；

=3

时，分子可能有两个双键或脂环；

=4

时，分子可能有一个苯环。一些杂原子如S、O不参加计算。三、应用简介

3）查找基团频率，推测分子可能的基团；4）查找红外指纹区，进一步验证基团的相关峰；5）能过其它定性方法进一步确证：UV-Vis、MS、NMR、Raman等。三、应用简介例题C7H6O2可能有苯环三、应用简介

吸收峰振动类型归属3400~2500cm-1

OH（伸缩）1680，1580，1500,1460cm-1

C=C（苯环的骨架振动）1695cm-1

C=O（伸缩，与苯环共轭）765,690cm-1

γФH（面外弯曲）（苯环单取代）1290,

1320cm-1

C-O（伸缩）935cm-1

δOH（面内弯曲，对称）三、应用简介红外光谱解析

三、应用简介红外光谱解析

C7H9N不饱和度为4，可能有苯环3520cm-1、3430cm-1，NH2的vN-H1622cm-1，NH2的γN-H3030cm-1，苯环上vC-H1588cm-1、1494cm-1、1471cm-1，苯环骨架vC=C三、应用简介红外光谱解析

748cm-1，苯环邻位二取代的γC-H；1303cm-1、1268cm-1，νC-N；2925cm-1，CH3的νC-H；1442cm-1、1380cm-1，CH3的δC-H。此化合物为三、应用简介§12-5

核磁共振法（NMR）

核磁共振波谱法，简称NMR有自旋的原子核在外磁场作用下可以吸收种电磁波，使得核的自旋能级发生跃迁，产生了核磁共振信号。据此建立了该分析方法。广泛应用于结构分析、临床医学诊断等。一、基本原理

将自旋量子数I的原子核置于一均匀的外磁场B0中，根据量子力学规则应有（2I+1）个核自旋取向，每种取向各对应于一定的能量，可用一个磁量子数m表示。对I=1/2的1H而言，即有m=+1/2、m=-1/2两个取向。一、基本原理固定磁场扫频；固定辐射频率扫场核磁共振仪

1.磁铁2.探头3.锁场单元4.匀场单元5.样品旋转管一、基本原理1H氢谱(PMR)提供的结构信息

化学位移、峰的裂分情况与偶合常数、峰面积(积分曲线)

屏蔽效应和化学位移

核外电子在外磁场作用下绕核环流，产生感应磁场。处于高电子密度区域的核，感受到较外加磁场弱的磁场，必须用较高的外加场