《本科生光谱分析原理》课件

本科生光谱分析原理光谱分析技术探索光与物质相互作用课程概述课程目标掌握光谱分析基本原理学习内容各类光谱技术及应用考核方式光谱分析简介1定义研究光与物质相互作用的分析方法2发展历史从牛顿棱镜到现代精密仪器3应用领域化学分析、材料表征、医学诊断光谱分析的基本原理光与物质的相互作用吸收、发射、散射现象1能级跃迁电子在不同能级间转移2光谱的产生能量变化表现为特定波长3电磁波谱无线电波波长最长，能量最低微波分子旋转能级跃迁红外-紫外分子振动和电子跃迁X射线-伽马射线波长最短，能量最高光谱仪器的基本组成光源提供特定波长范围的光单色器分离不同波长的光样品室光与待测物质相互作用检测器测量光信号变化光源连续光源钨灯、氘灯、氙灯提供宽范围波长光谱线光源空心阴极灯、放电灯产生特定元素谱线激光光源高强度、单色性好用于高精度分析单色器棱镜利用折射原理分离波长光程较短，分辨率有限光栅利用衍射原理分离波长分辨率高，线性度好干涉滤光片利用干涉原理选择波长体积小，透过率高检测器光电倍增管高灵敏度，响应速度快光电二极管稳定可靠，线性范围宽电荷耦合器件二维探测，可同时测多波长光谱分析方法分类吸收光谱测量样品吸收光强度发射光谱测量样品发射光强度散射光谱测量散射光频率变化紫外-可见光谱分析（UV-Vis）基本原理分子价电子跃迁吸收仪器结构双光束设计消除背景数据输出吸光度-波长曲线UV-Vis光谱的特点200-800nm波长范围覆盖紫外和可见光区域π→π*常见跃迁共轭体系特征吸收104-105摩尔吸光系数表征吸光能力强弱UV-Vis光谱的应用定性分析根据特征吸收识别物质定量分析根据吸光度测定浓度结构鉴定推断共轭体系和官能团动力学研究监测反应进程Beer-Lambert定律公式A=εbcA吸光度ε摩尔吸光系数b光程c浓度适用于稀溶液，高浓度偏离UV-Vis光谱实验操作仪器调试开机预热，设置参数样品制备选择合适溶剂，控制浓度空白校正消除溶剂和比色皿影响数据采集记录吸光度，绘制曲线红外光谱分析（IR）基本原理分子振动吸收红外光仪器结构干涉仪提高分辨率振动模式伸缩、弯曲、扭转IR光谱的特点分子振动化学键作为弹性体振动特征吸收峰官能团对应特定波数指纹区1500-400cm-1区域独特吸收模式IR光谱的应用官能团鉴定羰基：1700cm-1附近羟基：3400cm-1附近C-H：2900cm-1附近结构确证分子骨架确认异构体区分氢键作用研究定量分析测定混合物组成聚合物结构分析反应动力学监测傅里叶变换红外光谱（FTIR）传统IRFTIR傅里叶变换技术显著提高检测性能IR光谱实验操作液体样品液膜法或溶液法NaCl或KBr盐片做窗片固体样品KBr压片法或涂膜法漫反射法（DRIFT）气体样品气体池采集长光程提高灵敏度拉曼光谱分析激发光源单色激光照射样品散射过程分子振动调制散射光频率信号检测收集并分析散射光谱拉曼光谱的特点拉曼光谱活性：极化率变化强带：对称振动水影响小红外光谱活性：偶极矩变化强带：不对称振动水干扰大两种技术互为补充，联用可获全面信息拉曼光谱的应用分子结构研究结构对称性和键强度分析材料表征晶体结构和应力状态生物医学分析细胞组织成分研究宝石鉴定无损检测真伪表面增强拉曼光谱（SERS）106增强倍数信号强度显著提高10-9M检测限达到单分子水平20nm纳米结构金银纳米粒子最常用增强机理：电磁场增强和化学增强共同作用原子吸收光谱（AAS）电子跃迁基态原子吸收特征光谱原子化样品转化为气态基态原子光源空心阴极灯发射特定元素谱线AAS的特点元素特异性每种元素有独特吸收线选择性好，干扰少灵敏度检出限达ppb级适用微量分析线性范围2-3个数量级需适当稀释高浓度样品AAS的应用工业分析合金成分、原料纯度环境监测水质、土壤污染食品安全重金属含量检测临床分析血液微量元素火焰原子化技术优点：操作简便，成本低缺点：检测限高，干扰多石墨炉原子化技术1干燥阶段100℃左右蒸发溶剂2灰化阶段400-800℃去除基体3原子化阶段2000-3000℃生成气态原子4清洗阶段高温清除残留物AAS实验操作仪器调试灯电流、狭缝宽度、火焰参数标准曲线配制系列标准溶液样品处理消解、稀释至合适浓度测定分析记录吸光度，计算含量原子发射光谱（AES）基本原理激发态原子辐射特征光谱谱线特点每种元素多条发射线检测系统同时测量多元素谱线AES的特点多元素分析同时检测几十种元素效率高，分析快灵敏度元素间差异大碱金属最灵敏干扰因素谱线重叠基体效应电感耦合等离子体发射光谱（ICP-AES）高温等离子体（6000-10000K）有效消除化学干扰检出限低至ppb级，线性范围宽达5-6个数量级X射线荧光光谱（XRF）X射线激发一次X射线轰击样品内层电子电离产生空穴电子跃迁外层电子填充空穴荧光发射释放特征X射线XRF的特点无损分析不破坏样品结构元素范围适用原子序数>11元素定量能力基体效应影响准确度样品要求固体、液体均可分析XRF的应用材料分析合金成分测定矿物鉴定表面涂层测厚环境监测土壤重金属大气颗粒物水体污染物考古研究文物材质鉴定绘画颜料分析年代测定辅助核磁共振光谱（NMR）强磁场核自旋能级分裂射频辐射诱导能级间跃迁共振信号接收并转换为谱图NMR的特点化学位移反映核周围电子环境自旋-自旋耦合邻近核间相互作用积分强度正比于氢原子数量1HNMR谱图解析化学位移范围官能团类型0-1.5ppm烷基1.5-2.5ppm羰基α位3.0-4.5ppm含氧、氮基团5.0-6.5ppm烯烃、芳烃6.5-8.5ppm芳香环9.5-10.5ppm醛基13CNMR谱图解析二维NMR技术COSY氢-氢相关谱检测耦合氢原子HSQC氢-碳单键相关谱直接连接的H-CHMBC氢-碳多键相关谱远程H-C关联NMR在有机结构鉴定中的应用结构确证准确确定分子骨架构象分析确定空间构型动力学研究研究分子内转换反应监测实时跟踪反应进程质谱分析（MS）电离样品转化为气相离子质量分析按质荷比分离离子检测记录离子强度信号MS的特点高灵敏度检出限达ppt级结构信息碎片模式反映结构同位素分析区分同位素峰精确质量确定分子式电子轰击电离（EI）70eV电子能量标准电离能10-6真空度避免分子碰撞M+特征峰分子离子峰硬电离技术，碎片化程度高，适合结构分析化学电离（CI）反应气体甲烷、氨、异丁烷离子-分子反应气相酸碱反应产物离子[M+H]+或[M-H]-软电离技术，碎片少，适合分子量测定质谱仪的质量分析器四极杆扫描速度快，结构简单飞行时间分辨率高，质量范围宽磁场扇形准确度高，灵敏度好串联质谱（MS/MS）一级质量分析选择前体离子1碰撞活化诱导裂解2二级质量分析分析子离子3结构确认碎片信息解析结构4质谱图解析色谱-质谱联用技术GC-MS适用挥发性样品有机物定性分析标准方法LC-MS适用极性化合物药物分析、生物标志物检测优势结合分离与鉴定能力复杂样品全组分分析光谱数据处理预处理噪声滤除，基线校正峰识别确定特征峰位置和强度标准化谱图归一化处理定量计算校准曲线，数据拟合化学计量学在光谱分析中的应用多元数据分析提取有用信息模式识别识别相似样品回归分析建立定量模型光谱仪器维护与故障排除1日常维护清洁光学元件，监测性能2性能检查波长准确度，分辨率测试3故障判断系统检查定位问题4排除解决更换损坏部件，调整参数光谱分析方法的选择分析目的推荐方法元素分析AAS、ICP、XRF官能团鉴定IR、Raman分子结构确证NMR、MS定量分析UV-Vis、AAS表面分析拉曼、ATR-IR光谱分析的质量控制标准物质校准和验证分析方法平行样测定评估分析精密度加标回收实验评估方法准确度控制图监测分析过程稳定性光谱分析数据报告数据表达选择合适单位和有效数字采用标准格式呈现结果误差分析计算不确定度和标准偏差评估误差来源结果解释对比参考值判断意义结合应用背景分析光谱分析新技术超快光谱皮秒/飞秒时间分辨单分子光谱探测单个分子特性近场光谱突破衍射极限光谱分析在各领域的应用材料科学