《儀器分析》課程教案

1、儀器分析課程教案華中農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院儀器分析教研室( 劉 曉 宇)課程簡介儀器分析是食品科學(xué)與工程專業(yè)和食品安全專業(yè)的基礎(chǔ)課程之一，是測定物質(zhì)的化學(xué)組成、含量、狀態(tài)和進行科學(xué)研究與質(zhì)量監(jiān)控的重要手段。課程內(nèi)容既有成分分析又有結(jié)構(gòu)分析，既有無機分析又有有機分析。它是從事化學(xué)、生物、地質(zhì)、食品分析等學(xué)科工作人員的基礎(chǔ)知識。通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生能基本掌握常用儀器分析方法，初步具有應(yīng)用此類方法解決相應(yīng)問題的能力。常用儀器分析方法是：原子發(fā)射光譜法、原子吸收光譜法、紫外-可見吸收光譜法、紅外吸收光譜法、核磁共振波譜法、色譜法、質(zhì)譜法等。通過本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生對這些方法的原理、儀器結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用要有

2、基本的理解。 具體的要求可歸納為：1 理解各分析方法的原理。如定性、定量分析的依據(jù)，有關(guān)的定律、公式及其應(yīng)用。2知道有關(guān)儀器的結(jié)構(gòu)。如儀器由幾部分組成，有哪些重要部件，簡單工作過程。3了解各方法的特點、應(yīng)用范圍及局限性，能根據(jù)實際問題，選擇合適的方法。4掌握各方法的分析步驟和數(shù)據(jù)處理。了解各方法對樣品的要求與樣品的處理，實驗條件的選擇，基本數(shù)據(jù)的運用，分析數(shù)據(jù)的處理。學(xué) 時 分 配課程內(nèi)容 理論學(xué)時 實驗學(xué)時緒論 2光譜分析導(dǎo)論 2紫外-可見吸收光譜法 4 2原子吸收光譜法 4 2紅外吸收光譜法 3 2色譜法：色譜分析導(dǎo)論 2氣相色譜法 5 2高效液相色譜法 4 2合 計 30 10總 計 4

3、0第一章 緒 論教學(xué)目的和要求本章是儀器分析課程的介紹。主要是讓學(xué)生了解化學(xué)分析與儀器分析的聯(lián)系與區(qū)別，儀器分析方法的分類和它的發(fā)展情況，介紹儀器定量分析方法的評價指標(biāo)。教學(xué)重點和難點1 儀器分析方法的分類2 相關(guān)系數(shù)、檢出限授課方式本章為理論課，共0.5學(xué)時，采用多媒體課件教學(xué)，在多媒體教室講授。并采用回顧儀器分析的發(fā)展歷史的方法來激發(fā)學(xué)生的興趣。授課主要內(nèi)容第一節(jié) 儀器分析簡介一、儀器分析和化學(xué)分析分析化學(xué)(analytical chemistry) 是研究物質(zhì)化學(xué)組成的測量和表征的科學(xué)。 主要任務(wù)是鑒定物質(zhì)的化學(xué)組成、結(jié)構(gòu)和測量有關(guān)組分的含量。是研究物質(zhì)及其變化的重要方法?；瘜W(xué)分析：以物

4、質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)為基礎(chǔ)的分析方法。儀器分析（物理物化分析）：以物質(zhì)的物理和物理化學(xué)性質(zhì)(光、 電、熱、磁等)為基礎(chǔ)的分析方法這類分析方法一般要依靠儀器來完成，故習(xí)慣上稱為儀器分析。二、儀器分析方法的分類（一）光學(xué)分析法(spectroscopic analysis) 以物質(zhì)的光學(xué)性質(zhì)（吸收，發(fā)射，散射，衍射）為基礎(chǔ)的儀器分析方法。包括原子吸收光譜法、原子發(fā)射光譜法、紫外-可見吸收光譜法、紅外光譜法、核磁共振波譜法等。(二)電分析(electrical analysis)：電流分析，電位分析，電導(dǎo)分析，電重量分析,庫侖法，伏安法。（三）色譜分析(chromatography analysis) ：氣

5、相色譜法，液相色譜法（四）其它儀器分析方法(other analysis)：1. 質(zhì)譜法2. 熱分析法 包括熱重法、差熱分析法、示差掃描量熱法等。3. 電子顯微鏡，超速離心機，放射性技術(shù)等。三、儀器分析的特點多學(xué)科交叉(1) 儀器分析法具有很強的檢測能力絕對檢出限可達微克、納克、皮克、甚至飛克數(shù)量級。(2) 儀器分析法的取樣量較少。可用于微量分析（0.110mg或0.011mL)和超微量分析（<0.1mg或<0.01mL)(3) 儀器分析具有很高的分析效率(4) 儀器分析法具有更廣泛的用途可用于成分分析，價態(tài)、狀態(tài)及結(jié)構(gòu)分析，在線分析等。而化學(xué)分析一般只能用于離線的成分分析。(5)

6、 儀器分析的儀器設(shè)備比較復(fù)雜，價格比較昂貴。四、儀器分析在生產(chǎn)實踐及科學(xué)研究中的作用1. 應(yīng)用于傳統(tǒng)領(lǐng)域：醫(yī)藥、食品、商檢、公安、國防、材料、能源、環(huán)保等2. 應(yīng)用于前沿領(lǐng)域 例：遺傳研究 儀器確定DNA雙螺旋結(jié)構(gòu) 生命科學(xué)研究 利用核磁共振、質(zhì)譜確定蛋白質(zhì)等大分子結(jié)構(gòu)五、儀器分析的發(fā)展歷史及發(fā)展趨勢發(fā)展歷史：第一階段：起始于20世紀初，這正是分析化學(xué)的第一次變革時期。第二階段：20世紀40年代后，物理學(xué)和電子學(xué)的發(fā)展，促進了各種儀器分析方法的迅速建立，儀器分析成為分析化學(xué)中的重要支柱。并形成了第二次變革。第三階段：20世紀70年代后，是儀器分析日新月異發(fā)展的時期。也是分析化學(xué)的第三次變革時期

7、。發(fā)展趨勢：1.計算機技術(shù)在儀器分析中更廣泛地應(yīng)用，分析儀器實現(xiàn)了自動化。2.不同儀器分析方法聯(lián)用，提高了儀器分析的功能。3.新型儀器更加微型化，智能化。落地式臺式移動式便攜式手提式 Lab-on-a-Chip(芯片實驗室)第二節(jié) 定量分析方法的評價指標(biāo)a)靈敏度：物質(zhì)單位濃度或單位質(zhì)量的變化引起響應(yīng)信號值變化的程度，稱為方法的靈敏度，用S表示。精密度：是指使用同一方法，對同一試樣進行多次測定所得測定結(jié)果的一致程度。精密度用測定結(jié)果的標(biāo)準偏差 s或相對標(biāo)準偏差(sr )量度。準確度: 試樣含量的測定值與試樣含量的真實值（或標(biāo)準值）相符合的程度稱為準確度。檢出限：某一分析方法可以檢出被測物質(zhì)的最

8、小濃度或最小質(zhì)量，稱為該方法對該物質(zhì)的檢出限。以濃度表示的稱為相對檢出限，以質(zhì)量表示的稱為絕對檢出限。本章作業(yè)1.儀器分析方法的分類？2儀器分析和化學(xué)分析的區(qū)別和聯(lián)系？第二章 光譜分析導(dǎo)論教學(xué)目的和要求本章是學(xué)習(xí)光學(xué)分析法之前應(yīng)具備的基礎(chǔ)知識。要求掌握光的波粒二象性，原子光譜和分子光譜基礎(chǔ)知識，了解能級躍遷圖，光譜儀的分類等。教學(xué)重點和難點1.光的波粒二象性2.電磁波譜區(qū)3.原子光譜項、分子光譜能及躍遷圖授課方式本章為理論課，1.5學(xué)時，采用多媒體課件教學(xué)，在多媒體教室講授。課件中采用動畫效果以求生動和形象的效果。授課主要內(nèi)容第一節(jié) 光與光譜 一、光的波動性(Characterization

9、of light waves) 波動性參數(shù)： （波長,Wavelength）; n（頻率,frequency）; C（光速,The velocity of light） ó 1（波數(shù),wave number） 關(guān)系式CCó 單色光(monochromatic light)-只含一種頻率或波長的光。復(fù)合光(multichromatic lights)-多種頻率或波長的光。散射光(雜散光，(scatting light)-指定波長外的光。二、光的微粒性(Microparticle characterization of light )Parameter of micropart

10、icle characterization ：E E=hn=hC/ hPlancks constant h=4.14×10-15ev.sec =6.626×10-27erg.sec C=3×1010cm/sec One photon energy: E=1240/ (ev) 的單位為 nm 第二節(jié) 原子與分子的能級及電子在能級間的躍遷一、 原子能級及電子在能級間的躍遷原子光譜的特征 Characterization of atoms spectrum電子能級間的躍遷,屬電子光譜,線狀光譜。Transition on electronic levels, elect

11、ronic spectrum, linear spectrum. 二、分子的能級及電子在能級間的躍遷分子形成帶狀光譜的原因能量離散，導(dǎo)致譜線寬度擴展測不準原理、相對論效應(yīng)導(dǎo)致譜線寬度擴展。再加上能級之間的能量間距非常小，導(dǎo)致躍遷所產(chǎn)生的譜線非常多，間距非常小，易于重疊。儀器條件造成色散元件難以將譜線完全分開真實分子光譜的特征UV-Vis:電子、帶狀光譜。在特定條件下,能反映振動能級的精細結(jié)構(gòu)Infrared:振動、帶狀光譜, 在特定條件下, 能反映轉(zhuǎn)動能級的精細結(jié)構(gòu)。原子光譜和分子光譜小結(jié)原子光譜: 電子能級上的電子躍遷 電子光譜 線狀光譜分子光譜: 紫外-可見（UV-Vis）: 電子能級上的

12、電子躍遷 反映振動精細結(jié)構(gòu)的電子光譜 帶狀光譜 紅外光譜（Infrared）: 振動能級上的電子躍遷 反映轉(zhuǎn)動精細結(jié)構(gòu)的電子光譜 帶狀光譜三、物質(zhì)和光的作用Interaction of light and matter當(dāng)一束光照射到物體上時,除透過部分光與分子沒有作用外,物質(zhì)將吸收和散射一部分光。1. 物質(zhì)吸收光的過程分子吸收光能,吸收時間極短,只有10-15 sec.,電子由基態(tài)躍遷到較高能態(tài)的激發(fā)態(tài)。 X + hv X* 激發(fā)態(tài)的壽命很短,約為10-8 sec.,然后以發(fā)生光物理和光化學(xué)反應(yīng)后,以下列形式回到基態(tài)。 1) 無輻射退激激發(fā)分子與其它分子相碰,損失能量產(chǎn)生熱能回到基態(tài),稱無輻射

13、退激。 X* X + 熱能2)共振發(fā)射 激發(fā)分子發(fā)射光子直接回到基態(tài):X* X + hv 如發(fā)射光的波長等于入射光的波長,這種發(fā)射稱共振發(fā)射,其譜線稱共振譜線。對分子來說,這種可能性很少,對原子來說,可能性較大。3)熒光激發(fā)分子與其它分子相碰,一部分能量轉(zhuǎn)化為熱能后,下降到第一激發(fā)態(tài)的最低振動能級,然后再回到基態(tài)的其它振動能級并發(fā)射光子,這種發(fā)射光稱熒光。 X* X + hv + 熱能 熒光的發(fā)射波長比入射光的波長長。 4) 磷光激發(fā)分子與其它分子相碰,一部分能量轉(zhuǎn)化為熱能后,下降到第一激發(fā)態(tài)的最低振動能級,它不直接躍遷回到基態(tài)而是轉(zhuǎn)入到亞穩(wěn)的三重態(tài),分子在三重態(tài)的壽命較長(從10-4 sec

14、.到10sec.),然后再回到基態(tài)的其它振動能級并發(fā)射光子,這種發(fā)射光稱磷光。2. 物質(zhì)散射光的過程拉曼(raman)散射A 瑞利散射入射光與分子碰撞后,可發(fā)生彈性散射或非彈性散射。彈性散射時,光子與分子無能量交換,僅光子方向改變,這種散射稱瑞利散射。B. 非彈性散射有兩種情況: 斯托克斯散射入射光與基態(tài)分子碰撞后,將一部分能量給了分子,于是散射光的能量比入射光的能量下降,即波長變長。散射光譜中的譜線稱斯托克斯譜線。 反斯托克斯散射入射光與振動能級處于較高能態(tài)的分子發(fā)生非彈性碰撞后,被碰撞分子由較高的振動能級躍回較低能級,其能量的差值給了光子,于是,光子能量增加,產(chǎn)生的譜線波長比入射光的波長更

15、短,此譜線稱反斯托克斯線。散射光的能量比入射光的能量下降,即波長變長。散射光譜中的譜線稱斯托克斯譜線。第三節(jié) 物質(zhì)的光譜與光譜分析Spectrum of matter and spectroscopic analysis一、光譜的基本類型 按照光譜產(chǎn)生的方式可分: 1. 吸收光譜(absorbed spectrum) 原子吸收光譜(如AA) 分子吸收光譜(如 UV/VI,IR 等) 2. 發(fā)射光譜(emission spectrum) 原子發(fā)射光譜(原子發(fā)射,原子熒光) 分子發(fā)射光譜(分子熒光,磷光) 3. 散射光譜(拉曼散射光譜,scatter spectrum)第四節(jié) 光譜儀 Spectr

16、oscopic instruments 1.光譜儀的作用: 通過分析過程的信息傳遞鏈,取得樣品的真實光譜。2.光譜儀的分類本章作業(yè)1.玻爾茲曼常數(shù)的物理意義？2.原子光譜和分子光譜的區(qū)別？第三章 紫外可見吸收光譜分析法Ultraviolet Visible Spectrophotometer 簡稱 UV-Vis教學(xué)目的和要求要求掌握紫外可見吸收光譜的產(chǎn)生，紫外可見分光光度計儀器原理和結(jié)構(gòu)以及紫外可見吸收光譜法在有機定性及結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)用。教學(xué)重點和難點1. 生色團的共軛作用2. 雙波長分光光度計原理及構(gòu)造3. Beer - Lambert定律4.化合物的鑒定、結(jié)構(gòu)分析授課方式本章為理論課+實驗

17、課，共7學(xué)時。理論課3學(xué)時，采用多媒體課件教學(xué)，在多媒體教室講授。課件中采用動畫效果以求生動和形象的效果。實驗課4學(xué)時，在中心實驗室上課，為教師演示實驗。（注：實驗課教案另附）授課主要內(nèi)容第一節(jié) 概述定義：紫外-可見吸收光譜法是根據(jù)溶液中物質(zhì)的分子或離子對紫外和可見光譜區(qū)輻能的吸收來研究物質(zhì)的組成和結(jié)構(gòu)的方法。應(yīng)用：主要用于有機物的定量及定性分析。分子光譜：分子是由原子組成的，分子的運動包括分子中電子的運動、分子的振動及其轉(zhuǎn)動，所有這些運動都必須由能量來維持，故分子的能量包括： E分子=Ee+Ev+Er第二節(jié) 紫外可見光譜法基本原理The Theory of UV-Vis Spectropho

18、tometry 一、有機化合物的紫外-可見吸收光譜（一） 電子躍遷類型分子外層電子的分子軌道可以分為五種,即成鍵與* 反鍵軌道,成鍵與*反鍵軌道,非鍵軌道。A. 分子軌道(bonding) molecular orbital), 如: -C-C-B.鍵軌道(bonding) molecular orbital), 如: CC CO -NN- -CC-C.鍵軌道(non-bonding) molecular orbital), 如： -C-Br: -CO:H -C-N:HIn addition, two typed of antibonding orbital may be involved i

19、n the transitions:D. *反鍵軌道 (sigma star)orbitalE. *反鍵軌道 (pi star)orbital，n 鍵軌道為基態(tài)軌道（ground state orbital) ，*，*為激發(fā)態(tài)軌道(excited state orbital). 根據(jù)軌道能量： < < n< *< *2、分子電子能級和躍遷 Molecular-electronic orbital and transition The following electronic transition can therefore occur by the absorption

20、 of ultraviolet and visible light : 1.* 躍遷（ * transition）E 較大,躍遷發(fā)生在遠紫外區(qū),波長范圍低于 200nm。如甲烷(125nm),乙烷 (135 nm)。2.* 躍遷(* transition) E 較* 躍遷要小,躍遷發(fā)生在150-250nm波長范圍內(nèi)。如含有雜原子飽和烴衍生物。摩爾吸收系數(shù)一般在100-300范圍內(nèi)。 由* 躍遷而產(chǎn)生吸收的一些例子3. * 和 * 躍遷這兩類躍遷是最有用的。E 比較少,最大吸收波長均大于200 nm 。這兩類躍遷的差別在于吸收峰的強度不同。* 躍遷摩爾吸收系數(shù)很少,僅在10-100范圍內(nèi)。而*躍

21、遷摩爾吸收系數(shù)很大,比* 躍遷大100-1000倍,達到1000-100000。生色團的概念：含有鍵的不飽和集團稱為生色團。（二）分子結(jié)構(gòu)和光譜的相互關(guān)系Correlation of molecular structure and spectrum 1. 共軛效應(yīng) （Conjugation effect ）當(dāng)分子含有多個鍵,并且被單鍵隔開時,共軛效應(yīng)增加,* 躍遷能量更低,吸收光譜最大吸收峰向長波方向移動,摩爾吸收系數(shù)增大。稱紅移效應(yīng)(red shift effect)。2. 含有電子芳香體系,最大吸收向紫外方向移動。稱藍移效應(yīng)(blue shift effect)。Aromatic syst

22、ems, which contain electrons, absorb strongly in the ultraviolet3. 助色團:一些原子和原子團不吸收200-800nm范圍內(nèi)的光,但與生色團結(jié)合后,具有能使生色團的吸收峰向長波或短波方向移動的作用,這樣的原子或原子團稱為助色團。Auxochromes: An auxochrome is a group which does not absorb significantly in the region 200-800nm, but which affect the spectrum of the chromophore to whi

23、ch it is attached. Examples of auxochromes are （三）溶劑對吸收光譜的影響Ø 影響最大吸收波長: 溶劑極性的改變會使由* 躍遷和n *躍遷產(chǎn)生的兩種吸收峰的最大吸收波長向不同方向移動。溶劑極性增加， * 躍遷吸收峰發(fā)生紅移（長波方向）n * 躍遷吸收峰發(fā)生藍移（短波方向）。二、定量分析的基礎(chǔ)Beer-Lambert定律When a bean of radiation strikes any object it can be absorbed, transmitted, scattered, reflected or it can exci

24、te fluorescence.1. Correlation of T and C2.2. 朗伯-比爾定律 3. 濃度測量中相對誤差與透光率和吸光度的關(guān)系 4. Beer-Lambert定律在混合物中的表達式 5、偏離Beer-Lambert定律的因素 第三節(jié) 紫外可見分光光度計(UV-Vis spectrophotometer) 1分光光度計的組成（Spectrophotometer component parts）紫外-可見分光光度計_結(jié)構(gòu) (一) 光源(sources) 1. 理想光源的特性（The characteristics of ideal source ）A.高強度( High

25、 intensity)B.寬波長范圍( Wide spectral range)C.穩(wěn)定的輸出( Stable output) D.長壽命( Long life )E.價格低( Low cost)F.適宜的尺寸( Optimum size)2. 常用光源(Commonly used sources)鎢燈、鎢鹵燈、氘燈(二) 單色器( Monochromators )1. 要求特性( Desirable characteristics of monochromatoes)A.高效能( High efficiency or throughput ) B.寬波長范圍 (Wide wavelength

26、 range)C.容易調(diào)節(jié)波長(Easily selected wavelength)D.好的波長精度和重現(xiàn)性(Good wavelength accuracy and reproducibility)E.高的光譜純度( High spectral purity) F.好的機械穩(wěn)定性( Good mechanical stability)2. 濾光片單色器( filter monochromator)組成：入口狹縫（entrance slit）、濾光片（filter）、出口狹縫（exit slit）三部分組成。3. 棱鏡和光柵單色器 (Prisms and Gratings Monochrom

27、ator) 光譜通帶寬度 少于 1nm組成：狹縫（slit：entrance slit, exit slit）、色散元件（dispersive element）、準直元件: 透鏡(focus mirror)、反射鏡(mirror)。棱鏡和光柵單色器比較A、光柵為勻排光譜,棱鏡為非勻排光譜。光柵所采用的狹縫可產(chǎn)生幾乎恒定的光譜通帶而與波長無關(guān)。棱鏡要得到恒定的帶寬時,長波時要求狹縫窄,短波時要求狹縫寬B. 光柵對溫度不敏感,棱鏡對溫度很敏感(折射率n與溫度有關(guān))。C、光柵存在著潛在的雜散光源。D、光柵需要有一個“級消除濾光片(order-sorting filters)”以消除/2,/3,.等波

28、長的干擾。E、光柵光能量消耗大。(三)、樣品池 ( Sample cell )按材料不同分:玻璃池 340-1000nm 石英池 200-340nm 紫外級石英池 185-220nm按用途分: 常用比色池 0.5, 1.0, 1.5, 2.0厘米 微 量 池 0.5毫升以下 流 動 池 5-11微升 注意：樣品池使用前必需進行以下測定: 玻璃池: 365nm時, 每個池之間T<0.5%,即A<0.002 石英池: 240nm時, 每個池之間T<1.5%, 即A<0.007 (四) 檢測器 ( Detectors )作用: 光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?。A. 幾種光檢測器性能的比較

29、光電池(photocells)光電管(phototubes)光電倍增管(photomultipliers)波長(nm)(Wavelength)400-750190-650(藍敏)600-1000(紅敏)180-900響應(yīng)速度(Speed of response)慢約10-8 秒10-9 秒靈敏度(Sensitivity)低105 -106108 -109B. 結(jié)構(gòu)和作用a. 真空光電管（Vacuum Phototube)籃敏光電管陰極鍍有光電發(fā)射材料金屬銻和銫。紅敏光電管陰極鍍有光電發(fā)射材料金屬銀和氧化銫。b. 光電倍增管（Photomultipliers）作用: 除了將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘栕饔?/p>

30、外,還具有放大作用。二、 分光光度劑的分類及特點 1. 單光束分光光度計 特點：光路系統(tǒng)簡單，機械振動小，信噪比高。2.雙光束分光光度計 特點：消除了光源不穩(wěn)定造成的影響，具有較高的精密度和準確度。3. 雙光束分光光度計 特點：僅使用一個吸收池。第四節(jié) 定性和定量分析 Quantitative and Qualitative Analysis一.儀器條件的選擇1. 測量波長的選擇A.優(yōu)先選擇最大吸收波長B.最大波長受到共存雜質(zhì)干擾時,選擇次強波長。C.最大波長的吸收峰太尖銳,測量波長難以重復(fù)時,選擇次強波長。2. 透過率或吸光度的范圍的選擇選擇T15%-70%或A0.150-0.800之間。3

31、. 狹縫寬度的選擇定性分析：選擇較小的狹縫,以盡量保留振動能級躍遷的精細結(jié)構(gòu)。定量分析：在吸光度穩(wěn)定的情況下,選用最少狹縫。4. 樣品池選擇根據(jù)測定波長、溶液濃度(選擇L)等選擇。二. 定性分析 Qualitative Analysis1. 未知試樣檢定根據(jù)光譜形狀(極大、極小和拐點波長)吸收峰數(shù)目,位置與標(biāo)準試樣比較。2. 有機化合物分子結(jié)構(gòu)的推測有機化合物的吸收光譜_結(jié)構(gòu)與光譜1.如在200nm到400nm區(qū)域內(nèi)沒有吸收峰，則可以初步判斷待測化合物無雙鍵或不含環(huán)狀共軛體系2.若250nm處有吸收峰，而且emax約103-104時，化合物可能具有芳香環(huán)結(jié)構(gòu)，如果芳香環(huán)被取代而使共軛體系延長時

32、，emax大于104。3.如在270-350nm區(qū)域有弱的吸收峰， emax大約10到100，且200nm以上無其它吸收，說明該化合物含有帶孤對電子的未共軛的生色團，如：3. 同份異構(gòu)體鑒別 4. 純度的檢查三. 定量分析 Quantitative Analysis標(biāo)準曲線: 直接分取標(biāo)準溶液進行光度測定或顯色測 定所測得的A與C作圖得到的曲線。工作曲線: 標(biāo)準溶液按樣品處理進行測定得到的A與C 的曲線。標(biāo)準對比法：只配制一個濃度的標(biāo)準溶液和樣品比對，求出待測樣品的濃度。標(biāo)準加入法（增量法）本章作業(yè)1生色團及助色團的概念？2.紫外可見分光光度計的基本組成有哪幾部分？3.吸光度（A）與透光率（T

33、）的轉(zhuǎn)換？第四章 原子吸收分光光度法 Atomic Absorption Spectrometry教學(xué)目的和要求本章要求掌握原子吸收光譜法的基本原理；基本儀器裝置和定量分析方法。教學(xué)重點和難點1積分吸收與No的關(guān)系2峰值吸收與被測定元素含量的關(guān)系3光譜通帶的概念和作用4干擾的類型和消除方法授課方式本章為理論課+實驗課，共8學(xué)時。理論課4學(xué)時，采用多媒體課件教學(xué)，在多媒體教室講授。課件中采用動畫效果以求生動和形象的效果。實驗課4學(xué)時，在中心實驗室上課，為教師演示實驗。（注：實驗課教案另附）授課主要內(nèi)容第一節(jié) 概述定義：原子吸收分光光度法（ AAS）是根據(jù)物質(zhì)的基態(tài)原子蒸汽對同種元素特征譜線的共振

34、吸收作用來進行元素定量測量的方法。原子吸收法的特點1. 高選擇性2. 檢出限低，可達10-10g，無火焰法可達10-14g3. 準確度高，一般0.5%2%測定誤差。4. 可測定的元素多，與采用的火焰類型有關(guān)?？諝?乙炔火焰可測36種元素，N2O-乙炔火焰可測33種元素，間接測定法可測16種元素，除交叉測定外，共可測70多種元素。5. 分析速度快6. 在通常情況下，分析一個元素，就要用該元素的空心陰極燈作光源。原子吸收光譜分析原理原子吸收光譜法是基于基態(tài)原子對特征譜線的吸收而建立起來的一種元素分析方法。原理：從空心陰極燈（光源）輻射出來的特征譜線，通過含有該待測元素的基態(tài)原子蒸氣后，由于該待測元

35、素對特征譜線進行吸收而使特征譜線的強度減弱，在一定范圍內(nèi)，特征譜線的減弱程度（吸光度）與待測元素的含量呈正比。第三節(jié) 原子吸收光譜法基本原理a)一、原子吸收線（一）原子吸收線的產(chǎn)生：由于原子受外界能量激發(fā)，最外層電子從基態(tài)躍遷到不同的較高能態(tài)而產(chǎn)生。(二)原子吸收譜線的輪廓1、原子吸收線的輪廓和寬度2、影響原子譜帶變寬的內(nèi)、外部因素A、自然寬度 10-610-5 nm原子發(fā)生能級間躍遷時，激發(fā)態(tài)原子壽命不一樣而產(chǎn)生。B、多普勒變寬(熱變寬) 10-3nm原子無規(guī)則的熱運動產(chǎn)生。 C、碰撞變寬(壓力變寬) 10-3nm原子間或原子同其它粒子的碰撞使原子的基態(tài)能級稍有變化，因而吸收譜線變寬。a.

36、赫爾茲馬克變寬（Holtzmark）由同種原子碰撞引起,也稱為共振變寬b. 羅倫茨變寬( Lorentz) 由不同種原子碰撞引起。 D、自吸變寬由光源周圍溫度較低的原子蒸氣吸收同種原子發(fā)射線而導(dǎo)致的譜線變寬。E、埸致變寬由強電埸和強磁埸引起。結(jié)果：譜線的變寬導(dǎo)致原子吸收分析的靈敏度下降。二、基態(tài)原子數(shù)與原子化溫度的關(guān)系在一定的溫度下,原子達到熱平衡時,基態(tài)原子數(shù)No與激發(fā)原子數(shù)Ni的比值符合波爾茲曼分布:E為激發(fā)電位。T為絕對溫度。K-波爾茲曼常數(shù),1.38×10-16 爾格/度。qi, qo 分別為激發(fā)態(tài)和基態(tài)的統(tǒng)計權(quán)重。三. 原子譜線的測量1、 原子吸收與原子濃度之間的關(guān)系根據(jù)電

37、動力學(xué)理論,在給定的頻率范圍內(nèi)的積分吸收值為:要將此理論變?yōu)閷嵺`,則必須要獲得一個單色光波長只有0.001nm的光源,此光源稱銳線光源。 峰值吸收理論認為：當(dāng)銳線光源發(fā)射的譜線，其中心頻率剛好與原子吸收的中心頻率相同，且能保證銳線光源的譜線寬度小于原子吸收譜線寬度的1/5時，這樣銳線光源的光理論上可以100%被原子吸收，從而實現(xiàn)對峰值吸收的測量。必須滿足的條件：銳線光源發(fā)射的譜線，其中心頻率剛好與原子吸收的中心頻率no完全一致。銳線光源的譜線半寬度比原子吸收譜線半寬度更窄，一般為1/5第三節(jié) 原子吸收光譜儀器基本部件: 光源原子化器單色器檢測器轉(zhuǎn)換裝置顯示、記錄系統(tǒng)一、銳線光源1. 作用：提供

38、原子吸收所需要的足夠尖銳的共振線。2. 要求：輻射強度大、穩(wěn)定性好、背景小、壽命長、操作方便。空心陰極燈結(jié)構(gòu)和機理機理: 當(dāng)施加300-400伏直流電壓時,陰極發(fā)射出的電子在電場作用下,高速飛向陽極,途中與惰性氣體碰撞而使其電離,正離子又在電場作用下被大大加速飛向陰極,對陰極表面猛烈轟擊,使金屬原子被濺射出來,被濺射出來的原子再與電子、原子、離子等粒子互相碰撞而被激發(fā),從而發(fā)射出被測元素的特征譜線。二、原子化器作用：將試樣蒸發(fā)并使待測定元素轉(zhuǎn)化為基態(tài)原子蒸汽。分類：火焰原子化法、非火焰原子化法、氫化物發(fā)生法（Hydride Generation,HG）1. 火焰原子化器(霧化器、霧化室、燃燒器

39、)2.2.無火焰原子化器（最常用的是石墨爐）3 化學(xué)原子化器（氫化物原子化法） 三、單色器組成：入射狹縫、光柵、反射鏡和出射狹縫。作用：選出有用的譜線。光譜通帶：即單色器出光狹縫允許通過的波長范圍。W=D·SW：光譜通帶（nm）；D：倒線色散率（nm·mm-1）；S：狹縫寬度（mm）位置：置于原子化器之后。目的是防止原子化時產(chǎn)生的輻射干擾進入檢測器，避免強烈輻射引起的光電倍增管疲勞。第四節(jié) 原子吸收光譜法的干擾及其消除方法分類：物理干擾、化學(xué)干擾、電離干擾、光譜干擾和背景干擾。一、物理干擾及其抑制方法1. 物理干擾：是由于試液和標(biāo)準溶液的物理性質(zhì)的差異，引起進樣速度、進樣量

40、、霧化效率、原子化效率差異所產(chǎn)生的干擾。(1) 干擾因素：溶液的黏度；表面張力；密度；溶劑的蒸汽壓；霧化氣體的壓力(2) 干擾性質(zhì)：非選擇性干擾。對試樣中各元素的影響基本相同。2. 消除和抑制方法：(1) 配制與待測試樣溶液相似組成的標(biāo)準溶液，并在相同條件下進行測定。如試樣組成不詳，采用標(biāo)準加入法加以消除物理干擾。(2) 避免使用黏度大的硫酸、磷酸來處理試樣；稀釋試液。二、化學(xué)干擾及其抑制方法化學(xué)干擾：化學(xué)干擾是由于待測元素與共存組分發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，生成了難揮發(fā)或難解離的化合物，使基態(tài)原子數(shù)目減少所產(chǎn)生的干擾。2. 消除和抑制方法：(1) 提高火焰溫度提高火焰溫度使難揮發(fā)、難解離的化合物較完全

41、基態(tài)原子化。采用N2O-C2H2 高溫火焰代替常用的空氣-乙炔火焰，可提高原子化效率。（適用于難揮發(fā)、難解離的金屬鹽類、氧化物、氫氧化物）(2) 加入釋放劑（releaser）加入釋放劑與干擾元素生成更穩(wěn)定或更難揮發(fā)的化合物，從而使被測定元素從含有干擾元素的化合物中釋放出來。(3) 加入保護劑（有機絡(luò)合物）它與被測元素或干擾元素形成穩(wěn)定的絡(luò)合物，避免待測元素與干擾元素生成難揮發(fā)化合物。(4) 加入基體改進劑石墨爐原子吸收光譜分析中，加入某些化學(xué)試劑于試液或石墨管中，改變基體或被測定元素化合物的熱穩(wěn)定性，避免了化學(xué)干擾，這些化學(xué)試劑稱為基體改進劑。(5) 化學(xué)分離法 萃取法、離子交換法和沉淀法。

42、作用：可將待測定元素與干擾元素分離，不僅可以消除基體元素的干擾，還可以富集待測定元素。三、電離干擾及其抑制1. 電離干擾：某些易電離元素在火焰中產(chǎn)生電離，使基態(tài)原子數(shù)減少，降低了元素測定的靈敏度，這種干擾稱為電離干擾。2. 抑制方法：加入消電離劑。常用的消電離劑有CsCl、KCl、NaCl四、光譜干擾及其抑制譜線干擾和消除方法1. 譜線干擾：它是指單色器光譜通帶內(nèi)除了元素吸收分析線外，還進入了發(fā)射線的鄰近線或其它吸收線，使分析方法的靈敏度和準確度下降.2. 消除和抑制方法 ： 減小狹縫寬度，提高儀器的分辨率，使元素的共振吸收線與干擾譜線完全分開。 降低燈電流，選擇無干擾的其它吸收線。 分離共存

43、的干擾元素。五、背景干擾和抑制方法1. 光譜背景干擾：原子吸收光譜分析中的背景干擾主要是指原子化過程中產(chǎn)生的分子吸收和固體微粒產(chǎn)生的光散射干擾效應(yīng)。2. 光譜背景干擾的抑制和校正(1) 光譜背景干擾的抑制火焰法：改變火焰類型、燃助比和調(diào)節(jié)火焰觀測區(qū)高度。石墨爐原子吸收法：選用適當(dāng)基體改進劑；采用選擇性揮發(fā)來抑制分子吸收(2) 光譜背景的校正 儀器調(diào)零吸收法鄰近非共振線校正背景法連續(xù)光源校正背景法塞曼（Zeeman）效應(yīng)校正背景法。校正原理：有背景吸收時，測得的分析線的吸光度（Ax+b）是分析物吸光度(Ax)與背景吸光度(Ab)之和，即 鄰近非共振線校正背景原理: 由空心陰極燈發(fā)射波長跟分析線相

44、鄰近的非特征吸收線測量背景吸光度，而分析物對非特征吸收線無吸收。 連續(xù)光源校正背景法紫外區(qū):氘燈校正可見區(qū): 碘鎢燈、氙燈校正氘燈校正原理：氘燈（連續(xù)光源）所測吸光度為背景吸收，而銳線光源(空心陰極燈）測定的吸光度為原子吸收和背景吸收的總吸光度。 第四節(jié) 原子吸收光譜定量分析一、分析測量條件的選擇1. 分析線的選擇：選擇元素的共振線。2. 狹縫的選擇：以排除干擾和具有一定透光強度為原則。3. 燈電流的選擇：在保證空心陰極燈有穩(wěn)定輻射和 足夠的入射光強度條件下，使用最低燈電流。4、原子化條件選擇 火焰原子化法：選擇火焰類型和調(diào)節(jié)燃氣與助燃氣比例。 石墨爐原子化法：通過實驗選擇合適的干燥、灰化、原

45、子化及除殘等階段的溫度和持續(xù)時間。二、定量分析方法1. 標(biāo)準曲線法或工作曲線法2. 標(biāo)準加入法三、方法靈敏度（1）特征濃度C0( 火焰原子化法)某待測元素產(chǎn)生1%吸收時(即A0.0044)的對應(yīng)濃度。（單位為µg/Ml/1%）C0=Cx× 0.0044/A （單位為µg/Ml/1%）(2) 特征質(zhì)量m02. 檢出限：指儀器能以適當(dāng)?shù)闹眯哦葯z出元素的最低濃度或最低質(zhì)量。在原子吸收法中，檢出限D(zhuǎn).L是指被測定元素能產(chǎn)生的信號為空白值的標(biāo)準偏差3倍（3S）時元素的質(zhì)量濃度或質(zhì)量。 相對檢出限D(zhuǎn).L D.L=CX× 3S/A (µg/mL)絕對檢出限D(zhuǎn)

46、.L檢出限取決于儀器的穩(wěn)定性。 3. 靈敏度用途(1) 檢查儀器性能儀器是否調(diào)整好；儀器部件性能是否降低；測試條件是否在最佳狀態(tài)。(2) 估計最適宜的測量濃度和取樣量例本章作業(yè)1、在原子吸收光譜分析中，為什么要用峰值吸收代替積分吸收？實現(xiàn)峰值吸收必需滿足的條件是什么？2、簡述空心陰極燈的構(gòu)造和工作原理？3、在原子吸收光譜分析中，產(chǎn)生化學(xué)干擾、光譜干擾和背景干擾的因素有哪些？相應(yīng)的消除方法是什么？4. 已知用原子吸收法測鎂時的靈敏度為0.005 µg/mL,試樣中鎂的含量約為0.01%, 配制試液時最適宜濃度范圍為多少？若制備50mL試液時，應(yīng)該稱取多少克試樣？第五章 紅外吸收光譜法I

47、nfrared absorption spectrographic analysis教學(xué)目的和要求本章要求掌握紅外吸收的基本理論，包括分子振動紅外光譜產(chǎn)生的條件，紅外吸收光譜儀結(jié)構(gòu)及簡單的紅外圖譜分析。教學(xué)重點和難點1.紅外光譜產(chǎn)生的條件2. 吸收地、檢測器、邁克爾遜干涉儀3 紅外圖譜解析授課方式本章為理論課+實驗課，共6學(xué)時。理論課2學(xué)時，采用多媒體課件教學(xué)，在多媒體教室講授。課件中采用動畫效果以求生動和形象的效果。實驗課4學(xué)時，在中心實驗室上課，為教師演示實驗。（注：實驗課教案另附）授課主要內(nèi)容第一節(jié) 概述一、紅外吸收光譜（IR) 基本概念是依據(jù)物質(zhì)對紅外輻射的特征吸收建立的一種光譜分析方

48、法。分子吸收紅外輻射后發(fā)生振動能級和轉(zhuǎn)動能級的躍遷，故又稱為分子振動-轉(zhuǎn)動光譜。紅外光譜法是有機化合物結(jié)構(gòu)分析的重要手段，與紫外吸收光譜法、核磁共振波譜法及質(zhì)譜法被稱為四大譜學(xué)方法。二、紅外光區(qū)劃分紅外區(qū)（0.781000µm)按波長分成三個波區(qū):1. 近紅外區(qū) 0.78 - 2.5 µm (780 nm 2500 nm)C-H, N-H, O-H 的振動能級躍遷所產(chǎn)生的泛頻吸收或能量較低的電子能級的躍遷發(fā)生在此波區(qū)。主要用于蛋白質(zhì)、脂肪、水分、淀粉、纖維、半纖維、木質(zhì)素等的定性定量分析。2. 中紅外區(qū) 2.525um3. 遠紅外區(qū) 251000 um 4. 紅外光譜圖線性

49、波長表示法: 橫坐標(biāo)為波長(um), 縱坐標(biāo)為T。 線性波數(shù)表示法: 橫坐標(biāo)為波數(shù)(cm-1), 縱坐標(biāo)為T。第二節(jié) 紅外吸收產(chǎn)生的原理與條件一、紅外吸收光譜產(chǎn)生的條件1.輻射具有能滿足分子躍遷所需要的能量2.輻射與分子之間有耦合作用發(fā)生。（一）輻射光子具有的能量與發(fā)生振動躍遷所需的躍遷能量相等基頻峰：分子由基態(tài)振動能級（ n=0）躍遷至第一振動激發(fā)態(tài)（ n=1）時，所產(chǎn)生的吸收峰。倍頻峰： n =0 n =2, 3, 4.躍遷產(chǎn)生的譜帶, 稱第一倍頻, 第二倍頻, 等。只有符合V=±1,±2.的躍遷才會產(chǎn)生紅外吸收帶。 例: CO2三原子線性分子,振動自由度為

50、3×3-5=4，但Vs 1388cm-1為非活性的,668cm-1頻率相同,發(fā)生簡并,故只有二條。（二）輻射與分子之間有耦合作用發(fā)生只有在振動過程中偶極矩發(fā)生變化的那種振動方式, 才能吸收紅外幅射,在紅外光譜中出現(xiàn)吸收譜帶。這種方式稱紅外活性的,否則稱紅外非活性的。二. 多分子振動的幾種方式1. 伸縮振動-沿鍵軸方向伸縮, 使鍵長發(fā)生變化的振動。伸縮振動有兩種方式：對稱伸縮振動 (用 VS表示);反對稱伸縮振動(亦稱不對稱伸縮振動,用VAS表示)2. 彎曲振動(變形振動)-鍵角發(fā)生變化的振動。面內(nèi)彎曲振動: 剪式振動()和平面搖擺振動()。面外彎曲振動:扭曲振動()和非平面搖擺振動(

51、)。三. 振動自由度 簡正振動(基本振動)-基頻譜帶(V=0 V=1)四. 吸收紅外幅射的選擇定則1. 只有在振動過程中偶極矩發(fā)生變化的那種振動方式, 才能吸收紅外幅射,在紅外光譜中出現(xiàn)吸收譜帶。這種方式稱紅外活性的,否則稱紅外非活性的。2.只有符合V=±1,±2.的躍遷才會產(chǎn)生紅外吸收帶。例: CO2三原子線性分子, 振動自由度為 3×3-5=4但Vs 1388cm-1為非活性的,668cm-1頻率相同,發(fā)生簡并,固只有二條。五. 基團頻率區(qū)和指紋區(qū)1.基團頻率區(qū) 40001300 cm-1(1) 40002500 cm-1是X-H伸縮振動區(qū)(2) 25001900 cm-1為叁鍵和累積雙鍵區(qū)(3) 19001200 cm-1是雙鍵伸縮振動區(qū)2.指紋區(qū) 1300600cm-1（1）1300900區(qū)域cm-1是C-O, C-N等單鍵的伸縮振動和C=S, S=O等雙鍵的伸縮振動。（2）900650 cm-1區(qū)域可用來確認化合物的順反異構(gòu)。第三節(jié) 紅外光譜儀 一. 色散型紅外光譜儀的基本部件1. 光源2.2、 樣品池液體樣品：a. 液膜法；b. 固定池、可拆裝式液體池、可變池固體樣品：12mg樣品，150200mg KBr研磨壓成厚度為12mm透明薄片。3.單色器：與UV-Vis相同。4.檢測器：硫酸三甘肽（TGS0