儀器分析整理【劉密新第二版】

1、第2章 原子發(fā)射光譜法（AES）原子發(fā)射光譜法：是根據(jù)處于激發(fā)態(tài)的待測元素原子回到基態(tài)時發(fā)射的特征譜線對待測元素進行分析的方法。元素的特征譜線：周期表中每一個元素都能顯示出一系列的光譜線，這些光譜線對元素具有特征性和專一性，稱為元素的特征譜線。激發(fā)電位：原子外層電子由基態(tài)躍遷到高能級所需的能量，以eV表示。第一共振線：由第一激發(fā)態(tài)向基態(tài)躍遷的能量最小，最容易發(fā)生，強度最大，是該元素最強的譜線。原子線：原子外層電子的躍遷所發(fā)射的譜線，以表示，如 Na()。電離電位：原子受激發(fā)后得到足夠能量而失去電子所需的能量稱為電離電位。離子線：離子的外層電子躍遷稱為離子線，以和表示。原子發(fā)射光譜分析經(jīng)歷的過程

2、：蒸發(fā)原子化激發(fā)定性分析：由于待測原子結(jié)構(gòu)不同，因此發(fā)射的譜線特征不同。定量分析：由于待測原子濃度不同，因此發(fā)射強度不同。原子發(fā)射光譜的特點：1、具有多元素同時分析的能力； 2、既可以定性也可以定量分析； 3、分析速度快； 4、具有較高的靈敏度和選擇性; 5、檢出限低（ng/ml-pg/ml); 6、儀器相對簡單（與X射線熒光，ICP質(zhì)譜法相比）缺點：不適合部分非金屬元素如鹵素、惰性氣體元素等分析。自吸(r)：原子在高溫發(fā)射某一波長的輻射，被處在邊緣低溫狀態(tài)的同種原子所吸收的現(xiàn)象。自蝕(R)：當(dāng)元素含量增大時，自吸現(xiàn)象增加，當(dāng)達到一定含量時，由于自吸嚴(yán)重，譜線中心強度被吸收了，完全消失，好像兩

3、條譜線。【激發(fā)光源】電感耦合等離子體（ICP）：是指由電子、離子、原子、分子所組成的在總體上顯中性的物質(zhì)狀態(tài)。ICP的工作原理：當(dāng)有高頻電流通過線圈時，產(chǎn)生軸向磁場，這時若用高頻點火裝置產(chǎn)生火花，形成的載流子（離子與電子）在電磁場作用下，與原子碰撞并使之電離，形成更多的載流子，當(dāng)載流子多到足以使氣體有足夠的導(dǎo)電率時，在垂直于磁場方向的截面上就會感生出流經(jīng)閉合圓形路徑的渦流，強大的電流產(chǎn)生高熱又將氣體加熱，瞬間使氣體形成最高溫度可達10000K的穩(wěn)定的等離子炬。感應(yīng)線圈將能量耦合給等離子體，并維持等離子炬。當(dāng)載氣載帶試樣氣溶膠通過等離子體時，被后者加熱至6000-7000K，并被原子化和激發(fā)產(chǎn)生

4、發(fā)射光譜。ICP的組成：(1）高頻發(fā)生器和感應(yīng)圈；（2）炬管和供氣系統(tǒng)；（3）試樣引入系統(tǒng)。ICP的分析特性： 1.趨膚效應(yīng)：在ICP中，因高頻電流的趨膚效應(yīng)，電流形成環(huán)狀結(jié)構(gòu)，渦流主要集中在等離子體的表面層內(nèi)，造成一個環(huán)形加熱區(qū)，其中心是溫度較低的中心通道，氣溶膠順利進入等離子體內(nèi)。2.溫度高，基體成分多被分解，因此試樣成分的變化對ICP影響很小。3.不需電極，無電極污染，無氰帶影響，加熱方式有良好穩(wěn)定。4.電子密度很高，電離干擾可不與考慮。缺點：1.固體進樣較困難，對氣體和非金屬靈敏度低。2.霧化效率低。3.設(shè)備和維持費高。分餾效應(yīng)：不同物質(zhì)因沸點不同而導(dǎo)致蒸發(fā)速度不同的效應(yīng)。趨膚效應(yīng)：當(dāng)

5、交流電通過導(dǎo)體時，由于感應(yīng)作用引起導(dǎo)體截面上的電流分布不均勻，越接近導(dǎo)體表面，電流密度越大，這種現(xiàn)象稱為趨膚效應(yīng)?；w效應(yīng)：基體效應(yīng)指試樣組成對譜線強度的影響?！緳z測系統(tǒng)】電荷耦合陣列檢測器（CCD）：CCD是一種新型固體成像器件，它是在大規(guī)模硅集成電路工藝基礎(chǔ)上研制而成的模擬集成電路芯片，借助必要的光學(xué)和電路系統(tǒng)，它可以將景物圖象通過輸入面空域上逐點的光電信號轉(zhuǎn)換、儲存和傳輸，在其輸出端產(chǎn)生一視頻信號，并經(jīng)末端顯示器同步顯示出人眼可見的圖象。在原子發(fā)射光譜中采用CCD的主要優(yōu)點是：1.速度快，35S 檢測70種元素；2.動態(tài)響應(yīng)范圍和靈敏度達到甚至超過PMT；3.性能穩(wěn)定，耐過度曝光，比PM

6、T結(jié)實耐用。1）激發(fā)光源作用：提供足夠的能量使樣品蒸發(fā)、解離、原子化、激發(fā)和躍遷。2）分光系統(tǒng)（單色器）作用：將復(fù)合光按照不同波長分開。棱鏡分光系統(tǒng)和光柵分光系統(tǒng)（利用光在光柵上的衍射和干涉來分光）。3）進樣裝置4）檢測器（一）定性分析目前常用標(biāo)準(zhǔn)試樣光譜比較法和鐵譜比較法。選擇Fe譜為標(biāo)準(zhǔn)的原因：譜線豐富：在210nm660nm范圍內(nèi)有數(shù)千條譜線；譜線均勻：譜線間距離分配均勻，容易比對；譜線已知：每一條譜線波長都被準(zhǔn)確測定，定位準(zhǔn)確。（二）半定量分析采用譜線黑度比較法和光譜呈現(xiàn)法。譜線黑度比較法：比較某元素一系列標(biāo)準(zhǔn)的黑度，并與樣品對照。光譜呈現(xiàn)法：同一元素的不同譜線黑度不同，濃度越低，留下

7、的譜線越少。（三）定量分析1、內(nèi)標(biāo)法：即選一內(nèi)標(biāo)元素，其含量已知。 基本關(guān)系式：lgR = blgC + lgA2、標(biāo)準(zhǔn)曲線法：在確定的分析條件下，用三個或三個以上的含有不同濃度的被測元素的標(biāo)準(zhǔn)樣品與試樣溶液在相同條件下激發(fā)光譜，以分析線強度I，或內(nèi)標(biāo)分析強度比R或lgR對濃度c或lgc做標(biāo)準(zhǔn)曲線。再由標(biāo)準(zhǔn)曲線求得試樣中待測元素的濃度。3、標(biāo)準(zhǔn)加入法：標(biāo)準(zhǔn)樣品與未知樣品基體匹配有困難時，采用標(biāo)準(zhǔn)加入法進行定量分析，可以得到比校正曲線法更好的分析結(jié)果。標(biāo)準(zhǔn)加入法可用來檢查基體純度、估計系統(tǒng)誤差、提高測定靈敏度等。ICP-AES樣品前處理：見PPT。第3章 原子吸收光譜法（AAS）原子吸收光譜法是

8、一種基于待測基態(tài)原子對特征譜線的吸收而建立的分析方法。原子吸收光譜法的特點：1、靈敏度高（火焰法：1 ng/ml，石墨爐100-0.01 pg)； 2、精密度好（火焰法：RSD <1%，石墨爐 3-5%） 3、選擇性高（可測元素達70個，相互干擾很小）缺點：不能進行多元素同時分析。當(dāng)在一定條件下達到熱平衡后，處在激發(fā)態(tài)和基態(tài)的原子數(shù)的比值遵循Boltzman分布：Dopple變寬：由于原子的熱運動而引起的寬: 。壓力變寬：壓力變寬指壓力增大后，原子之間相互碰撞引起的變寬。分為： Lorentz 變寬：指被測元素原子和其它原子碰撞引起的變寬（ <10-3 nm )； Holtsmar

9、t 變寬：指同種原子碰撞引起的變寬。在原子吸收法中可忽略?；娟P(guān)系式：原子吸收光譜分析的儀器包括四大部分：光源、原子化器、單色器、檢測器。（一）光源：光源的作用是發(fā)射被測元素的特征共振輻射。（空心陰極燈）對光源的基本要求是：（二）原子化器：原子化器的功能是提供能量，使試樣干燥、蒸發(fā)和原子化。兩種類型：（三）分光器 作 用將所需要的共振吸收線分離出來 部 件狹 縫、反射鏡、色散元件 要 求能分辨開 Ni 三線（四）檢測系統(tǒng) 作 用 檢測光信號的強度 部 件 光電倍增管 要 求 足夠的光譜靈敏度物理干擾：指試樣在蒸發(fā)和原子化過程中，由于其物理特性如黏度、表面張力、密度等變化引起的原子吸收強度下降的

10、效應(yīng)?；瘜W(xué)干擾：液相或氣相中被測原子與干擾物質(zhì)間生成熱力學(xué)穩(wěn)定的化合物，影響原子化過程。電離干擾：指高溫電離而使基態(tài)原子數(shù)減少，引起原子吸收信號下降的現(xiàn)象。被測元素濃度越大，電離干擾越小。 光譜干擾：第4章 紫外-可見分子吸收光譜法（UV-VIS）分子吸收光譜的特點：1 可進行分子的定性和定量分析2 可用于一些物理化學(xué)常數(shù)的測定（如平衡常數(shù)等）3 儀器結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜4 應(yīng)用范圍廣泛（無機離子、有機化合物、生物大分子分析等）（一）有機化合物的吸收光譜生色團：含有p鍵不飽和官能團。助色團：基團本身無色，但能增強生色團顏色。影響紫外-可見光譜的因素：1) 共軛效應(yīng)：p電子共軛體系增大，波長紅移、

11、吸收增強；2) 取代基影響：能夠引起p電子永久性轉(zhuǎn)移的取代基使波長紅移（助色團）；3) 溶劑影響：一般情況下分子的激發(fā)態(tài)極性大于基態(tài)，因此溶劑極性增大有利于激發(fā)態(tài)穩(wěn)定，能量降低，波長紅移。（2） 無機化合物的吸收光譜電荷遷移躍遷光譜：輻射下，分子中原定域在金屬M軌道上 的電荷轉(zhuǎn)移到配位體L的軌道，或按相反方向轉(zhuǎn)移，所產(chǎn)生的吸收光譜稱為電荷遷移躍遷光譜。d-d 電子躍遷：絕大多數(shù)過渡金屬離子都具有未充滿的 d 軌道，按照晶體場理論，當(dāng)它們在溶液中與水或其它配體生成配合物時，受配體配位場的影響，原來能量相同的 d軌道發(fā)生能級分裂，產(chǎn)生 d-d 電子躍遷。（配體配位場越強，d 軌道分裂能越大，吸收波

12、長越短。）s® s*躍遷：多為飽和烴(能量很大，波長很短一般小于150nm)n® s* 躍遷：含有未共用電子對（n電子）原子的飽和化合物都可發(fā)生（波長150-250nm）p ® p* 和 n® p*：含有不飽和鍵的有機分子易發(fā)生這類躍遷(有機化合物的紫外-可見吸收光譜分析多以這兩類躍遷為基礎(chǔ))（波長大于200nm）吸收定律（朗伯-比爾定律）：偏離beer定率的主要因素：（1）beer定率本身局限（2）化學(xué)因素（3）儀器因素（光學(xué)因素）Beer定律只適合單色光：（1） 紫外-可見分光光度計：1、 光源：鎢絲燈、鹵鎢燈、氫燈和氘燈、氙燈2、 單色器：光柵棱鏡

13、3、 樣品室：石英 玻璃（石英池用于紫外可見光區(qū)的測量，玻璃池只能用于可見區(qū)）4、 檢測器：光電被增管 CCD單光束儀器的缺點： 1 操作麻煩2 不能進行吸收光譜的自動掃描3 光源不穩(wěn)定性影響測量精密度雙光束儀器的特點和不足：1 測量方便，不需要更換吸收池2 補償了儀器不穩(wěn)定性的影響3 實現(xiàn)了快速自動吸收光譜掃描4 不能消除試液的背景成分吸收干擾定性分析：1、與標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)、標(biāo)準(zhǔn)譜圖對比；同一物質(zhì)有相同吸收光譜圖，反之不一定是同一物質(zhì)。2、吸收波長和摩爾系數(shù)：不同基團化合物可能有相同的max值，但max有明顯差別；如樣品與標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的吸收波長和摩爾系數(shù)都相同，可認(rèn)定樣品與標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)為同一種物質(zhì)。定量分

14、析：1、 吸光系數(shù)法：A = ecl（如吸光系數(shù)已知，直接通過beer定律求得）2、 標(biāo)準(zhǔn)對照法：3、 標(biāo)準(zhǔn)曲線法：配制一系列不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)溶液，在同一條件下分別測定吸光度， 然后以吸光度A為縱坐標(biāo)，濃度C為橫坐標(biāo)繪制A-C關(guān)系曲線。第5章 紅外吸收光譜法高波數(shù)段： 4000-1300cm-1（官能團區(qū)）低波數(shù)段： 1300cm-1以下（指紋區(qū)）紅外光譜的特點：（紅外光譜主要用于定性分析，但也可用于定量分析）。1 每種化合物均有紅外吸收，有機化合物的紅外光譜能提供豐富的結(jié)構(gòu)信息2 任何氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)樣品均可進行紅外光譜測定，這3 是其它儀器分析方法難以做到的4 常規(guī)紅外光譜儀器結(jié)構(gòu)簡單，價格

15、不貴5 樣品用量少，可達微克量級定性: 紅外光譜最重要的應(yīng)用是中紅外區(qū)有機化合物的結(jié)構(gòu)鑒定。通過與標(biāo)準(zhǔn)譜圖比較，可以確定化合物的結(jié)構(gòu)；對于未知樣品，通過官能團、順反異構(gòu)、取代基位置、氫鍵結(jié)合以及絡(luò)合物的形成等結(jié)構(gòu)信息可以推測結(jié)構(gòu)。定量: 近年來紅外光譜的定量分析應(yīng)用也有不少報道,尤其是近紅外、遠紅外區(qū)的研究報告在增加。如近紅外區(qū)用于含有與C，N，O等原子相連基團化合物的定量；遠紅外區(qū)用于無機化合物研究等。非直線型分子：分子繞其重心的轉(zhuǎn)動有3個自由度，分子重心的平移運動又需要3個自由度，因此剩余的3n-6個自由度是分子的基本振動數(shù)。直線型分子：沿其鍵軸方向的轉(zhuǎn)動不可能發(fā)生，轉(zhuǎn)動只需要兩個自由度，

16、分子基本振動數(shù)為3n-5?；菊駝佑址Q簡正振動。  紅外光譜用于定量分析遠遠不如紫外-可見光譜法。其原因是：主要缺點：1、光源強度弱，測量精度低；2、光譜通帶寬，吸收線窄，偏離吸收定律；3、紅外吸收池光程短，紅外吸收弱，靈敏度低；4、樣品吸收峰多，難找到不受干擾的吸收峰。（1）光源Nernst燈炭化硅棒涂有稀土化合物的Ni-Cr螺旋燈絲（2）單色器可采用棱鏡和光柵（3）檢測器熱檢測器熱電偶等光檢測器InSb、InAs、PbSe等半導(dǎo)體材料（受光照射后導(dǎo)電性變化而產(chǎn)生信號）（4） 吸收池譜圖解析順序 ：（1）根據(jù)質(zhì)譜、元素分析結(jié)果得到分子式。（2）由分子式計算不飽和度U。U=四價元素數(shù)

17、 -（一價元素數(shù)/2）+（三價元素數(shù)/2）+ 1如苯，U=6-6/2+1=4 （3）可以先觀察官能團區(qū)，找出存在的官能團，再看指紋區(qū)。如果是芳香族化合物，應(yīng)定出苯環(huán)取代位置。 根據(jù)官能團及化學(xué)合理性，拼湊可能的結(jié)構(gòu)。 （4）進一步的確認(rèn)需與標(biāo)樣、標(biāo)準(zhǔn)譜圖對照及結(jié)合其它儀器分析手段得出的結(jié)論。（5）標(biāo)準(zhǔn)紅外譜圖集最常見的是薩特勒(Sadtler)紅外譜圖集。目前已建立有紅外譜圖的數(shù)據(jù)庫方便檢索。第6章 色譜分析法色譜法：是一種重要的分離分析方法，它是根據(jù)組分在兩相中作用能力不同而達到分離目的的。色譜流出曲線：指樣品注入色譜柱后，信號隨時間變化的曲線。（1）基線：無組分通過色譜柱時，檢測器的噪音隨

18、時間變化的曲線。（2）峰寬：峰底寬Wb 峰半寬W1/2標(biāo)準(zhǔn)偏差s（3）峰高：色譜峰最高點與基線之間的距離稱為色譜峰高，用h表示。第7章 質(zhì)譜分析法（MS）質(zhì)譜法:是一種按照離子的質(zhì)核比（m/z）大小對離子進行分離和測定的方法。質(zhì)譜法的主要作用是：（1）準(zhǔn)確測定物質(zhì)的分子量（2）根據(jù)碎片特征進行化合物的結(jié)構(gòu)分析分析時，首先將分子離子化，然后利用離子在電場或磁場中運動的性質(zhì)，把離子按質(zhì)核比大小排列成譜，此即為質(zhì)譜。質(zhì)譜儀的組成:進樣系統(tǒng)(inlet system)、離子源(ion source)、質(zhì)量分析器（mass analyzer）、檢測器（detecter）、真空系統(tǒng)（Vacuum syst

19、em）。1、樣品引入系統(tǒng)氣體直接導(dǎo)入或用氣相色譜進樣液體加熱汽化或霧化進樣固體用直接進樣探頭2、離子源(ion source) 主要作用是使分析物的分子離子化1) 電子電離源(electron ionization，EI)2) 化學(xué)電離源(chemical ionization，CI)3) 快原子轟擊(fast atom bombardment，F(xiàn)AB)4) 電噴霧源(electronspray ionization，ESI)5) 大氣壓化學(xué)電離（atmospheric pressure chemical ionization，APCI)6) 基質(zhì)輔助激光解吸電離（matrix assiste

20、d laser Desorption ionization，MALDI)電噴霧源特點：1) .適用于強極性，大分子量的樣品分析如肽，蛋白質(zhì)，糖等2) 產(chǎn)生的離子帶有多電荷3) 主要用于液相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀基質(zhì)輔助激光解吸電離特點：生物大分子特別是蛋白質(zhì)分子量的測定.3、 質(zhì)量分析器(mass analyzer)1) 單聚焦分析器（single focusing mass analyzer）2) 雙聚焦分析器（double focusing mass analyzer）3) 四極桿分析器 (quadrupole analyzer)4) 離子阱分析器 (Ion trap)5) 飛行時間分析器(time of flight）6) 富立葉變換離子回旋共振（Fourier tranform ion cyclotron resonance）離子阱分析器 (Ion trap)特點：1) 結(jié)構(gòu)簡單2) 靈敏度高3) 適于小型聯(lián)用儀器（GC-MS）飛行時間分析器(time of flight）特點：1) 儀器結(jié)構(gòu)簡單,不需要磁場、電場等；2) 掃描速度快，可在10-5 s內(nèi)觀察到整段圖譜；3) 無聚焦狹縫，靈敏度很高；4) 可用于大分子的分析（幾十萬原子量單位），在生命科學(xué)中用途很廣；4、 真空系