有機(jī)波譜學(xué)概論

有機(jī)波譜學(xué)概論第一頁，共三十九頁，2022年，8月28日本課程設(shè)置目的了解波譜分析的的主要內(nèi)容和應(yīng)用領(lǐng)域掌握紅外光譜、紫外可見光譜、核磁共振光譜和質(zhì)譜的基本原理和儀器構(gòu)造學(xué)習(xí)掌握應(yīng)用上述分析方法解決有機(jī)材料，特別是高分子材料的結(jié)構(gòu)分析問題，以及該領(lǐng)域的最新發(fā)展動態(tài)。第二頁，共三十九頁，2022年，8月28日什么是有機(jī)波譜分析？有機(jī)波譜分析的主要任務(wù)是什么？有機(jī)波譜分析可以解決那些問題？有機(jī)波譜分析是采用波譜分析手段對有機(jī)物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行定性分析的方法和原理，是非常重要的現(xiàn)代分析手段和方法。有機(jī)波譜分析的主要任務(wù)是通過各種有機(jī)物質(zhì)分子的波譜響應(yīng)規(guī)律探索測量其分子結(jié)構(gòu)和組成。通過有機(jī)波譜分析，人們可以了解未知物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)。（是什么？）第三頁，共三十九頁，2022年，8月28日有關(guān)分析化學(xué)的相關(guān)概念和分類1.分析化學(xué):是化學(xué)量測和表征的科學(xué)，化學(xué)量測—獲取指定體系中有關(guān)物質(zhì)的質(zhì)、量和結(jié)構(gòu)等各種信息；表征——是精確地描述其成分、含量、價態(tài)、狀態(tài)、結(jié)構(gòu)和分布等特征。2.分析化學(xué)的目的：得到被分析體系中分子的結(jié)構(gòu)和組成信息，前者為定性分析過程，主要獲知物質(zhì)的結(jié)構(gòu)信息，后者為定量分析過程，主要獲知物質(zhì)體系中不同成分之間的量的關(guān)系。3.分析化學(xué)的操作過程施加分析信號（物理或化學(xué)信號）-獲得反饋信號-信號分析（信息處理）-得到分析結(jié)果（是什么，有多少）第四頁，共三十九頁，2022年，8月28日分析化學(xué)學(xué)科的主要內(nèi)容：分析化學(xué)原理—分析方法的理論依據(jù)、分析化學(xué)方法—獲取化學(xué)信息的手段和方式、分析化學(xué)儀器和裝置—獲取化學(xué)信息的物質(zhì)基礎(chǔ)，分析化學(xué)結(jié)果的表述—對分析結(jié)果進(jìn)行科學(xué)準(zhǔn)確的處理和描述第五頁，共三十九頁，2022年，8月28日分析化學(xué)方法分類：根據(jù)分析目的：定性分析化學(xué)，定量分析化學(xué)根據(jù)分析原理：儀器分析（依據(jù)分析的物理性質(zhì)）和化學(xué)分析（依據(jù)分子的化學(xué)性質(zhì)）儀器分析方法：光學(xué)分析法，電化學(xué)分析法，色譜分析法，熱分析法，質(zhì)量分析法光學(xué)分析方法：發(fā)射光譜，吸收光譜，衍射光譜，散射光譜，折射光譜，偏振光譜有機(jī)波譜分析：有機(jī)質(zhì)譜，核磁共振譜，紅外光譜，激光拉曼光譜，紫外可見光譜第六頁，共三十九頁，2022年，8月28日分析方法化學(xué)分析

儀器分析定性分析定量分析光譜分析法電化學(xué)分析法色譜分析熱分析重量法容量法（酸堿、絡(luò)合、氧化-還原、沉淀等滴定法）第七頁，共三十九頁，2022年，8月28日儀器分析電化學(xué)分析光化學(xué)分析色譜分析波譜分析電導(dǎo)、電位、電解、庫侖極譜、伏安發(fā)射、吸收，熒光、光度氣相、液相、離子、超臨界、薄層、毛細(xì)管電泳紅外、核磁、質(zhì)譜第八頁，共三十九頁，2022年，8月28日光譜分析法原子光譜法分子光譜法其它波譜法原子發(fā)射光譜法原子吸收光譜法原子熒光光譜法紫外-可見吸收光譜法紅外吸收光譜法分子熒光與磷光光譜法化學(xué)發(fā)光光譜法拉曼光譜法核磁共振波譜法質(zhì)譜法第九頁，共三十九頁，2022年，8月28日電化學(xué)分析法電導(dǎo)分析法電位分析法（pH與離子選擇性電極）電流分析法（庫侖分析和電重量法）伏安分析法（極譜和溶出伏安法）分離法色譜分離法電泳分離法氣相色譜法液相色譜法超臨界流體色譜法毛細(xì)管電泳法毛細(xì)管電動色譜法第十頁，共三十九頁，2022年，8月28日

分析化學(xué)主要發(fā)展趨向化學(xué)計(jì)量學(xué)在線分析實(shí)時分析原位分析活體分析教育定性傳感器固定化接口自動化微型化新原理新技術(shù)新儀器分離技術(shù)聯(lián)用技術(shù)儀器和計(jì)算機(jī)其它科技領(lǐng)域生物分析環(huán)境分析過程分析表面分析大分子表征化學(xué)圖象無損分析單細(xì)胞分析單分子單聚集體分析第十一頁，共三十九頁，2022年，8月28日與分析儀器發(fā)明相關(guān)的諾貝爾獎獲得者1901 Rontgenetal 首次發(fā)現(xiàn)X射線存在1907 Michelsonetal 首次制造精密光譜儀器1922 Astonetal 發(fā)明質(zhì)譜測定同位素1923 Pregletal 發(fā)明有機(jī)物微量分析1930 Ramanetal 發(fā)現(xiàn)拉曼效應(yīng)1944 Rabietal 用共振方法記錄原子核磁性1948 Tiseliusetal 用電泳法發(fā)現(xiàn)血漿蛋白性質(zhì)1952 Blochetal 發(fā)展核磁共振精細(xì)測量法1952 Martinetal 發(fā)明分配色譜1959 Heyrovskyetal 發(fā)明極譜法1981 Siegbahnetal 發(fā)明高分辨電子光譜法1981 Bloembergenetal 發(fā)展激光光譜學(xué)1991 Ernstetal 對高分辨核磁共振方法發(fā)展第十二頁，共三十九頁，2022年，8月28日第一章有機(jī)波譜學(xué)概論IndroductionofOrgainicSpectrscopy第十三頁，共三十九頁，2022年，8月28日第一章有機(jī)波譜學(xué)概述有機(jī)分析的基本任務(wù)常見有機(jī)分析方法波譜分析的基本原理常見波譜分析的適用范圍第十四頁，共三十九頁，2022年，8月28日第一節(jié)有機(jī)分析的基本任務(wù)材料學(xué)研究的內(nèi)容：材料的制備技術(shù)，材料的分析與表征技術(shù)，材料的結(jié)構(gòu)與性能研究，材料的應(yīng)用研究材料分子與表征研究內(nèi)容：材料的性能分析與測定，材料的組成和結(jié)構(gòu)分析與測定

材料組成與結(jié)構(gòu)分析的內(nèi)容：組成分析，分子結(jié)構(gòu)分析，材料微觀結(jié)構(gòu)分析，表面和界面分析第十五頁，共三十九頁，2022年，8月28日有機(jī)波譜分析在材料學(xué)中的位置第十六頁，共三十九頁，2022年，8月28日材料的組成與結(jié)構(gòu)組成：元素組成，分子（化學(xué)物質(zhì)）組成，晶體組成等分子結(jié)構(gòu)：高分子的鏈結(jié)構(gòu)，官能團(tuán)結(jié)構(gòu)，交連與支化結(jié)構(gòu)等材料的微觀結(jié)構(gòu)：聚集態(tài)結(jié)構(gòu)（晶態(tài)、非晶態(tài)，玻璃態(tài)等），相態(tài)結(jié)構(gòu)，取向結(jié)構(gòu)等表面和界面：為相界面，表面通常指固體材料與真空或氣態(tài)物質(zhì)的界面，界面指固體材料與固體材料或液體材料之間的界面。界面組成、界面結(jié)構(gòu)和界面狀態(tài)是界面分析的主要內(nèi)容

第十七頁，共三十九頁，2022年，8月28日可用于結(jié)構(gòu)分析的物理性質(zhì)

測定的物理性質(zhì) 相應(yīng)的分析方法質(zhì)量 重量分析法容量（體積） 容量分析法輻射的吸收 波譜法、比色法，原子吸收輻射的發(fā)射 發(fā)射光譜法，熒光法，光度法、放射化學(xué)法輻射的散射 比濁法，激光拉曼法輻射的折射 折射法，干涉法輻射的衍射 X-射線分析，電子射線分析輻射的旋光 偏振法、旋光法、圓二色法電位 電位法，伏安法電流 極譜法，電流滴定法電導(dǎo) 電導(dǎo)法電量 庫侖法質(zhì)量-電荷比 質(zhì)譜法熱性質(zhì) 量熱法第十八頁，共三十九頁，2022年，8月28日第二節(jié)常見有機(jī)分析方法化學(xué)分析：GMA，VMA，CM儀器分析：色譜分析（GC,LC,TLC,GPC,EC）、波譜分析(UV,IR,NMR,MS,ESR，AAS,AES),熱分析(DTA,DSC,TG)、衍射分析（ED，ND，XRD)、顯微分析（microscopy，EM，SEM）、電分析（PM、polarography、CM、CM、DM介電松弛譜等）

第十九頁，共三十九頁，2022年，8月28日第三節(jié)波譜分析的基本原理

電磁波：電場與磁場相互作用的一種能量傳播形式，具有粒子和波雙重屬性。光的基本屬性：吸收、反射、折射、透射、衍射、干涉、偏振等。波譜分析：光譜分析法是基于檢測能量（電磁輻射）作用于待測物質(zhì)后產(chǎn)生的輻射信號或所引起的變化的分析方法。這些電磁輻射包括從射線到無線電波的所有電磁波譜范圍。電磁波的吸收與發(fā)射：一種輻射能量耗散與能量輸出過程。吸收與發(fā)射具有選擇性（共振吸收）

物質(zhì)結(jié)構(gòu)的能量吸收與弛豫現(xiàn)象：物質(zhì)可以吸收與其結(jié)構(gòu)變化能量相匹配的輻射，并將吸收能量轉(zhuǎn)化成熱、光、電、化學(xué)等形式。物質(zhì)的輻射發(fā)射：物質(zhì)吸收某種能量，并轉(zhuǎn)換成輻射形式輸出，發(fā)射電磁波的能量與物質(zhì)結(jié)構(gòu)變化能量有關(guān)。

第二十頁，共三十九頁，2022年，8月28日一、光分析法及其特點(diǎn)

opticalanalysisanditscharacteristics光分析法：基于電磁輻射能量與待測物質(zhì)相互作用后所產(chǎn)生的輻射信號與物質(zhì)組成及結(jié)構(gòu)關(guān)系所建立起來的分析方法；電磁輻射范圍：射線～無線電波所有范圍；相互作用方式：發(fā)射、吸收、反射、折射、散射、干涉、衍射等；

注意：光分析法在研究物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)表征、表面分析等方面具有其他方法不可區(qū)代的地位；第二十一頁，共三十九頁，2022年，8月28日輻射能量與物質(zhì)結(jié)構(gòu)之間的相關(guān)性第二十二頁，共三十九頁，2022年，8月28日第二十三頁，共三十九頁，2022年，8月28日電磁輻射與物質(zhì)相互作用的三個基本過程：（1）能源提供能量；（2）能量與被測物之間的相互作用；（3）產(chǎn)生信號。基本特點(diǎn)：（1）所有光分析法均包含三個基本過程；（2）不適合混合物測定（不同于色譜分析）（3）涉及大量光學(xué)元器件。第二十四頁，共三十九頁，2022年，8月28日二、電磁輻射的基本性質(zhì)

basicpropertiesofelectromagneticradiation電磁輻射（電磁波）：以接近光速（真空中為光速）傳播的能量；

c=λν=ν/σ

E=hν=hc/λc：光速；λ：波長；ν：頻率；σ：波數(shù)；E：能量；h：普朗克常數(shù)電磁輻射具有波動性和微粒性；第二十五頁，共三十九頁，2022年，8月28日輻射能的特性：(1)吸收物質(zhì)選擇性吸收特定頻率的輻射能，并從低能級躍遷到高能級；

(2)

發(fā)射將吸收的能量以光的形式釋放出；

(3)散射瑞利(Reyleigh)散射和拉曼(laman)散射；

(4)折射折射是光在兩種介質(zhì)中的傳播速度不同產(chǎn)生的方向變化；

(5)反射反射與入射方向相反

(6)干涉兩束光相互疊加產(chǎn)生干涉現(xiàn)象；

(7)衍射光繞過物體而彎曲地向后面?zhèn)鞑サ默F(xiàn)象；

(8)偏振只在一個固定方向有振動的光稱為平面偏振光第二十六頁，共三十九頁，2022年，8月28日物質(zhì)輻射的吸收與發(fā)射過程第二十七頁，共三十九頁，2022年，8月28日三、光分析分類

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opticalanalysis光譜法——基于物質(zhì)與輻射能作用時，分子發(fā)生能級躍遷而產(chǎn)生的發(fā)射、吸收或散射的波長或強(qiáng)度進(jìn)行分析的方法；原子光譜、分子光譜、非光譜法原子光譜（線性光譜）：最常見的三種基于原子外層電子躍遷的原子吸收光譜（AAS）；原子發(fā)射光譜（AES）、原子熒光光譜（AFS）；基于原子內(nèi)層電子躍遷的X射線熒光光譜（XFS）；基于原子核與射線作用的穆斯堡譜；第二十八頁，共三十九頁，2022年，8月28日光譜分析法可分為光譜法和非光譜法兩大類。1.光譜法是基于物質(zhì)與輻射能作用時，測量由物質(zhì)內(nèi)部發(fā)生量子化的能級之間的躍遷而產(chǎn)生的發(fā)射、吸收或散射輻射的波長和強(qiáng)度進(jìn)行分析的方法。2.光譜法可根據(jù)分析對象進(jìn)一步分為原子光譜法和分子光譜法。3.原子光譜法是由原子外層或內(nèi)層電子能級的變化產(chǎn)生的，它的表現(xiàn)形式為線光譜。屬于這類分析方法的有原子發(fā)射光譜法（AES）、原子吸收光譜法（AAS），原子熒光光譜法（AFS）以及X射線熒光光譜法（XFS）等。4.分子光譜法是由分子中電子能級、振動和轉(zhuǎn)動能級的變化產(chǎn)生的，表現(xiàn)形式為帶光譜。屬于這類分析方法的有紫外-可見分光光度法（UV-Vis），紅外光譜法（IR），分子熒光光譜法（MFS）和分子磷光光譜法（MPS）等。5.非光譜法是基于物質(zhì)與輻射相互作用時，測量輻射的某些性質(zhì)，如折射、散射、干涉、衍射、偏振等變化的分析方法。非光譜法不涉及物質(zhì)內(nèi)部能級的躍遷，電磁輻射只改變了傳播方向、速度或某些物理性質(zhì)。屬于這類分析方法的有折射法、偏振法、光散射法、干涉法、衍射法、旋光法和圓二向色性法等。第二十九頁，共三十九頁，2022年，8月28日分子光譜（帶狀光譜）：基于分子中電子能級、振-轉(zhuǎn)能級躍遷；紫外光譜法（UV）；紅外光譜法（IR）；分子熒光光譜法（MFS）；分子磷光光譜法（MPS）；核磁共振與順磁共振波譜（N）；非光譜法：不涉及能級躍遷，物質(zhì)與輻射作用時，僅改變傳播方向等物理性質(zhì)；偏振法、干涉法、旋光法等；第三十頁，共三十九頁，2022年，8月28日光分析法光譜分析法非光譜分析法原子光譜分析法分子光譜分析法原子吸收光譜原子發(fā)射光譜原子熒光光譜X射線熒光光譜折射法圓二色性法X射線衍射法干涉法旋光法紫外光譜法紅外光譜法分子熒光光譜法分子磷光光譜法核磁共振波譜法第三十一頁，共三十九頁，2022年，8月28日光譜分析法吸收光譜法發(fā)射光譜法原子光譜法分子光譜法原子發(fā)射原子吸收原子熒光X射線熒光原子吸收紫外可見紅外可見核磁共振紫外可見紅外可見分子熒光分子磷光核磁共振化學(xué)發(fā)光原子發(fā)射原子熒光分子熒光分子磷光X射線熒光化學(xué)發(fā)光第三十二頁，共三十九頁，2022年，8月28日第四節(jié)常見波譜分析方法及其適用領(lǐng)域1.各種光譜分析方法簡介2.波譜分析的主要特點(diǎn)3.常用光譜分析方法的適用范圍第三十三頁，共三十九頁，2022年，8月28日一、各種光譜分析法簡介

abriefintroductionofopticalanalysis1.原子發(fā)射光譜分析法

以火焰、電弧、等離子炬等作為光源，使氣態(tài)原子的外層電子受激發(fā)射出特征光譜進(jìn)行定量分析的方法。2.原子吸收光譜分析法

利用特殊光源發(fā)射出待測元素的共振線，并將溶液中離子轉(zhuǎn)變成氣態(tài)原子后，測定氣態(tài)原子對共振線吸收而進(jìn)行的定量分析方法。第三十四頁，共三十九頁，2022年，8月28日3.原子熒光分析法氣態(tài)原子吸收特征波長的輻射后，外層電子從基態(tài)或低能態(tài)躍遷到高能態(tài)，后躍回基態(tài)或低能態(tài)時，發(fā)射出特征不同的熒光輻射，在與光源成90度的方向上，測定熒光強(qiáng)度進(jìn)行定性和定量分析的方法。

4.分子熒光分析法

物質(zhì)被紫外光照射激發(fā)后，在回到基態(tài)的過程中發(fā)射出比原激發(fā)波長更長的熒光，通過測量熒光強(qiáng)度和熒光光譜進(jìn)行的定性和定量分析方法。

第三十五頁，共三十九頁，2022年，8月28日發(fā)射、吸收、熒光三種光譜分析過程示意圖第三十六頁，共三十九頁，2022年，8月28日5.分子磷光分析法

處于第一最低單重激發(fā)態(tài)分子以無輻射弛豫方式進(jìn)入第一三重激發(fā)態(tài)，再躍遷返回基態(tài)