《光譜分析法概論》PPT課件

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1、儀 器 分 析藥 物 分 析 教 研 室何 丹 1. 分 析 化 學(xué) 是 做 什 么 的 ？ （ 任 務(wù) ） 分 析 化 學(xué) : 研 究 物 質(zhì) 的 化 學(xué) 組 成 和 結(jié) 構(gòu) 1） What ? 定 性 分 析 (qualitative analysis): 目 標(biāo) 物 質(zhì) 的 原子 、 分 子 或 功 能 基 團(tuán) 組 成 信 息 ；2） H ow much ? 定 量 分 析 (quantitative analysis): 目 標(biāo) 物 質(zhì)的 數(shù) 量 信 息 。 2. 分 析 化 學(xué) 分 類 化 學(xué) 分 析化 學(xué) 分 離 ： 沉 淀 、 萃 取 、 蒸 餾 等 分 離 方 法 ；定 性 方

2、 法 ： 加 入 各 種 試 劑 ， 測(cè) 量 待 測(cè) 物 的 顏 色 、 沸 熔 點(diǎn) 、 氣味 、 光 學(xué) 性 質(zhì) （ 拆 射 、 反 射 、 衍 射 等 ） 以 及 在 不 同 溶 劑 中 的溶 解 特 性 。定 量 方 法 ： 重 量 法 、 容 量 法 儀 器 分 析化 學(xué) 分 離 ： 色 譜 技 術(shù) 和 毛 細(xì) 管 電 泳 技 術(shù) 開(kāi) 始 取 代 沉 淀 、 萃 取 、蒸 餾 等 分 離 方 法 ；定 性 定 量 方 法 ： 利 用 物 質(zhì) 原 子 、 分 子 結(jié) 構(gòu) 的 特 性 ， 光 譜 、 波譜 、 色 譜 。 3. 儀 器 分 析 應(yīng) 用 領(lǐng) 域社 會(huì) ： 體 育 （ 興 奮

3、劑 ） 、 生 活 產(chǎn) 品 質(zhì) 量 （ 魚(yú) 新 鮮 度 、 食 品添 加 劑 、 農(nóng) 藥 殘 留 量 ） 、 環(huán) 境 質(zhì) 量 （ 污 染 實(shí) 時(shí) 檢 測(cè) ） 、 法庭 化 學(xué) （ DNA技 術(shù) ， 物 證 ）化 學(xué) ： 新 化 合 物 的 結(jié) 構(gòu) 表 征 ； 分 子 層 次 上 的 分 析 方 法 ；生 命 科 學(xué) ： DNA測(cè) 序 ； 活 體 檢 測(cè) ；環(huán) 境 科 學(xué) ： 環(huán) 境 監(jiān) 測(cè) ； 污 染 物 分 析 ；材 料 科 學(xué) ： 新 材 料 ， 結(jié) 構(gòu) 與 性 能 ；藥 物 ： 藥 物 的 結(jié) 構(gòu) 鑒 定 、 定 性 定 量 分 析 、 建 立 方 法 實(shí) 例如 何 知 道 某 種 蛋

4、白 質(zhì) 的 氨 基 酸 組 成 及 含 量 ?如 何 知 道 中 藥 制 劑 中 主 要 有 效 成 分 的 百 分 含 量 ？Amono acid Number of amino acid in a BSA moleculeLiterature value ResultThr(蘇 氨 酸 ) 34 32.8Ser(絲 氨 酸 ) 28 28.2Glu(谷 氨 酸 ) 79 78.9 Pro(脯 氨 酸 ) 28 29.8Gly(甘 氨 酸 ) 16 19.1Ala(丙 氨 酸 ) 46 46Val(纈 氨 酸 ) 36 34.6Met(蛋 氨 酸 ) 4 4.6lle(異 亮 氨 酸 ) 1

5、4 45.6Leu(亮 氨 酸 ) 61 59.9Tyr(酪 氨 酸 ) 19 20.7Phe(苯 丙 氨 酸 ) 27 28.7Lys(賴 氨 酸 ) 59 53.8His(組 氨 酸 ) 17 17.7 電 位 分 析 法電 導(dǎo) 分 析 法電 解 分 析 法 庫(kù) 侖 分 析 法 極 譜 分 析 法電 化 學(xué) 分 析 法儀 器 分 析方 法原 子 光 譜 法 （ AAS）分 子 光 譜 法 （ UV-Vis、 IR）X射 線 光 譜 法 核 磁 共 振 波 譜 法光 學(xué) 分 析 法光 譜 分 析 法非 光 譜 分 析 法 其 他 儀 器分 析 法質(zhì) 譜 分 析 法 熱 分 析 法放 射 化

6、學(xué) 分 析 法色 譜 分 析 法氣 相 色 譜 法高 效 液 相 色 譜 法薄 層 色 譜 分 析 法紙 色 譜 法 4.種 類 第 九 章 光 譜 分 析 法 概 論 光 學(xué) 分 析 法 （ optical analysis)： 基 于 物 質(zhì) 發(fā) 射 的 電 磁 輻 射或 物 質(zhì) 與 輻 射 相 互 作 用 后 產(chǎn) 生 的 輻 射 信 號(hào) 或 發(fā) 生 的 信 號(hào) 變 化來(lái) 測(cè) 定 物 質(zhì) 的 性 質(zhì) 、 含 量 和 結(jié) 構(gòu) 的 儀 器 分 析 方 法 。 例 如 ： KMnO 4溶 液 選 擇 吸 收 了 白 光 中 的 綠 色 (500560nm)光 ，與 綠 色 光 互 補(bǔ) 的 紫 色

7、 光 因 未 被 吸 收 而 透 過(guò) 溶 液 ， 所 以 KMnO4溶 液 呈 現(xiàn) 紫 色 。 1電 磁 輻 射 及 其 與 物 質(zhì) 的 相 互 作 用光 的 波 動(dòng) 性 （ 波 長(zhǎng) ） -空 間 參 數(shù) （ 頻 率 ） -時(shí) 間 參 數(shù) 波 數(shù) c（ 光 速 ） ; 1 = / c（ 波 數(shù) ） ; c c 光 的 微 粒 性 E = h = hc/= hc hPlancks constant(普 朗 克 常 數(shù) ) h= 6.6262 10 -34J.sec c =3 1010cm/sec計(jì) 算 1mol波 長(zhǎng) 為 200nm的 光 子 的 能 量 E （J)E 57 231034 109

8、8.510200 1002217.610997925.2106262.6 磁 場(chǎng) 向 量 電 場(chǎng) 向 量 傳 播 方 向YZ X 與 物 質(zhì) 作 用 紫 蘭 綠 黃 橙 紅 300 400 500 600 700 800nm 可 見(jiàn) 光 區(qū) 宇 宙 射 線 射 線 X射 線 遠(yuǎn) 紫 外 紅 外 微 波 區(qū) 無(wú) 線 電 波 10-6 10-3 10-1 101 103 105 109 1012 E 1mm 124ev 102ev 10 3ev 10-3ev 能 譜 分 析 光 譜 分 析 波 譜 分 析 X 衍 射 分 析 紫 外 、 可 見(jiàn) 核 磁 共 振 紅 外 、 原 子 吸 收 電 磁

9、波 譜 電 磁 輻 射 與 物 質(zhì) 的 相 互 作 用物 質(zhì) 內(nèi) 能 不 變 化透 射 、 散 射 、 反 射 、 折 射 和 衍 射 等 物 理 現(xiàn) 象物 質(zhì) 內(nèi) 能 變 化對(duì) 光 的 吸 收 、 產(chǎn) 生 熒 光 、 磷 光 和 拉 曼 散 射吸 收發(fā) 射拉 曼 散 射折 射 和 反 射干 涉 和 衍 射 -2 光 學(xué) 分 析 法 的 分 類 一 、 光 譜 法 (Spectrometry)： 利 用 物 質(zhì) 與 電 磁 輻 射 作 用 時(shí) ， 物 質(zhì) 內(nèi) 部 發(fā) 生 量 子 化 能 級(jí) 躍遷 而 產(chǎn) 生 的 吸 收 、 發(fā) 射 或 散 射 等 電 磁 輻 射 的 強(qiáng) 度 隨 波 長(zhǎng) 變化

10、的 定 性 、 定 量 分 析 方 法 。 按 能 量 交 換 方 向 分 吸 收 光 譜 法 發(fā) 射 光 譜 法 按 作 用 結(jié) 果 不 同 分 原 子 光 譜 線 狀 光 譜 分 子 光 譜 帶 狀 光 譜 非 光 譜 法 利 用 物 質(zhì) 與 電 磁 輻 射 的 相 互 作 用 ,測(cè) 定 電 磁 輻 射 的 反 射 、 折射 、 干 涉 、 衍 射 和 偏 振 等 基 本 性 質(zhì) 變 化 的 分 析 方 法 。 分 類 ： 折 射 法 、 旋 光 法 、 比 濁 法 、 射 線 衍 射 法 二 、 原 子 光 譜 和 分 子 光 譜原 子 光 譜電 子 能 級(jí) 的 電 子 躍 遷電 子 光

11、 譜線 狀 光 譜 分 子 光 譜紫 外 可 見(jiàn) 紅 外電 子 能 級(jí) 的 電 子 躍 遷兼 有 振 動(dòng) 精 細(xì) 結(jié) 構(gòu) 的電 子 光 譜帶 狀 光 譜 振 動(dòng) 能 級(jí) 的 電 子 躍 遷兼 有 轉(zhuǎn) 動(dòng) 精 細(xì) 結(jié) 構(gòu) 的振 動(dòng) 光 譜帶 狀 光 譜 基態(tài)電子 激發(fā)態(tài)電子 原子核 Li原子示意圖1S2S 2P3S 電子能級(jí)間的躍遷,屬電子光譜,線狀光譜。 A 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 nm 分子的能級(jí)及電子在能級(jí)間的躍遷 v3 J v2 J 電 子 v1 激 發(fā) 態(tài) vo J v 3 v2 J 電子 v1 J 基態(tài) v0 J 電子 振動(dòng) 轉(zhuǎn)動(dòng) 能

12、級(jí) 能級(jí) 能級(jí) 分子能級(jí) 能級(jí)差 反映的信息 電子能級(jí) E 1-20 ev 反映價(jià)電子能量狀 （紫外可見(jiàn)波區(qū)） 況等信息可給出物質(zhì) 的化學(xué)性質(zhì)的信息。 (主要用于定量測(cè)定) 振動(dòng)能級(jí) E 0.05-1 ev 反映價(jià)鍵特性等結(jié) （紅外波區(qū)） 構(gòu)信息。主要用于定 性，定量比UV/Vis 差。 轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí) E 0.005-0.05ev 反映分子大小、鍵 （遠(yuǎn)紅外區(qū)） 長(zhǎng)度、折合質(zhì)量等分 子特性的信息。 理 想 分 子 光 譜 的 示 意 圖 A 紫 外 可 見(jiàn) 紅 外 遠(yuǎn) 紅 外 微 波 電 子 躍 遷 振 動(dòng) 精 細(xì) 結(jié) 構(gòu) 振 動(dòng) 躍 遷 轉(zhuǎn) 動(dòng) 精 細(xì) 結(jié) 構(gòu) 轉(zhuǎn) 動(dòng) 躍 遷 200 2000

13、20000 波 長(zhǎng) (nm) 原子光譜和分子光譜特征純 電 子 能 態(tài) 間 躍 遷S2S1S0S3h E2E0E1E3S2S 1S0h A 分 子 內(nèi) 電 子 躍 遷 帶 狀 光 譜線 狀 光 譜 A 分 子 形 成 帶 狀 光 譜 的 原 因 1、 能 級(jí) 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 。 2、 色 散 元 件 難 以 將 譜 線 完 全 分 開(kāi) 吸 收 光 譜 法 當(dāng) 物 質(zhì) 所 吸 收 的 電 磁 輻 射 能 與 該 物 質(zhì) 的 原 子 核 、 原 子或 分 子 的 兩 個(gè) 能 級(jí)

14、 間 躍 遷 所 需 的 能 量 滿 足 E = hv的 關(guān) 系時(shí) ， 將 產(chǎn) 生 吸 收 光 譜 。 1) 紅 外 吸 收 光 譜 ： 分 子 振 動(dòng) 光 譜 ， 吸 收 光 波 長(zhǎng) 范 圍 2.51000 m ,主 要 用 于 有 機(jī) 化 合 物 結(jié) 構(gòu) 鑒 定 。 2) 紫 外 吸 收 光 譜 ： 電 子 躍 遷 光 譜 ， 吸 收 光 波 長(zhǎng) 范 圍 200400 nm（ 近 紫 外 區(qū) ） ， 可 用 于 結(jié) 構(gòu) 鑒 定 和 定 量 分 析 。 3) 可 見(jiàn) 吸 收 光 譜 ： 電 子 躍 遷 光 譜 ， 吸 收 光 波 長(zhǎng) 范 圍 400760 nm ， 主 要 用 于 有 色 物

15、 質(zhì) 的 定 量 分 析 。 4) 原 子 吸 收 光 譜 法三 、 吸 收 光 譜 與 發(fā) 射 光 譜 發(fā) 射 光 譜 法 物 質(zhì) 通 過(guò) 電 致 激 發(fā) 、 熱 致 激 發(fā) 或 光 致 激 發(fā) 等激 發(fā) 過(guò) 程 獲 得 能 量 ， 變 為 激 發(fā) 態(tài) 原 子 或 分 子 M* ，當(dāng) 從 激 發(fā) 態(tài) 過(guò) 渡 到 低 能 態(tài) 或 基 態(tài) 時(shí) 產(chǎn) 生 發(fā) 射 光 譜 。線 光 譜 ： 是 由 氣 態(tài) 或 高 溫 下 物 質(zhì) 在 解 離 為 原 子 或 離 子 時(shí) 被 激 發(fā) 后 而 發(fā) 射 的 光 譜帶 光 譜 ： 分 子 被 激 發(fā) 后 而 發(fā) 射 的 光 譜連 續(xù) 光 譜 ： 固 體 加 熱

16、 至 熾 熱 會(huì) 發(fā) 射 連 續(xù) 光 譜 ， 這 類 熱 輻 射 稱 為 黑 體 輻 射 。 物 質(zhì) 吸 收 和 發(fā) 光 的 過(guò) 程 示 意 圖 第二激發(fā)態(tài) 第一激發(fā)態(tài)h = E 三重態(tài) 振動(dòng)能級(jí) 基態(tài) 吸收 無(wú)輻射退激 熒光 磷光 共振發(fā)射 不 發(fā) 光 ， 發(fā)熱 發(fā) 光 ， 波 長(zhǎng) 最短 ， 不 發(fā) 熱發(fā) 光 ， 波 長(zhǎng)最 長(zhǎng) ， 發(fā) 熱發(fā) 光 ， 波 長(zhǎng)變 長(zhǎng) ， 發(fā) 熱 3 光 譜 分 析 儀 一 、 光 源 光 譜 分 析 中 ， 光 源 必 須 具 有 足 夠 的 輸 出 功 率 和 穩(wěn) 定 性 。連 續(xù) 光 源 ： 在 很 大 的 波 長(zhǎng) 范 圍 內(nèi) 能 發(fā) 射 強(qiáng) 度 平 穩(wěn) 的

17、 具 有 連續(xù) 光 譜 的 光 源 。 紫 外 光 源 氫 燈 或 氘 燈 160 -375 nm 可 見(jiàn) 光 源 鎢 燈 或 氙 燈 200 - 700nm 紅 外 光 源 能 斯 特 燈 、 硅 碳 棒 6000- 200cm-1線 光 源 ： 金 屬 蒸 氣 燈 汞 燈 和 鈉 蒸 氣 燈 空 心 陰 極 燈 用 于 原 子 吸 收 光 譜 中 二 、 分 光 系 統(tǒng)將 復(fù) 合 光 分 解 成 單 色 光 或 有 一 定 波 長(zhǎng) 范 圍 的 譜 帶棱 鏡 棱 鏡 的 作 用 是 把 復(fù) 合 光 分 解 為 單 色 光 。 這 是 由 于 不 同 波 長(zhǎng) 的光 在 同 一 介 質(zhì) 中 具

18、有 不 同 的 折 射 率 而 形 成 的 。入 射 狹 縫 準(zhǔn) 直 透 鏡 棱 鏡 聚 焦 透 鏡 出 射 狹 縫白 光 紅紫 12 800 600 500400 光 柵 ： 在 鍍 鋁 的 玻 璃 表 面 刻 有 數(shù) 量 很 大 的 等 寬 度 等間 距 條 痕 (600、 1200、 2400條 /mm )。光 柵 衍 射 示 意 圖原 理 ： 利 用 光 通 過(guò) 光 柵 時(shí) 發(fā) 生 衍 射 和 干 涉 現(xiàn) 象 而分 光 . 邁 克 爾 干 涉 儀 工 作 原 理 圖 狹 縫 狹 縫 是 由 兩 片 經(jīng) 過(guò) 精 密 加 工 ， 且 具 有 銳 利 邊 緣的 金 屬 片 組 成 ， 其 兩

19、 邊 必 須 保 持 互 相 平 行 ， 并 且處 于 同 一 平 面 上 。狹 縫 寬 度 直 接 影 響 分 光 質(zhì) 量 過(guò) 寬 : 單 色 光 不 純 ,吸 收 度 變 值過(guò) 窄 : 光 通 量 變 小 ,靈 敏 度 降 低 三 、 檢 測(cè) 器 檢 測(cè) 器 可 分 為 兩 類 ， 一 類 對(duì) 光 子 有 響 應(yīng) 的 光 檢測(cè) 器 ， 另 一 類 為 對(duì) 熱 產(chǎn) 生 響 應(yīng) 的 熱 檢 測(cè) 器 。 光 檢 測(cè) 器 有 硒 光 電 池 、 光 電 管 、 光 電 倍 增 管 、半 導(dǎo) 體 等 。 熱 檢 測(cè) 器 是 吸 收 輻 射 并 根 據(jù) 吸 收 引 起 的 熱 效 應(yīng)來(lái) 測(cè) 量 入 射

20、 輻 射 的 強(qiáng) 度 ， 包 括 真 空 熱 電 偶 、 熱電 檢 測(cè) 器 、 熱 電 偶 等 。 1. 同 一 電 子 能 級(jí) ， 振 動(dòng) 態(tài) 變 化 時(shí) 所 產(chǎn) 生 的 光 譜波 長(zhǎng) 范 圍 是 (1)可 見(jiàn) 光 區(qū) (2)紫 外 光 (3)紅 外 光 區(qū) (4)微 波 區(qū)2.在 光 學(xué) 分 析 法 中 , 采 用 鎢 燈 作 光 源 的 是 (1)原 子 光 譜 (2)分 子 光 譜 (3)可 見(jiàn) 分 子 光 譜 (4)紅 外 光 譜 3.可 以 概 述 三 種 原 子 光 譜 ( 吸 收 、 發(fā) 射 、 熒 光 )產(chǎn) 生機(jī) 理 的 是 (1)能 量 使 氣 態(tài) 原 子 外 層 電 子

21、產(chǎn) 生 發(fā) 射 光 譜 (2)輻 射 能 使 氣 態(tài) 基 態(tài) 原 子 外 層 電 子 產(chǎn) 生 躍 遷 (3)能 量 與 氣 態(tài) 原 子 外 層 電 子 相 互 作 用 (4)輻 射 能 使 原 子 內(nèi) 層 電 子 產(chǎn) 生 躍 遷4. 電 子 能 級(jí) 間 隔 越 小 , 躍 遷 時(shí) 吸 收 光 子 的 (1)能 量 越 大 (2)波 長(zhǎng) 越 長(zhǎng) (3)波 數(shù) 越 大 (4)頻 率 越 高 紫 外 可 見(jiàn) 光 譜 屬 于 吸 收 光 譜 ， 熒 光 、 磷 光 屬 于 發(fā) 射 光 譜 光 學(xué) 分 析 法 是 建 立 在 物 質(zhì) 與 電 磁 輻 射 互 相 作 用 基 礎(chǔ) 上 的一 類 分 析 方 法 . 帶 光 譜 是 由 分 子 中 電 子 能 級(jí) 、 振 動(dòng) 和 轉(zhuǎn) 動(dòng) 能 級(jí) 的 躍 遷 ；產(chǎn) 生 的 , 線 光 譜 是 由 原 子 或 離 子 的 外 層 或 內(nèi) 層 電 子 能 級(jí) 的躍 遷 產(chǎn) 生 的 。