1、 1 “ 仪仪 器器 分分 析析 ” 讲讲 课课 提提 纲纲 (Instrumental analysis) 第第 一一 章章 绪绪 言言 (Chapter one introduction) 一一 、 分分 析析 化化 学学 与与 仪仪 器器 分分 析析 (analytical chemistry and instrumental analysis) 分分 析析 ： 是是 指指 对对 物物 质质 和和 事事 进进 行行 研研 究究 ， 取取 得得 信信 息息 ， 以以 确确 定定 物物 质质 的的 组组 成成 、 结结 构构 或或 事事 物物 的的 变变 化化 特特 征征和和 规规 律律 。
2、 两两 类类 分分 析析 ： 物物 质质 分分 析析 （ substance analysis） 和和 事事 物物 分分 析析 (matter analysis) 事事 物物 分分 析析 研研 究究 方方 法法 ： 调调 查查 研研 究究 -归归 纳纳 -思思 考考 -特特 征征 和和 变变 化化 规规 律律 。 物物 质质 分分 析析 的的 研研 究究 方方 法法 ： 分分 析析 化化 学学 (analytical chemistry) 分析化学： 化学分析(chemical analysis)和物理物化分析（仪器分析， instrumental analysis） 化学分析：以物质的化学反
3、应为基础的分析方法。 物理物化分析：以物质的物理和物理化学性质为基础的分析方法。这类分析方法一般要依靠仪器来完成，故习惯上称为仪器分析。 二二 、 仪仪 器器 分分 析析 的的 分分 类类 （ The class of instrumental analysis） 光光 谱谱 分分 析析 (spectroscopic analysis)： 以以 物物 质质 的的 光光 学学 性性 质质 为为 基基 础础 的的 仪仪 器器 分分 析析 方方 法法 。 光光 学学 性性 质质 ： 吸吸 收收 ， 发发 射射 ， 散散 射射 ， 衍衍 射射 等等 。 电电 分分 析析 (electrical ana
4、lysis)： 电电 流流 分分 析析 ， 电电 位位 分分 析析 ， 电电 导导 分分 析析 ， 电电 重重 量量 分分 析析 ， 库库 仑仑 法法 ， 伏伏 安安 法法 。 分分 离离 分分 析析 (separate analysis)： 色色 谱谱 法法 ， 电电 泳泳 法法 ， 质质 谱谱 法法 。 其其 它它 (other analysis)： 电电 子子 显显 微微 镜镜 ， 超超 速速 离离 心心 机机 ， 放放 射射 性性 技技 术术 等等 。 三三 、 仪仪 器器 分分 析析 的的 性性 质质 和和 过过 程程 （ The characterization and proce
5、ss of instrumental analysis） 物物 质质 取取 得得 物物 质质 的的 物物 理理 或或 物物 理理 化化 学学 性性 质质 的的 信信 息息 进进 行行 数数 学学 处处 理理 得得 到到 物物 质质 的的 组组 成成 和和 结结 构构 (substance) 分分 析析 仪仪 器器 （ 硬硬 件件 ） 计计 算算 机机 (软软 件件 ) (analytical instrument) (computer) 四四 、 分分 析析 仪仪 器器 (Analytical instrument ) l、 分分 析析 仪仪 器器 基基 本本 结结 构构 计计 算算 机机 分
6、分 析析 信信 号号 发发 生生 器器 信信 号号 检检 测测 器器 信信 号号 处处 理理 器器 结结 果果 显显 示示 器器 2、 分分 析析 仪仪 器器 测测 定定 结结 果果 的的可可 靠靠 性性 ： 与与 仪仪 器器 特特 性性 好好 坏坏 、 灵灵 敏敏 度度 、 重重 复复 性性 、 准准 确确 度度 有有 关关 。 与与 仪仪 器器 使使 用用 是是 否否 得得 当当 有有 关关 。 五五 、 学学 习习 仪仪 器器 分分 析析 应应 注注 意意 的的 几几 个个 问问 题题 (The points for attention of studying instrumental
7、analysis) A、 基基 本本 理理 论论 、 分分 析析 仪仪 器器 基基 本本 结结 构构 B、 实实 验验 操操 作作 技技 巧巧 C、 文文 献献 资资 料料 的的 查查 阅阅 与与 分分 析析 六六 、 参参 考考 书书 (Representative books) 教教 材材 ： 仪仪 器器 分分 析析 吴吴 谋谋 成成 主主 编编 科科 学学 出出 版版 社社 参参 考考 教教 材材 ： 1、 现现 代代 仪仪 器器 分分 析析 中中 国国 农农 业业 大大 学学 出出 版版 社社 2、 仪仪 器器 分分 析析 朱朱 世世 盛盛 编编 复复 旦旦 大大 学学 出出 版版 社
8、社 3、 仪仪 器器 分分 析析 朱朱 明明 华华 编编 高高 等等 教教 育育 出出 版版 社社 4、 现现 代代 仪仪 器器 分分 析析 清清 华华 大大 学学 出出 版版 社社 5、 有有 机机 仪仪 器器 分分 析析 陈陈 贻贻 文文 编编 湖湖南南 大大 学学 出出 版版 社社 6、 仪仪 器器 分分 析析 原原 理理 斯斯 科科 格格 等等 编编 （ 美美 ） 上上 海海 科科 技技 出出 版版 社社 7、 农农 业业 仪仪 器器 分分 析析 法法 严严 国国 光光 等等 编编 农农 业业 出出 版版 社社 8、 仪仪 器器 分分 析析 原原 理理 及及 其其 在在 农农 业业 中
9、中 的的 应应 用用 严严 国国 光光 等等 编编 科科 学学 出出 版版 社社 2 第第 二二 章章 光光 谱谱 分分 析析 导导 论论 Chapter Two Introduction of spectroscopic analysis 第第 一一 节节 光光 的的 性性 质质 (The characterization of light) 一一 、 光光 的的 波波 动动 性性 (Characterization of light waves) 波波 动动 性性 参参 数数 ： （ 波波长长 ,Wavelength） ; n（ 频频 率率 ,frequency） ; C（ 光光 速速 ,
10、The velocity of light） 1 （ 波波 数数 ,wave number） 关关 系系 式式 C C 单单 色色 光光 (monochromatic light)-只只 含含 一一 种种 频频 率率 或或 波波 长长 的的 光光 。 复复 合合 光光 (multichromatic lights)-多多 种种 频频 率率 或或 波波 长长 的的 光光 。 散散 射射 光光 (杂杂 散散 光光 ， (scatting light)-指指 定定 波波 长长 外外 的的 光光 。 光谱区 波长范围 常用单位 E 射线 0.005-1.4 A A 102 eV X 射线 0.1-10
11、0 A A 远紫外 10-200 nm A or nm 124-6.2 ev 紫 外 200-380nm A or nm 6.2-3.26 ev 可见光 380-780nm A or nm 3.26-1.59 ev 近红外 780-2500nm A or nm 1.59-0.50 ev 中红外 2.5-50 m m or v(波数 ) 0.50-0.025 ev 远红外 50-300 m m or v 0.025-0.004 ev 微 波 0.3 mm-1m mm cm m C C C O -N N- -C C- C. 键键 轨轨 道道(non-bonding) molecular orbit
12、al), 如如 ： -C-Br: -C O:H -C-N:H In addition, two typed of antibonding orbital may be involved in the transitions: D. *反反 键键 轨轨 道道 (sigma star)orbital E. *反反 键键 轨轨 道道 (pi star)orbital ， ， n 键键 轨轨 道道 为为 基基 态态 轨轨 道道 （ ground state orbital） ， *， *为为 激激 发发 态态 轨轨 道道(excited state orbital). 2、 分分 子子 电电 子子 能
13、能 级级 和和 跃跃 迁迁 （ Molecular-electronic orbital and transition） The following electronic transition can therefore occur by the absorption of ultraviolet and visible light : *， *， *, * , *, * . A. * 跃迁（ * transition） E 较大 ,跃迁发生在远紫外区 ,波长范围 低于 200nm。如甲烷 (125nm),乙烷 (135 nm)。 B. * 跃迁 ( * transition) E 较 * 跃
14、迁要小 ,跃迁发生在150-250nm 波长范围内。如含有杂原子饱和烃衍生物。摩尔吸收系数一般在 100-300 范围内。 由 * 跃迁而产生吸收的一些例子 化合物 最大波长 摩尔吸收系数 化合物 最大波长 摩尔吸收系数 (nm) (nm) H2O 167 1480 (CH3)2S 229 140 CH3OH 184 150 (CH3)2O 184 2520 CH3Cl 173 200 CH3NH2 215 600 CH3Br 204 200 (CH3)2NH 220 100 CH3I 258 365 (CH3)3N 227 900 C. * 和 * 跃迁 这两类跃迁是最有用的。 E 比较少
15、,最大吸收波长均大于 200 nm 。这两类跃迁的差别在于吸收峰的强度不同。 * 跃迁摩尔吸收系数很少 ,仅在 10-100 范围内。而*跃迁摩尔吸收系数很大 ,比 * 跃迁大 100-1000 倍 ,达到 1000-100000。 * 和 * 跃迁的吸收特征 7 生色团 例 子 溶 剂 max(nm) 摩尔吸收系数 跃迁类型 烯烃 C6H13CH CH2 正庚烷 177 13000 * 178 10000 炔 C5H11 CCH3 正庚烷 196 2000 * 225 165 酮 (CH3)2C=O 280 16 n * 醛 CH3CH=O 293 12 n *其它 CH3C(NH2)=O
16、214 60 n * CH3NO2 280 22 n * CH3N=NCH3 339 5 n * 3.分分 子子 结结 构构 和和 光光 谱谱 的的 相相 互互 关关 系系 （ Correlation of molecular structure and spectrum） A.共共 轭轭 效效 应应 （ Conjugation effect ） 当当 分分 子子 含含 有有 多多 个个 键键 ,并并 且且 被被 单单 键键 隔隔开开 时时 ,共共 轭轭 效效 应应 增增 加加 , * 跃跃 迁迁 能能 量量 更更 低低 ,吸吸 收收 光光 谱谱 最最 大大 吸吸 收收 峰峰 向向 长长 波波
17、 方方 向向 移移 动动 ,摩摩 尔尔 吸吸 收收系系 数数 增增 大大 。 称称 红红 移移 效效 应应 (red shift effect)。 *transition, when occurring in isolated groups in a molecule, give to absorptions of fairly low intensity. However, conjugation of unsaturated groups in a molecule produces a remarkable effect upon the absorption spectrum. The
18、 wavelength of maximum absorption moves to a longer wavelength and the absorption intensity often increases greatly. 如如 : max(nm) max C C 180-200 10000 C C C C 217 21000 C C C C C C 258 35000 The same effect occurs when groups containing n electrons are conjugated with a electron group,e.g. Acetone
19、O O CH3-C-CH3 CH3-C-CH CH2 max(nm) 290 max(nm) 325 含有电子芳香体系 ,最大吸收向紫外方向移动。称蓝移效应 (blue shift effect)。 Aromatic systems, which contain electrons, absorb strongly in the ultraviolet:C. 助色团 : 一些原子和原子团不吸收 200-800nm 范围内的光 ,但与生色团结合后 ,具有能使生色团的吸收峰向长波或短波方向移动的作用 ,这样的原子或原子团称为助色团 。 Auxochromes: An auxochrome is a
20、 group which does not absorb significantly in the region 200-800nm, but which affect the spectrum of the chromophore to which it is attached. Examples of auxochromes are : -CH3 -OH -NH2 -NO2 Auxochromes can have the following effects: max shifted to longer wavelength, “red shift” -Bathochromic effec
21、t. max shifted to shorter wavelength, “blue shift” -Hypsochromic effect. max increased, (increased intensity)- Bathochromic effect. max decreased, (decreased intensity)-Hypsochromic effect. 二二 、 定定 量量 分分 析析 的的 基基 础础 Beer - Lambert 定定 律律 8 When a bean of radiation strikes any object it can be absorbe
22、d, transmitted, scattered, reflected or it can excite fluorescence. 1. Correlation of T and C 设设 T 0.5 50% 100 Photons 50 photons 100 cell 50 cell 25 cell 12.5 cell 6.25 photons 1 2 3 4 1 2 3 4 cell number 即即 T 与与 C 成成 对对 数数 关关 系系 。 2. The Beer-Lambert Law I I I0 e-kCL , e-kCL 10-0.4343kCL 10-KCL I0
23、 I I0 T， logT KCL A logT KCL A-吸吸 光光 度度 (absorbance) L-The length of the radiation path through the sample. K-The extinction coefficient a constant dependent only on the nature of the molecule and wavelength of the radiation. C-The concentration of absorbing molecules in the path. The Beer-Lambert L
24、aw tell us that the concentration of a substance in solution is directly proportional to the “ absorbance” , A, of the solution. K absorbed coefficient( 吸收系数 )or extinction coefficient (消消 光光 系系 数数 ) 当当 C 为为 摩摩 尔尔 浓浓 度度 时时 , K 用用 表表 示示 , 称称 摩摩 尔尔 吸吸 收收 系系 数数 。 单单 位位 为为 : 升升 /摩摩 尔尔 .厘厘 米米 。 当当 C 为为 m
25、g/ml 时时 , 用用 K 表表 示示 ， K 单单 位位 为为 ml/mg.cm。 K的的 常常 用用 单单 位位 还还 有有 : K1%1cm 或或 E1%1cm 即即 ： 表表 示示 1%样样 品品 浓浓 度度 在在 一一 厘厘 米米 比比 色色 池池 中中 比比 色色 时时 的的 K 值值 。 T 与与 A 的的 关关 系系 当当 T 以以 T % 表表 示示 时时 , A logT log100/T 2-logT 例例 : 当当 T 50%, 则则 A 2-log50 2-1.699 0.301 列列 出出 A 与与 T 的的 关关 系系 表表 : T 100% 50% 25% 1
26、0% 1.0% 0.1% 0.01% 0.001% 0% A 0 0.301 0.602 1.00 2.0 3.0 4.0 5.0 上上 述述 说说明明 ： T 值值 为为 0 至至 100 内内 的的 任任 何何 值值 。 A 值值 可可 以以 取取 任任 意意 的的 正正 数数 值值 。 3. 浓浓 度度 测测 量量 中中 相相 对对 误误 差差 与与 透透 光光 率率 和和 吸吸 光光 度度 的的 关关 系系 A 既既 然然 可可 取取 任任 何何 数数 值值 ,究究 竟竟 取取 何何 数数 值值最最 为为 合合 适适 ? 这这 要要 由由 相相 对对 误误 差差 的的 大大 小小 决决
27、 定定 。 -logT KCL . 左左 边边换换 成成 自自 然然 对对 数数 后后 ,求求 导导 得得 : -0.4343.dT/T KLdC. / 得得 : dC/C 0.4343 dT/T logT 即即 : C/C 0.4343 T/T logT 设设 T 的的 测测 量量 误误 差差 T 为为 的的 0.005， 则则浓浓 度度 相相 对对 误误 差差 与与 T 和和 A 的的 关关 系系 见见 下下 表表 : T A （ C/C） 100 0.95 0.022 10.2 0.80 0.097 9 2.80 0.70 0.155 2.00 测测 测测 量量 最最 理理 想想 范范
28、围围 为为 ： 0.60 0.222 1.63 量量 T 70% - 15% 0.40 0.399 1.36 最最 A 0.150-0.700 0.368 0.434 1.36 理理 此此 时时 相相 对对 误误 差差 少少 于于 2.00 0.20 0.699 1.55 想想 0.30 0.523 1.38 范范 0.15 0.824 1.76 围围 0.10 1.000 2.17 0.01 2.000 10.85 0.001 3.000 72.33 4. Beer-Lambert 定定 律律 在在 混混 合合 物物 中中 的的 表表 达达 式式 Atotal A1 +A2 +A3 + +A
29、n 1C1L+ 2C2L+ 3C3L+ + nCnL例 : 2CrO42- + 2H+ Cr2O72- + H2O 已知：平衡常数为 4.2 1014。 不同波长测定时的摩尔吸收系数为 : (nm) 1(CrO42- ) 2(Cr2O72- ) 345 1.84 103 10.7 102 370 4.81 103 7.24 102 400 1.88 103 1.89 102 求 4.00 10-4 M K2Cr2O7 溶液在 PH 5.60 缓冲溶液中 ,用一厘米比色池在 345、 370、400nm 波长处测定时的吸光度 ? 解： K Cr2O72- / CrO42-2H +2 = 4.2
30、1014. 又 PH 5.60 故可求出 H+。 设 Cr2O72- X， CrO42- 4.00 10-4 M X 代入式即可求出 Cr2O72- 、 CrO42-的浓度。 又 Atotal A1 +A2 1C1L+ 2C2L 不同波长下的 1、 C1、 L、 2 、 C2、均已知，故可求出各波长下的吸光度 A。 5、 偏偏 离离 Beer-Lambert 定定 律律 的的 因因 素素 通通 常常 当当 C0.01M 时时 ,呈呈 线线 性性 偏偏 离离 原原 因因 ： A. 定定 律律 本本 身身 偏偏 离离 线线 性性 K (n) n (C) K (C) , 故故 K 不不 是是 常常
31、数数 。 B. 定定 律律 本本 身身 的的 假假 设设 难难 以以 满满 足足 严严 格格 的的 单单 色色 光光 理理 想想 溶溶 液液 C. 由由 仪仪 器器 性性 能能引引 起起 如如 仪仪 器器 的的 杂杂 散散 光光 (非非 吸吸 收收 光光 )引引 起起 偏偏 离离 线线 性性 。 正正 常常 时时 ： T I/I0 ， 但但 当当 有有 杂杂 散散 光光 I1 时时 ： T （ I + I 1） （ I0 + I1） 第第 二二 节节 紫紫 外外 可可 见见 分分 光光 光光 度度 计计 (UV-Vis spectrophotometer) 一一 . 分分 光光 光光 度度 计
32、计 的的 组组 成成 （ Spectrophotometer component parts) Any spectrophotometer will consist of the component parts illustrated in following Fig. * source monochromator sample detector display transmodulator （ 一一 ） 、 光光 源源 (sources) 1. 理理 想想 光光 源源 的的 特特 性性 （ The characteristics of ideal source ） A. 高高 强强 度度 (
33、 High intensity) B.宽宽 波波 长长 范范 围围 ( Wide spectral range) 10 C。 稳稳 定定 的的 输输 出出 ( Stable output) D.长长 寿寿 命命 ( Long life ) E 价价 格格 低低 ( Low cost) F.适适 宜宜 的的 尺尺 寸寸 ( Optimum size) 2、 常常 用用 光光 源源 (Commonly used sources) 钨钨 灯灯 钨钨 卤卤 灯灯 氘氘 灯灯 Tungsten Tungsten-halogen Deuterium lamp lamp lamp 使使 用用 范范 围围 (
34、nm) 330-2500 200-900 190-370 输输 出出 能能 量量 15%在在 可可 见见 区区 高高 高高 与与 V4 成成 正正 比比 寿寿 命命 长长 长长 短短 （ 二二 ） 、 单单 色色 器器 ( Monochromators ) 1. 要要 求求 特特 性性 ( Desirable characteristics of monochromatoes) A. 高高 效效 能能 ( High efficiency or throughput ) B.宽宽 波波 长长 范范 围围 (Wide wavelength range) B. 容容 易易 调调 节节 波波 长长 (
35、Easily selected wavelength) D.好好 的的 波波 长长 精精 度度 和和 重重 现现 性性 (Good wavelength accuracy and reproducibility) E.高高 的的 光光 谱谱 纯纯 度度 ( High spectral purity) F.好好 的的 机机 械械 稳稳 定定 性性 ( Good mechanical stability) 2、 滤滤 光光 片片 单单 色色 器器 ( filter monochromator) 组组 成成 : 入入 口口 狭狭 缝缝 、 滤滤 光光 片片 、 出出 口口 狭狭 缝缝 三三 部部 分
36、分 组组 成成 。 （ entrance slit） （ filter） （ exit slit） 性性 能能 ： 吸吸 收收 滤滤 片片 干干 涉涉 滤滤 光光 片片 absorbed filter Interference filter 光光 谱谱 通通 带带 宽宽 度度 (nm) 20-30 10-15 透透 过过 率率 ( T% ) 5-20% 40-60% 3. 棱棱 镜镜 和和 光光 栅栅 单单 色色 器器 (Prisms and Gratings Monochromator) 光光 谱谱 通通 带带 宽宽 度度 少少 于于 1nm 组组 成成 : 狭狭 缝缝 （ slit： en
37、trance slit, exit slit） 色色 散散 元元 件件 （ dispersive element） 准准 直直 元元 件件 : 透透 镜镜 (focus mirror)、 反反 射射 镜镜 (mirror)。 棱棱 镜镜 和和 光光 栅栅 单单 色色 器器 比比 较较 ： A、 光光 栅栅 为为 匀匀 排排 光光 谱谱 ,棱棱 镜镜 为为 非非 匀匀 排排 光光 谱谱 。 光光 栅栅 所所 采采 用用 的的 狭狭 缝缝 可可 产产 生生 几几 乎乎 恒恒 定定 的的 光光 谱谱 通通 带带 而而与与 波波 长长 无无 关关 。 棱棱 镜镜 要要 得得 到到 恒恒 定定 的的 带
38、带 宽宽 时时 ,长长 波波 时时 要要 求求 狭狭 缝缝 窄窄 ,短短 波波 时时 要要 求求 狭狭 缝缝 宽宽 一一 些些 。 光光 栅栅 200 400 600 800 1000 1200nm 棱棱 镜镜 200 300 400 600 800 1000 1200 n m B. 光光 栅栅 对对 温温 度度 不不 敏敏 感感 ,棱棱 镜镜 对对 温温 度度 很很 敏敏 感感 (折折 射射 率率 n 与与 温温 度度 有有 关关 )。 C、 光光 栅栅 存存 在在 着着 潜潜 在在 的的 杂杂 散散 光光 源源 。 D、 光光 栅栅 需需 要要 有有 一一 个个 “ 级级 消消 除除 滤滤 光光 片片(order-sorting filters)” 以以 消消 除除 /2, /3,.等等 波波 长长 的的
