1、1仪器分析课程教案华中农业大学食品科技学院仪器分析教研室( 刘 晓 宇)仪器分析是食品科学与工程专业和食品安全专业的基础课程之一，是测定物质的化学组成、含量、状态和进行科学研究与质量监控的重要手段。课程内容既有成分分析又有结构分析，既有无机分析又有有机分析。它是从事化学、生物、地质、食品分析等学科工作人员的基础知识。通过本课程的学习，使学生能基本掌握常用仪器分析方法，初步具有应用此类方法解决相应问题的能力。常用仪器分析方法是：原子发射光谱法、原子吸收光谱法、紫外-可见吸收光谱法、红外吸收光谱法、核磁共振波谱法、 、色谱法、质谱法等。通过本课程的学习，学生对这些方法的原理、仪器结构及其应用要有基
2、本的理解。 具体的要求可归纳为：1 理解各分析方法的原理。如定性、定量分析的依据，有关的定律、公式及其应用。2知道有关仪器的结构。如仪器由几部分组成，有哪些重要部件，简单工作过程。3了解各方法的特点、应用范围及局限性，能根据实际问题，选择合适的方法。4掌握各方法的分析步骤和数据处理。了解各方法对样品的要求与样品的处理，实验条件的选择，基本数据的运用，分析数据的处理。学 时 分 配课程内容 理论学时 实验学时绪论 2光谱分析导论 2紫外-可见吸收光谱法 4 2原子吸收光谱法 4 2红外吸收光谱法 3 2色谱法：色谱分析导论 2气相色谱法 5 2高效液相色谱法 4 2合 计 30 10总 计 40
3、课程简介2第一章 绪 论教学目的和要求本章是仪器分析课程的介绍。主要是让学生了解化学分析与仪器分析的联系与区别，仪器分析方法的分类和它的发展情况，介绍仪器定量分析方法的评价指标。教学重点和难点1 仪器分析方法的分类2 相关系数、检出限授课方式本章为理论课，共 0.5 学时，采用多媒体课件教学，在多媒体教室讲授。并采用回顾仪器分析的发展历史的方法来激发学生的兴趣。授课主要内容第一节 仪器分析简介一、仪器分析和化学分析分析化学( analytical chemistry) 是研究物质化学组成的测量和表征的科学。 主要任务是鉴定物质的化学组成、结构和测量有关组分的含量。是研究物质及其变化的重要方法。
4、化学分析：以物质的化学反应为基础的分析方法。仪器分析（物理物化分析）：以物质的物理和物理化学性质(光、 电、热、磁等)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、仪器分析方法的分类（一）光学分析法(spectroscopic analysis) 以物质的光学性质（吸收，发射，散射，衍射）为基础的仪器分析方法。包括原子吸收光谱法、原子发射光谱法、紫外-可见吸收光谱法、红外光谱法、核磁共振波谱法等。(二)电分析(electrical analysis)：电流分析，电位分析，电导分析，电重量分析,库仑法，伏安法。（三）色谱分析(chromatography analy
5、sis) ：气相色谱法，液相色谱法（四）其它仪器分析方法(other analysis)：1. 质谱法 2. 热分析法 包括热重法、差热分析法、示差扫描量热法等。3. 电子显微镜，超速离心机，放射性技术等。三、仪器分析的特点多学科交叉3(1) 仪器分析法具有很强的检测能力绝对检出限可达微克、纳克、皮克、甚至飞克数量级。(2) 仪器分析法的取样量较少。可用于微量分析（0.110mg 或 0.011mL)和超微量分析（0.1mg 或0.01mL)(3) 仪器分析具有很高的分析效率(4) 仪器分析法具有更广泛的用途可用于成分分析，价态、状态及结构分析，在线分析等。而化学分析一般只能用于离线的成分分析
6、。(5) 仪器分析的仪器设备比较复杂，价格比较昂贵。四、仪器分析在生产实践及科学研究中的作用1. 应用于传统领域：医药、食品、商检、公安、国防、材料、能源、环保等2. 应用于前沿领域例：遗传研究 仪器确定 DNA 双螺旋结构生命科学研究 利用核磁共振、质谱确定蛋白质等大分子结构五、仪器分析的发展历史及发展趋势发展历史：第一阶段：起始于 20 世纪初，这正是分析化学的第一次变革时期。第二阶段：20 世纪 40 年代后，物理学和电子学的发展，促进了各种仪器分析方法的迅速建立，仪器分析成为分析化学中的重要支柱。并形成了第二次变革。第三阶段：20 世纪 70 年代后，是仪器分析日新月异发展的时期。也是
7、分析化学的第三次变革时期。 与 分 析 仪 器 发 明 相 关 的 诺 贝 尔 奖 获 得 者 The men awrde the Nobel prize rlating to invention f anlytical instrument 获 奖 时 间 获 奖 者 姓 名 获 奖 内 容 1907 Michelson, et al 首 次 制 造 精 密 光 谱 仪 器 192 Aston, et al 发 明 质 谱 测 定 同 位 素 1923 Pregl, et al 发 明 有 机 物 微 量 分 析 1930 Ramn, et al 发 现 拉 曼 效 应 194 abi, e
8、t al 用 共 振 方 法 记 录 原 子 核 磁 性 1948 Tiselius, et al 用 电 泳 法 发 现 血 浆 蛋 白 性 质 1952 Bloch, et al 发 展 核 磁 共 振 精 细 测 量 法 1952 Martin, et al 发 明 分 配 色 谱 195 Heyrovsky, et al 发 明 极 谱 法 1981 Siegbahn, et al 发 明 高 分 辨 电 子 光 谱 法 1986 Bloembergen, et al 发 展 激 光 光 谱 学 1986 inig, et al 创 制 扫 描 隧 道 显 微 镜 191 Ernst,
9、 et al 发 展 高 分 辨 核 磁 共 振 方 法 4发展趋势：1.计算机技术在仪器分析中更广泛地应用，分析仪器实现了自动化。2.不同仪器分析方法联用，提高了仪器分析的功能。3.新型仪器更加微型化，智能化。落地式台式移动式便携式手提式 Lab-on-a-Chip(芯片实验室)第二节 定量分析方法的评价指标灵敏度：物质单位浓度或单位质量的变化引起响应信号值变化的程度，称为方法的灵敏度，用 S 表示。精密度：是指使用同一方法，对同一试样进行多次测定所得测定结果的一致程度。精密度用测定结果的标准偏差 s 或相对标准偏差(s r )量度。准确度: 试样含量的测定值与试样含量的真实值（或标准值）相
10、符合的程度称为准确度。检出限：某一分析方法可以检出被测物质的最小浓度或最小质量，称为该方法对该物质的检出限。以浓度表示的称为相对检出限，以质量表示的称为绝对检出限。本章作业1.仪器分析方法的分类？2仪器分析和化学分析的区别和联系？5第二章 光谱分析导论教学目的和要求本章是学习光学分析法之前应具备的基础知识。要求掌握光的波粒二象性，原子光谱和分子光谱基础知识，了解能级跃迁图，光谱仪的分类等。教学重点和难点1.光的波粒二象性2.电磁波谱区3.原子光谱项、分子光谱能及跃迁图授课方式本章为理论课，1.5 学时，采用多媒体课件教学，在多媒体教室讲授。课件中采用动画效果以求生动和形象的效果。授课主要内容第
11、一节 光与光谱一、光的波动性(Characterization of light waves)波动性参数： （波长,Wavelength）;（频率,frequency）; C（光速,The velocity of light） 1（波数,wave number）关系式CC 单色光(monochromatic light)-只含一种频率或波长的光。复合光(multichromatic lights)-多种频率或波长的光。散射光(杂散光，(scatting light)-指定波长外的光。二、光的微粒性(Microparticle characterization of light )Paramet
12、er of microparticle characterization ：E E=h=hC/ hPlancks constant h=4.1410-15ev.sec =6.62610-27erg.secC=31010cm/secOne photon energy:E=1240/ (ev) 的单位为 nm 第二节 原子与分子的能级及电子在能级间的跃迁原子能级及电子在能级间的跃迁6原子光谱的特征 Characterization of atoms spectrum电子能级间的跃迁,属电子光谱,线状光谱。Transition on electronic levels, electronic spe
13、ctrum, linear spectrum. 二、分子的能级及电子在能级间的跃迁分子形成带状光谱的原因能量离散，导致谱线宽度扩展测不准原理、相对论效应导致谱线宽度扩展。再加上能级之间的能量间距非常小，导致跃迁所产生的谱线非常多，间距非常小，易于重叠。仪器条件造成色散元件难以将谱线完全分开真实分子光谱的特征UV-Vis:电子、带状光谱。在特定条件下,能反映振动能级的精细结构Infrared:振动、带状光谱, 在特定条件下, 能反映转动能级的精细结构。原子光谱和分子光谱小结原子光谱: 电子能级上的电子跃迁电子光谱线状光谱分子光谱:紫外-可见（UV-Vis）: 电子能级上的电子跃迁 反映振动精细结
14、构的电子光谱带状光谱红外光谱（Infrared）:振动能级上的电子跃迁反映转动精细结构的电子光谱带状光谱三、物质和光的作用 Interaction of light and matter当一束光照射到物体上时,除透过部分光与分子没有作用外,物质将吸收和散射一部分光。1. 物质吸收光的过程分子吸收光能,吸收时间极短,只有 10-15 sec.,电子由基态跃迁到较高能态的激发态。 X + hv X* 激发态的寿命很短,约为 10-8 sec.,然后以发生光物理和光化学反应后,以下列形式回到基态。 1) 无辐射退激激发分子与其它分子相碰,损失能量产生热能回到基态,称无辐射退激。 X* X + 热能2
15、)共振发射 激发分子发射光子直接回到基态:X* X + hv如发射光的波长等于入射光的波长,这种发射称共振发射,其谱线称共振谱线。对分子来说,这种可能性很少,对原子来说,可能性较大。73)荧光激发分子与其它分子相碰,一部分能量转化为热能后,下降到第一激发态的最低振动能级,然后再回到基态的其它振动能级并发射光子,这种发射光称荧光。X* X + hv + 热能荧光的发射波长比入射光的波长长。 4) 磷光激发分子与其它分子相碰,一部分能量转化为热能后,下降到第一激发态的最低振动能级,它不直接跃迁回到基态而是转入到亚稳的三重态,分子在三重态的寿命较长(从 10-4 sec.到10sec.),然后再回到
16、基态的其它振动能级并发射光子,这种发射光称磷光。2. 物质散射光的过程拉曼(raman)散射A 瑞利散射入射光与分子碰撞后,可发生弹性散射或非弹性散射。弹性散射时,光子与分子无能量交换,仅光子方向改变,这种散射称瑞利散射。B. 非弹性散射有两种情况: 斯托克斯散射入射光与基态分子碰撞后,将一部分能量给了分子,于是散射光的能量比入射光的能量下降,即波长变长。散射光谱中的谱线称斯托克斯谱线。 反斯托克斯散射入射光与振动能级处于较高能态的分子发生非弹性碰撞后,被碰撞分子由较高的振动能级跃回较低能级,其能量的差值给了光子,于是,光子能量增加,产生的谱线波长比入射光的波长更短,此谱线称反斯托克斯线。散射
17、光的能量比入射光的能量下降,即波长变长。散射光谱中的谱线称斯托克斯谱线。第三节 物质的光谱与光谱分析 Spectrum of matter and spectroscopic analysis一、光谱的基本类型按照光谱产生的方式可分:1. 吸收光谱(absorbed spectrum)原子吸收光谱(如 AA)分子吸收光谱(如 UV/VI,IR 等)2. 发射光谱(emission spectrum) 原子发射光谱(原子发射,原子荧光)分子发射光谱(分子荧光,磷光)3. 散射光谱(拉曼散射光谱,scatter spectrum)第四节 光谱仪 Spectroscopic instruments
18、1.光谱仪的作用: 通过分析过程的信息传递链,取得样品的真实光谱。2.光谱仪的分类本章作业81.玻尔兹曼常数的物理意义？2.原子光谱和分子光谱的区别？第三章 紫外可见吸收光谱分析法Ultraviolet Visible Spectrophotometer简称 UV-Vis教学目的和要求要求掌握紫外可见吸收光谱的产生，紫外可见分光光度计仪器原理和结构以及紫外可见吸收光谱法在有机定性及结构分析中的应用。教学重点和难点1. 生色团的共轭作用2. 双波长分光光度计原理及构造3. Beer - Lambert 定律4.化合物的鉴定、结构分析授课方式本章为理论课+实验课，共 7 学时。理论课 3 学时，采
19、用多媒体课件教学，在多媒体教室讲授。课件中采用动画效果以求生动和形象的效果。实验课 4 学时，在中心实验室上课，为教师演示实验。 （注：实验课教案另附）授课主要内容第一节 概述定义：紫外-可见吸收光谱法是根据溶液中物质的分子或离子对紫外和可见光谱区辐能的吸收来研究物质的组成和结构的方法。应用：主要用于有机物的定量及定性分析。分子光谱：分子是由原子组成的，分子的运动包括分子中电子的运动、分子的振动及其转动，所有这些运动都必须由能量来维持，故分子的能量包括：E 分子分子 =Ee+Ev+Er第二节 紫外可见光谱法基本原理 The Theory of UV-Vis Spectrophotometry
20、一、有机化合物的紫外-可见吸收光谱（一） 电子跃迁类型分子外层电子的分子轨道可以分为五种,即 成键与 * 反键轨道, 成键与 *反9键轨道,非键轨道。A. 分子轨道(bonding) molecular orbital), 如: -C-C-B. 键轨道(bonding) molecular orbital), 如: CC CO -NN- -CC-C.键轨道(non-bonding) molecular orbital), 如： -C-Br: -CO:H -C-N:HIn addition, two typed of antibonding orbital may be involved in
21、the transitions:D. *反键轨道 (sigma star)orbitalE. *反键轨道 (pi star)orbital，n 键轨道为基态轨道（ground state orbital) ， *， *为激发态轨道(excited state orbital).根据轨道能量： n * *2、分子电子能级和跃迁 Molecular-electronic orbital and transition The following electronic transition can therefore occur by the absorption of ultraviolet and
22、 visible light : 1.* 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)。2.* 跃迁(* transition) E 较 * 跃迁要小,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3. * 和和 * 跃迁跃迁这两类跃迁是最有用的。E 比较少,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
23、,比* 跃迁大 100-1000 倍,达到 1000-100000。生色团的概念：含有 键的不饱和集团称为生色团。（二）分子结构和光谱的相互关系 Correlation of molecular structure and spectrum 1. 共轭效应 （Conjugation effect ）当分子含有多个 键,并且被单键隔开时,共轭效应增加,* 跃迁能量更低,吸收光谱最大吸收峰向长波方向移动,摩尔吸收系数增大。称红移效应(red shift effect)。2. 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 system
24、s, which contain electrons, absorb strongly in the ultraviolet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 group which does not absorb significantly in the region 200-800nm, but which affect the spectrum of the chromophore to which
25、it is attached. Examples of auxochromes are （三）溶剂对吸收光谱的影响 影响最大吸收波长: 溶剂极性的改变会使由 * 跃迁和 n *跃迁产生的两10种吸收峰的最大吸收波长向不同方向移动。溶剂极性增加， * 跃迁吸收峰发生红移（长波方向）n * 跃迁吸收峰发生蓝移（短波方向） 。二、定量分析的基础Beer-Lambert 定律When a bean of radiation strikes any object it can be absorbed, transmitted, scattered, reflected or it can excite
26、fluorescence.1. Correlation of T and C2. 朗伯-比尔定律 3. 浓度测量中相对误差与透光率和吸光度的关系 4. Beer-Lambert 定律在混合物中的表达式 5、偏离 Beer-Lambert 定律的因素 第三节 紫外可见分光光度计(UV-Vis spectrophotometer) 1分光光度计的组成（Spectrophotometer component parts）紫外紫外 -可见分光光度计可见分光光度计 _结构结构 (一) 光源(sources) 1. 理想光源的特性（The characteristics of ideal source ）
27、A.高强度( High intensity)B.宽波长范围( Wide spectral range)C.稳定的输出( Stable output) D.长寿命( Long life )E.价格低( Low cost)F.适宜的尺寸( Optimum size)2. 常用光源(Commonly used sources)钨灯、钨卤灯、氘灯(二) 单色器( Monochromators )1. 要求特性( Desirable characteristics of monochromatoes)A.高效能( High efficiency or throughput ) B.宽波长范围 (Wide
28、 wavelength range)C.容易调节波长(Easily selected wavelength)D.好的波长精度和重现性(Good wavelength accuracy and reproducibility)E.高的光谱纯度( High spectral purity) F.好的机械稳定性( Good mechanical stability)2. 滤光片单色器( filter monochromator)组成：入口狭缝（entrance slit） 、滤光片（filter） 、出口狭缝（exit slit）三部分组成。3. 棱镜和光栅单色器 (Prisms and Gratings Monochromator) 光谱通带宽度 少于 1nm组成：狭缝（slit：entrance slit, exit slit） 、色散元件（dispersive element） 、准直元件: 透镜(focus mirror)、反射镜(mirror)。棱镜和光栅单色器比较
