现代仪器分析知识点总结.doc

现代仪器分析绪论：1仪器分析定义：现代仪器分析是以物质的物理性质或物理化学性质及其在分析过程中所产生的分析信号与物质的内在关系为基础，借助比较复杂或特殊的现代仪器,对待测物质进行定性、定量及结构分析和动态分析的一类分析方法.2仪器分析的特点：灵敏度高,试样用量少 ；选择性好；操作简便，分析速度快，自动化程度高；用途广泛，能适应各种分析要求；相对误差较大。需要价格比较昂贵的专用仪器.3仪器分析包括：光分析法；分离分析法；电化学分析法;分析仪器联用技术；质谱法。4光分析：光分析法是利用待测组分的光学性质（如光的发射、吸收、散射、折射、衍射、偏振等）进行分析测定的一种仪器分析方法。5光谱法包括:紫外/可见吸收光谱法；原子吸收光谱法；原子发射光谱法;分子发光分析法;拉曼光谱法；红外光谱法。6电化学分析法:电化学分析法是利用待测组分在溶液中的电化学性质进行分析测定的一种仪器分析方法.7电化学分析法包括：电导分析法;电位分析法；极谱与伏安分析法；电解和库仑分析法。8分离分析法：利用物质中各组分间的溶解能力、亲和能力、吸附和解吸能力、渗透能力、迁移速率等性能的差异，先分离后分析测定的一类仪器分析方法。分离分析法包括：超临界流体色谱法;气相色谱法；高效液相色谱法；离子色谱法；高效毛细管电泳法；薄层色谱法。9质谱法:质谱法是将待测物质置于离子源中电离形成带电离子，让离子加速并通过磁场或电场后，离子将按质荷比(m/z）大小分离，形成质谱图。依据质谱线的位置和质谱线的相对强度建立的分析方法称为质谱法。10联用分析技术:已成为当前仪器分析的重要发展方向。将几种方法结合起来，特别是分离方法(如色谱法）和检测方法(红外吸收光谱法、质谱法、原子发射光谱法等）的结合，汇集了各自的优点,弥补了各自的不足,可以更好地完成试样的分析任务.气相色谱质谱法(GC-MS）、气相色谱质谱法质谱法（GCMSMS）、液相色谱质谱法（HPLCMS）。11仪器分析方法的主要评价指标:精密度 （Precision） ；准确度 (Accuracy) ；选择性 (Specificity)；标准曲线（Calibration Curve）;灵敏度 (Sensitivity)；检出限 (Detection Limit).12精密度:指在相同条件下用同一方法对同一样品进行多次平行测定结果之间的符合程度。同一人员在相同条件下测定结果的精密度-重复性、不同人员在不同实验室测定结果的精密度再现性。13准确度：指测定值与真值相符合的程度。准确度常用相对误差Er来描述； Er越小，准确度越高。准确度是分析过程中系统误差和随机误差的综合反映，准确度愈高分析结果才愈可靠。14选择性：指分析方法不受试样中基体共存物质干扰的程度。选择性越好,即干扰越少。15标准曲线:是待测物质的浓度（或含量）与仪器响应（测定）信号的关系曲线。标准曲线的直线部分所对应的待测物质浓度（或含量）的范围称为该方法的线性范围。16灵敏度：待测组分单位浓度或单位质量的变化引起响应信号值的变化程度,用b表示。指在浓度 线性范围内标准曲线的斜率。斜率越大，方法的灵敏度就越高。17检出限：指某一分析方法在给定的置信度能够被仪器检出的待测物质的最低量。D = 3S0/b;S0空白信号（仪器噪声）的标准偏差、b 分析方法的灵敏度(标准曲线的斜率）、3IUPAC建议在一定置信度所确定的系数.检出限是方法的灵敏度和精密度的综合指标，方法的灵敏度越高，精密度越好，检出限就越低。精密度、准确度及检出限是评价仪器性能及分析方法的最主要技术指标。第一章 光分析法导论1光分析法：基于电磁辐射能量与待测物质相互作用后所产生的辐射信号与物质组成及结构关系所建立起来的分析方法。电磁辐射范围：射线无线电波所有范围、相互作用方式:吸收、发射、散射、反射、折射、干涉、衍射和偏振等。光分析法在研究物质组成、结构表征、表面分析等方面具有其他方法不可取代的地位。2电磁辐射的波粒二象性:光在传播时主要表现出波动性，可用波长(或波数）、频率描述；在与其他物质相互作用时，主要表现出粒子性，可用能量描述。3光的吸收:M + 光子 M当光与物质接触时，某些频率 的光被选择性吸收并使其强度减弱，这种现象称为物质对光的吸收。4吸收光谱:物质的粒子吸收某特定的光子后，由低能级跃迁到较高能级，当把物质对光的吸收情况按照波长次序排列记录下来,得到吸收光谱。5透射率T=I/I0 吸光度A=Lg(1/T)=Lg（I0/I) 6光吸收定律朗伯-比耳定律：在一定浓度范围内,物质的吸光度A与吸光样品的浓度c及厚度L的乘积成正比，这就是光的吸收定律，也称为朗伯比尔（Lambert-Beer）定律。它是吸收光谱法定量分析的基础和依据。A=KcL或I=Io10-KcL K-比例常数，与介质的性质、温度及入射光波长有关。e或 k 摩尔吸光（收）系数, L mol 1 cm1 a - 吸光系数， L g 1 cm1 = aM 7光的发射：M* M + 光子、当受激物质(或受热能、电能或其他外界能量所激发的物质）从高能态回到低能态（包括基态）时，以光辐射形式释放多余能量的现象。8光分析法的分类：光谱法和非光谱法。9光谱法：以能源与物质相互作用引起原子、分子内部量子化能级之间跃迁所产生的光的吸收、发射、散射等波长与强度的变化关系为基础的光分析法,称为光谱法。10非光谱法：非光谱法是利用光与物质作用时所产生的折射、干涉、衍射和偏振等基本性质的变化来达到分析测定的目的，主要有折射法、干涉法、衍射法、旋光法和圆二色法等。11光谱法的分类：产生光谱的物质类型不同（原子光谱、分子光谱、固体光谱）；产生光谱的方式不同（吸收光谱、发射光谱、散射光谱）;光谱的性质和形状（线光谱、带光谱、连续光谱）。12光谱产生的原理：物质粒子总是处于特定的不连续的能量状态，即能量是量子化的。分子的每一个能量值,称为一个能级。每一种分子的能级数和能级值，取决于分子的本性和状态，具有特征的能级结构。通常，物质的分子处于稳定的基态。当它受到光照或其他能量激发时，将根据分子所吸收能量的大小，引起分子转动、振动或电子能级的跃迁，同时伴随光子的吸收或发射，光子的能量等于前后两个能级的能量差。由于物质内部的粒子运动所处的能级和产生能级跃迁的能量变化都是量子化的，物质只能吸收或发射与粒子运动相对应的特定波长的光，形成特征光谱。不同的物质,组成和结构不同，粒子运动时所具有的能量不同，特征光谱不同。因此，根据物质的特征光谱，可以研究物质的组成和结构。13原子光谱（线光谱，line spectra）：气态原子发生能级跃迁时，能发射或吸收一定频率（波长）的电磁辐射，经过光谱仪得到的一条条分立的线状光谱,称为原子光谱。14原子光谱为线光谱的根本原因：产生原子光谱的是处于稀薄气体状态的原子（相互之间作用力小),由于原子没有振动和转动能级，因此原子光谱的产生主要是电子能级跃迁所致.在发生纯电子能级跃迁时，不会叠加振动和转动能级跃迁,发射或吸收的是一些频率(或波长）不连续的辐射，相应的原子光谱便是一条条彼此分立的线光谱。15分子光谱（带光谱,band spectra）：处于气态或溶液中的分子，当发生能级跃迁时,所发射或 吸收的是一定频率范围的电磁辐射组成的带状光谱，称为分子光谱.16分子光谱为带光谱的根本原因：当外界能量引起分子的振动能级发生跃迁时，必然同时叠加转动能级的跃迁；同样,在分子的电子能级跃迁的同时，总伴随着分子的振动能级和转动能级的跃迁。分子的振动光谱、电子光谱是由许多线光谱聚集的谱带组成的，因使用的仪器不能分辨完全而呈现带光谱。第二章 原子发射光谱法1原子发射：气态原子或离子的核外层电子当获取足够的能量后，就会从基态跃迁到各种激发态。处于激发态的原子很不稳定，电子从激发态跃迁回到基态或能量较低的激发态,以电磁辐射的形式将多余的能量释放出来,这一现象称之为原子发射。2原子发射光谱法：根据原子(或离子）在一定条件下受激后所发射的特征光谱来研究物质化学组成及含量的方法， 称为原子发射光谱法.3原子发射光谱分析过程:激发源提供外部能量使被测试样蒸发、解离，产生气态原子，并使气态原子的外层电子激发至高能态，处于高能态的原子自发地跃迁回低能态时，以辐射的形式释放出多余的能量.经分光系统分光后形成一系列按波长顺序排列的谱线。用检测系统记录和检测各谱线的波长和强度。4原子发射光谱法的特点：优点：可多元素同时检测(各元素同时发射各自的特征光谱）；分析速度快(试样不需处理，同时对几十种元素进行定量分析）；检出限低（100.1mgmL1(一般光源)；ngmL1（ICP）。）；选择性好（各元素具有不同的特征光谱）：准确度较高（相对误差510% （一般光源）；1% (ICP)。）；试样用量少，测定范围广（目前可测定70余种元素)。缺点：不适于部分非金属元素如卤素、氧、氮、惰性气体等的分析;一般只用于元素总量分析,而无法确定物质的空间结构和官能团，也无法进行元素的价态和形态分析。5原子发射光谱的产生：在正常状态下，元素处于基态，元素在受到热或电激发时，由基态跃迁到激发态,返回到基态时，发射出特征光谱(线光谱）。6谱线强度与试样中元素含量的关系I = a c 在浓度较大时，将发生自吸现象，上式应修正为I = acb lgI = blgc + lga在一定的实验条件下，a为常数；c为被测元素的含量；b为自吸系数。b=1，无自吸；b1,有自吸。b愈小，自吸愈大 。7谱线的自吸：原子在高温区发射某一波长的辐射，被处在边缘低温状态的同种原子所吸收的现象称为自吸。8谱线的自蚀：当样品达到一定含量时，由于自吸严重，谱线中心的辐射完全被吸收，称为自蚀.9原子发射光谱仪的组成：主要由激发源、分光系统和检测系统三部分组成。激发源作用：激发源的作用是提供试样蒸发、原子化和激发所需的能量，从而产生发射光谱，它的性能影响着谱线的数目和强度。分光系统作用:将样品中待测元素的激发态原子(或离子）所发射的特征光经分光后，得到按波长顺序排列的光谱。检测器作用:将原子的发射光谱记录或检测出来，以进行定性或定量分析。10光谱定性分析依据：元素不同电子结构不同光谱不同特征光谱。11元素的灵敏线、最后线、主共振线、特征线组、分析线：灵敏线：每种元素的原子光谱线中,凡是具有一定强度、能标记某元素存在的特征谱线，称为该元素的灵敏线。：最后线：当元素含量减少到最低限度时，仍能够坚持到最后出现的谱线,称为最后线或最灵敏线。主共振线：由第一激发态与基态之间跃迁所产生的共振线称为主共振线。通常也是最灵敏线、最后线。特征线组：是指为某种元素所特有的、容易辨认的多重线组.分析线：用来进行定性或定量分析的特征谱线。12定性方法：目前常用标准试样光谱比较法和铁光谱比较法。标准试样光谱比较法:将待测元素的纯物质与样品在相同条件下同时并列摄谱于同一感光板上，然后在映谱仪上进行光谱比较,如果样品光谱中出现与纯物质光谱相同波长的谱线（一般看最后线)，则表明样品中有与纯物质相同的元素存在.对于测定复杂组分尤其是要进行全定性分析时，就需要用铁光谱比较法（元素光谱图法)。铁光谱比较法:以铁的光谱线作为波长的标尺，将各个元素的最后线按波长位置标插在铁光谱（上方)相关的位置上,制成元素标准光谱图.在定性分析时，将待测样品和纯铁同时并列摄谱于同一感光板上，然后在映谱仪上用元素标准光谱图与样品的光谱对照检查。如待测元素的谱线与标准光谱图中标明的某元素谱线(最后线）重合，则可认为可能存在该元素。为什么选铁谱:谱线间距离分配均匀:容易对比，适用面广；谱线多：在210660 nm范围内有数千条谱线；定位准确:已准确测量了铁谱每一条谱线的波长。13原子荧光光谱法（ Atomic Fluorescence Spectrometry, AFS）是一种通过测量待测元素的原子蒸气在辐射能激发下所产生荧光的发射强度，来测定待测元素含量的一种发射光谱分析方法。14 HG-AFS的优势：检出限低、灵敏度高（ 11种元素(吸收线300nm)优于AAS和AES）.谱线简单、干扰小（可以做成非色散AFS）。原子化效率高，理论上可达到100%。分析曲线线性好、线性范围宽。便于制作多道仪器进行多元素同时测定（产生的荧光向各个方向发射）。可进行形态分析、价态分析.15原子荧光：气态原子吸收光源的特征辐射后，原子外层电子由基态或低能态跃迁到高能态，约在108s内，又跃迁回到基态或低能态，辐射出与吸收光波长相同或不同的光辐射，即为原子荧光。16原子荧光的特点：一、属光致发光;是二次发光过程；激发光源停止时，再发射过程立即停止。二、发射的荧光强度与照射的光强有关。三、不同元素的荧光波长不同（原子结构不同，电子能级排布不同）。四、浓度很低时,强度与蒸气中该元素的浓度成正比,定量依据(适用于微量或痕量分析)。17原子荧光光度计的组成:激发光源、原子化器、分光系统、检测系统。激发光源：高强度空心阴极灯，无极放电灯，高压氙弧灯.原子化器:与原子吸收光度计相同。但所用的火焰与AAS不同，因为在通常的AAS火焰中，荧光猝灭严重，必须用Ar稀释的火焰。当用氢化物发生法时,直接使用Ar气氛下的石英加热方法进行原子化。分光系统：滤光片或光栅。检测系统：光电备增管，PMT.18 AFS与AES和AAS的区别和联系：AAS（原子吸收光谱）是基于气态的基态原子外层电子对紫外光和可见光的吸收为基础的分析方法.（基于物质所产生的原子蒸气对特征谱线（通常是待测元素的特征谱线）的吸收作用来进行元素定量分析的一种方法）。AES（原子发射光谱）原子发射光谱分析是根据原子所发射的光谱来测定物质的化学组分的。AFS（原子荧光光谱Atomic Fluorescence Spectrometry）:通过测定原子在光辐射能的作用下发射的荧光强度进行定量分析的一种发射光谱分析方法。三者的区别与联系：相似之处-产生光谱的对象都是原子 不同之处AAS是基于“基态原子”选择性吸收光辐射能（hv）,并使该光辐射强度降低而产生的光谱(共振吸收线）； AES是基态原子受到热、电或光能的作用,原子从基态跃迁至激发态，然后再返回到基态时所产生俄光谱(共振发射线和非共振发射线）。 AFS气态原子吸收光源的特征辐射后，原子外层电子跃迁到激发态,然后返回到基态或较低能态，同时发射出与原子激发波长相同或不同的辐射即为原子荧光，是光致二次发光。AFS本质上仍是发射光谱。原子发射光谱分析法在发现新元素和推动原子结构理论的建立方面曾做出过重要贡献,在各种无机材料的定性、半定量及定量分析方面也曾发挥过重要作用.近20年来,由于新型光源、色散仪和检测技术的飞速发展，原子发射光谱分析法得到更广泛的应用.到了二十世纪三十年代,人们已经注意了到浓度很低的物质，对改变金属、半导体的性质,对生物生理作用，对诸如催化剂及其毒化剂的作用是极为显著的,而且地质、矿物质的发展，对痕量分析有了迫切的需求，促使AES迅速的发展,成为仪器分析中一种很重要的、应用很广的方法。而到了五十年代末、六十年代初，由于原子吸收分析法(AAS)的崛起，AES中的一些缺点，使它显得比AAS有所逊色,出现一种AAS欲取代AES的趋势。但是到了七十年代以后，由于新的激发光源如ICP、激光等的应用，及新的进样方式的出现,先进的电子技术的应用,使古老的AES分析技术得到复苏，注入新的活力，使它仍然是仪器分析中的重要分析方法之一。第三章 原子吸收光谱法1原子吸收光谱法的定义：基于测量待测元素的基态原子对其特征谱线的吸收程度来确定物质含量的分析方法，称为原子吸收光谱法(Atomic Absorption Spectrometry, AAS）或原子吸收分光光度法，简称原子吸收法.2原子吸收光谱法的特点:优点：一、检出限低（火焰法：1 ng/ml，石墨炉100-0。01 pg）。二、选择性好，一般情况下共存元素不干扰。三、精密度和准确度高.RSD:火焰法 98)，通常在分析前，样品需要纯化， 对于GCFTIR则无此要求；样品不含有水（水可产生红外吸收且可侵蚀盐窗）；样品浓度或厚度应适当，以使T在合适范围.25试样制备制样方法：（1）气体样品:注入抽成真空的气体吸收池进行测定；(2）液体或溶液样品：液体样品可滴在可拆池两窗之间形成薄的液膜进行测定;溶液样品注入液体吸收池中进行测定；根据实验所需的透光范围、溶液性质选择窗片种类，水溶液选用CaF2等水不溶性窗片。（3）固体样品:固体样品最常用压片法进行测定。通常用300 mg光谱纯的KBr粉末与13 mg固体样品共同研磨混匀后,压制成约1 mm厚的透明薄片,放在光路中进行测定。由于KBr在4000-100 cm-1光区无吸收，因此可得到全波段的红外光谱图。第六章 分子发光分析法1分子发光的定义:某些物质的分子吸收一定能量(光能、电能、化学能等）跃迁到较高的电子激发态后，在返回电子基态的过程中伴随有光辐射，这种现象称为分子发光（Molecular Luminescence），以此建立起来的分析方法称为分子发光分析法 。2分子发光的分类：（1）光致发光 光能（PL）、电致发光电能（EL)、化学发光化学反应能(CL)、生物发光生物体 酶类 化学发光（BL）。3分子荧光和磷光的产生：物质分子吸收光能而激发发光的现象.4单重态和三重态：激发单重态：电子自旋相反-S S1荧光；激发三重态 ：电子自旋平行T T1-磷光.4光谱曲线：激发光谱的形状与发射波长无关，发射光谱的形状与激发波长无关，变化的只是If光谱曲线高低；在最大激发波长和最大发射波长下，荧光强度最大。同一物质的激发光谱与吸收光谱形状相似,最大激发波长与最大吸收波长一致。同一组分的激发光谱(吸收光谱）波长最短,磷光波长最长，荧光波长处于中间。5强荧光的有机化合物具备以下特征（荧光与分子结构的关系(内因）：具有大的共轭键结构；具有刚性的平面结构;取代基为给电子取代基；具有最低单重电子激发态S1为*跃迁。6、共轭键体系:提高共轭程度有利于增加荧光效率，并产生红移。7刚性平面结构：刚性和平面性增加，有利于荧光发射。8取代基效应：给电子取代剂加强荧光 -HN2，-NHR，-NR2，-OH，OR，CN;得电子取代基减弱荧光、加强磷光-C=0,-COOH,NO2，SH；对位、邻位取代基增强荧光,间位取代抑制荧光.9重原子效应：荧光分子的芳环上被F，Cl，Br，I取代后,使系间窜跃加强，其荧光强度随卤素相对原子质量的增加而减弱，磷光相应增强，这种效应称为重原子效应。10电子跃迁类型：含N、O、S杂原子的有机物，S1T1系间窜跃强烈，荧光很弱或不发荧光；不含N、O、S原子的有机荧光体系多发生p*类型的跃迁，这是电子自旋允许的跃迁，摩尔吸收系数大（约104 L mol 1 cm1），荧光辐射强.11影响荧光强度的因素（外因）：(1）荧光猝灭；（2）温度、酸度和溶剂的影响，T，ff。、If；酸碱化合物，严格控制溶液pH；溶剂极性。， If。、lem红移。(3)表面活性剂的影响（胶束增敏作用)。12荧光分析仪器：激发光源:、样品池、双单色器系统、检测器、显示器。13荧光分析仪器特殊点：有两个单色器，光源与检测器通常成直角。14荧光分光光度计与紫外可见分光光度计有何异同点：1)荧光分光光度计有两个单色器，而紫外只有一个单色器2）荧光分光光度计的光源和检测器是成直角分布的,而紫外是成一条直线的.3）荧光分光光度计是以氘灯做为光源，而紫外是以氢灯或氘灯作为紫外区光源，钨灯或卤钨灯作为可见光区的光源。4）荧光分光光度计的比色皿是四壁均为光学面，而紫外仅为两面为光学面。15磷光的特点:磷光波长比荧光的长（T1S1)；磷光寿命比荧光的长；磷光寿命和强度对重原子敏感。16工作曲线法:直接荧光工作曲线法;荧光猝灭工作曲线法。17多组分混合物的荧光分析：各组分的荧光峰相互不干扰直接测定；各组分的荧光峰相互干扰，激发光谱有显著差别-选择不同的激发光进行测定；各组分的荧光光谱和激发光谱相互干扰利用荧光强度的加和性(If=If1+If2+If3+）,在适宜的荧光波长处测定，用联立方程来求解。18荧光分析注意事项：防止荧光污染；防止散射光干扰。19荧光分析方法的特点：优点：灵敏度高：比紫外可见分光光度法高24个数量级；选择性好：可同时用激发光谱和荧光发射光谱定性；重现性好；取样量少；仪器不复杂。缺点：应用范围小。20化学发光(Chemiluminescence, CL)是指通过化学反应产生的发光现象.生物体内的发光和有酶参与的化学反应产生的光称为生物发光(Bioluminescence, BL)；利用电化学方法产生的光，称为电致化学发光。21荧光与化学发光的异同点：相同点：都是电子从激发态跃迁到基态时放出的辐射。不同点:获得能量的途径不同，荧光是靠吸收紫外-可见光，化学发光是吸收化学反应能.22化学发光反应的基本要求：化学发光反应必须提供足够的激发能,即生成激发态分子的效率 jCE足够大；处于激发态分子能够以辐射跃迁的方式返回基态，即有足够大的激发态发光效率jEM。23化学发光反应的类型:气相化学发光，主要有O3、NO、S的化学发光反应；:液相化学发光,主要有鲁米诺、光泽精、洛粉碱和没食子酸等；固相化学发光；异相化学发光。24化学发光强度与化学发光分析的定量依据：在一定条件下，峰值光强度与被测物浓度成线性；在一定条件下，曲线下面积为发光总强度(S），其与被测物浓度成线性。25发光反应可采用静态或流动注射的方式进行：静态方式:用注射器分别将试剂加入到反应器中混合,测最大光强度或总发光量；试样量小，重复性差；流动注射方式：用蠕动泵分别将试剂连续送入混合器，定时通过测量室，连续发光，测定光强度；试样量大。26生物发光分析法:生物发光分析将酶反应的专一性和化学发光的高灵敏性巧妙结合，在温和的自然条件下能以较高量子产率产生连续的冷光辐射，具有灵敏度高、选择性好的显著特点。27化学发光分析特点：优点:1. 灵敏度极高2. 仪器设备简单。不需要光源、单色器和背景校正。3. 发射光强度测量无干扰。无背景光、散射光等干扰。4. 线性范围宽5、分析速度快.缺点：可供化学发光用的试剂少；发光反应效率低（大大低于生物体中的发光）;机理研究少。2