仪器分析教案

第一章绪论（Preface ）§1-1 仪器分析简介一、仪器分析方法在分析化学中的位置1.分析化学定义：是化学学科的一个重要分支，是研究物质的组成、含量、结构及其分析方法的学科。

分类：化学分析法；仪器分析法2.化学分析法/经典分析法定义：是以物质的化学反应为基础的分析方法。

分类：重量分析法—绝对分析法滴定分析法—相对分析法:酸碱滴定；络合滴定；氧化还原滴定；沉淀滴定3.仪器分析法（物理和物理化学分析法）是采用比较复杂或特殊的仪器设备，通过测量能表征物质的某些物理或物理化学性质来确定其化学组成、含量、结构。

分类：二、仪器分析的特点和局限性1.仪器分析的特点:（1）适用于微量、痕量组份含量分析（含量<1%，测量的相对误差为1~10%）；（2）操作简便快速；（3）最适用于生产过程中的控制分析。

2.仪器分析的局限性：（1）准确度不够高，相对误差通常(1~10%)；（2）一般都需要以标准物进行校准，而很多标准物需要用化学分析方法来标定；（3）仪器比较昂贵。

3.仪器分析的发展趋势：与计算机联用：自动化、数字化与其它分析方法联用：气相色谱-光度法联用；FIA -光度法联用§1-2 定量分析方法的评价指标1. 标准曲线标准曲线：被测物质的浓度或含量x 与仪器响应信号y 的关系曲线。

线性范围：标准曲线直线部分所对应被测物质浓度或质量的范围。

标准曲线的绘制：用 “一元线性回归法”的数据统计方法来给出y 与x 的关系式标准溶液浓度： x 1 x 2 x 3 x 4 x 5 …… 响应信号： y 1 y 2 y 3 y 4 y 5……121()()()niii nii x x y y b x x ==--=-∑∑a y bx =-2. 灵敏度物质单位浓度或单位质量的变化引起响应信号的变化，称为方法的灵敏度，用S 表示。

yxdy S dm =，dy S dc= 灵敏度也是标准曲线的斜率，斜率越大，方法的灵敏度越大。

3. 精密度精密度是指使用同一方法，对同一试样进行多次分析所得结果的一致程度。

常用测定结果的标准偏差s 或相对标准偏差s r 。

s =100%r ss x=⨯4. 准确度试样含量的测定值与试样含量的真实值（或标准值）相符合的程度称为准确度。

准确度常用相对误差量度。

100%r x E μμ-=⨯5.检测限检测限：在已知置信水平，可以检测到的待测物的最小质量或浓度。

检出限如何计算呢？经统计学的 t 和 z 检验，当测量值为标准偏差3倍时，检测结果的置信度为95%。

测定空白样品(或浓度接近空白值）20-30次， 求出测量的标准偏差s ，检出限为标准偏差s 的3倍除以该标准溶液的工作曲线的斜率b 。

3s D b=第二章 光学分析法导论§2-1 电磁辐射一、电磁辐射的性质红外光、紫外光、可见光、X 射线、无线电波等都是电磁辐射，电磁辐射具有波粒二象性——波动性和粒子性。

1.波动性——传播时，主要表现为波动性电磁辐射是在空间传播着的交变电磁场，称为电磁波。

电磁波可用频率、波长、波数表示。

频率ν—每秒钟电磁场振荡的次数：Hz波长λ—电磁波相邻两个波峰或波谷间的距离：cm, μm, nm波数σ—1 cm内波的数目σ =1/ λ波速υ—电磁波传播的速度，真空中等于光速c= νλ =3×1010cm·s-12. 微粒性光是由光量子或光子流所组成，光子能量与光波频率之间的关系为：E= hν=hc/ λ=hcσ二、电磁波谱把电磁辐射按波长大小顺序排列就得到电磁波谱§2-2 原子光谱和分子光谱原子和分子是产生光谱的基本粒子，由于它们的结构不同，其光谱特性也不同。

由原子产生光谱称为原子光谱，分子产生的光谱称为分子光谱。

一、原子光谱原子光谱谱线的产生：外层电子在不同能级之间的跃迁。

原子光谱：气态原子发生能级跃迁时，能发射或吸收一定频率的电磁辐射，经过光谱仪得到的一条条分立的线状光谱—原子光谱.1. 原子发射光谱基态原子吸收热、电、光能激发态原子发射特征谱线基态或较低能态2. 原子吸收光谱二、 分子光谱光谱产生的原理：分子平动—整个分子的平动，不产生光谱；能量连续 分子转动—分子围绕质量中心的转动； 分子振动—整个分子内原子之间的相对运动； 电子运动—分子中电子相对运动； ● 产生光谱的条件：引起偶极矩的变化● 每一种运动形式都有一定的能量，用E 转、E 振、E 电表示 ● 每一种能量都是量子化的，是不连续的● 电子能级上有许多振动能级，而振动能级上有许多能量不同的转动能级 ∆E 转﹤∆E 振﹤ ∆E 电 能级跃迁示意图：通常情况下，物质的分子处于基态，各种能级都处于基态，当它受到光照或其它能量激发时，引起分子能级的跃迁：基态→激发态，按波长大小排列起来称为吸收光谱激发态→基态以光辐射形式释放出来，把释放的光辐射按波长排列下来称为发射光谱基态原子 选择吸收一定频率的光激发态原子吸收或发射的光子的能量E 光 = h ν = E 2-E 1=∆E = ∆E 转+ ∆E 振+ ∆E 电第五章 分子发光分析法 §5-1 荧光分析法一、概述1．分子发光分析法某些物质的分子吸收一定能量后，电子从基态跃迁到激发态，以光辐射的形式从激发态回到基态，这种现象称为分子发光，在此基础上建立起来的分析方法为分子发光分析法分子荧光分析法的特点 1. 灵敏度高荧光强度随激发光强度增强而增强（提高激发光强度，可提高荧光强度）；荧光分析法检测限比分光光度法低2~4个数量级。

2. 选择性好a. 不同的物质用不同的光进行激发，选择不同的激发光波长;激发态 基 态吸收能量光辐射b. 不同的物质发射的荧光不同，选择不同的波长检测荧光;c. 比较容易排除其它物质的干扰，选择性好; 3. 实验方法简单4. 待测样品用量少；仪器价格适中；测定范围较广，可定量测定许多痕量的无机物和有机物，广泛应用在生物化学、分子生物学、免疫学及农牧产品分析、卫生检疫等领域。

二、基本原理（一）、荧光和磷光光谱的产生具有不饱和基团的基态分子光照后，价电子跃迁产生荧光和磷光在光致激发和去激发光的过程中，分子中的价电子处于不同的自旋状态，通常用电子自旋状态的多重性来描述 1、电子自旋状态的多重性大多数分子含有偶数电子，基态分子每一个轨道中两个电子自旋方向总是相反的 ，处于基态单重态。

用 “S 0” 表示 ；当物质受光照射时，基态分子吸收光能产生电子能级跃迁，由基态跃迁至能量更高的单重态，电子自旋方向没有改变，这种跃迁是符合光谱选律的。

S 0、S 1、S 2、S 3分别代表基态、第一、 二、 三激发单重态 单重态分子具有抗磁性，激发态的平均寿命约为10-8s基 态基态分子 光发光照激发价电子跃迁到激发态若分子中电子跃迁过程中伴随着自旋方向的改变，由基态单重态→激发三重态。

这种跃迁为禁阻跃迁。

三重态分子具有顺磁性，激发态的平均寿命约为10-4-1S。

分子中电子受激跃迁到激发态后，处于激发态的分子是不稳定的，去激返回到较低能级。

2. 非辐射跃迁激发态跃迁至基态时有两种方式：非辐射跃迁和辐射跃迁非辐射跃迁：不伴随发光现象的跃迁叫非辐射跃迁，体系内的多余的能量以热的形式释放。

包括：a.内转化：相同的多重态之间的非辐射跃迁S2→S1b.系间窜跃：不同的多重态之间的非辐射跃迁S1→T1c.振动驰豫：同一电子能级中，从较高振动能级到较低振动能级的非辐射跃迁发生系间窜跃电子自旋方向改变，比内转化困难3．荧光和磷光光谱的产生处于S1或T1态的电子返回S0态时，伴随有发光现象a.荧光的产生当电子从第一激发单重态S1的最低振动能级回到基态S0各振动能级所产生的光辐射叫荧光；⏹ 荧光是相同多重态间的允许跃迁，产生速度快，10-9-10-6s ，外部光源停止照射，荧光马上熄灭；⏹ 无论开始电子被激发至什么高能级，它都经过无辐射跃迁消耗能量后到S 1的最低振动能级，发射荧光。

b. 磷光当受激电子降到S 1的最低振动能级后，未发射荧光，而是经过系间窜跃到T 1振动能级，经振动驰豫到 T 1最低振动能级，从T 1最低振动能级回到基态的各个振动能级所发射的光叫磷光。

从T 1→ S 1要改变电子自旋，发光速度慢，约为10-4 - 10s ，光照停止后，磷光仍可持续一段时间.λ 磷 > λ 荧> λ激（二）、荧光效率及其影响因素 1荧光效率 荧光量子效率 f ϕ=发荧光的分子数激发态分子总数ϕ f 越大，荧光越强，在0~1之间K f 为荧光辐射过程的速率常数 ∑K i 为非辐射跃迁的速率常数之和f f f iK K K φ=+∑（二）荧光与分子结构的关系 1. 共轭体系—有较强的荧光具有共轭体系的芳环或杂环化合物， 电子共轭程度越大，越易产生荧光; 环越多，共轭程度越大，产生荧光波长越长，发射的荧光强度越强。

芳香族化合物因具有共轭的不饱和体系，多数能发生荧光2. 刚性平面结构—较稳定的平面结构 具有强荧光的分子多数有刚性平面结构ocoo -oo-荧光素：氧桥把两个环固定在一个平面上，具有平面结构，强荧光物质。

coo -o o-酚酞：无氧桥把两个环固定，不能很好的共平面，为非荧光物质。

例 1，2 - 二苯乙烯C=CH H顺式：非平面构型，非荧光体C=CH反式：平面构型，强荧光体3.金属螯合物的荧光大多数无机盐类金属离子，不能产生荧光，但某些螯合物都能产生很强的荧光，可用于痕量金属离子的测定不少有机配体是芳香族化合物，是弱荧光体或不发荧光，但与M n+形成螯合物后刚性平面结构增大，就会使荧光加强或产生荧光。

例：8-羟基喹啉为弱荧光体，与M n+— Al3+、Mg2+形成螯合物后，能形成刚性结构，荧光加强N OH4.取代基的类型取代基对荧光物质的荧光特征和强度也有很大影响。

分成三类：（1）增强荧光的取代基——有-OH、-OR、-NH2、-NHR、-NR2等给电子基团，由于基团的n 电子（孤对电子）的电子云与苯环上的π轨道平行，共享了共轭π电子，扩大了共轭体系，使荧光波长长移，荧光强度增强（2）减弱荧光的取代基——-COOH、-NO2、-COOR、-NO、-SH吸电子基团, 使荧光波长短移，荧光强度减弱芳环上被F、Cl、Br、I取代后，使系间窜跃加强，磷光增强，荧光减弱。

其荧光强度随卤素原子量增加而减弱，磷光相应增强，这种效应为重原子效应。

5.环境对荧光、磷光的影响(1).溶剂的影响一般来说，溶剂的极性增强，荧光波长长移，荧光强度增大(2). 温度的影响因为辐射跃迁的速率基本不随温度改变，而非辐射跃迁随温度升高显著增大。

大多数荧光物质都随溶液温度升高荧光效率下降，荧光强度减弱。

温度对磷光影响更大！ (3). pH 的影响大多数含有酸性或碱性基团的芳香族化合物的荧光性质受溶液pH 的影响很大 共轭酸碱对是具有不同荧光性质的两种型体，具有各自的荧光效率和荧光波长 例： 苯酚OHO_H _pH≈1有荧光 pH≈13无荧光但两个苯环相连的化合物，又表现出相反的性质，分子形式无荧光，离子化后显荧光例：α—萘酚OHO_无荧光 有荧光 另外，表面活性剂也会影响荧光强度和特性四、荧光强度与荧光物质浓度的关系用强度为I 0的入射光，照射到液池内的荧光物质时，产生荧光，荧光强度I f 用仪器测得，在荧光浓度很稀 (A<0.05)时，荧光物质发射的荧光强度I f 与浓度有下面的关系 f I Kc =0()f f I I I ϕ=-I a 为吸收的辐射强度，I 0为入射光强度010A I I -=，0lg IA I=000(10)(110)A A f f f I I I I ϕϕ--=-=-230( 2.3)( 2.3)[2.3]2!3!f f A A I I A ϕ--=--⋅⋅⋅当A ﹤0.05时，方括号中其它各项与第一项相比可忽略不计，上式简化 002.3 2.3f f f I I A I bc ϕϕκ==当A ﹤0.05时， I f 与 ϕf 、I 0、 κ和c 有关，对一给定物质，当激发光波长和强度一定时， ϕf 、I 0、 κ和b 为常数，合并为Kf I Kc = 同理 p I Kc =✓ 荧光强度与物质浓度呈线形关系，f I Kc =只有在浓度低时使用，荧光物质测定的是微量或痕量组分，灵敏度高✓ 浓度高时， I f 与c 不呈线形关系，有时c 增大， I f 反而降低因为公式[ ]中后面影响，有时发生荧光猝灭效应-自熄灭荧光猝灭：荧光物质与溶剂或其它物质之间发生化学反应，或发生碰撞后使荧光强度下降或荧光效率ϕf 下降称为荧光猝灭。