1、现代仪器分析简化版第一章 紫外-可见分光光度法UV-Vis方法是分子光谱方法，它利用分子对外来辐射的选择性吸收特性。UV-Vis涉及分子外层电子的能级跃迁；光谱区在190-780nmUV-Vis主要用于分子的定量分析，但紫外光谱(UV)为四大波谱之一，是鉴定许多化合物，尤其是有机化合物的重要定性工具之一。1.1 紫外-可见吸收光谱一、分子吸收光谱的形成1. 过程：运动的分子外层电子-吸收外来辐射-产生电子能级跃迁-分子吸收谱。2. 能级组成：除了电子能级(Electron energy level)外，分子吸收能量将伴随着分子的振动和转动，即同时将发生振动(Vibration)能级和转动(Ro
2、tation)能级的跃迁！据量子力学理论，分子的振-转跃迁也是量子化的或者说将产生非连续谱。因此，分子的能量变化E为各种形式能量变化的总和：其中Ee最大：1-20 eV; Ev次之：0.05-1 eV; Er最小：0.05 eV可见，电子能级间隔比振动能级和转动能级间隔大1-2个数量级，在发生电子能级跃迁时，伴有振-转能级的跃迁，形成所谓的带状光谱。不同物质将选择性地吸收不同波长或能量的外来辐射，这是UV-Vis定性分析的基础。定性分析具体做法是让不同波长的光通过待测物，经待测物吸收后，测量其对不同波长光的吸收程度(吸光度A)，以吸光度A为纵坐标，辐射波长为横坐标作图，得到该物质的吸收光谱或吸
3、收曲线，据吸收曲线的特性(峰强度、位置及数目等)研究分子结构。二、分子吸收光谱跃迁类型有机分子能级跃迁1. 可能的跃迁类型有机分子包括:成键轨道 、 ；反键轨道 *、* ；非键轨道 n 各轨道能级高低顺序： n * *（分子轨道理论计算结果）；可能的跃迁类型：-*；-*；-*；n-*；-*；n-*-*：C-H共价键，如CH4（125nm）；C-C键，如C2H6(135nm)，处于真空紫外区；-* 和-* 跃迁：尽管所需能量比上述-* 跃迁能量小，但波长仍处真空紫外区；n-*：含有孤对电子的分子，如H2O(167nm)；CH3OH(184nm)；CH3Cl (173nm);CH3I(258nm)
4、；(CH3)2S(229nm)；(CH3)2O(184nm)； CH3NH2(215nm)；(CH3)3N(227nm)，可见，大多数波长仍小于200nm，处于近紫外区。以上四种跃迁都与成键和反键轨道有关（-*，-*，-*和n-*），跃迁能量较高，这些跃迁所产生的吸收谱多位于真空紫外区，只有-* 和n-* 两种跃迁的能量小，相应波长出现在近紫外区甚至可见光区，且对光的吸收强烈，是我们研究的重点。 2. 几个概念生色团（Chromogenesis group）：分子中含有非键或键的电子体系，能吸收特征外来辐射时并引起n-* 和-* 跃迁，可产生此类跃迁或吸收的结构单元，称为生色团。助色团（Aux
5、ochromous group）：含有孤对电子，可使生色团吸收峰向长波方向移动并提高吸收强度的一些官能团，称之为助色团。常见助色团助色顺序为：-F-CH3-Br-OH-OCH3-NH2-NHCH3-NH(CH3)2-NHC6H5i，测得的吸光度比在“单色光” x处测得的低，产生负偏离；反之，当x测定波长数组分数7. 导数光谱法1）定义：将吸光度信号转化为对波长的导数信号的方法。导数光谱是解决干扰物质与被测物光谱重叠，消除胶体等散射影响和背景吸收，提高 光谱分辨率的一种数据处理技术。2）原理： 已知 对波长求一阶导数，得可见，一阶导数信号与浓度成正比。同样可得到二阶、三阶.n 阶导数信号亦与浓度
6、成正比。导数光谱的特点：1、峰形特点2、特征性增加 吸收峰数为：导数阶数+1，即 n+1 3、可消除干扰：高一阶的导数，可消除低一阶的干扰。4、分辨率提高：随导数阶数的增加，峰形越来越尖锐，峰变窄，因而导数光谱法分辨率高5、灵敏度提高3）导数峰高测量方法正切法：相邻峰(极大或极小)切线中点至相邻峰切线(极小或极大)的距离d；峰谷法：两相邻峰值(极大或极小)间的距离p1或p2；峰零法：极值峰至零线间的距离。7. 配合物组成和稳定常数测定1）摩尔比法(饱和法)设配合物的显色反应为：具体做法：固定cM，增加cR，并测定一系列MRn的吸光度A，以cR/cM比值对A作图，得如图所示曲线。其中，曲线拐点处
7、对应的值为配合比 n。设MRn 的电离度为，则 2）等摩尔连续变化法(Job法)具体做法：保持cR+cM=c 恒定，但改变cM与cR的相对比例，若以cM/c对吸光度A作图，当达最大吸光度时cM/cR之比即为配位比。由两曲线外推的交点所对应的cM/c亦可得出配位比。若比值为0.5，则配位比n为1:1；若比值为0.33，则配位比n为1:2或者n=(1-cM/c)/(cM/c)；设cM/c=f，则 因此该法适于离解度小、配合比低的配合物组成测定。8. 弱酸离解常数的测定 设有一元弱酸HB，其离解反应如下若测出B-和HB，即可求出Ka。测定时，配制三份不同pH值的溶液。一份为强碱性，一份为强酸性，分别
8、在B-和HB的最大吸收波长处测定吸光度，求出各自的摩尔吸光系数。第三份为已知pH值的缓冲溶液，分别在B-和HB的最大吸收波长处测得总吸光度，解联立方程求得B-和HB，然后按前式求出pKa或Ka。第五节 紫外-可见分子吸收光谱的发展1、光声光谱 不仅可用于液体样品、也可用于固体样品2.长光程紫外-可见光度计第二章 红外光谱实验技术一、仪器类型与结构1.两种类型：色散型 干涉型（付立叶变换红外光谱仪）光源干涉仪样品室检测器计算机检测器：三甘氨酸硫酸酯（TGS）及氘化三甘氨酸硫酸酯（DTGS）温热电检测器，响应速度快可达10-6秒。 低温（液氮）碲镉汞检测器（MCT）：极快的相应速度，很高的灵敏度。
9、由于是量子型检测器，由HgTe和Cd-Te二种半导体混合物制成。在常温时电子的随机效应使输出产生噪声。所以在液氮温度中工作。2. 优点：灵敏度高，检出限可达10-910-12g；分辨本领高，波数精度可达0.01cm-1；测定精度高，重复性可达0.1%；扫描速度快，适于对快速反应过程的追踪，也便于和色谱法联用。 3. 仪器维护与简单故障排除：保持干燥洁净、室温维持1-25C 二、制样方法1、对样品的要求：(1) 试样应该是单一组分的纯物质，纯度应98%，便于与纯化合物的标准进行对照。多组分试样应在测定前尽量预先用分馏、萃取、重结晶、区域熔融或色谱法进行分离提纯。(2) 试样中不应含有游离水。水本
10、身有红外吸收，会严重干扰样品谱，而且还会侵蚀吸收池的盐窗。(3) 试样的浓度和测试厚度应选择适当，以使光谱图中的大多数吸收峰的透射比处于10%-80%范围内。2、各种物相样品制样方法气体样品a 样品前处理:除去空气：冷聚样品时，用泵抽去样品管间的空气；除去水分：干燥剂或分子筛；除去CO2：利用CO2与气样间冰点的差异，用冷冻法去除。b 气体吸收池透红外材料作窗体；另：长程气体池：光程1-10；体积：2L; 测定量大，浓度稀的气体样品，例:环保分析的大气试样等。c 注意事项：样品的化学性质; 腐蚀性、剧毒气体，注意排放；注意气体样品的压力：表征样品多少，且与IR的峰形有关；一般特征样品压力在30
11、0mmHg；注意去除混杂在气体样中的空气或其它气体成分。 固体样品的制备：a.压片法: 将1-2mg固体试样与200mg纯KBr研细混合，研磨到粒度小于2m，在油压机上压成透明薄片，即可用于测定。b.糊状法: 研细的固体粉末和石蜡油调成糊状，涂在两盐窗上，进行测试。此法可消除水峰的干扰。液体石蜡本身有红外吸收，此法不能用来研究饱和烷烃的红外吸收。c.薄膜法：高分子试样加热熔融涂制或压制成膜；高分子试样溶于低沸点溶剂涂渍于盐片挥发除溶剂 。固体样品：溶液制样法a 溶剂的选用和处理：要求在4000400cm1区光谱简单，沸点低。常用：CCl4、CHCl3、CS2、己烷、环己烷、C2H4Cl2、C2
12、H2Cl2（二氯二烯）b浓度：520左右吸收池厚度：0.1mm左右的较薄吸收池得清晰的红外图谱（浓度较大）溶剂与样品间无相互作用；5%时，用0.250.4mm厚的液池；常用0.2mm厚度10浓度；饱和浓度的溶液不宜注入密封液池；c装样：用被选溶剂灌洗样品池湿润性清洗；清洗：在第一次抽出溶液时不可抽得很干，且应立即注入溶剂再行清洗，以防固体样品在薄池中析出，不易再度溶解。最后用干燥气体最后吹干溶剂蒸气。糊状法：a 制样法：固体样品加入石蜡油，研磨，至呈均匀糊状。b 样品用量及糊液稠度能涂开；尽量少加分散剂，通常：1020mg样品半滴约10mg液体分散剂c分散剂的选用和要求：沸点较高。化学性质稳定
13、，能长期使用和保存。在需用的波长范围内应无吸收峰或吸收很弱。具有一定的粘度和较高的折射率，易与固体样品相混呈糊状物。常用分散剂：石蜡油（长碳链正构烷烃），适用于除CH吸收区之外的一切范围。氟油或全氟煤油、氟氯油：不含C-H键，存在C-F、C-CL及C-C键，适用于40001300cm1之间红外摄谱制样。六氯丁二烯：无CH吸收的分散剂d 样品粒度的散射影响：粒度大将引起光散射，能量损失，使红外光谱基线倾斜。粒度2um,目测：磨细的样品在玛瑙研钵的四周是否形成反射可见光的光泽表面。e优点：对样品十分有利的保护环境，干燥研磨油质分散剂包裹样品颗粒窗户夹在糊液两侧有利于羟基或氨基的鉴评。压片法：a固体
14、样品加入KBr研磨混匀，加到模具上，加压，抽气。b用量：样品：KBr=1：501：200，压片厚度：0.51mm之间，太薄易产生干涉波纹，影响指纹峰的测定c分散剂的处理和选用：常用KBr和KCl（NaCl晶格能高，不易压成片子）。KBr和KCl若潮解，则先烘干再粉碎，过200目筛，110140烘4860h，减压干燥最好。d 熔融成膜法：熔点较低的固体样品，二块窗片置于红外灯下，样品数粒于一块窗片的晶面上，待熔化时，合上窗片，将样品架稍热后，装上窗片得测。 液体样品的制备 A.液膜法: 对沸点较高的液体，直接滴在两块盐片之间，形成没有气泡的毛细厚度液膜，然后用夹具固定，放入仪器光路中进行测试。控
15、制液膜厚度的方法：在二晶面间垫衬某种惰性垫片，如：锡纸、铅箔、铝箔、聚四氟乙烯薄膜、聚酯、聚乙烯等塑料薄膜。不适用样品- 易挥发样品；粘度很大，无法展开成膜的粘胶类样品；毒性大，腐蚀性样品：将样品装入聚乙烯袋中，再关在二块晶体之间。B. 液体吸收池法: 对于低沸点液体样品和定量分析，要用固定密封液体池。制样时液体池倾斜放置，样品从下口注入，直至液体被充满为止，用聚四氟乙烯塞子依次堵塞池的入口和出口，进行测试。C. 涂片法：粘度大的液体样品直接涂于溴化钾片上。加热加压法：同液膜法，需置红外灯下烘烤。溶液涂膜法：少量粘液样品低沸点溶剂溶液单块窗片置红外灯下烘热，加23滴溶液，慢慢挥发溶剂呈膜可反复
16、多次注意涂膜面积，稍大于入射光照射面积。溶液浓度不宜太浓，且应少量滴加，多次操作，否则会出现表面结膜，而膜内溶剂无法溢出。溶剂的挥发应在通风柜内的红外灯下进行。防止溶剂挥发太快而使窗片上凝结水分。D. 蒸气态制样：多用于GC/IR联用技术液体样品气体气体吸收池E. 全反射法制样：有些在红外区有极强吸收的低沸点液体样品，由于过载强峰，即使用最薄的密封液体吸收池，也无法得到强峰的准确波数值。全反射棱镜材料：KRS5或锗单晶。 聚合物：A粘稠液体：液膜法：低粘度的聚合物液体样品；溶剂挥发成膜法：粘度较大的聚合物液体样品；加热加压液膜法：粘度大的具有聚合物液体性质的样品；全反射法；溶液法。B 膜片状样
17、品：透过法：50um以下厚度的高聚物膜片样品，直接测定。镜反射法：高分子材料以较薄的涂层涂覆在金属表面入射光透入样品膜层，在背衬面以一定角度反射，再次穿出膜层到达检测器。全反射法：厚的膜片、不透明膜片或涂层等。4、 特殊实验技术.全反射法：主要应用于聚合物领域原理：入射光多次透入样品层的结构；有梯形、棱形；反射次数：12次25次；材料：KRS-5晶体，硒化锌、锗。操作：样品与棱镜紧密贴合；应注意：KR55晶体有毒且质地柔软、易擦毛和变形。全反射光谱的峰形频率与透过光谱一致，但峰的强度分布与透过光谱有明显差异，即高波数段峰的强度减弱，低波数处峰强度与透过光谱一致。衰减全反射（ATR）：入射光进入
18、样品，在样品有吸收的频率范围内，含被部分吸收而强度衰减，在样品无吸收的频率范围内会被全部反射。对整个频率范围，由于样品的选择性吸收，使ATR中的入射光被部分衰减，除穿透深度外，其衰减程度与样品的吸收系数有关，还与多次内反射中的光接触样品的次数有关。这种衰减程度在全反射光谱上就是它的吸收强度。b.漫反射法A.原理： 光照射到疏松的固态样品表面分为镜反射光（样品表面）、漫射（样品表面）或在微粒间辗转反射逐渐衰减或散射（穿入内层再折回） 这些接触样品微粒表面后被漫射后散射出来的光具有吸收衰减特性，产生反射光谱。 B.制样：粒度：样品10m；粒度大，则镜反射，峰强，峰宽浓度：不稀释，吸收太强，谱峰无法识别，一般10左右 微量样品：微量杯 溶解样品滴加在平铺于样品杯中的KBr粉末上，挥尽溶剂，刮平表面三、联用技术GC/FTIR（气相色谱红外光谱联用）、LC/FTIR（液相色谱红外光谱联用）GC-FTIR系统：GC单元、接口、FTIR
