分析測試技術及應用TechnologyandApplicationofAnalyticalMeasurement

課程教師

張彥，yanzhang@

Tel/p>

辦公室：化學樓B508副教授，碩士生導師研究方向：納米粒子的制備及分析應用山西省高等學校131領軍人才優秀中青年拔尖創新人才山西省高等學校優秀青年學術帶頭人國家自然科學基金“高效液相色譜法應用于金納米粒子形成機理的研究”，山西省回國留學人員科研資助項目“一鍋法制備小尺寸金納米粒子及其生長機理研究”山西省教育廳專項“山西省高等學校創新人才支持計劃資助山西省留學回國人員科技活動擇優資助項目，“新型熒光金納米團簇的制備及其分析應用”國家自然科學基金“高效液相色譜法研究手性金納米粒子的性能及對巰基化合物的檢測”山西省自然科學基金“手性金納米粒子的制備及分子識別功能研究”物質的含量測定:常量、微量、超痕量、單細胞、單分子分析。物質的形態、結構進行分析：分子結構、晶體結構和價態的分析。復雜體系的分離、選擇性識別或選擇性測定。獲得物質的時空信息、生物活性物質的分析。在線“online”

分析和實時控制分析。宏觀、微區、薄層以及納米層級的結構、形態、型貌觀察。非破壞性檢測和遙測檢測現代分析測試技術解決的問題

社會：體育（興奮劑）、生活產品質量（魚新鮮度、食品添加劑、農藥殘留量）、環境質量（污染實時檢測）、法庭化學（DNA技術，物證）。

化學：新化合物的結構表征、分子層次上的分析方法。

生命科學：DNA測序、活體檢測。

藥物：天然藥物的有效成分與結構，構效關系研究。

地學與環境科學：地質分析、環境監測、污染物分析。

材料科學：新材料、結構與性能。

外層空間探索：微型、高效、自動、智能化儀器。現代分析測試技術所應用的領域第一章光譜分析法導論第二章紫外-可見吸收光譜法第三章分子熒光光譜法第四章色譜分析法概論第五章高效液相色譜法第六章固相萃取（SPE）技術第七章質譜法Outline第八章

電分析化學導論第九章

電位與電導分析法第十章

電解與庫侖分析法第十一章

極譜與伏安分析法第十二章

化學修飾電極第十三章

電化學工作站使用第十四章

表征納米材料的常用技術第十五章電子顯微鏡技術第十六章

衍射技術第十七章

能譜技術第十八章

光譜技術

教學方式：講授、小組討論考核方式：平時成績+考試閉卷考試（100分）第一章光譜分析法導論Introductiontospectralanalysis光分析法的基礎包括兩個方面：能量作用于待測物質后產生光輻射光輻射作用于待測物質后發生某種變化基于此建立的分析方法均可稱為光分析法1.

Scattering

-

the

light

is

transmitted

but

in

all

directions.2.

Photons

are

absorbed,

a.

they

produce

heat

b.

they

cause

a

chemical

change

c.

they

are

reemitted

(fluorescence,

phosphorescence)Analytical

techniques

involving

measurements

of

theradiant

energy

absorbed

or

emitted

by

a

substance

in

anyof

the

wavelengths

of

the

electromagnetic

spectrum

inresponse

to

excitation

by

an

external

energy

source.

1.1光譜分析法的理論基礎1.1.1電磁輻射的波動性電磁輻射具有波動性，其許多性質可以用經典的正弦波加以描述。電磁波按所處波長或頻率的不同區域，分為無線電波、微波、紅外光、可見光、紫外光、X射線等。電磁輻射可以在空間進行傳播，傳播速率等于光速c

電磁輻射還具有微粒性，表現為電磁輻射的能量不是均勻連續分布在它傳播的空間，而是集中在輻射產生的微粒上。因此，電磁輻射不僅具有廣泛的波長（或頻率、能量）分布，而且由于電磁輻射波長和頻率的不同而具有不同的能量和動量，通常用eV表示電磁輻射的能量。1.1.2

電磁輻射的微粒性

1.1.3

電磁波譜

電磁輻射具有廣泛的波長（或頻率、能量）分布，將電磁輻射按其波長（或頻率、能量）順序排列，即為電磁波譜。與不同量子躍遷對應的電磁輻射具有不同的波長（或頻率、能量）區域，而且產生的機理也不相同。通常以一種量子躍遷為基礎可以建立一種電磁波譜方法，不同的量子躍遷對應不同的波譜方法。吸收；發射；共振。UV-VIS:

200

–

780

nmEnergyAbsorption

can

only

occur

when

the

energy

of

theradiation

(calculated

from

the

frequency

orwavelength)

matches

the

energy

gap.If

there

are

several

different

upper

levels

(and

thereusually

are)

then

several

transitions

will

be

observed.

1.1.4

電磁輻射與物質的相互作用吸收

吸收

當電磁波作用于物質時，若電磁波的能量正好等于物質某兩個能級（如第一激發態和基態）之間的能量差時，電磁輻射就可能被物質所吸收，此時電磁輻射能被轉移到組成物質的原子或分子上，原子或分子從較低能態吸收電磁輻射而被激發到較高能態或激發態。Absorptionoflightisacomplicatedprocess.Eachelectronicstateissubdividedintoanumberofvibrationalsublevels.Inturn,eachvibrationalsub-levelisfurtherdividedintorotationalsublevels.The

absorption

process復雜性Different

instrumental

forspectroscopy

of

differentregions.A

relative

complexabsorption

process.Individual

atoms,

wellseparated,

in

a

gas

phase.Even

for

H2,

a

complex

linespectrum

due

to

the

majorelectronic

transitions

and

thesublevels,

-s,

p,

d,

f.1.原子吸收The

atomic

absorption原子吸收當電磁輻射作用于氣態自由原子時,電磁輻射將被原子所吸收。原子外層電子任意兩能級之間的能量差所對應的頻率基本上處于紫外或可見光區，氣態自由原子主要吸收紫外或可見電磁輻射。電子能級數有限，吸收的特征頻率也有限。在現有的檢測技術條件下，通常只有少數幾個非常確定的頻率被吸收，表現為原子中的基態電子吸收特定頻率的電磁輻射后，躍遷到第一激發態、第二激發態或第三激發態等。The

molecular

absorptionMoleculesnotonlyhaveelectronicbutvibrationaland

rotationalsublevels.Alsointeractwithothermolecules

andsolvent.Theseresultsinbandspectra.2.分子吸收分子吸收當電磁輻射作用于分子時，電磁輻射也將被分子所吸收。分子除外層電子能級外，每個電子能級還存在振動能級，每個振動能級還存在轉動能級，因此分子吸收光譜較原子吸收光譜要復雜得多。分子的任意兩能級之間的能量差所對應的頻率基本上處于紫外、可見和紅外光區，因此,分子主要吸收紫外、可見和紅外電磁輻射，表現為紫外-可見吸收光譜和紅外吸收光譜。3.磁場誘導吸收將某些元素原子放入磁場，其電子和核受到強磁場的作用后，它們具有磁性質的簡并能級將發生分裂，并產生具有微小能量差的不同量子化的能級，進而可以吸收低頻率的電磁輻射。以自旋量子數為1/2的常見原子核1H、13C、19F及31P等為例，自旋量子數為1/2的能級實際上是磁量子數分別為+1/2和-1/2但自旋量子數均為1/2的兩個能級的簡并能級，該兩個能級在通常情況下能量相同，只有在外磁場作用下，由于不同磁量子數的能級在磁場中取向不同，因而與磁場的相互作用也不同，最終導致能級的分裂。發射

當原子、分子和離子等處于較高能態時，可以以光子形式釋放多余的能量而回到較低能態，產生電磁輻射，這一過程叫做發射躍遷。1.原子發射當氣態自由原子處于激發態時，將發射電磁波而回到基態，所發射的電磁波處于紫外或可見光區。通常采用的電、熱或激光的形式使樣品原子化并激發原子，一般將原子激發到以第一激發態為主的有限的幾個激發態，致使原子發射有限的特征頻率輻射，即特定原子只發射少數幾個具有特征頻率的電磁波。2.分子發射與分子外層電子能級、振動能級和轉動能級相關。激發不能采用電熱等極端形式，而采用光激發或化學能激發。基本上處于紫外、可見和紅外光區，因此,分子主要發射紫外、可見電磁輻射，據此建立了熒光光譜法、磷光光譜法和化學發光法。通過光激發而處于高能態的原子和分子的壽命很短，它們一般通過不同的弛豫過程返回到基態，這些弛豫過程分為輻射弛豫和非輻射弛豫。輻射弛豫通過分子發射電磁波的形式釋放能量，而非輻射弛豫通過其他形式釋放能量。折射和反射

當光作用于兩種物質的界面時，將發生折射和反射現象。干涉和衍射

當頻率相同、振動相同、相位相等或相差保持恒定的波源所發射的相干波互相疊加時，會產生波的干涉現象。光波繞過障礙物而彎曲地向它后面傳播的現象，稱為波的衍射現象。1.2

光學分析法1.2.1非光譜法折射法

可用于純化合物的定性及純度測定。方法簡單，但應用范圍有限。旋光法鑒定物質化學結構的一種手段。比濁法測量光線通過膠體溶液或懸浮液后的散射光強度來進行定量分析，主要適用于測定BaSO4、AgCl及其他膠體沉淀溶液的濃度。衍射法1.X射線衍射法X-raypowderdiffraction(XRD).

以X射線照射晶體時，由于晶體的點陣常數與X射線的波長為同一個數量級（約10-8cm），故可產生衍射現象。Bragg（布拉格）方程表示X射線的波長λ、衍射角θ與晶格間距d的關系，即2.電子衍射法Electrondiffractionpatterns在電鏡中，電子透鏡使衍射束會聚成為衍射斑點，晶體試樣的各衍射點構成了衍射圖。電子衍射的衍射角小，一般為1~2°；形成衍射圖的時間短，只需幾秒鐘。但電子束的穿透能力小，所以只適用于研究薄晶體。X-raydiffractionpatternsofCn-NH2-PdNPspreparedwithvarioussyntheticconditions.TheXRDpatternsshowdiffractionpeaksat40.0,46.7,68.3,and82.2°whichcanbeassignedtothe(111),(200),(220),and(311)planesofPd.選區電子衍射法SAEDSelectedAreaElectronDiffraction多晶單晶無定型金納米粒子Goldnanoclusters

X射線光電子能譜X-rayphotoelectronspectroscopy(XPS)XPS的原理是用X射線去輻射樣品，使原子或分子的內層電子或價電子受激發射出來。被光子激發出來的電子稱為光電子。可以測量光電子的能量，以光電子的動能/束縛能bindingenergy為橫坐標，相對強度（脈沖/s）為縱坐標可做出光電子能譜圖。

同一原子的內層電子結合能在不同分子中相差很大，故它是特征的，從而獲得試樣有關信息。電負性比該原子大的原子趨向于把該原子的價電子拉向近旁，使該原子核同其1s電子結合牢固，從而增加結合能。三氟乙酸乙酯中的四個碳原子分別處于四種不同的化學環境，同四種具有不同電負性的原子結合。XPSSpectra-ChemicalShift|BindingEnergy-Au(4f)XPSspectrumTheXPSshowsthatthebindingenergiesofAu4f7/2andAu4f5/2peaksare84.4and88.1eV,respectively,inferringthatHis-AuNCsarecomposedofAu0atoms.Au:4f7/2=84.0eV,Δ=3.67eV,Au4f5/2=87.67eVXPSSpectra-ChemicalShift|BindingEnergy-XPSSpectra-ChemicalShift|BindingEnergy-/xpsstate/index.cgi?element=XPS元素結合能查詢1.2.2光譜法

光譜分析方法涉及不同能級之間的躍遷，這種躍遷可以是吸收輻射的躍遷，也可以是發射輻射的躍遷。由此建立了

基于外層電子能級躍遷的光譜法

基于轉動及振動能級躍遷的光譜法

基于內層電子能級躍遷的光譜法

基于原子核能級躍遷的光譜法Raman散射光譜法基于原子、分子外層電子能級躍遷的光譜法

包括原子吸收光譜法、原子發射光譜法、原子熒光光譜法、紫外-可見吸收光譜法、分子熒光光譜法、分子磷光光譜法、化學發光分析法，吸收或發射光譜的波段范圍在紫外-可見光區，即200nm～800nm之間。對于原子來講，其外層電子能級和電子躍遷相對簡單，只存在不同的電子能級，因此其外層電子的躍遷僅僅在不同電子能級之間進行，光譜為線光譜。對于分子來講，其外層電子能級和電子躍遷相對復雜，不僅存在不同的電子能級，而且存在不同的振動和轉動能級，宏觀上光譜為連續光譜，即帶光譜。原子吸收光譜法Atomic

Absorption

Spectrometry，AAS基于氣態的基態原子外層電子對紫外光和可見光范圍的相對應原子共振輻射線的吸收強度來定量被測元素含量為基礎的分析方法，其定量基礎是Lambert-Beer(朗伯-比爾)定律。可定量測定周期表中六十多種金屬元素，檢出限在ng/mL水平。2.原子發射光譜法Atomic

Emission

Spectrometry，AES基于受激原子或離子外層電子發射特征光學光譜而回到較低能級的定量和定性分析方法。其定量基礎是受激原子或離子所發射的特征光強與原子或離子的量呈正比相關；其定性基礎是受激原子或離子所發射的特征光的頻率或波長由該原子或離子外層的電子能級所決定。3.原子熒光光譜法AtomicfluorescencespectrometryAFS氣態自由原子吸收特征波長的輻射后，原子外層電子從基態或低能態躍遷到高能態，約經10-8s，又躍遷至基態或低能態，同時發射出與原激發波長相同或不同的輻射，稱為原子熒光。4.紫外-可見吸收光譜法Ultraviolet-visibleabsorptionspectrometry紫外-可見吸收光譜是一種分子吸收光譜法，該方法利用分子吸收紫外-可見光，產生分子外層電子能級躍遷所形成的吸收光譜，可進行分子物質的定量測定，其定量測定基礎是Lambert-Beer定律。5.分子熒光光譜法和分子磷光光譜法MolecularfluorescencespectrometryMolecularphosphorescencespectrometry

分子吸收電磁輻射后激發至激發單重態，并通過內轉移和振動馳豫等非輻射馳豫釋放部分能量而到達第一激發單重態的最低振動能層，然后通過發光的形式躍遷返回到基態，所發射的光即為熒光。當分子吸收電磁輻射后激發至激發單重態，并通過內轉移、振動馳豫和系間竄躍等非輻射馳豫釋放部分能量而到達第一激發三重態的最低振動能層，然后通過發光的形式躍遷返回到基態，所發射的光即為磷光。基于分子轉動、振動能級躍遷的光譜法

基于分子轉動、振動能級躍遷的光譜法即紅外吸收光譜法，紅外吸收光譜的波段范圍在近紅外光區和微波光區之間，即750nm～1000μm之間，是復雜的帶狀光譜。不存在電子能級之間的躍遷，只存在振動能級和轉動能級之間的躍遷，而分子中官能團的各種形式的振動和轉動直接反映在分子的振動和轉動能級上，分子精細而復雜的振動和轉動能級，蘊涵了大量的分子中各種官能團的結構信息，因此，只要能精細地檢測不同頻率的紅外吸收，就能獲得分子官能團結構的有效信息。通常情況下，紅外吸收光譜是一種有效的結構分析手段。基于原子內層電子能級躍遷的光譜法

與原子內層電子能級躍遷相關的光譜法為X射線分析法，它是基于高能電子的減速運動或原子內層電子躍遷所產生的短波電磁輻射所建立的分析方法，包括X射線熒光法、X射線吸收法和X射線衍射法。基于原子核能級躍遷的光譜法

基于原子核能級躍遷的光譜法為核磁共振波譜法。在強磁場作用下，核自旋磁矩與外磁場相互作用分裂為能量不同的核磁能級，核磁能級之間的躍遷吸收或發射射頻區的電磁波。基于Raman散射的光譜法

頻率為ν0的單色光照射到透明物質上，物質分子會發生散射現象。如果這種散射是光子與物質分子發生能量交換所產生，則不僅光子的運動方向發生變化，它的能量也發生變化，則稱為Raman散射，其散射光的頻率與入射光的頻率不同，產生Raman位移。

Raman位移的大小與分子的振動和轉動能級有關，利用Raman位移研究物質結構的方法稱為Raman光譜法。1.2.3光譜法的分類Molecular

Spectroscopy

Quantitative

analysis

of

molecular

species;

identification

and

elucidation

ofmolecular

structures

UV-Visible

Absorption

Molecular

Fluorescence

Infrared

Raman

Others

(NMR,

ESR,

X-ray,

Near

IR

Reflection,

Photoacoustic

Spectrometry,

etc.)

Atomic

Spectroscopy

Elemental

analysis

Atomic

Emission

Atomic

Absorption

Atomic

Fluorescence1.3光譜分析儀器連續光源

可在一定波段內發光，且強度隨波長變化緩慢。應用于紫外可見吸收，分子熒光，磷光光譜和紅外吸收光譜中。理想的連續光源滿足以下條件：

1、足夠的光強度

2、可發射連續光譜

3、發射強度與波長無關光源系統

常見連續光源

紫外區光源氫燈氘燈☆可見光區光源鎢燈

氙燈(xenonlamp)

氙燈填充氙氣,是一種發光功率大，接近日光的燈。分長弧氙燈、短弧氙燈和脈沖氙燈三類。

氙燈沒有燈絲。高壓脈沖電加在完全密閉的微型石英燈泡（管）內的金屬電極之間，激勵燈泡內的物質（氙氣、少量的水銀蒸氣、金屬鹵化物）在電弧中電離產生光亮,如同電焊中產生的電弧的亮光。波長范圍200-1000nm.用于熒光和磷光發射光譜。☆紅外光區光源：

能斯特燈，硅碳棒

線光源

發射不連續譜線，主要有金屬蒸汽燈(汞燈、鈉蒸氣燈)

，空心陰極燈、無級放電燈、激光等。用于原子光譜和Raman光譜儀中。

空心陰極燈無極放電燈波長選擇系統

理論上，光譜分析所檢測的信號，不管是吸收信號、發射信號或散射信號，都應該是單一波長光的信號。實際上單一波長光是相對的一個概念，即從波長選擇系統輸出的信號不可能是真正意義上的單色光，而是具有極小帶寬的連續光。單色器典型的單色器主要由五個部分組成：1.入射狹縫；2.準直裝置，功能是使光束成平行光線傳播；3.色散裝置，即棱鏡或光柵；4.聚焦透鏡或凹面反射鏡；5.出射狹縫。棱鏡

光柵

光柵分為透射光柵和反射光柵。近代光譜儀主要采用反射光柵作為色散元件，典型的反射光柵是平面反射光柵和凹面反射光柵。紫外可見分光光度法、熒光分析法石英比色皿紅外光譜法將試樣與溴化鉀壓制成透明片試樣引入系統光源與試樣相互作用的場所.

原子吸收分光光度法原子化器(火焰,石墨爐)

原子發射光譜分析法試樣噴入火焰1.吸收池2.特殊裝置樣品引入系統電弧原子發射光譜：固體樣品，放電體系下電極的凹槽內；高壓火花原子發射光譜：直接將金屬樣品制成電極；等離子體原子發射光譜：溶液樣品，直接噴霧進樣；火焰原子吸收光譜：溶液樣品，直接噴霧進樣；石墨爐原子吸收光譜：溶液樣品，注射器直接加入石墨爐；原子熒光光譜：溶液樣品，噴霧進樣；分子光譜：常溫常壓下的固體、液體或氣體樣品，因此只需要一個透光容器和相應的樣品架即可，或者制成透光的固態或液態樣品形式直接引入光路紅外光譜：固體壓片或液膜玻璃容器：普通光學玻璃和石英玻璃原子光譜：對樣品的介質條件要求不高，基本上只要能保證有效進樣和有效原子化，同時不損害進樣和原子化系統就可。紫外-可見吸收光譜、分子熒光光譜、分子磷光光譜、化學發光光譜均適用于紫外-可見波段，均采用溶液樣品，水及一般的溶劑在紫外-可見波段均不吸光。紅外光譜：由于水及一般溶劑均有紅外活性，因而不能采用溶液樣品，通常采用的溴化鉀固體壓片，溴化鉀在紅外波段沒有紅外活性且其固體壓片透光。檢測系統

光電轉換器種類及其應用波段

光電轉換器是將光輻射轉化為可以測量的電信號的器件。單波長多波長光譜分析法概論小結：1.電磁輻射的基本性質、分類及其與物質的相互作用2.光學分析法的分