仪器分析 第二章分子吸光分析法PPT讲稿.ppt

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1、仪器分析课件第二章分子吸光分析法第1页，共155页，编辑于2022年，星期三第一节第一节紫外紫外-可见分子吸收光谱法可见分子吸收光谱法一一 概述概述(一一)、分子吸收光谱分析的发展概况、分子吸收光谱分析的发展概况紫外紫外-可见可见-红外红外目视比色目视比色-光电比色光电比色-分光光度分光光度光声光谱光声光谱-长光程吸收光谱长光程吸收光谱-传感器传感器(二二)、分子吸收光谱的分类和特征、分子吸收光谱的分类和特征紫外紫外-可见可见电子光谱电子光谱 Ee=1-20 eV红外红外振动光谱振动光谱 0.05-1远红外远红外转动光谱转动光谱 0.005-0.05第2页，共155页，编辑于2022年，星期三

2、abcRoRoRoVoV1EoE1E电子能级V振动能级R转动能级第3页，共155页，编辑于2022年，星期三A/nmHCNNNNCH对称四嗪水中环己烷中蒸汽中500555分子的电子光谱的特点：在波长范围内按一定强度分布的谱带带光谱波长位于紫外-可见区第4页，共155页，编辑于2022年，星期三p可进行分子的定性和定量分析p可用于一些物理化学常数的测定（如平衡常数等）p仪器结构简单、价格便宜p应用范围广泛（无机离子、有机化合物、生物大分子分析等）3、分子吸收光谱的特点第5页，共155页，编辑于2022年，星期三(一一)、吸收光谱与分子结构、吸收光谱与分子结构1、有机化合物的吸收光谱、有机化合物的

3、吸收光谱根据分子轨道理论，分子中的电子轨道有根据分子轨道理论，分子中的电子轨道有 n、和和 三种三种 *n二二 紫外紫外-可见分子吸收光谱的理论基础可见分子吸收光谱的理论基础反键轨道非键轨道成键轨道第6页，共155页，编辑于2022年，星期三 *跃迁跃迁 能量很大能量很大 吸收光谱在真空紫外区吸收光谱在真空紫外区 多为饱和烃多为饱和烃甲烷甲烷125 nm乙烷乙烷135 nm第7页，共155页，编辑于2022年，星期三n *跃迁跃迁 所需能量小于所需能量小于 *跃迁（跃迁（150-250 nm）含有未共用电子对（含有未共用电子对（n电子）原子的饱和化合物都可发生电子）原子的饱和化合物都可发生跃迁

4、的摩尔吸光系数比较小，一般在跃迁的摩尔吸光系数比较小，一般在100-3000 L/mol cm化合物化合物 max maxH2O1671480CH3OH184150CH3Cl173200(CH3)2O1842520第8页，共155页，编辑于2022年，星期三 *和和 n *跃迁跃迁 *和和 n *跃迁能量低（跃迁能量低（200 nm）含有不饱和键的有机分子易发生这类跃迁含有不饱和键的有机分子易发生这类跃迁 C=C C=C ;N=N ;C=O 有机化合物的紫外有机化合物的紫外-可见吸收光谱分析多以这两类跃迁为基可见吸收光谱分析多以这两类跃迁为基础础 *比比 n *跃迁几率大跃迁几率大 100-1

5、000 倍倍 *跃迁吸收强，跃迁吸收强，104 n *跃迁吸收弱，跃迁吸收弱，500第9页，共155页，编辑于2022年，星期三生色团生色团 含有含有 键不饱和官能团键不饱和官能团助色团助色团 基团本身无色，但能增强生色团颜色基团本身无色，但能增强生色团颜色 为含有为含有n电子，且能与电子，且能与 电子作用，电子作用，产生产生n 共轭共轭184204254270苯（*）苯酚（OH为助色团）A/nm第10页，共155页，编辑于2022年，星期三第11页，共155页，编辑于2022年，星期三2、无机化合物的吸收光谱、无机化合物的吸收光谱d-d 电子跃迁电子跃迁绝大多数过渡金属离子都具有未充满的绝大

6、多数过渡金属离子都具有未充满的 d 轨道，按轨道，按照晶体场理论，当它们在溶液中与水或其它配体生成配合照晶体场理论，当它们在溶液中与水或其它配体生成配合物时，受配体配位场的影响，原来能量相同的物时，受配体配位场的影响，原来能量相同的 d轨道发生能轨道发生能级分裂，产生级分裂，产生 d-d 电子跃迁。电子跃迁。配体配位场越强，配体配位场越强，d 轨道分裂能越大，吸收波长越短。轨道分裂能越大，吸收波长越短。（f-f 跃迁与此类似）跃迁与此类似）没有配位场没有配位场八面体配位场八面体配位场dxy dxx dyzdx2 dx2-y2 E第12页，共155页，编辑于2022年，星期三例如：例如：H2O

7、配位场配位场 NH3 配位场配位场Cu 2+水合离子水合离子 794 nm 浅蓝色浅蓝色Cu 2+氨合离子氨合离子663 nm 深蓝色深蓝色第13页，共155页，编辑于2022年，星期三电荷转移跃迁电荷转移跃迁电子接受体电子接受体电子给予体电子给予体配合物中一方电子向主要属于另一方的轨道跃迁配合物中一方电子向主要属于另一方的轨道跃迁电荷转移跃迁的摩尔吸光系数都很大（电荷转移跃迁的摩尔吸光系数都很大（10000以上），以上），因此利用配合物可建立灵敏的分析方法。例如因此利用配合物可建立灵敏的分析方法。例如Fe（III）-SCN 配合物配合物第14页，共155页，编辑于2022年，星期三金属离子影

8、响下的配体金属离子影响下的配体 *跃迁跃迁金属离子与有机物配合后使配体的共轭结构发生变化，导金属离子与有机物配合后使配体的共轭结构发生变化，导致吸收光谱蓝移或红移。致吸收光谱蓝移或红移。偶氮氯瞵偶氮氯瞵III偶氮氯瞵偶氮氯瞵IIIU（VI）配合物）配合物500 600 700/nmA第15页，共155页，编辑于2022年，星期三小结：小结：分子结构分子结构光谱特征光谱特征定性分析定性分析n不同结构的分子由于共轭程度不同，分子吸收的特征不同；n相同共轭结构的分子骨架，因助色团的加入或改变，导致光谱位移和吸收系数变化；n相同配体，因过渡金属离子不同，导致配位场的变化或电荷转移跃迁，或配体共轭结构的

9、变化，光谱发生变化第16页，共155页，编辑于2022年，星期三IoIbSdx(二二)、吸收定律（定量分析的基础）、吸收定律（定量分析的基础）第17页，共155页，编辑于2022年，星期三IxdIxdIxIx吸收光强入射光强吸收率任一截面的吸收率第18页，共155页，编辑于2022年，星期三adnds=adn截面为S的区域内俘获光的有效面积从分子吸收的角度考虑第19页，共155页，编辑于2022年，星期三因此俘获光的几率应为：因此俘获光的几率应为：第20页，共155页，编辑于2022年，星期三a1dn1dn2dn3a3a2ds=a1dn1+a2dn2+a3dn3第21页，共155页，编辑于20

10、22年，星期三第22页，共155页，编辑于2022年，星期三第23页，共155页，编辑于2022年，星期三令i=0.4343NaiAi=ibci如果吸光介质内只有一种吸光分子第24页，共155页，编辑于2022年，星期三A=bc定量分析的依据(三三)、吸收定律的适用性与限制、吸收定律的适用性与限制1、吸收定律具有加和性，即、吸收定律具有加和性，即第25页，共155页，编辑于2022年，星期三 1 2 A1A2A2、吸收定律只适合单色光、吸收定律只适合单色光第26页，共155页，编辑于2022年，星期三设设第27页，共155页，编辑于2022年，星期三第28页，共155页，编辑于2022年，星期

11、三当1=2=当当时，出现偏离时，出现偏离第29页，共155页，编辑于2022年，星期三AC011+2第30页，共155页，编辑于2022年，星期三特别是存在非吸收线(或吸收很小,杂散光)和浓度较大时，I变的很小，I3000饱和200很强=75-200强=25-75中=5-25弱5很弱第108页，共155页，编辑于2022年，星期三（3）检测器热检测器热电偶等光检测器InSb、InAs、PbSe等半导体材料受光照射后导电性变化而产生信号光检测器的灵敏度比热检测器高几倍，但需要液氮冷却。第109页，共155页，编辑于2022年，星期三（4）吸收池（A）固体样品通常采用压片法，将KBr与样品充分研磨

12、，混匀，压片后进行测定。也可采用调糊法，将研细的样品用氟化煤油或重烃油调糊，夹在两盐片间测定。第110页，共155页，编辑于2022年，星期三（B）气体和液体吸收池因玻璃有红外吸收，因此吸收池通常采用盐类的单晶，如KBr、LiF等。这些材料易吸潮，故操作环境应干燥（C）光声光谱强吸收、高分散、不透明的样品，如煤等；常规难制样的样品，如橡胶、高聚物等；可采用光声光谱法。第111页，共155页，编辑于2022年，星期三二、傅立叶变换红外光谱仪二、傅立叶变换红外光谱仪FourierTransformInfraredSpectrometer(FTIR)70年代出现，是一种非色散型红外吸收光谱仪，其光学

13、系统的主体是迈克尔逊（Michelson）干涉仪。测量步骤：1、测得一组包含原辐射全部光谱信息的干涉图；2、经计算机进行傅立叶变换，获得红外吸收光谱图。第112页，共155页，编辑于2022年，星期三光源检测器样品动镜定镜O扫描距离2-18cm速度0.05-4cm/s第113页，共155页，编辑于2022年，星期三1）当O点到动镜和定镜的距离相等无光程差相长干涉2）O点到两镜距离（表示）相差/4的偶数倍相长干涉相差/4的奇数倍相消干涉发生在上述两种位移之间，亦部分为相消干涉。若令I为两光束干涉后的强度，则I（）=0.5I()Cos2/第114页，共155页，编辑于2022年，星期三或I（）=0

14、.5I()Cos2以上讨论的是单色光的干涉，若同时有多个频率的光，则任意频率的光强随两镜距离之差为：Ii()=0.5Ii(i)Cos2i总光强为I()=Ii()=0.5Ii(i)Cos2i+-I()=0.5I()Cos2d若光的波长连续分布第115页，共155页，编辑于2022年，星期三以上讨论的是Michelson干涉仪移动时两镜相差任意时的光强I()，而我们更关心光强随波长的变化I（）而不是光强随两镜距离差的变化I()+-I()=0.5I()Cos2d+-I()=I()Cos2d傅立叶变换傅立叶变换（时域谱）（频域谱）第116页，共155页，编辑于2022年，星期三I()第117页，共15

15、5页，编辑于2022年，星期三傅立叶变换的优点：1、FTIR不需要分光，因此检测器接收到的光通量较色散型仪器大得多，因此提高了信噪比和灵敏度，有利于弱光谱的检测；2、FTIR的扫描速度极快，能在很短的时间里（0因此，越小，分子对称性越高通过测量拉曼谱线的去偏振度可以确定分子的对称性第134页，共155页，编辑于2022年，星期三CN（CH3）2N（CH3）2CI-（CH3）2NCN（CH3）2N（CH3）2（CH3）2N+测得：0故为对称结构结晶紫第135页，共155页，编辑于2022年，星期三去偏振度测量=II/入射光拉曼散射偏振器第136页，共155页，编辑于2022年，星期三5.拉曼光谱

16、的强度I=K(0-)4I0()ddr第137页，共155页，编辑于2022年，星期三(三)、拉曼光谱仪光源单色器检测器样品室第138页，共155页，编辑于2022年，星期三第139页，共155页，编辑于2022年，星期三1、光源通常采用激光光源（1）He-Ne激光器主要波长632.8nm（2）氩离子激光器主要波长514.5nm488.0nm与Rayleigh散射一样，拉曼散射的强度反比于波长的四次方，因此使用较短波长的激光可以获得较大的散射强度荧光干扰拉曼光谱的测定，因此当样品或杂质有荧光时，使用较短波长的激光也获得较大的荧光干扰第140页，共155页，编辑于2022年，星期三2、样品室样品池

17、的设计可用于测不仅液体、固体、也可气体可进行变温、变压实验为防止样品在强光照射下分解，可设置旋转池第141页，共155页，编辑于2022年，星期三3、单色器色散型：色散性好且降低杂散光影响常采用双光栅分光非色散型：采用傅立叶变换型仪器(四)、检测器早期采用摄谱仪现采用光电倍增管和CCD第142页，共155页，编辑于2022年，星期三显微拉曼分析仪器CCD第143页，共155页，编辑于2022年，星期三UnfilteredFilteredwithoutR6G210-11MR6G210-11MR6G210-10MR6G210-9MR6G第144页，共155页，编辑于2022年，星期三第145页，共

18、155页，编辑于2022年，星期三(五)、高灵敏度拉曼光谱分析的应用传统上认为，拉曼光谱的主要缺点是灵敏度低，其强度较荧光若10-12-10-14数量级，因此应用受到限制。为了提高灵敏度，近年来发展了一些新的技术：1、共振拉曼光谱当激光的频率接近或等于样品分子中某些官能团（生色团）的电子跃迁吸收频率时，由于电子跃迁和振动跃迁的耦合，产生共振拉曼效应。拉曼谱线强度提高104-106倍。第146页，共155页，编辑于2022年，星期三2、表面增强拉曼散射效应Surface-enhanceRamanScattering（SERS）拉曼谱线强度提高1012-1014倍INRS(s)=NI(l)Sfre

19、eRaman普通Raman第147页，共155页，编辑于2022年，星期三表面增强Raman机理示意图SERSAgISERS(s)=NI(l)|A(l)|2|A(s)|2Sads第148页，共155页，编辑于2022年，星期三SERS基质金属Ag,Au,CuNi,Al,Li,Na,K,Pt半导体CdS,Fe2O3,TiO2SERS活性物质先决条件：能吸附在金属基体表面吡啶等杂环化合物苯甲酸衍生物氰基衍生物一些染料，金属络合物，生物分子，无机分子第149页，共155页，编辑于2022年，星期三1984年年,J.Phys.Chem 上上Peter Hildebrandt等首先研究了等首先研究了R6

20、G在在Ag胶表面胶表面SERS光谱，发现两种不同机理造成的增强，光谱，发现两种不同机理造成的增强，聚集的纳米银粒子有更强的聚集的纳米银粒子有更强的Raman增强。增强。1997年，年，Science上，上，Shuming Nie 和和StevenR.Emory利用利用Ag和和R6G进行了单分子、单纳米粒子检测。他们发现在一些单进行了单分子、单纳米粒子检测。他们发现在一些单个纳米个纳米Ag粒子表面，粒子表面，SERS增强因子可达增强因子可达1014-15.1999年年11月，月，Journal of American Chemical Society，Michaels A.M等对同样体系进行了等对同样体系进行了Rayleigh散射研究，对比散射研究，对比SERS,建立了一个新的模型。建立了一个新的模型。第150页，共155页，编辑于2022年，星期三第151页，共155页，编辑于2022年，星期三第152页，共155页，编辑于2022年，星期三第153页，共155页，编辑于2022年，星期三第154页，共155页，编辑于2022年，星期三SERS免疫分析第155页，共155页，编辑于2022年，星期三