分析化学UV60PPT

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,电磁辐射与物质相互作用的方式:,发射、吸收、反射、折射、散射、干预、衍射、偏振等,光学分析法: 光谱法和非光谱法两大类。,光谱法: 基于物质与辐射能作用时，测量由物质内部发生量子化的能级之间的跃迁而产生的发射、吸收或散射辐射的波长和强度进展分析的方法,光谱法可分为原子光谱法和分子光谱法:,原子光谱法是由原子外层或内层电子 能级的变化产生的，它的表现形式为线光谱.,有原子发射光谱法AES, atomic emission spectrometry,原子吸收光谱法AAS, atomic absorption spectrometry,原子荧光光谱法AFS, atomic fluorescence spectrometry,X射线荧光光谱法XFS, X-ray fluorescence spectrometry ,分子光谱是由 分子中电子能级、振动和转动能级 的变化产生的，表现形式为带光谱.,有紫外-可见分光光度法UV-Vis,红外光谱法IR, infrared spectrometry,分子荧光光谱法MFS, molecular fluorescence spectrometry ,分子磷光光谱法MPS, molecular phosphorescence spectrometry),非光谱法: 物质与辐射相互作用时，测量辐射的某些性质，如折射、散射、干预、衍射、偏振等变化的分析方法。,非光谱法不涉及物质内部能级的跃迁，电磁辐射只改变了传播方向、速度或某些物理性质。,属于这类分析方法的有折射法、偏振法、光散射法、干预法、衍射法、旋光法和圆二向色性法等,2.2 Principles of molecular absorption spectroscopy,分子吸收现象,CuSO,4,溶液为蓝色，,KMnO,4,呈紫红色,物质的分子对白色光具有选择性的吸收,其颜色为透过光的颜色,CuSO,4,溶液吸收黄色光,其溶液呈现出蓝色；,KMnO,4,分子强烈地吸收黄绿色光，溶液呈紫红色,互补色光,：,如果两种颜色的光按适当的强度比例混合后组成白光,Lambert-Beers Law,当一束平行的单色光通过吸光物质后，光的吸收程度与吸光物质微粒的数目溶液的浓度成正比，与溶液液层厚度成正比,A = -log I0/I = e b c,c is the concentration of the compound in solution, mol L-1,b is the path length of the sample, cm,e is the molar absorptivity , cm-1 mol-1 L,摩尔吸光系数: 物质的性质、入射光波长，温度有关,重要的参数，常被用作为定量分析方法的灵敏度,e 越大: 吸光物质对某一波长的吸光能力越强，方法的灵敏度越高, 105 超高灵敏,= (610)104 高灵敏, 2104 不灵敏,在环境、材料及生命等学科中要求对含量极低的痕量组分进展定量分析,如何寻找到一个e 大的方法或者体系是光度法的一个重要任务,比尔定律的推广:,适用各类吸光光度法定量测定,溶液，均匀的气体, 固体状态的吸光物质,分子或原子吸光,Why do molecules absorb light,任何物质的分子都处于运动状态，分子内部的运动有三种形式：,电子绕分子轨道高速旋转,原子在平衡位置附近的振动,分子绕着其重心的转动,因此，分子的能量由分子的电子能量、分子的振动能量及分子的转动能量所组成,E分子 = E电子 + E振动 + E转动,分子中价电子能级间的能级差一般在,120 eV,，恰好是,可见光和紫外光的能量,分子中原子的振动能级差为,0.05l eV,，相当于,红外光的能量,转动能级差更小，一般在,10,-4,0.05 eV,，相当于,远红外光及微波的能量,分子内部各种能级的能量改变都是量子化的,各能级差的大小与分子的内部构造有关,Mground state + hv Mexcited state,测出的入射光谱和被吸收后的透过光谱，其差谱为该分子吸收光的光谱，即分子吸收光谱,紫外-可见吸收光谱:,分子吸收光谱 (Molecular absorption spectroscopy),电子光谱 (electronic absorption spectroscopy),分子中的价电子的跃迁而产生的,大量的实验发现，物质对光的吸收是有选择性的:,Different molecules absorb radiation of different wavelengths,选择性定律,:,hv,=,D,E,=,E,1,E,0,hv,=,D,E,电子,+,D,E,振动,+,D,E,转动,只有当入射光子的能量与吸光物质的基态和激发态的能量差相差时，,它们才发生共振，光子才能被吸收,物质对光的选择性吸收的规律对化学家来说非常有用:,能通过测定吸收光谱，推测物质的内部构造信息，从而进展构造分析。Why,不同物质由于构造上的差异导致其能级差不同，跃迁所需的,能量也不同，对光的吸收不同，出现的吸收光谱的形状就不同。,-胡罗卜素,咖啡因,阿斯匹林,丙酮,几种有机化合物的,分子吸收光谱图,有机化合物的紫外-可见吸收光谱的产生,由于物质对可见-紫外光的吸收一般都涉及到价电子的激发，将吸收峰的波长与所研究物质中存在的键型建立起相应的对应关系，找到规律，就可利用吸收光谱来到达鉴定分子中官能团的目的定性分析，也可用它来定量测定含有吸收官能团的化合物定量分析,各种跃迁所需要的能量不同，因而吸收波长范围也不一样。,Electronic transitions,有机化合物的价电子包括成键,s,电子，成键,p,电子和非键,n,电子,如,CH,3,-CH=CH,2,，CH,3,-CH,2,-,H,分,子的空轨道包括反键,p,*,轨道和反键,s,*,轨道，因此可能产生的跃迁有,s,s,* Transitions,:,The required energy is large. Its absorption maximum is shorter than 200 nm. It is not seen in a typical UV-Vis. spectrum (200-700 nm),.,n,s,* Transitions:,Saturated compounds containing atoms with lone electron pairs are capable of these transitions. These transitions usually need less energy than,s,s,*,transitions.,Its absorption maximum is about 150 250 nm.,n,p,and,p,p,* Transition,Most absorption spectroscopy of organic compounds is based on these two types of transitions.,These transitions need an unsaturated group in the molecule to provide the,p,electrons.,e,for,n,p,* transitions,: 10 100 L mol,-1,cm,-1,p,p,* transitions,: 1000 and 10,000 L mol,-1,cm,-1,大气的氧吸收,红移和紫移(red shift and blue shift),因取代基的变更或溶剂的改变，使其最长吸收波长发生移动，,向长波方向移动称为红移，反之那么为紫移,常用术语,生色团,(,chromophore,),指分子中可以吸收光子而产生电子跃迁的原子基团。,助色团,(,auxochrome,),指带有非键电子对的基团，如：,-OH, -NR,3, -SH, -Cl, -Br, -I,它们本身不能吸收波长大于,200nm,的光，但当它们与生色团相连时，,会使其吸收带的最大吸收波长,l,max,发生移动，并能增加其吸收强度,根据分子吸收光谱可以判断物质能否用紫外-可见分光光度法进展定量测定,如 RCHNH2COOH 不宜用分子吸收光谱法测定,类胡萝卜素,血红素,金属配合物的紫外-可见吸收光谱,金属配合物的颜色一般不同于游离金属离子和配位体本身的颜色,金属配合物生色机理的主要类型：, 配位体微扰的金属离子d - d电子跃迁和 f - f 电子跃迁,摩尔吸收系数很小，对定量分析意义不大。, 金属离子微扰的配位体内电子跃迁,金属离子的微扰，将引起配位体吸收波长和强度的变化。变化与成键性质有关，假设静电引力结合，变化一般很小。假设共价键和配位键结合，那么变化非常明显。, 电荷转移,在分光光度法中具有重要意义,电荷转移吸收光谱,定义：,当吸收紫外可见辐射后，分子中原定域在金属M轨道上电荷的转移到配位体L的轨道，或按相反方向转移，这种跃迁称为电荷转移跃迁，所产生的吸收光谱称为荷移光谱。,呈现荷移光谱的必要条件：,构成分子的二组分，一个为电子给予体，另一个应为电子承受体。,电荷转移吸收光谱的特点,之一：,电荷转移跃迁在跃迁选律上属于允许跃迁，其摩尔吸光系数一般都较大(10,4,左右)，适宜于痕量金属的检出和测定。,之二：,电荷转移跃迁在紫外区或可见光呈现荷移光谱，荷移光谱的最大吸收波长及吸收强度与电荷转移的难易程度有关。,例：,Fe,3,与SCN,形成血红色配合物，在490nm处有强吸收峰,2.3 Instrumentation,部件及性能,任何一种光学分析测试仪器，都由5个局部组成，只是依据分析原理不同其排列方式有所不同,光 源,线光源与连续光源,吸光光度法,:,使用连续光源,在紫外光区，常采用氘灯，波长范围为,180,375nm,在可见光区，采用钨灯或碘钨灯，波长范围为,320,2500nm,对光源的要求,：,强度大、分布均匀，稳定性好,碘钨灯的光强受电压的影响大，使用稳压器来提供稳定的电压,单色器,作用是将光源发生的连续光谱分解为单色光,为什么要将连续光谱分解成单色光以后，再进展样品的分析测定呢？,两个理由,定量方面 比尔定律只有当入射光为单色光时才成立,定性方面 一个物质假设含有生色基团，它就会产生紫外和可见吸收，反过来根据紫外-可见吸收光谱便可判断某些官能团的存在，即进展官能团的鉴别，但整张紫外-可见吸收光谱的获得是建立在测定出物质对不同波长光单色光吸收的根底上的,单色器:,色散元件,入射狭缝、出射狭缝和准直透镜,色散元件:,棱镜和光栅,棱镜的分辩能力R与其底边的长度b成正比 ：,R = b dn/dl,故要提高棱镜的分辩能力唯一的方法: 采用大棱镜,现代光学仪器一般采用光栅作为色散元件,光栅的分辩能力与其刻痕条数有关,制作方法：在真空中将金属铝蒸发镀在玻璃平面上，再用金刚石在铝层上压出许多等间隔、等宽度的平行刻纹而成。刻纹光栅制作麻烦，价格高,现在使用复制光栅:将可塑性材料浇铸在原始光栅上，将其剥离后再固定在刚性支架上即成。,光栅分光的优点：,适用波长范围宽，色散均匀，分辩率高，仪器可小型化,吸收池,(,比色皿,),作用：用来盛放样品,要求：透明性,操作要求：,位置、清洁、,免受玷污和磨损,可见光区：玻璃吸收池，价廉,紫外光区：石英吸收池,检测系统,作用：将光信号转变为易于测量的电流信号,种类,：,原则,对光响应要快、灵敏,响应的波长范围宽,线性响应,不易疲劳,读数指示器,作用：信号的放大和读出,方式：记录仪、数字显示器,光电倍增管,分光光度计的类型,最适和环境和过程监测，不太稳定的样品分析,2.4 定量分析,定量分析根底,如何进展,误差来源,减少误差的方法,紫外可见分光光度法: 测定低含量和痕量组分的一种常见方法,单组分的测定,多组分的同时测定,分析依据比尔定律,比尔定律,A = ebc,标准工作曲线法：,配标液：c1、c2、c3 cn，,在选定的最大吸收波长和最正确操作条件下，测,吸光度 A1、A2、A3、An,作 Ac 图, 得一直线,再在完全一样的条件下，测试样液的A，再从标准曲线上查到相应的浓度,如：抗菌素 cefazolin 药片中西发单灵含量的测定,西发单灵对照品标样,实际样品多为多组分体系:,假设各种吸光物质之间没有相互作用，且服从比尔定律，那么在某个波长下总的吸光度应等于各组分吸光度之和，即,吸光度,A,的性质,加合性,A,=,A,1,+,A,2,+ +,A,n,=,e,1,bc,1,+,e,2,bc,2,+ +,e,n,bc,n,A,= -lg,T,= lg,I,0,lg,I,要准确测出入射光强和透射光强非常困难,如黄光通过透明比色皿因反射约损失8.5%,如何测定吸光度,A,在实际测量中，采用同一比色皿或等同的比色皿中放入纯溶剂与被分析溶液的透射强度进展比较：,A = lg(I溶剂/I溶液 lg I0/I,双光束分光光度计：,参比光路（R）纯溶剂,测定光路被测溶液,A,=,A,溶液,-,A,参比,单光束分光光度计,光催化剂UV-Vis,反射曲线,以MgO为空白 以BaSO,4,为空白,误差来源,偏离比尔定律、仪器本身的测量误差,偏离比耳定律的原因,比尔定律本身的局限性,比尔定律只适用于稀溶液,:,假设吸光粒子之间无相互作用,非单色入射光引起的偏离,比尔定律仅在,入射光为单色光时才成立,单色器,很难将光源的连续光色散成其正的单色光,而是,复合光,，,光通量为,0.01,5 nm,由于被测物质在溶液中发生缔合、离解、互变异构，生成逐级配合物等化学原因造成,溶液的化学偏离,任何一台光度计都有一定的仪器测量误差，来源于：,入射光源不稳定 吸收池 检测器,误差的总和表现为透光度读数误差,T,，从而导致,C,被测试样浓度的相对误差：,微分,d(lg,T,),= 0.434 dT/T = -,e,b,d,c,A,=,-,lg,T,=,e,b c,lg,T,= -,e,b c,仪器测量误差及测量条件的选择,当,A,= 0.434时,D,c,/,c,有最小值，误差最小,问题：如何减少因读数而造成的测量误差呢？, 稀释, 改变比色皿的b, 仪器制造商 T, 选择适宜的参比溶液,例：分析高浓度组分时，可用一种比待测样品溶液浓度稍低的溶液,为参比，调其透光率为,100%,，再测样品溶液的吸光度,差示吸光度,差示分光光度法：,测定各种试样中的高含量金属元素和有机物质,如,Hiskey,等用该法测定溶解在苯中的蒽：,用,0.03 mg/mL,蒽标液作参比，359nm处长蒽的线性范围为,0.030.4 mg/mL,差示分光光度法的定量依据,2.5 显色反响与显色条件的选择,直接测定：在紫外-可见光区有强烈吸收的有机化合物生物大分子和,含有共轭电子的有机化合物,不吸收紫外可见光的无机阳离子：,Na,+,、K,+,、Ca,2+,、Mg,2,+,等,摩尔吸光系数非常小金属阳离子： Fe,2+,、,Co,2+,、,Ni,2+,等,如何利用紫外-可见吸光光度法来测定这些无机阳离子的含量呢？,显色反响,M(无色) + R(有色) MR,显色剂 配合剂,较高的灵敏度，保证低含量时仍能被测出,，显色反响灵敏度,选择性强 R不与其他共存离子发生反响,有色结合物的组成恒定、稳定,R与MR色差明显,显色条件易于控制: 显色剂浓度、温度、pH,显色反响的要求,2.6 具体应用例如,无机阴、阳离子的测定,利用高灵敏、高选择性的有机显色剂，与被测无机离子发生配合或氧化复原反响，可测定周期表中绝大多数元素,有机化合物的定量分析,直接法,含有双键或芳环的有机化合物,间接法 被测组分不吸光或 很小或共存组分对测定有严重干扰时，可通过适当的化学反响，改变被测组分的生色团，测定产物的A来计算待测组分的含量,1氧化反响 常用于药物分析中,在5mol L-1H2SO4介质中，用0.1ml L-1K2Cr2O7氧化联苯羟胺为二苯酮，其lmax为257nm,2缩合反响,如微量氨基酸的测定,氨基酸的吸收波长在280nm左右，且 较小,低含量的氨基酸很难用直接法准确测定。可用茚三酮与各种氨基酸反响，生成无色复原型茚三酮，过量的茚三酮又与复原型茚三酮和氨缩合生成紫蓝色产物，称为Ruhemann紫，lmax=570nm，利用此反响可测微量的氨基酸,广泛应用于蛋白质序列构造分析中, 食品中糖的测定,各种糖与蒽酮在H2SO4介质中反响，生成的蓝绿色化合物(特效反响)。假设改变反响时间、温度，可测出果蔬中葡萄糖、果糖、蔗糖的含量,蓝绿色,640nm,思考题：如何提高分光光度法的检测极限？,答：A=ebc 或 c=A/eb，欲使待测组分浓度c尽可能小，决定于以下因素,可准确测量的吸光度A值愈小。,这始终是仪器制造商追求的目标，目前，高精度分光光度计可准确测量,到0.0001吸收单位。,增大吸收池光程,用14m全反射长光路毛细吸收管用于天然水中超痕量磷，,可测至0.1ppt级。,增大有色化合物的e,目前，有不少二元或三元配合物的显色反响生成的有色络合物的e为105,级,少数达106级。,可以估算出常规分光光度法的极限测定浓度:,假定可准确测量的A=0.001,采用5cm的比色皿，e为5.0105,那么c =410-10 mol L-1,分光光度法已成为痕量分析的重要工具,开放作业,1.通过阅读教材及查阅相关资料，探讨如何采用紫外-可见分光光度法测定某有色配合物的络合比及其稳定常数？如何测定某染料的离解常数？请各举一例说明！,2.阅读以下文献，谈谈你的感想和对你科研工作之启示。,Synthesis of surface molecularly imprinted silica micro-particles in aqueous solution and the usage for selective off-line solid-phase extraction of 2,4-dinitrophenol from water matrixes. Analytica Chimica Acta 2021, 618(2): 147-156.,