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仪器分析002
这是一个关于仪器分析002的思维导图，包含紫外-可见分光光度法、红外吸收光谱法、质谱法、核磁共振波谱法、高效液相色谱法、气相色谱法、色谱分析法等。
编辑于2024-11-28 10:15:42- 仪器分析
- 化学物理
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- 大纲
仪器分析
紫外-可见分光光度法
分光光度法
定性、定量
UV-Vis
可鉴定有机和无机物质
物质对电磁辐射的选择性吸收
反映分子结构内部差异
形成吸收带
曲线
吸收曲线
工作曲线
①
电子 (吸收) 光谱
带状光谱
吸收光谱
分子光谱
分类
可见分光光度法（400-760nm）
长共轭结构的有机物分子
有色无机物分子
紫外分光光度法（200-400nm）
具有共轭体系的有机化合物
芳香族化合物
术语
助色团
p-π 共轭
电子离域
使发色团，λ↑，ε↑
含n电子的杂原子 饱和基团
无近紫外吸收
波长移动
红移 (长移)
蓝移 (紫移，短移)
吸收强度 ε
增色／减色效应
强带和弱带
吸收光谱（吸收曲线）
有机物的UV吸收图谱标明溶剂
定量分析的依据
不同浓度的溶液，λmax不变，浓度与峰值成正比
生色团 (发色团)
吸收带类型
电子跃迁类型
分子外层价电子
①σ→σ'
＜150nm, 在远紫外区
在200-400nm范围内无吸收
单键饱和有机化合物
C-C，C-H
能量 △E最大
②n→σ'
杂原子
末端吸收
近紫外区
③π→π'
K带
不饱和基团
共轭体系↑，λₘₐₓ↑，A↑
束缚力↓
共轭后 ＞200nm
强吸收，ε＞10⁴
①溶剂极性↑，λ↑
轨道极性：激发态＞基态
④n→π'
R带
杂原子的不饱和基团
孤对电子
①
②λ↓
n电子与极性溶剂形成氢键
③200-400nm
弱吸收，ε＜10²
B带
芳香环
长λ
E带
E₁带
180nm，ε＞10⁴
E₂带
一般＜210nm
苯环上连发色团，并形成共轭，E₂带红移 ＞210nm→K带
强带吸收
影响因素
溶剂效应
溶剂选择
极性
纯度高
截止波长＜λₘₐₓ
位阻
↑
λₘₐₓ、εₘₐₓ↓
跨环效应
体系pH值影响
eg苯酚
酸性λ＜碱性
计算题
光吸收
①
透光率 T＝I／I₀
I透射光强，I₀入射光强
吸光度 A＝-lgT＝lgI₀／I
Lambert定律
浓度一定，A∝l（液层厚度）
Beer定律
A∝c
浓度c
光吸收定律
A＝Elc
成立条件
稀的均匀溶液
单色光
平行光
吸光度的加和性是进行混合组分光度测定的基础
溶液厚度： l (cm)
吸光系数 E
A＝ε lc
摩尔吸光系数ε L／mol•cm
c：mol／L
A＝E lc
百分吸光系数 E 1% 1cm
c：g／100ml
物理意义
特定条件下的特征常数
定量分析灵敏度的估量和定性分析的依据
E↑，物质对光的吸收能力↑，定量测定灵敏度↑
光度法误差
偏离 Lambert-Beer定律因素 主要原因
化学
浓度
Beer定律适用的一个前提：稀溶液，C≤0.0.1M
pH
光学
非单色光
①选λₘₐₓ作为测定波长
②尽量避免采用尖锐的吸收波长
杂散光
正/负 偏离
散射光和反射光
溶液小颗粒
空白对照试验
T↓，A↑，吸收光谱变形
非平行光
透光率 测量误差
仪器的噪音
透光率65％－20％，A＝0.2～0.7 时，浓度相对误差较小
分光光度计
主要部件
①光源
紫外：氘灯
理想的光源能够提供连续辐射，光强必须稳定且足够大
②单色器
狭缝宽度直接影响单色光的质量
定量分析
较大宽度
光通量↑
定性分析
较小
单色性↑
③吸收池
盛待测试液
样品池与参比池匹配性
厚度一致
透光率之差 ＜0.5％
④检测器
光电管(722型)
常用
光电倍增管
⑤信号处理及显示系统
数字电压表（722型）
类型
单波长
单光束
移动误差
双光束
交替的两束光，分别通过样品池和参考池
事半功倍
双波长
特点
适合多组分混合样品
消除干扰和吸收池不匹配引起的误差
全波长
DAD
UV-Vis分析条件的选择
波长
测定用溶剂
干扰、易溶、毒性
参比溶液
溶剂参比
试剂参比
测水中Fe含量，先氧化二价Fe，所用试剂
试样参比
试样中有其他物质干扰测定
吸光度读数范围的选择
⑤
显色反应
被测组分 定量转变➩有色化合物
类型
配位反应（主要）
氧化还原反应
比色法
①灵敏度高、简便
对于能吸收可见光的有色溶液的测定方法，通常也称为可见分光光度法。
②明确定量关系
③产物稳定性好
④选择性好
⑤显色剂在测定波长无明显吸收，与有色物最大吸收波长之差（对比度），λ＞60nm
显色条件的选择
显色剂过量
溶液酸碱度
显色时间
温度
溶剂
干扰的消除
应用
定性鉴别（比较法）
吸收光谱具有特征性
同一物质，在相同的测定条件下光谱应该完全一致。
②
纯度检查
峰位
不重叠
重叠
加和性
杂质限量测定
定量分析
单组分定量方法
吸光系数法（绝对法）
A＝Ecl
标准曲线法（工作曲线法）
制备一条标曲：5-7个点
相同条件
A＝ac＋b
标准对照法
Cᵢ／C对照＝Aᵢ／A对照
多组分
结构分析
红外吸收光谱法
概述
红外光（0.76-1000μm）
近红外
中红外（2.5-25μm）
应用最广、最成熟
有机官能团基频峰吸收峰
远红外
转动光谱
对比
IR
几乎所有化合物
气 液 固
UV-Vis
红外光谱表示方法
T-σ曲线
σ＝1/λ
“谷”是IR中的吸收峰
IR谱的描述
三要素
吸收峰峰位
基本振动频率(峰位)公式
分子振动方程式(虎克定律)
吸收峰峰位σ＝1302√K/μ'
K 化学键力常数
C-C
5
C＝C
10.0
C≡C
15.6
μ 折合相对原子质量
②
基频峰
基态→第一激发态 吸收峰
特点
强度较大
最主要
分布规律
泛频峰
特点
一般弱
↑光谱特征性
分类
倍频峰
组频峰
振动相互作用产生的谱带
因素
内部
更活泼
共轭效应
π电子离域，双键性↓，K↓，σ↓
苯环↓30
C-C↓10
不饱和键在＝O侧更稳定(较于-OH侧)
氢键效应
伸缩振动频率↓，σ↓
分子内
对峰位影响大
不受浓度影响
分子间
受浓度影响大
更稳定
σ↑
吸电效应
吸电基团
杂化效应
s轨道成分↑，键能↑，键长↓
空间位阻
↑，共轭受限
键角效应
环外双键
环张力↑，双键性↑，σ↑
环内双键
σ↓
分子互变结构
烯醇互变
振动耦合
相同基团(距离近/共用一个原子)
eg
酸酐
环形
线形
⑨费米共振
CHO：2820，2720
外部
①试样状态
波数：固＜液＜气
②溶剂极性↑
极性基团的伸缩振动频率σ↓(形成氢键)
色散原件性能优劣
影响 相邻峰的分辨率
④
特征区
4000-1300cm⁻¹
峰稀疏，较强，易辨认
基团鉴定
指纹区
1300-400
区分同分异构体
⑤
特征峰
鉴别官能团
相关峰
一个官能团产生的一组
峰形
尖锐，宽/钝
因素
氢键效应
物态
峰强
峰强表示
极强峰 ε＞100
因素
偶极矩
电负性差值↑，峰强↑
分子对称性
振动形式
振动能级跃迁几率
峰数
振动自由度
f＝3n-5
线性分子
3n-6
非线性分子
吸收峰峰数＜基本振动数目
红外非活性振动
产生红外活性振动：偶极矩变化不为0
简并
CO₂的面内面外弯曲振动
仪器分辨率低，吸收强度小
超出测量范围
＞
泛频峰
振动耦合
费米共振
基本原理
振转光谱
振动形式
双原子分子
伸缩振动 ν
多原子分子
①伸缩振动 ν
键长沿键轴
对称伸缩振动 νˢ
同时发生
反称伸缩振动 νᵃˢ
交替发生
②弯曲振动 δ
键角变化
面内弯曲振动 β (AX₂型分子)
剪式振动 δ
面内摇摆 ρ
面外弯曲 γ
面外摇摆振动 ω
蜷曲摇摆振动 τ
变形振动 δ
对称的变形振动 δˢ
δˢᴄʜ₃～1375cm⁻¹
不对称的变形振动 δᵃˢ
红外光谱仪
光源
硅碳棒
能斯特灯
试样的制备
固体
压片法
薄膜法
糊剂法/糊膏法/石蜡糊法/浆糊法
液体池法
液体
夹片法
涂片法
液体池法
气体
气体池法
色谱分析法
定义
混合物各组分
固定相
流动相
吸附、分配、离子交换、分子排阻
依据
物理/物理化学
分离分析方法
定性/定量
用于
分
两相分子聚集状态
液相色谱 LC
气相色谱 GC
分离机制
①分配色谱
固定液
②吸附色谱
吸附剂
③离子交换色谱
离子交换剂
④尺寸/分子排阻色谱
多孔固定相
固定相的固定方式
柱色谱
填充柱色谱
毛细管柱
微填充
平面色谱
纸色谱 PC
液液
薄层色谱 TLC
薄膜色谱 TFC
特点
优点
“三高一快一广”
缺点
对于定性专属差
需要与其他分析方法联用
色谱过程
物质在固定相和流动相两相间 分配平衡的过程
分离特点
②
色谱流出曲线
电信号强度-时间曲线
基线
没有组分流出时的流出曲线
拖尾因子
T＝W0.05h/2A
T=0.95-1.05
正常峰(对称峰)
峰高法定量
＞1.05
拖尾峰
＜0.95
前延峰
减少拖尾
控制溶质的量或改变流动相的pH值
③
参数
定性参数-保留值
柱色谱
保留时间
保留时间tʀ
死时间 t₀
调整保留时间tʀ'
保留体积
Vʀ
死体积 V₀
调整保留体积 Vʀ'
相对保留值 rᵢₛ
保留指数 Iₓ
平面色谱
比移值 Rf=L样/L₀ ＜1
一般：0.2-0.8
最佳：0.3-0.5
相对比移值 Rₛₜ=L样/L参
定量参数-
峰高 h
峰面积 A
衡量柱效
色谱峰区域宽度
塔板数
塔板高度
相平衡
分配系数
K=cₛ/cₘ 浓度比
固定相中/流动相
组分一定，↑K
固定相和流动相改变
T温度改变
容量/保留因子
k=mₛ/mₘ 质量比
k=（tʀ-t₀）/t₀
衡量距离的参数
选择性因子 α
色谱曲线的意义
峰数
最少个数
保留值
子主题
分离程度的定量指标
效果
分离度 R
柱色谱 HPLC、GC
R=2（tʀ₂-tʀ₁）╱W₁＋W₂ =1.177（tʀ₂-tʀ₁）╱W
R≥1.5
TLC
R≥1.0
④基本理论
塔板理论
n = L/H
n=5.54（ tʀ/W₁ ₂）²＝16（ tʀ/W）²
W：min
速率理论
H↓＝A+B/u+Cu
HPLC
H=A+Cu
H = A + Cu = A + Cmu + Csmu
A 涡流/多径 扩散项
固体颗粒↓，填充越实，A↓
B/μ 纵向/分子 扩散项
↓纵向扩散
选用分子量较大的载气
较高线速度和较低柱温
Cu 传质阻抗项
色谱分离基本方程式
R
↑分离度
↑柱效 (直接)
↑柱长
↓板高
↓A
固定相
粒度较小
均匀填充
↓C
分配色谱
控制固定液液膜厚度
适宜的操作条件
↓B
↑柱选择性 (有力)
气相 GC
固定相性质+柱温
液相 LC
改变流动相性质
⑤
色谱方法的选择
系统适用性试验
色谱法定性分析
保留值
选择性检测器
色谱法定量方法
成分含量测定
归-化法
内标法
分
内标校正因子法
内标标准曲线法
内标对比法
优点
要求
外标法
分
外标一点法
外标两点法
特点
受影响大
🙅校正因子，🙅所有组分出峰
要求
进样量准确
实验条件恒定
标准加入法
杂质含量测定
+校正因子 的 主成分自身对照法
×校正因子 的 主成分对照法
子主题
经典液相色谱法
基本原理
吸附色谱法(液固吸附色谱)
分离机制
吸附平衡常数 K=Cₛ/Cₘ
组分
吸附剂
分
组成
有机类
大孔吸附树脂
聚酰胺
官能团
极性酰胺基
分子间氢键
黄酮类 （弱酸性）
✖️酸性溶液
非极性脂肪长链
纤维素
无机类
硅胶
分析酸性/中性物质
碱性：+氨水/二乙胺
性质
极性
弱酸性
吸水＞17%→失活
105-110℃ 烘干30min
氧化铝
分
碱性
中性（应用最多）
生物碱 适用
酸性
不适用：黄酮、蒽醌（与Al³⁺反应）
极性
［有机类］ 大孔吸附树脂（全多孔树脂）
D101型 （非极性）［反相色谱］
总xx
对极性小的物质吸附力更强
要求
与流动相及样品不起化学反应，不溶于流动相
颗粒：细且均匀
较大的比表面积，一定的吸附能力
吸附能力
主要因素
吸附剂比表面积
化合物的选择性
流动相 （洗脱剂，展开剂，流动相，载气）
极性（常用混合溶剂）
石油醚<环己烷<四氯化碳<苯<甲苯<二氯甲烷<氯仿<乙醚<乙酸乙酯<正丁醇<丙酮<乙醇<甲醇<水
吸附色谱分离系统的选择
固定相（相似相吸）
流动相（相似相溶）
建议
多元系统的流动相
梯度洗脱
三个死体积→浓度最大点
分配色谱法
分离机制
分配系数K= Cₛ/Cₘ
②
固定相/液
涂渍
键合
各种不同的有机官能团
流动相
载体
硅胶
硅藻土
纤维素
选择
固定相选择
正相色谱
固定相极性＞流动相
固定相极性大，流动相有机溶剂
反相色谱
键合相色谱
ODS 十八烷基脂肪链
保留时间t过短，甲醇+水流动相中→甲醇比例↓
流动相
离子交换色谱法
组分→离子，再调pH
分离机制
选择性系数 Kₛ
固定相
阳离子交换树脂
待测离子阳离子
阴离子
离子交换树脂特性
交联度
交换容量
溶胀
粒度
操作方法及应用
分子/尺寸排阻色谱法（凝胶色谱法）
渗透系数Kₚ
只与分子尺寸和凝胶孔径大小有关
固定相放置方式
柱色谱
平面色谱
薄层色谱
操作过程
制版
活化
点样，展开，定位(定性)/洗脱(定量)
分离机制
吸附或分配
边缘效应
消除
小体积展开槽
狭小薄板
预饱和
展开槽内部
贴上浸湿展开剂的滤纸条
显色方法
光学检出
显色剂
生物试验定位
分离度R
TCL定量分析
目视比较
薄层洗脱
薄层扫描
分类
定量依据
吸收度A和浓度→非线性关系
KubelkaMunk理论以及曲线
纸色谱
不能喷硫酸
定义
固定相：纸纤维结合的水分（或甲酰胺等）
流动相：以水饱和有机溶剂（饱和正丁醇）
气相色谱法
气相色谱仪
药品中微量水的测定
组成
①气路系统
作用
对载气进行减压、净化和稳压
组成
分类
常用载气
H₂
热导检测器(TCD)
He
LC-MS
N₂
大多数
ECD,FID
②进样系统
③色谱柱系统
色谱柱
柱管
固定相
气-固吸附色谱柱
气-液分配色谱柱
固定液
分类
极性分类法
相对极性(P)法
固定液常数法
化学分类法
＜最高使用温度-50℃
烃类
非极性
聚硅氧烷类
不同极性
醇类
分离强极性化合物
酯类
分离范围广
选择
相似相溶
极性
化学官能团
组分性质
沸点差别为主
极性差别为主
载体
承载固定液
要求
分类
硅藻土类
比表面积大
非硅藻土类
玻璃微珠
灵敏度高
处理方法
酸洗
酸类，酯类
碱洗
胺类，碱性化合物
硅烷化
用于分析形成氢键能力较强的化合物
釉化
选择
柱温箱
温度笼子系统
一般高于样品平均沸点 30-50℃
④检测系统
检测器
分
检测原理
浓度型
TCD
ECD
质量型
FID
FPD，NPD
对组分的选择性
通用型
专属型
ECD(电负性基团)
性能指标
噪音
正常：向下漂移
灵敏度 (响应值、应答值)
检测限(敏感度)
评价性能
考虑到噪音影响
线性范围(与定量分析有关)
⑤记录和数据处理系统
条件选择
色谱条件
分离条件
色谱柱
以气液分配色谱为主
固定相
固定液
极性、最高使用温度
载体
固定液配比
决定因素
样品沸点 载体比表面积 固定液最高使用温度
原则
k适当
↓固定液配比、液膜厚度
↓H
↑柱效
柱长
(R₁/R₂)²=L₁/L₂
操作条件
柱温的选择
程序升温优点(气相色谱) 梯度洗脱优点(高效液相色谱)
改善分离效果 缩短分析周期 改善峰形 提高检测灵敏度
载气与流速
其它条件
应用
定性分析
定量分析
峰高、峰面积
GC定量方法
内标工作曲线法
内标对比法
内标校正因子法
高效液相色谱法
概述
HPLC色谱仪
高压输液系统
进样系统
色谱分离系统
检测器
专属型
紫外检测器UVD
荧光检测器 FD
通用型
蒸发光散射检测器 ELSD
示差折光检测器 RID
质谱、FTIR、NMR
数据记录和处理系统
基本理论
塔板理论(热力学)
速率理论(动力学)
核磁共振波谱法
化学位移
δ=△ν/ν仪器×10⁶
与测定所用仪器无关
影响因素
电子云密度
电性效应
吸电诱导效应
原子电负性↑ 电子云密度↓ δ↑
共轭
磁各向异性
氢键效应
溶剂
范德华
温度
ν =(γ/2π) (1-σ) H₀
常用标准物
四甲基硅烷 TMS
12个H→①单峰
②化学惰性
③易回收
易溶于有机溶剂
沸点低
④Si电负性＜C
自旋偶合与自旋系统
自旋分裂
机制
相邻氢核的自旋
规律
2nI+1
饱和化合物中，传递三根键
自旋系统
图谱简化
使用高谱仪
化学位移值和偶合常数与外加磁场强度无关
原子核进动频率正比于外加磁场强度
完全对称的结构：耦合不裂分
质谱法
特点
质谱仪
组成
进样系统
离子源
质量分析器
检测器
数据处理系统
真空系统
光谱分析法概论
定义
①
产生的电磁辐射
检测物质+能量激发后
信号变化
电磁辐射与物质相互作用
以获得
物质
组成
含量
结构
电磁辐射性质：波粒二象性
波动性
传播过程中
λ＝c／ν
σ＝1／λ＝ν／c
σ：每cm长度中 波的数目
干涉，衍射，反射，折射
微粒性
与物质相互作用
E＝hν＝hc／λ＝hvσ
普朗克常数h＝6.6262×10⁻³⁴J／s
光电效应，光的吸收+反射
电磁波谱
γ射线
X射线
真空紫外
近紫外 200-400nm
分子外层电子（价电子）能级跃迁
UV-Vis 分光光度法
可见光 400-760nm
可见分光光度法
近红外
中红外 2.5-25μm
分子振动能级
红外吸收光谱
远红外 50-1000μm
分子转动能级
微波
电子自旋能级
无线电波 ≫300mm
核自旋
核磁共振谱
光学分析法
光谱法
原子光谱法
分子光谱法
带状光谱
核磁共振波谱法
红外光谱法
紫外可见光谱法
吸收光谱法
非光谱法
旋光法
圆二色谱法
X
仪器
辐射源
分光系统
样品容器
检测器
数据记录、处理系统
绪言
定性分析，定量分析
基础：物理或物理化学性质
仪器分析的特点
优点 “三高一快一广”
高灵敏度／样品用量少
高选择性
高分离效能
分析速度快
响应速度快
可批量分析
应用范围广
缺点
RSD相对误差较大
准确度低
分类
①
电化学分析
光学分析
色谱
其他仪器分析
质谱
②重点内容
波谱法
色谱法