第三章環(huán)境監(jiān)測分析方法儀器分析法

第三章環(huán)境監(jiān)測分析方法儀器分析法第1頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月本章教學目錄3.1光學分析法導(dǎo)論3.2光譜分析法(UV-Vis、AAS)3.3氣相色譜法(GC)3.4高效液相色譜法(HPLC)3.5離子色譜法(IC)3.6色譜-質(zhì)色譜法(GC-MS）3.7電位分析法第2頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月3.1光學分析法導(dǎo)論光學分析法是依據(jù)物質(zhì)發(fā)射電磁輻射或物質(zhì)與電磁輻射相互作用而建立起來的各種分析法的統(tǒng)稱。一、光的基本性質(zhì)

光是一種電磁波,具有波粒二象性。

光的波動性可用周期T(s)、頻率?(Hz)、波長λ(nm)和波數(shù)σ（cm-1）等參數(shù)描述。

光的粒子性：光是由光子組成的，光子具有能量，其能量與頻率或波長的關(guān)系為：

E=hv=h·c/λ第3頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月波譜區(qū)光學光譜區(qū)高能輻射區(qū)第4頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月

高能輻射區(qū)γ射線能量最高，來源于核能級躍遷

χ射線來自內(nèi)層電子能級的躍遷光學光譜區(qū)紫外光來自原子和分子外層電子能級的躍遷可見光紅外光來自分子振動和轉(zhuǎn)動能級的躍遷波譜區(qū)微波來自分子轉(zhuǎn)動能級及電子自旋能級躍遷無線電波來自原子核自旋能級的躍遷波長長第5頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月

1．光譜法：利用物質(zhì)與電磁輻射作用時，物質(zhì)內(nèi)部發(fā)生量子化能級躍遷而產(chǎn)生的吸收、發(fā)射或散射輻射等電磁輻射的強度隨波長變化的定性、定量析方法。吸收光譜法發(fā)射光譜法按能量交換方式分子光譜→帶狀光譜原子光譜→線狀光譜按作用結(jié)果不同二、光學分析法分類光譜法和非光譜法第6頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月2．非光譜法：利用物質(zhì)與電磁輻射的相互作用測定電磁輻射的反射、折射、干涉、衍射和偏振等基本性質(zhì)變化的分析方法。分類：折射法、旋光法、比濁法、χ射線衍射法3．光譜法與非光譜法的區(qū)別光譜法：內(nèi)部能級發(fā)生變化

原子吸收/發(fā)射光譜法：原子外層電子能級躍遷分子吸收/發(fā)射光譜法：分子外層電子能級躍遷非光譜法：內(nèi)部能級不發(fā)生變化僅測定電磁輻射性質(zhì)改變第7頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月發(fā)射光譜吸收光譜

例：γ-射線；熒光例：原子吸收光譜，分子吸收光譜第8頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2光譜分析法3.2.2原子吸收光譜法3.2.1分光光度法第9頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2.1學習要求1、了解分子對光的吸收與溶液顏色的關(guān)系。2、掌握分光光度法定性、定量分析的基礎(chǔ)。3、熟悉朗伯-比爾定律各參數(shù)的物理意義。4、掌握吸收曲線與標準曲線的意義。4、了解目視比色法、分光光度法的特點，分光光度計的基本部件。5、熟悉分光光度法顯色條件和測量條件的選擇。6、了解分光光度法的應(yīng)用。第10頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2.1學習內(nèi)容3.2.1.1概述3.2.1.2分光光度法的基本原理3.2.1.3分光光度計3.2.1.4顯色反應(yīng)及其條件的選擇3.2.1.5分光光度法的應(yīng)用第11頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月

一、物質(zhì)的顏色───是其分子對不同波長的光選擇性吸收而產(chǎn)生。

顏色與吸收光之間的關(guān)系紅650～760綠藍橙610～650藍黃580～610紫黃綠560～580紅紫綠500～560紅藍綠490～500橙綠藍480～490黃藍450～480黃綠紫400～450互補光顏色/nm藍綠互補色光和各種顏色光的波長范圍，可供光度測定時選擇測量波長參考。

3.2.1.1概述第12頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月溶液的顏色與光吸收的關(guān)系完全吸收完全透過吸收黃色光光譜示意表觀現(xiàn)象示意復(fù)合光第13頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月

吸收光譜曲線或光吸收曲線：測定某種物質(zhì)對不同波長單色光的吸收程度，以波長為橫坐標，吸光度為縱坐標作圖。KMnO4

的吸收曲線最大吸收波長，maxKMnO4溶液對525nm附近綠色光吸收最強，而對紫色和紅色吸收很弱。濃度不同時，max相同；波長不同時，吸光度不同。二、光吸收曲線（A～λ）第14頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月300400500600700/nm350525545Cr2O72-MnO4-1.00.80.60.40.2Absorbance350Cr2O72-、MnO4-的吸收曲線第15頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月小結(jié)：（1）同一種物質(zhì)對不同波長的光吸收程度不同。吸光度最大處對應(yīng)的波長稱為最大吸收波長λmax

。

吸收曲線是定量分析中選擇入射光波長的重要依據(jù)。（2）同一種物質(zhì)濃度不同，其吸收曲線形狀相似λmax不變。在λmax處，吸光度A正比于濃度C，測定最靈敏。（3）不同物質(zhì)吸收曲線的特性不同。吸收曲線的特性包括曲線的形狀、峰的數(shù)目、峰的位置和峰的強度等。它們與物質(zhì)特性有關(guān)，吸收曲線可以提供物質(zhì)的結(jié)構(gòu)信息，并作為物質(zhì)定性分析的依據(jù)之一。第16頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月

基于物質(zhì)對光的選擇性吸收而建立的分析方法稱為吸光光度法，包括比色法，可見分光光度法及紫外分光光度法等。三、比色法與分光光度法比較比較顏色的深淺來測定物質(zhì)的濃度，也稱目視比色法。使用光電比色計（分光光度計）測量有色溶液對入射光的吸光程度以進行分析的方法，又稱光電比色法。分光光度法的特點：①靈敏、準確、快速及選擇性好②檢測濃度下限：10-5－10-6

mol/L。③檢測相對誤差：2%－5%。第17頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月當一束平行單色光，通過一均勻的溶液后，光的強度會減弱。I0=Ia+It入射光強度吸收光強度透過光強度3.3.1.2分光光度法的基本原理一、透射比與吸光度第18頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月透光度T

（透射比）Transmittance定義透光度：T取值為0.0~1.0全部吸收~~~~全部透射

A=lg(1/T)=-lgT吸光度A

(Absorbance）A取值為0.0~∞全部透射~~~全部吸收二者關(guān)系為：定義吸光度：第19頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月二、朗伯-比爾定律

朗伯（LambertJH)和比爾(BeerA)分別于1760年和1852年研究了光的吸收與溶液液層厚度及溶液濃度的定量關(guān)系（入射光波長保持不變），二者結(jié)合稱為朗伯-比爾定律。當一束平行單色光通過含有吸光物質(zhì)的稀溶液時，溶液的吸光度與吸光物質(zhì)濃度、液層厚度乘積成正比。朗伯-比爾定律吸光光度法定量分析的理論基礎(chǔ)！第20頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月朗伯-比爾定律的數(shù)學表達式為：A=lg(I0/It)=Kbc吸光物質(zhì)濃度吸收層厚度(cm)吸光度式中比例常數(shù)K與吸光物質(zhì)的本性，入射光波長及溫度等因素有關(guān)。c為吸光物質(zhì)濃度，b為透光液層厚度。第21頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月朗伯-比爾定律的應(yīng)用條件

朗伯-比爾定律不僅適用于紫外光、可見光，也適用紅外光；在同一波長下，各組分吸光度具有加和性：

A=A1+A2++An

吸光度的“加和性”使用條件：

（1）入射光必須為單色光（2）被測樣品必須是均勻介質(zhì)（3）在吸收過程中吸收物質(zhì)之間不能發(fā)生相互作用。

第22頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月

配制一系列不同濃度的標準溶液，在選擇的實驗條件下顯色，分別測定其吸光度，然后以標準溶液中待測組分的含量為橫坐標，吸光度為縱坐標，可得到一條通過原點曲線，稱為標準曲線。三、標準曲線（A～c）通常液層厚度是相同的，按照朗伯-比爾定律，標準曲線應(yīng)該是一條通過直角坐標原點的直線。但在實際工作中，往往會偏離線性而發(fā)生彎曲。第23頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月影響標準曲線彎曲的原因復(fù)合光對比爾定律的影響朗伯-比爾定律的假設(shè)條件之一：入射光為單色光。

1、非單色光第24頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月朗伯-比爾定律的假設(shè)條件之二：吸收粒子是獨立的，彼此之間無相互作用。比爾定律適用于稀溶液。吸光組分的化學變化：吸光組分的締合、離解，互變異構(gòu)，絡(luò)合物的逐級形成，以及與溶劑的相互作用等，都將導(dǎo)致偏離比耳定律。2、化學因素第25頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月一、光度計基本部件：光源、單色器、吸收池(參比池)、檢測系統(tǒng)、顯示裝置。3.2.1.3分光光度計第26頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月光源：能發(fā)出所需波長范圍內(nèi)的連續(xù)光譜，足夠的光強度，穩(wěn)定性好。單色器：包括狹縫、準直鏡、色散元件棱鏡——對不同波長的光折射率不同色散元件分出光波長不等距光柵——衍射和干涉分出光波長等距鎢燈或鹵鎢燈——可見光源350~1000nm氫燈或氘燈——紫外光源180~375nm第27頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月吸收池：

玻璃——能吸收UV光，僅適用于可見光區(qū)石英——不吸收紫外光，適用于紫外和可見光區(qū)要求：匹配性（對光的吸收和反射應(yīng)一致）檢測器：將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕难b置光電池光電管光電倍增管二極管陣列檢測器第28頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月指示器吸光度與透光率標度第29頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月二、分光光度計類型

1、單光束分光光度計特點：使用時來回拉動吸收池→移動誤差對光源要求高比色池配對第30頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月2、雙光束分光光度計

特點：不用拉動吸收池，可以減小移動誤差；對光源要求不高；可以自動掃描吸收光譜

第31頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月3、雙波長分光光度計特點：利用吸光度差值定量；消除干擾和吸收池不匹配引起的誤差第32頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月將待測組分轉(zhuǎn)變成有色化合物的反應(yīng)叫顯色反應(yīng)，可分為絡(luò)合反應(yīng)和氧化還原反應(yīng)兩大類。與待測組分形成有色化合物的試劑稱為顯色劑。3.2.1.4顯色反應(yīng)及其條件的選擇一、對顯色反應(yīng)的要求①選擇性好，干擾少，或干擾容易消除；②有色化合物的組成要恒定，化學性質(zhì)要穩(wěn)定，不易被空氣所氧化或被日光照射分解；③有色化合物和顯色劑之間的顏色差別要大；④顯色條件易于控制，以便提高重現(xiàn)性和方法的精密度。第33頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月二、顯色劑的分類無機顯色劑（形成的化合物不夠穩(wěn)定、靈敏度和選擇性不高。）有機顯色劑

（助色團)發(fā)色團(生色團)指某些含不飽和鍵的基團，如偶氮基、對醌基和羰基等，這些基團可以吸收可見光而表現(xiàn)出顏色。指某些含孤對電子的基團，如氨基、羥基和鹵代基等，這些基團與生色團的不飽和鍵相互作用，可以影響生色團對光的吸收，使顏色加深。第34頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月

偶氮砷類顯色劑三苯甲烷類顯色劑第35頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月三、顯色條件的選擇顯色反應(yīng)的一般通式為：吸光度與顯色劑濃度的關(guān)系1、顯色劑用量第36頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月2、溶液的酸度3、顯色溫度4、顯色時間5、溶劑

6、干擾及其消除

酸度等因素對吸光度的影響pH、T、t第37頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月1、入射光波長的選擇四、測量條件的選擇一般控制標準溶液和待測溶液的吸光度在0.2～0.8范圍內(nèi)，此時濃度測量的相對誤差較小。（1）最大吸收原則；（2）吸收最大，干擾最小。

2、吸光度范圍的選擇第38頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月3、參比溶液的選擇原則(1)當試液及顯色劑均無色時，可用蒸餾水作參比溶液；（純?nèi)軇?

(2)顯色劑為無色，而被測試液中存在其他有色離子，可用不加顯色劑的被測試液作為參比溶液；（試樣溶液）(3)顯色劑有顏色，可用不加試樣溶液的試劑空白作為參比溶液；（空白溶液）(4)顯色劑和試樣均有顏色，可將一份試液中的待測組分掩蔽起來，再按條件加入顯色劑和其他試劑，以此作為參比溶液；（試樣溶液加掩蔽劑再加顯色劑）(5)改變加入試樣的順序，使被測組分不發(fā)生顯色反應(yīng)，以此溶液作為參比溶液來消除干擾。第39頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月一、高含量組分的測定：示差法

示差法標尺擴大原理3.2.1.5分光光度法的應(yīng)用

示差法測定試液濃度Cx時，首先使用濃度稍低于試液的標準溶液Cs作參比溶液調(diào)節(jié)儀器透光度讀數(shù)為100％(A=0)，然后測定試液的吸光度，該吸光度稱為相對吸光度Ar，對應(yīng)的透光度稱為相對透光度Tr。如果用普通光度法以純?nèi)軇┗蚩瞻鬃鲄⒈热芤?，測得試液及標準液的吸光度分別為Ax及As，對應(yīng)的透光度為Tx及Ts，則根據(jù)比耳定律得：第40頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月原理：使兩束不同波長的單色光以一定的時間間隔交替地照射同一吸收池，測量并記錄兩者吸光度的差值。這樣可以從分析波長的信號中扣除來自參比信號的波長，消除各種干擾，得待測組分的含量。雙波長分光光度法原理示意圖二、雙波長分光光度法ΔA=Aλ1-Aλ2=(ελ1-ελ1)bc第41頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月三、光度滴定法光電比色計來進行的。測定滴定過程中溶液的吸光度，并繪制滴定劑體積和對應(yīng)的吸光度的曲線以確定滴定終點。

0.1mol/LEDTA滴定0.002mol/LBi3+和Cu2+吸光度的變化光度測量可用來確定滴定的終點。光度滴定通常都是用經(jīng)過改裝的在光路中可插人滴定容器的分光光度計或EDTA滴定Bi3+和Cu2+：745nm，Bi3+和EDTA無吸收。第42頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月四、配合物組成的測定配合物的反應(yīng)通式

M+nLMLn配合物的摩爾比法示意圖第43頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2.2學習要求1、了解原子吸收光譜法的定義和特點。2、掌握原子吸收光譜的基本原理。3、熟悉原子吸收分光光度計的構(gòu)造。4、熟悉原子吸收光譜法測定條件的選擇。5、掌握原子吸收光譜法的定量分析方法。第44頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2.2學習內(nèi)容3.2.2.1概述3.2.2.2原子吸收光譜法的基本原理3.2.2.3原子吸收分光光度計3.2.2.4原子吸收光譜法測定條件的選擇3.2.1.5原子吸收光譜法定量測定方法第45頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2.2.2概述一、原子吸收光譜法的定義

原子吸收光譜法又稱原子吸收分光光度法，簡稱原子吸收分析法。它是基于從光源輻射出具有待測元素特征譜線的光，通過試樣蒸氣時被蒸氣中待測元素基態(tài)原子所吸收，由輻射特征譜線光被減弱的程度來測定試樣中待測元素含量的方法。──基于待測元素的基態(tài)原子對其特征譜線的吸收，從而定量測定化學元素的方法。第46頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月

2、原子吸收光譜法的特點靈敏度高，檢測下限10-9g/ml-10-12g/ml。選擇性好，準確度高。單一元素特征譜線測定，多數(shù)情況無干擾。測量范圍廣。測定70多種元素。操作簡便，分析速度快。

第47頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2.2.2原子吸收分光光度法的基本原理共振線

電子從基態(tài)躍遷到能量最低的激發(fā)態(tài)，為共振躍遷，所產(chǎn)生的譜線稱為共振吸收線；當電子從第一激發(fā)態(tài)躍回基態(tài)時，則發(fā)射出同樣頻率的譜線，稱為共振發(fā)射線。對大多數(shù)元素來說，共振線是指元素所有譜線中最靈敏的線。特征譜線

各種元素的原子結(jié)構(gòu)和外層電子排布不同。不同元素的原子從基態(tài)激發(fā)至第一激發(fā)態(tài)（或由第一激發(fā)態(tài)躍回基態(tài)）時，吸收（或發(fā)射）的能量不同，因此各種元素的共振線各有不同，稱之為特征譜線。第48頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月

從微觀的角度考慮：在原子化過程中，待測元素的原子不可能全部是基態(tài)原子，其中必有一部分為激發(fā)態(tài)原子。在一定溫度下，當處于熱力學平衡時，激發(fā)態(tài)原子數(shù)與基態(tài)原子數(shù)之比服從玻茲曼方程式原子光譜中，對一定波長的譜線，Pj/P0和Ej（激發(fā)能）都是已知值，因此只要火焰溫度T確定，就可求得Nj/N0值。第49頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月實際分析中，要求測定的是試樣中待測元素的濃度，而此濃度是與待測元素吸收輻射的原子總數(shù)成正比的，因此在一定濃度范圍和一定火焰寬度L的情況下有A=kNL=Kc比爾定律上式表明在定實驗條件下，吸光度與濃度呈正比關(guān)系。原子吸收光譜的定量基礎(chǔ)！第50頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2.2.3原子吸收分光光度計

原子吸收分光光度計結(jié)構(gòu)示意圖一、原子吸收分光光度計組成一般由光源、原子化系統(tǒng)、光學系統(tǒng)及檢測系統(tǒng)組成。第51頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月光源－空心陰極燈的原理空心陰極燈示意圖用不同的待測元素作陰極材料，可制成各相應(yīng)待測元素的空心陰極燈。有單元素燈和多元素燈兩種。缺點：每測一個元素均需要更換相應(yīng)的待測元素的空心陰極燈，使