第一篇：《儀器分析》教案5- 分子發光分析法

第8章

分子發光分析法

8．1教學建議

一、從光譜定性分析和定量分析的依據和方法入手，在了解分子發光分析特點的基礎上，介紹分子熒光與磷光光譜分析法的基本原理、儀器結構組成、常規測定方法及應用。

二、在比較分子熒光與磷光光譜分析法的基礎上，介紹化學發光分析方法的基本原理及分析特點與應用。

8．2主要概念

一、教學要求：

（一）、掌握分子熒光與磷光光譜分析方法的基本原理；

（二）、掌握熒光與磷光分析儀器的結構組成、常規測定方法及應用；

（三）、掌握化學發光法的基本原理及應用；

二、內容要點精講 第一節

熒光分析法

一、概述

分子熒光分析法是根據物質的分子熒光光譜進行定性，以熒光強度進行定量的一種分析方法。

熒光分析的特點：

靈敏度高：視不同物質，檢測下限在0.1~0.001mg/mL之間。可見比UV-Vis的靈敏度高得多。

選擇性好：可同時用激發光譜和熒光發射光譜定性。

結構信息量多：包括物質激發光譜、發射光譜、光強、熒光量子效率、熒光壽命等。應用不廣泛：主要是因為能發熒光的物質不具普遍性、增強熒光的方法有限、外界環境對熒光量子效率影響大、干擾測量的因素較多。

二、基本原理

1、分子熒光的產生

處于分子基態單重態中的電子對，其自旋方向相反，當其中一個電子被激發時，通常躍遷至第一激發態單重態軌道上，也可能躍遷至能級更高的單重態上。這種躍遷是符合光譜選律的，如果躍遷至第一激發三重態軌道上，則屬于禁阻躍遷。單重態與三重態的區別在于電子自旋方向不同，激發三重態具有較低能級。在單重激發態中，兩個電子平行自旋，單重態分子具有抗磁性，其激發態的平均壽命大約為10-8s;而三重態分子具有順磁性，其激發態的平均壽命為10-4~1s以上(通常用S和T分別表示單重態和三重態)。

處于激發態的電子，通常以輻射躍遷方式或無輻射躍遷方式再回到基態。輻射躍遷主要涉及到熒光、延遲熒光或磷光的發射；無輻射躍遷則是指以熱的形式輻射其多余的能量，包括振動弛豫(VR)、內部轉移(IR)、系間竄躍(IX)及外部轉移(EC)等，各種躍遷方式發生的可能性及程度，與熒光物質本身的結構及激發時的物理和化學環境等因素有關。

2、去活化過程(Deactivation)

處于激發態分子不穩定，通過輻射或非輻射躍遷等去活化過程返回至基態。這些過程包括：

(1)振動弛豫(Vibrational Relaxation, VR)在液相或壓力足夠高的氣相中，處于激發態的分子因碰撞將能量以熱的形式傳遞給周圍的分子，從而從高振動能層失活至低振動能層的過程，稱為振動弛豫。

(2)內轉化(Internal Conversion，IC)

對于具有相同多重度的分子，若較高電子能級的低振動能層與較低電子能級的高振動能層相重疊時，則電子可在重疊的能層之間通過振動耦合產生無輻射躍遷，如S2-S1；T2-T1。

(3)熒光發射

處于第一激發單重態中的電子躍 遷至基態各振動能級時，將得到最大波長為λ3的熒光。注意：基態中也有振動馳豫躍遷。很明顯，λ3的波長較激發波長λ1或λ2都長，而且不論電子開始被激發至什么高能級，最終將只發射出波長為λ3的熒光。熒光的產生在10-7-10-9s內完成。

三、熒光與有機化合物的結構

1、躍遷類型

對于大多數熒光物質，首先經歷p?p*，然后經過振動弛豫或其他無輻射躍遷，再發生p*?p躍遷而得到熒光。p*?p躍遷常能發出較強的熒光(較大的量子產率)。這是由于p?p*躍遷具有較大的摩爾吸光系數(一般比n?p*大100-1000倍)。

其次，p?p*躍遷的壽命約為10-7—10-9s，比n?p*躍遷的壽命10-5—10-7s要短。在各種躍遷過程的競爭中，它是有利于發射熒光的。此外，在p?p*躍遷過程中，通過系間竄躍至三重態的速率常數也較小(S1?T1能級差較大)，這也有利于熒光的發射。總之，p?p*躍遷是產生熒光的主要躍遷類型。

2、共軛效應

容易實現p?p*激發 的芳香族化合物容易發生熒光，能發生熒光的脂肪族和脂環族化合物極少(僅少數高度共軛體系化合物除外)。此外，增加體系的共軛度，熒光效率一般也將增大。例如：

在多烯結構中，Ph(CH=CH)3 Ph和Ph(CH=CH)2 Ph在苯中的熒光效率分別為0.68和0.28。

共軛效應使熒光增強的原因 ：增大了摩爾吸光系數

3、剛性平面結構

多數具有剛性平面結構的有機分子具有強烈的熒光。因為這種結構可以減少分子的振動，使分子與溶劑或其它溶質分子的相互作用減少，也就減少了碰撞去活的可能性。

4、取代基效應 芳香族化合物苯環上的不同取代基對該化合物的熒光強度和熒光光譜有很大的影響。給電子基團，如-OH、-OR、-CN、-NH2、-NR2等，使熒光增強。因為產生了p-p共軛作用，增強了p電子共軛程度，使最低激發單重態與基態之間的躍遷幾率增大。

吸電子基團，如-COOH、-NO、-C=O、鹵素等，會減弱甚至會猝滅熒光。

鹵素取代基隨原子序數的增加而熒光降低。這可能是由所謂“重原子效應”使系間竄躍速率增加所致。在重原子中，能級之間的交叉現象比較嚴重，因此容易發生自旋軌道的相互作用，增加了由單重態轉化為三重態的概率。取代基的空間障礙對熒光也有影響。立體異構現象對熒光強度有顯著的影響。

四、金屬螯合物的熒光

除過渡元素的順磁性原子會發生線狀熒光光譜外，大多數無機鹽類金屬離子，在溶液中只能發生無輻射躍遷，因而不產生熒光。但是，在某些情況下，金屬螯合物卻能產生很強的熒光，并可用于痕量金屬元素分析。

1、螯合物中配位體的發光

不少有機化合物雖然具有共軛雙鍵，但由于不是剛性結構，分子處于非同一平面，因而不發生熒光。若這些化合物和金屬離子形成螯合物，隨著分子的剛性增強，平面結構的增大，常會發生熒光。

如8-羥基喹啉本身有很弱的熒光，但其金屬螯合物具有很強的熒光。

2、螯合物中金屬離子的特征熒光

這類發光過程通常是螯合物首先通過配位體的p*?p躍遷激發，接著配位體把能量轉給金屬離子，導致d?d*躍遷和f?f*躍遷，最終發射的是d?d*躍遷和f?f*躍遷光譜。

五、影響熒光強度的因素

1、溶劑對熒光強度的影響

增大溶劑的極性，p?p*躍遷的能量減小，而導致熒光增強，熒光峰紅移。但也有相反的情況，例如，苯胺、萘磺酸類化合物在戊醇、丁醇、丙醇、乙醇和甲醇中，隨著醇的極性增大，熒光強度減小，熒光峰藍移。因此熒光光譜的位置和強度與溶劑極性之間的關系，應根據熒光物質與溶劑的不同而異。

如果溶劑和熒光物質形成了化合物，或溶劑使熒光物質的狀態改變，則熒光峰位和強度都會發生較大的變化。

2、溫度對熒光強度的影響 溫度上升使熒光強度下降。其中一個原因是分子的內部能量轉化作用。當激發分子接受額外熱能時，有可能使激發能轉換為基態的振動能量，隨后迅速振動弛豫而喪失振動能量。另一個原因是碰撞頻率增加，使外轉換的去活幾率增加。

3、溶液pH值對熒光強度的影響

帶有酸性或堿性官能團的大多數芳香族化合物的熒光與溶液的pH有關。

具有酸性或堿性基團的有機物質，在不同pH值時，其結構 可能發生變化，因而熒光強度將發生改變；對無機熒光物質，因pH值會影響其穩定性，因而也可使其熒光強度發生改變。

4、順磁性物質的存在,使激發單重態的體系間竄越速率增大,因而會使熒光效率降低。

六、溶液熒光猝滅 熒光物質分子與溶劑分子或其它溶質分子的相互作用引起熒光強度降低的現象稱為熒光猝滅。能引起熒光強度降低的物質稱為猝滅劑。

導致熒光猝滅的主要類型：(1)碰撞猝滅

碰撞猝滅是指處于激發單重態的熒光分子與猝滅劑分子相碰撞，使激發單重態的熒光分子以無輻射躍遷的方式回到基態，產生猝滅作用。(2)靜態猝滅(組成化合物的猝滅)由于部分熒光物質分子與猝滅劑分子生成非熒光的配合物而產生的。此過程往往還會引起溶液吸收光譜的改變。

(3)轉入三重態的猝滅

分子由于系間的跨越躍遷，由單重態躍遷到三重態。轉入三重態的分子在常溫下不發光，它們在與其它分子的碰撞中消耗能量而使熒光猝滅。

溶液中的溶解氧對有機化合物的熒光產生猝滅效應是由于三重態基態的氧分子和單重激發態的熒光物質分子碰撞，形成了單重激發態的氧分子和三重態的熒光物質分子，使熒光猝滅。

(4)發生電子轉移反應的猝滅

某些猝滅劑分子與熒光物質分子相互作用時，發生了電子轉移反應，因而引起熒光猝滅。(5)熒光物質的自猝滅

在濃度較高的熒光物質溶液中，單重激發態的分子在發生熒光之前和未激發的熒光物質分子碰撞而引起的自猝滅。有些熒光物質分子在溶液濃度較高時會形成二聚體或多聚體，使它們的吸收光譜發生變化，也引起溶液熒光強度的降低或消失。

七、膠束增敏熒光

加入臨界濃度以上的表面活性劑，如十二烷基硫酸鈉。

1、溶液的熒光強度

(1)熒光強度與溶液濃度的關系

熒光強度If正比于吸收的光量Ia與熒光量子產率j。

If =j Ia 式中j為熒光量子效率，又根據Beer定律

Ia = I0-It = I0(1-e-A)I0和It分別是入射光強度和透射光強度。代入上式得 If =j I0(1-10-A)=j I0(1-e-2.3A)整理得：

If =2.3j I0kbc 當入射光強度I0和I一定時，上式為：

If = K c 即熒光強度與熒光物質的濃度成正比，但這種線性關系只有在極稀的溶液中，當A￡0.05時才成立。對于較濃溶液，由于猝滅現象和自吸收等原因，使熒光強度和濃度不呈線性關系。

2、熒光激發光譜與發射光譜 任何熒(磷)光都具有兩種特征光譜：激發光譜與發射光譜。它們是熒(磷)光定性分析的基礎。

(1)激發光譜

改變激發波長，測量在最強熒(磷)光發射波長處的強度變化，以激發波長對熒光強度作圖可得到激發光譜。

激發光譜形狀與吸收光譜形狀完全相似，經校正后二者完全相同！這是因為分子吸收光能的過程就是分子的激發過程。

激發光譜可用于鑒別熒光物質；在定量時，用于選擇最適宜的激發波長。

(2)發射光譜

發射光譜即熒光光譜。一定波長和強度的激發波長輻照熒光物質，產生不同波長和強度的熒光，以熒光強度對其波長作圖可得熒光發射光譜。

由于不同物質具有不同的特征發射峰，因而使用熒光發射光譜可用于鑒別熒光物質。(3)激發光譜與發射光譜的關系

a 波長比較

與激發(或吸收)波長相比，熒光發射波長更長，即產生所謂Stokes位移。(振動弛豫失活所致)b 形狀比較

熒光光譜形狀與激發波長無關。盡管分子受激可到達不同能級的激發態，但由于去活化(內轉換和振動弛豫)到第一電子激發態的速率或幾率很大，好像是分子受激只到達第一激發態一樣。

換句話說，不管激發波長如何，電子都是從第一電子激發態的最低振動能層躍遷到基態的各個振動能層。

七、熒光儀器(光源與檢測器處于相互垂直的位置)

1、光源： 氙燈、高壓汞燈、激光；

2、樣品池：石英(低熒光材料)；

3、兩個單色器：選擇激發光單色器,分離熒光單色器；

4、檢測器：光電倍增管。

八、熒光分析法的應用

熒光測定必須在極稀的溶液中才可用于定量測定。標準曲線法測定熒光物質的含量

九、熒光分析法的應用

1、無機化合物的分析

大多數無機離子與溶劑之間的相互作用很強,其激發態多以非輻射躍遷方式返回基態,發熒光者甚少。然而很多無機離子可以與一些有機化合物形成有熒光的絡合物,利用這一性質可對其進行熒光測定。能夠同金屬離子形成熒光絡合物的有機試劑絕大多數是芳香族化合物,通常含有兩個或兩個以上的官能團,能與金屬離子形成五元環或六元環的螯合物。由于螯合物的生成,分子的剛性平面結構增大,使原來不發熒光或熒光較弱的化合物轉變為強熒光化合物。

2、有機化合物的分析

脂肪族有機化合物的分子結構較為簡單,本身能發生熒光的很少,一般需要與某些試劑反應后才能進行熒光分析,如丙三醇與苯胺在濃硫酸介質中反應生成發射藍色熒光的喹啉，據此可以測定0.1~2μg?mL?1的丙三醇。

芳香族化合物因具有共軛的不飽和體系,多數能發生熒光,可直接用熒光法測定。

第二節

磷光分析

一、概述

磷光分析法是以分子磷光光譜來鑒別有機化合物和進行定量分析的一種方法。

磷光分析法在藥物分析,臨床分析等領域的應用日益發展。

二、基本原理

1、磷光的產生和磷光強度

磷光是處于激發三重態的分子躍遷返回基態時所產生的輻射。(1)磷光的特點：

① 磷光波長比熒光的長(T1

(2)磷光強度: IP=2.3jPI0kbc 式中IP為磷光強度，jP為磷光效率，I? 為激發光的強度，K為磷光物質的摩爾吸收系數，b為試樣池的光程，C為磷光物質的濃度。

在一定的條件下，jp、Ip、k、b均為常數，因此上式可寫成：

Ip=Kc

2、溫度對磷光強度的影響

(1)隨著溫度降低,分子熱運動速率減慢,磷光逐漸增強。(2)低溫磷光(液氮)由于磷光壽命長，T1的非輻射躍遷(內轉換)幾率增加，碰撞失活(振動弛豫)的幾率、光化學反應幾率都增加，從而降低磷光強度。因此有必要在低溫下測量磷光。同時要求溶劑： ①易提純且在分析波長區無強吸收和發射； ②低溫下形成具有足夠粘度的透明的剛性玻璃體。

常用的溶劑：

① EPA——乙醇+異戊烷+二乙醚(2+2+5)② IEPA——CH3I+EPA(1+10)。

3、重原子效應

使用含有重原子的溶劑(碘乙烷、溴乙烷)或在磷光物質中引入重原子取代基,都可以提高磷光物質的磷光強度,這種效應稱為重原子效應。前者稱為外部重原子效應,后者稱為內部重原子效應。

機理:重原子的高核電荷使得磷光分子的電子能級交錯,容易引起或增強磷光分子的自旋軌道偶合作用,從而使S1→T1的體系間竄躍概率增大,有利于增大磷光效率。

4、室溫磷光

低溫磷光需低溫實驗裝置且受到溶劑選擇的限制，1974年后發展了室溫磷光(RTP)。

(1)固體基質：在室溫下以固體基質(如纖維素等)吸附磷光體，可增加分子剛性、減少三重態猝滅等非輻射躍遷，從而提高磷光量子效率。

(2)膠束增穩：利用表面活性劑在臨界濃度形成具多相性的膠束，改變磷光體的微環境、增加定向約束力，從而減小內轉換和碰撞等去活化的幾率，提高三重態的穩定性。

利用膠束增穩、重原子效應和溶液除氧是該法的三要素。

5、敏化磷光：其過程可以簡單表示為：

6、磷光發射

從單重態到三重態分子間發生系間跨躍躍遷后，再經振動弛豫回到三重態最低振動能層，最后，在10-4-10s內躍遷到基態的各振動能層所產生的輻射。

三、磷光儀器

在熒光儀樣品池上增加磷光配件：低溫杜瓦瓶和斬光片。如右圖所示。

斬光片的作用是利用其分子受激所產生的熒光與磷光的壽命不同獲取磷光輻射。第三節

化學發光分析法

一、概述

某些物質在進行化學反應時，由于吸收了反應時產生的化學能，而使反應產物分子激發至激發態，受激分子由激發態回到基態時，便發出一定波長的光。這種吸收化學能使分子發光的過程稱為化學發光。利用化學發光反應而建立起來的分析方法稱為化學發光分析法。化學發光也發生于生命體系，這種發光稱為生物發光。

二、化學發光分析的基本原理

化學發光是吸收化學反應過程產生的化學能，而使反應產物分子激發所發射的光。任何一個化學發光反應都應包括化學激發和發光兩個步驟，必須滿足如下條件：(1)化學反應必須提供足夠的激發能，激發能主要來源于反應焓。

(2)要有有利的化學反應歷程，使化學反應的能量至少能被一種物質所接受并生成激發態。

(3)激發態能釋放光子或能夠轉移它的能量給另一個分子，而使該分子激發，然后以輻射光子的形式回到基態。

三、化學發光效率和發光強度

化學發光反應效率jCL，又稱化學發光的總量子產率。它決定于生成激發態產物分子的化學激發效率jce和激發態分子的發射效率jem。定義為：

jcl =發射光子的分子數 /參加反應的分子數 =jce·jem 化學反應的發光效率、光輻射的能量大小以及光譜范圍，完全由參加反應物質的化學反應所決定。每個化學發光反應都有其特征的化學發光光譜及不同的化學發光效率。化學發光反應的發光強度Icl以單位時間內發射的光子數表示。它與化學發光反應的速率有關，而反應速率又與反應分子濃度有關。即

Icl(t)=jcl· dc/dt=Kc 式中 Icl(t)表示t時刻的化學發光強度，是與分析物有關的化學發光效率dc/dt是分析物參加反應的速率。

四、化學發光反應類型

1、直接化學發光和間接化學發光

直接發光是被測物作為反應物直接參加化學發光反應，生成電子激發態產物分子，此初始激發態能輻射光子。

A + B? C* + D C*? C + hn 式中A或B是被測物，通過反應生成電子激發態產物C*，當C*躍遷回基態時，輻射光子。

間接發光是被測物A或B，通過化學反應生成初始激發態產物C*，C*不直接發光，而是將其能量轉移給F，使F躍遷回基態，產生發光。

A + B? C* + D C*+F? F* + E F*? F + hn 式中C*為能量給予體，而F為能量接受體

2、氣相化學發光和液相化學發光 按反應體系的狀態分類，如化學發光反應在氣相中進行稱為氣相化學發光；在液相或固相中進行稱為液相或固相化學發光；在兩個不同相中進行則稱為異相化學發光。(1)氣相化學發光

主要有O3、NO、S的化學發光反應，可用于監測空氣中的O3、NO、SO2、H2S、CO、NO2等。

臭氧與乙烯的化學發光反應； 一氧化氮與臭氧的化學發光反應。

(2)液相化學發光

用于此類化學發光分析的發光物質有魯米諾、光澤堿、洛粉堿等。例如，利用發光物質魯米諾，可測定痕量的H2O2以及Cu、Mn、Co、V、Fe、Cr、Ce等金屬離子。

五、化學發光的測量裝置

化學發光分析法的測量儀器主要包括 樣品室、光檢測器、放大器和信號輸出裝置。化學發光反應在樣品室中進行，樣品和試劑混合的方式有不連續取樣體系，加樣是間歇的。將試劑先加到光電倍增管前面的反應池內，然后用進樣器加入分析物。另一種方法是連續流動體系，反應試劑和分析物是定時在樣品池中匯合反應，且在載流推動下向前移動，被檢測的光信號只是整個發光動力學曲線的一部分，而以峰高進行定量測量。

1、分立取樣式儀器

2、流動注射式儀器

六、化學發光分析的應用

1、廣泛應用于大氣中O3、NO、NO2、H2O、SO2、CO等組分的檢測。

2、魯米諾—H2O2體系

三、重點、難點

（一）重點內容

1、分子熒光與磷光光譜分析方法的基本原理；

2、熒光與磷光分析常規測定方法及應用；

3、化學發光法的基本原理及應用；

（二）難點

熒光、磷光與分子結構的關系，熒光、磷光的猝滅機理，化學發光類型。

8．3 例題 例3．1 容器中有4.4 g CO2，14 g N2，12.8g O52，總壓為2.026×10Pa，求各組分的分壓。

分析：題意中給出了三種氣體的質量和總壓強，可以直接求得各組的摩爾數，利用道爾頓分壓定律求得。本題涉及本章一個重要的知識點。解：混合氣體中各物質的摩爾數為：

nCO2?4.4g/44(g?mol?1)?0.1mol

nN2?14g/28(g?mol?1)?0.5mol

n?1O2?12.8g/32(g?mol)?0.4mol

由道爾頓分壓定律，可求得： pCO2?pnCO2tol?n?2.026×105?0.1CO2?nN2?nO20.1?0.5??2.026?1040.4Pa

pnN20.5N2?ptol?n?2.026×105??1.013?104Pa

CO2?nN2?nO20.1?0.5?0.4pnO20.4O2?ptol?n?2.026×105?CO2?nN2?nO20.1?0.5?0.4?8.104?104Pa

【評注】本題給定條件明了、直接，解題思路清晰。

例3．2有一高壓氣瓶，容積為30 dm3，能承受2.6×107Pa，問在293K時可裝入多少千克O2而不致發生危險？

分析：這是一個應用實例，已知體積，壓強，溫度，可以直接利用式（1.1）理想氣體狀態方程求出氧氣的質量。

解：

pV?nRT?mMRTm?PVM2.6?107?0.03?0.032

RT?8.314?293?10.25Kg

【評注】本題給定條件明了、直接，解題思路清晰。

例3．3 水的汽化熱為40 kJ·mol-1，求298K時水的飽和蒸汽壓。

分析：由題可知，水的蒸發熱即汽化熱，溫度從298K至沸騰狀態373K，大氣壓強已知，因此可以由克勞修斯-克拉貝龍方程（式2.15）求得水在298K時的飽和蒸汽壓。

解：lgp1vHm?11?p??22.303R???T?? ?T21?lg10132540000?11?p?22.303?8.314???298373?

?求得：P2=3945Pa 8．4習題精選詳解（題號）2.1.某氣體在293K與9.97×104Pa時占有體積1.910-1dm3

其質量為0.132g，試求這種氣體的相對分子質量，它可能是何種氣體? 解：該題為理想氣體狀態方程的運用，將理想氣體狀態方程進行變量變換，即將物質的量變換為摩爾質量即可。

2.2.一敞口燒瓶在280K時所盛的氣體，需加熱到什么溫度時，才能使其三分之一逸出? 解 該題為理想氣體狀態方程的應用，由題意可知，一敞口燒瓶即在相同壓力下，兩種氣體狀態參數的相關性（采用理想氣體狀態方程關聯）進行計算。

2-3.溫度下，將1.013×105Pa的N3332dm和0.506 5Pa的O23 dm放入6 dm的真空容器中，求O2和N2的分壓及混合氣體的總壓。

解：本題為理想氣體狀態方程的應用及總壓與分壓關系。

2.5.在300K，1.013×105

Pa時，加熱一敞口細頸瓶到500K，然后封閉其細頸口，并冷卻至原來的溫度，求這時瓶內的壓強。

解：由題意知，當瓶內溫度升為500K時，其氣體體積將變為原來的5/3倍，因此瓶內氣體的物質的量只占全部氣體的3/5，對應的壓力為1.013×105Pa降溫前瓶內的氣體的物質的量不變。

2.6.在273K和1.013×105Pa下，將1.0 dm3潔凈干燥的空氣緩慢通過H3C-O-CH3液體，在此過程中，液體損失0.0335 g，求此種液體273K時的飽和蒸汽壓。解

2.8.在291K和總壓為1.013×105

Pa時，2.70 dm3

含飽和水蒸汽的空氣，通過CaCl2干燥管，完全吸水后，干燥空氣為3.21 g，求291K時水的飽和蒸汽壓。解

2.10.在273K時，將同一初壓的4.0 dm3 N32和1.0dm3 O2壓縮到一個容積為2 dm的真空容器中，混合氣體的總壓為3.26×105 Pa，試求：

（1）兩種氣體的初壓；

（2）混合氣體中各組分氣體的分壓；（3）各氣體的物質的量。解：

2.13．已知乙醚的蒸汽熱為25900J·mol-1，它在293K的飽和蒸汽壓為7.58×104Pa，試求在308K時的飽和蒸汽壓。解

2.15.如圖所示是NaCl的一個晶胞，屬于這個晶胞的Cl?（用表示）和Na+（用

表示）各多少個？

解：

第二篇：儀器分析教案

第三節 高效液相色譜法的主要類型及其分離原理

【教學目標】

1.掌握液-液分配色譜法及化學鍵合相色譜法的分離原理，分配系數、固定相的類型和特點 2.熟悉高效液相色譜法的主要類型 3.熟悉高效液相色譜法的主要類型

4.了解各類高效液相色譜法的特點及應用 【教學重點】

液-液分配色譜法及化學鍵合相色譜法；分離原理；分配系數 【教學難點】

分配系數；分配系數與組分流出順序的關系 【復習題】

1.氣相色譜法有哪幾種類型？各類氣相色譜法的固定相與流動相的類型是什么？ 2.各類氣相色譜法的分離原理是什么？ 3.分配系數的定義是什么？意義是什么？

【講授新課】

與氣相色譜一樣，液相色譜分離系統也由兩相——固定相和流動相組成。液相色譜的固定相可以是固定液、吸附劑、化學鍵合固定相（或在惰性載體表面涂上一層液膜）、離子交換樹脂或多孔性凝膠；流動相是各種溶劑。被分離混合物由流動相液體推動進入色譜柱。根據各組分在固定相及流動相中的吸附能力、分配系數、離子交換作用或分子尺寸大小的差異進行分離。色譜分離的實質是樣品分子（以下稱溶質）與溶劑（即流動相或洗脫液）以及固定相分子間的作用，作用力的大小，決定色譜過程的保留行為。

根據其分離原理不同，高效液相色譜法可分為幾種類型：

一． 液-液分配色譜法及化學鍵合相色譜法

（一）液-液分配色譜法

1.固定相：將液體固定液涂漬在擔體上作為固定相。

流動相：液體。

且要求，流動相液體與固定相液體互不相溶。

2．分離原理：溶解——溶解分配平衡過程（組分溶解在固定相中—組分溶解在流動相中），類似于液液萃取機理。

溶質在兩相間進行分配時，在固定液中溶解度較小的組分較難進入固定液，在色譜柱中向前遷移速度較快；在固定液中溶解度較大的組分容易進入固定液，在色譜柱中向前遷移速度較慢，從而達到分離的目的。

3.分配系數：

當樣品中的被測定組分在固定相和流動相中達到動態平衡時，可以用分配系數來描述這個分配平衡過程：

其中，（1）分離的順序決定于分配系數的大小：

固定相對某組分的溶解力大于溶劑對某組分的溶解力，K↑，后流出色譜柱 固定相對某組分的溶解力小于溶劑對某組分的溶解力，K↓，先流出色譜柱

（2）某色譜條件下，兩組分分配系數差值為零，則代表兩組分在該色譜條件下不能分離。4.分類：

正相液-液色譜法：固定相極性＞流動相極性，極性較小組分先出峰，極性較大組分后出峰 適于分離極性較強的物質

反相液-液色譜法：固定相極性＜流動相極性

極性較大組分先出峰，極性較小組分后出峰 適于分離非極性至中等極性的物質

（二）化學鍵合相色譜法：

（1）固定相：將固定液通過化學反應共價鍵合到擔體（硅膠）表面作為固定相。

流動相：液體。

（2）分離原理：同液-液分配色譜法。（3）分配系數：同液-液分配色譜法。（4）分類：同液-液分配色譜法。

（三）液-液分配色譜法與化學鍵合相色譜法的對比

液-液分配色譜法 化學鍵合相色譜法 與擔體結合方式 涂漬 共價鍵合

柱效對比 較低 較高

固定液是否流失 是 否

能否進行梯度洗脫 否 能

另外，化學鍵合固定相表面固定液一般多為單分子層，因此無液坑，液層薄，傳質速度快；且有載樣量大，化學性能穩定，重現性高，色譜柱壽命長等優點。目前已經逐漸取代了傳統的液液分配色譜，成為液相色譜法中使用最廣泛的方法。

二．液-固吸附色譜法

1.固定相：液固吸附色譜法的固定相是固體吸附劑。吸附劑是一些多孔的固體顆粒物質，在它的表面通常存在吸附中心點，可以有效地從氣體或液體中吸附其中某些成分。流動相：液體

2.分離原理：吸附——吸附競爭平衡過程（組分吸附在固定相上—流動相吸附在固定相上）

流動相中的溶質分子X（流動相）被流動相S帶入色譜柱后，在隨流動相流動的過程中，發生如下交換反應：

其作用機制是被分離組分（溶質分子X）與流動相（溶劑分子S）爭奪吸附劑表面吸附活性中心的結果（競爭吸附）。在這個過程中，交換能力較強的溶質分子會競爭得到更多的吸附中心點，從而在色譜柱中移動較慢，從而達到分離的目的。3.分配系數：

其中，（1）分離的順序決定于分配系數的大小：

吸附劑對某組分的吸附力越強，K↑，后流出色譜柱 吸附劑對某組分的吸附力越弱，K↓，先流出色譜柱

（2）某色譜條件下，兩組分分配系數差值為零，則代表兩組分在該色譜條件下不能分離。

4.應用：

液固色譜法適用于分離分子量中等，能溶于有機溶劑的非離子性化合物，此外，液固色譜法對于分離具有不同官能團的結構相似的化合物、異構體有較高的選擇性。

三．離子交換色譜法

1.固定相：是一種帶電荷的官能團的固定基質，稱為離子交換劑。為保證交換劑的電中性，基質上還存在帶相反電荷的離子，稱為反離子。

目前常用的三大類離子交換劑基質：合成樹脂、纖維素、硅膠。流動相：具有一定pH和鹽濃度的緩沖溶液

2.分離原理：吸附——吸附競爭平衡過程（反離子吸附在固定相上—組分離子吸附在固定相上）

在離子交換過程中，流動相中存在的被分析離子（M+）與樹脂上吸附的反離子（Y-）之間發生競爭吸附，可用下列平衡表示：

陽離子交換： 陰離子交換：

被分離樣品中不同離子對交換劑具有不同的親和力，在發生競爭吸附時，不同的樣品離子交換反離子的能力也不同。對交換劑親和力較強的樣品離子，交換反離子的能力較強，從而在色譜柱中遷移速度較慢，從而達到分離的目的。3.分配系數：

以陰離子交換平衡過程為例，分配系數：

其中，（1）分離的順序決定于分配系數的大小：

溶質中某離子與離子交換劑的相互作用越強，K↑，后流出色譜柱 溶質中某離子與離子交換劑的相互作用越弱，K↓，先流出色譜柱

（2）某色譜條件下，兩組分分配系數差值為零，則代表兩組分在該色譜條件下不能分離。

4.應用：

離子交換色譜法特別適用于分離離子化合物、有機酸和有機堿等能電力的化合物和能與離子基團相互作用的化合物。它不僅廣泛地應用于有機物質，而且廣泛地應用于生物物質的分離，如氨基酸、核酸、蛋白質等生物分子，還能用于維生素的混合物、食品防腐劑、血清等的分離。5.分類：

陽離子交換色譜和陰離子交換色譜

【小結】

1． 固定相：

液-液分配色譜法 將液體固定液涂漬在擔體上作為固定相

化學鍵合相色譜法 將固定液通過化學反應共價鍵合到擔體（硅膠）表面作為固定相 液-固吸附色譜法 吸附劑 離子交換色譜法 離子交換劑 2．分離原理

液-液分配色譜法 溶解——溶解分配平衡過程（組分溶解在固定相中—組分溶解在流動相中）化學鍵合相色譜法 溶解——溶解分配平衡過程（組分溶解在固定相中—組分溶解在流動相中）液-固吸附色譜法 吸附——吸附競爭平衡過程（組分吸附在固定相上—流動相吸附在固定相上）離子交換色譜法 吸附——吸附競爭平衡過程（反離子吸附在固定相上—組分離子吸附在固定相上）3．各種色譜法的分配系數表示方法雖各不相同，但分配系數與組分流出順序的關系均可表述為，組分K↑，后流出色譜柱；組分K↓，先流出色譜柱。

【作業】

課后習題 2、6、9。

第九節 高效液相色譜法在食品檢測中的應用

【教學目標】

1.了解高效液相色譜法在食品檢測中的具體應用實例

2.能夠通過實例系統地了解之前所學關于高效液相色譜法的具體內容 3.了解食品高效液相色譜法前處理知識 【教學重點】

外標法定量的運用 【教學難點】

不同定量方法的運用 【復習題】

1.液相色譜法的主要定量方法包括哪幾種？

【講授新課】

5.動物源食品呋喃唑酮殘留量的測定

呋喃唑酮（痢特靈）是一種抗菌效果非常好的廣譜抗生素藥物，曾被廣泛應用于家禽、家畜、水產品中的疾病預防和治療。近年的研究表明，呋喃唑酮及其代謝物具有致基因突變和致癌性。美國1993年禁止呋喃唑酮作為獸藥，歐盟將其列為違禁藥品，我國農業部第235號公告中也規定動物性食品中呋喃唑酮檢出限為不得檢出。

（一）原理：反相色譜法

（二）色譜條件：

固定相：C18柱

流動相：乙腈—磷酸溶液 檢測器：Uv-vis檢測器 檢測波長：367nm 流速：1.0ml/min 進樣量：20ul

（三）測定方法： 1．試樣前處理：

固體試料破碎→混合→初分離→濃縮→再分離→過濾→供試樣液

2．測定方法（外標法）：

（1）標準對照品溶液的配制與測定：精密稱取呋喃唑酮標準對照品適量，配制成一定濃度的溶液Cs。在上述色譜條件下得到色譜流出曲線，呋喃唑酮的保留時間在4.5min附近，得到呋喃唑酮峰的峰面積As。

（2）樣品溶液測定：試樣溶液在上述色譜條件下分離得到試樣的色譜流出曲線，得到試樣中呋喃唑酮的峰面積Ax。

（3）外標法計算：利用下式即可計算的出樣品中的呋喃唑酮含量

二．高效液相色譜測定保健食品中的黃芪甲苷

黃芪是多年生草本豆科植物，藥用歷史悠久、廣泛。皂苷是黃芪中的主要有效成分之一，而黃芪皂苷以黃芪甲苷為主。黃芪甲苷具有增強機體免疫力、抗氧化、促進細胞生長，抑制內毒素等作用。所以在一些保健食品中，黃芪甲苷作為功能性添加劑成分有添加。例如，蜂膠黃芪軟膠囊、蟲草雞精口服液。

（一）原理：反相色譜法

（二）色譜條件：

固定相：C18柱 流動相：乙腈—水

檢測器：二極管陣列檢測器 檢測波長：227nm 流速0.8ml/min 進樣量：10ul

（三）測定方法（外標法峰面積標準曲線法）： 1．試樣前處理：

蟲草雞精口服液試樣→濃縮→定容→過柱（大孔吸附樹脂）→濃縮→過濾→供試樣液 2．測定方法：

（1）標準對照品溶液的配制與測定：精密稱取黃芪甲苷標準對照品適量，配制為濃度從低到高的一系列溶液C1……C5（5.0，10.0，20.0，40.0，50.0μg/mL）。在上述色譜條件下依次得到相應色譜流出曲線，并得到峰面積A1……A5。

（2）標準曲線的繪制：以峰面積A對濃度進行線性回歸，得線性回歸方程，即為標準曲線。

（3）樣品溶液測定：在標準曲線的線性范圍內，加載供試樣液，得到樣品色譜流出曲線，測量其中黃芪甲苷對應峰的峰面積。

將樣品黃芪甲苷峰的峰面積帶入線性回歸方程，利用標準曲線法即可算出樣品中的黃芪甲苷含量。

三．高效液相色譜法同時進行測定食品中安賽蜜、糖精、苯甲酸、山梨酸和咖啡因

食品添加劑若使用不當，添加過量，就會對人體產生毒副作用。

（一）原理：反相色譜法

（二）色譜條件：

固定相：C18柱

流動相：甲醇—檸檬酸銨 檢測器：Uv-vis檢測器 檢測波長215nm 流速1.0ml/min 進樣量20μL 柱溫40℃

（三）測定方法： 1．試樣前處理：

（1）乳狀液體樣品（果奶、冰淇淋等）：

試樣→沉淀蛋白質→過濾、脫氣→供試樣液

（2）澄清液體樣品（汽水、可樂等）：

試樣→脫氣→稀釋→過濾→供試樣液

（3）固狀樣品（肉制品、醬脆菜等）：

試樣→搗碎→加入溶劑→沉淀蛋白質→過濾、脫氣→供試樣液

2．測定方法（外標法峰高標準曲線法）：

（1）標準溶液配制：使用流動相配制安賽蜜、糖精鈉、苯甲酸、山梨酸、咖啡因標準溶液（1mg/mL），將各標準液按照安賽蜜、糖精鈉、苯甲酸、山梨酸、咖啡因比例依次為5.0、4.0、5.0、5.0、5.0μg/mL混合，得到混合標準溶液。將混合標準溶液用水稀釋成6個濃度C1……C6

（2）確定成分峰位置：首先用各自的標準溶液稀釋，在色譜條件下進行分析，定性確定每個峰對應的成分。

（3）標準曲線：在上述色譜條件下，6個濃度的混合標準溶液分別得到相應色譜流出曲線，并得到峰高h1……h6。以峰高h對含量進行線性回歸，得各種標準物質的線性回歸方程，即為標準曲線。

（4）樣品溶液測定：在標準曲線的線性范圍內，加載供試樣液，得到每種樣品的色譜流出曲線，測量其中添加劑對應峰的峰高。

將樣品添加劑相關峰的峰高帶入線性回歸方程，利用標準曲線法即可算出樣品中各種添加劑的含量。

四．反相高效液相色譜法測定巧克力中香蘭素

香蘭素是重要的食用香料之一，是食用調香劑，具有香莢蘭豆香氣及濃郁的奶香，是食品添加劑行業中不可缺少的重要原料，廣泛運用在各種需要增加奶香氣息的調香食品中，香蘭素是國家允許添加的食品添加劑，按國標添加不會對身體造成傷害。但大劑量食用可導致頭痛、惡心、嘔吐、呼吸困難，甚至損傷肝腎等。

（一）原理：反相色譜法

（二）色譜條件：

固定相：C18柱 流動相：甲醇—水 檢測器：Uv-vis檢測器 檢測波長：280nm 流速：1.0ml/min 進樣量：10μL 柱溫：35℃

（三）測定方法： 1．試樣前處理：

巧克力樣品→加水加溫溶解→定容→離心取上層清液→過濾→供試樣液

2．測定方法：

外標法峰面積標準曲線法定量

參見實驗二．高效液相色譜測定保健食品中的黃芪甲苷中的標準曲線測定方法

【小結】

1．樣品預處理：根據樣品狀態不同采用不同的預處理方法，再利用相似相溶粗提取要測的成分。2．分析實例中用的是反相色譜，其固定相為十八烷基硅烷鍵合硅膠，極性小于流動相（乙腈-水；乙腈-磷酸鹽；甲醇-水；甲醇-檸檬酸）。且分析的樣品都是弱極性、中等極性的樣品。3．含量測定：外標法（標準曲線法、峰面積法、峰高法）

【作業】

課后題 10。

第三篇：儀器分析教案

儀器分析教案：

遵義師范學院 敖克厚

一、儀器分析要求

儀器分析實驗是儀器分析課程的重要組成部分，通過實驗可使學生更好的理解和掌握理論教學中所介紹的各種分析儀器的原理，正確掌握各種常用儀器的結構及基本操作技能，針對不同的分析對象，會正確選擇適當的儀器分析方法，包括確定分析儀器﹑試劑﹑分析條件﹑分析步驟﹑獲得實驗數據及正確進行數據處理等。通過實驗可培養學生綜合應用各種儀器分析方法解決相應環境監測對象的能力。

二、實驗須知

1、實驗者應準備一本編有頁碼的實驗記錄本，不能使用單頁紙或活頁本。

2、寫預習報告： 實驗前，應充分預習實驗的方法和原理、實驗步驟、儀器使用等內容。在實驗記錄本上，擬訂好實驗的操作步驟，預先記錄實驗必要的常數及計算公式。還應事先劃好記錄數據的表格，以便有條理且不遺漏地記錄數據。

3、實驗應緊張有序地進行。實驗過程中應認真觀察思考，如實地記錄數據和實驗現象，忠實地、完整地記錄實驗過程、測量數據及有關資料。記錄的原始數據不得隨意涂改。如果需廢棄某些記錄的數據，則可在其上劃一道線。

4、還要始終保持實驗場所的清潔、整齊和安靜。每個學生都應遵守實驗室規則，養成良好的實驗習慣。藥品、試劑、電、水、氣體等都應節約使用，并重視實驗室安全。實驗室中的儀器不能隨意擺弄，以防損壞或發生其他事故。

5、實驗完成后，應及時寫出實驗報告。報告應包括：

①實驗題目、完成日期、姓名、合作者

②實驗目的、簡要原理、所用儀器、試劑及主要實驗步驟

③實驗數據及計算結果，實驗的討論

④原始實驗數據記錄 ⑤解答實驗思考題

報告中所列的實驗數據和結論，應組織得有條理，合乎邏輯，還應表達得簡明正確，并附上應有的圖表。

二、實驗數據及分析結果的表達

1.列表法

列表法表達數據，具有直觀、簡明的特點。實驗的原始數據一般均以此方法記錄。

列表需標明表名。表名應簡明，但又要完整地表達表中數據的含義。此外，還應說明獲得數據的有關條件。表格的縱列一般為實驗號，而橫列為測量因素。記錄數據應符合有效數字的規定，并使數字的小數點對齊，便于數據的比較分析。一般使用三線表法記錄數據。

一、列表法

列表法是以表格形式表示數據。其優點是列入的數據是原始數據，可以清晰地看出數據的過程，亦便于日后對計算結果進行檢查和復核；可以同時列出多個參數的設置，便于同 時考察多個變量之間的關系。當數據很多時，列表占用篇幅過大，顯得累贅。用列表法表示數據時，需要注意規范化：

(1)選擇適合的表格形式，在現在的科技文獻中，通常采用三線制表格，而不采用網格式表。

(2)簡明準確地標注表名，表名標注于表的上方。當表名不足以充分說明表中數據含義時，可以在表的下方加標注。

(3)表的第一行為表頭，表頭要清楚標明表內數據的名稱和單位。名稱盡量用符號表示。同一列數據單位相同時，將單位標注于該列數據的表頭，各數據后不再加寫單位。單位的寫法采用斜線制。

(4)在列數據時，特別是數據很多時，每隔一定量的數據留一空行。上下數據的相應位數要對齊，各數據要按照一定的順序排列。

2.圖解法

圖解法可以使測量數據間的關系表達得更為直觀。在許多測量儀器中使用記錄儀記錄獲得測量圖形，利用圖形可以直接地或間接求的分析結果。

⑴利用變量間的定量關系圖形求得未知物含量

定量分析中的標準曲線，就是將自變量濃度為橫坐標，應變量即各測定方法相應的物理量為縱坐標，繪制標準曲線。對于欲求的未知物濃度，可以由它測得的相應物理量值從標準曲線上查得。

⑵通過曲線外推法求值

分析化學測量中常用間接方法求測量值。如對未知試樣可以通過連續加入標準溶液，測得相應方法的物理量變化，用外推作圖法求得結果。

3求函數的極值或轉折點

○ 3 實驗常需要確定變量之間的極大、極小、轉折等，通過圖形表達后，可迅速求得其值。

如光譜吸收曲線中，峰值波長及它的摩爾吸光系數的求得；滴定分析中，通過滴定曲線上的轉折點求得滴定終點等。

⑷圖解微分法和圖解積分法

如利用圖解微分法來確定電位滴定的終點，在氣相色譜法中，利用圖解積分法求色譜峰面積。

3.作圖方法

作圖的方法和技術將影響圖解結果，現將標繪時的要點介紹如下：

⑴標繪工具及圖紙

繪圖工具主要有鉛筆（1H），透明直尺及曲尺，圓規等。

一般情況下，均選用直角坐標紙。如果一個坐標是測量值的對數，則可用單對數坐標紙，如直接電位法中，電位與濃度的曲線繪制。如果兩個坐標都是測量值的對數，則要用雙對數坐標紙。

⑵坐標標度的選擇

①以自變量為橫坐標，應變量為縱坐標。

②選擇合適的坐標標繪變量，使測量結果盡可能繪得一條直線，便于繪制和應用。

③繪出的直線或近乎直線的曲線，應使它安置在接近坐標的45角。

④標的標度。第一，應使測量值在坐標上的位置方便易讀。如坐標軸上各線間距表示數量1、2、4或5是適宜的，但應避免使用3、6、7或9等數字。第二，應能表達全部有效數字，圖上讀出各物理量的精密度應與測量的精密度一致。第三，坐標的起始點不一定是零。可用低于最低測量值的某一整數作起點，高于最高測量值的某一整數作終點，以充分利用坐標紙，但各個測量值的坐標精密度不超過1-2個最小分度。

⑶圖紙的標繪

①各坐標軸應標明該軸的變量名稱及單位，并在縱軸的 左面及橫軸的下面，每隔一定距離標明變量的數值，即分度值，但不要將實驗數據寫在軸旁。標記分度值的有效數字一般應與測量數據相同。

②標繪數據時，可用符號代表點，如用“⊙”，其中心點代表測得的數據值，圓點的大小應與測量的精密度相當。若在一張圖紙上繪幾條曲線，則每組數據應選用不同的符號代表，如+、×、等，但在一張圖紙上不宜標繪過多。當兩個變量的精密度相差較大時，代表點可用矩形符號或變相矩形符號。

③會線時，如果兩個量成線性關系，按點的分布情況作一直線，所繪的直線應與各點接近，但不必通過所有點，因為直線表示代表點的平均變動情況。在繪制曲線時，也應按此原則。如果毫無理由的將個別點遠離曲線，這樣所繪的曲線是不正確的，一般講，曲線上不應有突然彎曲和不連續的地方，但如果這種情況確實超出了測量值的誤差范圍，則不能忽視。如光譜吸收曲線上的突然彎曲顯示了峰肩的存在。

曲線的具體繪法，先用淡鉛筆手繪一條曲線，再用曲線板依曲線逐段湊合描光滑，并注意各段描線的銜接，使整條曲線連續。⑷圖名和說明

繪好圖后應注上圖名，測量的主要條件，最后標寫姓名、日期。

4.分析結果的數值表示

報告分析結果時，必須給出多次分析結果的平均值以及它的精密度。注意數值所表示的準確度與測量工具、分析 方法的精密度相一致。報告的數據應遵守有效數字規則。

重復測量試樣，平均值應報告出有效數字的可疑數。例：三次重復測量結果為11.32、11.35、11.32，內中11.3為確定數，第四位為可疑數，其平均值應報告11.33。若三次結果為11.42、11.35、11.22，則小數點后一位就為可疑數，其平均值應報11.3。

當測量值遵守正態分布規律時，其平均值為最可信賴值和最佳值，它的精密度優于個別測量值，故在計算不少于四個測量值的平均值時，平均值的有效數字位數可增加一位。

一項測定完成后，僅報告平均值是不夠的，還應報告這一平均值的偏差。在多數場合下，偏差值只取一位有效數字。只有在多次測量時，取兩位有效數字，且最多只能取兩位。然后用置信區間來表達平均值的可靠性更可取。

二、儀器分析實驗中的數據處理知識：

1、曲線擬合

在儀器分析中，絕大多數情況下都是相對測量，需用校正曲線進行定量建立校正曲線，就是基于使偏差平方和達到極小的最小二乘法原理，回歸分析： 因變量：儀器響應值，自變量：被測定樣品的已知值。

原理：最小二乘法，對若干個對應的數據（x1,y1），（x2,y2），（xn,yn），用函數進行擬合。從作圖的角度說，就是根據平面上一組離散點，選擇適當的連續曲線近似地擬合這一組離散點，以盡可能完善到表示儀器響應值和被測定量的之間的關系。這種基于最小二乘法原理研究因變量與自變量之間的相關關系的方法，稱為回歸分析。

用回歸分析建立儀器分析校正曲線，因變量是儀器響應值，是具有概率分布的隨機變量，自變量是被測定量（濃度），為無概率分布的固定變量。所建立的校正曲線，描述了因變量與自變量之間的相關關系，并可根據各自變量的取值對因變量進行預報和控制。

b?n ?xiyi??xi?yi

n?xi2???xi?2a ?y?bx相關系數

用最小二乘法原理擬合回歸方程，其斜率和截距分別為：所擬合的回歸方程及建立的曲線在統計上是否有意義，可用相關系數進行檢驗。相關系數r是表征變量之間相關 7 程度的一個參數，若γ大于相關系數表中的臨界值r0.05，f，表示所建立的回歸方程和回歸線是有意義的；反之，γ若小于r0.05，f，則表示所建立的回歸方程和回歸線沒有意義。r的絕對值在0至1的范圍內變動，r值越大，表示變量之間相關的程度越密切。當y隨x增大而增大，稱為y與x為正相關，為正值；當y隨x增大而減少，稱y與x為負相關，r為負值。

表1

相關系數表臨界值r0.05，f

r?n?xy??x?y??x?x??y?y? ??n?y???y???n?x???x??????x?xy?y??iiiiii22ii2i2i2i2i 8

第四篇：儀器分析緒論教案

第一章 緒論

一.教學內容 1． 2． 3． 儀器分析的產生與發展概況 儀器分析的分類與特點 儀器分析的發展趨勢

二．重點與難點

1.儀器分析與化學分析的聯系和區別 2.儀器分析的分類依據與各類特點 3.儀器分析的發展趨勢 三．學時安排學時

一、課程簡介

儀器分析法是以測量物質的物理性質為基礎的分析方法。這類方法通常需要使用較特殊的儀器，故得名“儀器分析”。隨著科學技術的發展，分析化學在方法和實驗技術方面都發生了深刻的變化，特別是新的儀器分析方法不斷出現，且其應用日益廣泛，從而使儀器分析在分析化學中所占的比重不斷增長，并成為化學工作者所必需掌握的基礎知識和基本技能。

儀器分析是化學類專業必修的基礎課之一。通過本課程的學習

1.要求學生掌握常用儀器分析方法的原理 和儀器的簡單結構； 2.要求學生初步具有根據分析的目的，結合學到的各種儀器分析方法的特點、應用范圍，選擇適宜的分析方法的能力。分析化學—化學分析、儀器分析

分析化學是研究物質的組成、狀態和結構的科學，它包括化學分析和儀器分析兩大部分。

化學分析是指利用化學反應和它的計量關系來確定被測物質的組成和含量的一類分析方法。測定時需使用化學試劑、天平和一些玻璃器皿。

儀器分析是以物質的物理和物理化學性質為基礎建立起來的一種分析方法，測定時，常常需要使用比較復雜的儀器。

儀器分析的產生為分析化學帶來革命性的變化，儀器分析是分析化學的發展方向。

儀器分析的特點（與化學分析比較）

1.靈敏度高，檢出限量可降低。如樣品用量由化學分析的mL、mg級降低到儀器分析的?g、?L級，甚至更低。適合于微量、痕量和超痕量成分的測定。

2.選擇性好。很多的儀器分析方法可以通過選擇或調整測定的條件，使共存的組分測定時，相互間不產生干擾。3.操作簡便，分析速度快，容易實現自動化。儀器分析的特點（與化學分析比較）

4.相對誤差較大。化學分析一般可用于常量和高含量成分分析，準確度較高，誤差小于千分之幾。多數儀器分析相對誤差較大，一般為5%，不適用于常量和高含量成分分析。5.需要價格比較昂貴的專用儀器。

儀器分析與化學分析的區別不是絕對的，儀器分析是在化學分析基礎上的發展。

不少儀器分析方法的原理，涉及到有關化學分析的基本理論；不少儀器分析方法，還必須與試樣處理、分離及掩蔽等化學分析手段相結合，才能完成 分析的全過程。

儀器分析有時還需要采用化學富集的方法提高靈敏度； 有些儀器分析方法，如分光光度分析法，由于涉及大量的有機試劑和配合物化學等理論，所以在不少書籍中，把它列入化學分析。應該指出，儀器分析本身不是一門獨立的學科，而是多種儀器方法的組合。可是這些儀器方法在化學學科中極其重要。它們已不單純地應用于分析的目的，而是廣泛地應用于研究和解決各種化學理論和實際問題。因此，將它們稱為 “化學分析中的儀器方法 ”更為確切。

二、儀器分析方法的分類

三、發展中的儀器分析

1.20世紀40~50年代興起的材料科學，60 ~70年代發展起來的環 3 境科學都促進了分析化學學科的發展。80年代以來，生命科學的發展也促進分析化學一次巨大的發展。儀器分析是分析化學的重要組成部分，也隨之不斷發展，不斷地更新自己，為科學技術提供更準確、更靈敏、專

一、快速、簡便的分析方法。

2.如生命科學研究的進展，需要對多肽、蛋白質、核酸等生物大分子進行分析，對生物藥物分析，對超微量生物活性物質，如單個細胞內神經傳遞物質的分析以及對生物活體進行分析。

3.信息時代的到來，給儀器分析帶來了新的發展。信息科學主要是信息的采集和處理。

4.計算機與分析儀器的結合，出現了分析儀器的智能化，加快了數據處理的速度。它使許多以往難以完成的任務，如實驗室的自動化，圖譜的快速檢索，復雜的數學統計可輕而易舉得于完成。信息的采集和變換主要依賴于各類的傳感器。這又帶動儀器分析中傳感器的發展，出現了光導纖維的化學傳感器和各種生物傳感器。5.聯用分析技術已成為當前儀器分析的重要發展方向。將幾種方法結合起來，特別是分離方法（如色譜法）和檢測方法（紅外光譜法、質譜法、核磁共振波譜法、原子吸收光譜法等）的結合，匯集了各自的優點，彌補了各自的不足，可以更好地完成試樣的分析任務。

聯用分析技術：

1.氣相色譜—質譜法（GC—MS）

2.氣相色譜—質譜法—質譜法（GC—MS—MS）

3.氣相色譜—原子發射光譜法（GC—AED）

4.液相色譜—質譜法（HPLC—MS）

四、儀器分析方法的優點是：

1.操作簡便而快速，對于含量很低（如質量分數為 10-8 或 10-9

數量級）的組分，則更具獨特之處。

2.被測組分的濃度變化或物理性質變化能轉變成某種電學參數（如 電阻﹑電導 ﹑電位 ﹑ 電容﹑電流等），故易于實現自動化和連 接電子計算機。因此，儀器分析具有簡便 ﹑ 快速﹑靈敏﹑易于實 現自動化等特點。對于結構分析，儀器分析法 也是極為重要和必 不可少的工具。生產的發展和科學的進步，不僅對分析化學在提 高準確度 ﹑靈敏度和分析速度等方面提出更高的要求，而且還不 斷提出更多的新、課題。一個重要的方面是要求分析化學能提供更 多﹑更復雜的信息。

課時分配

光學分析法（33學時）

1.緒論（1學時）；

2.光學分析法導論（2學時）3.原子發射光譜法（5學時）

4.原子吸收光譜法和原子熒光光譜法（6學時）5.紫外—可見分光光度法（5學時）6.紅外光譜法（3學時）

7.分子發光分析法（5學時）

8.核磁共振波譜法（3學時）

9.質譜法（3學時）電學分析法（17學時）

1.電分析化學導論（3學時）

2.電位分析法（4學時）

3.電解和庫侖分析法（4學時）

4.伏安和極譜分析法（6學時）色譜分析法（14學時）

1.色譜分析導論（4學時）

2.氣相色譜法（5學時）

3.液相色譜法（5學時）

*其他儀器分析方法簡介：（2學時）

參考書

儀器分析

（武漢大學）（教材）

儀器分析教程

北京大學化學系

儀器分析教學組（主要參考書）

分析化學（儀器分析部分）儀器分析原理

方惠群等 參考書（學術期刊）國內

1.分析化學

2.高等學校化學學報

3.光譜學與光譜分析 國外

1.Analytical

Chemistry

2.Analyst

林樹昌等

（北京師范大學）（南京大學）6

第五篇：儀器分析課程教案

第十二章 電解分析法和庫侖分析法

一、基本要點：

1.熟悉法拉第電解定律；

2.掌握控制電位電解的基本原理； 3.理解控制電位庫侖分析方法；

4.掌握恒電流庫侖滴定的方法原理及應用。

二、學時安排：4學時

電解分析法包括兩方面的內容：

1．利用外加電源電解試液后，直接稱量在電極上析出的被測物質的重（質）量來進行分析，稱為電重量分析法。2．將電解的方法用于元素的分離，稱為電解分離法。

庫倫分析法是利用外加電源電解試液，測量電解完全時所消耗的電量，并根據所消耗的電量來測量被測物質的含量。

第一節 電解分析的基本原理

一、電解現象

電解是一個借外部電源的作用來實現化學反應向著非自發方 向進行的過程。電解池的陰極為負極，它與外界電源的負極相連；陽極為正極，它與外界電源的

正極相連。

例如：在CuSO4溶液侵入兩個鉑電極，通過導線分別與電池的正極和負極相聯。如果兩極之間有足夠的電壓，那末在兩

電極上就有電極反應發生。

陽極上有氧氣放出，陰極上有金屬銅析出。通過稱量電極上析

出金屬銅的重量來進行分析，這就是電重量法。

二、.分解電壓與超電壓

分解電壓可以定義為:被電解的物質在兩電極上產生迅速 的和連續不斷的電極反應時所需的最小的外加電壓。從理論上 講，對于可逆過程來說，分解電壓在數值上等于它本身所構成的 原電池的電動勢，這個電動勢稱為反電動勢。反電動勢與分解電 壓數值相等，符號相反。反電動勢阻止電解作用的進行，只有當 外加電壓達到能克服此反電動勢時，電解才能進行。實際分解電 壓并不等于（而是大于）反電動勢，這首先是由于存在超電壓之 故。

超電位（以符號η來表示）是指使電解已十分顯著的速度 進行時，外加電壓超過可逆電池電動勢的值。超電壓包括陽極超 電位和陰極超電位。對于電極來說，實際電位與它的可逆

電位之間的偏差稱為超電位。在電解分析中，超電位是電 化學極化和濃差極化引起的，前者與電極過程的不可逆性有關。后者與離子到達電極表面的速度有關。超電位是電極極化的度

量。超電位的大小與很多因素有關，主要有以下幾方面： 1．電極的種類及其表面狀態； 2．析出物的形態； 3．電流 密度； 4．溫度； 5．機械攪拌。

三、電解方程式

在電解過程中，外加電壓(V),反電動勢(E反)，電解電流(i)及電解池內阻(R)之間的關系可表示如下：

電解方程式是電化學分析法的基本定律之一。通過（1）可以計算出溶液電解所需的合理外加電壓，以硫酸銅溶液為例，該電解池所需的外加電壓為：

V = E反 + η+ iR = 0.91+0.72+0.05 =1.68V

四、兩種電解過程

能斯特方程式有兩方面的含義：

1．對于一定的氧化還原體系（即與還原態活度的比率決定電極電位。2．對于一定的氧化還原體系（即極表面氧化態與還原態活度的比率。

究竟哪一個起主導作用，這要看具體的電解過程。電解過 程有兩種：控制電流電解過程和控制電位電解過程。在控制電流 電解過程中，外加電壓一般較大，保證電極上總有化學反應不斷 發生，電流強度基本保持不變。在控制電位電解過程中，調節 外加電壓，工作電極的電位控制在某一定數值或某一小范圍內，使被測離子在電極上析出，其它離子留在溶液中。第二節 電解分析法

一、.控制電流電解分析法 1．儀器裝置

2．控制電流電解過程中的電位—時間曲線

電解過程中陰極電位與時間的關系曲線如圖所示。

一定），電極表面氧化態

一定），電極電位決定電

電解一開始，陰極電位立即從較正的電位向負的方向變化，到電位達到的還原電位時，陰極電位符合能斯特方程式:

3．應用

用控制電流電解分析法測定的常見元素

控制電流電解法一般只適用于溶液中只含一種金屬離子的情況。如果溶液中存在兩種或兩種以上的金屬離子，且其還原電位相差不大，就不能用該法分離測定，所以選擇性不高是該法的最大缺點。但這種方法可以分離電動序中氫以前和氫以后的金屬。

二、控制陰極電位電解分析法

在控制陰極電位電解分析法中，調節外加電壓是工作電極的電位控制在一定范圍內或某一電位值，使被測離子在工作電極上析出，而其它離子還留在溶液中，從而達到分離和測定元素的目的。

1．裝置2．陰極電位的選擇

需要控制的電位值，通常是通過比較在分析實驗條件下共存 離子的i-E曲線而確定的。從圖中可以看出，要使甲離子還原，陰極電位須負于a，但要防止乙離子析出，陰極電位又須正與b，因此，陰極電位控制在a與b之間就可使甲離子定量析出而乙離 子仍留在溶液中。

3．控制電位電解過程中電流與時間的關系

在控制電位電解過程中，由于被測金屬離子在陰極上不斷還 原析出，所以電流隨時間的增長而減小，最后達到恒定的最小值。由曲線圖可知，電解電流隨時間的增長以負指數關系衰減。陰極 電位雖然不變，但外加電壓卻隨時間下降。因此，在控制陰極電 位電解過程中，需要不斷的降低外加電壓，同時電解電流也隨時 間而逐漸減小。當電流趨于零時，說明電解已經完全。4．應用

控制陰極電位電解法的最大特點是它的選擇性好，所以它的 用途較控制電流電解法廣泛。只要陰極電位選擇得當，可以使共 存金屬離子依次先后在陰極上分別析出，實現分離或分別定量測 定。

第三節 電重量分析的實驗條件 一．影響金屬析出性質的因素 1．電流密度的影響 2．攪拌和加熱的影響 3．酸度的影響

4．絡合劑的影響

二、陰極干擾反應及其消除方法 溶解氧或氯的影響 陽極上的再氧化 Pt 陽極的溶解

第四節 庫侖分析法基礎

一、法拉第定律 法拉第定律包括兩方面內容：

1．電流通過電解質溶液時，物質在電極上析出的質量與通過電解池的電量成正比，即與電流密度和通過電流的時間的乘積成正比。這是法拉第第一定律。

m ∝ Q

m ∝ i.t;Q = i.t

2．相同的電量通過各種不同的電解質溶液時，在電極上所獲得的各種產物的質量與它們的摩爾質量成正比。這是法拉第第二定律。合并法拉第第一，第二定律可以得到

m = MB.i.t /F

式中，MB為電解產物的摩爾質量。MB /F 相當于通過1庫倫電量使物質在電極上析出的質量。

二、電流效率

由法拉第電解定律可知，當物質以100%的電流效率進行電解反應時，那麼就可以通過測量進行電解反應所消耗的電量(庫倫數)，求得電極上起反應的物質的量。所謂100%的電流效率，指電解時電極上只發生主反應，不發生副反應。影響電流效率的主要因素有：

溶劑的電極反應。

電解質中的雜質在電極上的反應

溶液中可溶性氣體的電極反應

電極自身的反應

（5）電解產物的再反應

第五節 控制電位庫侖分析法

原理和裝置

控制電位庫侖分析用控制電極電位的方法進行電解，并用庫侖計或作圖法來測定電解時所消耗的電量，由此計算出電極上起反應的被測物質的量。

測量電量的方法：

庫侖計——氫氧氣體庫侖計的構造

它由一支帶有活塞和兩個鉑電極的玻管同一支刻度管相連接，管中充以0.5mol/LK2SO4溶液。當有電流流過時，鉑陰極上析出氫氣，鉑陽極上析出氧氣，從右邊管中電解前后液面差就可讀出氫氧氣體的總體積。在標準狀況下，每庫侖電量析出0.1739mL氫氧混合氣體。根據法拉第定律，即可得到被測物質的量。

第六節 控制電流庫侖分析法

一、基本原理和裝置

1．.控制電流庫侖分析基本原理

廣義上說，控制電流庫侖分析是指以恒定電流進行電解，測量電解完全時所消耗的時間，再由法拉第定律計算分析結果的分析方法。它可按下述兩種類型進行：

(1)被測定物質直接在電極上起反應；

(2)在試液中加入大量物質，使此物質經電解反應后產生一種試劑，然后此試劑與被測物起反應。一般都按第二種類型進行。這種方法是在試液中加入適當的輔助劑后，以一定強度的恒定電流進行電解，由電極反應產生一種“滴定劑”。該滴定劑與被測物質發生定量反應。當被測物質作用完后，用適當的方法指示終點 8 并立即停止電解。由電解進行的時間t(s)及電流強度I(A)，可按法拉第定律計算被測物的量 2．儀器裝置

二、指示終點的方法 1．.化學指示劑法

普通容量分析中所用的化學指示劑，均可用于庫侖滴定法

中。例如，肼的測定，電解液中有肼和大量KBr，加入MO為指示劑，電極反應為：

電極上產生的Br2與溶液中的肼起反應：

NH2-NH2 + 2Br2 = N2 + 4HBr 過量的Br2使指示劑退色，指示終點，停止電解。2．電位法

利用庫侖滴定法測定溶液中酸的濃度時，用玻璃電極和甘汞電極為檢測終點電極，用pH計指示終點。此時用Pt電極為工作電極，銀陽極為輔助電極。電極上的反應為：

由工作電極發生的反應使溶液中OH-產生了富余，作為滴定劑，使溶液中的酸度發生變化，用pH計上pH的突躍指示終點。

3．死停終點法

通常是在指示終點用的兩只鉑電極上加一小的恒電壓，當達到終點時，由于試液中存在一對可逆電對（或原來一對可逆電對消失），此時鉑指示電極的電流迅速發生變化，則表示終點到達。

三、庫侖滴定的應用及特點

凡是與電解所產生的試劑能迅速而定量地反應的任何物質，均可用庫侖滴定法測定。

表：庫侖滴定應用實例

庫侖滴定具有下列特點：

（1）不需要基準物質。

（2）不需要標準溶液。

（3）靈敏度高，適于微量和痕量分析。

（4）易于實現自動化和數字化，便于遙控分析。