仪器分析实验讲义.docx

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仪器分析实验讲义

2013年3月

实验目录

实验1ICP-AES法测定不同茶叶水中的微量金属元素1

实验2火焰原子吸收法测定自来水中钙、镁硬度9

实验3氨基酸类物质的紫外光谱分析和定量测定16

实验4紫外-可见分光光度法测定鸡蛋中蛋白质的含量19

实验5氨基酸类物质的荧光光谱分析20

实验6荧光素的最大激发波长和最大发射波长的测定23

实验7有机化合物的红外光谱分析25

实验8聚合物的红外光谱分析27

实验9根据1HNMR推出有机化合物C9H10O2的分子结构式28

实验10利用13CNMR鉴定邻苯二甲酸二乙酯31

实验11X射线衍射物相分析36

实验12X射线衍射物质结构分析39

实验13气相色谱法分离测定奶茶中胆固醇41

实验14气相色谱法测定白酒中的杂醇43

实验15气质联用选择离子扫描法测定饮料中的塑化剂46

实验16液相色谱仪分离测定奶茶、可乐中咖啡因49

实验17高效液相色谱法分析芳香类化合物50

实验18毛细管电泳仪分离测定雪碧、芬达中苯甲酸钠52

实验19氟离子选择电极测定天然水中氟离子含量55

实验20循环伏安法测定电极反应参数59

实验21聚苯胺的电化学法制备及降解特性研究61

实验22差热与热重分析研究CuSO4•5H20的脱水过程63

实验23热重法测定草酸盐混合物中的金属离子含量67

实验24差示扫描量热法测量聚合物的热性能70

附录1：

核磁波谱常用数据表71

附录2：

TIC/SIM仪器参数（参考）74

实验1ICP-AES法测定不同茶叶水中的微量金属元素

一、实验目的

（1）掌握电感耦合等离子体发射光谱分析的基本原理。

（2）初步掌握顺序光电扫描光谱仪的使用方法。

（3）测试不同品种茶水中微量元素的含量，同时结合本实验的结果，去查阅有关资料，了解矿物质和微量元素是构成机体组织和维持正常生理功能所必需的无机物质。

二、实验原理

ICP-AES法由于具有灵敏度高、精确度高、稳定性好、线性范围宽、基体效应小、分析速度快以及多元素同时测定等优点。

用ICP-AES法能够方便、快速、准确地测定茶叶水中微量元素。

图1ICP-AES原理图

ICP光谱仪是一种以电感耦合高频等离子体为光源的原子发射光谱装置。

由高频等离子体发生器、等离子炬管、进样系统、光谱分光系统、检测器和数据处理系统组成,结构原理图见图1。

高频等离子体发生器向耦合线圈提供高频能量，等离子炬管置于耦合线圈中心，内通冷却气、辅助气和载气，在炬管中产生高频电磁场。

用微电火花引燃，让部分氩气电离，产生电子和离子。

电子在高频电磁场中获得高能量，通过碰撞把能量转移给氩原子，使之进一步电离，产生更多的电子和离子。

当该过程象雪崩一样进行时，导电气体受高频电磁场作用，形成一个与耦合线圈同心的涡流区。

强大的电流产生的高热把气体加热，从而形成火炬形状的可以自持的等离子体。

试样由蠕动泵定量提取，经载气带入雾化系统进行雾化，以气溶胶形式进入等离子体炬管中心通道，在高温和惰性氩气气氛中，气溶胶微粒被充分蒸发、原子化、激发和电离。

被激发的原子和离子发射出很强的原子谱线和离子谱线。

光谱分光系统将各被测元素发射的特征谱线分光，经光电检测器由数据处理系统对实验数据进行处理打印输出。

本实验用不同品种的茶叶样品做水泡溶出分析,采用直接水煮溶出方法,对不同品种茶叶中钙、镁、锰、锌、铁、铝元素进行ICP-AES法的定量分析测定。

三、仪器与试剂

ICP发射光谱仪型号：

美国PE公司Optima7000DV

空气压缩泵，抽虑泵，布氏漏斗，移液管，容量瓶，

纯氩（99.99%），分析纯HCl、HNO3，，钙、镁、锰、锌、铁、铝标准储备液浓度均为1000mg/Ｌ，实验用水均为去离子水。

茶叶样品为：

普通绿茶，普通红茶。

四、实验步骤

1．标准系列溶液配制：

用浓度均为1000ｍｇ/Ｌ各元素标准储备液配制标准系列溶液。

标准系列溶液的浓度见表1，由于标准系列配制时溶液的浓度跨度较大，为了准确配制标准系列溶液，必须用二次稀释法，方法如下：

分别从Fe、Zn的标准储备液中取0.1mL，移入25mL“混合-1”标签容量瓶中；

从Mn的标准储备液中取1.0mL，移入25mL“混合-1”标签容量瓶中；

从Al的标准储备液中取2.0mL，移入25mL“混合-1”标签容量瓶中，然后定容。

再从“混合-1”中分别取1.0mL，3.0mL，5.0mL，移入50mL分别标有“1#”，“2#”，“3#”标签的容量瓶中。

从Ca的标准储备液中分别取0.1mL，0.3mL，0.5mL，移入标有“1#”，“2#”，“3#”标签的容量瓶中。

从Mg的标准储备液中分别取0.1mL，0.5mL，1.0mL，移入标有“1#”，“2#”，“3#”标签的容量瓶中。

然后全部加去离子水定容，空白标液即去离子水。

元素

波长nm

空白标样mg/L

1＃标样mg/L

2＃标样mg/L

3＃标样mg/L

317.93

2.0

6.0

285.21

2.0

257.61

0.8

2.4

4.0

206.20

0.08

0.24

0.4

238.20

0.08

0.24

0.4

396.15

1.6

4.8

8.0

表1各被测元素标准系列

2.试样处理

在台称上称取1.0克茶叶放入100mL的烧杯中，加50mL去离子水。

把此烧杯放在电炉上加热至水煮沸，再将电炉的温度调到略小些保持烧杯中的水微沸，保持2分钟，目的使茶叶中的金属离子尽可能多地溶解到水溶液中。

置好布氏漏斗和抽滤装置，将煮好的茶叶水过滤，滤液移到50mL的容量瓶中定容。

3．仪器的操作和试样测试

（1）开机：

接通发射光谱仪电源，开循环冷却水装置电源，开排风，拧开氩气阀门（压力为0.8Mpa），接通空气压缩泵电源。

点击电脑桌面上仪器控制软件图标

，控制软件即运行并进入自检程序见图2，自检程序大约4分钟完成。

图2开机程序自检

（2）在控制软件中输入测试信息：

图3

控制软件工具栏

图4定义元素

首先建立测试方法，点击图3控制软件工具栏中的“建方法”见图4，定义元素目的

就是告诉仪器测试什么元素以及选择谱线波长。

点击图4中的“元素周期表”即见图5左边元素周期表，在元素周期表中选择测试元素，点击元素周期表中的“表格”即弹出图5右边的波长表，在波长表中列出该元素最强的几条谱线，选中某条谱线波长再点击“把所选波长编入方法”（一般选择“选择顺序”靠前的谱线）。

以此类推将所有待测元素的谱线波长都选中后见图6

图5元素周期表即波长表

图6选中待测元素的谱线波长

点击方法编辑器下边工具条见图7“校正”，见到图8定义标样，定义标样的目的就是

图7方法编辑器下边工具条

告诉仪器有几个校准空白（一般只是一个），几个校准标样（本实验是3个标样），在自动取样器位置下输入数字1按下键，识别码下对应自动显示“校准标样1”，以此类推输入2,3，自动显示出“校准标样2”“校准标样3”。

按方法编辑器右边竖条工具按钮中的“校准单位和浓度”见图9，从校准标样1到校准标样3按对应的元素逐个输入浓度值。

此时定义元素和定义浓度完成了，按图3控制软件工具栏“文件”→“保存”→“方法”，输入文件名（一般以日期为文件名）。

图8定义标样

图9校准单位和浓度

输入试样信息：

按图3控制软件工具栏中的“试样信息”按钮见图10，在试样识别码栏下输入试样代码。

按图3控制软件工具栏“文件”→“保存”→“试样信息文件”输入文件名（一般为日期名）。

到此，所有要测试的信息都输入完成了。

图10试样信息编辑器

按图3控制软件工具栏“工作区”按钮，弹出“打开工作区域文件”选中“ICP”文件，按“打开”见图11ICP控制软件工作区域。

见图11ICP控制软件工作区域

（3）点火：

按图11中等离子体控制中

“打开”按钮，点火！

45秒倒计时后等离子体火焰点着。

10秒后进样系统中的蠕动泵运行，仪器已经进入测试工作状态。

图12手工分析控制

（4）测试分析：

分三步进行见图12，先测分析空白，一般分析空白就是配标样的去离子水溶液，将进样毛细管插入空白溶液中，点击“分析空白”按钮，当取样进度条走完表示测试结束。

接着测试校准标样，将毛细管插入标样1中，点击“分析标样”按钮，方法同前，直到标样3测试结束。

在标样的测试过程中光谱显示窗口中显示各元素的光谱强度峰，同时在校准曲线窗口中显示各元素的标准工作曲线。

最后测试试样，点击“分析试样”，方法同前，直到最后试样测试结束，在试样测试过程中结果窗口中自动显示试样的测试值。

五、实验数据

（1）记录仪器型号：

（2）记录仪器工作参数：

表2.仪器工作参数

等离子体流量

辅助气流量

雾化器流量

射频功率

进样量

L/min

Ml/min

（3）实验报告要求：

将各元素所测得平均强度值用自己的软件分别作出工作曲线，利用各元素工作曲线计算出茶叶样品中各元素的浓度，并计算出每克茶叶中各元素的含量（mg/g）,实验数据填入表3中。

表3各种茶叶水中微量金属元素测量值及仪器精密度

元素

分析线波长nm

茶叶样1（mg/L）

RSD％

茶叶样1元素含量（mg/g）

茶叶样2（mg/L）

RSD％

茶叶样2元素含量（mg/g）

…

六、思考题

（1）谈谈ICP光谱的特点。

（2）选择元素分析线的基本原则是什么？

（3）查阅有关微量元素与健康关系的资料，根据实验所测得不同茶叶中各元素的含量，

你认为喝什么茶叶比较好。

（4）通过本实验你学到了什么？

七、注意事项

（1）仪器在正常工作状态切不可打开等离子体观察窗的门。

（2）实验中经常观察等离子体各项工作参数是否有变化。

尤其注意氩气的剩余量。

（3）测试完毕后，进样系统要用去离子水冲洗5min后再关机，以免试样沉积在雾化器口及石英炬管口。

实验2火焰原子吸收法测定自来水中钙、镁硬度

一、实验目的

通过用火焰原子吸收法测定自来水中的钙、镁硬度，熟悉火焰原子吸收分光光度法的基本原理．了解仪器的基本结构和使用方法。

初步了解原子吸收测定中存在的干扰类型及消除方法。

掌握基本化学操作。

二、实验原理

图1火焰原子吸收分析原理图

原子吸收定律:

仪器光源辐射出待测元素的特征谱线（强度为I0）,经火焰原子化区被待测元素基态原子所吸收,透过光强（I）符合Lanber-Beer定律:

I=I0e-Kl

式中,K为频率为时原子蒸气的吸收系数,l为原子蒸气的厚度,根据经典的爱因斯坦理论,吸收系数的积分与基态原子数目有如下关系:

式中,e为电荷,m为电子质量,c为光速,f为振子强度,对某元素指定的谱线,

为常数,因此积分吸收与基态原子的浓度成正比,这是原子吸收分析中基本的定量关系。

但是由于原子吸收线半宽为0.001-0.005nm,非常窄,进行波长扫描来求出积分吸收是困难的。

因此在实际应用中,采用锐线光源,测定吸收线中心波长位置的吸收系数K0（峰值吸收系数）,由于原子吸收测量的温度不太高,峰值吸收与产生吸收的原子数N也存在线性关系:

A=log（I0/I）=KlN

在一定条件下,吸收值和试样中待测成份的浓度C成正比:

A=KlC

上式就是进行原子吸收定量分析的基础。

火焰原子化过程:

　原子吸收测量的是火焰中的基态原子数,因此必须将试样中的待测成份进行原子化,使其成为基态原子。

溶液在火焰中一般经历四个阶段:

雾化－形成直径小于10m的气溶胶。

雾化效率与试液的粘度,密度和表面张力有关。

原子吸收分析的雾化效率为5-15%。

蒸发－气溶胶雾滴与燃气、助燃气混合后,进入火焰,雾滴脱去溶剂,形成气溶胶。

熔化和解离－雾粒在火焰中熔化和汽化,进而解离或还原为基态原子。

Zn,Cd,Ag,Na等的元素氧化物熔点较低,易于原子化,测定灵敏度高;Ti,Zr,Hf,B,Al,V,Mo等元素氧化物的熔点很高,需使用高温火焰才能将其熔化和解离为基态原子。

激发和电离－在一定温度下,部分基态原子的外层价电子跃迁到较高能态或电离,使基态原子的数目减少。

当火焰温度T<3000K,该影响很小,一般可忽略。

火焰原子吸收法测定钙、镁的灵敏度较高。

钙为0.05μg/mL,镁为0.005μg/mL。

共存的铝、钛、铁、硅酸根、硫酸根对测定有负干扰。

采用释放剂氯化锶或氯化镧可消除干扰。

钾、钠对测定有正干扰。

水的硬度是水的一种性质。

一般用钙、镁离子的总浓度表示。

三、仪器和试剂

原子吸收光谱仪型号：

美国PE公司AA800

乙炔气体，空气压缩泵

分析纯HCl、HNO3，，钙、镁、标准储备液浓度均为1000ｍｇ/Ｌ，20%氯化锶，移液管，容量瓶，实验用水均为去离子水。

四、实验步骤

1．工作曲线标准溶液的配制

按以下列表配制各种溶液。

表1镁标准溶液配制（溶液总体积50mL）

Mg标准溶液

Mg标1#

Mg标2#

Mg标3#

Mg标4#

Mg标5#

20%SrCl2

1.0mL

10mg/LMg标液

0mL

0.5mL

1.0mL

1.5mL

2.0mL

稀释后标液浓度mg/L

0.1

0.2

0.3

0.4

表2钙标准溶液配制（溶液总体积50mL）

Ca标准溶液

Ca标1#

Ca标2#

Ca标3#

Ca标4#

Ca标5#

20%SrCl2

1.0mL

100mg/LCa标液

0mL

0.5mL

1.0mL

2.0mL

4.0mL

稀释后标液浓度mg/L

1.0

2.0

4.0

8.0

表3铝干扰及消除（溶液总体积25mL）

Mg干1#

Mg干2#

Mg干3#

Mg干4#

10mg/LMg标液

0.5mL

100mg/LAl标液

2.0mL

20%SrCl2

0.5mL

表4自来水样品测试和Ca的回收实验（溶液总体积25mL）

测Mg1

测Mg2

测Ca1

测Ca2

Ca回1

Ca回2

20%SrCl2

1.0mL

自来水

1.0mL

4.0mL

100mg/LCa标液

2.0mL

2.仪器的自检与初始化

打开AAnalyst800原子吸收仪的主机电源开关,从计算机桌面启动仪器

的工作程序。

仪器开始对数据通讯、燃烧头的垂直和水平位置、波长扫描机构、狭缝机构进行自

检和初始化。

自检完成后,显示主菜单和工具栏见图2。

图2仪器自检完成

3.灯的设置

点击工具栏

按钮,即弹出下图3，点击被测元素的灯，仪器会自动进行一系列的

图3灯的设置

设置，灯自动设置完成后显示吸收能量值，灯设置完成退出。

4.编辑方法

点击工具栏“文件”→“新建”→“方法”按钮,弹出下图4。

图4新建方法

新建方法中的开始条件，在下拉菜单中选中待测元素符号，点“推荐值”，按“确定”。

即弹出下图5

图5方法编辑

在定义元素选项中，元素，波长，狭缝，信号的类型和测量都已经自动设定，点击方法编辑器下端“校准”见下图6中右竖条，点“标样浓度”选项。

图6方法编辑器

在“识别码”下输入校正空白编码号及标准溶液编号，在“浓度”下输入对应标准溶液的浓度值。

点击工具栏“文件”→“保存”→“方法”，在弹出的“方法另存为的名称中，一般用日期加元素符号作为文件名保存。

点击工具栏“文件”→“新建”→“试样信息文件”，弹出下图7。

图7试样信息编辑器

在“试样识别码”下输入试样编号。

点击工具栏“文件”→“保存”→“试样信息文件”，在弹出的“试样信息文件另存为”文件名时同样用日期加元素符号作为文件名保存。

5.打开工作区

点工具栏中

，在弹出的打开工作区域文件中，选“火焰.”文件名，即弹出下图：

开启排风，开启空压机,使其输出压力为0.6MPa。

打开钢瓶装乙炔,使其出囗压力为0.1MPa。

按火焰控制器中

开关按钮，几秒钟后仪器自动点火。

6.测试条件选择

⑴在喷入同一浓度的标准溶液时,改变乙炔流量,找出最佳的乙炔流量。

⑵在喷入同一浓度的标准溶液时,改变燃烧器高度,找出最佳的燃烧器高度。

7.镁工作曲线绘制，铝干扰及消除

在上述测定条件下,将表1配制的Mg标准溶液从稀浓度到高浓度依次喷入火焰,测定吸收值，作出Mg的工作曲线。

将表3配制的铝干扰及消除溶液，从1#到4#依次喷入火焰,测量吸光度值。

讨论所测结果。

8.钙工作曲线绘制，样品测试和钙的回收实验

在上述条件下,将表2配制的Ca标准溶液从稀浓度到高浓度依次喷入火焰，测定吸收值，作出Ca的工作曲线。

将表4配制的溶液依次喷入火焰，测定和计算自来水中钙、镁含量及回收率。

五、数据处理

1.仪器型号

2.仪器工作参数

元素

波长nm

灯电流mA

能量

狭缝

空气L/min

乙炔L/min

镁

钙

3.实验数据记录

4.实验报告要求

将钙、镁所测得吸光度值用自己的软件分别作出工作曲线，再利用钙、镁的工作曲线将其它相关的测得数据代入，计算出每升自来水中钙、镁含量及钙的加标回收率，并制作以下表格。

每升自来水中

测Mg1

测Mg2

测Ca1

测Ca2

回收率

Ca回收1

Ca回收2

测得值mg/L

平均值mg/L

六、思考题

（1）原子吸收分析时为什么要使用锐线光源？

（2）火焰原子吸收法具有哪些特点？

（3）如何消除原子吸收分析中的化学干扰？

实验3氨基酸类物质的紫外光谱分析和定量测定

一、实验目的

（1）掌握紫外–可见分光光度计的工作原理与基本操作。

（2）学习紫外–可见吸收光谱的绘制及定量测定方法。

（3）了解氨基酸类物质的紫外吸收光谱的特点。

二、实验原理

紫外-可见分光光度法属于吸收光谱法，分子中的电子总是处在某一种运动状态中，每一种状态都具有一定的能量，属于一定的能级。

电子由于受到光、热、电等的激发，从一个能级转移到另一个能级，称为跃迁。

当这些电子吸收了外来辐射的能量，就从一个能量较低的能级跃迁到另一个能量较高的能级。

物质对不同波长的光线具有不同的吸收能力，如果改变通过某一吸收物质的入射光的波长，并纪录该物质在每一波长处的吸光度（A）,然后以波长为横坐标，以吸光度为纵坐标作图，这样得到的谱图为该物质的吸收光谱或吸收曲线。

当一定波长的光通过某物质的溶液时，入射光强度I0与透过光强度It之比的对数与该物质的浓度c及厚度b成正比。

其数学表达式为：

（一）

式

（一）为Lambert-Beer定律，是分光光度法定量分析的基础，其中T为透光率（透射比）。

物质的吸收光谱反映了它在不同的光谱区域内吸收能力的分布情况，不同的物质，由于分子结构不同，吸收光谱也不同，可以从波形、波峰的强度、位置及其数目反映出来，因此，吸收光谱带有分子结构与组成的信息。

氨基酸类物质的一个重要光学性质是对光有吸收作用。

20种氨基酸在可见光区域均无光吸收，在远紫外区（<220nm）均有光吸收，在紫外区（近紫外区）（220nm—300nm）只有三种AA有光吸收能力，这三种氨基酸分别是苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸，因为它们的结构均含有含有苯环共轭双键系统。

苯丙氨酸最大吸收波长在259nm、酪氨酸在278nm、色氨酸在279nm，蛋白质一般都含有这三种氨基酸残基，所以其最大光吸收在大约280nm波长处，因此能利用分光光度法很方便的测定蛋白质的含量。

本实验将对苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸三种氨基酸进行光谱测定及相关定量测定。

三、仪器和试剂

1仪器

紫外-可见-近红外分光光度计（UV-3600或UV-2401）；分析天平；0.5mL、1.0mL、2.0mL移液管若干；10mL带塞比色管若干。

2试剂

标准溶液（a）:

2.0g/L的苯丙氨酸溶液；

标准溶液（b）：

0.4g/L的酪氨酸溶液；

标准溶液（c）：

0.4g/L的酪氨酸溶液（所有溶液均用去离子水配制）；酪氨酸待测样。

四、实验步骤

（1）分别移取标准溶液（a）（2.0g/L，1.0mL）、标准溶液（b）（0.4g/L，1mL）和标准溶液（c）（0.4g/L，0.4mL）标准溶液于10mL比色管中，用去离子水稀释、定容、摇匀，待用。

（2）分别移取0.00、0.5、1.0、1.5、2.0mL标准溶液（b）于5个10mL比色管中，并用去离子水稀释、定容，摇匀，待用。

（3）双击分光光度计图标“UVProbe”,出现软件界面，点左下角“连接”，系统开始自检，等系统自检结束。

预热15-30分钟。

待仪器稳定后方可使用。

（4）在光谱测量模式下，以去离子水为参比溶液，分别绘制步骤

（1）中各溶液在200～350nm波长范围内的吸收光谱。

并记录各标准溶液的λmax。

（5）在定量测定模式下，以去离子水为参比溶液，测定步骤

（2）中的各标准溶液在λmax处的吸光度。

（6）在步骤5同样条件下，测定未知样品溶液在λmax处的吸光度。

五、数据处理

（1）将苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸溶液的吸收光谱叠加在一个坐标系中，比较它们的吸收峰的变化，说说有什么不同，为什么？

（2）以上述步骤6测得的各标准酪氨酸溶液的吸光度为纵坐标，相应的浓度为横坐标绘制工作曲线，再根据未知溶液的吸光度，利用标准曲线求出待测样浓度。

六、思考题

（1）本实验是采用紫外吸收光谱中最大吸收波长进行测定的，是否可以在波长较短的吸收峰下进行定量测定，为什么？

（2）被测物浓度过大或过小对测量有何影响？

应如何调整？

调整的依据是什么？

（3）思考紫外-可见分光光度法应用于蛋白质测量的依据，并设计相应的实验方案，测定奶粉中蛋白质的含量。

实验4紫外-可见分光光度法测定鸡蛋中蛋白质的含量

一、实验目的

（1）熟练掌握紫外–可见分光光度计的工作原理与基本操作。

（2）学习紫外–可见吸收光谱法应用

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