现代仪器分析测试方法Word格式.docx

1、 目前研究得最多的是1H的核磁共振，13C的核磁共振近年也有较大的发展。1H的核磁共振称为质磁共振（Proton Magnetic Resonance），简称PMR，也表示为1H-NMR。13C核磁共振（Carbon-13 Nuclear Magnetic Resonance）简称CMR，也表示为13C-NMR。 目前使用的核磁共振仪有连续波（CN）及脉冲傅里叶（PFT）变换两种形式。连续波核磁共振仪主要由磁铁、射频发射器、检测器和放大器、记录仪等组成（见图8-5）。磁铁用来产生磁场，主要有三种：永久磁铁，磁场强度14000G，频率60MHz；电磁铁，磁场强度23500G，频率100MHz；超

2、导磁铁，频率可达200MHz以上，最高可达500600MHz。频率大的仪器，分辨率好、灵敏度高、图谱简单易于分析。磁铁上备有扫描线圈，用它来保证磁铁产生的磁场均匀，并能在一个较窄的范围内连续精确变化。射频发射器用来产生固定频率的电磁辐射波。检测器和放大器用来检测和放大共振信号。记录仪将共振信号绘制成共振图谱。 氢谱 氢的核磁共振谱提供了三类极其有用的信息：化学位移、偶合常数、积分曲线。应用这 些信息，可以推测质子在碳胳上的位置。 红外光谱（IR） 用红外光谱仪器吸收光谱法定性或定量分析有机物和无机物含量。 工作原理 红外光谱分析infrared spectra analysis 利用红外光谱对

3、物质分子进行的分析和鉴定。将一束不同波长的红外射线照射到物质的分子上，某些特定波长的红外射线被吸收，形成这一分子的红外吸收光谱。每种分子都有由其组成和结构决定的独有的红外吸收光谱，据此可以对分子进行结构分析和鉴定。红外吸收光谱是由分子不停地作振动和转动运动而产生的，分子振动是指分子中各原子在平衡位置附近作相对运动，多原子分子可组成多种振动图形。当分子中各原子以同一频率、同一相位在平衡位置附近作简谐振动时，这种振动方式称简正振动（例如伸缩振动和变角振动）。分子振动的能量与红外射线的光量子能量正好对应，因此当分子的振动状态改变时，就可以发射红外光谱，也可以因红外辐射激发分子而振动而产生红外吸收光谱

4、。分子的振动和转动的能量不是连续而是量子化的。但由于在分子的振动跃迁过程中也常常伴随转动跃迁，使振动光谱呈带状。所以分子的红外光谱属带状光谱。分子越大，红外谱带也越多。 种类 红外光谱仪的种类有：棱镜和光栅光谱仪。属于色散型，它的单色器为棱镜或光栅，属单通道测量。傅里叶变换红外光谱仪。它是非色散型的，其核心部分是一台双光束干涉仪。当仪器中的动镜移动时，经过干涉仪的两束相干光间的光程差就改变，探测器所测得的光强也随之变化，从而得到干涉图。经过傅里叶变换的数学运算后，就可得到入射光的光谱。这种仪器的优点：多通道测量，使信噪比提高。光通量高，提高了仪器的灵敏度。波数值的精确度可达0.01厘米-1。增

5、加动镜移动距离，可使分辨本领提高。工作波段可从可见区延伸到毫米区，可以实现远红外光谱的测定。 用途 红外光谱分析可用于研究分子的结构和化学键，也可以作为表征和鉴别化学物种的方法。红外光谱具有高度特征性，可以采用与标准化合物的红外光谱对比的方法来做分析鉴定。已有几种汇集成册的标准红外光谱集出版，可将这些图谱贮存在计算机中，用以对比和检索，进行分析鉴定。利用化学键的特征波数来鉴别化合物的类型，并可用于定量测定。由于分子中邻近基团的相互作用，使同一基团在不同分子中的特征波数有一定变化范围。此外，在高聚物的构型、构象、力学性质的研究，以及物理、天文、气象、遥感、生物、医学等领域，也广泛应用红外光谱。

6、紫外光谱（UV） 准确测定有机化合物的分子结构，对从分子水平去认识物质世界，推动近代有机化学的发展是十分重要的。采用现代仪器分析方法，可以快速、准确地测定有机化合物的分子结构。在有机化学中应用最广泛的测定分子结构的方法是四大光谱法：紫外光谱、红外光谱、核磁共振和质谱。紫外和可见光谱（ultraviolet and visible spectrum）简写为UV。 紫外光谱的原理 紫外光谱的产生 在紫外光谱中，波长单位用nm（纳米）表示。紫外光的波长范围是100400 nm，它分为两个区段。波长在100200 nm称为远紫外区，这种波长能够被空气中的氮、氧、二氧化碳和水所吸收，因此只能在真空中进行

7、研究工作，故这个区域的吸收光谱称真空紫外，由于技术要求很高，目前在有机化学中用途不大。波长在200400 nm称为近紫外区，一般的紫外光谱是指这一区域的吸收光谱。波长在400800 nm范围的称为可见光谱。常用的分光光度计一般包括紫外及可见两部分，波长在200800 nm（或2001000 nm）。 分子内部的运动有转动、振动和电子运动，相应状态的能量（状态的本征值）是量子化的，因此分子具有转动能级、振动能级和电子能级。通常，分子处于低能量的基态，从外界吸收能量后，能引起分子能级的跃迁。电子能级的跃迁所需能量最大，大致在120 eV（电子伏特）之间。根据量子理论，相邻能级间的能量差E、电磁辐射

8、的频率、波长符合下面的关系式 E=h=hc/ 式中h是普朗克常量，为6.62410-34Js=4.13610-15 eVs；c是光速，为2. 9981010 cm/s。应用该公式可以计算出电子跃迁时吸收光的波长。 许多有机分子中的价电子跃迁，须吸收波长在2001000 nm范围内的光，恰好落在紫外-可见光区域。因此，紫外吸收光谱是由于分子中价电子的跃迁而产生的，也可以称它为电子光谱。1 电子跃迁的类型 有机化合物分子中主要有三种电子：形成单键的电子、形成双键的电子、未成键的孤对电子，也称n电子。基态时电子和电子分别处在成键轨道和成键轨道上，n电子处于非键轨道上。仅从能量的角度看，处于低能态的电

9、子吸收合适的能量后，都可以跃迁到任一个较高能级的反键轨道上。跃迁的情况如下图所示： 上图中虚线下的数字是跃迁时吸收能量的大小顺序，该顺序也可以表示为 n* 即n*的跃迁吸收能量最小。实际上，对于一个非共轭体系来讲，所有这些可能的跃迁中，只有n*的跃迁的能量足够小，相应的吸收光波长在200800 nm范围内，即落在近紫外-可见光区。其它的跃迁能量都太大，它们的吸收光波长均在200 nm以下，无法观察到紫外光谱。但对于共轭体系的跃迁，它们的吸收光可以落在近紫外区。 根据上图，可以认为：烷烃只有键，只能发生*的跃迁。含有重键如C=C，CC，C=O，C=N等的化合物有键和键，有可能发生*，*，*，*的

10、跃迁。分子中含有氧、卤素等原子时，因为它们含有n电子，还可能发生n*、*的跃迁。 一个允许的跃迁不仅要考虑能量的因素，还要符合动量守恒（跃迁过程中光量子的能量不转变成振动的动能）、自旋动量守恒（电子在跃迁过程中不发生自旋翻转），此外，还要受轨道对称件的制约。即使是允许的跃迁，它们的跃迁概率也是不相等的。有机分子最常见的跃迁是*，*，n*，n*的跃迁。 电子的跃迁可以分成三种类型：基态成键轨道上的电子跃迁到激发态的反键轨道称为NV跃迁，如*，*的跃迁。杂原子的孤对电子向反键轨道的跃迁称为NQ跃迁，如n*，n*的跃迁。还有一种NR跃迁，这是键电子逐步激发到各个高能 级轨道上，最后变成分子离子的跃迁

11、，发生在高真空紫外的远端。 紫外光谱图 右图是乙酸苯酯的紫外光谱图。 紫外光谱图提供两个重要的数据：吸收峰的位置和吸 收光谱的吸收强度。从图中可以看出，化合物对电磁辐射 的吸收性质是通过一条吸收曲线来描述的。图中以波长 （单位nm）为横坐标，它指示了吸收峰的位置在260 nm 处。纵坐标指示了该吸收峰的吸收强度，吸光度为0.8。 吸收光谱的吸收强度是用Lambert（朗伯）Beer（比 尔）定律来描述的，这个定律可以用下面的公式来表示： A=lg（I0/I）=kcl=lg（1/T） 式中A称为吸光度（absorbance）。I0是入射光的强度，I是透过光的强度，T=I/I0为透射比（trans

12、miance），又称为透光率或透过率，用百分数表示。l是光在溶液中经过的距离（一般为吸收池的长度）。c是吸收溶液的浓度。=A/（cl），称为吸收系数（absorptivity）。若c以mol/L为单位，l以cm为单位，则称为摩尔消光系数或摩尔吸收系数，单位为cm2mol（通常可省略）。 A，T，（1-T）（吸收率），lg都能作为紫外光谱图的纵坐标，但最常用的是，lg。上图是以吸光度A为纵坐标的紫外光谱图，下面四幅图是以T，1-T，lg为纵坐标的紫外光谱图。由图可知，透过率与吸收率正好相反，如吸收率为20%，透过率恰好为80%。 最大吸收时的波长（max）为紫外的吸收峰，在以吸光度、，lg、吸收

13、率为纵坐标的谱图中，max处于吸收曲线的最高峰顶，而在以透过率为纵坐标的谱图中，max处于曲线的最低点。紫外吸收的强度通常都用最大吸收峰的值即max来衡量。在多数文献报告中，并不绘制出紫外光谱图，只是报道化合物最大吸收峰的波长及与之相应的摩尔消光系数。例如CH3I的紫外吸收数据为max 258 nm（365），这表示吸收峰的波长为258 nm，相应的摩尔消光系数为365。 紫外光谱的测定大都是在溶液中进行的，绘制出的吸收带大都是宽带，这是 因为分子振动能级的能级差为0.051 eV，转动能级的能差小于0.05 eV，都远远低于电子能级的能差，因此当电子能级改变时，振动能级和转动能级也不可避免地

14、会有变化，即电子光谱中不但包括电子跃迁产生的谱线，也有振动谱线和转动谱线，分辨率不高的仪器测出的谱图， 由 于各种谱线密集在一起，往往只看到一个较宽的吸收带。若紫外光谱在惰性溶剂的稀溶液或气态中测定，则图谱的吸收峰上因振动吸收而会表现出锯齿状精细结构。降低温度可以减少振动和转动对吸收带的贡献， 因此有时降温可以使吸收带呈现某种单峰式的电子跃迁。溶剂的极性对吸收带的形状也有影响，通常的规律是溶剂从非极性变到极性时，精细结构逐渐消失，图谱趋向平滑。 应用 医药方面 紫外光谱在破析一系列维生素、抗菌素及天然产物的化学结构曾起过重要作用，如维生素A1、维生素A2、维生素B12、维生素B1、青霉素、链霉

15、素、土霉素、萤火虫尾部的发光物质等。 例如利血平具有两个共轭体系结构，水解得到利血平酸和3,4,5-三甲氧基苯甲酸。利血平酸经LiAlH4还原为利血平醇，其光谱与2,3-二甲基-6-甲氧基吲哚的紫外光谱相似。将合成的利血平醇与3,4,5-三甲氧基苯甲酸的紫外光谱叠加起来所得谱线与利血平的吸收曲线基本吻合，进一步由合成最后确定利血平的结构。2 光致变色性能的测试 光致变色现象是指在光的照射下颜色发生可逆变化的现象，可通过紫外光谱进行测试研究。如螺恶嗪类化合物A的环己烷溶液是没有颜色，但在365nm连续的紫外光的照射下，溶液变成蓝色，在可见区域产生吸收。随照射时间的延长，吸收峰的强度逐渐变大，直至

16、不再变化为止，将化合物的溶液放在暗处，其在可见光区域的吸收会逐渐下降。 光致变色材料作为一类新型功能材料，有着十分广阔的应用前景。例如可以作为光信息存储材料、光开关、光转换器等，这些材料在机械、电子、纺织、国防等领域都大有作为。光致变色涂料、光致变色玻璃、光致变色墨水的研制和开发，具有现实性的应用意义。除了以上的应用，光致变色材料还可以作为自显影感光 胶片、全息摄影材料、防护和装饰材料、印刷版和印刷电路和伪装材料等。 特别要指出的是，光致变色化合物作为可擦重写光存储材料的研究，是近些年来光致变色领域中研究的热点之一。作为可擦写光存储材料的光致变色光存储介质，应满足在半导体激光波长范围具有吸收、

17、非破坏性读出、良好的热稳定性、优良的抗疲劳性和较快的响应速度等条件。 质谱（MS） 质谱（又叫质谱法）是一种与光谱并列的谱学方法，通常意义上是指广泛应用于各个学科领域中通过制备、分离、检测气相离子来鉴定化合物的一种专门技术。质谱法在一次分析中可提供丰富的结构信息，将分离技术与质谱法相结合是分离科学方法中的一项突破性进展。在众多的分析测试方法中，质谱学方法被认为是一种同时具备高特异性和高灵敏度且得到了广泛应用的普适性方法。质谱仪器一般由样品导入系统、离子源、质量分析器、检测器、数据处理系统等部分组成。 定义 质谱分析是一种测量离子荷质比（电荷-质量比）的分析方法，其基本原理 Joseph Joh

18、n Thomson是使试样中各组分在离子源中发生电离，生成不同荷质比的带正电荷的离子，经加速电场的作用，形成离子束，进入质量分析器。在质量分析器中，再利用电场和磁场使发生相反的速度色散，将它们分别聚焦而得到质谱图，从而确定其质量。第一台质谱仪是英国科学家弗朗西斯阿斯顿于1919年制成的。阿斯顿用这台装置发现了多种元素同位素，研究了53个非放射性元素，发现了天然存在的287种核素中的212种，第一次证明原子质量亏损。他为此荣获1922年诺贝尔化学奖。 质谱仪种类非常多，工作原理和应用范围也有很大的不同。从应用角度，质谱仪可以分为下面几类： 有机质谱仪：由于应用特点不同又分为： 气相色谱-质谱联用

19、仪（GC-MS） 在这类仪器中，由于质谱仪工作原理不同，又有气相色谱-四极质谱仪，气相色谱 -飞行时间质谱仪，气相色谱-离子阱质谱仪等。 液相色谱-质谱联用仪（LC-MS） 同样，有液相色谱-四器极质谱仪，液相色谱-离子阱质谱仪，液相色谱-飞行时间质谱仪，以及各种各样的液相色谱-质谱-质谱联用仪。 其他有机质谱仪，主要有： 基质辅助激光解吸飞行时间质谱仪（MALDI-TOFMS），傅里叶变换质谱仪（FT-MS） 无机质谱仪，包括： 火花源双聚焦质谱仪。 感应耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）。 二次离子质谱仪（SIMS） 但以上的分类并不十分严谨。因为有些仪器带有不同附件，具有不同功能。例如，

20、一台气相色谱-双聚焦质谱仪，如果改用快原子轰击电离源，就不再是气相色谱-质谱联用仪，而称为快原子轰击质谱仪（FAB MS）。另外，有的质谱仪既可以和气相色谱相连，又可以和液相色谱相连，因此也不好归于某一类。在以上各类质谱仪中，数量最多，用途最广的是有机质谱仪。 除上述分类外，还可以从质谱仪所用的质量分析器的不同，把质谱仪分为双聚焦质谱仪，四极杆质谱仪，飞行时间质谱仪，离子阱质谱仪，傅立叶变换质谱仪等。 近年来质谱技术发展很快。随着质谱技术的发展,质谱技术的应用领域也越来越广。由于质谱分析具有灵敏度高，样品用量少，分析速度快，分离和鉴定同时进行等优点，因此，质谱技术广泛的应用于化学，化工，环境，

21、能源，医药，运动医学，刑侦科学，生命科学，材料科学等各个领域。 质谱仪种类繁多，不同仪器应用特点也不同,一般来说，在300C左右能汽化的样品，可以优先考虑用GC-MS进行分析，因为GC-MS使用EI源，得到的质谱信息多，可以进行库检 质谱仪索。毛细管柱的分离效果也好。如果在300C左右不能汽化，则需要用LC-MS分析，此时主要得分子量信息，如果是串联质谱，还可以得一些结构信息。如果是生物大分子，主要利用LC-MS和MALDI-TOF分析，主要得分子量信息。对于蛋白质样品，还可以测定氨基酸序列。质谱仪的分辨率是一项重要技术指标，高分辨质谱仪可以提供化合物组成式，这对于结构测定是非常重要的。双聚焦

22、质谱仪，傅立叶变换质谱仪，带反射器的飞行时间质谱仪等都具有高分辨功能。 质谱分析法对样品有一定的要求。进行GC-MS分析的样品应是有机溶液，水溶液中的有机物一般不能测定，须进行萃取分离变为有机溶液，或采用顶空进样技术。有些化合物极性太强，在加热过程中易分解，例如有机酸类化合物，此时可以进行酯化处理，将酸变为酯再进行GC-MS分析，由分析结果可以推测酸的结构。如果样品不能汽化也不能酯化，那就只能进行LC-MS分析了。进行LC-MS分析的样品最好是水溶液或甲醇溶液，LC流动相中不应含不挥发盐。对于极性样品,一般采用ESI源，对于非极性样品,采用APCI源。 气相色谱（GC） 气相色谱（gas ch

23、romatography 简称GC）是二十世纪五十年代出现的一项重大科学技术成就。这是一种新的分离、分析技术，它在工业、农业、国防、建设、科学研究中都得到 了广泛应用。气相色谱可分为气固色谱和气液色谱。 分类 气相色谱仪（图1）气相色谱可分为气固色谱和气液色谱。气固色谱指流动相是气体，固定相是固体物质的色谱分离方法。例如活性炭、硅胶等作固定相。气液色谱指流动相是气体，固定相是液体的色谱分离方法。例如在惰性材料硅藻土涂上一层角鲨烷，可以分离、测定纯乙烯中的微量甲烷、乙炔、丙烯、丙烷等杂质。 发展 气相色谱仪（图2）GC色谱的发展与下面两个方面的发展是密不可分的。一是气相色谱分离技术的发展，二是其

24、他学科和技术的发展。 1952年James和Martin提出气液相色谱法，同时也发明了第一个气相色谱检测器。这是一个接在填充柱出口的滴定装置，用来检测脂肪酸的分离。用滴定溶液体积对时间做图，得到积分色谱图。以后，他们又发明了气体密度天平。1954年Ray提出热导计，开创了现代气相色谱检测器的时代。此后至1957年，是填充柱、TCD年代。 1958年Gloay首次提出毛细管，同年，Mcwillian和Harley同时发明了FID，Lovelock发明了氩电离检测器（AID）使检测方法的灵敏度提高了23个数量级。 20世纪60和70年代，由于气相色谱技术的发展，柱效大为提高，环境科学等学科的发展，

25、提出了痕量分析的要求，又陆续出现了一些高灵敏度、高选择性的检测器。如1960年Lovelock提出电子俘获检测器（ECD）；1966年Brody等发明了FPD；1974年Kolb和Bischoff提出了电加热的NPD；1976年美国HNU公司推出了实用的窗式光电离检测器（PID）等。同时，由于电子技术的发展，原有的检测器在结构和电路上又作了重大的改进。如TCD出现了衡电流、横热丝温度及衡热丝温度检测电路；ECD出现衡频率变电流、衡电流脉冲调制检测电路等，从而使性能又有所提高。 20世纪80年代，由于弹性石英毛细管柱的快速广泛应用，对检测器提出了体积小、响应快、灵敏度高、选择性好的要求，特别是计

26、算机和软件的发展，使TCD、FID、ECD、和NPD的灵敏度和稳定性均有很大提高，TCD和ECD的池体积大大缩小。 进入20世纪90年代，由于电子技术、计算机和软件的飞速发展使MSD生产成本和复杂性下降，以及稳定性和耐用性增加，从而成为最通用的气相色谱检测器之一。其间出现了非放射性的脉冲放电电子俘获检测器（PDECD）、脉冲放电氦电离检测器（PDHID）和脉冲放电光电离检测器（PDECD）以及集次三者为一体的脉冲放电检测器（PDD），4年后，美国Varian公司推出了商品仪器，它比通常FPD灵敏度高100倍。另外，快速GC和全二维GC等快速分离技术的迅猛发展，促使快速GC检测方法逐渐成熟。 在

27、石油化学工业中大部分的原料和产品都可采用气相色谱法来分析；在电力部门中可用来检查变压器的潜伏性故障；在环境保护工作中可用来监测城市大气和水的质量；在农业上可用来监测农作物中残留的农药；在商业部门可用来检验及鉴定食品质量的好坏；在医学上可用来研究人体新陈代谢、生理机能；在临床上用于鉴别药物中毒或疾病类型；在宇宙舱中可用来自动监测飞船密封仓内的气体等等。 色谱实际上是俄国植物学家茨维特（M.S.Tswett）在1901年首先发现的。1903 年3月，茨维特在华沙大学的一次学术会议上所作的报告中正式提出“chromatography”（即色谱）一词，标志着色谱的诞生。他因此被提名为1917年诺贝尔化

28、学奖的候选人。当时茨维特研究的是液相色谱（LC）的分离技术，气相色谱出现在20世纪40年代，英国人马丁（A.J.P.Martin）和辛格（R.L.M.Synge）在研究分配色谱理论的过程中，证实了气体作为色谱流动的可能性，并预言了GC的诞生。与此巧合的是，这两位科学家获得了当年的诺贝尔化学奖。尽管获奖成果是他们对分配色谱理论的贡献，但也有后人认为他们是因为GC而得奖的。这也从另一个方面说明了GC技术对整个化学发展的重要性。 虽然GC的出现较LC晚了50年，但其在此后20多年的发展却是LC所望尘莫及的。 从1955年第一台商品GC仪器的推出，到1958年毛细管GC柱的问世；从毛细管GC理论的研究

29、，到各种检测技术的应用，GC很快从实验室的研究技术变成了常规分析手段，几乎形成了色谱领域GC独领风骚的局面。1970年以来，电子技术，特别是计算机技术的发展，使得GC色谱技术如虎添翼，1979年弹性石英毛细管柱的出现更使GC上了一个新台阶。这些既是高科技发展的结果，又是现代工农业生产的要求使然。反过来，色谱技术又大大促进了现代物质文明的发展。在现代社会的方方面面，色谱技术均发挥着重要作用。从天上的航天飞机，到水里游的航空母舰，都用GC来监测船舱中的气体质量；从日常生活中的食品和化妆品，到各种化工生产的工艺控制和产品质量检验，从司法检验中的物质鉴定，到地质勘探中的油气田寻找，从疾病诊断、医药分析、到考古