波谱技术(八)

3.5波谱技术波谱技术概述含义：以光学理论为基础，以物质与光相互作用为条件，建立物质分子结构与电磁辐射之间的相互作用，从而进行物质分子几何异构、立体异构、构象异构和分子结构分析和鉴定的方法。即一定波长的电磁波（光波），作用于被研究物质的分子，引起分子内某种物理量的改变（能级跃迁），便产生波吸收谱。分子运动形式及对应的光谱范围“四谱”的产生带电物质粒子的质量谱（MS）—质谱↑电子：电子能级跃迁（UV）—紫外∣↗分子→原子∣↘↓核自旋能级的跃迁（NMR）—核磁共振振动能级（IR）—红外有机波谱分析对有机物结构表征应用最为广泛的谱学方法：紫外光谱（ultravioletspectroscopy，UV）红外光谱（infraredspectroscopy，IR）核磁共振谱（nuclearmagneticresonance，NMR）质谱（massspectroscopy，MS）波谱法特点样品用量少，一般2～3mg(可1mg)；除红外和质谱外，无样品消耗，可回收；省时，简便；配合元素分析(或高分辨率质谱)，可准确确定化合物的分子式和结构。紫外—可见分光光谱含义：利用物质的分子或离子对紫外和可见光的吸收所产生的紫外可见光谱及吸收程度对物质的组成、含量和结构进行分析、测定、推断的分析方法。紫外吸收光谱的波长范围是100～400nm(纳米)100～200nm为远紫外区200～400nm为近紫外区一般的紫外光谱是指近紫外区。应用：应用广泛——不仅可进行定量分析，还可利用吸收峰的特性进行定性分析和简单的结构分析，还可测定一些平衡常数、配合物配位比等。可用于无机化合物和有机化合物的分析，对于常量、微量、多组分都可测定。特点：灵敏度高、准确度高、选择性好、操作方便、分析速度快、应用范围广。激发态基态光源—单色器—吸收池——检测器——显示器ΔE电=h光（200—800nm）紫外可见分光光度计测定原理：仪器的类型一、单光束分光光度计光源单色器参比样品检测器显示器只有一条光路，通过变换参比池和样品池的位置，使它们分别置于光路来进行测定。国产751型、752型、721型、722型、UV-1100型、英国SP-500型二、双光束分光光度计MMM111RRRTTTMMM333PPPMMMMMM222MMM444光光光源源源SSSMMM000单色器参比样品检测器显示器斩光器光源三、双波长分光光度计一个光源，两个单色器，一个吸收池光源单色器Ⅰ单色器Ⅱ吸收池检测器12斩光器用两种不同波长的单色光束交替照射到样品溶液上，不需使用参比溶液，测得的是样品在两种波长下的吸光度之差。1为选好的测定波长，一般为待测物质的max2为选好的参比波长，一般为待测物质的min测得的是样品在两种波长1和2处的吸光度之差A，A为扣除了背景吸收的吸光度。A=A1-A2=（K1-K2）cL优点：（1）大大提高了测定准确度，可完全扣除背景（2）可用于微量组分的测定（3）可用于混浊液和多组分混合物的定量测定吸收曲线将不同波长的光透过某一固定浓度和厚度的待测溶液，测量每一波长下待测溶液对光的吸收程度（即吸光度），然后以波长为横坐标，以吸光度为纵坐标作图，可得一曲线。这曲线描述了物质对不同波长的吸收能力，称吸收曲线或吸收光谱。L不同波长的光紫外可见吸收光谱示意图末端吸收最强峰肩峰峰谷次强峰maxminAAmaxmin1.同一浓度的待测溶液对不同波长的光有不同的吸光度;2.对于同一待测溶液，浓度愈大，吸光度也愈大；3.对于同一物质，不论浓度大小如何，最大吸收峰所对应的波长(最大吸收波长λmax)不变.并且曲线的形状也完全相同。吸收曲线的分析：光谱特征1.吸收峰的形状及所在位置—定性、定结构的依据2.吸收峰的强度—定量的依据A=lgI0/I=CL：摩尔吸收系数单位：L.cm-1.mol-1单色光LA的物理意义及计算在数值上等于1mol/L的吸光物质在1cm光程中的吸光度，=A/CL，与入射光波长、溶液的性质及温度有关（1）—吸光物质在特定波长和溶剂中的一个特征常数，定性的主要依据（2）值愈大，方法的灵敏度愈高104强吸收=103～104较强吸收=102～103中吸收102弱吸收应用不同的有机化合物具有不同的吸收光谱，可进行简单的定性分析，但吸收光谱较简单，只能用于鉴定共轭发色团，推断未知物骨架，可进行定量分析及测定配合物配位比和稳定常数。定性分析一、比较吸收光谱法根据化合物吸收光谱的形状、吸收峰的数目、强度、位置进行定性分析待测样品相同条件样品谱标准物质标准谱二、计算max的经验规律用经验规则计算不饱和有机化合物的max并与实测值进行比较，然后确认物质的结构。常用的规则是WoodWard（伍德瓦特）规则，可计算共轭多烯及α，β—不饱和醛酮化合物。三、纯度检查如果一化合物在紫外区没有吸收峰，而其杂质有较强吸收，就可方便地检出该化合物中的痕量杂质。例如要鉴定甲醇和乙醇中的杂质苯，可利用苯在254nm处的B吸收带，而甲醇或乙醇在此波长范围内几乎没有吸收。又如四氯化碳中有无二硫化碳杂质，只要观察在318nm处有无二硫化碳的吸收峰即可。结构分析•用紫外可见吸收光谱鉴定未知物的结构较困难，因谱图简单，吸收峰个数少，主要表现化合物的发色团和助色团的特征。•利用紫外可见吸收光谱可确定有机化合物中不饱和基团，还可区分化合物的构型、构象、同分异构体。定量分析应用范围：无机化合物：测定主要在可见光区，大约可测定50多种元素有机化合物：主要在紫外区分子振动与红外光谱产生原理一、分子的振动方式1.伸缩振动2.弯曲振动红外光谱的产生当分子吸收红外光子，从低的振动能级向高的振动能级跃迁时，而产生红外吸收光谱。值得注意的是：不是所有的振动都能引起红外吸收，只有偶极矩发生变化的，才能有红外吸收。像H2、O2、N2电荷分布均匀，振动不能引起红外吸收。产生红外光谱的必要条件1.红外辐射光的频率与分子振动的频率相当，才能满足分子振动能级跃迁所需的能量，而产生吸收光谱。2.振动过程中必须是能引起分子偶极矩的分子振动才能产生红外吸收光谱。红外光谱的特点1.具有高度的特征性就像人的“指纹”一样，依据红外光谱的吸收谱线的形状和相对强度来确定化合物。物质的红外光谱是其分子结构的反映，谱图中的吸收峰和分子中各集团的振动形式相对应。多原子分子的红外光谱与其结构的关系，一般是通过实验手段获得。即通过比较大量已知化合物的红外光谱，从中总结出各种基团的吸收规律。2.灵敏度高，测定时间短，近于无损的检测。3.样品不受状态限制。固体采用压片法或制成溶液，液体取1～2滴滴在圆形盐片之间测定，气体需转入专用的吸收瓶（或池）内。红外吸收光谱是鉴定化合物和测定分子结构最有用的方法之一。红外光谱的应用一、定性鉴定1.已知物的鉴定将试样的谱图与标准谱图进行对照，或者与文献上的谱图进行对照。如果两张谱图各吸收峰的位置和形状完全相同，峰的相对强度一样，就可以认为样品是该种标准物。如果两张谱图不一样，或峰位不一致，则说明两者不为同一种化合物，或样品有杂质。如用计算机谱图检索，则采用相似度来判断。使用文献上的谱图应当注意试样的物态、结晶状态、溶剂、测定条件以及所用仪器类型均应与标准谱图相同。2.未知物结构的测定测定未知物的结构，是红外光谱法定性分析的重要用途。如果未知物不是新化合物，可以通过两种方式，利用标准谱图进行查对：（1）查阅标准谱图的谱带索引，寻找与试样光谱吸收带相同的标准谱图；（2）进行光谱解析，判断试样的可能结构，然后再由化学分类索引查找标准谱图对照核实。二、定量鉴定红外光谱的定量分析是根据组分的吸收峰的强度来进行。特点优点：具有较多峰供选择。缺点：灵敏度较UV低，且散射和反射都会产生辐射损失。核磁共振含义：全名是核磁共振成像（NuclearMagneticResonanceImaging，NMRI）又称自旋成像（spinimaging），也称磁共振成像（MagneticResonanceImaging，MRI）。是具有磁距的原子核在高强度磁场作用下，可吸收适宜频率的电磁辐射，由低能态跃迁到高能态的现象。如1H、3H、13C、15N、19F、31P等原子核，都具有非零自旋而有磁距，能显示此现象。由核磁共振提供的信息，可以分析各种有机和无机物的分子结构。基本原理原子核由质子和中子组成，它们均存在固有磁矩。可通俗地理解为它们在磁场中的行为就像一根根小磁针。原子核在外加磁场作用下，核磁矩与磁场相互作用导致能级分裂，能级差与外加磁场强度成正比。如果再同时加一个与能级间隔相应的交变电磁场，就可以引起原子核的能级跃迁，产生核磁共振。可见，它的基本原理与原子的共振吸收现象类似。质量数和质子数均为偶数的原子核，自旋量子数为0，即I=0，如12C,16O,32S等，这类原子核没有自旋现象，称为非磁性核。质量数为奇数的原子核，自旋量子数为半整数，如1H,19F,13C等，其自旋量子数不为0，称为磁性核。质量数为偶数，质子数为奇数的原子核，自旋量子数为整数，这样的核也是磁性核。但迄今为止，只有自旋量子数等于1/2的原子核，其核磁共振信号才能够被人们利用，经常为人们所利用的原子核有：1H、11B、13C、17O、19F、31P。应用NMR技术即核磁共振谱技术，是将核磁共振现象应用于分子结构测定的一项技术。对于有机分子结构测定来说，核磁共振谱扮演了非常重要的角色，核磁共振谱与紫外光谱、红外光谱和质谱一起被有机化学家们称为“四大名谱”。目前对核磁共振谱的研究主要集中在1H和13C两类原子核的图谱。核磁共振成像技术是核磁共振在医学领域的应用。人体内含有非常丰富的水，不同的组织，水的含量也各不相同，如果能够探测到这些水的分布信息，就能够绘制出一幅比较完整的人体内部结构图像，核磁共振成像技术就是通过识别水分子中氢原子信号的分布来推测水分子在人体内的分布，进而探测人体内部结构的技术。磁共振成像的最大优点是它是目前少有的对人体没有任何伤害的安全、快速、准确的临床诊断方法。对人体没有游离辐射损伤。各种参数都可以用来成像，多个成像参数能提供丰富的诊断信息，这使得医疗诊断和对人体内代谢和功能的研究方便、有效。通过调节磁场可自由选择所需剖面。能得到其它成像技术所不能接近或难以接近部位的图像。能诊断心脏病变，CT因扫描速度慢而难以胜任；对软组织有极好的分辨力。对膀胱、直肠、子宫、骨、关节、肌肉等部位的检查优于CT。临床诊断医用优点1．MRI对人体没有损伤；2．MRI能获得脑和脊髓的立体图像，不像CT那样一层一层地扫描而有可能漏掉病变部位；3．能诊断心脏病变，CT因扫描速度慢而难以胜任；4．对膀胱、直肠、子宫、骨、关节、肌肉等部位的检查优于CT。医用缺点1.和CT一样，MRI也是影像诊断，很多病变单凭MRI仍难以确诊，不像内窥镜可同时获得影像和病理两方面的诊断；2.对肺部的检查不优于X线或CT检查，对肝脏、胰腺、肾上腺、前列腺的检查不比CT优越，但费用要高昂得多；3.对胃肠道的病变不如内窥镜检查；4.体内留有金属物品者不宜接受MRI；5.危重病人不能做；6.妊娠3个月内的不能做；7.带有心脏起搏器的不能做。核磁共振探测是MRI技术在地质勘探领域的延伸，通过对地层中水分布信息的探测，可以确定某一地层下是否有地下水存在，地下水位的高度、含水层的含水量和孔隙率等地层结构信息。原子吸收光谱法概述1.定义原子吸收光谱法（atomicabsorptionspectrometryAAS）：又称为原子吸收光谱分析，简称原子吸收法。是基于自由原子吸收光辐射的一种元素定量分析方法。即被测元素的基态原子对由光源发出的该原子的特征性窄频辐射产生共振吸收，其吸光度在一定浓度范围内与蒸汽相中被测元素的基态原子浓度成正比。即原子吸收法与紫外可见光光度法的基本原理相同，都遵循Beer定律。2.分类：根据原子化方式可分为：1）火焰原子吸收法2）非火焰原子吸收法3）冷原子吸收法特点一、原子吸收法、紫外