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1、第五章 新型监测仪器及仪器联用技术1.概述1.1仪器监测技术色谱技术光谱技术质谱技术其他技术：电化学技术、生物监测技术等联用技术是在以上基础上，加上适当的接口技术发展起来的。1. 电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）l无机（元素/ 同位素）分析技术首先是质谱其次是将等离子炬作为离子源，高温离子源质谱普通电子轰击源 等离子体的高温使样品去溶剂化、汽化解离和电离。等离子体的高温使样品去溶剂化、汽化解离和电离。经研究发现，90%以上的元素都能离子化，且生成的二价离子较少，绝大多数以一价离子存在。常用四级杆质量分析器（将不同质荷比粒子分开）1.1 ICPMS工作原理1）被分析样品通常以水溶液的气溶胶形
2、式引入氩）被分析样品通常以水溶液的气溶胶形式引入氩气流中，然后进入由射频能量激发的处于大气压气流中，然后进入由射频能量激发的处于大气压下的氩等离子体中心区，等离子体的下的氩等离子体中心区，等离子体的高温高温使样品使样品去溶剂化、汽化解离和电离去溶剂化、汽化解离和电离。2）部分等离子体经过不同的压力区进入真空系统，）部分等离子体经过不同的压力区进入真空系统，在真空系统内，正离子被拉出并按照其质荷比分在真空系统内，正离子被拉出并按照其质荷比分离。自然界出现的每种元素都有一个简单的、一离。自然界出现的每种元素都有一个简单的、一个或几个同位素，每个特定同位素离子给出的信个或几个同位素，每个特定同位素离
3、子给出的信号与该元素在样品中的浓度成线性关系号与该元素在样品中的浓度成线性关系。1.2 ICP-MS与其它元素分析技术比较FAAS 火焰原子吸收光谱GFAAS 石墨炉原子吸收光谱ICP-OES 电感耦合等离子体光发射光谱 电感耦合等离子体原子发射光谱 (ICP-AES)ICP-MS -电感耦合等离子体质谱 元素分析：FAAS优点优点:成本低个别元素快速分析干扰相对较小缺点：缺点：单元素测定灵敏度差（检出限高）样品需要量相对较大线性范围窄元素分析: GFAAS优点优点:相对便宜样品需要量少灵敏度高 (检出限低)缺点：缺点：单元素测定运行成本高 (消耗品)线性范围很窄麻烦费时需要基体改进剂元素分析
4、: ICP-OES优点优点:适用范围广线性范围好多元素技术缺点：缺点：仪器成本高检出限有限(mg/L)样品量需求大未知和复杂基体的光谱干扰优点优点:样品需要量少样品需要量少动态范围极好动态范围极好多元素技术：多元素技术：当测定范围为0-80时，可在10-100s的高速度下扫描，方便地进行多元素快速分析。同位素鉴别和测定同位素鉴别和测定扫描能力：扫描能力：通过谱线全扫描测定所有元素的大致浓度范围，即半定量分析，不需要标准溶液，多数元素测定误差小于20%；卓越的检出限：卓越的检出限：灵敏度高，比一般ICP-AES高23个数量级，特别是测定质量数为100以上的元素时，灵敏度更高，检出限更低。干扰较少
5、易于判断：干扰较少易于判断：主要NaCl等盐类、同质量数的不同元素同位素等的干扰缺点：缺点：仪器成本高试剂、容器、室内环境条件要求严格元素分析元素分析:ICP-MS各种元素分析技术比较顺序顺序同时同时指标指标1GFAASICP-OESICP-OESICP-MS检出限 ppt ppb ppb ppb-ppt线性范围 2-3 4-6 4-6 9*干扰 Moderate Many Many Few速度 Slow Slow Fast Fast元素覆盖范围 Poor Good Good Excellent多元素 No Yes YesYes同时分析 No No YesYes样品需求量 uL mL mLuL
6、ormL仪器成本 $ $ $运行成本 $ $ $ICPOES灵敏度灵敏度分析元素数分析元素数低低高高高高低低GFAAICP-OESFlameAAICP-MS各种元素分析技术的图解比较1.3 ICP-MS仪器的基本构造1.进样系统(Sample Introduction)2.离子源(ICP Ion Source) 3.接口(Ion Sampling Interface)4.离子镜系统(Ion Optics)5.四极杆滤质系统(Ion Analyzer)6.离子检测和数据采集(Ion Detection and Data Acquisation) ICP结构示意图截取锥采样锥炬管雾化室检测器四极杆
7、离子镜ICPMS测定程序1.进样系统进样系统(Sample Introduction)溶液气动或超声方式引入电热蒸发方式引入激光或火花方式引入（可用于固态样品）气体发生方式引入注：大多数ICP-MS以气动雾化器气动雾化器为标准附件（雾化效率低，1%，但使用方便，稳定性好，易于与自动进样器联用）样品引入系统（气动雾化系统）ICP炬管炬管等离子气等离子气辅助气辅助气载气载气RF线线圈圈等离子体等离子体Peltier冷却雾冷却雾室室样品样品蠕动泵蠕动泵内标稀释内标稀释混合气混合气雾化器雾化器2. 离子源（ICP Ion Source ）离子源的作用使样品离子化，并使离子汇聚成具离子源的作用使样品离子
8、化，并使离子汇聚成具有一定形状和能量的离子束。它是有一定形状和能量的离子束。它是质谱仪的心脏质谱仪的心脏。离子源的结构和性质对质谱仪的分辨率、灵敏度离子源的结构和性质对质谱仪的分辨率、灵敏度影响很大影响很大使物质电离的方法很多：使物质电离的方法很多：电子轰击电子轰击，化学电离、火花电离、，化学电离、火花电离、ICP离子源离子源等。等。电感耦合等离子体简介（1） ICP是本世纪是本世纪60年代提出、年代提出、70年代迅速发展年代迅速发展起来的一种新型光源。这种新光源起来的一种新型光源。这种新光源基体效应低基体效应低，而它所具有的而它所具有的“环状结构环状结构”造成了分析物样品易于造成了分析物样品
9、易于导入的方便条件。导入的方便条件。ICP是一种有效的挥发原子化是一种有效的挥发原子化激发电离器。激发电离器。电感耦合等离子体简介（2） 等离子体的定义等离子体的定义：在近代物理学中，把电离度大于在近代物理学中，把电离度大于1%，其正，其正负电荷相等的负电荷相等的电离气体均称为等离子体。它由电离气体均称为等离子体。它由离子、电子、及未电离的中性粒子组成。整体呈离子、电子、及未电离的中性粒子组成。整体呈电中性。在光谱分析中，习惯上把外观上类似火电中性。在光谱分析中，习惯上把外观上类似火焰的一类放电光源称为等离子体焰的一类放电光源称为等离子体。 电感耦合等离子体是大气压下一种气体的无电感耦合等离子
10、体是大气压下一种气体的无极放电现象，并通过一个射频发生器的耦合作用极放电现象，并通过一个射频发生器的耦合作用得以维持。得以维持。电感耦合等离子体简介（3）具有以下的特点，特别适合用作质谱法的离子源：具有以下的特点，特别适合用作质谱法的离子源：由于样品在常压下引入，因此样品的更换很方便由于样品在常压下引入，因此样品的更换很方便.引入样品中的大多数元素都能非常有效地转化为单电引入样品中的大多数元素都能非常有效地转化为单电荷离子，少数几个例外的元素是具有高的第一电离电荷离子，少数几个例外的元素是具有高的第一电离电位的元素，如氟和氦位的元素，如氟和氦.只有那些具有最低二次电离电位的元素，如钡，才能只有
11、那些具有最低二次电离电位的元素，如钡，才能观测到双电离离子观测到双电离离子.在所采用的气体温度条件下，样品的解离非常完全，在所采用的气体温度条件下，样品的解离非常完全，几乎不存在任何分子碎片几乎不存在任何分子碎片.痕量浓度就能产生很高的离子数目，因此潜在的灵敏痕量浓度就能产生很高的离子数目，因此潜在的灵敏度很高。度很高。 电感耦合等离子体简介（电感耦合等离子体简介（4 4） 电感耦合等离子体装置由等离子体炬管和电感耦合等离子体装置由等离子体炬管和高频发生器组成。三个同心管组成的等离子体高频发生器组成。三个同心管组成的等离子体炬管放在一个连接于高频发生器的线圈里。当炬管放在一个连接于高频发生器的
12、线圈里。当引入氩气时，若用一高压火花使管内气体电离，引入氩气时，若用一高压火花使管内气体电离，产生少量电子和离子，则电子和离子因受管内产生少量电子和离子，则电子和离子因受管内轴向磁场的作用，在管内空间闭合回路中高速轴向磁场的作用，在管内空间闭合回路中高速运动，碰撞中性原子和分子，使更多的气体被运动，碰撞中性原子和分子，使更多的气体被电离，很快形成等离子体。电离，很快形成等离子体。冷却气或等离冷却气或等离子气子气辅助气辅助气载气、注射器载气、注射器或雾化气或雾化气RF负载线圈负载线圈射频电压感应氩离子和电子的快速射频电压感应氩离子和电子的快速振动振动-HEAT(10,000K)载气将样品气溶胶载
13、到等载气将样品气溶胶载到等离子体中心通道，干燥、离子体中心通道，干燥、去溶、解离、原子化和电去溶、解离、原子化和电离离（6500K）.石英同心炬管石英同心炬管ICP放电中分析物的蒸发-原子化-激发-电离过程(1)蒸发过程蒸发过程，即分析物挥发为气态的过程，即分析物挥发为气态的过程。(2)离解或原子化过程离解或原子化过程，即气态分子或自由基离，即气态分子或自由基离解为自由原子的过程。解为自由原子的过程。(3)激发过程激发过程，即气态自由原子，即气态自由原子(或离子、分子或离子、分子)由低能态过渡到高能态的过程。由低能态过渡到高能态的过程。(4)电离过程电离过程，即气态自由原子失去电子变成自，即气
14、态自由原子失去电子变成自由离子的过程。由离子的过程。(5)扩散迁移过程扩散迁移过程，即气态原子、离子或分子因，即气态原子、离子或分子因扩散、迁移和对流等而离开等离子体的过程。扩散、迁移和对流等而离开等离子体的过程。ICP离子化过程雾化 去溶 蒸发 原子化 电离分子分子原子原子离离子子气溶胶气溶胶粒子粒子吸收过程吸收过程发射过程发射过程雾化过程雾化过程去溶过程去溶过程蒸发过程蒸发过程原子化原子化电离过程电离过程Mass analyzer 固体样品固体样品液体样品液体样品3. 接 口（1）接口是接口是ICPICPMSMS仪器的关键，仪器的关键，采样锥采样锥和和截取锥截取锥是其关键部件是其关键部件(
15、一个冷却的采样锥（大约一个冷却的采样锥（大约孔径）和截取锥（大约孔径）和截取锥（大约.孔孔径）组成径）组成,两孔相距两孔相距6-7mm。接口的接口的功能功能是将等离子体中的是将等离子体中的离子有效传输到离子有效传输到质谱仪质谱仪 ICP与与MS的接口示意图：的接口示意图： MS 真空泵真空泵1电感线圈电感线圈；2等离子炬等离子炬3进样嘴锥体进样嘴锥体；4分离嘴锥体分离嘴锥体质谱仪MS12Torr10-410-5Torr3. 接 口（2）在质谱计和等离子体之间存在着温度、压力和浓度的在质谱计和等离子体之间存在着温度、压力和浓度的巨大差异，前者要求在高真空和常温条件下工作（质谱技巨大差异，前者要求
16、在高真空和常温条件下工作（质谱技术要求离子在运动中不产生碰撞），而后者则是在常压和术要求离子在运动中不产生碰撞），而后者则是在常压和高温条件下工作。所以如何将高温条件下工作。所以如何将高温高温、常压常压下的等离子体中下的等离子体中的离子有效地传输到的离子有效地传输到高真空高真空、常温常温下的质谱仪，这是接口下的质谱仪，这是接口技术所要解决的技术所要解决的难题难题。必须使足够多的等离子体在这两个。必须使足够多的等离子体在这两个压力差别非常大的区域之间有效传输，而且在离子传输的压力差别非常大的区域之间有效传输，而且在离子传输的全部过程中，不应该产生任何影响最终分析结果可靠性的全部过程中，不应该产生
17、任何影响最终分析结果可靠性的反应，即样品离子在反应，即样品离子在性质和相对比例性质和相对比例上不应有变化。上不应有变化。 3. 接 口（3）离子首先通过采样锥，再进入由机械泵支持的离子首先通过采样锥，再进入由机械泵支持的第一级真空室，在此室中形成了一个第一级真空室，在此室中形成了一个超声喷射流超声喷射流。喷射流的中心部分通过截取锥孔。被吸入的含有离喷射流的中心部分通过截取锥孔。被吸入的含有离子的气体以超声速度仅在几微秒内就膨胀并进入第子的气体以超声速度仅在几微秒内就膨胀并进入第一级真空室而到达截取锥孔。科学家们研究了采样一级真空室而到达截取锥孔。科学家们研究了采样过程和自由喷射膨胀过程，通过计
18、算得出等离子体过程和自由喷射膨胀过程，通过计算得出等离子体的组成在最初的膨胀阶段处于的组成在最初的膨胀阶段处于“冻结冻结”状态，在适当状态，在适当的位置可以截取到保持的位置可以截取到保持“原始原始”状态的离子。适当的状态的离子。适当的位置就是自由膨胀的位置就是自由膨胀的“静止区静止区”，在此区域几乎没有，在此区域几乎没有发生离子电子的再复合或碰撞激发过程。所以采发生离子电子的再复合或碰撞激发过程。所以采样锥和截取锥之间的距离是非常重要的参数。截取样锥和截取锥之间的距离是非常重要的参数。截取锥很陡，它选择来自第一锥孔的膨胀射流的中心部锥很陡，它选择来自第一锥孔的膨胀射流的中心部分。分。(锥孔大，
19、氧化物干扰严重锥孔大，氧化物干扰严重)。4. 静电透镜系统l离子、光子和中性粒子全部通过接口进入 质谱仪检测器对光子中性粒子以及离子都很敏感l离子是带电粒子可以用电场使其偏转 l光子以直线传播l如离子以离轴方式偏转, 就可以将其与非带电粒子（光子和中性粒子）分离离子透镜的作用透镜系统是由串联在一起的一些电极组成，透镜系统是由串联在一起的一些电极组成，其作用是将离子其作用是将离子限制在通向质量分析器的路径上。也就是将来自截取锥的离限制在通向质量分析器的路径上。也就是将来自截取锥的离子聚焦到质量过滤器子聚焦到质量过滤器.拒绝中性原子并减少来自拒绝中性原子并减少来自ICP的光子的光子通过通过.早期设
20、计是采用早期设计是采用光子阻挡片光子阻挡片阻挡光子，加在中心阻挡片阻挡光子，加在中心阻挡片上的电压可以调节，使其周围的离子安全偏转。但还是有上的电压可以调节，使其周围的离子安全偏转。但还是有50%80%的离子可能在此损失。的离子可能在此损失。后来采用后来采用“离轴离轴”设计减少光子。离子传输效率高，背景设计减少光子。离子传输效率高，背景低。优于中心光子阻挡片。低。优于中心光子阻挡片。为什么“离轴”？l检测器必须不受等离子体的影响等离子体是产生光子和其它一些粒子的强光源电子倍增器对光子/中性粒子敏感l通常办法是在光路上放置一金属圆盘“光子挡板“影子挡板l但是 用这种 “光子挡板” 或 “影子挡板
21、“，必须将离子散焦在圆盘的周围 ，然后再将离子重新聚焦这种办法效率很低而且会产生质量偏倚ICP-MS仪器结构图（离轴型）5. 质谱分析器（四级杆） 利用静电透镜系统将穿过截取锥的离子拉出来，利用静电透镜系统将穿过截取锥的离子拉出来，输送到四极杆滤质器。四极杆的工作是基于在输送到四极杆滤质器。四极杆的工作是基于在四根电极之间的空间产生一随时间变化的特殊四根电极之间的空间产生一随时间变化的特殊电场，只有给定的电场，只有给定的离子才能获得稳定的离子才能获得稳定的路径而通过极棒，从其另一端出射。其它离子路径而通过极棒，从其另一端出射。其它离子将被过分偏转，与极棒碰撞，并在极棒上被中将被过分偏转，与极棒
22、碰撞，并在极棒上被中和而丢失。四极杆扫描速度很快，大约每和而丢失。四极杆扫描速度很快，大约每毫秒可扫描整个元素覆盖的质量范围。毫秒可扫描整个元素覆盖的质量范围。 5. 质谱分析器 ICP-MS ICP-MS采用的是采用的是三级动态真空系统三级动态真空系统，使真空逐级达到要求值。采样锥与截取之使真空逐级达到要求值。采样锥与截取之间的第一级真空约间的第一级真空约10102 2PaPa，由机械泵维持，由机械泵维持，离子透镜区为第二级真空离子透镜区为第二级真空( (1010- -4 4PaPa) )，由扩，由扩散泵或涡轮分子泵实现，四极杆和检测器散泵或涡轮分子泵实现，四极杆和检测器部分为第三级真空（部
23、分为第三级真空（1010- -6 6PaPa），也由扩散），也由扩散泵或分子涡轮泵实现，泵或分子涡轮泵实现，真空度直接影响离真空度直接影响离子传输效率、质谱波形及检测器寿命子传输效率、质谱波形及检测器寿命。5. 质谱分析器四级杆的一对极棒为正，另一对极棒为负。施加在每对极棒上的电压都具有同样的幅度，但符号相反在正极棒平面中，较轻的离子有被过分偏转并与极棒相撞的倾向，而较重的离子则有较稳定的路径。在此平面中，四级杆相当于一个高质量过滤器在负极棒平面，较重的离子有优先被丢失的倾向，而较轻的离子则有较稳定的路径，因此，四级杆在负极杆平面的作用又相当于一个低质量过滤器四极杆(滤质器) 四极滤质器由四根
24、平行的金属杆组成，其排布见左图所示。被加速的离子束穿过对准四根极杆之间空间的准直小孔。通过在四极上加上直流电压U和射频电压Urf，在极间形成一个射频场，离子进入此射频场后，会受到电场力作用，只有合适m/z 的离子才会通过稳定的振荡进人检测器。 只要改变U和Urf并保持U/ Urf比值恒定时，可以实现不同m/z的检测。 6. 检测器通道式电子倍增器通道式电子倍增器不连续打拿极电子倍增器不连续打拿极电子倍增器Daly检测器（寿命长达数年）检测器（寿命长达数年）法拉第杯检测器法拉第杯检测器（没有增益的金属电极，用于扩展动态范围上限）注：电子倍增器通常有一个有限的寿命，他取决于总的累计放电，即（输入离
25、子增益）。超过这个寿命，内表涂层耗尽，倍增器需更换。检测器在大多数设计中，采用离子计数连续打拿极电子倍增器，每个入射离子可以产生近每个入射离子可以产生近108个电子的电荷脉冲个电子的电荷脉冲。检测器l电子倍增器不连续（分立）电子倍增检测器 (ETP)n每个打拿极给出电子的“级联放大n- 信号被放大AmpDynodeElectronsIonM+e-e-M+1.4ICP-MS在环境监测中的应用：在环境监测中的应用：1.稀土元素的测定“七五”期间我国在土壤背景值调查中，利用ICP-AES测定土壤中各稀土元素含量，前处理复杂，易引入基体干扰导致测定误差。使用HR-ICP-MS法，土壤消解后不用浓缩和分
26、离，可直接进行高灵敏度测定。2.天然水中重金属元素的测定硝酸-H2O2消解3.在大气粉尘中微量金属测定中的应用微波消解法从一般空气颗粒物中各金属元素的浓度和ICP-MS分析方法的灵敏度综合考虑，将待测金属元素分为两组：第一组：Na、Ca、Al、V、Mn、Fe、Zn、Pb第二组：Ti、Cr、Co、Ni、Cu、As、Se、Ag、Cd、 Sb、Ce、W第一组大气中浓度较高，ICPMS灵敏度也高，可稀释后测定第二组含量较低，一般不用稀释直接测定。4.其他环境样品中的元素分析生物样品、食物、固废等样品中重金属元素含量和形态分析1.5 MIP-MSMIP：微波等离子体，属于低温非平衡等离子技术MIP-MS
27、与ICP-MS相比，干扰更少ICP-MS：使用氩气，形成许多Ar和Ar的分子离子存在，形成复杂的背景MIP-MS：使用氮气，这样质量大于47的背景峰很小。1.6 GC-ICP-MS将具有高分辨率和高分离效率的将具有高分辨率和高分离效率的GC与与ICP-MS的的高灵敏度、高基体耐受量及同位素比测定能力相高灵敏度、高基体耐受量及同位素比测定能力相结合的方法。用于测定痕量和超痕量有机金属污结合的方法。用于测定痕量和超痕量有机金属污染物。染物。1、仪器设备：、仪器设备：这套设备主要由这套设备主要由GC、GC与与ICP接口、接口、ICP-MS组成。组成。GC与与ICP之间的接口可简单地用一短的传输管之间
28、的接口可简单地用一短的传输管线连接线连接GC出口端与出口端与ICP管座底部加以实现。管座底部加以实现。气相色谱毛细管气相色谱毛细管不锈钢接口管不锈钢接口管等离子炬管座等离子炬管座加热器加热器尾吹气体尾吹气体温度传感器温度传感器全加热型接口全加热型接口商品全加热型接口商品全加热型接口GC-ICP-MS的应用可用来测定有机锡化合物，但测定之前要进行萃取和衍生化处理。ICP-MS仅作为GC的检测器有些浪费，开发其他价廉的有机金属检测器已成为重要课题。1.7 IC-ICP-MSICP-MS对砷化物有较高的检测灵敏度，与离子色谱联用可有效测定砷化物的含量及形态。2. GC-MS2.1 仪器结构2.2 接
29、口技术 (1)隙透式分离器隙透式分离器GCMS 真空泵真空泵 (2) 喷射式分离器喷射式分离器抽抽真真空空抽抽真真空空GCMS 约约10Pa10-2Pa第一级喷嘴第一级喷嘴第二集喷嘴第二集喷嘴GC-MS视频资料视频资料3.LC-MS3.1 LC-MS系统应满足的条件系统应满足的条件1）要求流动相的流量要达到几）要求流动相的流量要达到几ml/min,流动相的种流动相的种类要相对类要相对固定固定，要能够进行，要能够进行梯度梯度淋洗。淋洗。2）MS仪主机能经常保持高真空，而且不能受到测仪主机能经常保持高真空，而且不能受到测定体系之外物质的污染。应能使用通常的几种离定体系之外物质的污染。应能使用通常的
30、几种离子化方法，能够进行高分辨的质谱测定和高灵敏子化方法，能够进行高分辨的质谱测定和高灵敏度检测。度检测。3）从）从LC洗脱的成分应能洗脱的成分应能稳定、连续、再现稳定、连续、再现地导入地导入MS中，在接口处不引起分子的中，在接口处不引起分子的分解分解及及吸附吸附，不能，不能因为存在因为存在死空间死空间而导致而导致质谱峰变宽质谱峰变宽。3.2 接口技术1）滑动带式（间接导入法）：开发较早2）直接导入式：烧结体法（2m小孔，FAB源）热喷射离子法：150400金属喷嘴（内径0.10.15mm）在脱溶剂过程中实现试样成分的离子化。稳定性好，离子化效果好，目前应用较多。大气压离子化方式较早开发，在大
31、气压下使洗脱液气化-离子化。真空喷雾法洗脱液（4080L/min）在减压情况下从熔融石英毛细管（内径12m，外径0.12mm）的喷嘴喷出，加热脱溶剂后导入MS离子源。MAGIC法（单分散雾化发生法连接LC-MS）常压下洗脱液用内径为10m的玻璃喷嘴自压喷出，再用分散气体进一步雾化成细雾。通过与真空喷雾接口相同原理的分离器，脱溶剂后进入离子源电子喷射离子化法在注射针中将洗脱液加几千伏的高压，在常压下液体将从注射针头喷雾并离子化，这就是电子喷射（ESI）现象。流动FAB(快速原子轰击）离子化法-溶质通常分散在丙三醇等基体中，用高速Ar或Xe气撞击进行离子化。接口是由熔融石英毛细管及其端部的伞属烧结
32、体构成。-对于受热不稳定、强极性、难挥发的大分子量化合物分析具有特殊用途。4.GC-FTIR红外光谱概述傅里叶红外光谱仪的结构傅里叶红外光谱的优缺点GC-FTIR在环境监测中的应用1. 定定义义：红红外外光光谱谱又又称称分分子子振振动动转转动动光光谱谱，属属分分子子吸吸收收光光谱谱。样样品品受受到到频频率率连连续续变变化化的的红红外外光光照照射射时时，分分子子吸吸收收其其中中一一些些频频率率的的辐辐射射，分分子子振振动动或或转转动动引引起起偶偶极极矩矩的的净净变变化化，使使振振-转转能能级级从从基基态态跃跃迁迁到到激激发发态态，相相应应于于这这些些区区域域的的透透射射光光强强减减弱弱，记记录录
33、百百分分透透过过率率T%对对波波数数或或波波长长的的曲曲线，即为红外光谱。线，即为红外光谱。 主主要要用用于于化化合合物物鉴鉴定定及及分分子子结结构构表表征征，亦亦可可用用于于定定量量分析。分析。4.1概述概述红外光谱的表示方法：红外光谱的表示方法： 红外光谱以红外光谱以T 或或T 来表示，下图为苯酚的红外光谱。来表示，下图为苯酚的红外光谱。T(%)注意换算公式：注意换算公式：2. 红外光区划分红外光区划分红外光谱红外光谱(0.751000 m)远红外远红外(转动区转动区)(25-1000 m)中红外中红外(振动区振动区)(2.525 m)近红外近红外(泛频）泛频）(0.752.5 m)倍频倍
34、频分子振动转动分子振动转动分子转动分子转动分区及波长范围分区及波长范围 跃迁类型跃迁类型（常用区）（常用区）131584000/cm-140010/cm-14000400/cm-13. 红外光谱特点红外光谱特点1）红外吸收只有振）红外吸收只有振-转跃迁，能量低；转跃迁，能量低；2）应应用用范范围围广广：除除单单原原子子分分子子及及单单核核分分子子外外，几几乎乎所所有有有有机物均有红外吸收；机物均有红外吸收；3）分分子子结结构构更更为为精精细细的的表表征征：通通过过IR谱谱的的波波数数位位置置、波波峰峰数目及强度确定分子基团、分子结构；数目及强度确定分子基团、分子结构；4）定量分析；）定量分析；
35、5）固、液、气态样均可用，且用量少、不破坏样品；）固、液、气态样均可用，且用量少、不破坏样品；6）分析速度快。）分析速度快。7）与色谱等联用）与色谱等联用（GC-FTIR）具有强大的定性功能。具有强大的定性功能。条件二：条件二：辐射与物质之间必须有耦合作用辐射与物质之间必须有耦合作用磁场磁场电场电场交变磁场交变磁场 分子固有振动分子固有振动 a a偶极矩变化偶极矩变化（能级跃迁）（能级跃迁）耦合耦合不耦合不耦合红外吸收红外吸收无偶极矩变化无偶极矩变化无红外吸收无红外吸收2）分子振动分子振动双原子分子振动双原子分子振动分子的两个原子以其平衡点为中心，以很小的振幅（与核间距相比）作分子的两个原子以
36、其平衡点为中心，以很小的振幅（与核间距相比）作周期性周期性“简谐简谐”振动，振动，多原子分子的振动多原子分子的振动多原子分子的振动更为复杂（原子多、化学键多、空间结构复杂），但多原子分子的振动更为复杂（原子多、化学键多、空间结构复杂），但可将其分解为多个简正振动来研究。可将其分解为多个简正振动来研究。简正振动简正振动整个分子质心不变、整体不转动、各原子在原地作简谐振动且频率及位整个分子质心不变、整体不转动、各原子在原地作简谐振动且频率及位相相同。此时分子中的任何振动可视为所有上述简谐振动的线性组合。相相同。此时分子中的任何振动可视为所有上述简谐振动的线性组合。简正振动基本形式简正振动基本形式-
37、伸缩振动伸缩振动 ：原子沿键轴方向伸缩，键长变化但键角不变的振动。：原子沿键轴方向伸缩，键长变化但键角不变的振动。-变形振动变形振动 ：基团键角发生周期性变化，但键长不变的振动。又称：基团键角发生周期性变化，但键长不变的振动。又称弯曲振动或变角振动。弯曲振动或变角振动。下图给出了各种可能的振动形式（以甲基和亚甲基为例）。下图给出了各种可能的振动形式（以甲基和亚甲基为例）。4.2 傅里叶红外光谱仪的结构它是利用光的相干性原理而设计的干涉型红外分光光度仪。它是利用光的相干性原理而设计的干涉型红外分光光度仪。仪器组成为：仪器组成为：红外光源摆动的凹面镜摆动的凹面镜迈克尔逊干扰仪检测器样品池参比池同步
38、摆动干涉图谱计算机解析红外谱图还原M1BSIIIM2D单色光单色光单色光单色光二色光二色光多色光多色光单、双及多色光的干涉示意图单、双及多色光的干涉示意图多色干涉光经样品吸收后的干涉图多色干涉光经样品吸收后的干涉图(a)及其及其Fourier变换后的红外光谱图变换后的红外光谱图(b)4.3 FTIR的优缺点1.优点：测量精度高杂散光低分辨率高光通量大信号多路传输测定速度快测定波段宽2.缺点：光阑的影响相位误差的影响机械振动的影响4.4 GC-FTIR在环境监测中的应用1.在水质分析中的应用Shaler利用GC-FTIR测定化工厂中的废水测定出了九种取代的芳香化合物利用XAD-2大网状中性聚苯乙
39、烯树脂进行富集，再用二乙醚洗提后进GC-FTIR分析，可测定微克/升级的氯苯、丁醚等有机物（扫描波数2000800cm-1），以及艾氏剂、林丹、DDT等有机氯农药（200800cm-1）2. 在大气环境监测中的应用3.在突发性环境污染事故应急监测中的应用4. 在遥感监测中的应用。5. X射线荧光分析法5.1X射线荧光法原理射线荧光法原理1. X射线的产生X射线是一种短波长射线是一种短波长(0.00510nm)、高能量、高能量(2.5105 1.2102eV)的电磁波。它是原子内层电子在高速的电磁波。它是原子内层电子在高速运动电子流冲击下，产生跃迁而发射的电磁辐射。运动电子流冲击下，产生跃迁而发
40、射的电磁辐射。 X射线有连续射线有连续X射线和特征射线和特征X射线。射线。连续连续X射线射线连续连续X射线由高真空度的射线由高真空度的X射线管产生。射线管产生。 X射线管有一个热阴极和射线管有一个热阴极和一个阳极（靶）。当热阴极发射出热电子后，电子在几万压伏一个阳极（靶）。当热阴极发射出热电子后，电子在几万压伏的高压电场下被加速，电子流撞击到阳极靶上的高压电场下被加速，电子流撞击到阳极靶上.当高速电子撞击当高速电子撞击靶面时，受到靶材料原子核的库仑力作用而突然减速，使电子靶面时，受到靶材料原子核的库仑力作用而突然减速，使电子周围电磁场发生急剧变化。电子的部分动能转变为周围电磁场发生急剧变化。电
41、子的部分动能转变为X射线辐射射线辐射能。由于撞击到阳极靶上的电子并不都是以同样的方式受到原能。由于撞击到阳极靶上的电子并不都是以同样的方式受到原子核的库仑力作用，其中有些电子在一次碰撞中立即释放出全子核的库仑力作用，其中有些电子在一次碰撞中立即释放出全部能量而停止运动，有些电子则与靶材料发生多次碰撞才逐步部能量而停止运动，有些电子则与靶材料发生多次碰撞才逐步失去动能而停止运动，从而产生了不同波长的失去动能而停止运动，从而产生了不同波长的X射线。对于大射线。对于大量电子射到靶材料来讲，其能量损失或转变是一个随机变量，量电子射到靶材料来讲，其能量损失或转变是一个随机变量，因而产生各种波长的连续因而
42、产生各种波长的连续X 射线。射线。特征特征X射线射线当当X射线管电压提高到一定的程度射线管电压提高到一定的程度(如钼靶在如钼靶在25kv)时，就会在一定的波长处出现强度很大的特征谱时，就会在一定的波长处出现强度很大的特征谱线叠加在连续线叠加在连续X射线上，即称为特征射线上，即称为特征X射线。射线。特征特征X射线波长与入射电子或连续射线波长与入射电子或连续X 射线能量无射线能量无关，只取决于靶材料。不同元素材料的靶，其原关，只取决于靶材料。不同元素材料的靶，其原子结构不同，各层电子能量亦不同，因而特征子结构不同，各层电子能量亦不同，因而特征X射线波长各不相同。射线波长各不相同。X X射线的发现和
43、广泛应用是廿世纪科学发展射线的发现和广泛应用是廿世纪科学发展中最伟大成就之一中最伟大成就之一围绕围绕X射线发现、射线发现、发展和应用而发展和应用而进行科研工作进行科研工作的科学家获诺的科学家获诺贝尔奖的就有贝尔奖的就有近卅人之多近卅人之多X射线衍射法射线衍射法结构测定结构测定X射线荧光光谱射线荧光光谱成分分析成分分析19011901年年 伦琴伦琴( (英英) ) 获诺贝尔物理奖获诺贝尔物理奖19141914年年 劳埃劳埃( (德德) ) 获诺贝尔物理奖获诺贝尔物理奖19151915年年 布拉格父子布拉格父子( (英英) ) 获诺贝尔物理奖获诺贝尔物理奖19361936年年 德拜德拜( (英英/
44、 /荷荷) ) 获诺贝尔化学奖获诺贝尔化学奖19621962年年 奥森等奥森等3 3人人 获诺贝尔生物奖获诺贝尔生物奖1964年年霍奇金霍奇金( (英英/ /埃埃) ) 获诺贝尔化学奖获诺贝尔化学奖19851985年年 豪普特曼等豪普特曼等2 2人人 获诺贝尔化学奖获诺贝尔化学奖2.X射线荧光光谱分析的基本原理当样品中元素的原子受到高能X射线照射时,即发射出具有一定特征的X射线谱,特征谱线的波长只与元素的原子序数(Z)有关（Moseley s Law),而与激发X射线的能量无关.谱线的强度和元素含量的多少有关,所以测定谱线的波长,就可知道试样中包含什么元素,测定谱线的强度,就可知道该元素的含量
45、.X X射线荧光的种类射线荧光的种类 入射的入射的X X射线具有相对大的能量射线具有相对大的能量, ,该能量可以轰该能量可以轰击出元素原子内层中的电子击出元素原子内层中的电子. .K K层空缺时层空缺时, ,电子由电子由L L层跃迁入层跃迁入K K层层, ,辐射出的特征辐射出的特征X X射线称为射线称为 线线; ;从从M M层跃迁入层跃迁入K K层层, ,辐射出的特征辐射出的特征X X射线称为射线称为 线线. .同理同理L L系系X X射线也具有射线也具有 等等特征特征X X射线射线.X.X射线荧光光谱法多采用射线荧光光谱法多采用K K系系L L系荧光系荧光, ,其他线系较少采用其他线系较少采
46、用. .5.2 XRF的特点谱线简单：光谱单纯，不易重叠，基体效应小。分析灵敏度高:大多数元素检出限达10-510-8g/g分析元素范围宽:BU(592)定量分析线性范围宽:从常量至微量分析方法的精密度高:误差一般在5%以内制样简单:固体,粉末,液体,无损分析分析速度快：20100s5.3 X X射线荧光光谱仪射线荧光光谱仪1.1.种类种类波长色散型波长色散型: :分光元件分光元件( (分光晶体分光晶体+ +狭缝狭缝););特点特点: :分辨率好分辨率好, ,定性分析容易定性分析容易( (谱线重叠少谱线重叠少););分分析元素为析元素为 灵敏度低灵敏度低. .能量色散型能量色散型: :半导体检
47、测器半导体检测器( (锂漂移硅探测器，锂漂移硅探测器，锂漂移锗探测器，高能锗探测器、锂漂移锗探测器，高能锗探测器、SiSi-PIN-PIN光电光电二极管探测器等）二极管探测器等）; ;特点：分辨率差特点：分辨率差, ,定性较难定性较难( (谱线重叠多谱线重叠多),),分析元分析元素为素为 灵敏度高灵敏度高. .需液氮冷却需液氮冷却. .2.X X射线荧光光谱仪器组成射线荧光光谱仪器组成X X射线发生系统射线发生系统: :产生初级高强产生初级高强X X射线射线, ,用于激发样品用于激发样品; ;冷却系统冷却系统: :用于冷却产生大量热的用于冷却产生大量热的X X射线管射线管; ;样品传输系统样品
48、传输系统: :将放置在样品盘中的样品传输到测定位置将放置在样品盘中的样品传输到测定位置; ;分光检测系统分光检测系统: :把样品产生的把样品产生的X X射线荧光用分光元件和检测射线荧光用分光元件和检测器进行分光器进行分光, ,检测检测; ;计数系统计数系统: :统计统计, ,测量由检测器测出的信号测量由检测器测出的信号, ,同时也可以除同时也可以除去过强的信号和干扰线去过强的信号和干扰线; ;真空系统真空系统: :将样品传输系统和分析检测系统抽成真空将样品传输系统和分析检测系统抽成真空, ,使检使检测在真空中进行测在真空中进行( (避免强度的吸收损失避免强度的吸收损失););控制和数据处理系统
49、控制和数据处理系统: :对各部分进行控制对各部分进行控制, ,并处理统计测量并处理统计测量的数据的数据, ,进行定性进行定性, ,定量分析定量分析, ,打印结果打印结果. .5.4 试样的制备方法1.粉状物粉状试样的制备方法一般是：取样干燥粉碎加压成型测定，见下页表2.液体试样使用专用容器，直接X射线照射，检测限较高mg/L级，常用DDTC络合法浓缩后分析。3.气体试样主要用于测定大气颗粒物种的金属元素。先用大流量空气采样器捕集，然后湿法消解浓缩后测定。5.5 定性定量分析方法1. 定性方法基本原理基本原理: :试样发出的试样发出的X X荧光射线波长与元荧光射线波长与元素的原子序数存在一定关系
50、素的原子序数存在一定关系, ,即元素的原子即元素的原子序数增加序数增加,X,X射线荧光的波长变短射线荧光的波长变短, ,关系式为关系式为式中式中K ,S:K ,S:随不同谱线系列而定的常数随不同谱线系列而定的常数;Z:;Z:原原子序数子序数. .以波长色散以波长色散XRFXRF为例。从试样发出的为例。从试样发出的X X射线荧射线荧光具有所含元素的固有波长光具有所含元素的固有波长, ,该波长可用该波长可用BraggBragg公式表示公式表示:X X射线荧光分析是已知分光晶体的晶面间距射线荧光分析是已知分光晶体的晶面间距d,d,测测定分光晶体对样品发射出的定分光晶体对样品发射出的X X射线荧光的衍
51、射角射线荧光的衍射角, ,然后求出然后求出X X射线荧光的波长射线荧光的波长. .由此确定元素由此确定元素的种类的种类, ,进行元素分析进行元素分析. .通常被检测通常被检测X X射线荧光的射线荧光的位置不用波长表示位置不用波长表示, ,而是用而是用2 2表示表示. .选择测定条件选择测定条件: :测定的测定的X X射线射线: :4949InIn以下元素以下元素K K；5050SnSn以上元素以上元素L L管电压管电流：管电压管电流：RhRh靶，靶，3kW 40kV,70mA3kW 40kV,70mA；4kW4kW，40kV,95mA40kV,95mA分光晶体：一般地，分光晶体：一般地，FMg
52、FMg用用TPATPA晶体，晶体，AlSiAlSi用用PETPET晶体，晶体，PArPAr用用GeGe晶体，晶体，KUKU用用LiFLiF晶体晶体扫描速度：一般为扫描速度：一般为8/min谱图解析谱图解析: :1)1)除掉靶发射的所有射线除掉靶发射的所有射线2)2)查找查找K K( (4949InIn以下元素以下元素) )或或L L( (5050SnSn以上元素以上元素),),与标与标样相应的样相应的2 2比较，初步判断比较，初步判断3)3)若存在若存在K K或或L L线，则需进行强度比的计算以确定线，则需进行强度比的计算以确定该元素的存在该元素的存在4)4)微量元素，有时只存在微量元素，有时
53、只存在K K线线. .2. 定量方法因为射线荧光分析得到的是相对分析值，所以进行定量分析时需要标样选定分光晶体和检测器，统计测量样品发出的射线荧光的强度，将已知含量的标准样品和未知样品在同一条件下测定，确定未知样品的含量常用的有标准曲线法，标准加入法和内标法等。6.气相分子吸收光谱6.1气相分子吸收光谱法的测定原理气相分子吸收光谱法的测定原理气相分子吸收光谱（GPMAS）是基于被测成分所分解成的气体对辐射光的吸收强度与被测成分浓度的关系遵守光吸收定律这一原则来进行定量测定的；根据吸收波长不同，也可以用来进行定性分析。测定过程：测定过程：对液体和固体样品，将被测成分从液相/固相中分解成气体，用载
54、气（一般为空气）载入气相分析吸收光谱仪的测量系统测定吸光度。对于气体则直接导入，然后与标准溶液或标准气体的吸光度对比，得出测定结果。适用范围：适用范围：固、液、气。比较适合阴离子和一些酸根离子的测定。GPMAS的特点与常用的分光光度法相比较，本方法测定速度极快，测定结果准确可靠，测定样品成分浓度范围宽，方法抗干扰性强，不需要进行复杂的化学分离，且不受样品颜色和混浊物的影响。6.2 GPMAS仪器6.3 在环境监测中的应用本方法是20世纪70年代兴起的，最早用于测定SO2，之后陆续测定了I2、Br2、H2S、HCN、NO2、NO等污染物。在水质分析方面，可用于测定NO2-N、NO3-N、氨氮、凯
55、氏氮、总氮、硫化物（已纳入水和废水监测分析方法第四版）、SO32-、和Cl-等。6.3.1 NO2-NNO2-在酸性介质中易分解为NO2和NO，但分解速度较慢，气相中气体浓度小，不能对紫外光产生有效吸收，mg/L级的NO2-N仍无法检出。可通过加入甲醇、乙醇或甲醛等催化剂，加速分解反应，可使产生密集的NO2气体载入吸光管，大大提高了测定灵敏度，使检出限达到0.5g/L，RSD1%，加标回收率98%102%。此方法已经成功用于长江水、海水、饮用水、工业用水和某些废水中亚硝酸盐的测定。6.3.2 NO3-N在酸性介质中采用亚钛离子（）可使硝酸盐被还原为NO气体，在204.7nm、214.8nm和2
56、26.2nm产生三个窄带吸收峰。一般使用镉空心阴极灯，采用214.4nm的波长进行测定。常温下分解较慢，水浴中加热到702时可瞬间被还原，检出限达0.6g/L， RSD2%，加标回收率97.4%104%用于地面水、井水、海水、饮用水和某些工业废水的测定6.3.3氨氮将水样加入高浓度的NaOH溶液中，加热条件下用N2将NH3吹出测定。但有机胺也在强碱性条件下转化为NH3，是测定结果偏高很多。用次溴酸钠将NH4+氧化成NO2-，然后按照NO2-N的测定方式进行测定。氧化率为98%100%。虽然此法比上面的方法速度慢，但灵敏度高、精密度和准确度均好，而且容易掌握。但也应考虑有机胺的氧化，所以之前水样
57、根据需要进行蒸馏预处理。另外水样中NO2-N也应扣除。6.3.4 硫化物 水中硫化物包括溶解性的H2S、HS-、S2-和存在于悬浮物中的可溶性硫化物、酸可溶性金属硫化物以及未电离的有机和无机硫化物。这些硫化物可被较强的酸(5-10的磷酸)酸化分解，生成挥发性的H2S气体。用空气将其载入气相分子吸收光谱仪的测量系统，在200nm附近测定吸光皮来进行水和污水中硫化物的快速测定。若水样基体复杂，含干扰成分多，则采用快速沉淀过滤与吹气分离的双重去除干扰手段来进行测定。检出限达0.5g/L，检测上限10mg/L，加标回收率100%102%， RSD1%，应用于各种水样。7. 分子发光分析化化学学发发光光
58、分分析析法法荧荧光光分分析析法法磷磷光光分分析析生生物物发发光光分分析析法法7.1 7.1 荧光与磷光分析法荧光与磷光分析法7.1.1 原理：分子发光：处于基态的分子吸收能量（电、热、化学和光能等）被激发至激发态，然后从不稳定的激发态返回 至基态并发射出光子，此种现象称为发光。发光分析 包括荧光、磷光、化学发光、生物发光等。物质吸收光能后所产生的光辐射称之为荧光和磷光。分子荧光/磷光分析法是根据物质的分子荧光/磷光光谱进行定性，以荧光/磷光强度进行定量的一种分析方法。7.1.2荧光和磷光的产生荧光和磷光的产生处于分子基态单重态中的电子对，其自旋方向相反，当其处于分子基态单重态中的电子对，其自旋
59、方向相反，当其中一个电子被激发时，通常跃迁至第一激发态单重态轨道中一个电子被激发时，通常跃迁至第一激发态单重态轨道上，也可能跃迁至能级更高的单重态上。如果跃迁至第一上，也可能跃迁至能级更高的单重态上。如果跃迁至第一激发三重态轨道上，则属于禁阻跃迁。单重态与三重态的激发三重态轨道上，则属于禁阻跃迁。单重态与三重态的区别在于电子自旋方向不同，激发三重态具有较低能级。区别在于电子自旋方向不同，激发三重态具有较低能级。在单重激发态中，两个电子平行自旋，单重态分子具有抗在单重激发态中，两个电子平行自旋，单重态分子具有抗磁性，其激发态的平均寿命大约为磁性，其激发态的平均寿命大约为10-8s，而三重态分子具
60、而三重态分子具有顺磁性，其激发态的平均寿命为有顺磁性，其激发态的平均寿命为10-41s以上（通常用以上（通常用S和和T分别表示分别表示单重态单重态和和三重态三重态）。）。处于激发态的电子，通常以处于激发态的电子，通常以辐射跃迁方式辐射跃迁方式或或无辐无辐射跃迁方式射跃迁方式再回到基态。辐射跃迁主要涉及到荧再回到基态。辐射跃迁主要涉及到荧光、延迟荧光或磷光的发射；光、延迟荧光或磷光的发射；无辐射跃迁则是指无辐射跃迁则是指以热的形式辐射其多余的能量，包括振动弛豫以热的形式辐射其多余的能量，包括振动弛豫（VR）、）、内部转移（内部转移（IR）、）、系间窜跃（系间窜跃（IX）及外及外部转移（部转移（E
61、C）等等，各种跃迁方式发生的可能性及，各种跃迁方式发生的可能性及程度，与荧光物质本身的结构及激发时的物理和程度，与荧光物质本身的结构及激发时的物理和化学环境等因素有关。化学环境等因素有关。设处于基态单重态设处于基态单重态S0中的电子吸收波长为中的电子吸收波长为1 1和和2 2的辐射光之后，分别激发至第二单重态的辐射光之后，分别激发至第二单重态S2及第及第一单重态一单重态S1。 荧光、磷光荧光、磷光能级图能级图振动弛豫振动弛豫S0S1S2T1吸光1吸光2振动弛豫振动弛豫在同一电子能级中，在同一电子能级中，电子由高振动能级电子由高振动能级转至低振动能级，转至低振动能级，而将多余的能量以而将多余的能
62、量以热热的形式发出。的形式发出。发生振动弛豫的时发生振动弛豫的时间为间为10-12s数量级数量级内转移内转移当当两个电子能级两个电子能级非非常靠近以至其振动能级常靠近以至其振动能级有有重叠重叠时，常发生电子时，常发生电子由高能级以由高能级以无辐射跃迁无辐射跃迁方式方式转移至低能级。右转移至低能级。右图中指出，处于高激发图中指出，处于高激发单重态的电子，通过内单重态的电子，通过内转移及振动弛豫，均跃转移及振动弛豫，均跃回到第一激发单重态的回到第一激发单重态的最低振动能级。最低振动能级。 荧光、磷光荧光、磷光能级图能级图S0S1S2T1吸光1吸光2内转移内转移荧光发射荧光发射处于第一激发单重处于第
63、一激发单重态中的电子跃回至基态各态中的电子跃回至基态各振动能级时，将得到最大振动能级时，将得到最大波长为波长为3 3的荧光。注意：的荧光。注意：基态中也有振动驰豫跃迁基态中也有振动驰豫跃迁。很明显，很明显，3 3的波长较激发的波长较激发波长波长1 1或或2 2都长，而且不都长，而且不论电子开始被激发至什么论电子开始被激发至什么高能级，最终将只发射出高能级，最终将只发射出波长波长3 3为的荧光。荧光的为的荧光。荧光的产生在产生在1010-7-7-10-10-9-9s内完成。内完成。 荧光、磷光荧光、磷光能级图能级图S0S1S2T1吸光1吸光2荧光3荧光荧光系间窜跃系间窜跃指指不同多重态间不同多重
64、态间的的无辐射跃迁无辐射跃迁，例如，例如S1T1就是一种系间窜就是一种系间窜跃。通常，发生系间窜跃。通常，发生系间窜跃时，电子由跃时，电子由S1的较低的较低振动能级转移至振动能级转移至T1的较的较高振动能级处。有时，高振动能级处。有时，通过热激发，有可能发通过热激发，有可能发生生T1S1，然后由然后由S1发发生荧光。这是产生延迟生荧光。这是产生延迟荧光的机理。荧光的机理。荧光、磷光荧光、磷光能级图能级图S0S1S2T1吸光1吸光2荧光3系间窜跃系间窜跃磷光发射磷光发射电子由基态单重态激发至第电子由基态单重态激发至第一激发三重态的几率很小，因为一激发三重态的几率很小，因为这是禁阻跃迁。但是，由第
65、一激这是禁阻跃迁。但是，由第一激发单重态的最低振动能级，有可发单重态的最低振动能级，有可能以系间窜跃方式转至第一激发能以系间窜跃方式转至第一激发三重态，再经过振动驰豫，转至三重态，再经过振动驰豫，转至其最低振动能级，由此激发态跃其最低振动能级，由此激发态跃回至基态时，便发射磷光，这个回至基态时，便发射磷光，这个跃迁过程（跃迁过程（T1S0）也是自旋禁阻也是自旋禁阻的，其发光速率较慢，约为的，其发光速率较慢，约为10-4-10s。因此，这种跃迁所发射的光，因此，这种跃迁所发射的光，在光照停止后，仍可持续一段时在光照停止后，仍可持续一段时间间。荧光、磷光荧光、磷光能级能级图图S0S1S2T1吸光1
66、吸光2荧光3磷光磷光磷光外转移外转移 指激发分子与溶剂分子或其它溶质分子的相互指激发分子与溶剂分子或其它溶质分子的相互作用及能量转移，使荧光或磷光强度减弱甚至消作用及能量转移，使荧光或磷光强度减弱甚至消失。这一现象称为失。这一现象称为“熄灭熄灭”或或“猝灭猝灭”。荧光与磷光的根本荧光与磷光的根本区别区别： 荧光荧光是由激发是由激发单重态单重态最低振动能层至基态各振最低振动能层至基态各振动能层间跃迁产生的；而动能层间跃迁产生的；而磷光磷光是由是由激发三重态激发三重态的的最低振动能层至基态各振动能层间跃迁产生的。最低振动能层至基态各振动能层间跃迁产生的。7.1.3 荧光分析的特点：荧光分析的特点：
67、灵灵敏敏度度高高：视视不不同同物物质质，检检测测下下限限在在0.10.1 0.0010.001 g/mLg/mL之之间间。可可见见比比UV-UV-VisVis的的灵灵敏敏度度高高得得多多，相相对对于于普普通通的的分分光光光光度法，灵敏度高约度法，灵敏度高约10001000倍。倍。 选择性好选择性好：可同时用激发光谱和荧光发射光谱定性。：可同时用激发光谱和荧光发射光谱定性。结结构构信信息息量量多多：包包括括物物质质激激发发光光谱谱、发发射射光光谱谱、光光强强、荧荧光量子效率、荧光寿命等。光量子效率、荧光寿命等。应应用用不不广广泛泛：主主要要是是因因为为能能发发荧荧光光的的物物质质不不具具普普遍遍
68、性性、增增强强荧荧光光的的方方法法有有限限、外外界界环环境境对对荧荧光光量量子子效效率率影影响响大大、干干扰测量的因素较多扰测量的因素较多。7.1.4 荧光、磷光与分子结构的关系了解荧光与分子结构的关系，可以预测哪些物质了解荧光与分子结构的关系，可以预测哪些物质能产生荧光，在什么条件下产生，以及发射的荧能产生荧光，在什么条件下产生，以及发射的荧光有什么特征以便更好地运用荧光分析技术，采光有什么特征以便更好地运用荧光分析技术，采取一些措施把不发荧光的物质产生荧光，即把非取一些措施把不发荧光的物质产生荧光，即把非荧光体变成荧光体，弱荧光体变成强荧光体荧光体变成荧光体，弱荧光体变成强荧光体荧光强度常
69、用荧光量子效率荧光强度常用荧光量子效率f来描述来描述 f f 越大，荧光越强，在越大，荧光越强，在越大，荧光越强，在越大，荧光越强，在0101之间，之间，之间，之间，分析上有应用价分析上有应用价值的荧光化合物的荧光效率在值的荧光化合物的荧光效率在0.11之间之间至今对激发态分子的性质了解不深，无法定量地至今对激发态分子的性质了解不深，无法定量地描述荧光与分子结构之间的关系描述荧光与分子结构之间的关系一般情况，一般情况，有机芳香族化合物及金属离子配合物有机芳香族化合物及金属离子配合物是最强最有用的荧光体。是最强最有用的荧光体。（1）跃迁类型）跃迁类型物质只有吸收了紫外可见光，产生物质只有吸收了紫
70、外可见光，产生 *n *跃迁，产生荧光跃迁，产生荧光 *与与n *跃迁相比，摩尔吸收系数大跃迁相比，摩尔吸收系数大102103，寿命短，寿命短 *跃迁常产生较强的荧光，跃迁常产生较强的荧光，n *跃迁产生跃迁产生的荧光弱，但可产生系间窜跃，产生更强的磷光的荧光弱，但可产生系间窜跃，产生更强的磷光（2）共轭体系）共轭体系有较强的荧光有较强的荧光具有共轭体系的芳环或杂环化合物，具有共轭体系的芳环或杂环化合物， 电子共轭电子共轭程度越大，越易产生荧光程度越大，越易产生荧光;环越多，共轭程度越大环越多，共轭程度越大，产生荧光波长越长，发射的荧光强度越强，产生荧光波长越长，发射的荧光强度越强芳香族化合物
71、因具有共轭的不饱和体系，多数能芳香族化合物因具有共轭的不饱和体系，多数能发生荧光发生荧光 多环芳烃是重要的环境污染物，可用荧光法测定多环芳烃是重要的环境污染物，可用荧光法测定 f f ex ex /nm/nm emem /nm /nm 0.11 205 278 0.29 286 3100.46 365 400苯苯萘萘蒽蒽 350菲菲线状环结构比非线状线状环结构比非线状结构的荧光波长长结构的荧光波长长 386 430苯并a芘（3）刚性平面结构刚性平面结构较稳定的平面结构较稳定的平面结构具有强荧光的分子多数有刚性平面结构具有强荧光的分子多数有刚性平面结构荧光素：氧桥把两荧光素：氧桥把两个环固定在一
72、个平个环固定在一个平面上，具有平面结面上，具有平面结构，强荧光物质构，强荧光物质酚酞：无氧桥把两酚酞：无氧桥把两个环固定，不能很个环固定，不能很好的共平面，为非好的共平面，为非荧光物质荧光物质例例1，2 - 二苯乙烯反式：平面构型 强荧光体顺式：非平面构型 非荧光体（4）取代基的类型取代基对荧光物质的荧光特征和强度也有很大影响。分成三类：增强荧光的取代基 -OH、-OR、 -NH2、-NHR、-NR2等给电子基团减弱荧光的取代基 - -COOH 、 -NO2 、-COOR 、-NO、-SH 吸电子基团, 使荧光波长短移，荧光强度减弱芳环上被F、Cl、Br、I 取代后，使系间窜跃加强，磷光增强，
73、荧光减弱。其荧光强度随卤素原子量增加而减弱，磷光相应增强，这种效应为重原子效应。影响不明显的取代基 -NH3+、-R、- SO3H等（5）金属螯合物的荧光大多数无机盐类金属离子，不能产生荧光，但某些大多数无机盐类金属离子，不能产生荧光，但某些螯合物都能产生很强的荧光，可用于痕量金属离子螯合物都能产生很强的荧光，可用于痕量金属离子的测定的测定不少有机配体是弱荧光体不少有机配体是弱荧光体或不发荧光，但与或不发荧光，但与Mn+形形成螯合物后变为平面构型，就会使荧光加强或产生成螯合物后变为平面构型，就会使荧光加强或产生荧光荧光例：例：8-羟基喹啉为弱荧光体，与羟基喹啉为弱荧光体，与Mn+Al3+、Mg
74、2+形成螯合物后，能形成刚性结构，荧光加强形成螯合物后，能形成刚性结构，荧光加强7.1.5 环境对荧光、磷光的影响 1. 溶剂的影响 同一荧光物质在不同的溶剂中可能表现出不同的荧光性质。一般来说，溶剂的极性增强，荧光波长长移，荧光强度增大 2. 温度的影响低温下测定，提高灵敏度 因为辐射跃迁的速率基本不随温度变，而非辐射跃迁随温度升高显著增大。大多数荧光物质都随溶液温度升高荧光效率下降，荧光强度减弱。 温度对磷光影响更大 3. pH影响 大多数含有酸性或碱性基团的芳香族化合物的荧光性质受溶液pH的影响很大（一）荧光分析仪器（一）荧光分析仪器主要由光源、单色器、主要由光源、单色器、液槽、检测器和
75、显示器组成液槽、检测器和显示器组成光源第一单色器液池检测器第二单色器检测器放大器及记录器 exex emem与分光光度计有两点不同与分光光度计有两点不同两个单色器两个单色器检测器与激发光互成直角检测器与激发光互成直角I I0 0I I7.1.6 荧光和磷光分析仪器7.1.7 激发光谱和荧光、磷光光谱荧光和磷光均为光致发光，合适的激发光波长需根荧光和磷光均为光致发光，合适的激发光波长需根据激发光谱确定据激发光谱确定激发光谱是在固定荧光波长下，激发光谱是在固定荧光波长下，测量荧光体的荧光强度随激发波长变化的光谱测量荧光体的荧光强度随激发波长变化的光谱I exex固定固定 em em 荧光波长荧光波
76、长荧光波长荧光波长I emem固定固定 ex ex 激发光波长激发光波长激发光波长激发光波长激发光谱激发光谱荧光荧光荧光荧光、磷光光谱、磷光光谱、磷光光谱、磷光光谱7.1.8 荧光、磷光的应用（1）荧光分析法）荧光分析法无机化合物的分析无机化合物的分析无机化合物中，能直接产生荧光并应用于测定的为数不多，但与有机化合物生成发荧光的有机配合物后，进行荧光分析的元素达70多种，其中较常采用荧光法测定的元素有：Be、Al、B、Ga、Se、Mg、Zn、Cd及某些稀土元素有机化合物的分析有机化合物的分析脂肪族有机化合物的分子结构较为简单，本身能发荧光的很少，一般需要与某些试剂反应后才能进行荧光分析芳香族化
77、合物因具有共轭的不饱和体系，多数能发荧光；可直接用荧光法测定。对于具有致癌活性的多环芳烃荧光分析法是最主要的测定方法（2）磷光分析法应用）磷光分析法应用能产生磷光的物质数量很少，磷光分析不及荧光分析普遍，但磷光分析法已在药物分析、临床及环境分析领域得到一定的应用。低温磷光分析已应用在萘、蒽、菲、芘、苯并芘等多环芳烃及含O、S、N的杂环化合物分析固体表面室温磷光分析法已成为多环芳烃和杂环化合物的快速、灵敏的分析手段。7.2 化学发光法化学发光是利用化学反应所产生的光辐射现象所建立的分化学发光是利用化学反应所产生的光辐射现象所建立的分析方法析方法化学发光与荧光的主要区别：受激发时所需的化学发光与荧
78、光的主要区别：受激发时所需的能量来源能量来源不不同，需要化学反应过程中所提供的化学能同，需要化学反应过程中所提供的化学能特点：特点：灵敏度高：用荧光素酶和三磷酸腺苷灵敏度高：用荧光素酶和三磷酸腺苷ATP的化学发光反应，的化学发光反应，可测定低至可测定低至210-17molL-1ATP线性范围宽线性范围宽一般有一般有56个数量级个数量级仪器设备简单，成本低廉仪器设备简单，成本低廉分析速度快，易实现自动化分析速度快，易实现自动化局限性：可供发光用的试剂有限，发光机理有待进一步研局限性：可供发光用的试剂有限，发光机理有待进一步研究究8. 超临界色谱法8.1 概述超临界流体色谱法（Supercriti
79、cal Fluid Chromatography ,SFC）是以超临界流体作为流动相的一种色谱方法。所谓超临界流体，是指既不是气体也不是液体的一些物质，它们的物理性质介于气体和液体之间。超临界流体色谱技术是2O世纪80年代发展起来的一种崭新的色谱技术。由于它具有气相和液相所没有的优点，并能分离和分析气相和液相色谱不能解决的一些对象，应用广泛，发展十分迅速。据Chester估计，至今约有全部分离的25涉及难以对付的物质，通过超临界流体色谱能取得较为满意的结果。8.2 超临界流体的特性(1) 物质的临界点在较低的温度下，增加气体压力时在较低的温度下，增加气体压力时气体会转化成液体；当温度升高气体会
80、转化成液体；当温度升高时，液体体积增大或转化为气体，时，液体体积增大或转化为气体，即物质在三相点下，气、固、液即物质在三相点下，气、固、液处在平衡状态。但对于某些特殊处在平衡状态。但对于某些特殊物质而言，存在这样一个临界温物质而言，存在这样一个临界温度度T Tc c和临界压力和临界压力P Pc c，在高于，在高于T Tc c和和P Pc c情况下，物质不会成为液体或情况下，物质不会成为液体或气体，这就是常说的气体，这就是常说的物质临界点物质临界点。在临界点以上的范围内，物质状在临界点以上的范围内，物质状态介于气体和液体之间，这种流态介于气体和液体之间，这种流体称为超临界流体称为超临界流体。体。
81、（2）超临界流体的特性 超临界流体具有对于分离极其有利的物理性质。它们的这些性质恰好介于气体和液体之间。超临界流体的扩散系数和粘度接近于气相色谱，因此溶质的传质阻力小，可以获得快速高效分离。另一方面，其密度与液相色谱类似，这样就便于在较低温度下分离和分析热不稳定性、相对分子质量大的物质。超临界流体的物理性质和化学性质，如扩散、粘度和溶剂力等，都是密度的函数。因此，只要改变流体的密度，就可以改变流体的性质，从类似气体到类似液体，无需通过气液平衡曲线。超临界流体色谱中的程序升密度相当于气相色谱中程序升温度和液相色谱中的梯度淋洗。8.3 超临界色谱仪1985年出现第一台商品型的超临界流体色谱仪。图中
82、很多部分类似于高效液相色谱仪，但有两点重要差别：具有一根恒温的色谱柱。这点类似气相色谱中的色谱柱，目的是为了提供对流动相的精确温度控制。带有一个限流器（或称反压装置）。作作用用是是在在它它的的两两端端保保持持不不同同的的相相态态，并并通通过过它它实实现现相相态态的的瞬瞬间间转转变变，即即超超临临界界态态向向气气态态转转变变。实际上，可把限流器看作柱末端延伸部分。（1）固定相和流动相 用于SFC中的色谱柱可以是填充柱也可以是毛 细 管 柱 ， 目 前 ， 毛 细 管 超 临 界 流 体 色 谱（CSFC）由于具有特别高的分离效率，倍受人们的青睐。 在SFC中，最广泛使用的流动相要算是CO2流体，
83、它无色、无味、无毒、易获取并且价廉，对各类有机分子都是一种极好的溶剂。它在紫外区 是 透 明 的 ； 临 界 温 度 31， 临 界 压 力7.29106Pa；在色谱分离中，CO2流体允许对温度、压力有宽的选择范围。有时可在流体中引入1%10%甲醇，以改进分离的选择因子值。除CO2流体外，可作流动相的还有乙烷、戊烷、氨、氧化亚氮、二氯二氟甲烷、二乙基醚和四氢呋喃等。（2）检测器在高效液相色谱仪中经常采用的检测器，如紫外、荧光、火焰光度等都能在SFC仪中很好应用。但SFC比起HPLC还具有一个主要优点是可采用GC中火焰离子化检测器（FID）。我们知道，FID对一般有机物分析具有较高的灵敏度，这也
84、就提高了SFC对有机物测定的灵敏.8.4 超临界色谱的特点 l l适合于分析蒸气压低和热稳定性差的样品适合于分析蒸气压低和热稳定性差的样品l lSFC流体和流体和LC流动相一样，对样品有分离作用（不流动相一样，对样品有分离作用（不同于同于GC），分离物质分子量范围与分离物质分子量范围与LC接近接近l l超临界流体的粘度比液体低，可以使用比液相色谱更超临界流体的粘度比液体低，可以使用比液相色谱更大的线速度（接近于大的线速度（接近于GC）以提高分析速度，或采用更长的）以提高分析速度，或采用更长的色谱柱以增加柱效色谱柱以增加柱效，SFC法的柱效可为法的柱效可为HPLC法的法的3倍左右倍左右l l溶质
85、在超临界流体中的扩散系数介于气体和液体之间，溶质在超临界流体中的扩散系数介于气体和液体之间，SFC的分析速度比的分析速度比HPLC快，但比快，但比GC慢慢l l程序升压的作用相当于程序升温和梯度洗脱程序升压的作用相当于程序升温和梯度洗脱l lSFC既可以采用既可以采用HPLC检测器，也可以采用检测器，也可以采用GC检测器。检测器。这与限流阀的位置有关这与限流阀的位置有关。8.5 SFC的应用异氰酸盐的分析：农药分析多环芳烃分析汽油类分析9. 光声光谱光声光谱（photoacoustic spectroscopy, PAS）以光声效应为基础的一种新型光谱分析检测技术。光声效应：用一束强度可调制的
86、单色光照射到密封于光声池中的样品上，样品吸收光能，并以释放热能的方式退激，释放的热能使样品和周围介质按光的调制频率产生周期性加热，从而导致介质产生周期性压力波动，这种压力波动可用灵敏的微音器或压电陶瓷传声器检测，并通过放大得到光声信号，这就是光声效应。若入射单色光波长可变，则可测到随波长而变的光声信号图谱，这就是光声光谱。以气体的光声效应为例气体的光声效应可以分为三步,如图，气体吸收特定波长的调制光(调制频率在声波范围内) 光子,处于激发态;样品气体通过分子间碰撞以热的方式释放吸收的能量,使得气体受热(具有周期性) ;受热气体膨胀产生热声波(频率与调制光源频率相同) 。气体中产生热声波的大小与
87、气体吸收的光能量以及气体膨胀传播的边界有关。对于某种气体,有着自己特定的吸收波谱,通过选择调制光源的波长,从而使得只有某种特定气体产生较大吸收,也就是只有这种气体吸收光能量产生热声波,从而可以通过检测热声波的大小来判定该种气体的浓度,9.1 发展简史1880年A.G.贝尔发现固体的光声效应，1881年他又和J.廷德尔和W.K.伦琴相继发现气体和液体的光声效应。他们将气体密封于池子里，用阳光间断照射池中样品，通过接到池上的一个听筒听到了某种声响。 20世纪60年代以后,由于微信号检测技术的发展,高灵敏微音器和压电陶瓷传声器的出现，强光源（激光器、氙灯等）的问世，光声效应及其应用的研究又重新活跃起
88、来。对大量固体和半导体的光声研究发现，光声光谱是一种很有前途的新技术。 9.2光声光谱的类型（1）直接测定产生的热，用热电偶直接与样品相连，测试试样温度的变化（TDS）或测定受热试样放出的红外线（2）测定受热试样产生的压力波，即测定声波的方法，这是PAS应用最广泛的方法（3）在试样内将激发光强度急剧减少后，对应于激发光强度分布的热效应形成温度分布，从而影响光的折射率，使光程长度发生变化，利用这种现象进行测定。红外光声光谱学包括傅利叶变换红外光声光谱学，多用于气体的监测、土壤分析超快光声光谱学皮秒甚至飞秒激光脉冲技术的发展，多用于物理和材料科学，环境科学现在应用较少。9.3 仪器结构 入射光为强
89、度经过调制的单色光，光强度调制可用切光器。光声池是一封闭容器，内放样品和传声器。图中所示的是固体样品，样品周围充以不吸收光辐射的气体介质，如空气。若是液体或气体样品，则用样品充满光声池。传声器应很灵敏，对于气体样品，电容型驻极体传声器比较适宜，它配以电子检测系统可测10-6的温升或10-9 J/(cm3s）的热量输入。对于液体和固体样品，最好采用与样品紧密接触的压电陶瓷检测器。光源由于大部分气体分子的特征谱线出现在中红外波段(3m 20m) , 因此在这个波段的可调辐射源就比较适用于气体探测器。按工作方式, 光辐射源可分为脉冲和连续辐射两类。为了使连续辐射的光束变成强度时变的光束, 通常还需要
90、各种相应的调制技术。如果按辐射本身的特性来分, 辐射光源又可分为非相干光源和相干的激光光源两类。以气体红外光声光谱仪为例光声池光声池有谐振式和非谐振式两种。非谐振式光声池的调制频率低于第一谐振频率, 比谐振式光声池低1 个 2 个量级, 体积较小, 在仪器小型化时具有自己的优势。谐振式光声池在噪音和相干信号方面有自己的优势: 高的调制频率使得与频率成反比的那部分微音器和电子噪音减小; 自身结构能使周围的声噪音达到最小;池窗和测量流动气体的光声池的进出口引起的相干信号也能通过选择特殊的几何构造和谐振模式来避免。选择谐振式还是非谐振式光声池, 需要考虑光声池的各方面性能(如灵敏度, 选择性, 通用
91、性, 空间与时间的分辨力) 和实用性(比如, 工作寿命, 维修间隔, 自动测量的能力, 需要的支持, 控制电路和成本)。9.4 应用用激光做光源测定极微量物质，测定其他分光光度法难以测定的各种形态试样的吸收光谱，从而进行定量和结构状态的研究。由于光声光谱测量的是样品吸收光能的大小，因而反射光、散射光等对测量干扰很小，故光声光谱适于测量高散射样品、不透光样品、吸收光强与入射光强比值很小的弱吸收样品和低浓度样品等，而且样品无论是晶体、粉末、胶体等均可测量，省却了样品前处理的过程，这是普通光谱做不到的。光声效应与调制频率有关，改变调制频率可获得样品表面不同深度的信息，所以它是提供表面不同深度结构信息的无损探测方法。杜昌文，周健民(2007)利用傅里叶变换红外光声光谱法测定土壤中有效磷，,通过傅里转换红外光声光谱构建偏最小二乘法和人工神经网络模型,利用模型进行预测。潘爱军，严高师(2006)。用光纤相位传感器代替传统的微音器检测光声信号。用激光器作光源对磷化氢气体浓度进行测量。实验表明,最低检测灵敏度可达1.210-10
