[化学] 光谱分析 - 西安交通大学课件

光谱分析西安交通大学精品-课件光谱分析是现代化学分析的重要手段，通过研究物质与电磁辐射的相互作用来获得物质的结构和组成信息本课程将系统介绍各种光谱分析技术的原理、仪器构造和应用方法作为西安交通大学的精品课程，本课程内容涵盖原子光谱、分子光谱、核磁共振、质谱分析等核心技术，旨在培养学生掌握现代光谱分析的理论基础和实践技能课程简介核心课程定位光谱分析作为表征科学的核心内容，是化学、材料、生物等专业学生必须掌握的重要分析技术教学资源优势西安交通大学精品课程资源，汇集了丰富的理论知识和实践经验，提供高质量的教学内容系统性学习安排个学时的全面系统介绍，从基础理论到前沿技术，构建完整的光谱分析知32识体系广泛适用性课程内容适用于化学、材料、生物、环境等多个专业领域的学生和科研工作者第一部分光谱分析基础理论基础技术分类光谱分析的基本原理建立在光与物质相互作用的物理学基础之光谱分析技术根据电磁波谱的不同区域分为多种类型，包括射X上电磁辐射与物质的相互作用包括吸收、发射、散射等过程线、紫外可见、红外、微波等光谱技术-每种光谱技术都有其特定的应用领域和分析能力，形成了完整的这些相互作用过程产生特征光谱，为物质的定性和定量分析提供光谱分析技术体系了科学依据光谱分析概述定义与重要性电磁波谱划分化学研究应用光谱分析是通过测量物质电磁波谱按频率和波长分在化学研究中广泛应用于与电磁辐射相互作用产生为射线、紫外、可见、红分子结构鉴定、化学反应的光谱来研究物质结构和外、微波等区域，每个区机理研究、材料表征和质性质的分析方法它是现域对应不同的分子能级跃量控制等领域代分析化学的重要支柱迁过程技术发展趋势现代光谱技术向高分辨率、高灵敏度、快速检测和联用技术方向发展，不断拓展应用范围光与物质的相互作用电磁辐射性质电磁辐射具有波粒二象性，其能量与频率成正比不同频率的电磁辐射与物质的相互作用方式不同吸收发射散射物质对电磁辐射的相互作用包括吸收、发射和散射三种基本过程，每种过程都对应特定的能级跃迁能级跃迁原理分子和原子的能级是量子化的，光谱的产生源于电子、振动和转动能级之间的跃迁过程频率能量关系根据普朗克公式E=hν，光谱线的频率直接反映了能级间的能量差，这是光谱分析的理论基础光谱仪器基本原理光源系统光谱仪器的光源系统提供稳定的电磁辐射，常见类型包括钨灯、氘灯、激光器、空心阴极灯等光源的选择决定了仪器的波长范围和强度特性样品室设计样品室是光与样品相互作用的场所，设计需考虑光程长度、温度控制、样品形态等因素样品室的质量直接影响测量精度和重现性单色器系统单色器负责将复合光分解为单色光，主要类型包括棱镜、光栅和干涉滤光片单色器的分辨率决定了仪器的光谱分辨能力检测器技术检测器将光信号转换为电信号，包括光电倍增管、、光电二极管阵列等检测器的灵CCD敏度和响应速度影响仪器的检出限和测量速度第二部分原子光谱原子激发能级跃迁原子通过热能、电能或光能激发到高能激发态原子返回基态时发射特征波长的级状态光子分析应用光谱形成通过光谱线的位置和强度进行定性定量特征光谱线的组合形成元素的指纹光分析谱原子光谱基础产生机制原子光谱产生于原子外层电子在不同能级间的跃迁当电子从高能级跃迁到低能级时，以光子形式释放能量能级跃迁规律原子能级遵循量子力学的选择定则，只有满足特定条件的跃迁才能发生，这决定了原子光谱的线状特征发射吸收区别发射光谱由激发态原子产生，吸收光谱由基态原子产生两者互为补充，提供完整的原子光谱信息特征参数原子光谱的特征参数包括波长、强度、线宽等，这些参数与原子的结构和环境条件密切相关发射光谱分析法定性定量分析等离子体技术发射光谱的定性分析基于特征谱线的火焰发射技术电感耦合等离子体发射光谱（ICP-识别，定量分析则依据谱线强度与浓激发光源选择火焰原子发射光谱利用化学火焰的热OES）利用高频电场产生的等离子体度的线性关系现代仪器配备高分辨发射光谱需要高温激发源将原子激发能激发原子虽然温度相对较低，但作为激发源等离子体温度可达率光谱仪和先进的数据处理系统，大到高能级状态常用激发源包括火对碱金属和碱土金属等易激发元素具6000-10000K，能够激发大多数元大提高了分析的准确性和效率焰、电弧、电火花和等离子体，每种有良好的分析效果火焰发射具有操素，具有检出限低、精密度高、干扰光源都有其特定的激发能力和应用范作简单、成本低廉的优点少等优点围等离子体光源因其高温和稳定性成为现代发射光谱的主流选择原子吸收光谱法高选择性基于特征吸收线的元素专一性检测高精密度稳定的光源和检测系统保证测量精度原子化技术火焰、石墨炉等原子化方法光源系统空心阴极灯提供锐线光源基础原理基态原子对特征波长光的吸收原子吸收光谱法是基于基态原子对特征波长光的吸收而建立的分析方法该技术具有选择性好、精密度高、检出限低等优点，广泛应用于金属元素的定量分析现代原子吸收光谱仪集成了先进的背景校正技术和自动化样品处理系统射线荧光光谱法XX射线激发高能射线轰击样品原子内层电子X内层电离内层电子被激发产生空穴电子跃迁外层电子填补空穴发射特征射线X荧光检测检测器收集并分析特征射线能量X射线荧光光谱法分为波长色散型（）和能量色散型（）两大类波长色散型具有更高的分辨率，适合精确定量分析；能量色散型操作X WD-XRF ED-XRF简便，适合快速检测该技术在地质、冶金、建材等领域应用广泛第三部分分子光谱振动光谱转动光谱红外与拉曼光谱微波和远红外区分子振动模式分子转动能级••电子跃迁磁共振光谱官能团识别分子几何构型••紫外可见光谱结构鉴定应用键长键角测定核磁共振技术-••价电子激发核自旋状态••共轭系统分析化学环境分析••定量检测应用结构确证方法••分子光谱基础310-100能级类型能级差范围电子、振动、转动三种主要能级不同跃迁对应的波数范围cm⁻¹∞应用领域几乎所有化学研究领域的应用分子光谱涉及分子的电子、振动和转动三种运动形式对应的能级跃迁电子跃迁能量最大，对应紫外可见光区；振动跃迁对应红外光区；转动跃迁对应微波和远红外区-分子光谱的应用范围极其广泛，从有机化合物的结构鉴定到无机材料的表征，从生物大分子的构象分析到环境污染物的检测，都离不开分子光谱技术的支持紫外可见光谱法-红外光谱法红外光谱基于分子振动能级的跃迁，不同官能团具有特征的振动频率中红外区（）包含丰富的分子振动信息，是结构鉴定的重4000-400cm⁻¹要手段傅里叶变换红外技术（）通过干涉仪原理大大提高了光谱的信噪比和分辨率现代仪器具有快速扫描、高精度和多样化附件的优点，FTIR FTIR可以处理气体、液体、固体等各种状态的样品拉曼光谱拉曼散射机理与红外的互补性拉曼散射是光子与分子相互作用产生的非弹性散射现象入射光拉曼光谱与红外光谱遵循不同的选择定则，两者具有很好的互补子与分子振动耦合，产生频率发生改变的散射光拉曼位移直接性对称振动模式在拉曼光谱中活跃，而反对称振动在红外光谱对应分子的振动频率中活跃拉曼散射强度很弱，约为瑞利散射的，需要高功率激光器和表面增强拉曼散射（）和共振拉曼技术大大提高了检测灵敏10⁻⁶SERS高灵敏度检测器现代拉曼仪器采用窄带激光器和检测器，度，使单分子检测成为可能这些技术在生物医学和材料科学研CCD大大提高了检测能力究中发挥着重要作用荧光光谱法光吸收分子吸收紫外或可见光跃迁到激发态内转换非辐射弛豫到最低激发单重态荧光发射从激发态返回基态发射荧光信号检测检测荧光强度和波长信息荧光光谱法具有极高的灵敏度，检出限可达荧光强度与浓度在一定10⁻⁹-10⁻¹²mol/L范围内呈线性关系，适合痕量分析荧光淬灭和增强效应为分子间相互作用研究提供了有力工具第四部分核磁共振光谱磁场环境射频激发化学位移超导磁体产生强大均匀射频脉冲激发核自旋系不同化学环境的核表现的静磁场，为核磁共振统，使磁化矢量偏离平出不同的共振频率，化提供必要条件磁场强衡位置，产生可检测的学位移提供了丰富的结度直接影响谱图的分辨核磁共振信号构信息率和灵敏度耦合效应核自旋间的相互作用导致信号分裂，提供分子连接性和几何构型信息核磁共振基础核磁共振现象具有磁矩的原子核在外磁场中会发生能级分裂，射频辐射可以引起核自旋状态间的跃迁，这就是核磁共振现象的本质化学环境效应原子核的化学环境通过电子云的屏蔽效应影响核所感受的有效磁场，导致不同环境的核具有不同的共振频率自旋耦合机制通过化学键相连的核之间存在自旋自旋耦合，这种相互作用导致信号分-裂，提供分子连接性信息二维技术优势二维核磁共振技术通过在两个频率维度上展开信号，大大增加了谱图的信息含量，是复杂分子结构确定的重要手段质子核磁共振化学位移范围质子类型典型化合物甲基质子烷烃末端甲基

0.8-

1.0ppm亚甲基质子长链烷烃

1.2-

1.4ppm质子羰基邻位质子

2.0-

2.5ppmα-芳香质子苯环质子

7.0-

8.0ppm醛基质子醛类化合物

9.5-

10.0ppm是最常用的核磁共振技术，氢核的高自然丰度和大磁矩使其具有很高¹H-NMR的检测灵敏度质子的化学位移范围约为，不同化学环境的质子表0-12ppm现出特征的化学位移值积分强度与质子数目成正比，为定量分析提供依据碳核磁共振-13DEPT技术区分不同取代度的碳原子化学位移库丰富的碳谱数据库资源去耦技术消除碳氢耦合简化谱图碳骨架信息直接观察分子碳架结构提供分子碳骨架的直接信息，化学位移范围约为由于的自然丰度仅为，通常需要较长的测量时间实验技术可¹³C-NMR0-220ppm¹³C

1.1%DEPT以区分、、和季碳，大大提高了结构解析的效率CH₃CH₂CH二维核磁共振技术COSY技术同核相关谱显示质子间的自旋耦合关系，通过交叉峰识别相邻质子，确定分子的COSY连接性是最基本的二维技术¹H-¹H COSYNMRHSQC技术异核单量子相干谱显示直接相连的碳氢对，是确定分子结构最重要的二维技术HSQC NMR之一，提供碳氢连接关系HMBC技术异核多键相关谱显示个键距离的碳氢相关，对确定季碳位置和长程连接关系具HMBC2-3有重要价值结构解析策略结合多种二维技术，可以系统地确定复杂有机分子的完整结构，包括连接性、立体化NMR学和构象信息固体核磁共振固体NMR特点魔角旋转技术固体样品中分子运动受限，导致各向异性相互作用无法平均化，魔角旋转技术通过快速旋转样品消除各向异性相互作用，MAS谱线展宽严重化学位移各向异性、偶极耦合和四极相互作用是使固体谱线变窄旋转轴与磁场成角时效果最佳NMR

54.74°主要的线展宽因素现代固体结合高功率去耦、交叉极化、多脉冲序列等技术，NMR固体在研究晶体结构、聚合物、催化剂等材料方面具有独特大大提高了谱图质量和检测灵敏度，在材料科学研究中应用广NMR优势，可以提供原子间距离、分子运动和相结构等信息泛第五部分质谱分析离子化过程样品分子在离子源中电离形成气相离子质量分析离子按质荷比在质量分析器中分离离子检测检测器检测不同质荷比离子的丰度质谱图生成以质荷比为横坐标强度为纵坐标的谱图质谱分析是一种根据离子的质荷比进行分析的技术现代质谱仪具有高分辨率、高灵敏度和宽质量范围的特点，在分子量测定、结构鉴定和定m/z量分析方面发挥重要作用质谱分析基础分子离子峰碎片离子峰分子离子峰提供分子量信息碎片离子提供结构信息精确分子量测定断裂模式分析•1•同位素峰型分析官能团识别••分子式确定结构单元确认••峰强度信息同位素峰相对强度反映离子稳定性同位素分布提供元素组成定量分析基础3元素种类判断••反应机理研究原子数目计算••结构稳定性评估分子式验证••离子化技术电子轰击离子化是最经典的离子化方法，使用电子轰击样品分子产生大量碎EI70eV片离子，提供丰富的结构信息，具有良好的重现性和可比较性化学离子化使用反应气体产生的离子与样品分子反应形成准分子离子离子化CI条件温和，分子离子峰较强，碎片化程度较低电喷雾离子化适合极性和热不稳定化合物的离子化，可以产生多电荷离子，扩ESI展质量范围广泛应用于生物大分子的质谱分析基质辅助激光解吸结合激光解吸和化学离子化，特别适合大分子化合物如蛋白MALDI质、多肽和聚合物的分析质量分析器四极杆分析器四极杆质量分析器利用射频和直流电场的组合选择性地传输特定质荷比的离子具有结构简单、成本较低、扫描速度快的优点，是最常用的质量分析器类型分辨率适中，质量范围可达4000Da飞行时间分析器分析器基于离子在无场空间的飞行时间与其质荷比的平方根成反比的原理具有TOF理论上无限的质量范围，高分辨率和高精度，特别适合大分子的精确质量测定离子阱分析器离子阱通过三维射频场捕获和操纵离子，可以进行多级质谱实验具有高灵敏度和能力，在结构鉴定方面具有独特优势线性离子阱进一步提高了捕获容量MSⁿ和分析性能磁场扇形分析器磁场扇形分析器利用磁场使离子偏转，具有很高的分辨率和精度常与电场扇形组合形成双聚焦质谱仪，是精确质量测定的黄金标准，但仪器复杂昂贵质谱联用技术气相色谱-质谱联用将色谱分离与质谱检测完美结合，是挥发性化合物分析的标准方法GC-MS电子轰击离子化产生的标准谱库使定性分析更加可靠液相色谱-质谱联用适合热不稳定和极性化合物的分析，电喷雾离子化接口实现了液相到LC-MS气相的平稳过渡在药物分析和生物样品检测中应用广泛串联质谱技术通过两次质谱分析提供结构信息，母离子的选择性碎裂大大提高了分MS-MS析的选择性和可靠性是复杂样品分析的强有力工具团簇质谱-激光光谱结合团簇质谱的精确尺寸选择和激光光谱的结构表征能力，在原子簇合物和纳米材料研究中发挥重要作用高分辨质谱技术100K+1ppm分辨率质量精度现代高分辨质谱分辨率可达万以上亚级别的质量测定精度10ppm5小数位精度精确测定到小数点后位4-5高分辨质谱技术如傅里叶变换离子回旋共振质谱和轨道阱质谱能够提FT-ICR MSOrbitrap供极高的质量分辨率和精度精确质量测定结合同位素精细结构分析，可以确定化合物的分子式，即使对于未知化合物也能提供可靠的元素组成信息高分辨质谱在代谢组学、蛋白质组学、环境分析等领域发挥着越来越重要的作用通过精确质量测定和高分辨率分离，可以在复杂样品中识别和定量数千种化合物，为系统生物学研究提供强有力的技术支撑第六部分色谱光谱联用技术-色谱分离接口传输将复杂混合物分离为单一组分专用接口实现在线样品传输数据融合光谱检测整合色谱和光谱信息完成分析对分离组分进行光谱鉴定联用技术概述技术融合优势联用技术结合了色谱的强大分离能力和光谱的结构鉴定能力，大大提高了复杂样品分析的效率和可靠性单一技术难以解决的问题在联用技术面前迎刃而解主要联用类型包括、、、等多种联用技术，每种联用都有其特定的应用GC-MS LC-MS GC-IR LC-NMR领域和技术特点选择合适的联用技术是成功分析的关键接口技术关键接口技术是联用成功的关键，需要解决不同仪器间的兼容性问题现代接口技术已经相当成熟，实现了真正的在线分析发展趋势展望联用技术向多维联用、高通量、自动化方向发展人工智能和大数据技术的引入进一步提升了联用技术的分析能力气相色谱质谱联用-液相色谱质谱联用-液相分离系统高效液相色谱系统提供稳定的流速和梯度洗脱，确保复杂样品的有效分离现代技术进一步提高了分离效率和分析速度UHPLC电喷雾接口电喷雾离子化接口是的核心技术，实现了液相到气相的平ESI LC-MS稳过渡接口设计直接影响离子化效率和检测灵敏度质谱检测三重四极杆、离子阱、轨道阱等不同类型的质量分析器提供了多样化的检测选择，满足不同分析需求广泛应用在药物代谢、蛋白质组学、代谢组学等生命科学领域应用广LC-MS泛，是现代生物分析的重要工具色谱光谱多维联用-三重联用技术LC-MS-NMR三重联用技术结合了液相色谱的分离能力、质谱的分子量信息和核磁共振的结构信息虽然技术复杂，但在天然产物和药物研究中具有独特价值流池式NMR检测器的发展使在线NMR检测成为可能GC-IR联用系统气相色谱-红外光谱联用提供分子的振动光谱信息，对官能团识别特别有效光导管接口技术解决了气相到红外检测池的传输问题在环境污染物和工业产品分析中应用较多综合分析策略多维联用技术为未知化合物的结构鉴定提供了系统性解决方案通过整合不同技术的优势，可以获得更全面、更可靠的结构信息数据融合和人工智能技术进一步提高了结构解析的效率和准确性第七部分光谱数据处理与解析数据预处理去噪、基线校正、标准化等预处理步骤特征提取识别和提取光谱中的特征峰信息模式识别应用化学计量学方法进行模式分析结构解析结合多种光谱信息确定分子结构光谱数据预处理信噪比优化基线校正技术通过滤波、平滑、多次扫描平均等方法提高信噪比滤基线漂移是光谱分析中的常见问题，影响定量分析的准确性多项式拟Savitzky-Golay波是常用的平滑方法，能在降噪的同时保持峰形适当的数据预处理是合、橡皮筋法、等方法可以有效校正基线asymmetric leastsquares获得高质量光谱的前提自动基线校正算法大大提高了处理效率标准化归一化质量评估体系标准化处理消除仪器间差异和实验条件变化的影响常用方法包括内标建立数据质量评估指标，包括信噪比、基线稳定性、重现性等参数质标准化、面积归一化、单位矢量标准化等选择合适的标准化方法对多量控制样品的使用有助于监控数据质量数据质量的客观评估是可靠分元分析至关重要析的基础。