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波谱分析结课论文 -波谱分析的主要方法及应用 学 院：物理化学学院 专 业：应用化学1001 学 号：311013030103 姓 名：郝一影波谱分析的主要方法及应用波谱分析主要是以光学理论为基础，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关系，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。波谱法是化合物结构测定和成分分析的重要手段。近30年来，由于科学技术的发展，波谱学与电子学、计算机科学的紧密结合，波谱法取得了极大的发展，从根本上改变了化学研究的方法，特别是有机化合物的结构分析方法。紫外光谱、红外光谱、核磁共振谱（氢谱和碳谱）、质谱等波谱方法已经迅速取代了传统的鉴定方法，成为化学研究强有力的工具。波谱分析法具有优点突出，广泛应用等特点，它的应用大大缩短了复杂化合物结构测定的时间，也使很多过去难以解决的问题，如生命科学中蛋白质、核酸、多糖的结构测定等迎刃而解，促进了科学的发展。目前，波谱法已经迅速渗透到生物化学、植物化学、药物学、医学、农业、商业等各个领域，在科学研究和国民经济各个部门得到广泛应用。随着科技发展和分析要求的不断提高，使得科研工作者对波谱分析法也在不断创新。前言 从19世纪中期至现在，波谱分析经历了一个漫长的发展过程。进入20世纪的计算机时代后，波谱分析得到了飞跃的发展，不断地完善和创新，在方法、原理、仪器设备以及应用上都在突飞猛进。波谱法主要包括红外光谱、紫外光谱、核磁共振和质谱，简称为四谱。除此之外还包含有拉曼光谱、荧光光谱、旋光光谱和圆二色光谱、顺磁共振谱。波谱法的种类也越来越多。 四谱是现代波谱分析中最主要也是最重要的四种基本分析方法。四谱的发展直接决定了现代波谱的发展。在经历了漫长的发展之后四谱的发展以及应用已渐成熟，也使波谱分析在化学分析中有了举足轻重的地位。一、波谱分析的方法1、紫外-可见光谱1.1紫外光谱的原理 紫外和可见光谱（ultraviolet and visible spectrum)简写为UV。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、电磁辐射的频率、波长符合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。1.2 紫外光谱的特点紫外光谱具有灵敏度和准确度高，应用广泛，对大部分有机物和很多金属及非金属及其化合物都能进行定性、定量分析，且仪器的价格便宜，操作简单、快速，易于普及推广，所以至今它仍是有机化合物结构鉴定的重要工具。近年来，由于采用了先进的分光、检测及计算机技术，使仪器的性能得到极大的提高，加上各种方法的不断创新与改善，使紫外光谱法成为含发色团化合物的结构鉴定、定性和定量分析不可或缺的方法之一。2、红外光谱2.1红外光谱的原理当一束具有连续波长的红外光通过物质，物质分子中某个基团的振动频率或转动频率和红外光的频率一样时，分子就吸收能量由原来的基态振(转)动能级跃迁到能量较高的振(转)动能级，分子吸收红外辐射后发生振动和转动能级的跃迁，该处波长的光就被物质吸收。所以，红外光谱法实质上是一种根据分子内部原子间的相对振动和分子转动等信息来确定物质分子结构和鉴别化合物的分析方法。将分子吸收红外光的情况用仪器记录下来，就得到红外光谱图。红外光谱图通常用波长()或波数()为横坐标，表示吸收峰的位置，用透光率(T%)或者吸光度(A)为纵坐标，表示吸收强度。当外界电磁波照射分子时，如照射的电磁波的能量与分子的两能级差相等，该频率的电磁波就被该分子吸收，从而引起分子对应能级的跃迁，宏观表现为透射光强度变小。电磁波能量与分子两能级差相等为物质产生红外吸收光谱必须满足条件之一，这决定了吸收峰出现的位置。红外吸收光谱产生的第二个条件是红外光与分子之间有偶合作用，为了满足这个条件，分子振动时其偶极矩必须发生变化。这实际上保证了红外光的能量能传递给分子，这种能量的传递是通过分子振动偶极矩的变化来实现的。并非所有的振动都会产生红外吸收，只有偶极矩发生变化的振动才能引起可观测的红外吸收，这种振动称为红外活性振动；偶极矩等于零的分子振动不能产生红外吸收，称为红外非活性振动。2.2红外光谱的分类 红外光谱可分为发射光谱和吸收光谱两类。物体的红外发射光谱主要决定于物体的温度和化学组成，由于测试比较困难，红外发射光谱只是一种正在发展的新的实验技术，如激光诱导荧光。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，它是一种分子光谱。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。2.3红外光谱的特点 近红外光是一种介于可见光(VIS)和中红外光(IR)之间的电磁波，美国材料检测协会(ASTM)，将其定义为波长7802526nm的光谱区。利用近红外光谱的优点有：1.简单方便有不同的测样器件可直接测定液体、固体、半固体和胶状体等样品，检测本钱低。2.分析速度快一般样品可在lmin内完成。3.适用于近红外分析的光导纤维易得到，故易实现在线分析及监测，极适合于生产过程和恶劣环境下的样品分析。4.不损伤样品可称为无损检测。5.分辨率高可同时对样品多个组 分进行定性和定量分析等 红外吸收峰的位置与强度反映了分子结构上的特点，可以用来鉴别未知物的结构组成或确定其化学基团；而吸收谱带的吸收强度与化学基团的含量有关，可用于进行定量分析和纯度鉴定。另外，在化学反应的机理研究上，红外光谱也发挥了一定的作用。但其应用最广的还是未知化合物的结构鉴定。3、核磁共振3.1核磁共振的原理 由于原子核携带电荷，当原子核自旋时，会由自旋产生一个磁矩，这一磁矩的方向与原子核的自旋方向相同，大小与原子核的自旋角动量成正比。将原子核置于外加磁场中，若原子核磁矩与外加磁场方向不同，则原子核磁矩会绕外磁场方向旋转，这一现象类似陀螺在旋转过程中转动轴的摆动，称为进动。进动具有能量也具有一定的频率。原子核进动的频率由外加磁场的强度和原子核本身的性质决定，也就是说，对于某一特定原子，在一定强度的的外加磁场中，其原子核自旋进动的频率是固定不变的。原子核发生进动的能量与磁场、原子核磁矩、以及磁矩与磁场的夹角相关，根据量子力学原理，原子核磁矩与外加磁场之间的夹角并不是连续分布的，而是由原子核的磁量子数决定的，原子核磁矩的方向只能在这些磁量子数之间跳跃，而不能平滑的变化，这样就形成了一系列的能级。当原子核在外加磁场中接受其他来源的能量输入后，就会发生能级跃迁，也就是原子核磁矩与外加磁场的夹角会发生变化。这种能级跃迁是获取核磁共振信号的基础。 为了让原子核自旋的进动发生能级跃迁，需要为原子核提供跃迁所需要的能量，这一能量通常是通过外加射频场来提供的。根据物理学原理当外加射频场的频率与原子核自旋进动的频率相同的时候，射频场的能量才能够有效地被原子核吸收，为能级跃迁提供助力。因此某种特定的原子核，在给定的外加磁场中，只吸收某一特定频率射频场提供的能量，这样就形成了一个核磁共振信号。3.2 核磁共振的特点 自1945年F.Bloch和E.M.Purcell为首的两个研究小组同时独立发现核磁共振现象以来，1H核磁共振在化学中的应用已有50年了。特别是近20年来，随着超导磁体和脉冲傅里叶变换法的普及，核磁共振的新方法、新技术不断涌现，如二维核磁共振技术、差谱技术、极化转移技术及固体核磁共振技术的发展，是核磁共振的分析方法和技术不断完善，应用范围日趋扩大，样品用量减少，灵敏度大大提高。4、质谱4.1质谱的原理质谱法(Mass Spectrometry,MS)即用电场和磁场将运动的离子（带电荷的原子、分子或分子碎片，有分子离子、同位素离子、碎片离子、重排离子、多电荷离子、亚稳离子、负离子和离子分子相互作用产生的离子）按它们的质荷比分离后进行检测的方法。测出离子准确质量即可确定离子的化合物组成。使试样中各组分电离生成不同荷质比的离子，经加速电场的作用，形成离子束，进入质量分析器，利用电场和磁场使发生相反的速度色散离子束中速度较慢的离子通过电场后偏转大，速度快的偏转小；在磁场中离子发生角速度矢量相反的偏转，即速度慢的离子依然偏转大，速度快的偏转小；当两个场的偏转作用彼此补偿时，它们的轨道便相交于一点。与此同时，在磁场中还能发生质量的分离，这样就使具有同一质荷比而速度不同的离子聚焦在同一点上，不同质荷比的离子聚焦在不同的点上，将它们分别聚焦而得到质谱图，从而确定其质量。4.2早在1912年左右，J.J.Thomson就制成 了第一台质谱装置，并用其发现了20Ne和22Ne。早期，这种方法主要用于测定相对原子质量和发现新元素。在20世纪30年代，由于离子光学理论的建立促进了质谱仪的发展。20世纪40年代以后质谱法除用于实验室工作外，还用于原子能工业和石油工业。60年代开始，质谱就广泛地应用于有机物分子结构的测定。近几十年来，质谱仪也发展迅速，相继出现 了多种类型和多种用途飞质谱仪。5、其他方法 波谱分析除了四谱之外还有拉曼光谱、荧光光谱、旋光光谱和圆二色光谱、顺磁共振谱、X射线衍射法等。由于不同的光谱都有其所长。目前拉曼光谱和红外光谱的联用已应用广泛，旋光光谱、圆二色光谱在测定手性化合物的构型和构想、确定某些官能团在手性分子中的位置方面有独到之处，因此也常和紫外光谱联用以达到更高要求的分析目的。二、 应用2.1波谱分析在医药方面的应用2.1.1药物分析中的应用 波谱分析的发展趋势 药物波谱分析是当今发展最为迅速的前沿科学之一。波谱分析在药物分析中的重要应用可见一斑。中药的化学成分复杂，有效成分难以确定。仅单方制剂亦为一多种成分的混合物，因此要求更严格和更先迸的分离、分析手段进行鉴别和含量测定。而波谱分析便是中药研究中最为广泛应用的一项技术。质谱法可以提供各种化合物的分子量、结构碎片等信息，是鉴定有机物的有力工具。2.1.2 临床医学中的应用 核磁共振是目前唯一能无创性观察组织代谢及生化变化的技术，可以安全有效地研究人体许多部位的生化和能量代谢变化。核磁共振广泛应用于心血管病、动脉硬化、多发性硬化、肿瘤、首发偏执型精神分裂症等多种病症的诊断，生化和能量代谢变化的诊断。其中1HMRS临床应用技术最成熟，应用也最方便、最广泛。2.2波谱分析在环境方面的应用2.2.1有机物污染的分析 紫外光谱经常用来做物质的纯度检查、定量分析和结构鉴定。在有机物的定量、定性分析中也有其独到之处。在环境中有机污染物的分析中应用广泛，如土壤中敌敌畏、敌百虫等农药残留含量的分析。2.2.2食品安全中的应用 高效液相色谱一质谱/质谱法(HPLC-MS/MS)具有灵敏度高、定性准确等优点，近年已越来越多地应用于食品中残留痕量物质的分析检测。如动物源性食品中噻酰菌胺残留量的检测，蔬菜中敌敌畏、敌百虫、脲和硫脲类衍生物等农药残留的检测。乳液中聚氨酯、聚丙烯酸酯、三聚氰胺等可用紫外光谱进行分析检测。2.2.3生物应用方面的分析 可采用傅里叶变换红外(FTIR)光谱技术结合常规生理学方法分析某些植物吸收和代谢甲醛的能力及它们响应甲醛胁迫的生理特性。2.3波谱分析在工业中的应用 2.3.1化工工业中的应用 波谱分析在精细化学品中的应用相当广。波谱在混合物中的分离提纯，样品中各个组分的定性和定量分析都是很好的工具。如对染料、颜料、涂料、食品添加剂、化学助剂的结构分析。谱分析是纺织工业中检测纱线质量的关键技术。通过波谱分析可以了解纱条不匀率的性质，及时找出纺纱工艺的不足或机械缺陷，确定产生疵点的工序及部位，以便迅速改进工艺，调整机械状态，这对改善条干均匀度，保证成纱质量，减少突发性纱疵，使纺纱各工序处于受控状态起到一定的指导作用。 2.3.2地质、材料检测中的应用 陶瓷、钢铁、建筑等材料的无损检测都要用到现代波谱分析的方法。波谱分析在地质方面，海洋波动、地下水检测以及地震等都有广泛的应用。 随着科技的进步与不断发展，波谱分析的各种方法在化学、化工、医药、农业、生物、材料等各领域的应用也越来越广泛，同时，波谱分析本身也在不断的发展中。通过课程的学习，我们了解并掌握了紫外光谱、红外光谱、核磁共振、质谱等波谱分析方法的原理及操作方法，这对于我们是必须有用的。我们要不断的丰富自己的知识以应对未来的各种挑战。