《环境仪器分析》PPT课件.ppt

环境仪器分析,第一章 概述 第二章 原子吸收分光光度法 第三章 原子荧光光谱法 第四章 荧光及磷光光谱法 第五章 化学发光监测技术 第六章 色谱分析法理论基础 第七章 气相色谱分析法 第八章 高效液相色谱分析法,第一章 概 述,环境监测新技术开发,环境监测技术现状与对策,环境监测的内容与类型,环境监测技术意义和作用,1 环境监测技术意义和作用 1.1 环境监测技术意义 环境监测技术是环境污染控制的眼睛，是环境管理的“耳目”和“哨兵”，是研究环境质量变化趋势的重要手段，是环境保护的基础。环境监测为环境管理服务要求遵循一定的原则 1.2 环境监测技术的作用 及时准确、全面地反映环境质量和污染源现状及发展趋势，为环境管理、规划和污染防治提供依据。当前环境监测的基本任务,当前环境监测的基本任务：为实施强化环境管理的八项制度做好技术监督和技 术支持工作。强化污染源监督监测工作。切实加强全国环境监测网络建设，完善环境监测技术体系。加速以报告制度为核心的信息管理与传递系统建设。巩固检测队伍，提高监测技术水平。进一步完善监测技术质量保证体系。坚持科技领先，做好监测科研，全面提高监测工作质量。,环境监测为环境管理服务应遵循的原则：及时性：解决及时性：一是建立一个高效能的监测网络，理顺环境监测的组织关系；二是建立完善的数据报告制度，有一个十分流畅的信息通道，做到纵横有序，传递自如；三是有一个能满足管理要求的数据加工处理能力；四是有一个规范化的监测成果表达形式。针对性：即着重抓好环境要素和污染源监视性监测。准确性：一是数据准确，二是结论准确。科学性：一是监测数据和资料的科学性，二是综合分析数据资料方法的科学性，三是关于环境问题结论的科学性。Back,2 环境监测的内容与类型 2.1监测内容：以监测的介质（或环境要素）为对象,分为：空气污染监测，水质污染监测，土壤、固弃物，生物，生态，噪声震动，放射性，电磁辐射监测等。选择监测项目应遵循如下原则：对污染物的自然性、化学活性、毒性、扩散性、持久性、生物可分解性和积累性等全面分析，从中选出影响面广、持续时间长，不易或不能被微生物所分解而且能使动植物发生病变的物质作为日常例行的监测项目。对某些有特殊目的或特殊情况的监测工作，则要根据具体情况和需要选择要监测的项目。需要监测的项目，必须有可靠的检测手段。监测结果所得数据，要有可比较的标准或能做出正确的解释和判断。,2.2环境监测的类型监视性监测 常规或例行监测 环境质量监测（空气、水、噪声）污染源监督监测2.2.2 特定目的性监测 又叫应急监测或特例监测 污染事故监测；纠纷仲裁监测；考核验证监测；咨询服务监测2.2.3 研究性监测 属于高层次、高水平，技术比较复杂的一种监测。包括：标法研制监测；污染规律研究检测；背景调查监测；综评研究监测 Back,3 环境监测技术现状与对策 3.1 建立监测方法体系，确立监测技术能力 首先是通过分析方法的研究，筛选出能在全国推广的较成熟和先进的方法；将选出的方法经多个实验室验证，形成统一的方法。分析方法的研究和筛选原则是：应有良好的准确性、精密性；应有良好的灵敏度；方法所用仪器、试剂易得，便于推广；要尽量采用国内外新技术、新方法。3.2 加强监测仪器设备管理、完善仪器设备配置3.3 开展监测质量保证、加强技术培训 建立环境监测质量保证体系；开展计量认证工作；加强技术人员的培训与考核；不断提高科学监测水平；完善监测网络、实现监测信息网络化管理。,Back,第二章 原子吸收分光光度法2.1 基本原理 2.2 原子吸收分光光度计2.3 测定条件的选择 2.4 定量分析方法 2.5 灵敏度及检出极限2.6 原子吸收光谱法在环境监测中的应用,第三章 原子荧光光谱法 3.1 概述 3.2 原理 3.3 原子荧光光谱仪3.4 定量分析方法及应用,第四章 荧光及磷光光谱法4.1 原理4.2 荧光光谱仪 4.3 荧光分析方法 4.4 荧光光谱法在环境监测中的应用 4.5 磷光分析法,第五章 化学发光监测技术5.1 原理 5.2 化学发光反应的类型 5.3 化学发光监测仪器,第六章 色谱分析法理论基础6.1 色谱法理论基础 色谱法的基本原理、分类及流程 色谱图及色谱基本参数 色谱法基本理论 6.2 分离条件的选择 色谱柱 担体 固定液及配比 柱温 载气及流速 进样,第七章 气相色谱分析法7.1 气相色谱仪7.2 定性分析法 保留值定性 加已知物增峰法 7.3 定量分析法 峰面积的测量 定量校正因子 定量方法,第八章 高效液相色谱分析法8.1 高效液相色谱仪 高压输液系统 进样系统 色谱柱 检测系统 附属系统,第二章 原子吸收分光光度法2.1 原子吸收分光光度法基本原理原子吸收分光光度法是基于空心阴极灯发射出的待测元素的特征谱线，通过试样蒸气，被蒸气中待测元素的基态原子所吸收，由特征谱线被吸收的程度，来测定试样中待测元素含量的方法。包括以下四点：,(1)基态原子的产生 在进行原子吸收分析时，首先应使待测元素由化合物状态变成基态原子，使其原子化。原子化方法有：化学法、火焰法、电热法等。(2)共振线与吸收线 其核外电子排布处于最低能级、最稳定的原子称基态原子。基态原子的最外层电子因受外界能量激发而跃迁到较高能级上，便使原子处于激发态，处于激发态的原子很不稳定，在短时间内（约10-3s），跃迁到较高能级的电子又返回到低能级状态，同时释放一定的能量。原子受外界能量激发，其最外层电子可能跃迁到不同能级，因而可能有不同的激发态。电子由基态到第一激发态跃迁吸收谱线称共振吸收线。共振线是元素所有谱线中最灵敏的谱线，原子吸收分析就是利用处于基态的待测原子蒸气，对从光源发射出的待测元素的共振线的吸收而进行定量分析。,(3)积分吸收与峰值吸收 原子蒸气所吸收的全部能量称积分吸收。在实际测量中，因吸收谱线的宽度非常窄，需分辨率很高的分光仪，所以积分吸收不能准确地测得。通过测定峰值吸收系数来计算待测元素的方法称为峰值吸收法。实现测量中心吸收系数的条件是：a.入射光线的中心频率与吸收谱线的中心频率严格相同；b.入射光线的半宽度远小于吸收谱线的半宽度。因此，必须使用一个与待测元素相同的元素制成的锐线光源。实验证实：峰值吸收系数K0在一定条件下，与单位体积原子蒸气中吸收辐射的原子数成正比。,(4)火焰中的基态原子浓度与定量分析依据 对于原子吸收值的测量，在实际工作中，是以一定光强的单色光I0通过原子蒸气，然后测出被吸收后的光强I，吸收过程符合朗伯比耳定律，即：式中:K为吸收系数，N为自由原子总数（近似于基态原子数N0）,L为吸收层厚度。吸光度 试样中待测元素的浓度与火焰中基态原子的浓度成正比。所以在一定的浓度范围内和一定的火焰宽度，吸光度与试样中待测元素浓度的关系可表示为：该式就是原子吸光光谱法定量分析的依据。,2.2 原子吸收分光光度计原子吸收分光光度计的组成：由光源、原子化系统、光学系统、检测系统及放大数据处理系统五个主要组成部分。其示意图如下：,（1）光源 辐射带测元素的共振线，作为原子吸收分析的入射光为了能够测出峰值吸收，获得较高的准确度及灵敏度，所使用的光源必须满足以下条件：光源要能发射待测元素的共振线，而且强度要足够大；发射的谱线的半宽度要窄（是锐线光），应小于吸收线 的半宽度，以保证测定的灵敏度和峰值吸收的测量；辐射光的强度要稳定，而且背景发射要小。光源类型：空心阴极灯；无极放电灯；蒸气放电灯。应用最广泛的是空心阴极灯,（2）原子化系统 作用：是将试样中的待测元素由化合物状态转变为基态原子蒸气。入射光在这里被基态原子吸收，因此，它可视为“吸收池”。主要有两大类：火焰与非火焰原子化器。火焰原子化器：由雾化器、预混合室和燃烧器组成。雾化器将试液雾化，然后经预混合室的作用，进一步细化雾滴，并使之与燃料气均匀混合后进入火焰，利用火焰的热能将试样气化并进而解离成基态原子。无火焰原子化器：是利用电热、阴极溅射，等离子体或激光等方法使试样中待测元素形成基态原子。目前，广泛应用的非火焰原子化器是石墨炉。此法的优点是取样量少，（固体只需几毫克，液体仅用几微升）；其绝对灵敏度比火焰法高几个数量级，可达10-12g（相对灵敏度提高23个数量级）；但其精密度仅达25%，比火焰法差。石墨炉原子化器由电源、炉体、石墨管三部分组成。,分光系统 原子吸收光谱法应用的波长范围，一般是紫外、可见光区。常用的单色器为光栅。单色器的作用：主要是将光源（如空心阴极灯）发射的待测元素的共振线与其它发射线分开。由于采用空心阴极灯作光源，发射的谱线大多为共振线，故比一般光源发射的光谱简单。光谱通带，即仪器出射狭缝所能通过的谱线宽度:式中：W光谱通带（)；D倒线色散率（/mm)；S狭缝宽度（mm)。在两相邻干扰线间距离小时，光谱通带要小，反之，光谱通带可增大。当单色器的色散率一定时，应选择合适的狭缝宽度来达到谱线既不干扰，吸收又处于最大值的最佳工作条件。,(4)检测系统 作用：将单色器分出的光信号进行光电转换。广泛使用光电倍增管作检测器。光电倍增管输出的光电流，与入射光强度和光电倍增管的增益（即光电倍增管放大倍数的对数）成正比。而增益取决于打拿极的性质、个数和加在打拿极之间的电压。通过改变所加的电压，可以在较广的范围内改变输出电流。产生的电流可经负载电阻尺而变成电压讯号。(5)放大及数据处理系统放大器：一般采用同步检波放大器和相敏放大器来放大讯号。数据处理：讯号经放大器放大后，得到的只是透光度读数。必须进行对数转换，然后由指示仪表表示。而现在的仪器几乎都是用自动记录测量数据，数据显示测量数据和计算机处理数据，直读分析结果。,2.3 测定条件的选择（1）分析线的选择 选用元素的共振线作为分析线，共振线往往也是元素最灵敏的谱线，可使测定具有较好的灵敏度。但实际工作中并非都选用共振线，例如分析高浓度试样时，为了保持工作曲线的线性范围，选次灵敏线作为分析线是有利的。显然，对于低含量组分的测定，应尽可能选择最灵敏的谱线作分析线。（2）光谱区带的选择（3）空心阴极灯工作电流的选择（4）燃烧器高度的选择（5）火焰高度的选择（6）光电倍增管负高压的选择,2.4 定量分析方法（1）标准曲线法 绘制A-C工作曲线（见下图）,a.标准曲线弯曲现象的解释；b.控制试样校正；c.应控制吸光度在之间；d.标液浓度必须在吸光度与原子浓度或直线关系所得范围内；e.仪器操作条件（光源，喷雾，火焰，通带，检测等）在整个分析过程中应保持恒定。Back,（2）标准加入法 包括复加入法和单加入法 a.复加入法 取若干（不少于4份）体积相同的试样溶液，从第二份开始依次递增地加入不同等分量的待测元素的标准溶液（如分别加入10g、20g、30g）。然后用蒸馏水稀释至相同体积后摇匀。在相同的实验条件下依次测得各溶液的吸光度为AX、A1、A2、A3。以吸光度A为纵坐标，以加入标准溶液的浓度（或体积，绝对含量）为横坐标，作出A-C曲线，外延曲线与横坐标相交于一点，此点与原点的距离，即为所测试样溶液中，待测元素的含量（工作曲线如下）：(3)间接分析法 可用间接分析的方法测定某些非金属元素和有机化合物。,b.单加入法 取两份同体积的试液，于其中一份加入已知量的待测元素，其量最好与试样含量相近。稀释至一定体积后分别测吸光度。按下式进行计算：式中：C试样中被测元素浓度；S试样中加入标准的浓度；Ai试样吸光度；A试样加标后的吸光度 推导得：使用标准加入法应注意：只适用于浓度与吸光度成直线关系的范围；加入第一份标液浓度，应与试样的浓度接近；该法只能消除基体干扰，不能消除背景吸收等的影响。,2.5 灵敏度及检出极限（1）灵敏度 a.百分灵敏度 把能产生1%吸收（或0.0044吸光度）时，被测元素在溶液中的浓度（g/mL）,称为百分灵敏度或相对灵敏度。用g/mL.1%或10-6/1%表示。百分灵敏度的测定，是必须测出1%吸收时的浓度，式中：C被测溶液的浓度;A该溶液的吸光度。b.绝对灵敏度 能产生1%吸收（或0.0044吸光度）时，被测元素在水溶液中的质量，常用g/1%或10-12g/1%（1g=10-12g）。灵敏度通常可以看作是试液浓度测定的下限。最适宜的试液浓度，应选在灵敏度的15100倍的范围内。,ug/(mL1%),（2）检出极限（DL）a.相对检出极限 在火焰原子吸收分析中，把能产生二倍标准偏差时，某元素在水溶液中的浓度，定为相对检出极限，用g/mL或ppm表示。DL=C2/A 式中：C待测元素在水溶液中的浓度；A该溶液的吸光度；标准偏差。b.绝对检出极限 在石墨炉原子吸收光谱分析中，把能产生二倍标准偏差读数时，待测元素的质量称绝对检出极限。常用Pg或g 表示。检出极限不仅与仪器的灵敏度有关，而且与仪器的稳定性有关。既有高灵敏度又有低噪音水平的仪器才能运用于微量组分的测定。,2.6 原子吸收光谱法在环境监测中的应用金属污染物的测定：可测定的元素有60-70种，目前测定水和废水中的主要金属元素有：Ag,Cd,Cr,Cu,Fe,Mn,Ni,Pb,Sb,Zn,Be,Hg,K,Na,Ca,Mg 等。(1)Cu,Pb,Zn,Cd的测定（GB7475-87）；(2)Ca、Mg的测定；(3)水质、硫酸盐的测定（GB13196-91）；(4)大气尘粒中金属元素的测定；(5)大气降水中Na、K的测定，原子吸收分光光度法，GB13580.12-92；(6)GB13580.13-93大气降水中Ca、Mg的测定，原子吸收分光光度法；(7)GB/T15263-94环境空气中铅的测定，火焰原子吸收分光光度法。Back,第三章 原子荧光光谱法3.1 概述 原子荧光光谱从机理来看应属于发射光谱分析，但所用仪器及操作技术与原子吸收光谱法相近。主要优点：灵敏度较高；谱线较简单；可同时进行多元素测定；线形范围宽。3.2 原理 当气态基态原子被具有特征波长的共振线光束照射后，此原子的外层电子吸收辐射能，从基态或低能态跃迁到高能态，大约在10-8S内又跃回基态或低能态，同时发射出与照射光相同或不同波长的光。这种现象称为原子荧光。各种元素都有特定的原子荧光光谱，故可用于定性分析；而根据原子荧光的强度，进行定量分析，但目前这种方法主要用于痕量元素的定量分析。（本节还要掌握跃迁类型、荧光强度、量子效率和荧光猝灭）,3.2.1 跃迁类型 原子荧光有两大类型：共振荧光和非共振荧光。荧光线的波长与激发光的波长相同时称为共振荧光。不同时称为非共振荧光。在非共振荧光中，荧光线波长大于激发光波长的称为斯托克斯荧光，小于激发光波长的称为反斯托克斯托克斯荧光。目前，原子荧光的种类已达到14种之多。但在分析应用中的主要有共振荧光，直跃线荧光、阶跃线荧光、阶跃激发荧光及敏化荧光等（如下图所示）：,(1)共振荧光 是气态基态原子吸收共振线后发射出与吸收共振线相同波长的光。由于共振跃迁几率比其它跃迁几率大得多，因此共振荧光的强度最大。(2)直跃线荧光 直跃线荧光是非共振荧光，特点是吸收和发射过程中的高能级相同。即原子从基态激发至高能态，但不从高能态跃回到至基态，而是跃迁至能量高于基态的亚稳态。(3)阶跃线荧光 受光照射激发后的原子，在发射荧光前，由于碰撞而损失部分能量后，再跃至基态，并发射出荧光。很明显，产生这种荧光的高能级不同，低能级相同。(4)阶跃激发荧光 被光照射激发后的原子，通过热激发至更高的能级，然后跃至低能级，并发射出荧光，这种荧光称阶跃激发荧光。,(5)敏化荧光 敏化荧光产生的机理是首先激发某种原子（A），使成为激发态原子（A*），当激发态原子（A*）与另一种原子（B）相碰撞时，将能量转移给B原子（待测元素），使B原子激发而产生激发态原子（B*），然后（B*）原子在活化而发射出原子荧光。如下所示：(6)非共振荧光 特别是直跃线荧光在分析上很有用处。因为非共振荧光的波长与激发态不同，容易消除其影响。测量那些低能 级不是基态的非共振荧光线，还可以克服自吸的影响。,3.2.2 荧光强度 假设激发光源是稳定的，则照射到原子蒸汽上的某频率入射光强度可近似看成一常量I0,则原子吸收的辐射强度可用下式表示:式中：Ia为被吸收的辐射强度，I0为单位面积上接受的光源强度，A为受光源照射在检测系统中观察到的有效面积，l 为吸收光程长，N为单位长度内的基态原子数，为峰值吸收系数。在实际工作中，原子荧光强度与待测原子浓度成正比。,3.2.3 量子效率（）量子效率表示原子受激发跃迁过程的可能程度。对于荧光的发射来说，其量子效率表示荧光光子数与吸收激发光的光子数之比。荧光量子效率一般小于1。3.2.4 荧光猝灭 在原子荧光发射过程中，一部分能量变成热运动或其它形式的能量而损失。这是由于受激原子与其它粒子碰撞所引起的能量损失，称为荧光猝灭，可表示为：式中：A*为受激原子，B为其它粒子，H为热能。实验表明：不同气体引起的荧光猝灭效应不同，惰性气体氩、氦的猝灭截面比N2、O2、CO2等气体小的多。因此，实际工作中要注意原子蒸汽中能引起荧光猝灭的气体的种类及其浓度，通常用氩气来稀释火焰，可减少猝灭现象。,A*+B A+B+H,3.3 仪器 原子荧光光度计 分类：非色散型和色散型两类（结构示意图如下）原子荧光光度计与原子吸收光度计的相同点：组件上如原子化器（火焰和石墨炉），都是用切光 器及交流放大器来消除原子化器中直流发射讯号的干扰；检测器也均为光电倍增管等。两种仪器的区别：在原子荧光光度计中，需要采用高强度光源；在光路中，为了检测荧光讯号，避免待测元素本身发射的谱线，故要求光源、原子化器和检测器处于直角状态，而在原子吸收光度计中，则要求三者处于一条直线上；非色散原子荧光光度计采用日盲光电倍增管，它的光阴极是有Cs-Te材料做成的，对1600-2800A波长的辐射有很高的灵敏度，对大于3200A波长则不灵敏。,非色散型原子荧光仪示意图,3.4 定量分析方法及应用3.4.1 分析方法 FC，采用标准曲线法进行定量分析。3.4.2 应用实例 已应用于石油产品、燃料、化工、地球化学、水质、生物、同位素分析中。应用示例,原子荧光光谱法分析实例,试 样 测 量 元 素 含量 相对标准偏差/%湖水 Ca Mg Co Cu Fe Mn Ni Zn纯水 Ca Mg Ag Ni Mn 0.001g/mL粗柴油 Ni 0.04g/mL 5-7肥料 Cu Fe Zn Mn面粉 Hg 0.6ng 血清 Cu Zn 0.03-0.06g/mL 5尿 Pb 5g/mL 低合金铜 Si 0.7g/mL电解铜 Zn 0.0003%镍基合金 As Bi Pb Se Te 1 ppm Back,第四章 荧光及磷光光谱法4.1 原理4.1.1 荧光和磷光的产生4.1.2 激发光谱、荧光和磷光光谱4.1.3 荧光的影响因素4.1.4 荧光强度,4.1.1 荧光和磷光的产生&分子荧光是指分子在辐射能（紫外、可见光、红外光等）的照射下，电子跃迁至单重激发态，并以无辐射驰豫方式回到第一单重激发态的最低振动能级，由此再跃回基态或基态中的其它振动能级时所发出的光。&分子磷光是指处于第一最低单重激发态的分子以无辐射驰豫方式进入第一最低三重激发态，再由三重激发态跃迁回至基态而发出的光。&单重态(S)与三重态(T)的区别在于：电子自旋方向不同，且后者的能级稍低一些（见示意图）。单重激发态电子的自旋方向仍然和处于基态轨道的电子配对，且单重态分子具有抗磁性；三重激发态中，两个电子平行自旋。,单重态及三重态激发示意图,&处于激发态的电子，通常以辐射跃迁方式或无辐射跃迁方式再回到基态。辐射跃迁主要涉及到荧光、延迟荧光或磷光的发射；无辐射跃迁则是指热的形式辐射其多余的能量，包括振动驰豫（VR），内部转移（IR），系间窜跃（IX）及外部转移（EX）等。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化学环境等因素有关。激发能量的传递途径如图所示。,激发态能量传递途径,&结合荧光和磷光的产生过程，进一步说明各种能量传递方式（荧光发射、磷光发射、振动驰豫、内部转移、系间窜跃、外部转移）在其中所起的作用。设处于基态单重态的电子吸收波长为 的辐射之后，分别激发至第二单重态S2和第一单重态S1，如图所示。,荧光、磷光能级图,振动驰豫 指在同一电子能级中，电子由高振动能级转至低振动能级，而将多余的能量一热的形式发出。发生振动驰豫的时间为10-12s。内转移 当两个电子能级非常靠近以致其振动能级有重叠时，常发生电子由高能级以无辐射跃迁方式转移至低能级。荧光发射 处于第一激发单重态中的电子跃迁回至基态各振动能级时，将得到最大波长为3的荧光。荧光的产生在10-610-9s内完成。注意基态中也有振动驰豫跃迁。,系间窜跃 指不同多重态间的无辐射跃迁。这是产生延迟荧光的机理。例如S1T1就是一种系间窜跃。通常，发生系间窜越时，电子由S1的较低震动能级转移至T1的较高振动能级处。有时也可能发生T1S1，然后由S1发生荧光。这是产生延迟荧光的机理。磷光发射 电子由第一激发单重态的最低振动能级，有可能以系间窜跃方式转到第一激发三重态，再经过振动驰豫，转至其最低振动能级，由此激发态跃回至基态时，便发射磷光。这个跃迁过程（T1S0）是自旋禁阻的，其发光速率较慢，约为10-4100s。因此，这种跃迁所发射的光，在光照停止后，仍可持续一段时间 外转移 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失。这一现象称为“熄灭”或“猝灭”。Back,4.1.2 激发光谱、荧光和磷光光谱 荧光和磷光均为光致发光，因此必须选择合适的激发光波长。这可根据它们的激发光谱曲线来确定。绘制激发光谱时，固定测量波长为荧光（或磷光）最大发射波长，然后改变激发光波长，根据所测得的荧光强度与激发光波长的关系，即得到激发光谱曲线。在激发光谱的最大波长处，处于激发态的分子数目是最多的，这可说明所吸收的光能量也是最多的，自然能产生最强的荧光。如果固定激发光波长为其最大激发波长处，然后测定不同波长时所发射的荧光或磷光强度，即可得到荧光或磷光光谱曲线（参见萘的激发光谱、荧光和磷光发射光谱曲线图）。在荧光和磷光的产生过程中，因存在多种形式的无辐射跃迁而损失了部分能量，故它们的最大发射波长都向长波长方向转移；尤其磷光波长的移动较多，而且它的强度也相对较弱。,萘的激发光谱、荧光和磷光光谱,4.1.3 荧光的影响因素 荧光的影响因素包括：量子产率、荧光与有机化合物结构的关系、金属鳌合物的荧光、溶剂的影响、荧光的淬灭。&量子产率 量子产率（）通常用下式表示：也叫荧光效率。荧光的量子产率，与荧光产生时涉及的辐射和无辐射跃迁过程的速率常数有关。若用数学表达式表达这些关系，既 式中：Kf为荧光发射过程的速率常数，主要取决于化学结构；为其它过程的速率常数的总和，主要取决于化学环境，同时也与化学结构有关。,&荧光与有机化合物结构的关系 跃迁类型 因跃迁具有较大的摩尔吸收系数且寿命较短，故此过程常能发生较强的荧光；另外各种跃迁过程的竞争也有利于荧光的发射。共轭效应 容易实现*激发的芳香族化合物易发生荧光。增加分子体系的共轭度，也就是增大荧光物质的摩尔吸收系数，可使荧光增强，刚性结构和共平面效应 荧光物质的刚性和共平面性增加，可使分子与溶剂或其它溶质分子的相互作用减小，从而有利于荧光的发射。取代基效应 芳香族化合物具有不同取代基时，其荧光强度和荧光光谱都有很大的不同。一般，给电子基团如：-OH、-NH2、-OCH3、-NR2等增强荧光；而吸电子基团如-NO2、-COOH等减弱荧光。,&金属鳌合物的荧光 除过渡元素的顺磁性原子会发生线状荧光光谱外，大多数无机盐金属离子是不能产生荧光的。但有些情况下，金属鳌合物却能产生很强的荧光，并可用于痕量金属离子的测定。鳌合物中配对体的发光 不少有机化合物具有共轭双键，但因不是刚性结构，分子处于同一平面，因而不发生荧光。若这些化合物和金属离子形成鳌合物，随着分子的刚性增强，平面结构增大，常会发生荧光。一般说来，能产生这类荧光的金属离子具有硬酸型结构，如Be、Mg、Al、ZR、Th等。鳌合物中金属离子的特征荧光 通常是鳌合物先通过配位体电子跃迁而被激发，接着配位体把能量转移给金属离子，导致金属离子发射特征荧光。&溶剂的影响 增大溶剂的极性，将使n*跃迁的能量增大，*跃迁的能量降低，从而导致荧光增强。,&荧光的淬灭 荧光分子与溶剂分子或其它溶质分子的相互作用引起荧光强度降低的现象称为荧光淬灭。这些引起荧光强度降低的物质称为淬灭剂。引起荧光淬灭的原因包括：碰撞淬灭（主要原因）:指单重激发态的荧光分子与淬灭剂发生碰撞后，使激发态分子以无辐射跃迁方式回到基态，因而产生淬灭作用。能量转移:产生于淬灭剂与处于激发单重态的荧光分子作用后，发生能量转移，使淬灭剂得到激发。氧的淬灭作用：顺磁性的氧分子与处于单重激发态的荧光物质分子相互作用，促进形成顺磁性的三重态荧光分子，即加速系间窜跃所致。自熄灭和自吸收：当荧光物质浓度较大时，常会发生自熄灭现象，使荧光强度降低。,4.1.4 荧光强度 发射的荧光光强IF应正比于该系统吸收的激发光的光强，即：式中：I0是入射光强度，I是通过厚度为b的介质后的光强。常数K取决于荧光效率。根据比耳定律：当I0一定时，经过一定转换，可写为：在低浓度时，荧光强度与物质的浓度呈线性关系。当高浓度时，由于自熄灭和自吸收等原因，使荧光强度与分子浓度不呈线性关系，而发生直线弯曲现象。Back,4.2 荧光光谱仪（荧光光度计）荧光分析使用的仪器可分为：目视、光电、分光三种类型。荧光光度计的组成：通常均由光源、单色器（滤光片或光栅）、液槽及检测器组成。重点掌握荧光光度计的工作原理和仪器结构图,荧光光谱仪示意图,荧光光度计的工作原理：由光源发出的光，经第一单色器（激发光单色器）后，得到所需要的激发光波长。通过样品池后，由于一部分光线被荧光物质所吸收，故其透射强度减为I。荧光物质被激发后，将向四面八方发射荧光，但为了消除入射光及散射光的影响，荧光的测量应在与激发光成直角的方向上进行。仪器中的第二单色器称为荧光单色器。它的作用是消除溶液中可能共存的其它光线的干扰，以获得所需要的荧光。荧光作用于检测器上，得到相应的电讯号，经放大后，再用适当的记录器纪录。,4.2.1 光源 应具有强度大、适用波长范围宽两个特点。常用光源有高压汞灯和氙弧灯。前者的平均寿命约为15003000h，荧光分析中常用的是365、405、436nm三条谱线；后者是连续光源，发射光束强度大，可用于200700nm波长范围。在300400nm波段内，光谱强度几乎相等。4.2.2 滤光片和分光器 用滤光片为单色器时，以干涉滤光片的性能最好。它具有半宽度窄，透射率高，经得起强光源的长期照射等优点。较精密的荧光光度计均用分光器作单色器。目前，分光器多采用光栅。4.2.3 检测器 简易的荧光剂可采用目视或硒光电池检测。但一般较精密的荧光光度计均采用光电倍增管或光电子计数器检测。Back,4.3 荧光分析方法 4.3.1 分析方法 多采用标准曲线法，即以已知量的标准物质经过和试样同样的处理后，配成一系列的标准溶液，测定这些溶液的荧光强度后，用荧光强度对标准溶液浓度绘制标准曲线，然后根据试样溶液的荧光强度，在标准曲线上求出试样中荧光物质的含量。4.3.2 荧光分析法的灵敏度 荧光法的灵敏度比分光光度法高24个数量级。这是由于在分光光度法中，被检测的讯号为A=lgI0/I，即当试样浓度很低时，检测器所检测的是两个较大的讯号（I0及I）的微小差别，这是难以达到准确测量的。然而在荧光光度法中，被检测的是叠加在很小背景值上的荧光强度，从理论上讲，它是容易进行高灵敏、高准确测量的。在荧光光度法中，一般情况下，多采用相对灵敏度来表示。Back,4.4 荧光光谱法在环境监测中的应用 大气SO2中的测定 空气中苯并（）芘的测定 水环境中苯并()芘BaP的测定 水质中硒的测定2,3二氨基萘荧光,大气SO2中的测定 紫外荧光法测定大气中的SO2，具有选择性好、不消耗化学试剂、适用于连续自动监测等特点，用波长190230nm紫外光照射大气样品，则SO2吸收紫外光被激发至激发态，发射荧光强度和SO2浓度成正比，用光电倍增管及电子测量系统测量荧光强度，即可得大气中SO2的浓度（SO2检测仪示意图）。空气中苯并（）芘的测定乙酰化滤纸层析荧光分光光度法 醋酸纤维素薄层层析荧光分光光度法,SO2荧光监测仪示意图,水环境中苯并()芘BaP的测定 苯并()芘是一种有代表性的强致癌物质，被列为环境污染致癌物质监测工作中的常规项目之一。水中的苯并()芘主要采用层析荧光分光光度法（GB11895-89）测定，将水中多环芳烃及环己烷可溶物经环己烷萃取（水样必须充分摇匀），萃取液用无水硫酸钠脱水、浓缩，然后经乙酰化滤纸分离。分离后的B(a)P用荧光分光光度计测定。水质中硒的测定2,3二氨基萘荧光（GB11902-89）,4.5 磷光分析法 4.5.1 原理 4.5.2 磷光分析仪器 4.5.3 分析方法 4.5.4 在环境监测中的应用,4.5.1 原理磷光发射 电子由基态单重态激发至第一激发三重态的几率很小，但由第一激发单重态的最低震动能级，有可能以系间蹿跃方式转至第一激发三重态，再经振动弛豫，转至其最低振动能级，由此激发态跃回到基态时，便发射磷光。增强磷光的措施 由于磷光的产生很容易受其它辐射或无辐射跃迁的干扰而使磷光强度减弱，甚至完全消失。因此，为了获取较强的磷光，可采用下列一些措施：增加试样的刚性；固体磷光法；分子缔合物的形成；重原子效应；敏化磷光 此外，与间接荧光法一样，也可以利用磷光猝灭的效应，用间接磷光法测定某些物质。,4.5.2 磷光分析仪器 磷光仪与荧光仪相似，主要有光源、激发光单色器、液槽、发射光单色器、检测器等组成。磷光计与荧光计的主要区别：液槽：为了能在低温下测定磷光，盛试样溶液的石英液槽 需放置在盛液氮的石英杜瓦瓶内。斩波片：因发生磷光的物质常伴有荧光产生，为了区别磷光和荧光，在其激发光单色器和液槽之间以及液槽和发射光单色器之间各装一个可调节为同相或异相的斩波片，并由一个同步电动机带动。同相时，磷光和荧光一起进入发射光单色器，测到的是磷光和荧光的总光强。当调节为异相时，激发光被遮断。此时测到的仅为寿命较长的磷光。利用斩波片，不仅可分别测出荧光和磷光，而且可通过调节两个斩波光的转速，测出不同寿命的磷光。这种具有时间分辨功能的装置，是磷光光度计的一个特点。,4.5.3 分析方法 一般多采用标准曲线法，即用已知量的标准物质，经过和试样同样的处理后，配成一系列的标准溶液。测定这些物质的磷光强度后，以磷光强度对标准溶液浓度绘制标准曲线，然后根据试样溶液的磷光强度，在标准曲线上求出试样中的待测物质的含量。,4.5.4 在环境监测中的应用稠环芳烃和石油产物的分析 固体表面室温磷光分析法已作为稠环芳烃和杂环化合物的快速灵敏分析手段。农药、生物碱和植物生长激素的分析 低温磷光法已用于分析DDT等52种农药，烟碱、降烟碱和新烟碱等三种生物健以及2,4-D 和萘乙酸等17种植物生长激素。方法的检测限约为0.01g/mL。药物分析和临床分析 磷光分析已广泛地用于生物体液中痕量药物的分析。此外，磷光分析技术已应用于细胞生物学和生物化学的研究领域。,Back,第五章 化学发光监测技术5.1 化学发光的原理 化学发光（chemiluminescence）不是由光、热或电能而是由化学反应激发物质所产生的光辐射。基于化学反应所提供的足够的能量，使其中一种反应产物的分子的电子被激发，形成激发态分子，当它们以激发态跃回基态时，就发出一定波长的光，这一过程可用反应式表示如下：A+B C*+D C*C+h5.1.1 产生化学发光反应 应具备一定的条件,产生化学发光反应，应具备下述条件：化学反应必须能释放出足够的能量，以引起电子技法 通常，只有那些反应速度相当快的放热反应，其-H介于170300 KJ/mol之间，才能在可见光范围内观察到化学发光现象。许多氧化还原反应所提供的能量与此相当，因此大多数化学发光反应为氧化还原反应。要有有利的化学反应历程，以使产生的能量用于不断地产生激发态分子；激发态分子跃回基态时，要释放出光子，而不是以热的形式消耗能量。,5.1.2 化学发光效率CL 式中，r 指生成激发态产物分子的化学效率，f 指发态分子的发光效率 其中：,5.1.3 化学发光反应的发光强度 以单位时间内发射的光子效率表示，等于单位时间内起了反应的被测定的反应物A的浓度的变化（以微分表示）与化学发光效率CL的乘积，即：通常，在发光分析中，与发光试剂相比，被分析物的浓度要小很多，故发光剂浓度可认为是一常数，因此发光反应可视为拟一级反应。在发光分析过程中，还要考虑如溶液混合后的传递过程，发光反应本身的动力学因素时间等的影响。,5.2 化学发光反应的类型 5.2.1 气相化学发光 臭氧的化学发光反应 氮氧化物的化学发光反应 氧原子化学发光反应 火焰化学发光 液相化学发光 鲁米诺化学发光体系 吖啶及其衍生物的化学发光反应,气相化学发光 主要有O3、NO和S的化学发光反应，可用于监测空气中的O3、NO、NO2、H2S、SO2和CO等。臭氧的化学发光反应 臭氧可与40余种有机化合物产生化学发光反应，其中以与罗丹明B的反应最为灵敏，可用于测定大气中的微量臭氧。臭氧与罗丹明B-没食子酸的乙醇溶液产生化学发光反应的过程可表示如下（A*是没食子酸与O3 反应所产生的受激中间体，B是最终的氧化产物）没食子酸+O3 A*+O2 罗丹明B+A*罗丹明B*+B 罗丹明B*罗丹明B+h,氮氧化物的化学发光反应 一氧化氮与O3气相化学发光反应有较大的化学发光效率，其反应机理如下：NO+O3 NO2*+O2 NO2+h 灵敏度可达1ppb,测定范围0.0110000ppm。测定空气中的NO2时，可先将NO2还愿为NO，测得NO的总量后，从总量中减去原试样中的NO的含量，即为NO2的含量。,氧原子化学发光反应 气相中的SO2、NO、NO2、及CO等能与氧原子产生化学发光反应，如：SO2+O+O SO2*+O2 SO2+h 最大波长为200nm,测定灵敏度为1ppb。CO+O CO2*CO2+h 发射光谱范围为300500nm,测定灵敏度为1ppb。发光反应中所需要的氧原子源，一般是由O3在1000的石英管仲分解为O和O2而获得的。,火焰化学发光 一氧化氮 NO在富氢火焰中燃烧时产生很强的火焰化学发光反应，其机理为：H+NO H NO*H NO*H NO+h 光谱的波长范围为：660770nm,最大发射波长为690nm。NO2在富氢火焰中能迅速还原为NO,即，H+NO2 NO+OH 挥发性硫化物当挥发性硫化物如 SO2、H2S、CH3SH及CH3SCH3等在富氢火焰中燃烧时，产生很强的蓝色化学发光。例如SO2,其化学发光反应机理如下：SO2+2H2 S+2H2O S+S S*2 S*2 S2+h,液相化学发光 液相化学发光反应在痕量分析中十分重要。常用于化学发光分析的发光物质有鲁米诺、光泽精、洛粉碱、没食子酸、过氧苯酸盐、硅氧烯和芳香族游离基离子等。鲁米诺化学发光体系吖啶及其衍生物的化学发光反应,5.3 化学发光监测仪器 仪器组成：一般由进样系统、光电转换系统、信号放大系统、信号处理系统和数据显示处理系统五部分组成。仪器结构示意图化学发光NOX监测仪 以O3为 反应剂的NOX监测仪可以测定大气中NO、NO2及其总浓度。我国生产的这种仪器有GSH-202型、BF-8840型等。工作原理如图所示。,化学发光检测仪示意图,化学发光NOX监测仪的工作原理 气路分为两部分，一是O3发生气路，即氧气经电磁阀，膜片阀、流量计进入O3发生器，在紫外光照射或无声放电等作用下，产生数百ppm的O3送入反应室。二是气样经尘埃过滤器进入转换器，将NO2转换成NO，再通过三通电磁阀，流量计到达反应室。气样中的NO与O3在反应室中发生化学发光反应，产生的光量子经反应室端面上的滤光片获得特征波长光射到光电倍增管上，将光信号转换成与气样中NO2浓度成正比的电信号，经放大和信号处理后，送入指示，记录仪表显示和记录测定结果。反应