仪器分析法

仪器 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 法 第4章 仪器分析法 ?本章教学目的、要求 1. 掌握仪器分析的基本概念和原理; 2. 掌握仪器分析定性、定量的分析方法; 3. 熟悉仪器分析的实际应用; 4. 熟悉一般分析仪器的操作过程。 ?本章重点 1. 吸光光度法、原子吸收光谱法、电位分析法等仪器分析方法的原理; 2. 各种分析仪器的一般构造和基本分析程序; 3. 仪器分析定性、定量的分析方法; 4. 仪器分析的实际应用。 ?本章难点 1. 光度分析的朗伯-比尔定律; 2. 色谱分析的塔板理论; 3. 有机化合物电子跃迁的类型及特点。 ?本章教学目录 4.1 吸光光度法 4.2 原子吸收光谱法 4.3 电位分析法 4.4 气相色谱法 4.5 其它仪器分析法简介 4.1 吸光光度法 定义: 基于物质对光的选择性吸收而建立的分析方法称为吸光光度法，包括比色法，可见分光光度法及紫外分光光度法等。 比色分析法:许多物质是有颜色的，例如高锰酸钾在水溶液中呈深紫色， Cu2+在水溶液中呈蓝色。这些有色溶液颜色的深浅与这些物质的浓度有关。溶液愈浓，颜色愈深。因此，可以用比较颜色的深浅来测定物质的浓度，这种测定方法就称为比色分析法。 目前已普遍地使用分光光度计进行比色分析。应用分光光度计的分析方法称为分光光度法。这种方法具有灵敏、准确、快速及选择性好等特点。 -5-6吸光光度法试液的浓度下限:10----10mol/L。 吸光光度法测定的相对误差:2%—5%，可以满足微量组分测定对准确度的要求。 4.1.1 吸光光度法的基本原理 4.1.1.1 物质对光的选择性吸收 1) 溶液对光的作用 图4-1 溶液对光的作用 2) 物质的颜色 物质呈现的颜色是物质对不同波长的光选择性吸收的结果，溶液的颜色有透 过光的颜色决定。 表4-1 物质的颜色与吸收光颜色的互补关系 3) 吸收的基本性质 M+ M* h,, (基态) (激发态) 4) 物质吸收光的选择性 分子、原子或离子具有不连续的量子化能级，仅当照射光光子的能量(hv)与被照射物质粒子的基态和激发态能量之差相当时才能发生吸收。不同的物质微粒由于结构不同而具有不同的量子化能级，其能量差也不相同。所以物质对光的吸收具有选择性。 5) 吸收曲线和最大吸收波长 图4-2 双原子分子的能级 图4-3 吸收波长曲线 4.1.1.2 光吸收的基本定律—朗伯-比尔定律 1) 示意图 图4-4 朗伯-比尔定律示意图 朗伯一比耳定律是由实验观察得到的。如上图所示，当一束平行单色光通过液层厚度为b的有色溶液时，溶质吸收了光能，光的强度就要减弱。溶液的浓度愈大，通过的液层厚度愈大，人射光愈强，则光被吸收得愈多。 2) 朗伯-比尔定律表达式 I0 或者 ，其中 A,lg,abcIt I透光度 (透射光强度I与入射光强度I之比) T,0I0 1A,lg T 4.1.1.3 偏离朗伯—比尔定律的原因 1) 工作曲线: 根据朗伯-比尔定律，当波长和强度一定的人射光通过光程长度固定的有色溶液时，吸光度与有色溶液浓度成正比。通常在比色分析及可见光分光光度分析中，需要绘制标准曲线(工作曲线)，即在固定液层厚度及人射光的波长和强度的情况下，测定一系列不同浓度标准溶液的吸光度，以吸光度为纵坐标，标准溶液浓度为横坐标作图。这时应得到一条通过原点的直线。该直线称为标准曲线或工作曲线。 在溶液浓度较高时，标准曲线不一定为直线。 图4-5 分光光度工作曲线 2) 非单色光引起的偏离。非单色光引起的偏离朗伯-比尔定律的基本假设条件是入射光为单色光。但目前仪器所提供的入射光实际上是由波长范围较窄的光带组成的复合光。由于物质对不同波长光的吸收程度不同，因而引起了对比耳定律的偏离。 图4-6 复合光引起的偏离(谱带a是合适的测量波长范围) 3) 化学因素引起的偏离。 朗伯-比耳定律的基本假设，除要求入射光是单色光外，还假设吸收粒子是独立的，彼此之间无相互作用，因此稀溶液能很好地服从该定律。在高浓度时(通常>0.01mol/L)由于吸收组分粒子间的平均距离减小，以致每个粒子都可影响其邻近粒子的电荷分布，这种相互作用可使它们的吸光能力发生改变。一般认为比耳定律仅适用于稀溶液。 另一方面，溶液中由吸光物质等构成的化学体系，常因条件的变化而形成新的化合物或改变吸光物质的浓度，如吸光组分的缔合、离解，互变异构，络合物 的逐级形成，以及与溶剂的相互作用等，都将导致偏离比耳定律。 4.1.2 目视比色法和光度计的基本部件 4.1.2.1 目视比色法 用眼睛比较溶液颜色的深浅以测定物质含量的方法，称为目视比色法。 目视比色法特点: 1) 目视比色法的主要缺点是准确度不高，如果待测液中存在第二种有色物质， 甚至会无法进行测定。 2) 由于许多有色溶液颜色不稳定，标准系列不能久存，经常需在测定时配制， 比较麻烦。 3) 但设备简单，操作简便，比色管内液层厚使观察颜色的灵敏度较高，且不要 求有色溶液严格服从比耳定律，因而它广泛应用于准确度要求不高的常规分 析中。 4.1.2.2 分光光度计及其基本部件 将使用光电比色计测定溶液的吸光度以进行定量分析的方法称为光电比色法。将使用分光光度计进行测定的方法称为分光光度法。 两种方法的测定原理是相同的，所不同的仅在于获得单色光的方法不同，前者采用滤光片，后者采用棱镜或光栅等单色器。由于两者均基于吸光度的测定，所以它们统称为光度分析法。 1)吸光光度法的特点 , 消除了人的主观误差，提高了准确度 , 有其他有色物质共存时，可以选择适当的单色光和参比溶液来消除干扰，因 而可提高选择性。 , 在分析大批试样时，使用标准曲线法可简化手续，加快分析速度。 2)光度计基本部件:光源、单色器、吸收池、检测系统 图4-7 光度计的一般结构 图4-8 721型分光光度计的构造 3) 光源: 在可见光区测量时通常使用钨丝灯为光源。在近紫外区测定时常采用氢灯或氘灯产生180 - 375nm的连续光谱作为光源。 4) 单色器: 滤光片-常用的滤光片由有色玻璃片制成，只允许和它颜色相同的光通过，得到的是近似的单色光。 此外，还有一类利用光的干涉作用而产生相当窄的谱带的干涉滤光片，它可提供小到10 nm宽的谱带和较大的透光度。 棱镜-光通过人射狭缝，经透镜以一定角度射到棱镜上，在棱镜的两界面上发生折射而色散。色散了的光被聚焦在一个微微弯曲并带有出射狭缝的表面上，移动棱镜或移动出射狭缝的位置，就可使所需波长的光通过狭缝照射到试液上。 图4-9 棱镜单色器的示意图 5) 吸收池(比色皿) 比色皿，用于盛吸收试液，能透过所需光谱范围内的光线。在可见光区测定，可用无色透明、能耐腐蚀的玻璃比色皿，大多数仪器都配有液层厚度为0.5、1、2.5cm等的一套长方形或圆柱形比色皿。同样厚度比色皿之间的透光率相差应小于0.5,。 6) 检测系统 检测系统测量吸光度时，并非直接测量透过吸收池的光强度，而是将光强度转换成电流进行测量，这种光电转换器件称为检测器。因此，要求检测器对测定波长范围内的光有快速、灵敏的响应，最重要的是产生的光电流应与照射于检测器上的光强度成正比。 光电比色计及可见光分光光度计常使用硒光电池或光电管作检测器，采用检流计作读数装置，两者组成检测系统。 图4-10 光电管监测器示意图 -9通常使用悬镜式光点反射检流计测量产生的光电流，其灵敏度一般为10A/格。 4.1.3 显色反应及显色条件的选择 在进行比色分析或光度分析时，首先要把待测组分转变成有色化合物，然后进行比色或光度测定。将待测组分转变成有色化合物的反应叫显色反应。与待测组分形成有色化合物的试剂称为显色剂。 4.1.3.1 显色反应的选择 显色反应可分为两大类，即络合反应和氧化还原反应，而络合反应是最主要的显色反应。选用何种显色反应较适宜，应考虑以下因素: 45-10。 1) 灵敏度高，ε为10 2) 选择性好。指显色剂仅与一个组分或少数几个组分发生显色反应。仅与某一 种离子发生反应者称为特效的(或专属的)显色剂。 3) 显色剂在测定波长处无明显吸收。有色化合物与显色剂之间的差别较大，两 种有色物质最大吸收波长之差即(对比度)大于60nm。 4) 有色化合物的组成恒定，有色化合物的化学性质应稳定。 4.1.3.2 显色条件的选择 1) 显色剂用量 显色反应的一般通式为: 图4-11 显色剂用量与吸光度的关系(在a-b选择合适的显色剂用量) 2) 酸度 应该考虑酸度对有机显色剂和金属离子是否水解的影响。 (3) 显色温度 显色温度显色反应一般在室温下进行，有的反应则需要加热，以加速显色反应进行完全。有的有色物质当温度偏高时又容易分解。为此，对不同的反应，应通过实验找出各自适宜的温度范围。 4) 显色时间 通过实验，作出在一定温度下(一般是室温下)的吸光度一时间关系曲线，求出适宜的显色时间。 pH、T、t 图4-12 各因素对吸光度影响示意图 5) 干扰的消除 , 加入络合掩蔽剂或者氧化还原掩蔽剂; , 选择适当的显色条件; , 分离干扰离子。 4.1.3.3 显色剂 1) 无机显色剂 2) 有机显色剂 有机显色剂及其产物的颜色与它们的分子结构有密切关系。 无机显色剂一般使用不多，较常用有机的。有机显色剂一般都含生色团和助色团。分子中含有一个或一个以上的某些不饱和基团(共轭体系)的有机化合物，往往是有颜色的，这些基团称为发色团(或生色团)。 另外一些基团，如-NH2、-NR2、-OH 、-OR、 -SH 、Cl-及Br-等，虽然本身没有颜色，但它们的存在却会影响有机试剂及其与金属离子的反应产物的颜色，这些基团称为助色团。 偶氮类显色剂: 特别适用于铀、钍、锆等元素以及稀土元素总量的测定。 三苯甲烷类显色剂: 铬天青S常用来测定铍和铝。 4.1.3.4 三元络合物 三元络合物的特性: 1) 三元络合物比较稳定，可提高分析测定的准确度和重现性。 2) 三元络合物对光有较大的吸收容量，所以进行光度测定时它比二元络合物具 有更高的灵敏度和更大的对比度。 3) 形成三元络合物的显色反应比二元体系具有更高的选择性。这是因为在二元 络合物中，一种配位体常可与多种金属离子产生类似的络合反应，而当体系 中两种配位体形成三元络合物时，就减少了金属离子形成类似络合物的可能 性。 4.1.4 吸光度测量条件的选择 4.1.4.1 入射光波长的选择 最大吸收波长原则、吸收最大、干扰最小。 但也要考虑体系的吸收，如下图。 图4-13 吸收波长的选择(选择510nm，而不是410nm) 4.1.4.2 参比溶液的选择 由于反射，以及溶剂、试剂等对光的吸收会造成透射光强度的减弱，为了使光强度的减弱仅与溶液中待测物质的浓度有关，必须对上述影响进行校正。为此，应采用光学性质相同，厚度相同的比色皿贮参比溶液，调节仪器使透过参比皿的吸光度为零。测得试液的吸光度为下式: 选择参比溶液的原则: , 如果待测物与显色剂的反应产物有吸收，纯溶剂作参比溶液; , 显色剂或其他试剂有吸收，空白溶液(不加试样)作参比溶液; , 试样中其他组分有吸收，但不与显色剂的反应，显色剂无吸收，试样作参比 溶液;显色剂略有吸收，试液中加掩蔽剂再加显色剂作参比溶液。 4.1.4.3 吸光度读数范围的选择(0.2--0.8，0.15--1.0) 浓度相对误差合透光度误差的关系式: ,C0.434,,T CTlgT ,c:浓度的相对误差;:透光度的绝对误差(?0.2%——?2%，假定0.5%) ,Tc A:0.15-1.0，%T=70-10，浓度测量误差1.4%-2.2% 。 ,cA=0.434，T=0.368，极小值1.4,。 c 假定透光度绝对误差?T与透光度值无关，是一个常数，?T被认为是由仪器刻度读数不可靠所引起的误差。实际上由于仪器 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 和制造水平的不同，?T可能改变。影响透光度测量误差的因素很多，难以找到误差函数的确切表达式，因而在实际工作中，应参照仪器说明 书 关于书的成语关于读书的排比句社区图书漂流公约怎么写关于读书的小报汉书pdf ，创造条件使测定在适宜的吸光度范围内进行。例如72型分光光度计适宜测定的吸光度范围为0.1-0.65。根据朗伯一比耳定律，可以改变吸收池厚度或待测液浓度，使吸光度读数处在适宜范围内。 4.1.5 吸光光度法的应用 4.1.5.1 高含量组分的测定,示差法 当待测组分含量较高时，测得的吸光度值常常偏离比耳定律。即使不发生偏离，也因为通常采用纯溶剂作参比溶液(普通光度法)，使测得的吸光度太高，超出适宜的读数范围而引人较大的误差。采用示差法就能克服这一缺点。 示差法测定试液浓度Cx时，首先使用浓度稍低于试液的标准溶液Cs作参比溶液调节仪器透光度读数为100,(A=0)，然后测定试液的吸光度，该吸光度称为相对吸光度Ar，对应的透光度称为相对透光度Tr。如果用普通光度法以纯溶剂或空白作参比溶液，测得试液及标准液的吸光度分别为Ax及As，对应的透光度为Tx及Ts，则根据比耳定律得: 图4-14 示差法标尺放大原理图 应用示差法时，要求仪器光源有足够的发射强度或能增大光电流放大倍数， 以便能调节参比溶液透光度为100,。这就要求仪器单色器质量高，电子学系统稳定性好。 4.1.5.2 多组分分析 应用分光光度法，常常可能在同一试样溶液中不进行分离而测定一个以上的组分。假定溶液中同时存在两种组分x和y，它们的吸收光谱一般有如下两种情况: 1) 吸收光谱不重叠，或至少可能找到某一波长时只有一种组分吸收，单独测量即可; 2) 吸收光谱重叠:找出两个波长，二组分的吸光度差值?A较大，在波长为λ1和λ2时测定吸光度A1和A2，由吸光度值的加和性得联立方程，对方程求解。 图4-15 物质吸收光谱重叠图 4.1.5.3 光度滴定 光度测量可用来确定滴定的终点。光度滴定通常都是用经过改装的在光路中可插人滴定容器的分光光度计或光电比色计来进行的。测定滴定过程中溶液的吸光度，并绘制滴定剂体积和对应的吸光度的曲线以确定滴定终点。 3+2+图4-16 EDTA滴定Bi和Cu离子吸光度的变化 4.1.5.4 酸碱解离常数的测定 假设一元弱酸解离: 吸光度A: 引入分布系数: 强酸环境下测得: 强碱环境下测得: 整理后得: 可以用图解法求Ka。 4.1.5.5 络合物组成及稳定常数的测定 络合物组成及稳定常数的测定原理图 图4-17 摩尔比法测络合物的络合比示意图 根据物料平衡、络合的得吸光度、比值较高时摩尔吸光系数: 联合求解: 4.1.5.6 双波长吸光光度法 1)仪器示意图: 图4-18 双波长光度计结构图 方法原理公式: 由于仅用一个吸收池，且用试液本身作参比液，因此消除了吸收池及参比液所引起的测量误差，提高了测定的准确度。又因为测定的是试液在两波长处的吸光度差值，故可提高测定的选择性和灵敏度。 2)主要应用如下: , 特别适用于混合物的定量测定。下页图示为X、Y两组分的吸收光谱曲线。 测定试液中Cx时选λ1和λ2作测定波长和参比波长。Y在两个波长处摩 尔吸光系数相等，组分X在λ1处有最大吸收。 图4-19 双波长测定原理图 对X组分: , 由于测定时两波长的光通过同一吸收池和试液，因此散射程度相同，光程长 度相同。如固定一个波长，而改变另一波长，可用于测定高度混浊试样的吸 收光谱特性。 , 固定两种不同波长，测定两种组分的吸光度变化，记录它们对时间的变量。 这一方法特别适用于研究反应动力学过程。 4.1.6 光度法的实际应用示例 , 纳式试剂比色法测定水样中的氨氮; , 二苯碳酰二肼分光光度法测定水样中的六价铬; , 钼酸铵分光光度法测定水样中的总磷; , 4-氨基安替比林分光光度法测定水样中酚。 4.1.7 紫外吸收光谱法简介 4.1.7.1基本概念 紫外吸收光谱法的基础是物质对紫外光选择性吸收，与可见分光光度法的原 理一样，也是基于分子中价电子在能级之间的跃迁所产生的吸收。两者定量分析原理都是依据朗伯-比尔定律，其仪器组成及原理也类似，只是采用氢灯或氖灯作紫外光源。光学材料必须是石英的，检测器应对紫外光有灵敏的响应。 4.1.7.2 有机化合物电子跃迁的类型 ,电子、电子、未成键孤对电子。 有机化合物的价电子:,, 常见的跃迁类型: *跃迁:需能量较高，相当于真空紫外光。如饱和烃的C-C键和C-H,,, 键的跃迁。 *,,,跃迁:含杂原子(如O、N、S、Cl等)的饱和烃，如-C-OH跃迁。 **跃迁:双键、三键上的价电子跃迁到 形成的跃迁。 ,,,, *,,,跃迁:含杂原子的双键化合物，如-C,O 、-C,N等跃迁。 不同跃迁类型小结: 图4-20 能级跃迁的波长和强度图 4.1.7.3 影响紫外吸收光谱的因素 1)溶剂的影响: 溶剂极性的变化会使化合物的紫外吸收光谱形状、吸收波长位置改变。由于溶剂对紫外光谱有影响，记录吸收光谱时应注明所用溶剂，在将未知物的吸收光谱与已知化合物吸收光谱作比较时，要使用相同溶剂。 2)溶剂pH的影响: 当被测物质具有酸性或碱性基团时，溶剂的pH的变化对光谱的影响较大。 3)空间效应:若分子中存在空间阻碍，影响了较大共扼体系的生成，则吸收波长较短;反之，若分子不存在空间阻碍，可形成较大共扼体系，则吸收波长较长。 4.1.7.4 紫外吸收光谱法的应用 ,: 1)计算max 在紫外吸收光谱区，吸收峰的波长是和分子中基团的种类及其在分子中的位置，共扼等情况有关，因此可利用一些经验规则(如Woodward规则等)对共扼分 ,子的进行计算，计算结果与实测值比较，如果相符，则可确定该化合物的种max 类。 2)比较吸收光谱: 在相同的测定条件下，比较未知物与已知标准物的紫外光谱图。若两者的谱图相同，则可认为待测样品与已知标准物含相同的生色团，但有时不一定是同一化合物 3)同分异构体和顺反异构的确定: ,,反式异构体空间位阻小，共扼程度较高，其和大于顺式异构体。 maxmax 4)纯度检查: 利用是否特征吸收峰。来检查化合物是否有杂质。 4.2 原子吸收光谱分析 4.2.1 概述 4.2.1.1 基本概念 1)原子光谱 根据原子外层电子跃迁所产生的光谱进行分析的方法，称为原子光谱法，包括原子发射光谱法、原子吸收光谱法和原子荧光光谱法。本章重点介绍应用广泛的原子吸收光谱法。 2)原子吸收光谱 原子吸收光谱法，又称原子吸收分光光度法或简称原子吸收法，它是基于测量试样所产生的原子蒸气中基态原子对其特征谱线的吸收，从而定量测定化学元素的方法。 4.2.1.2 仪器结构和过程 图4-21 原子吸收示意图 如上图，含Pb溶液将经过预处理,喷射成雾状进人燃烧火焰中，Pb化合物雾滴在火焰温度下，挥发并离解成Pb原子蒸气。用Pb空心阴极灯作光源，产生Pb的特征谱线，通过Pb原子蒸气时，由于蒸气中基态Pb原子的吸收，Pb的特征谱线强度减弱，通过单色器和检测器测得其减弱程度，即可计算出溶液中Pb的含量。 4.2.1.3 方法特点 -9-12灵敏度高，10g/ml-10g/ml。 选择性好，准确度高。单一元素特征谱线测定，多数情况无干扰。 测量范围广。测定70多种元素。 操作简便，分析速度快。 4.2.2 原子吸收法基本原理 4.2.2.1 共振线和吸收线 1) 基本概念 , 共振线 电子从基态跃迁到能量最低的激发态(称为第一激发态)，为共振跃迁，所产生的谱线称为共振吸收线(简称共振线)。当电子从第一激发态跃回基态时，则发射出同样频率的谱线，称为共振发射线(也简称共振线)。对大多数元素来说，共 振线是指元素所有谱线中最灵敏的线。 , 特征谱线 各种元素的原子结构和外层电子排布不同。不同元素的原子从基态激发至第一激发态(或由第一激发态跃回基态)时，吸收(或发射)的能量不同，因此各种元素的共振线不同而有其特征性，这种共振线称为元素的特征谱线。 2) 朗伯原理 图4-22 原子吸收法的朗伯定律示意图 ,Kb, 原理公式:I,Ie,0 K:吸收系数;:频率。 ,, 吸收线 图4-23 吸收线轮廓图 图4-24 吸收线半宽度 比较上述两个图，注意图的纵坐标参量的不同。 I由于物质的原子对不同频率人射光的吸收具有选择性，因而透过光强度和, K,吸收系数将随着人射光的频率而变化。在入射频率为处，透过光强度最小，,0 ,即吸收最大，即原子蒸气在频率处有吸收线。 0 原子吸收线具有一定宽度，即吸收线轮廓。表征吸收线轮廓的值是吸收线的 K0半宽度，它是指最大吸收系数一半即处所对应的频率差或波长差。 2 4.2.2.2 基态原子和激发态原子的分配 原子吸收法是利用待测元素的原子蒸气中基态原子对该元索的共振线的吸收来进行测定的。但在原子化过程中，待测元素由分子离解成的原子，不可能全部都是基态原子，其中必有一部分为激发态原子。在一定温度下，当处于热力学平衡时，激发态原子数与基态原子数之比服从玻耳兹曼分布定律: EE,j0Ng,jjkT,e Ng00 :激发态原子数;:基态原子数;:激发态统计权重;:基态统NgNg00jj 计权重;k为玻耳兹曼常数。 Nj对大多数元素来说，值都小于百分之一，即热激发中的激发态原子数N0 远小于基态原子数，也就是说热激发中基态原子占绝对多数，可以认为基态原子数实际代表待测元素的原子总数。 4.2.2.3 原子吸收法的定量基础 1) 积分吸收 原子蒸气吸收的能量，成为积分吸收，即图4中吸收线下整个面积，用下式表示。 2e, Kd,Nf,,,mc m:电子质量;c:光速;N:单位体积吸收辐射的原子数;f:振子强度，表示能被光辐射激发的每个原子的平均电子数。 而K有关系式: 0 峰值吸收 2,2ln22ln2e,,NfKd, ,K,0,mc,,,,DD K一般情况下，吸收线的半宽度较小，近似等于，峰值吸收近似等于积K,0 分吸收。 I0 A,lg,0.4343Kb0I, 导出: k和K:比例常数;C:待测元素浓度。 A,kNb,KC 4.2.3 原子吸收光谱仪 4.2.3.1 原子吸收光谱仪结构示意图 图4-25 原子吸收光谱仪结构示意图 4.2.3.2 光源,空心阴极灯 1) 构造 图4-26 空心阴极灯示意图 2) 空心阴极灯的要求 ?能发射待测元素的共振线。 ?能发射锐线，即发射线的半宽度比吸收线的半宽度窄得多 ?发射光强度要足够大，稳定性要好，寿命长。 3) 空心阴极灯原理 普通空心阴极灯是一种气体放电管，如图4-26所示。当正负两极间施加适当电压时，电子将从空心阴极内壁流向阳极，在电子通路上与惰性气体原子碰撞而使之电离，带正电荷的惰性气体离子在电场作用下，向阴极内壁猛烈轰击，使阴极表面金属原子溅射出来。溅射出来的金属原子再与电子、惰性气体原子及离子发生碰撞而被激发，从而发射出阴极物质的共振线。 用不同的待测元素作阴极材料，可制成各相应待测元素的空心阴极灯;若阴极物质只含一种元素，则可制成单元素灯;阴极物质含多种元素，则可制成多元素灯。 为了避免发生光谱干扰，在制灯时，必须用纯度较高的阴极材料和选择适当的内充气体，以使阴极元素的共振线附近没有杂质元素或内充气体的强谱线。 空心阴极灯发射的光谱强度与灯的工作电流有关。增大灯的工作电流，可以增加光谱线强度。 缺点:每测一个元素均需要更换相应的待测元素的空心阴极灯，使用不太方便。 4.2.3.3原子化系统 1) 原子化过程示意 2) 火焰原子化系统 火焰原子化系统包括雾化和燃烧两个部分 图4-27 同心雾化器示意图 图4-28 燃烧器示意图 过程:试液――雾化――进入火焰――蒸发、干燥――热解离(或还原)―― 基态原子 常用火焰种类及参数见下表: 火焰的三种状态: 化学计量火焰(中性火焰):燃烧气和助燃气比例按化学反应计量关系，最常用的火焰，分析碱金属除外的元素。 富燃火焰(还原性火焰):燃烧气和助燃气比例大于化学反应计量关系，火焰中大量的半分解产物，有较强的还原性。分析易形成难熔氧化物的元素，如Mo、W、稀土元素。 贫燃火焰(氧化性火焰):燃烧气和助燃气比例小于化学反应计量关系，火焰温度较低。分析碱金属元素。 3) 非火焰原子化装置 石墨炉原子化装置 图4-29 石墨炉原子化器示意图 过程: ?干燥阶段:蒸发除去试样的溶剂，如水分、各种酸溶剂等。 ?灰化阶段:破坏和蒸发除去试样中的基体，在原子化阶段前尽可能多的 将共存组分与待测元素分离开，以减少共存物和背景吸收的干扰。 ?原子化阶段:使待测元素转变为基态原子，供吸收测定。 ?烧净阶段:净化除去残渣，消除石墨管记忆效应。 -12特点:原子化效率和测定灵敏度都比火焰高得多，其检出极限可达10 g数量级;试样用量仅1,100uL;可测定粘稠和固体试样;石墨炉测定精密度不如 火焰法;测定速度也较火焰法慢，此外装置较复杂、费用较高。 4.2.3.4 分光系统 1) 功能 原子吸收光谱仪的分光系统主要由色散元件、凹面镜和狭缝组成，也称为单色器。它的作用是将待测元素的共振线与邻近谱线分开。 单色器的色散元件可用棱镜或衍射光栅。现在仪器多用衍射光栅做色散元件。衍射光栅是在金属(或镀有铝层)平面或凹面镜上刻有许多平行线条(一般每米刻有600-2 880条)。光栅分辨率与其面上单位距离中刻线的数量有关，刻线数量越多，分辨率越高。 2) 通带概念 所谓通带，系指通过单色器出射狭缝的光束波长间的范围。 通带的大小是仪器的工作条件之一:通带增大，使单色器的分辨率降低，靠近分析线的其他非吸收线的干扰和光源背景干扰一也增大，使工作曲线弯曲，产生误差。反之，通带窄，虽能使分辨率得到改善，但进人单色器的光强度减小，使测定灵敏度降低。 4.2.3.5 检测系统 检测系统主要由检测器(光电倍增管)、放大器、读数和记录系统等组成。原子吸收光谱仪中，常用光电倍增管作检测器，其作用是将经过原子蒸气吸收和单色器分光后的微弱光信号转换为电信号，再经过放大器放大后，便可在读数装置上显示出来。 现代原子吸收光谱仪通常设有自动调零，自动校准、标尺扩展、浓度直读、自动取样及自动处理数据等装置。 4.2.3.6 仪器类型 1) 单光束型 图4-30 单光束原子吸收光谱仪结构 单光束仪器结构简单，灵敏度较高，能满足日常分析需要。缺点是不能消除光源波动造成的影响，致使基线漂移。使用时需预热光源，并在测量时经常校正零点。 2) 双光束型 图4-31 双光束原子吸收光谱仪结构 双光束仪器可以消除光源波动性造成的影响，仪器灵敏度和准确度皆优于单光束型。空心阴极灯不需预热便可进行测定。但参比光束不通过火焰，因此不能消除火焰背景的影响。 4.2.4 定量分析方法 4.2.4.1 标准曲线法 1)原理 图4-32 标准曲线法原理示意图 2) 方法 设定条件，测定一系列已知浓度的样品的吸光度数值，并作图。在相同条件下，测定样品的吸光度，由标准曲线求得样品待测元素浓度。 4.2.4.2 标准加入法 1) 原理 图4-33 标准加入法原理示意图 2) 方法 若试样基体组成复杂，且基体成分对测定又有明显干扰，此时可采用标准加入法。 取若干份等量的试样溶液，分别加入浓度不等的标准溶液，测定吸光度，由吸收曲线外推得到原始样品浓度。 注意: ?此法可消除基体效应带来的影响，但不能消除分子吸收、背景吸收的影响。 ?应保一证标准曲线的线性，否则曲线外推易造成较大的误差。 4.2.5 原子吸收法的干扰及其抑制 原子吸收法的干扰有:电离干扰、化学干扰、物理干扰和光谱干扰等。 4.2.5.1 电离干扰 由于基态原子电离而造成的一干扰称为电离干扰:这种干扰造成火焰中待测元素的基态原子数量减少，使测定结果偏低。 火焰温度越高，元素电离电位越低，元素越易电离。碱金属和碱土金属由于电离电位较低，容易发生电离干扰。 消除方法一是降低火焰温度，二是加入比待测元素更易电离的物质。 4.2.5.2 化学干扰 待测元素与试样中共存组分或火焰成分发生化学反应，引起原子化程度改变所造成的干扰称为化学干扰。 化学干扰是原子吸收光谱分析中主要干扰来源，典型的化学于扰是待测元素与共存元素之间形成更加稳定的化合物，使基态原子数目减少。 常用的消除方法有:加入释放剂、加入保护剂、加入基体改进剂。此外还可采用提高火焰温度、化学预分离等方法来消除化学干扰。 4.2.5.3物理干扰 物理干扰系指试样一种或多种物理性质(如粘度、密度、表面张力)改变所引起的干扰。主要来源于雾化、去溶剂及伴随固体转化为蒸气过程中物理化学现象的干扰。 物理干扰可用配制与待测试样组成尽量一致的标准溶液的力、法来消除，也可采用蠕动泵、标准加人法或稀释法来减小和消除物理干 扰。 4.2.5.4光谱干扰 光谱干扰是指与光谱发射和吸收有关的干扰，主要来自光源和原子化装置，包括谱线干扰和背景干扰。 谱线干扰:当光源产生的共振线附近存在有非待测元素的谱线，或试样中待测元素共振线与另一元素吸收线一十分接近时，均会产生谱线干扰:可用减小狭缝，另选分析线的方法来抑制这种干扰。 背景干扰:包括分子吸收和光散射引起的干扰。分子吸收是指在原子化过程中生成的气态分子、氧化物和盐类分子等对光源共振辐射产生吸收而引起的干扰;光散射则是在原子化过程中，产生的固体微粒对光产生散射而引起的干扰。多采用氛灯扣背景和塞曼效应扣背景的方法来消除这种干扰。 4.2.6 灵敏度、检出极限、测定条件的选择 4.2.6.1 灵敏度 1) I UPAC定义 1975年I UPAC规定，灵敏度定义为校正曲线的斜率，用S表示: dA S,dc 2) 实际应用 , 特征浓度 在火焰原子吸收法中也常用特征浓度来表示元素的灵敏度。特征浓度系指能产生1,的吸收或能产生0.0044吸光度时待测元素的浓度。 0.0044，单位ug/(ml*1%)。 c,,0A , 特征质量 在石墨炉中常用特征质量来表征灵敏度，所谓特征质量系指能产生1,的吸收或能产生0.004 4吸光度时待测元素的质量。 0.0044，单位ug/1%。 mm,cA 4.2.6.2 检出极限 1) 定义 检出极限系指仪器能以适当的置信度检出的待测元素的最小浓度或最小量。通常是指空白溶液吸光度信号标准偏差的3倍所对应的待测元素浓度或质量。 2) 表达式 火焰法中: 3Sb ,,DLSc n2，，x,x,ii,1S,其中，S浓度的灵敏度。 cbn,1 石墨炉法中: 3Sb m,DLSm n2，，x,x,ii,1S,其中，S质量的灵敏度。 mbn,1 3) 灵敏度和检测极限的区别 灵敏度只考虑检测信号的大小，而检出极限考虑了仪器噪声，检出极限越低，说明仪器越稳定。因此检出极限是衡量仪器性能的一项重要的综合指标。 4.2.6.3测定条件的选择 测定条件的选择对测定的灵敏度、稳定性、线性范围和重现性等有很大的影响。最佳测定条件应根据实际情况进行选择，主要应考虑以下几个方面: 1) 分析线 通常选择待测元素的共振线作为分析线。但测量较高浓度时，可选用次灵敏线。远紫外区(200 nm以下)，火焰对其有明显吸收，故不宜选共振线作分析线。此外，稳定性差时，也不宜选共振线做分析线。 2) 空心阴极灯电流 在保证有稳定和足够的辐射光强度的情况下，尽量选用较低的灯电流，以延长空心阴极灯的寿命。 3) 狭缝宽度 无邻近干扰线时，可选择较宽的狭缝，如测定K、Na;若有邻近线干扰时，则选择较小的狭缝，如测定Ca、Mg、Fe。 4)火焰 在火焰中容易原子化的元素As、Se等，可选用低温火焰，如空气一氢火焰。 在火焰中较难离解的元素Ca、Mg、Fe、Cu、Zn、Pb、Co、Mn等，可选用中温火焰，如空气一乙炔火焰。 在火焰中难于离解的元素V、Ti、Al、Si等，可选用氧化亚氮一乙炔高温火焰。 Cr、Mo、W、V、Al等在火焰中易生成难离解的氧化物，宜用富燃火焰。 另一些元素如K、Na等在火焰中易于电离，则宜选用贫燃火焰 5)观测高度 观测高度又称为燃烧头高度。调节燃烧头高度，使来自空心阴极灯的光束通过自由原子浓度最大的火焰区，此时灵敏度高，测量稳定性好。 若不需要高灵敏度时，如测定高浓度试样溶液，可通过旋转燃烧头的角度来降低灵敏度，以便有利于测定。 4.2.7 原子吸收光谱法的实际应用示例 测定土壤样品中的重金属离子，如:Cu、Zn、Pb、Cd等。 • 配制标准溶液; • 盐酸-硝酸-氢氟酸-高氯酸制取样品试液; • 绘制工作曲线; • 样品测量。 4.3 电位分析法 4.3.1 概述 4.3.1.1 概念和特点 电位分析法是电化学分析法的一个重要组成部分。电化学分析法主要是应用电化学的基本原理和技术，研究在化学电池内发生的特定现象，利用物质的组成及含量与它的电化学性质的关系而建立起来的一类分析方法。 电化学分析法的特点是灵敏度、选择性和准确度都较高，被分析物质的最低 -12量接近10mol数量级。 4.3.1.2 分类 根据测量的参数不同，电化学分析法主要分为电位分析法，库仑分析法，极谱分析法，电导分析法及电解分析法等。本章重点讨论电位分析法。 电位分析法是通过测定含有待测溶液的化学电池的电动势，进而求得溶液中待测组分含量的方法。通常在待测电解质溶液中，插人两支性质不同的电极，用导线相连组成化学电池。利用电池电动势与试液中离子活度之间一定的数量关系，从而测得离子的活度。它包括直接电位法和电位滴定法。直接电位法是通过测量电池电动势来确定待测离子的活度的方法。例如用玻璃电极测定溶液中的+H的活度a，用离子选择性电极测定各种阴离子或阳离子的活度等。电位滴定H+ 法是通过测量滴定过程中电池电动势的变化来确定滴定终点的滴定分析法，可用于酸碱、氧化还原等各类滴定反应终点的确定。此外，电位滴定法还可用来测定电对的条件电极电位，酸碱的离解常数，络合物的稳定常数等。 4.3.1.3 基本原理 电极电位的大小:由能斯特方程确定 整个氧化还原反应的电位由下列公式确定: 4.3.2 参比电极 4.3.2.1 概述 参比电极是测量电池电动势，计算电极电位的基准，因此要求它的电极电位 -8A或更小)通过，仍能保已知而且恒定，在测量过程中，即使有微小电流(约10 持不变，它与不同的测试溶液间的液体接界电位差异很小，数值很低(1 --2mV)，可以忽略不计，并且容易制作，使用寿命长。 标准氢电极(SHE)是最精确的参比电极，是参比电极的一级标准，它的电位值规定在任何温度下都是0 V。 实际工作中常用的参比电极是甘汞电极和银-氯化银电极。 4.3.2.2 甘汞电极 1) 构造示意 图4-34 甘汞电极示意图 2)电极反应为: 3)甘汞电极的电位计算: 4.3.2.3 银-氯化银电极 1)基本结构示意图 图4-35 Ag-AgCl电极构造示意图 2)电极反应: 3)电位计算: 4.3.3 指示电极 4.3.3.1 概述 电位分析中，还需要另一类性质的电极，它能快速而灵敏的对溶液中参与半反应的离子的活度或不同氧化态的离子的活度比，产生能斯特响应，这类电极称为指示电极。 常用的指示电极主要是金属电极和膜电极两大类，就其结构上的差异可以分为金属-金属离子电极，金属-金属难溶盐电极，汞电极，惰性金属电极，玻璃膜及其他膜电极等。 4.3.3.2 分类 1)金属-金属离子电极 金属-金属离子电极是由某些金属插入该金属离子的溶液中而组成的，称为第一类电极。 2)金属-金属难溶盐电极 金属-金属难溶盐电极是由金属表面带有该金属难溶盐的涂层，浸在与其难溶盐有相同阴离子的溶液中组成的，也称为第二类电极。在电位分析中，作为指示电极使用已不多见，已逐渐为离子选择性电极所代替。 3)汞电极 -6汞电极是由金属汞(或汞齐丝)浸入含少量Hg2+-EDTA络合物(约10mol / L) n+及被测金属离子M的溶液中所组成，也称为第三类电极。 4)惰性金属电极 惰性金属电极一般由惰性材料如铂、金或石墨炭作成片状或棒状，浸入含有均相和可逆的同一元素的两种不同氧化态的离子溶液中组成，称为零类电极或氧化还原电极。 这类电极的电极电位与两种氧化态离子活度的比率有关，电极起传递电子的作用，本身不参与氧化还原反应。 5)离子选择性电极 离子选择性电极是通过电极上的薄膜对各种离子有选择性的电位响应而作为指示电极的。它与上述金属基电极的区别在于电极的薄膜并不给出或得到电子，而是选择性地让一些离子渗透，同时也包含着离子交换过程。 离子选择性电极种类繁多，按国际纯粹与应用化学联合会的建议: , 玻璃电极 图4-36 玻璃电极构造示意图 玻璃电极的玻璃膜(浸泡后) 玻璃电极的电位: , 晶体膜电极: , 敏化电极: 4.3.4 直接电位法 直接电位法应用最多的是pH的电位测定及用离子选择性电极测定离子活 度。 4.3.4.1 pH的电位测定 1)测定原理的原电池表示: 图4-37 pH测量的原电池 2)测量(计算)过程: 4.3.4.2 离子活度的测定 基本原理:测定离子活(浓)度的基本原理与用pH指示电极测定溶液pH类似，用离子选择性电极测定离子活度时是把离子选择性电极与参比电极浸入待测溶液组成电池，并测量其电动势。 -例如，使用氟离子电极测定F活(浓)度时组成如下的电池: 图4-38 活度测量的工作曲线 通过能斯特公式来计算待测离子的活度。 4.3.5 电位滴定法 当滴定反应平衡常数较小，滴定突跃不明显，或试液有色、浑浊，用指示剂指示终点有困难时，可以采用电位滴定法，即根据滴定过程中化学计量点附近的电位突跃来确定终点。 电位滴定法以测量电位变化为基础，它比直接电位法具有较高的准确度和精密度。但分析时间较长，如能使用自动电位滴定仪，计算机处理数据，则可达到简便、快速的目的。 4.3.5.1 电位滴定法的仪器装置 图4-39 电位滴定法的仪器装置示意图。 4.3.5.2 电位滴定终点的确定方法 1)E-V法 图4-40 E-V法确定滴定终点示意图 2)ΔE/ΔV-V法 图4-41 ΔE/ΔV-V法确定滴定终点示意图 4.3.5.3电位滴定的应用 4.3.5.4 电位滴定法计算示例 4.4 气相色谱分析法 4.4.1 概述 4.4.1.1. 色谱法简介 色谱法又名色层法、层析法，是一种用以分离、分析多组分混合物质的极有效 的物理及物理化学分析方法。 4.4.1.2 色谱法的特点 1)分离效能高 -11-132)灵敏度高，10~10g。 3)快速，几分钟~几十分钟。 4)应用广泛 4.4.1.3 气相色谱分析流程 1) 流程示意图 图4-42 气相色谱分析流程示意图 2) 气相色谱仪的组成部分 , 载气系统(包括气源、气体净化、气体流速的控制和测量); , 进样系统(包括进样器、汽化室); , 色谱柱; , 检测器; , 记录系统(包括放大器，记录仪，有的还带有数据处理装置): 4.4.1.4 气固色谱和气液色谱 1) 基本概念 气固色谱的固定相是多孔性的固体吸附剂:气固色谱分离是基于固体吸附剂对试样中各组分的吸附能力的不同。 气液色谱的固定相是由担体(用来支持固定液的、惰性的多孔性固体物质)表面涂固定液(高沸点的有机物)所组成。气液色谱的分离主要是基于固定液对试样中各组分的溶解度的不同。 2) 分离原理 , 分离原理 试样气体由载气携带进入色谱柱，与固定相接触时，很快被固定相溶解或吸附。随着载气的不断通入，被溶解或吸附的组分又从固定相中挥发或脱附下来，挥发或脱附下来的组分随着载气向前移动时，又再次被固定相溶解或吸附。随着载气的流动，溶解、挥发，或吸附、脱附过程的反复进行二显然，由于组分性质的差异，固定相对它们的溶解或吸附的能力将不同。易被溶解或吸附的组分，挥发或脱附较难，随载气移动的速度慢，在柱内停留的时间长;反之，不易被溶解或吸附的组分随载气移动的速度快，在柱内停留的时间短，所以，经过一定的时间间隔(一定柱长)后性质不同的组分便彼此分离。 , 分配系数K 组分在固定相中的浓度K, 组分在流动相中的浓度 , 分配比k ms k,mM m:组分在固定相中间的质量;m:组分在流动相中间的质量。 sM , K与k的关系: mscVVsssK,,,k,k, mcVMMMVM V:流动相的体积;Vs:固定液的体积(气液色谱)或者吸附剂表面容量(气固色M 谱);:相比。 , 4.4.2 固定相 4.4.2.1 气固色谱固定相 气固色谱一般用表面具有一定活性的吸附剂作固定相(stationarv phase)。 常用的有非极性的活性炭、极性的AlO、氢健型的硅胶，后来又发展了分子筛、23 高分子多孔微球(G DX系列的固定相)、石墨化炭黑、碳多孔小球(TDX)等，它们对各种气体的吸附能力强弱不同，可以根据试样选择合适的吸附剂。 4.4.2.2 气液色谱固定相 1) 担体(载体) 担体它应是一种化学惰性的、多孔性的固体微粒，能提供较大的惰性表面，使固定液以液膜状态均匀地分布在其表面。 对担体一般提出如下的要求: , 表面积大，孔径分布均匀。 , 化学惰性好，其表面没有吸附性或吸附性很弱，与被分离组分不起任何化学 反应。 , 热稳定性好，有一定的机械强度，不易破碎。 , 颗粒均匀，大小适度，常用60-80目、80-100目。 常用担体有硅藻土型和非硅藻土型两类。硅藻土型担体应用较早，目前应用也较广泛。它又可分为红色担体和白色担体两类，都是由天然硅藻土锻烧而成，所不同的是白色担体在锻烧前于硅藻土原料中加入少量助熔剂，如碳酸钠。 红色担体(如6201红色担体、201红色担体等)表面孔穴密集，孔径较小，表面积较大，机械强度较好，对于非极性或弱极性试样分离效率较高。但表面有吸附中心，涂极性固定液时分布不易均匀，因而对极性试样分离效果较差。 白色担体(如101白色担体,102白色担体等)表面孔径较大，表面积较小，质地较疏松，机械强度差，但表面吸附中心显著减少，吸附性小，适于分离极性试样。 由于担体表面往往有吸附中心，会使固定液涂布不均匀，分离极性组分时吸附这些组分，而使色谱峰拖尾，影响分离。因此分析极性试样用的担体应加以处理，以除去其表面的吸附中心，使之“钝化”:处理方法有酸洗、碱洗、硅烷化处理、釉化处理等。 非硅藻土型担体如氟担体，适用于强极性、腐蚀性气体的分析;玻璃微球担 体适用于高沸点物质的分析;高分子多孔微球既可用于气固色谱中作吸附剂， 又可用于气液色谱中作担体。 2) 固定液及其选择 对固定液的要求: , 对试样中各组分有适当的溶解能力; , 选择性好，对各分离组分分配系数的差值要适当; , 沸点高，挥发性小，热稳定性好; , 化学稳定性好，不与被分离物质发生不可逆的化学反应: 固定液的选择: , 分离非极性组分，一般选用非极性固定液。这时试样中各组分按沸点次序流 出色谱柱，例如用角鲨烷作固定液分离甲烷(沸点-161.5?)、乙烷(沸点 -88.6?)，丙烷(沸点-47?)时。沸点较低的甲烷先出峰，沸点较高的丙烷则 最后出峰。 , 分离极性组分，选用极性固定液。各组分按极性大小顺序流出色谱柱，极性 小的先出峰。如用极性固定液聚乙二醇-600分析乙醛、丙烯醛混合物时，由 于乙醛的极性较丙烯醛小，所以乙醛较丙烯醛先出峰。 , 分离非极性和极性的(或易被极化的)混合物，一般选用极性固定液。此时， 非极性组分先出峰，极性的(或易被极化的)组分后出峰二例如苯和环己烷的 沸点相差不到1?，用非极性固定液很难使之分离，但若用中等极性的邻苯 二甲酸二壬酯作固定液，苯的保留时间是环己烷的1.5倍;若选用强极性的 β，β’,氧二丙睛作固定液，苯的保留时间是环己烷的6.3倍，很容易分离。 , 对于能形成氨键的组分，如醇、胺和水等的分离，一般选择极性的或氢键型 的固定液。这时试样中各组分根据与固定液形成氢键能力的大小先后流出。 不易形成氢键的先流出，最易形成氢键的最后流出。 , 对于复杂的难分离的组分，常采用特殊的固定液或两种甚至两种以上的固定 液，配成混合固定液。例如苯系物的分离，苯系物指苯、甲苯、乙苯、二甲 苯(包括对,、间,、邻居,异构体)乃至异丙苯、三甲苯等，使用有机皂土 固定液，能使间位和对位的二甲苯分开，但不能使乙苯和对二甲苯分开。若 使用有机皂土配入适当量邻苯二甲酸二壬醋的混合固定液，即能将各组分分 开。 4.4.3 气相色谱分析理论基础 4.4.3.1 气相色谱流出曲线及有关术语 1 ) 流出曲线 图4-43 气相色谱流出曲线图 2) 有关术语 , 基线 , 保留值 , 保留时间t R , 死时间t M , 调整保留时间t’ R t',t,tRRM, 保留体积V R V,t，F RR0F:色谱柱出口处载气的流速。 0 , 死体积V M V,t，F MM0, 调整保留体积V’ R V',t'，F,V,V RR0RM, 相对保留值r:指组分2与组分1调整保留值的比， 21 t'V'R2R2r,, 21t'V'R1R1, 区域宽度 标准偏差:流出曲线上两个拐点间距离的一半，即0.607倍峰高处峰宽度, 的一半。 峰高:色谱峰顶点到基线的距离。 半峰宽:峰高一半处色谱峰的宽度。 Y12 Y,2,2ln2,2.354,12 峰基宽度:流出曲线拐点的切线在基线上的截距。 Wb W,4,b 4.4.3.2 色谱柱效能 1) 色谱分离的三种情况 图4-44 色谱分离的三种情况示意图 色谱柱的分离效能常根据一对难分离组分的分一离情况来判断。如A、B系难分离的物质对，它们的色谱图可能有上图所示的三种情况:图(a)中A、B二组分未分离，色谱峰完全重叠;(b)中A、B二组分的色谱峰间有一定距离，但峰形很宽，二峰严重重叠，分离不完全;(c)中二峰间有一定距离，而且峰形较窄，分离完全。可见要使两组分分离，两峰间必须有足够的距离，而且要求峰形较窄。 2) 塔板理论 塔板理论-柱效能指标。在色谱分离技术发展的初期，马丁等人把色谱分离过程比拟作分馏过程，直接引用处理分馏过程的概念、理论和方法来处理色谱分离过程。即把连续的色谱过程看作许多小段平衡过程的重复，从而提出了塔板理论(plate theory)。这个半经验的理论把色谱柱比作一个分馏塔，柱内有若干想象的塔板，在每个塔板高度间隔内，被分离组分在气液两相间达成分配平衡。经过若干次的分配平衡后，分配系数小即挥发度大的组分首先由柱内逸出。由于色谱柱的塔板数很多，致使分配系数仅有微小差异的组分也能得到很好的分离。 理论塔板数n: Ln, H L:色谱柱长度;H:塔板理论高度(塔板间距)。 n的计算公式 22,,tt,,RR,,n,,,5.54,16 ,,,,YW,,b,,1,,2 有效塔板数n: 有效 22,,,,t,tt',,RMR,, n,5.54,16有效,,,,YW,,b1,,,,2 有效塔板高度H: 有效 L H,有效n有效3) 速率理论-影响柱效能的因素 , 速率方程(范式方程) B， H,A，，Cuu u:载气的线速度。 , A:涡流扩散项 A,2,d p :色谱柱固定相填充不均匀因子;d:填充物平均颗粒直径。 ,p B, 分子扩散项: u B,2,D g :与组分载柱内扩散路径的弯曲程度有关的弯曲因子;D:组分在气相中,g 的扩散系数。 1D ,gM载气 M:载气的摩尔质量。 载气 , Cu:传质阻力项 ，C:气相中的传质阻力;C液相中的传质阻力。 C,C，Cglgl 2dp C,gDg 2df ,ClDl d:固定液液膜的厚度;D:组分在液相中的扩散系数。 fl 4) 分离度 , 分离度(分辨率)R t,t，，2R2R1 R,W，Wb2b1 R=1.5，相邻两个色谱峰完全分离的 标志 禁止坐卧标志下载饮用水保护区标志下载桥隧标志图下载上坡路安全标志下载地理标志专用标志下载 。 , 半峰宽分离度R’ ，，2tt,RR21R', Y，Y11(2)(1)22, R与R’的关系: R,0.59R', 分离度R、有效塔板数n、柱的选择性r之间的关系: 有效21 2n,,r,1有效21,, R,,,16r21,, 2,,r221,, L,16RH有效,,,1r,,21 对一定的色谱柱和一定的预分离物质时，在一定的操作条件下: R,L 4.4.4 气相色谱分离操作条件的选择 4.4.4.1 载气种类及流速的选择 B由范式方程得知: H,A，，Cuu 图4-45 塔板高度H与载气流速u的关系 , 载气种类: H He N Ar 22 , 实际应用: 载气流速稍高于最佳流速。 流速高，选择摩尔质量小的载气。 流速低，选择摩尔质量大的载气。 4.4.4.2 柱温的选择 , 柱温高: K值减少，不同物质K差值减少。 , 柱温低: 柱效能下降，分析时间延长。 图4-46 恒温和程序升温对醇类物质分离的影响 4.4.4.3 进样量和进样时间的选择 , 进样量 进样量少，检测困难。 进样量多，色谱峰重叠。 一般进样量:液体0.1~5ul，气体0.1~10ml。 , 进样时间 进样时间必须很快，1s内完成。 进样时间很慢，引起色谱峰扩展变形。 4.4.4.4汽化温度的选择 针对液体试样，要求试样迅速汽化，一般比柱温高30~70?,不宜过高，以 免试样被破坏。 4.4.5 毛细管柱气相色谱法简介 4.4.5.1 毛细管柱气相色谱的特点 1) 开管柱，无填充物，无涡流扩散。 2) 管径小，0.2um~0.5um，涂层薄，传质阻力小。 3) 柱长长，20~100m。 4) 柱效能高，理论塔板数104~106，为填充柱的10~100倍。 5) 石英材料制作。 4.4.6 气相色谱检测器 4.4.6.1检测器的作用 将被色谱柱分离的组分按其物理/化学性质转化为易测量的电信号。 ，或者 E,mE,Sm S:单位质量或者单位体积的物质通过检测器时产生响应信号的大小。 E用峰面积表示时: A S,m A:峰面积。 4.4.6.2 热导池检测器(TCD) 1) 热导池的结构 图4-47 热导池检测器结构示意图 2) 热导池检测器的检测原理 若以电压作为检测信号: ,E,,R,,t,,,,c E:电压;R:电阻;t:电阻丝(钨丝)的温度;:气体热导系数。 , 图4-48 热导池检测器电桥线路示意图 3) 热导池操作条件的选择 , 桥路电流:桥路电流增加，使钨丝温度增高，钨丝和池体的温差增大，有利 于气体的热传导，灵敏度就高。热导池的灵敏度和桥路电流的三次方成正比。 所以增加桥路电流，可以迅速提高灵敏度。但是桥路电流也不可过高，否则 将引起基线不稳，甚至烧坏钨丝。 , 池体温度:桥路电流一定时，钨丝温度一定。若适当降低池体温度，则钨丝 和池壁的温差增大，从而可提高灵敏度。但池体温度不能低于柱温，否则待 测组分会在检测器内冷凝。 , 载气:载气与试样的热导系数相差愈大，灵敏度就愈高:一般物质蒸气的热 (或He)作载气。载气热导系数大，导系数较小，所以应选择热导系数大的H2 允许的桥路电流可适当提高，从而又可提高热导池的灵敏度。如果选用N2 作载气，由于载气与试样热导系数的差别小，灵敏度较低。此外，还常因二 元混合气的热导系数与其组成不成线性关系;热导性能差，使热对流作用在 热导池中影响增大等，有可能在流速增大或温度提高时，出现不正常的色谱 峰(如倒峰，W峰)，因此，一般较少使用N作载气。 2 4.4.6.3 氢火焰离子化检测器(FID) 1) 氢焰检测器的结构 图4-49 氢焰检测器示意图 2) 氢焰检测器的检测原理 有机物CH在火焰能源作用下电离形成含碳自由基CH*、CH* CH*，自nm32由基发生反应: **，, 2CH，O,2CHO，2e2 ，， CHO，HO,HO，CO23 ,++CHO和HO和e在外加直流电场作用下，定向运动产生电流被检测记录。 3 3) 操作条件的选择 , 载气流速的选择:一般用N:作载气，载气流速的选择主要考虑分离效能。 对一定的色谱柱和试样，要通过实践，找到一个最佳的载气流速，使色谱柱 的分离效果最好。 流速过低，不仅火氢气流速:氢气流速的选择主要考虑检测器的灵敏感。H2 焰温度低，组分分子离子化数目少，检测器灵敏度低，而且容易熄火。H流速2过大，基线不稳。 当用N作载气时，N、H流速的比值有一个最佳值。在此最佳比值下，检 222 测器灵敏度高，稳定性好，最佳比值只能由实验确定。一般u/u在1?1-1.5N2H2之间。 , 空气流速:在低流速时，离子化信号随空气流速的增加而增大，达一定值后， 空气流速对离子化信号几乎没有影响。一般氧气和空气流速的比例是1?10。 , 极化电压:在低电压时，离子化信号随所采用的极化电压的增加迅速增大。 当电压超过一定值时，增加电压对离子化电流没有大的影响。正常操作时所 用极化电压一般为100-300 V。 , 此外，对于屏蔽、绝缘、接触是否良好，管路及离子室的清洁，气体的净化 等都应予以足够的注意。 4.4.6.4 其它检测器 1) 电子捕获检测器(ECD) 图4-50 电子捕获检测器示意图 ECD应用于含卤素、S、P、O化合物的检测。 2) 火焰光度检测器(FPD) 图4-51 火焰光度检测器示意图 FPD应用于含S、P化合物的检测。 4.4.7 气相色谱定性检测方法 4.4.7.1 目的 气相色谱定性分析的目的是确定试样的组成，即确定每个色谱峰各代表什么组分。气相色谱的定性能力，总的说来，是比较弱的，但由于气相色谱与质谱、红外光一谱等联用技术的发展，使色谱分析的强分离能力和质谱、红外光谱的强鉴定能力相结合，为未知试样的分析开创了广阔的前途。现把几种常用的定性分析方法介绍如下。 4.4.7.2 利用纯物质对照的定性鉴定 1) 利用保留值的定性鉴定法。 2) 利用加入纯物质以增加峰高的定性鉴定法。 3) 与质谱、红外光谱联用的定性鉴定。 4.4.8 气相色谱定量测定方法 4.4.8.1 原理基本公式 Ai m,,fAiiiSi f :定量校正因子。 i 4.4.8.2 峰面积的测量 1) 峰高乘以半峰宽 A,h，Y12 2) 峰高乘以平均峰宽法 1A,h，Y，Y，， 0.150.852 3) 峰高乘以保留时间法 由于: ， Y,tY,b，t11RR22 A,h，Y,h，b，t1R24) 微机应用 4.4.8.3 定量校正因子f i 1)绝对校正因子: m1i f,,iASii2)与标准物质(s)对照，相对校正因子: mifAAmiisif',,, mfAmssisAs4.4.8.4 几种常用定量方法 1) 归一化法 , 测量峰面积 试样有n个组分，待测组分的质量分数: mfA，100%'iiiw,,，100% inmmm？m，，，，123nfA',iii,1 若各组分的f ’很接近，如同系物中沸点接近的组分，上式可以简化为: I Aiw,，100% in A,ii,1, 测量峰高 fh''iiw,，100% in fh'',iii,1 f ’’为峰高校正因子，需自行测定。 I 2) 内标法 试样质量m，加入的内标物质质量为m，有: s mf'Aiii, mf'Asss f'Aiimsmf'Aiss w,，100%,，100,imm总总 =1.0: 内标物同时作为基准物:f's mf'Amiiis w,，100%,，100,imAms总总 如用峰高代替峰面积: mf'hmiiis w,，100%,，100,imhms总总 Ai w,，kiAs k:比例常数。 4.4.9 高效液相色谱简介 4.4.9.1 设备结构 图 4-52 高效液相色谱结构示意图 4.4.9.2 高效液相色谱的特点 1) 液体为流动相。 552) 高压，载液压力100*10~150*10Pa。 3) 高速，数分钟到半小时完成分析。 4) 高效，柱效能比气相色谱高很多。 -11-135) 高灵敏度，检测极限10~10g。 6) 高沸点、不能汽化、热不稳定、生理活性物质的分析 4.4.9.3 高效液相色谱的分类 1) 液-固吸附色谱 2) 液-液分配色谱 3) 离子交换色谱 4) 空间排阻色谱 植物、蔬菜中农药的测定: • 使用农药标准样品，进行标准曲线的绘制; • 提取植物、蔬菜中农药成分; • 测量样品中农药的含量。 4.5 其它仪器分析方法简介 其它仪器分析方法包括: , 原子发射光谱法 , 红外光谱法 , 核磁共振光谱法 波谱分析方法 , 质谱 , 波谱的综合利用 4.5.1 原子发射光谱法简介 4.5.1.1 基本原理和特点 1) 基本原理 原子发射光谱法是根据待测元素发射出的特征光谱而对元素组成进行分析的方法，当基态原子获得一定能量后，外层电子可由基态跃迁至较高能级，此时原子处于激发状态。激发态的原子是不稳定的，在返回基态过程中，多余能量便以光的形式发射出来。由于各原子内部结构不同，发射出的谱线带有特征性，故称为特征光谱。测量各元素特征光谱的波长和强度便可对元素进行定性和定量分析。 2) 特点 -3-9, 原子发射光谱法灵敏度高，10-10g。 , 选择性好;可同时分析儿十种元素。 , 线性范围宽，约2个数量级，但若采用电感藕合等离子体光源，则线性范围 可扩大至6-7个数量级。 , 采用摄谱法可进行定性分析，此点优于原子吸收法。 , 不足之处:是谱线干扰较严重，对一些非金属元素还不能测定。 4.5.1.2 原子发射光谱分析过程和光谱仪 1)分析过程 原子发射光谱分析一般都要经历:试样蒸发--激发和发射--复合光分光--谱线记录检测等过程。 图4-53 原子发射光谱法分析示意图 2) 激发光源 , 激发光源主要作用: 提供试样蒸发、离解、原子化和激发所需的能量。 , 激发光源条件: , 能够提供足够的能量。 , 光谱背景小，稳定性好。 , 结构简单，易于维护。 , 常用的激发光源 , 直流电弧 , 交流电弧 , 火花放电 , 电感耦合等离子炬(ICP) , ICP简介 ICP主要由三部分组成:高频发生器、等离子体炬管和雾化系统。 , 高频发生器: 产生高频磁场，供给等离子体能量。振荡频率一般为27.12MHz或40.68MHz，输出功率为1 - 4 kW。 , ICP炬管: 炬管是ICP的核心部件，其性能对I CP的形成、稳定以及结果的准确度都有明显的影响。等离子体的温度可达到6000-10000 K。试样气溶胶在等离子体中蒸发、原子化和激发，产生发射光谱。 , 雾化系统: 将试样溶液雾化成极细的雾珠，形成气溶胶，由载气送入等离子体。常用的雾化装置有气动雾化器、超声雾化器、电热气化装置等。 ICP光源具有温度高、稳定、环状轴向通道、利于难激发元素离解、化学干扰小，基体效应低、谱线强度大。不足之处:是氩气消耗量较大，运行费用较高。 图 4-54 ICP结构示意图 3) 摄谱仪 摄谱仪是将待测元素的发射谱线用照相方式记录下来的装置，根据分光元件不同，可分为棱镜摄谱仪和光栅摄谱仪，目前多采用后者。 4) 检测器 常用检测设备有映谱仪、测微光度计和光电直读光谱仪。 , 映谱仪:又称为光谱投影仪，用来放大光谱图，便于观察辨认谱线，进行定 性和半定量分析。通常放大倍数为20。 , 测微光度计:又称为黑度计，用于测量谱线底片上记录的谱线黑度，进行定 量分析。 , 光电直读光谱仪:用光栅做分光元件，光电倍增管作检测器，直接测出谱线 强度。 4.5.1.3 定性、半定量和定量分析 1) 定性分析 发射光谱定性分析可分为两类，一是指定元素分析，二是未知元素全分析。 , 指定元素分析:与标准试样光谱图比较，即将待测元素的标准试样与未知试 样并列摄谱，然后在映谱仪上观察二者特征谱线重叠情况。如果待测元素有 2-3条特征谱线与标准样品特征谱线重合，可认为试样中存在该元素。 , 未知元素全分析:通常采用与铁谱比较的方法。纯铁谱线在210-660 nm范 围内约有4 000多条谱线，铁光谱成为一个天然的波长标尺。将各元素特征 波长标在相应的位置，并注明元素的名称和谱线强度，构成元素的标准光谱 图。 。 图4-55 元素标准光谱线 定性分析时将被测试样和纯铁并列摄谱，然后在映谱仪上放大。将试样谱图上的铁光谱与元素标准光谱图上的铁光谱重合，进行观察比较。若待测元素有2-3条特征谱线与标准谱图中某元素的特征谱线重合，便可确定该元素存在。 2) 半定量分析 谱线黑度比较法:将试样与已知不同含量的标样系列在同一感光板上并列摄谱，然后在映谱仪上观察。若试样中某元素的谱线黑度与某个标样的谱线黑度相近，则该元素含量近似等于该标样中元素的含量。 3) 定量分析 , 原理公式 发射光谱定量分析是根据被测元素谱线强度来确定元素含量。 罗马金-赛伯经验公式: blgI,blgc，lgaI,ac，或者 式中I:谱线强度;c:被测元素浓度，a:发射系数;b:自吸系数。 , 内标法 内标法在待测元素中选一条谱线作为分析线，再在基体元素或定量加入的其他元素谱线中选一条谱线作为内标线，两条谱线组成分析线对，它们的绝对强度之比R称为谱线的相对强度。 设待测元素含量为c， b I,ac11 内标元素含量为c， b0 I,ac000 相对强度R为: bIacB11 R,,,Acb0Iac000 lgR与分析线对的黑度差成正比，即: ,S ,S,,lgR,,Blgc，lgA 上式即为应用内标法原理进行摄谱定量分析的基本公式。具体应用见下图。 图4-56 内标法分析原理 4.5.2 红外光谱法 4.5.2.1 红外光谱简介 分子能选择性吸收某些波长的红外光，而引起分子中振动能级和转动能级的跃迁，检测红外光被吸收的情况可得到物质的红外吸收光谱(infrared absorption spectroscopy，IR)。 红外光谱又称分子振动光谱或振转光谱。红外光谱具有特征性强、适用范围宽、操作简便等优点，是有机物结构分析最常用的方法之一。有机物大部分基团 -1的振动频率出现在2.5~25um (4 000 - 400 cm)的中红外区，所以红外光谱通常所指的是中红外光谱。 分子的振动类型和频率 图4-57 CO2 图4-58 异丁醇的红外光谱图 图4-59 有机物主要官能团在红外光谱中的分布 4.5.2.2 红外光谱仪 图 4-60 红外光谱仪的一般结构 4.5.2.3 红外光谱法的应用 有机物的红外光谱有鲜明的特征性。组成分子的原子、化学键性质、基团的连接次序和空间位置的不同都会在光谱图上显示出来。因此红外光谱适合于定性鉴定和结构分析。 1)定性鉴定 定性鉴定的方法主要是谱图比较，如果两个化合物不仅基团特征频率区，而且指纹区的吸收峰位置、形状、强度都一致，一般可以判断这两个化合物结构相同。这种比较可以在待测物与纯物质的谱图之间进行，也可以在待测物谱图与红外标准谱图之间进行。 现代红外光谱仪备有标准谱库和计算机检索软件，非常容易进行标准谱图的检索。 2)结构分析 在结构分析中，红外光谱的主要作用是利用基团特征频率区的吸收峰确定官能团。由于每个基团在分子中都处于特定环境，它周围的原子或其他基团可通过诱导或共扼等电子效应、空间效应以及氢键作用等影响它的化学键强度，从而使该基团频率即吸收峰位置发生位移。利用谱峰位移可以推测基团连接次序和空间位置等分子结构信息。 对于较为复杂的有机物，单凭红外光谱解析很难完成未知物的结构分析任务，一般需应用质谱、核磁共振谱等其他光谱数据。 3)定量分析 红外光谱也能用于定量分析，与其他吸收光谱一样，定量分析的依据是朗伯 -比尔定律。但因灵敏度低等原因，红外光谱定量分析的应用远不如定性分析和结构鉴定。 4.5.3 核磁共振波谱 113常用的核磁共振波谱:H NMR和C NMR。 4.5.3.1 基本原理 1) 共振频率 在自身核磁矩和外界磁场作用下，H核原简并能级分裂为两个磁能级，能级差 hEB,,, 02, γ:氢原子的核磁比;B0:外磁场的磁感应强度。 共振频率: h,,hEB,,,0,2 1,,,B02, 2)化学位移 H核外不同的电子云密度产生不同的屏蔽作用，导致共振频率的改变: 1 ,,,B(1,,)0 2, σ:屏蔽常数。 化学位移: ,,,试样标准物6,,，10 ,标准物 IUPAC的规定:四甲基硅烷作为标准物。 1图4-61 各种不同化学环境H的化学位移范围 3)自旋耦合和自旋裂分 自旋耦合:相互邻近的n个H核之间的相互作用。 自旋裂分:原先共振频率产生的一个吸收峰裂变为n+1个峰。 耦合常数:裂分峰之间的裂距。 4.5.3.2 核磁共振谱图及提供的信息 化学位移 自旋耦合 自旋裂分 积分平台 图4-62 乙笨的核磁共振氢谱 4.5.3.3 核磁共振光谱仪 图4-63 核磁共振光谱仪的简单结构 4.5.4 有机质谱 4.5.4.1 基本原理 1)将有机物分子以某种方式破碎: 2)按照质荷比对离子进行分离和测定。 图4-64 质谱仪器的简单结构 图4-65 离子的分离过程示意图 同位素离子 碎片离子 +分子离子 Cl CH2+CHCl 22 图4-66 二氯甲烷的电子轰击质谱图 4.5.5 波谱的综合利用 1对某有机物进行红外光谱、质谱和H NMR核磁共振谱的分析，得到下面三份谱图: 1图4-67 有机物的质谱、红外光谱和H核磁共振谱图 1)对质谱的分析: , 确定分子量86。 , 5个C核。 , 不饱和度。 , 与红外光谱和核磁共振谱结合，进行基团对照。 2) 红外光谱分析 结合质谱和核磁共振谱: , 确定羰基。 , 确定甲基。 , 确立异丙基。 3)核磁共振谱分析 , 确定H核数目10。 , 与质谱和红外光谱结合，确定基团。 4)得到有机物结构 有机物分子结构: 图4-68 有机物质谱断裂示意图