儀器分析基礎(chǔ)知識教材

1、環(huán)境儀器分析1 現(xiàn)代儀器的類系現(xiàn)代儀器的類系 1) 分離分析儀器與技術(shù) 2) 鑒定原子的儀器與技術(shù) 3) 鑒定分子的儀器與技術(shù) 4) 表面界面分析儀器與技術(shù) 5) 分析儀器聯(lián)用技術(shù) 6) 核分析儀器與技術(shù) 7) 生物化學(xué)與醫(yī)學(xué)專用分析儀器2.1 氣相色譜（GC）2.2 液相色譜（HPLC）2.3 超臨界流體色譜（SFC）2.4 尺寸排阻色譜（SEC）2.5 薄層色譜（TLC）2.6 毛細(xì)管電泳（CE）2.7 離子色譜（IC）2 分離分析儀器與技術(shù)分離分析儀器與技術(shù)2.1 氣相色譜（氣相色譜（GC）最常見的分離分析儀器主要用于可揮發(fā)性組分的分析，或衍生化后可揮發(fā)組分的分析，應(yīng)用范圍非常廣?；衔?/p>

2、中約20%的樣品可用GC分離色譜法理論基礎(chǔ)色譜法理論基礎(chǔ)色譜法的基本原理色譜法的基本原理 俄國植物學(xué)家茨維特（Tsweett）最早創(chuàng)造了色譜，并于1906年他將吸附原理分離植物色素的方法命名為色譜法（chromatography)。 TsweettTsweett色譜分離的基本原理是：色譜分離的基本原理是： 使混合物中各組分在兩相（固定相和流動相）間進(jìn)行分配，當(dāng)流動相中所含混合物(A、B)經(jīng)過固定相時，就會與固定相發(fā)生相互作用，由于各組分在性質(zhì)和結(jié)構(gòu)上的差異，不同組分(A、B)在固定相中滯留時間有長有短，從而按先后不同的次序從固定相中流出。 水果、蔬菜中17種有機(jī)氯，用毛細(xì)管氣相色譜法測定農(nóng)藥的

3、殘留量用丙酮正己烷混合液, 提取樣品中的有機(jī)氯農(nóng)藥，將提取液濃縮后，經(jīng)過弗羅里硅土層析柱凈化分析。 組成組成：氣路系統(tǒng)、電路系統(tǒng)、分離系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)等部分組成（結(jié)構(gòu)示意圖如下）：氣相色譜常用檢測器氣相色譜常用檢測器氫火焰離子化檢測器氫火焰離子化檢測器(FID)電子捕獲檢測器電子捕獲檢測器(ECD)火焰光度檢測器火焰光度檢測器(FPD)氮磷檢測器（氮磷檢測器（NPD）質(zhì)譜檢測器（質(zhì)譜檢測器（MSD）定量峰面積百分比法（歸一化法）由于檢測技術(shù)的影響，在色譜中不常用外標(biāo)法在色譜中用的較多內(nèi)標(biāo)法準(zhǔn)確，但是麻煩在標(biāo)準(zhǔn)方法中用的最多歸一化法100100121niiiiiniiAfAfmmmmc)(% 特點(diǎn)

4、及要求：特點(diǎn)及要求： 歸一化法簡便、準(zhǔn)確；歸一化法簡便、準(zhǔn)確；進(jìn)樣量的準(zhǔn)確性和操作條件的變動對測定結(jié)果影響不大；進(jìn)樣量的準(zhǔn)確性和操作條件的變動對測定結(jié)果影響不大；僅適用于試樣中所有組分全出峰的情況。僅適用于試樣中所有組分全出峰的情況。外標(biāo)法配制一系列已配制一系列已知濃度的標(biāo)樣知濃度的標(biāo)樣ssiisifAfAmm%100%100%mmfAfAmmCsssiiiisiisAAmmm和測混勻進(jìn)樣）（含過程：內(nèi)標(biāo)法內(nèi)標(biāo)法0.000.200.400.600.801.001.201.401.601.802.002.503.003.504.004.505.005.506.00voltsMinutesMeth

5、ylParabenEthylParabenPropylParabenButylParaben05010015020025001020304050樣品濃度標(biāo)樣峰面積內(nèi)標(biāo)樣峰面積實(shí)際色譜圖實(shí)際色譜圖標(biāo)準(zhǔn)曲線標(biāo)準(zhǔn)曲線在待測樣品中不存在；在待測樣品中不存在；與被測組分性質(zhì)比較接近；與被測組分性質(zhì)比較接近；不與試樣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；不與試樣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；出峰位置（保留值）應(yīng)位于被測組分附近；出峰位置（保留值）應(yīng)位于被測組分附近；濃度（響應(yīng)值）與待測組分相當(dāng)；濃度（響應(yīng)值）與待測組分相當(dāng)；其色譜峰與其他色譜峰分離好。其色譜峰與其他色譜峰分離好。內(nèi)標(biāo)物的要求內(nèi)標(biāo)物的要求.)()()()().(siiXiiiXA

6、ARFCXCXRSIRRFii內(nèi)標(biāo)峰面積樣品峰面積未知組分的濃度標(biāo)樣濃度標(biāo)樣響應(yīng)值內(nèi)標(biāo)樣響應(yīng)值校正因子特點(diǎn)：特點(diǎn)： 無需各組份都被檢出、洗脫無需各組份都被檢出、洗脫 內(nèi)標(biāo)法的準(zhǔn)確性較高，操作條件和進(jìn)樣量的稍許變動對定內(nèi)標(biāo)法的準(zhǔn)確性較高，操作條件和進(jìn)樣量的稍許變動對定量結(jié)果的影響不大。量結(jié)果的影響不大。 每個試樣的分析，都要進(jìn)行兩次稱量，不適合大批量試樣每個試樣的分析，都要進(jìn)行兩次稱量，不適合大批量試樣的快速分析。的快速分析。 內(nèi)標(biāo)法氣相色譜在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用氣相色譜在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用1、有機(jī)氯農(nóng)藥和多氯聯(lián)苯、有機(jī)氯農(nóng)藥和多氯聯(lián)苯 10、擬除蟲菊酯類農(nóng)藥、擬除蟲菊酯類農(nóng)藥2、有機(jī)磷農(nóng)藥、有機(jī)磷農(nóng)

7、藥 11、有機(jī)氮類農(nóng)藥、有機(jī)氮類農(nóng)藥3、多環(huán)芳烴、多環(huán)芳烴 12、有機(jī)金屬化合物、有機(jī)金屬化合物4、苯系物、苯系物 13、其它類化合物、其它類化合物5、硝基苯、硝基苯6、苯胺類（堿性化合物）、苯胺類（堿性化合物）7、苯酚類（酸性化合物）、苯酚類（酸性化合物）8、醛酮類化合物、醛酮類化合物9、酞酸酯類化合物、酞酸酯類化合物2.2 高效液相色譜分析法高效液相色譜分析法特點(diǎn)：高壓、高速、高效、高靈敏度、高自動特點(diǎn)：高壓、高速、高效、高靈敏度、高自動化?；?。分析對象：分析對象：溶解后能制成溶液的樣品，不受樣品揮發(fā)性和熱穩(wěn)定性的限制.分子量大、難氣化、熱穩(wěn)定性差及分子和離子型樣品均可檢測 用途廣泛，占有

8、機(jī)物的80%高壓輸液系統(tǒng)高壓輸液系統(tǒng)進(jìn)樣系統(tǒng)進(jìn)樣系統(tǒng)色譜柱色譜柱檢測系統(tǒng)檢測系統(tǒng) 附屬系統(tǒng)附屬系統(tǒng) 工作過程高壓泵將貯液罐的溶劑經(jīng)進(jìn)樣器送入色譜柱中，然后從檢測器的出口流出。當(dāng)欲分離樣品從進(jìn)樣器進(jìn)入時，流經(jīng)進(jìn)樣器的流動相將其帶入色譜柱中進(jìn)行分離，然后依先后順序進(jìn)入檢測器。記錄儀將進(jìn)入檢測器的信號記錄下來，得到液相色譜圖。流動相：常用的流動相是甲醇水，乙腈水色譜柱正相色譜固定液極性 流動相極性 極性小的組分先出柱，極性大的組分后出柱, 適于分離極性組分反相色譜固定液極性 流動相極性 極性大的組分先出柱，極性小的組分后出柱, 適于分離非極性組分正相柱：多以硅膠為柱填料。根據(jù)外型可分為無定型和球型兩

9、種，其顆粒直徑在3-10 m的范圍內(nèi)。另一類正相填料是硅膠表面鍵合-CN，-NH2，苯基等官能團(tuán)即所謂的鍵合相硅膠。反相柱：主要是以硅膠為基質(zhì)，在其表面鍵合十八烷基官能團(tuán)(ODS)的非極性填料。也有無定型和球型之分。常用的其他的反相填料還有鍵合C8、C4、C2、苯基等，其顆粒粒徑在3-10m之間。檢測系統(tǒng)有兩種基本類型的檢測器：一類是溶質(zhì)性檢測器。它僅對被分離組分的物理或物理化學(xué)特性有響應(yīng)，如紫外熒光，電化學(xué)檢測器等。另一類是總體檢測器，它對試樣和洗脫液總的物理或物理化學(xué)特性有響應(yīng)，如示差析光，介電常數(shù)檢測器等 。液相色譜在環(huán)境中的應(yīng)用液相色譜在環(huán)境中的應(yīng)用可以用于環(huán)境中多環(huán)芳烴、酞酸酯等的監(jiān)

10、測，特別是近期藍(lán)藻爆發(fā)后，在藻毒素的監(jiān)測方面發(fā)揮了很大的作用氣、液色譜與質(zhì)譜的聯(lián)用氣、液色譜與質(zhì)譜的聯(lián)用氣相色譜和液相色譜負(fù)責(zé)物質(zhì)分離，而質(zhì)譜儀充當(dāng)檢測器的作用，有很好的定性定量的作用。質(zhì)譜（MS）原理：將分子或原子轉(zhuǎn)變成帶電荷的粒子，并按質(zhì)量大小順序排列的圖譜。氣氣 質(zhì)質(zhì)2.3 離子色譜離子色譜（IC） 離子色譜儀是以液體為流動相，固體填料為固定相，是分析離子的液相色譜。 作用：多組分痕量離子的快速分析 10-9-10-6 特別對不同價態(tài)和形態(tài)元素的分析有優(yōu)勢； 30多種水溶性有機(jī)酸，乳酸等GC難分析； 分析單糖和低聚糖以陰離子形式分析； 其核心為分離拄：填料為磺酸或羧酸聚苯乙烯樹脂 或季胺

11、鹽化聚苯乙烯樹脂（陰） 流動相： 酸，堿 ，鹽及絡(luò)合劑 檢測器： 電導(dǎo)檢測器，光學(xué)檢測器紫外和熒光葡萄酒中的7種無機(jī)陰離子 離子色譜在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用1.飲用水中F-、Cl-、SO42-、NO3-2酸雨的監(jiān)測3.1 原子發(fā)射光譜（AES）3.2 原子吸收光譜（AAS）3.3 X光熒光光譜（XFS）3.4 電感耦合等離子質(zhì)譜儀（ICP-MS）3.5 中子活化分析儀（NA）3 鑒定原子的儀器與技術(shù)鑒定原子的儀器與技術(shù)3.1 原子吸收光譜原子吸收光譜（AAS） 1 可以用來做周期表中70多個元素的定量分析 許多情況下測定準(zhǔn)確度達(dá)到ppm，極限ppb， 是測定痕量金屬的有效手段 2 石墨爐電熱原子吸收

12、光譜絕對靈敏度可以 達(dá)到10-12-10-14 g/g 3 用途：主要是地質(zhì)、材料、醫(yī)藥、冶金、環(huán) 境、化學(xué)等領(lǐng)域樣品的定量分析原子吸收分光光度法基本原理u原子吸收分光光度法是基于空心陰極燈發(fā)射出的待測元原子吸收分光光度法是基于空心陰極燈發(fā)射出的待測元素的特征譜線，通過試樣蒸氣，被蒸氣中待測元素的基素的特征譜線，通過試樣蒸氣，被蒸氣中待測元素的基態(tài)原子所吸收，由特征譜線被吸收的程度，來測定試樣態(tài)原子所吸收，由特征譜線被吸收的程度，來測定試樣中待測元素含量的方法。中待測元素含量的方法。 u原子吸收分光光度計的組成： 由光源、原子化系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)及放大由光源、原子化系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)、檢測系

13、統(tǒng)及放大數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)五個主要組成部分。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)五個主要組成部分。 其示意圖如下：其示意圖如下：放大器數(shù)據(jù)處理穩(wěn)壓電源單色器光源分光系統(tǒng)高壓電源檢測器檢測系統(tǒng)原子化系統(tǒng)廢液燃?xì)庵細(xì)庠囈?1) 基態(tài)原子的產(chǎn)生 在進(jìn)行原子吸收分析時，首先應(yīng)使待測元素由化合物在進(jìn)行原子吸收分析時，首先應(yīng)使待測元素由化合物狀態(tài)變成基態(tài)原子，使其原子化。原子化方法有：化學(xué)法、狀態(tài)變成基態(tài)原子，使其原子化。原子化方法有：化學(xué)法、火焰法、電熱法等?；鹧娣ā㈦姛岱ǖ?。 (2) 共振線與吸收線 其核外電子排布處于最低能級、最穩(wěn)定的原子稱其核外電子排布處于最低能級、最穩(wěn)定的原子稱基態(tài)原子?；鶓B(tài)原子的最外層電子因受外界能量激發(fā)

14、而躍遷到基態(tài)原子的最外層電子因受外界能量激發(fā)而躍遷到較高能級上，便使原子處于較高能級上，便使原子處于激發(fā)態(tài)，處于激發(fā)態(tài)的原子很處于激發(fā)態(tài)的原子很不穩(wěn)定，在短時間內(nèi)（約不穩(wěn)定，在短時間內(nèi)（約10-3s10-3s），躍遷到較高能級的電），躍遷到較高能級的電子又返回到低能級狀態(tài)，同時釋放一定的能量。子又返回到低能級狀態(tài)，同時釋放一定的能量。 原子受外界能量激發(fā)，其最外層電子可能躍遷到不同原子受外界能量激發(fā)，其最外層電子可能躍遷到不同能級，因而可能有不同的激發(fā)態(tài)。能級，因而可能有不同的激發(fā)態(tài)。 電子由基態(tài)到第一激發(fā)態(tài)躍遷吸收譜線稱共振吸收線。電子由基態(tài)到第一激發(fā)態(tài)躍遷吸收譜線稱共振吸收線。共振線是元素

15、所有譜線中最靈敏的譜線，原子吸收分析就共振線是元素所有譜線中最靈敏的譜線，原子吸收分析就是利用處于基態(tài)的待測原子蒸氣，對從光源發(fā)射出的待測是利用處于基態(tài)的待測原子蒸氣，對從光源發(fā)射出的待測元素的共振線的吸收而進(jìn)行定量分析。元素的共振線的吸收而進(jìn)行定量分析。 (3) 火焰中的基態(tài)原子濃度與定量分析依據(jù) 對于原子吸收值的測量，在實(shí)際工作中，是以一定光強(qiáng)對于原子吸收值的測量，在實(shí)際工作中，是以一定光強(qiáng)的單色光的單色光I0I0通過原子蒸氣，然后測出被吸收后的光強(qiáng)通過原子蒸氣，然后測出被吸收后的光強(qiáng)I I，吸，吸收過程符合朗伯收過程符合朗伯比耳定律，即比耳定律，即： 式中式中:K:K為吸收系數(shù)，為吸收系

16、數(shù)，N N為自由原子總數(shù)（近似于基態(tài)原子數(shù)為自由原子總數(shù)（近似于基態(tài)原子數(shù)N0N0）,L,L為吸收層厚度。為吸收層厚度。 吸光度吸光度 試樣中待測元素的濃度與火焰中基態(tài)原子的濃度成正比。試樣中待測元素的濃度與火焰中基態(tài)原子的濃度成正比。所以在一定的濃度范圍內(nèi)和一定的火焰寬度，吸光度與試樣所以在一定的濃度范圍內(nèi)和一定的火焰寬度，吸光度與試樣中待測元素濃度的關(guān)系可表示為中待測元素濃度的關(guān)系可表示為：該式就是原子吸光光譜法定量分析的依據(jù)。該式就是原子吸光光譜法定量分析的依據(jù)。 LKNIIA004343. 0lg KNLeII0CKA定量分析方法定量分析方法（1 1）標(biāo)準(zhǔn)曲線法）標(biāo)準(zhǔn)曲線法 繪制A-C

17、工作曲線（見下圖） AxACxC（2 2）標(biāo)準(zhǔn)加入法）標(biāo)準(zhǔn)加入法 取若干（不少于4份）體積相同的試樣溶液，從第二份開始依次遞增地加入不同等分量的待測元素的標(biāo)準(zhǔn)溶液（如分別加入10g、20g、30g）。然后用蒸餾水稀釋至相同體積后搖勻。在相同的實(shí)驗(yàn)條件下依次測得各溶液的吸光度為AX、A1、 A2 、A3。以吸光度A為縱坐標(biāo)，以加入標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度（或體積，絕對含量）為橫坐標(biāo)，作出A-C曲線，外延曲線與橫坐標(biāo)相交于一點(diǎn)，此點(diǎn)與原點(diǎn)的距離，即為所測試樣溶液中，待測元素的含量（工作曲線如下）： CCx246A 原子吸收光譜法在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用原子吸收光譜法在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用金屬污染物的測定：可測定的元素

18、有60-70種，目前測定水和廢水中的主要金屬元素有：Ag, Cd, Ag, Cd, Cr, Cu, Fe, Mn, Ni, Pb, SbCr, Cu, Fe, Mn, Ni, Pb, Sb, Zn, Be, Hg, K, , Zn, Be, Hg, K, Na, Ca, MgNa, Ca, Mg 等。等。 (1)Cu,Pb,Zn,Cd的測定（GB7475-87）； (2)Ca、Mg的測定 ； (3)水質(zhì)、硫酸鹽的測定（GB13196-91）； (4)大氣塵粒中金屬元素的測定； (5)大氣降水中Na、K的測定，原子吸收分光光度法， GB13580.12-92； (6)GB13580.13-93大

19、氣降水中Ca、Mg的測定，原子吸收分光光度法； (7)GB/T15263-94環(huán)境空氣中鉛的測定，火焰原子吸收分光光度法。 3.4 電感耦合電感耦合-等離子質(zhì)譜儀等離子質(zhì)譜儀（ICPMS）原理： 等離子體是一種高密度電子的離子化氣體(通常為氬氣)，因含有正、負(fù) 電荷，極易與磁場作用，磁場隨時間變化，則等離子產(chǎn)生感應(yīng)耦合產(chǎn)生高 溫焰炬(9000-10000k)。 樣品溶液經(jīng)過進(jìn)樣系統(tǒng)進(jìn)入高溫等離子體被蒸發(fā)、分解和電離，大部分成為一價正離子，經(jīng)取樣錐和截取錐進(jìn)入真空質(zhì)譜系統(tǒng)，經(jīng)過離子鏡聚焦，進(jìn)入四級桿按質(zhì)荷比分離，被檢測器記錄.Angilent 7500 系列系列ICPMS儀器及主要部件儀器及主要部件 ICPMS原理示意圖原理示意圖 電感耦合等離子體質(zhì)譜儀由電感耦合等離子體質(zhì)譜儀由離子源、質(zhì)量分析器、檢測系離子源、質(zhì)量分析器、檢測系統(tǒng)、統(tǒng)、 真空系統(tǒng)組成。真空系統(tǒng)組成。優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 對多數(shù)元素在ICP中主要是形成一價離子，ICP離子源使樣 品在