现代检测技术原理.doc

现代检测技术原理随着近代科学技术的进步，尤其是电子技术、计算机技术和激光技术的应用，分析化学的理论和测试技术也有了飞跃的发展。应用机械、光学和电子技术的新物理分析方法也不断涌现，从而在分析化学范畴内形成了一个较完整的领域，即为现代仪器分析技术。物质的许多物理性质与其化学组成、含量以及结构之间存在着密切的内在联系。因而，测量物质的物理性质，可以获得所需的定性、定量分析及结构信息，从而为确定物质成分及其数量与结构，以至空间取向、旋光异构等方面的研究，提供了强而有力的手段。一般常用的分析方法包括：色谱法、光学分析法、电化学分析法、核磁共振波谱法以及质谱法。1 色谱分析法色谱学是现代分离、分析技术中的重要方法之一，也是一门新兴的学科。近五十年来色谱学各分支，都得到了深入的发展。将一定样品中相关的化学物质拆解成纯的物质称为分离。将色谱学分离技术应用于分析化学中，就是色谱分析。它因具有高分离效能、高检测性能、分析速度快等特点而成为现代仪器分析方法中应用最广泛的一种方法。1.1 分离原理 使混合物中各组分在两相间进行分配，其中一相是不动的，称为固定相，另一相是携带混合物流过此固定相的流体，称为流动相。当流动相中所含混合物经过固定相时，就会与固定相发生作用。由于各组分在性质和结构上的差异，因而与固定相发生作用的大小、强弱也有差异，因此在同一推动力作用下，不同组分在固定相中的滞留时间也不同，从而按先后不同的次序从固定相中流出。这种借在两相间分配能力不同而使混合物中各组分分离的技术，称为色谱分离技术。1.2 气相色谱法（GC）1.2.1气相色谱仪器结构气相色谱法是采用气体作为流动相的一种色谱法。一般气相色谱由5部分组成：（1）气路部分 主要提供稳定的气相环境。（2）进样部分主要提供试样瞬间汽化的环境。（3）分离部分主要提供混合物分离的环境。（4）检测部分主要是实现物质的物理或化学特性与电信号之间的转化。（5）记录部分主要是记录试样某一组分电信号的大小、保留值的大小、组分分离情况等。1.2.2 气相色谱的应用理论上讲，沸点在400以下、热稳定性好、相对分子量在400以下的物质都可以用气相色谱法进行分离分析。这类化合物约占总有机物的1520%。1.3 液相色谱法（LC）1.3.1液相色谱仪器结构液相色谱法是采用液体作为流动相的一种色谱法。高效液相色谱由5部分组成：（1）液路部分主要提供稳定的液体流动相。（i）高压泵 液相色谱分析的流动相(载液)是用高压泵来输送的。由于色谱柱很细(16mm)，填充剂粒度小(常用直径为510m)，因此阻力很大，为达到快速、高效的分离，必须有很高的柱前压力，以获得高速的液流。对高压输液泵来说，一般要求压力为150350X105Pa，关键是要确保流量稳定和压力平稳无脉动，因为压力的不稳和脉动变化，会使很多检测器的噪声加大，最小检测量变坏；对于流速也要有一定的可调范围，因为载液的流速是分离条件之一。（ii）梯度淋洗装置 高效液相色谱法中的梯度淋洗给分离工作带来很大的方便，现在已成为完整的高效液相色谱仪中一个重要的组成部分。所谓梯度淋洗，就是载液中含有两种(或更多)不同极性的溶剂，在分离过程中按一定的程序连续改变载液中溶剂的配比和极性，通过载液中极性的变化来改变被分离组分的分离因素，以提高分离效果。应用梯度淋洗还可以使分离时间缩短，分辨能力增加，改善峰形，还可以提高最小检测量和定量分析的精度。（2）进样部分 主要是保证试样在密封状况下进入高压系统。高压定量进样阀(常用六通阀)直接向压力系统内进样而不必停止流动相流动的一种进样装置。六通进样阀的原理如图1-1所示。操作分两步进行。当阀处于装样位置(准备)时，1和6，2和3连通，试样用注射器由4注入到一定容积的定量管中。根据进样量大小，接在阀外的定量管按需要选用。注射器要取比定量管容积稍大的试样溶液，多余的试样通过接连6的管道溢出。进样时，将阀芯沿顺时针方向迅速旋转60度，使阀处于进样位置(工作)，这时1和2，3和4，5和6连通，将贮存于定量管中固定体积的试样送人柱中。图1-1如上所述，进样体积是由定量管的体积严格控制的，所以进样准确，重现性好，适于作定量分析。更换不同体积的定量管，可调整进样量。也可采用较大体积的定量管进少量试样，进样量由注射器控制，试样不充满定量管，而只是填充其一部分的体积。（3）分离部分主要提供混合物分离的环境。目前液相色谱法常用的标准柱型是内径为4.6或3.9 mm，长度为1530cm的直形不锈钢柱。填料颗粒度510m，柱效以理论塔板数计大约7 00010000。（4）检测部分主要是实现物质的物理或化学特性与电信号之间的转化。一个理想的检测器应具有灵敏度高、重现性好、响应快、线性范围宽、适用范围广、对流动相流量和温度波动不敏感、死体积小等特性。（5）记录部分主要是记录试样某一组分电信号的大小、保留值的大小及组分的分离情况等。1.3.2 液相色谱的应用理论上讲，沸点在400以上、热稳定性差、相对分子量在400以上的物质都可以用液相色谱法进行分离分析。这类化合物约占总有机物的7580%。2 光学分析法2.1 紫外可见吸收光谱分析法物质在光的照射下呈现其特有的颜色，是物质对不同波长的光选择吸收所致。利用物质对光的选择吸收，可以进行定性分析和定量分析。在一定波长下，被测溶液对光的吸收程度与溶液中组分的浓度之间存在着定量关系,所以能进行该组分的定量测定。这种定量测定法称为吸收光度法。以紫外光为光源，研究关于波长的函数，测定被吸收光的相对强度的方法，称为紫外分光光度法。以可见光为光源，研究关于波长的函数，测定被吸收光的相对强度的方法，称为可见分光光度法。2.1.1 分离原理 在光谱的紫外及可见区域内分子的吸收与分子的电子结构有关。吸收的能量是量子化的，而且引起处于基态能级的电子升到较高能级而处于激发态。当光通过一透明物质时，具有某种能量的光子被吸收，而另一能量的光子则不被吸收，光子是否被物质所吸收，既决定于物质的内部结构，也决定于光子的能量。物质的原子或分子均具有不连续的量子化能级，当光子的能量等于某一能级的基态与激发态能量差时，则此能量的光子被吸收，并使原子或分子由基态跃迁到激发态。处于激发态的原子或分子并不稳定，在很短的时间（约10-8s）内又从激发态跃迁到基态。在此过程中，以热或光的形式将吸收的能量释放出来。日光是由约在400760nm范围不同波长的辐射组合而成的复合光。不同波长的单色光或复合光使人眼感觉到不同的颜色。物质对光的吸收特征，可用吸收曲线来描述。吸收曲线又称吸收光谱。用实验方法测量溶液在不同波长下的吸光度，以波长为横坐标，相应的吸光度为纵坐标作图，即得该溶液的吸收光谱。2.1.2 紫外可见吸收光谱仪器结构（1）光源：提供能使分子中电子产生跃迁的能量，紫外可见分光光度计所用的光源，应在尽可能宽的波长范围内为连续光谱，并具有足够的辐射强度和良好的辐射稳定性。常用的光源有钨灯和钨卤素灯。（2）单色器：是一种用来将光源的混合光分解为单色光并能随意改变波长的装置，它是光谱仪的心脏部分。包括入口狭缝、出口狭缝、色散元件、准直镜等。色散元件均采用棱镜或光栅，目前光栅的应用最为广泛。（3）样品池：常用的样品池有两种：石英池（用于紫外和可见区）和玻璃池（用于可见区），常用吸收池光程为0.110cm，其中以1cm吸收池最为常用。吸收池长度的误差可以引起测量误差，所以程长的标定精度须达到0.02mm。吸收池不得在光路中倾斜放置，这与样品池架机械定位有关。（4）检测器：将光转变为电信号的装置。主要有：光电池、光电管、光电倍增管。（5）记录仪：（数据处理系统或工作站）主要完成光谱图的绘制。2.1.3 紫外可见吸收光谱仪的应用紫外光谱法的应用主要限于芳香族或共轭系统有特征性的强吸收的共轭体系，所以紫外吸收的高选择性是非常显著的特点：即在各种不同的复杂分子中能辨认出其特征基团。2.2 红外光谱分析法红外辐射泛指位于可见光和微波段之间的那一部分电磁波谱。对有机化学家最有实际用处的是只限于4000666厘米-1(2.515.0m)之间的范围，最近，对近红外区142904000(0.7一2.5微米)和远红外区700200厘米-1(14.350m)的研究也正在增加。2.2.1 分离原理红外吸收光谱是分子的振动一转动光谱，在中红外区主要是由于组成分子的原子之间振动能级跃迁而产生的，也可称为振动光谱。一个分子中的原子，在其平衡位置附近作周期性的振动，其振幅通常比核间距离要小，由于分子与外来辐射能的相互作用，它的振动能可作量子化的改变，根据经典力学理论，体系的位能是核间距离的函数，若以位能与位移作图，则谐振子的位能曲线呈抛物线型，即得到所需的谱图。虽然，红外光谱图是整个分子的特性，但是不管分子其余部分的结构如何，结果是某一特定的原子基团总是在相同的或者几乎是相同的频率处产生吸收谱带。2.2.2 红外光谱仪器结构现代双光束红外分光光度计由五个主要部分组成：（1）辐射源：红外辐射由电加热光源产生，常用Nernst丝或碳化硅棒加热到10001800。（2）样品区：参比光束和样品光束进入样品区，分别通过参比池和样品池。不透明的光束安装在光源室前面，以分别地挡住任一光束。精密的分光光度计的样品区有多种装样附件。样品池是放置样品的容器。主要有气体池、液体池（固定池、可变厚度池、可拆池、微量液体池）、固体池。（3）单色器：分离复合光成单色光。包括入口狭缝、出口狭缝、色散元件、准直镜等。色散元件均采用棱镜或光栅，光栅的应用最为广泛。目前，较新型的仪器采用干涉仪测定物质的干涉光谱，然后再通过傅立叶变换转成普通的红外光谱。（4）检测器：检测器是利用它的热效应来测量辐射能的一种装置。两种常用的检测器类型是热电偶和测辐射热计(bdometef)。（5）记录仪：自动以波数为横坐标，透过率为纵坐标绘制红外光谱图。2.2.3 红外吸收光谱仪的应用主要用于特征官能团的识别，把红外光谱图与其它的光谱数据一起用来确定分子结构。3 核磁共振波谱法3.1核磁共振基本原理在低能态(或高能态)的氢核中，如果有些氢核的磁场与外磁场不完全平行，外磁场就要使它取向于外磁场的方向。也就是说，当具有磁矩的核置于外磁场中，它在外磁场的作用下，核自旋产生的磁场与外磁场发生相互作用，因而原子核的运动状态除了自旋外，还要附加一个以外磁场方向为轴线的回旋，它一面自旋，一面围绕着磁场方向发生回旋，这种回旋运动称进动或拉摩尔进动。它类似于陀螺的运动，陀螺旋转时，当陀螺的旋转轴与重力的作用方向有偏差时，就产生摇头运动，这就是进动。进动时有一定的频率，称拉摩尔频率。自旋核的角速度o，进动频率(拉摩尔频率)o与外加磁场强度H。的关系可用拉摩尔公式表示：o=2o=H -（3-1）式中是各种核的特征常数，称磁旋比有时也称为旋磁比，各种核有它的固定值。已知核磁矩在外磁场的作用下旋进，可以求得其旋进角速度，若再在垂直于磁场的方向加一个频率在射频范围的交变磁场(如图3-1所示)，当其频率与核磁矩旋进频率一致时，便产生共振吸收；当射频磁场被撤去后，磁场又把这部分能量以辐射形式释放出来，这就是共振发射。共振吸收和共振发射的过程称为核磁共振。图3-1与吸收光谱相似，为了产生共振，可以用具有一定能量的电磁波照射核。当电磁波的能量符合下式时：-（3-2）进动核便与辐射光子相互作用(共振)，体系吸收能量，核由低能态跃迁至高能态。式中0=光子频率=进动频率。在核磁共振中，此频率相当于射频范围。如果与外磁场垂直方向，放置一个射频振荡线圈，产生射电频率的电磁波，使之照射原子核，当磁场强度为某一数值时，核进动频率与振荡器所产生的旋转磁场频率相等，则原子核与电磁波发生共振，此时将吸收电磁波的能量而使核跃迁到较高能态，-（3-3）上式是发生核磁共振时的条件，即发生共振时射电频率o与磁场强度B。之间的关系。3.2 核磁共振仪器结构核磁共振装置由四部分组成：(1) 永磁铁，用来产生强大的外磁场。 (2) 扫描线圈，用于使外磁场作微小振荡，从而使我们能在示波器上看到尖锐的共振峰。(3) 射频振荡器，它用于产生固定频率的电磁辐射。(4) 探测器，用于探测从振荡器中吸收的能量。3.3 核磁共振波谱法的应用核磁共振波谱法主要用于化合物的结构分析。4 质谱法4.1质谱仪的基本原理质谱法是离子化的原子或分子分离和记录的方法。当具有一定能量的电子冲击原子或分子时，使分子或原子失去一个价电子（偶然也可失去一个以上的价电子）成为带一个正电荷的阳离子。有时有机分子也可能获得一个电子而成为阴离子，但这个几率只有千分之一左右，所以在质谱分析上阴离子谱并不常用。在质谱仪中，上述阳离子若生存时间大于10-6秒，就能被电场所加速，加速后的动能等于粒子的位能eE即：mv2/2=Ee-（4-1）将这束被电场加速的阳离子流引入一大块电磁铁的磁场内。未进入磁场前离子的轨道是直线的，进入磁场后，因受磁力的影响，改变为弧形轨道。在磁场中，离子所受的向心力HeV和离心力mv2/2相等。即：HeV= mv2/2-（4-2）整理后得：m/e=H2R2/2E（磁偏转型质谱仪的基本方程