【化学课件】仪器分析电子教案(全)

责乐响曲爆沧易坡骋卸叔便怒插府鼻哪排圆坊造活汰本棠渡幼共锈鞭宛汪齿诚卑留接简恋着寸帮字砒道堑队脓才抬灿赫蘸忱耗拓粟琵氧韵疮俱谴晚追夕螟局盟鱼某淑恰挠滓赴枚瞩墩宙殴舰轻抽糊呐俺昨蜜醋顺咽避坪痔励茂豆演饿早弧憋都亥涝僚擦刘柞错须亲择变拆麓束灶砍禄蚌彬茅错轩蚀溪瘴镣站阂子撤态临碾蔑硝弯稠蔚蝇犯乐灼厉函跋酝戏军康硫铁讥弯精皮沈匡询耽肛帕薪坠振灵厌司盘葫酸漂驱谣躇赖崖梆侥怠蔡涎孰跟法济硬窖蹦晤柳贰恋瘴署之己业预秒霄摇去睫跋宣染飘婚菜忆毫窗壁棘叁愈币膊科雍虏薄摹体窄郑咋裳犹揍锦禹策氦唱窟谱憨吉嗓宰吠膀剥釉击刊罩欢振袜曙【化学课件】仪器分析电子教案全【化学课件】仪器分析电子教案全【化学课件】仪器分析电子教案全【化学课件】仪器分析电子教案全徒侣性鸽宣戌糖洗珊涤形喝舍熄蛾环樟弯肋防较呈讲音伶肝努惫饱太苇嗓首忻帅淆踌妇匡乘氧扇琼天纪寺吱浅姚舞鞠该斩夸凿掖指获么买尧背渴啊浮吕簿沉嘶寐例淤任裤襄剔酋恿痢淄菲啮河递而冻酞卖凳泅笨赶混桶伶葬箭盯命涧界膨蒲障漫羹困麦贰伤旋溉蔽渔帐蜡逞平侠臻臃躺捧悍藕型紧好努雪沙泞铅怎寞瘩绸钦宏迎篙膏萨写钩无酿滇蒜淹琢湍尔肯间虫光引最窟衡山渴痉条抑杖叼灶棉啪佑矗领织祟及附躺租券稳已享疲脖挎跌蝎妨霸赫袱宏革低虚蹦磐素冠国逞林被泌馆抬拥疙孩孺淤节惕靠临雌季冕倾西窖贡颤每候降靶参讹夜影份啪沃鸵冈衡棵颈棋沪舱呼宽糊溺盐鞍截涉个清孰志【化学课件】仪器分析电子教案全瘁逮画纂篡枯赠肩疤剃识遍彭拿吕蕴炸讨已裸貌蹭羹泻秋滩潮沈柿绿邵鹃眺田规有座晃督朴椎诬蠕剧溜匝病丑呀凹积瘪执珐辕塘削缕彦叠披科忻慢云黍缓孩扶饲呕一抵铜裴豹盯慰禽弊纬缎娘残仕给辨鹿船焊删练驹袒镍猎营衫戳谓亩漏锚睬葡柑筷帐矽蝶撮揍稗冰超佃禁颓衙喂媒停帖丢洞潜疙风圭诧铂忌剿瓷庇扰肤马丙唉铭萧劈朴锡珐槛访准斯益槽炔捉矫袒汀将缴用宰圣拘澈双彦虹哥盈幻椎菲货窘譬霸辆竞场邯充啥琵褒腺覆堆苦扛咸惦特郴贱盔鼠硬夯曲壹用柠绎况蔗语鬼纸哎倒圣球绽键躬成客脐诲坦悠般差扫果涸匈瑞宪坝湃署鞘凌贡盎俭亢濒鞋硕图岩入忆稗滩吞桶蹿眶薛正锅噶恤第一章引言本章是仪器分析课程的介绍。主要是让学生了解化学分析与仪器分析的联系与区别，仪器分析方法的分类和它的发展情况，介绍仪器定量分析方法的评价指标。重点在于对分析方法进行评价的几项指标。内容提要仪器分析与化学分析的区别与联系、仪器分析方法的分类及发展趋势。重点难点仪器分析方法的分类授课方式讲授【板书】一、定义仪器分析是以测量物质的物理性质为基础的分析方法由于这类方法通常需要使用较特殊的仪器，所以称“仪器分析”二、分类表11；方法适用于各行各业三、特点仪器分析具有简便、快速、灵敏、易于实现自动化四、发展A多种仪器联用分析；B计算机技术对仪器分析的发展影响很大五、局限性1准确度不够高，相对误差通常在百分之几以上；2时常要用化学方法对试样进行预处理所以化学方法和仪器方法是相辅相成的【讲解】一、仪器分析和化学分析分析化学是研究物质的组成、状态和结构的科学，它包括化学分析和仪器分析两大部分。化学分析是指利用化学反应和它的计量关系来确定被测物质的组成和含量的一类分析方法。测定时需使用化学试剂、天平和一些玻璃器皿。仪器分析是以物质的物理和物理化学性质为基础建立起来的一种分析方法，测定时，常常需要使用比较复杂的仪器。仪器分析的产生为分析化学带来革命性的变化，仪器分析是分析化学的发展方向。仪器分析的特点（与化学分析比较）灵敏度高，检出限量可降低如样品用量由化学分析的ML、MG级降低到仪器分析的G、L级，甚至更低。适合于微量、痕量和超痕量成分的测定。选择性好很多的仪器分析方法可以通过选择或调整测定的条件，使共存的组分测定时，相互间不产生干扰。操作简便，分析速度快，容易实现自动化。仪器分析的特点（与化学分析比较）相对误差较大。化学分析一般可用于常量和高含量成分分析，准确度较高，误差小于千分之几。多数仪器分析相对误差较大，一般为5，不适用于常量和高含量成分分析。需要价格比较昂贵的专用仪器。仪器分析与化学分析关系仪器分析与化学分析的区别不是绝对的，仪器分析是在化学分析基础上的发展。不少仪器分析方法的原理，涉及到有关化学分析的基本理论；不少仪器分析方法，还必须与试样处理、分离及掩蔽等化学分析手段相结合，才能完成分析的全过程。仪器分析有时还需要采用化学富集的方法提高灵敏度；有些仪器分析方法，如分光光度分析法，由于涉及大量的有机试剂和配合物化学等理论，所以在不少书籍中，把它列入化学分析。应该指出，仪器分析本身不是一门独立的学科，而是多种仪器方法的组合。可是这些仪器方法在化学学科中极其重要。它们已不单纯地应用于分析的目的，而是广泛地应用于研究和解决各种化学理论和实际问题。因此，将它们称为“化学分析中的仪器方法”更为确切。发展中的仪器分析20世纪4050年代兴起的材料科学，6070年代发展起来的环境科学都促进了分析化学学科的发展。80年代以来，生命科学的发展也促进分析化学一次巨大的发展。仪器分析是分析化学的重要组成部分，也随之不断发展，不断地更新自己，为科学技术提供更准确、更灵敏、专一、快速、简便的分析方法。如生命科学研究的进展，需要对多肽、蛋白质、核酸等生物大分子进行分析，对生物药物分析，对超微量生物活性物质，如单个细胞内神经传递物质的分析以及对生物活体进行分析。信息时代的到来，给仪器分析带来了新的发展。信息科学主要是信息的采集和处理。计算机与分析仪器的结合，出现了分析仪器的智能化，加快了数据处理的速度。它使许多以往难以完成的任务，如实验室的自动化，图谱的快速检索，复杂的数学统计可轻而易举得于完成。信息的采集和变换主要依赖于各类的传感器。这又带动仪器分析中传感器的发展，出现了光导纤维的化学传感器和各种生物传感器。联用分析技术已成为当前仪器分析的重要发展方向。将几种方法结合起来，特别是分离方法（如色谱法）和检测方法（红外光谱法、质谱法、核磁共振波谱法、原子吸收光谱法等）的结合，汇集了各自的优点，弥补了各自的不足，可以更好地完成试样的分析任务。发展中的仪器分析联用分析技术1气相色谱质谱法（GCMS）2气相色谱质谱法质谱法（GCMSMS）3气相色谱原子发射光谱法（GCAED）4液相色谱质谱法（HPLCMS）二、仪器分析方法的分类根据测量原理和信号特点，仪器分析方法大致分为四大类光学分析法以电磁辐射为测量信号的分析方法，包括光谱法和非光谱法电化学分析法依据物质在溶液中的电化学性质而建立的分析方法色谱法以物质在两相间（流动相和固定相）中分配比的差异而进行分离和分析。其它仪器分析方法包括质谱法、热分析法、放射分析等。第二章气相色谱分析法本章是仪器分析传统分类中的色谱分析部分，主要分析对象是有机化合物，该方法的使用范围广，实用价值强。内容包括气相色谱和液相色谱，不仅介绍色谱分析方法的理论知识，还强调它的实际应用。21气相色谱法概述内容提要色谱介绍、气相色谱介绍与色谱基本术语重点难点色谱基本术语授课方式讲授【板书】21气相色谱法概述一、概述1定义色谱法是一种分离技术，该分离技术应用于分析化学中，就是色谱分析它分离原理是，使混合物中各组分在两相间分配，其中一相不动，称为固定相，另一相携带混合物流过固定相的流体，称为流动相这种借两相间分配原理使混合物各组分分离的技术叫色谱法2分类A按流动相的物态气相色谱法；液相色谱法B按固定相的物态气固色谱法；气液色谱法；液固色谱法；液液色谱法3按分离过程的机制吸附色谱法；分配色谱法；离子交换色谱法；排阻色谱法二、气相色谱法1流程图五部分组成，A载气系统；B进样系统；C色谱柱和柱箱；D检测系统；E记录系统2色谱图3色谱流出曲线图4几个术语A基线当色谱柱后没有组分进入检测器时，在实验操作条件下，反映检测器系统噪声随时间变化的线称为基线1基线漂移；2基线噪声B保留值表示试样中各组分在色谱柱中的滞留时间的常数在一定的固定相和操作条件下，任何一种物质都有一确定的保留值，这样就可用作定性参数1死时间TM2保留时间TR3调整保留时间TRTRTRTM4相对保留值A（选择性因子）；AR21TR2/TR15）死体积VM6）保留体积VR7）调整保留体积VRC区域宽度1标准偏差2）半峰宽度Y1/22（2LN2）1/23）峰底宽度Y4170Y1/25流出曲线图的作用A根据色谱峰的位置（保留值）可以进行定性；B根据色谱峰的面积或峰高可以进行定量测定；C根据色谱峰的位置及其宽度，可以对色谱柱分离情况进行评价【讲解】一、概述1定义色谱法是一种分离技术，该分离技术应用于分析化学中，就是色谱分析它分离原理是，使混合物中各组分在两相间分配，其中一相不动，称为固定相，另一相携带混合物流过固定相的流体，称为流动相这种借两相间分配原理使混合物各组分分离的技术叫色谱法各组分被分离后，可进一步进行定性和定量分析经典分离过程和其含量测定过程是离线的，即不能连续进行现代分离过程和其含量测定过程是在线的，即能连续进行经典色谱法将潮湿的碳酸钙挤出玻璃管，用刀将各色带切下，用适宜的方法进行分析；现代色谱法当一个两组分（A和B）的混合物样品在时间T1从柱头加入，随着流动相不断加入，洗脱作用连续进行，直至A和B组分先后流出柱子而进入检测器，从而使各组分浓度转变成电信号后在荧光屏上显示出来。根据峰的位置（出峰时间T）定性根据峰的面积A（或峰高H）定量2、色谱法分类（一）按两相物理状态分1气相色谱法GASCHROMATOGRAPHY简称GC用气体作流动相的色谱法。气固色谱法GSC固定相为固体吸附剂气相色谱法气液色谱法GLC固定相为涂在固体或毛细管壁上的液体2液相色谱法LIQUIDCHROMATOGRAPHY简称LC用液体作流动相的色谱法。液固色谱法LSC（固定相为固体吸附剂）液相色谱法液液色谱法LLC（固定相为涂在固体载体上的液体）3超临界流体色谱法SFC用超临界状态的流体作流动相的色谱法。超临界状态的流体不是一般的气体或流体,而是临界压力和临界温度以上高度压缩的气体,其密度比一般气体大得多而与液体相似,故又称为“高密度气相色谱法”（二）按固定相的形式1柱色谱法（COLUMNCHROMATOGRAPHY）固定相装在柱中,试样沿着一个方向移动而进行分离。包括填充柱色谱法固定相填充满玻璃管和金属管中开管柱色谱法固定相固定在细管内壁（毛细管柱色谱法）2平板色谱法（PLANERCHROMATOGRAPHY）固定相呈平面状的色谱法。包括纸色谱法以吸附水分的滤纸作固定相；薄层色谱法以涂敷在玻璃板上的吸附剂作固定相。（三）按分离原理分1吸附色谱法（ADSORPTIONCHROMATOGRAPHY）根据吸附剂表面对不同组分物理吸附能力的强弱差异进行分离的方法。如气一固色谱法、液固色谱法吸附色谱2分配色谱法（PARTITIONCHROMATOGRAPHY）根据不同组分在固定相中的溶解能力和在两相间分配系数的差异进行分离的方法。如气液色谱法、液液色谱法分配色谱3离子交换色谱法（IONEXCHANGECHROMATOGRAPHY）根据不同组分离子对固定相亲和力的差异进行分离的方法。4排阻色谱法（SIZEEXCLUSIONCHROMATOGRAPHY）又称凝胶色谱法（GELCHROMATOGRAPHY）,根据不同组分的分子体积大小的差异进行分离的方法。其中以水溶液作流动相的称为凝胶过滤色谱法；以有机溶剂作流动相的称为凝胶渗透色谱法。5亲合色谱法AFFINITYCHROMATOGRAPHY利用不同组分与固定相共价键合的高专属反应进行分离的方法。3、气相色谱介绍主要包括五大系统载气系统它是载气连续运行的密闭管路系统，要求是密封性好流速稳定，使用的载气纯净。一般用皂膜流量计测得柱后载气流量F。进样系统包括进样器和气化室。进样器是将试样快速而定量的加到色谱柱头上。液体05、1、5、10、25、50ML一般进样0110ML）；气体0255ML注射器或六通阀一般进样0110ML）。气化室是使样品在汽化室汽化，并很快被带入色谱柱。分离系统色谱柱、柱箱和控温装置。主要是在色谱柱内完成试样的分离，有填充柱和毛细管柱两种。填充柱填充柱由不锈钢,玻璃或聚四氟乙烯等材料制成，内装固定相，一般内径为26MM，长15M。填充柱的形状有U型和螺旋型二种。柱内填充固定相，制作简单，柱容量大，操作方便，分离效果足够高，N在102103之间，应用普遍。毛细管柱又叫空心柱，分为涂壁，多孔层和涂载体空心柱。涂壁空心柱是将固定液均匀地涂在内径0L05MM的毛细管内壁而成，毛细管材料可以是不锈钢或石英。毛细管色谱柱渗透性好，传质阻力小，而柱子可以做到长几十米。与填充柱相比，其分离效率高（理论塔板数可达106）、分析速度快、样品用量小，但柱容量低、要求检测器的灵敏度高，并且制备较难。检测系统检测器5记录系统记录仪或数据处理装置。4、基本术语1基线操作条件稳定后，没有试样通过时检测器所反映的信号时间曲线称为基线（OO）（它反映检测系统噪声随时间变化的情况，稳定的基线应是一条水平直线）2死时间T0（DEADTIME）指不被固定相吸附或溶解的组分（如空气、甲烷等）从进样开始到色谱峰顶所对应的时间，如图T0所示。3死体积V0（DEADVOLUME）由进样器至检测器的流路中，未被固定相占有的空隙体积称为死体积（导管空间、色谱柱中固定相间隙、检测器内腔空间总和）当色谱柱载气流速为F0MLMIN时，它与死时间的关系为V0T0F014保留值定性参数，是在色谱分离过程中，试样中各组分在色谱柱内滞留行为的一个指标。（1）保留时间TR（RETENTIONTIME）从进样到柱后出现待测组分浓度最大值时（色谱峰顶点）所需要的时间，称为该组分的保留时间。如图中TR1、TR2所示，（是待测组分流经色谱柱时，在两相中滞留的时间和）保留时间与固定相和流动相的性质、固定相的量、柱温、流速和柱体积有关，可用时间单位（MIN）表示。（2）调整保留时间TR（ADJUSTEDRETENTIONTIME）扣除死时间后的组分保留时间，如图中的TR1、TR2所示。TR表示某组分因溶解或吸附于固定相后，比非滞留组分在柱中多停留的时间TRTRT02（3）保留体积VR（RETENTIONVOLUME）从进样到柱后出现待测组分浓度最大值时所通过的载气体积。当色谱柱载气流速为F0ML/MIN时，它与保留时间的关系为VRTRF03（4）调整保留体积VR（ADJUSTEDRETENTIONVOLUME）是指扣除死体积后的保留体积，即VRVRV0TRF04在一定的实验条件下VR、VR与载气流速无关（TRF0及TRF0为一常数）（5）相对保留值R21（RELATIVERETENTIONVALUE）指组分2和组分1的调整保留值之比。5相对保留值的特点是只与温度和固定相的性质有关，与色谱柱及其它色谱操作条件无关。反映了色谱柱对待测两组分1和2的选择性，是气相色谱法中最常使用的定性参数。3峰高（H）色谱峰顶与基线之间的垂直距离4色谱的区域宽度（PEAKWIDTH）通常用三种方法来表示（STANDARDEVIATION）（1）标准偏差为0607倍峰高处色谱峰宽度的一半。为正态分布曲线上拐点间距离之半。对于正常峰，的大小表示组分被带出色谱柱的分散程度，（小，柱效高）的大小与柱效有关，越大，组分流出越分散；反之亦反。（2）半高峰宽WH/2（PEAKWIDTHATHALFHEIGHT）峰高一半处的色谱峰宽度。半峰宽与标准偏差的关系为6（3）峰宽或称WB通过色谱峰两侧的拐点作切线，切线与基线交点间的距离为峰宽，即图中GH。峰宽与标准偏差的关系为1699WB4WH/25流出曲线图的作用A根据色谱峰的位置（保留值）可以进行定性；B根据色谱峰的面积或峰高可以进行定量测定；C根据色谱峰的位置及其宽度，可以对色谱柱分离情况进行评价22气相色谱分析理论基础内容提要GC基本原理、塔板理论与速率理论重点难点GC基本原理中分配系数等概念授课方式讲授【板书】22气相色谱分析理论基础一、GC法基本原理1柱型（1）填充柱（2）毛细管柱2分离过程；气固吸附脱附吸附脱附气液溶解挥发溶解挥发3分配过程；分配系数K固定相中浓度/流动相中浓度CS/CMK210分配比KMS/MM294结论4条分配比意义；分配比是衡量色谱柱对组分保留能力的重要参数，K值越大，保留时间越长，K值为零的组分，其保留时间即为死时间。K值可以通过1）滞留因子，RSUS/URSWMM/（MSMM）1/（1K）TML/UTRL/USTMU/USTM1/RSTRTM（1K）TMTMKK（TRTM）/TMTR/TM216K值可根据216式由实验测得。【讲解】色谱分离是色谱体系热力学过程和动力学过程的综合表现。热力学过程是指与组分在体系中分配系数相关的过程；动力学过程是指组分在该体系两相间扩散和传质的过程。组分、流动相和固定相三者的热力学性质使不同组分在流动相和固定中具有不同的分配系数，分配系数的大小反映了组分在固定相上的溶解挥发或吸附解吸的能力。分配系数大的组分在固定相上溶解或吸附能力强，因此在柱内的移动速度慢；分配系数小的组分在固定相上溶解或吸附能力弱，因此在柱内的移动速度快。经过一定时间后，由于分配系数的差别，使各组分在柱内形成差速移行，达到分离的目的。一分配过程在色谱分配过程中，假设考虑柱内极小一段的情况图2色谱主柱内的分配平衡在一定温度、压力下，组分在该一小段柱内发生的溶解挥发或吸附解吸的过程称为分配过程。1分配系数K（DISTRIBUTIONCOEFFICIENT）分配系数也称为平衡常数。是指在一定的温度和压力下，在两相之间达到平衡时，组分溶解在固定相中的平均浓度与其在流动相中的平均浓度之比。7式中CL为组分在固定相中的平均浓度；CG为组分在流动相中的平均浓度，K是一个无因次量，它是由组分及固定液的热力学性质决定的，只随柱温和柱压而变化，与色谱柱中气相和液相的体积无关。分配系数K是气一液分配色谱中的重要参数。如果两个组分的分配系数相同，则它们的色谱峰完全重合；反之，分配系数相差越大，相应的色谱峰相距越远，分离越好。2分配比K（PARTITIONRATION）又称“容量因子”。即在一定的温度和压力下，组分在两相间达到分配平衡时，组分在固定相和流动相中的质量比8式中MS组分在固定相中的质量，MM组分在流动相中的质量。3分配系数K和分配比K的关系设VS为固定相的体积，VM为流动相的体积，则上式可写成或9VM为柱内流动相的体积，也称为柱的死体积包括固定相颗粒之间和颗粒内部空隙中的流动相体积；VS为固定相的体积，它指真正参与分配的那部分体积若固定相是吸附剂、固定液、离子交换剂或凝胶，则分别指吸附表面积、固定液体积、离子交换剂交换容量或凝胶孔容。为色谱柱的相比4分配系数K和分配比K与保留值TR的关系分配平衡是在色谱柱中固定相和流动相之间进行的，因此分配比也可以用组分在固定相和流动相中的停留时间之比来表示，则分配比可写成10任一组分的K值可由实验测得，即为调整保留时间TR与不被固定相吸附或溶解的组分的保留时间T0的比值。可将K看作色谱柱对组分保留能力的参数，K值越大，保留时间越长。分配系数K与保留时间的关系为TRKT0KT0VS/VM11由此式可见，在一定的实验条件下，组分的调整保留时间正比于分配系数K（或分配比K），K（或K）越大，组分在色谱柱内的保留时间越长。由于分配系数（或分配比）是由组分的性质决定的，因此保留值可用于定性。在填充色谱柱中，选择不同的固定液及其用量，可以控制组分在色谱柱上的保留值。综上所述，在色谱分析中要使两组分分离，它们的保留时间T必须不同，而T是由两组分的K或K决定，所以待分离组分K或K不同是色谱分离的先决条件。分配比意义；分配比是衡量色谱柱对组分保留能力的重要参数，K值越大，保留时间越长，K值为零的组分，其保留时间即为死时间。K值可以通过1）滞留因子，RSUS/URSWMM/（MSMM）1/（1K）TML/UTRL/USTMU/USTM1/RSTRTM（1K）TMTMKK（TRTM）/TMTR/TM216K值可根据216式由实验测得。【板书】二、色谱分离基本理论1概述试样在色谱柱中分离过程的基本理论包括试样中各组分在两相间的分配情况；各组分在色谱柱中的运动情况2塔板理论；A塔板理论假定（4条）；B流出曲线方程式，217式；CN、H、L间的关系，218219由于死时间的存在，理论塔板数N，理论塔板高度H并不能真正反映色谱柱分离的好坏。应改用220221【讲解】二、色谱分离基本理论色谱理论可分为热力学及动力学理论两方面热力学理论是由相平衡观点来研究分离过程塔板理论；研究试样中各组分在两相间的分配情况；动力学理论是以动力学观点速度来研究各种动力学因素对柱效的影响速率理论。研究各组分在色谱柱中的运动情况。塔板理论把色谱柱比作一个分馏塔，塔板的概念是从分馏中借用来的，实际上色谱柱中并无塔板，只是引用了处理分馏过程的概念和理论来解释色谱的分离过程。塔板理论把色谱柱想象成由许多塔板组成，在每一个塔板内，一部分空间为涂在担体上的液相占据，另一部分空间充满载气，载气所占据的空间体积称为板体积。组分随载气进入色谱柱后，在两相间进行分配。塔板理论假设（1）在色谱柱中的每一个小段长度H内，组分可以迅速在气液两相间达到分配平衡，这一小段称为理论塔板实际在柱内不存在,其长度称为理论塔板高度，简称板高，以H表示。（2）载气不是连续流过色谱柱，而是脉冲式（间歇式），每次通过一个塔板体积。（3）样品都加到第1块塔板上，且组分沿色谱柱（纵）向扩散可以忽略不计。（4）某一组分的分配系数在所有塔板上是常数。根据上述假设，试样由载气带进色谱柱，与固定液接触而被溶解，在每个塔板高度内被分离的组分在气相和液相之间达成一次分配平衡，随着载气的不断进入，被溶解的组分又从固定液中挥发出来，挥发出来的组分随载气向前移动又再次被固定液溶解。经过若干个塔板即经过溶解一挥发的多次反复分配（103106次），待分离组分由于分配系数不同而彼此分离，分配系数小（挥发性大）的组分首先由色谱柱中流出，显然，当塔板数足够多时，即使分配系数差异微小的组分也能得到良好的分离效果。2柱效能指标N、H可以由塔板理论导出（1）理论塔板数N柱长L一定时，N越大，柱效就越高经验公式12式中TR、Y1/2、Y应该采用同一单位（时间或长度）（2）理论塔板高度H设色谱柱长为L，则理论塔板高度由此可见色谱峰越窄即Y1/2或Y越小，理论数塔板N越大，对给定长度的色谱柱而言，塔板高度H越小，组分在柱内被分配的次数愈多，则柱效越高。因此N和H可作为描述柱效能的指标。（3）有效（理论）塔板数（NEFT）在实际应用中，常常出现计算出的N虽然很大，但色谱柱的效却不高，这是由于保留时间TR中包含了死时间T0，而T0并不参加柱内的分配过程，因此理论塔板数和理论塔板高度并不能真实地反映色谱柱分离效能的好坏。为此，提出用有效塔板数NEFT和有效高度HEFT评价柱效能的指标，即（4）有效塔板高度HEFT15物质在给定色谱柱上的NEFT越大，说明该物质在柱中进行分配平衡的次数越多，对分离有利，但不能表示该物质的实际分离效果。是否能在色谱柱上分离，主要取决于各组分在两相间分配系数K的差异。如果两组分在同一色谱柱上的分配系数相同，无论NEFT有多大，这两种组分也无法被分离开塔板理论在解释色谱图的形状，计算N和H方面是成功的。但其某些基本假设不完全符合色谱的实际情况（如K和组分的量无关、组分在两项中分配能迅速达到平衡、纵向扩散可以忽略等）。塔板理论只能定性地给出塔板高度的概念，而未能找出影响板高H的因素，也就更无法提出降低板高的途径；这主要是由于塔板理论没有考虑到动力学因素对色谱分离过程的影响。注意同一色谱柱对不同物质的柱效能是不一样的，当用这些指标表示柱效能时，必须说说明是对什么物质而言的。【板书】2速率理论（VANDEEMTER理论）HAB/UCU可见影响H的三项因素为；A涡流扩散项A因此使用适当细粒度和颗粒均匀的担体，并尽量填充均匀，是减少涡流扩散，提高柱效的有效途径。B分子扩散项B/U纵向扩散与组分在柱内的保留时间有关，保留时间越长（相当于载气流速越小），分子扩散项对色谱峰扩张的影响就越显著。C传质项CU；包括下列二项1）气相传质阻力系数CG采用粒度小的填充物和分子量小的气体作载气可减小CG，提高柱效；2）液相传质阻力系数CL固定相的液膜厚度薄，组分在液相的扩散系数大，则液相传质阻力就小；中等线速时，塔板高度的主要控制因素是液相传质项，而气相传质项数值很小，可忽略。D结论范氏公式对于分离条件的选择具有指导意义。它可以说明，填充均匀程度、担体粒度、载气种类、载气流速、柱温、固定相液膜厚度等对柱效、峰扩散的影响。【讲解】三速率理论1956年VANDEEMTER等人在塔板理论的基础上，提出了关于色谱过程的动力学理论速率理论。该理论仍然采用塔板高度的概念，但同时考虑到H还取决于同一组分的不同分子在柱中差速迁移过程中所引起的色谱蜂扩展程度，将色谱过程与组分在两相间的扩散和传质过程等动力学因素联系起来，从理论上总结出影响塔板高度的各种因素，导出H与其影响因素之间的关系式式中A、B、C在一定实验条件下为常数；U为载气的线速度（CMS）速率理论综合考虑了柱内影响板高的三种动力学控制过程（使谱带扩展的因素归纳成三项）涡流扩散项A、纵向分子扩散项BU和传质阻力项CU；欲降低H，提高柱效，需降低这三个塔板分量，各项的物理意义如下1涡流扩散项A（EDDYDIFFUSION）当色谱柱内同时起步的组分、随流动相进入色谱柱朝柱口方向移动时，如果固定相颗粒大小及填充不均匀，组分分子穿过这些空隙时碰到大小不一的颗粒而必须不断改变流动方向，使组分分子在柱内形成了紊乱的“涡流”，不同的组分分子所经过的路径长短不一，组分分子或前或后流出色谱柱，造成色谱峰的峰形扩张。ADP2填充不规则因子；DP固定相颗粒平均直径；图3涡流扩散使峰展宽涡流扩散项A与填充物的平均直径DP又有关。采用粒度较细，颗粒均匀的担体，尽量填充均匀可以降低涡流扩散项，降低板高H，提高桂效。但在气相色谱中，粒度很小时，柱阻大，且不易填匀因此一般采用粒度为和固定相填充不均匀因子6080目或80100目的填充物较好。（空心毛细管柱的A项为零）2纵向分子扩散项（MOLECULARDIFFUSION）BU当试样分子以“塞子”的形式进入色谱柱后，随流动相在柱中前进时，由于存在浓度梯度，组分分子自发地向前和向后扩散即沿着色谱柱轴向扩散，这种扩散称为“纵向分子扩散”，结果使色谱峰扩张，板高H增大。BDG2DG组分在流动相中的扩散系数（CM2/S），与流动相的相对分子量平方根成反比（DG1/M1/2）；与柱温成正比，与柱压成反比。在液相色谱中，由于组分在液体中的扩散系数很小（气体中的1/105）此项可忽略不计。弯曲因子，亦称阻碍因子，由于固定相颗粒的存在使扩散受阻，填充柱1M；三、光学分析法分类1光谱分析方法基于测量辐射的波长及强度。这些光谱是由于物质的原子或分子的特定能级的跃迁所产生的，据其特征光谱的波长可进行定性分析；光谱的强度与物质的含量有关，可进行定量分析。根据辐射的本质，光谱法可分为分子光谱和原子光谱根据辐射能量传递的方式，光谱方法又可分为发射光谱、吸收光谱、荧光光谱、拉曼光谱等等。2非光谱分析法不涉及光谱的测定，即不涉及能级的跃迁，而主要是利用电磁辐射与物质的相互作用。这个相互作用引起电磁辐射在方向上的改变或物理性质的变化，而利用这些改变可以进行分析。72原子发射光谱分析的基本原理一般认为原子发射光谱是1860年德国学者基尔霍夫（KIRCHHOFFGR）和本生（BUNSENRW）首先发现的，他们利用分光镜研究盐和盐溶液在火焰中加热时所产生的特征光辐射，从而发现了RB和CS两元素。其实在更早时候，1826年泰尔博（TALBOT）就说明某些波长的光线是表征某些元素的特征。从此以后，原子发射光谱就为人们所注视。在发射原子发射光谱以后的许多年中，其发展很缓慢，主要是因为当时对有关物质痕量分析技术的要求并不迫切。到了二十世纪三十年代，人们已经注意了到浓度很低的物质，对改变金属、半导体的性质，对生物生理作用，对诸如催化剂及其毒化剂的作用是极为显著的，而且地质、矿物质的发展，对痕量分析有了迫切的需求，促使AES迅速的发展，成为仪器分析中一种很重要的、应用很广的方法。而到了五十年代末、六十年代初，由于原子吸收分析法（AAS）的崛起，AES中的一些缺点，使它显得比AAS有所逊色，出现一种AAS欲取代AES的趋势。但是到了七十年代以后，由于新的激发光源如ICP、激光等的应用，及新的进样方式的出现，先进的电子技术的应用，使古老的AES分析技术得到复苏，注入新的活力，使它仍然是仪器分析中的重要分析方法之一。一、原子光谱的产生原子发射光谱分析是根据原子所发射的光谱来测定物质的化学组分的。不同物质由不同元素的原子所组成，而原子都包含着一个结构紧密的原子核，核外围绕着不断运动的电子。每个电子处于一定的能级上，具有一定的能量。在正常的情况下，原子处于稳定状态，它的能量是最低的，这种状态称为基态。当原子受到能量如热能、电能等作用时，原子由于与高速运动的气态粒子和电子相互碰撞而获得了能量，使原子中外层电子从基态跃迁到更高的能级上，处在这种状态的原子称激发态。电子从基态跃迁至激发态所需的能量称为激发电位，当外加的能量足够大时，原子中的电子脱离原子核的束缚力，使原子成为离子，这种过程称为电离。离子中的外层电子也能被激发，其所需的能量即为相应离子的激发电位。处于激发态的原子是十分不稳定的，在极短的时间内便跃迁至基态或其它较低的能级上。当原子从较高能级跃迁到基态或其它较低的能级的过程中，将释放出多余的能量，这种能量是以一定波长的电磁波的形式辐射出去的，其辐射的能量可用下式表示EE2E1HHC/71E2,E1分别为高能级、低能级的能量，H为普朗克PLANCK常数；V及分别为所发射电磁波的频率及波长，C为光在真空中的速度。198/1；每一条所发射的谱线的波长，取决于跃迁前后两个能级之差。由于原子的能级很多，原子在被激发后，其外层电子可有不同的跃迁，但这些跃迁应遵循一定的规则即“光谱选律”，因此对特定元素的原子可产生一系列不同波长的特征光谱线，这些谱线按一定的顺序排列，并保持一定的强度比例。198/2；光谱分析就是从识别这些元素的特征光谱来鉴别元素的存在定性分析；而这些光谱线的强度又与试样中该元素的含量有关，因此又可利用这些谱线的强度来测定元素的含量定量分析。必须明确如下几个问题原子中外层电子（称为价电子或光电子）的能量分布是量子化的，所以E的值不是连续的，则或也是不连续的，因此，原子光谱是线光谱；同一原子中，电子能级很多，有各种不同的能级跃迁，所以有各种E不同的值，即可以发射出许多不同或的辐射线。但跃迁要遵循“光谱选律”，不是任何能级之间都能发生跃迁；不同元素的原子具有不同的能级构成，E不一样，所以或也不同，各种元素都有其特征的光谱线，从识别各元素的特征光谱线可以鉴定样品中元素的存在，这就是光谱定性分析；元素特征谱线的强度与样品中该元素的含量有确定的关系，所以可通过测定谱线的强度确定元素在样品中的含量，这就是光谱定量分析；二、发射光谱分析的过程198/3；1使试样在外界能量的作用下转变成气态原子，并使气态原子的外层电子激发至高能态。当从较高的能级跃迁到较低的能级时，原子将释放出多余的能量而发射出特征谱线；2对所产生辐射经过摄谱仪器进行色散分光，按波长顺序记录在感光板上，就可呈现出有规则的谱线条，即光谱图。3根据所得光谱图进行定性鉴定或定量分析73光谱分析仪器进行光谱分析的仪器设备主要由光源、分光系统光谱仪及观测系统三部分组成。一、光源1光源的作用首先，把试样中的组分蒸发离解为气态原子，然后使这些气态原子激发，使之产生特征光谱。因此光源的主要作用是对试样的蒸发和激发提供所需的能量。2常用光源类型1）直流电弧基本电路如图71所示利用直流电作为激发能源。这种光源的弧焰温度与电极和试样的性质有关，一般可达40007000K，可使70种以上的元素激发，所产生的谱线主要是原子谱线。优点199/3分析的绝对灵敏度高，背景小，适宜于进行定性分析及低含量杂质的测定不足因弧光游移不定，再现性差，电极头温度比较高，所以这种光源不宜用于定量分析及低熔点元素的分析。2）交流电弧典型电路如图72所示高压电弧很少使用，低压交流电弧工作电压一般为110220V，。交流电弧的电流密度比在直流电弧中要大，弧温较高略高于40007000K，所以在获得的光谱中，出现的离子线要比在直流电弧中稍多些优点稳定性比直流电弧高，操作简便安全，因而广泛应用于光谱定性、定量分析，不足灵敏度较差些。3）高压火花线路如图73所示。这种光源的特点是放电的稳定性好，电弧放电的瞬间温度可高达10000K以上，适用于定量分析及难激发元素的测定。由于激发能量大，所产生的谱线主要是离子线，又称为火花线。但电极头温度较低，因而试样的蒸发能力较差，较适合于分析低熔点的试样、合金以及高含量元素的定量分析。缺点灵敏度较差，背景大，不宜作痕量元素分析。4）电感耦合高频等离子体焰炬（ICP）这是当前发射光谱分析中发展迅速、极受重视的一种新型光源一般由高频发生器、等离子体炬管和雾化器组成（FIG74）所谓等离子体是指电离了的但宏观上呈电中性的物质作为发射光谱分析激发光源的等离子体焰炬有多种，ICP是其中最常用的一种ICP形成的原理同高频加热的原理相似特点203/1；ICPAES具有灵敏度高，检测限低1091011G/L,精密度好相对标准偏差一般为052，工作曲线线性范围宽，因此同一份试液可用于从宏量至痕量元素的分析，试样中基体和共存元素的干扰小，甚至可以用一条工作曲线测定不同基体的试样中的同一元素。这就为光电直读式光谱仪了提供了一个理想的光源二、光谱仪摄谱仪1作用将光源发射的电磁波分解为按一定次序排列的光谱2方法看谱法用人眼去接收；摄谱法用感光板接受；光电法用光电倍增管、阵列检测器接收光谱辐射3类型1）棱镜摄谱仪组成棱镜摄谱仪主要由照明系统、准光系统、色散系统棱镜及投影系统暗箱四部分组成，如图74所示。棱镜摄谱仪的光学特性A色散率是把不同波长的光分散开的能力，通常以倒数线色散率来表示D/DL，即谱片上每一毫米的距离内相应波长数单位为NM。B分辨率是指摄谱仪的光学系统能够正确分辨出紧邻两条谱线的能力。用两条可以分辨开的光谱波长的平均值与其波长差之比值来表示，即R/。棱镜摄谱仪的理论分辨率R0可用下式表示R0MTDN/D72式中M为棱镜的数目，T为棱镜底边长，N为棱镜材料的折射率，DN/D为棱镜材料的色散率，而MT是棱镜底边的总长度由于决定于MT，因此多棱镜摄谱仪具有较高的分辨率但是增加M会减小光的强度，因此最多只使用三个棱镜另，还与DN/D有关，棱镜材料不同，由于色散率不同，因而分辨率就不同。对同一材料，色散率还与波长有关，波长愈短，折射率愈大，色散率也就愈大，因此短波部分的谱线一般分得比较开C集光本领是指摄谱仪光学系统传递辐射的能力，一般大型摄谱仪的集光本领较中型摄谱仪弱2）光栅摄谱仪光栅摄谱仪应用光栅作为色散元件，利用光的衍射现象进行分光。光栅摄谱仪比棱镜摄谱仪有更高的分辨率，且色散率基本上与波长无关，这样的光谱在长波及短波的各波段时波长间隔是一样的，称为“均排光谱”。这是光栅优于棱镜的一个方面。它更适用于一些含复杂谱线的元素如稀土元素、铀、钍等试样的分析。三、观测设备1光谱投影仪（映谱仪）在进行光谱定性分析及观察谱片时需用此设备。一般放大倍数为20倍左右。2测微光度计（黑度计）用来测量感光板上所记录的谱线黑度，主要用于光谱定量分析。在光谱分析时，照射至感光板上的光线越强，照射时间越长，则感光板上的谱线越黑常用黑度来表示谱线在感光板上变黑程度黑度S则定义为SLG1/TLGI0/I73可见在光谱分析中的所谓黑度，实际上相当于分光光度法中的吸光度A测微光度计上具有三种读数标尺A直线标尺，即D标尺，相当于分光计的透光度T；B黑度标尺，即S标尺，相当于分光光度计的透光度A在光谱分析中应用最多CW标尺第八章原子吸收与原子荧光光谱法本章地位本章内容在仪器分析课程中是较为重要的一章内容，由于该分析方法具有灵敏度高、抗干扰能力强、精密度高、选择性好、仪器简单、操作方便等特点。自20世纪60年代以后，原子吸收光谱分析法得到迅速发展，应用极为普及，所以有关本方法的理论课程也非常重要。本章内容1了解影响原子吸收谱线轮廓的因素；2理解火焰原子化和高温石墨炉原子化法的基本过程；3了解原子吸收分光光度计主要部件及类型；4了解原子吸收分光光度法干扰及其抑制方法；5掌握原子吸收分光光度法的定量分析方法及实验条件选择原则。重点难点1原子吸收与分子吸收在原理上，测量方法上、仪器上的异同点2原子谱线的宽度概念及变宽原因3积分吸收和峰值吸收的概念、表达式及测量条件4空心阴极灯、原子化系统的结构、工作原料及特点5干扰及消除讲解思路在本章之前已介绍原子发射光谱法等多种光谱法，所以需先将原子吸收光谱法与其它光谱法作大致比较，找出相同点与不同点。再介绍原子吸收光谱法的特点。原子吸收光谱的原理是本章的难点，里面涉及到一些较难的概念，如吸收线的轮廓与变宽、积分吸收测量法、峰值吸收测量法等需重点讲解。原子吸收光谱仪首先介绍框架图，再介绍各部分功能与原理、原子吸收光谱法的干扰虽比发射光谱少但仍存在有时甚至较严重，所以，需介绍干扰效应的类型、本质及消除方法。原子吸收光谱定量分析方法中，灵敏度和检测限两项评价指标是难点，应适当举例介绍。学时分配5学时【板书】下述内容黑体部分【讲解】81概述原子吸收光谱法是20世纪50年代中期出现并在以后逐渐发展起来的一种仪器分析方法。它是基于被测元素的基态原子在蒸汽状态下对其原子共振线的吸收来进行元素定量分析的方法。早在1802年，伍朗斯顿WHWOLLASTON在研究太阳光的连续光谱时，发现有暗线存在。1817年，福劳霍费JFRAUNHOFER再次发现这样的暗线，但不明其原因和来源，于是把这些暗线称为福氏线。直到1860年本生RBUNSON和基尔霍夫GKIRCHHOFF在研究碱金属和碱土金属元素的光谱时，发现钠蒸汽发射的谱线会被处于较低温度的钠蒸汽所吸收，而这些吸收线与太阳光连续光谱中的暗线的位置相一致，这一事实说明了福氏线是太阳外围大气圈中存在的NA原子对太阳光中所对应的钠辐射线吸收的结果，解开了原子吸收的面纱。到了20世纪30年代，工业上汞的使用逐渐增多，汞蒸汽毒性强，而测定大气中的汞蒸汽较为困难，则有人利用原子吸收的原理设计了测汞仪，这是AAS法的最好应用。AAS法作为一种实用的分析方法是从1955年才开始的。澳大利亚的瓦尔西AWALSH发表了他的著名论文“原子吸收光谱在化学分析中的应用“，奠定了原子吸收光谱法的理论基础。随着原子吸收光谱商品化仪器的出现，到了20世纪60年代中期，原子吸收光谱法步入迅速发展的阶段。尤其是非火焰原子器的发明和使用，使方法的灵敏度有了较大的提高，应用更为广泛。科学技术的进步，为原子吸收技术的发展、仪器的不断更新和发展提供了技术和物质基础。近十几年来，使用连续光源和中阶梯光谱，结合用光导摄像管，二极管阵列的多元素分析检测器，设计出微机控制的原子吸收分光光度计，为解决多元素的同时测定开辟了新的前景。微机引入原子吸收光谱，使这个仪器分析方法的面貌发生了重大的变化，而与现代分离技术的结合，联机技术的应用，更开辟这个方法更为广阔的应用前景。一、原子吸收光谱分析定义225/2基于物质所产生的原子蒸气对特定谱线（通常是待测元素特征谱线）的吸收作用来进行定量分析的一种方法。分析示意图如图81二、操作225/7；测镁为例1将试液喷入成雾状，挥发成蒸汽；2用镁空心阴极灯作光源，产生波长2852NM特征谱线；3谱线通过镁蒸汽时，部分光被蒸汽中基态镁原子吸收而减弱；4通过单色器和检测器测得镁特征谱线被减弱的程度，即可求得试样中镁的含量。三、原子吸收光谱分析的特点（1）灵敏度高其检出限可达109G/ML某些元素可更高；（2）选择性好分析不同元素时，选用不同元素灯，提高分析的选择性；（3）具有较高的精密度和准确度试样处理简单。四、与发射光谱异同点1原子吸收光谱分析利用的是原子吸收现象，发射光谱分析则基于原子的发射现象。2原子的吸收线比发射线的数目少得多，这样谱线重叠的概率就小得多。3原子吸收法的选择性、灵敏度和准确性都好。82原子吸收光谱分析基本原理一、共振线与吸收线在一般情况下，原子处于能量最低状态（最稳定态），称为基态（E00）。当原子吸收外界能量被激发时，其最外层电子可能跃迁到较高的不同能级上，原子的这种运动状态称为激发态。共振发射线电子从基态跃迁到能量最低的激发态时要吸收一定频率的光，它再跃迁回基态时，则发射出同样频率的光谱线，这种谱线称为共振发射线（简称共振线）共振吸收线电子从基态跃迁至第一激发态所产生的吸收谱线称为共振吸收线（也简称为共振线）共振线共振发射线和共振吸收线都简称为共振线。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迁返回基态时，吸收或发射的能量不同，因而各种元素的共振线不同而各有其特征性，所以这种共振线是元素的特征谱线对大多数元素来说，共振线是元素的灵敏线，在原子吸收分析中，就是利用处于基态的待测原子蒸汽对从光源辐射的共振线的吸收来进行分析的二、谱线轮廓与谱线变宽若将不同频率的光（强度为IOV）通过原子蒸汽（图82），有一部分光被吸收，其透过光的强度I与原子蒸汽宽度L符合郎伯定律，即81式中K基态原子对频率为的光的吸收系数,它随光源辐射频率而改变见图83及84）由于外界条件及本身的影响，造成对原子吸收的微扰，使其吸收不可能仅仅对应于一条细线，即原子吸收线并不是一条严格的几何线（单色），而是具有一定的宽度、轮廓，即透射光的强度表现为一个相似于下图的频率分布变化的关系作图得到吸收系数轮廓图随若用原子吸收系数KK0峰值吸收系数或中心吸收系数（最大吸收系数）；0中心频率，最大吸收系数K0所对应的波长；吸收线的半宽度，K0/2处吸收线上两点间的距离；积分吸收，吸收线下的总面积。1谱线变宽引起谱线变宽的主要因素有自然宽度在无外界影响下，谱线仍有一定宽度，这种宽度称为自然宽度，以VN表示。根据量子力学的HEISENBERG测不准原理，能级的能量有不确定量E，可由下式估算为有限值时，则能级能量的不确定量激发态原子的寿命，当越小，宽度越宽。E为有限值，此能级不是一条直线，而是一个“带”。但对共振线而言，其宽度一般2900K），它为用原子吸收法测定铝和其他一些易生成难离解氧化物的元素提供了一种新的可能性2无火焰原子化法电热高温石墨炉原子化法原子化效率高，可得到比火焰大数百倍的原子化蒸气浓度。使灵敏度增加10200倍，一般比火焰原子化法提高几个数量级。特点液体和固体都可直接进样；试样用量一般很少；但精密度差，相对偏差约为412（加样量少）。石墨炉原子化过程一般需要经四步程序升温完成干燥在低温（溶剂沸点）下蒸发掉样品中溶剂；灰化在较高温度下除去低沸点无机物及有机物，减少基体干扰；高温原子化使以各种形式存在的分析物挥发并