仪器分析基础知识教材

1、环境仪器分析1 现代仪器的类系现代仪器的类系 1) 分离分析仪器与技术 2) 鉴定原子的仪器与技术 3) 鉴定分子的仪器与技术 4) 表面界面分析仪器与技术 5) 分析仪器联用技术 6) 核分析仪器与技术 7) 生物化学与医学专用分析仪器2.1 气相色谱（GC）2.2 液相色谱（HPLC）2.3 超临界流体色谱（SFC）2.4 尺寸排阻色谱（SEC）2.5 薄层色谱（TLC）2.6 毛细管电泳（CE）2.7 离子色谱（IC）2 分离分析仪器与技术分离分析仪器与技术2.1 气相色谱（气相色谱（GC）最常见的分离分析仪器主要用于可挥发性组分的分析，或衍生化后可挥发组分的分析，应用范围非常广。化合物

2、中约20%的样品可用GC分离色谱法理论基础色谱法理论基础色谱法的基本原理色谱法的基本原理 俄国植物学家茨维特（Tsweett）最早创造了色谱，并于1906年他将吸附原理分离植物色素的方法命名为色谱法（chromatography)。 TsweettTsweett色谱分离的基本原理是：色谱分离的基本原理是： 使混合物中各组分在两相（固定相和流动相）间进行分配，当流动相中所含混合物(A、B)经过固定相时，就会与固定相发生相互作用，由于各组分在性质和结构上的差异，不同组分(A、B)在固定相中滞留时间有长有短，从而按先后不同的次序从固定相中流出。 水果、蔬菜中17种有机氯，用毛细管气相色谱法测定农药的

3、残留量用丙酮正己烷混合液, 提取样品中的有机氯农药，将提取液浓缩后，经过弗罗里硅土层析柱净化分析。 组成组成：气路系统、电路系统、分离系统、检测系统等部分组成（结构示意图如下）：气相色谱常用检测器气相色谱常用检测器氢火焰离子化检测器氢火焰离子化检测器(FID)电子捕获检测器电子捕获检测器(ECD)火焰光度检测器火焰光度检测器(FPD)氮磷检测器（氮磷检测器（NPD）质谱检测器（质谱检测器（MSD）定量峰面积百分比法（归一化法）由于检测技术的影响，在色谱中不常用外标法在色谱中用的较多内标法准确，但是麻烦在标准方法中用的最多归一化法100100121niiiiiniiAfAfmmmmc)(% 特点

4、及要求：特点及要求： 归一化法简便、准确；归一化法简便、准确；进样量的准确性和操作条件的变动对测定结果影响不大；进样量的准确性和操作条件的变动对测定结果影响不大；仅适用于试样中所有组分全出峰的情况。仅适用于试样中所有组分全出峰的情况。外标法配制一系列已配制一系列已知浓度的标样知浓度的标样ssiisifAfAmm%100%100%mmfAfAmmCsssiiiisiisAAmmm和测混匀进样）（含过程：内标法内标法0.000.200.400.600.801.001.201.401.601.802.002.503.003.504.004.505.005.506.00voltsMinutesMeth

5、ylParabenEthylParabenPropylParabenButylParaben05010015020025001020304050样品浓度标样峰面积内标样峰面积实际色谱图实际色谱图标准曲线标准曲线在待测样品中不存在；在待测样品中不存在；与被测组分性质比较接近；与被测组分性质比较接近；不与试样发生化学反应；不与试样发生化学反应；出峰位置（保留值）应位于被测组分附近；出峰位置（保留值）应位于被测组分附近；浓度（响应值）与待测组分相当；浓度（响应值）与待测组分相当；其色谱峰与其他色谱峰分离好。其色谱峰与其他色谱峰分离好。内标物的要求内标物的要求.)()()()().(siiXiiiXA

6、ARFCXCXRSIRRFii内标峰面积样品峰面积未知组分的浓度标样浓度标样响应值内标样响应值校正因子特点：特点： 无需各组份都被检出、洗脱无需各组份都被检出、洗脱 内标法的准确性较高，操作条件和进样量的稍许变动对定内标法的准确性较高，操作条件和进样量的稍许变动对定量结果的影响不大。量结果的影响不大。 每个试样的分析，都要进行两次称量，不适合大批量试样每个试样的分析，都要进行两次称量，不适合大批量试样的快速分析。的快速分析。 内标法气相色谱在环境监测中的应用气相色谱在环境监测中的应用1、有机氯农药和多氯联苯、有机氯农药和多氯联苯 10、拟除虫菊酯类农药、拟除虫菊酯类农药2、有机磷农药、有机磷农

7、药 11、有机氮类农药、有机氮类农药3、多环芳烃、多环芳烃 12、有机金属化合物、有机金属化合物4、苯系物、苯系物 13、其它类化合物、其它类化合物5、硝基苯、硝基苯6、苯胺类（碱性化合物）、苯胺类（碱性化合物）7、苯酚类（酸性化合物）、苯酚类（酸性化合物）8、醛酮类化合物、醛酮类化合物9、酞酸酯类化合物、酞酸酯类化合物2.2 高效液相色谱分析法高效液相色谱分析法特点：高压、高速、高效、高灵敏度、高自动特点：高压、高速、高效、高灵敏度、高自动化。化。分析对象：分析对象：溶解后能制成溶液的样品，不受样品挥发性和热稳定性的限制.分子量大、难气化、热稳定性差及分子和离子型样品均可检测 用途广泛，占有

8、机物的80%高压输液系统高压输液系统进样系统进样系统色谱柱色谱柱检测系统检测系统 附属系统附属系统 工作过程高压泵将贮液罐的溶剂经进样器送入色谱柱中，然后从检测器的出口流出。当欲分离样品从进样器进入时，流经进样器的流动相将其带入色谱柱中进行分离，然后依先后顺序进入检测器。记录仪将进入检测器的信号记录下来，得到液相色谱图。流动相：常用的流动相是甲醇水，乙腈水色谱柱正相色谱固定液极性 流动相极性 极性小的组分先出柱，极性大的组分后出柱, 适于分离极性组分反相色谱固定液极性 流动相极性 极性大的组分先出柱，极性小的组分后出柱, 适于分离非极性组分正相柱：多以硅胶为柱填料。根据外型可分为无定型和球型两

9、种，其颗粒直径在3-10 m的范围内。另一类正相填料是硅胶表面键合-CN，-NH2，苯基等官能团即所谓的键合相硅胶。反相柱：主要是以硅胶为基质，在其表面键合十八烷基官能团(ODS)的非极性填料。也有无定型和球型之分。常用的其他的反相填料还有键合C8、C4、C2、苯基等，其颗粒粒径在3-10m之间。检测系统有两种基本类型的检测器：一类是溶质性检测器。它仅对被分离组分的物理或物理化学特性有响应，如紫外荧光，电化学检测器等。另一类是总体检测器，它对试样和洗脱液总的物理或物理化学特性有响应，如示差析光，介电常数检测器等 。液相色谱在环境中的应用液相色谱在环境中的应用可以用于环境中多环芳烃、酞酸酯等的监

10、测，特别是近期蓝藻爆发后，在藻毒素的监测方面发挥了很大的作用气、液色谱与质谱的联用气、液色谱与质谱的联用气相色谱和液相色谱负责物质分离，而质谱仪充当检测器的作用，有很好的定性定量的作用。质谱（MS）原理：将分子或原子转变成带电荷的粒子，并按质量大小顺序排列的图谱。气气 质质2.3 离子色谱离子色谱（IC） 离子色谱仪是以液体为流动相，固体填料为固定相，是分析离子的液相色谱。 作用：多组分痕量离子的快速分析 10-9-10-6 特别对不同价态和形态元素的分析有优势； 30多种水溶性有机酸，乳酸等GC难分析； 分析单糖和低聚糖以阴离子形式分析； 其核心为分离拄：填料为磺酸或羧酸聚苯乙烯树脂 或季胺

11、盐化聚苯乙烯树脂（阴） 流动相： 酸，碱 ，盐及络合剂 检测器： 电导检测器，光学检测器紫外和荧光葡萄酒中的7种无机阴离子 离子色谱在环境监测中的应用1.饮用水中F-、Cl-、SO42-、NO3-2酸雨的监测3.1 原子发射光谱（AES）3.2 原子吸收光谱（AAS）3.3 X光荧光光谱（XFS）3.4 电感耦合等离子质谱仪（ICP-MS）3.5 中子活化分析仪（NA）3 鉴定原子的仪器与技术鉴定原子的仪器与技术3.1 原子吸收光谱原子吸收光谱（AAS） 1 可以用来做周期表中70多个元素的定量分析 许多情况下测定准确度达到ppm，极限ppb， 是测定痕量金属的有效手段 2 石墨炉电热原子吸收

12、光谱绝对灵敏度可以 达到10-12-10-14 g/g 3 用途：主要是地质、材料、医药、冶金、环 境、化学等领域样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阴极灯发射出的待测元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。中待测元素含量的方法。 u原子吸收分光光度计的组成： 由光源、原子化系统、光学系统、检测系统及放大由光源、原子化系统、光学系统、检测系

13、统及放大数据处理系统五个主要组成部分。数据处理系统五个主要组成部分。 其示意图如下：其示意图如下：放大器数据处理稳压电源单色器光源分光系统高压电源检测器检测系统原子化系统废液燃气助燃气试液(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、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。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

14、而跃迁到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，便使原子处于较高能级上，便使原子处于激发态，处于激发态的原子很处于激发态的原子很不稳定，在短时间内（约不稳定，在短时间内（约10-3s10-3s），跃迁到较高能级的电），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。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。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。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

15、所有谱线中最灵敏的谱线，原子吸收分析就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。元素的共振线的吸收而进行定量分析。 (3) 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的单色光I0I0通过原子蒸气，然后测出被吸收后的光强通过原子蒸气，然后测出被吸收后的光强I I，吸，吸收过程符合朗伯收过程符合朗伯比耳定律，即比耳定律，即： 式中式中:K:K为吸收系数，为吸收系

16、数，N N为自由原子总数（近似于基态原子数为自由原子总数（近似于基态原子数N0N0）,L,L为吸收层厚度。为吸收层厚度。 吸光度吸光度 试样中待测元素的浓度与火焰中基态原子的浓度成正比。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。该式就是原子吸光光谱法定量分析的依据。 LKNIIA004343. 0lg KNLeII0CKA定量分析方法定量分析方法（1 1）标准曲线法）标准曲线法 绘制A-C

17、工作曲线（见下图） AxACxC（2 2）标准加入法）标准加入法 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）： CCx246A 原子吸收光谱法在环境监测中的应用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

18、有60-70种，目前测定水和废水中的主要金属元素有：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

19、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。 3.4 电感耦合电感耦合-等离子质谱仪等离子质谱仪（ICPMS）原理： 等离子体是一种高密度电子的离子化气体(通常为氩气)，因含有正、负 电荷，极易与磁场作用，磁场随时间变化，则等离子产生感应耦合产生高 温焰炬(9000-10000k)。 样品溶液经过进样系统进入高温等离子体被蒸发、分解和电离，大部分成为一价正离子，经取样锥和截取锥进入真空质谱系统，经过离子镜聚焦，进入四级杆按质荷比分离，被检测器记录.Angilent 7500 系列系列ICPMS仪器及主要部件仪器及主要部件 ICPMS原理示意图原理示意图 电感耦合等离子体质谱仪由电感耦合等离子体质谱仪由离子源、质量分析器、检测系离子源、质量分析器、检测系统、统、 真空系统组成。真空系统组成。优点：优点： 对多数元素在ICP中主要是形成一价离子，ICP离子源使样 品在