《现代仪器分析》new

1、 材料与化学化工学院材料与化学化工学院 李崇瑛李崇瑛现代仪器分析现代仪器分析材料与化学化工学院材料与化学化工学院李崇瑛李崇瑛(办公室办公室: 学院行政楼学院行政楼204 电话电话: 材料与化学化工学院材料与化学化工学院 李崇瑛李崇瑛课程实验说明课程实验说明 一、实验课安排：一、实验课安排： S1：2009020201 S2：2009020202 S3：2009020203 S4：2009020204 第第7周开始，每周进行周开始，每周进行1个实验，共个实验，共6个实验（个实验（GC LC AAS IR XRF XRD

2、）二、实验教材及实验教师二、实验教材及实验教师 教材：现代仪器分析实验指导书教材：现代仪器分析实验指导书 教师：李崇瑛等教师：李崇瑛等 材料与化学化工学院材料与化学化工学院 李崇瑛李崇瑛第一章第一章 引论引论v课程定位v课程内容v学习要求v仪器演变v知识拓展 材料与化学化工学院材料与化学化工学院 李崇瑛李崇瑛1-1 课程定位课程定位 现代仪器分析 （现代方法） 分析化学 （经典方法） 现代仪器分析技术的原理、结构、功能、特点、方法分析化学的基本理论和相关知识数理化的相关理论原理及光机电技术知识 材料与化学化工学院材料与化学化工学院 李崇瑛李崇

3、瑛1-2 课程内容课程内容第一章 引论（2学时）第二章 基础知识回顾（2学时）第三章 色谱分析（10学时）第四章 原子光谱分析（10学时） 32学时第五章 分子波谱分析（4学时）第六章 质谱分析（2学时）第七章 X射线分析（2学时）第八章 前沿分析技术（含ELISA）（4学时）第九章 电化学分析（6学时） 附 课程总结 材料与化学化工学院材料与化学化工学院 李崇瑛李崇瑛1-3 学习要求学习要求 面向已具有无机化学、有机化学、物理化学、分析化学等知识背景的化学类专业高年级本科生，学习要求如下： 提前预习：现代仪器分析本身内容丰富，且涉及的相关原

4、理知识也非常庞杂，30学时左右的课程只能满足对现代分析仪器本身进行概论性的讲授，相关原理知识将直接进行引用。提前预习是学好本门课程的关键。 掌握化学化工类专业使用频率较高的现代仪器分析技术原理及其使用特点，为将来从事本专业工作奠定一个良好的基础。 材料与化学化工学院材料与化学化工学院 李崇瑛李崇瑛1-4 仪器演变仪器演变v 1654年Boyle首次使用“Chemical analysis”。v 1684年开始用颜色深浅判断有色物质的量。v 定量分析化学始于1750年的重量分析法，已有两百多年的历史（大约在1750年，欧洲用矿物冶炼金属的需要导致了硅（Torbern B

5、ergman）和银(Andreas Marggraf)的重量分析法的产生。v 1780年Torbern Bergman首次从科学角度将“Analytical Chemistry”定为“Chemistry”的一个分支，开始向独立学科发展。v 大约1810年产生了容量分析法用于银的测定（Gay Lussac） 。v 1852年总结出L-B定律， 紧接着于1854年发明了Duboscq比色计（这是世界第一台可以称着仪器的分析装置）。 材料与化学化工学院材料与化学化工学院 李崇瑛李崇瑛v 19041906年电子管的出现开始了真正意义上的分析科学仪器化（仪器分析），相继出现了各

6、种电化学式仪器（基于电化学原理），v 大约1910年出现的光电转换器件（1934年出现光电倍增管），各种光学式仪器相继问世，大约在1920年出现了光电比色计、光电荧光光度计、摄谱（照相）发射光谱仪、质谱等分析仪器。v 1947年发明了晶体管，各种分析仪器的体积和成本都有了较明显的减小，分析仪器得到了进一步的发展。另外，二次世界大战期间美国提出的曼哈顿计划（Manhattan Project）对分析技术提出了向痕量方向发展的要求，率先使美国的仪器分析技术得到了迅猛发展。这恐怕是世界上多数大型分析仪器制造公司都来自美国的原因之一吧！ 材料与化学化工学院材料与化学化工学院 李崇瑛李崇瑛 130328

7、38620 v1950s出现了集成电路，分析仪器的功能又得到了明显提高。v1940s1950s是分析仪器大发展时期，先后出现了分光光度计、火焰原子吸收、直读发射光谱、X射线荧光光谱、中子活化分析、气相色谱、质谱等目前仍然还在大量使用的仪器。v 1970s出现了大规模集成电路和小型计算机，分析仪器开始了大规模的自动化升级，各种高性能的分析仪器相继投入市场。v 1980s基于计算机提出的富里叶变换技术将逐步取代光学仪器中的棱镜/光栅色散技术，大幅度提高光学仪器的性能。 材料与化学化工学院材料与化学化工学院 李崇瑛李崇瑛v小结：通过对定量分析技术的历史回顾，我们至少可以得出

8、以下结论： 科技和经济的发展甚至军事的需要对分析检测技术的依赖性直接推动了分析科学的发展，而分析科学的发展又反过来促进科技和经济的进步。 物理学领域的每一次革命往往都会导致分析检测技术的革命性发展。除上述回顾-外，近年的超导技术导致了900M高频NMR仪的产生。 材料与化学化工学院材料与化学化工学院 李崇瑛李崇瑛1-5 知识拓展知识拓展一、 典型参考书 1、仪器分析（第四版） 朱明华编 2、高等结构分析 马礼敦 主编 3、质谱分析法 季欧编 4、波谱分析刘玉鑫四川大学出版社, 2004年二、典型专业杂志 1、“Chemical Abstract” 2 、“Analyt

9、ical Chemistry” 3、 “分析化学”三、著名仪器制造商的技术交流会和网站信息 1、通用仪器（五谱一镜）：Perkin-Elmer(US), Thermo Instrument(US), Agilent(US), Shimadzu(JP), Hitachi(JP), Leica(CH), Pharmacia Biotech(SE), Varian(US), Zeiss(DE), Beckman(US), Bruker(DE), EG&G(US), JEOL(JP), Life Sci.(GB), Waters(US) 2、专用仪器：ABI(US), Bio-Rad(US) 材料与化

10、学化工学院材料与化学化工学院 李崇瑛李崇瑛第二章第二章 基础知识回顾基础知识回顾v原子和分子结构理论v分析仪器的波谱学基础v电磁波发生技术v电磁波调制技术v波电转换技术 材料与化学化工学院材料与化学化工学院 李崇瑛李崇瑛2-1 原子和分子结构理论基础 1、原子结构 (1)原子组成：原子是由带正电荷的原子核和带负电荷的电子组成。在一切原子中，原子核位于整个原子的中心(其体积小质量大)，而电子在原子核外高速运动。原子核由质子和中子组成。质子带一个正电荷，中子不带电,因此，原子核的核电荷数等于质子数。原子核质子数目是相应元素的基本特征，称为元素的原

11、子序数，又称为核电荷数。 （2）原子结构的量子力学描述 玻尔（Bohr)原子结构理论认为：在原子中，电子只能沿着符合于一定条件的轨道旋转。电子在不同轨道上旋转时可具有不同的能量，电子运动时所处能量状态称能级。电子的能量是量子化的。只有当电子从某一轨道跃迁到另一轨道时，才有能量的吸收或释放。 材料与化学化工学院材料与化学化工学院 李崇瑛李崇瑛0)(822222222VEhmzyx 薛定谔方程就是用来描述原子核外电子运动状态的数学式，解薛定谔方程就是解出其中的波函数 及其E，这样就可了解电子运动的状态和能量的高低。薛定谔方程有非常多的解，而要使所求的解具有特定的物理意义，

12、需有边界条件的限制，从而确定三个量子数，它们只能取如下数值： 主量子数主量子数 n = 1，2，3，； 角量子数角量子数 l = 0， 1，2， n-1； 磁量子数磁量子数 m = 0，1 ，2， l。 通常用一套三个量子数(n，l，m)解薛定谔方程，可得波函数。 材料与化学化工学院材料与化学化工学院 李崇瑛李崇瑛但电子还作自旋运动，还需要第四个量子数自旋量子数ms来描述原子中电子的自旋运动状态。 主量子数 n 决定电子在核外出现概率最大区域离核的平均距离。 角量子数 l 描述电子云的不同形状。 l = 0,即s电子，电子云呈球形对称； l = 1，即p电子，电子云呈

13、哑铃形；.。 磁量子数 m 描述电子云在空间的伸展方向。 自旋量子数ms 只有两个值，+1/2和-1/2。 我们常把n、l和m等都确定的电子运动状态（波函数）称为原子轨道（atomic orbital） ，s亚层只有1个原子轨道，p亚层可有3个原子轨道，d亚层可有5个原子轨道，相同l的几个原子轨道能量是等同的，这样的轨道称为等价轨道。 材料与化学化工学院材料与化学化工学院 李崇瑛李崇瑛波函数（原子轨道）的空间图形波函数（原子轨道）的空间图形S电子云是球形对称的，表明s电子在各个方向出现的几率相同。p电子云为“哑铃”形的，三种p电子分别在坐标轴方向出现的几率最大并且相互

14、垂直。d电子云为“花瓣”形，电子云角度分布图 材料与化学化工学院材料与化学化工学院 李崇瑛李崇瑛（3）多电子原子的原子）多电子原子的原子 轨道近似能级图轨道近似能级图 美国化学家鲍林根据大量光谱实验数据，总结并提出多电子原子中原子轨道能量高低的一般顺序。它将多电子原子中原子轨道能量相近的能级划为一组，共分七组。 同时，这种能级图为现代仪器分析的“电子能级跃迁”提供了直观描述。 材料与化学化工学院材料与化学化工学院 李崇瑛李崇瑛2、分子结构、分子结构 （1）分子轨道理论 分子轨道的形成及基本要点： n个原子轨道线形组合后可得到n个分子轨道。其中

15、包括相同数目的成键分子轨道和反键分子轨道，或一定数目的非键分子轨道。 分子轨道中电子填充顺序所遵循的规则与原子轨道填充电子顺序相同。 原子轨道有效地组成分子轨道必须符合能量近似、轨道最大重叠及对称性匹配这三个成键原则。 材料与化学化工学院材料与化学化工学院 李崇瑛李崇瑛“头碰头”方式重叠，如SS，SPx，PxPx重叠，所形成的共价键称为键，这种键的电子云以圆柱形沿键轴对称分布。 “肩并肩”方式重叠，如两个相互平行的Py一Py，PzPz重叠，所形成的共价键称为键。键的电子云垂直于键轴呈镜面反对称分布。 材料与化学化工学院材料与化学化工学院 李崇瑛李崇瑛 13032838

16、620 （2）分子轨道能级图分子轨道能级图原子轨道原子轨道分子轨道1S1S2S2S2PX2PY2PZ2PX2PY2PZ1S*1S2S*2S2P*2P2P*2P 材料与化学化工学院材料与化学化工学院 李崇瑛李崇瑛2-2 仪器分析的波谱学基础仪器分析的波谱学基础 1、电磁波谱与分析技术 基于电磁波与物质相互作用而发展起来的分析技术是现代仪器分析技术的基础原理。所涉能量变化电磁波谱区域 1nm0.1nm 10nm200nm 400nm 0.8m 2.5m 25m400m 25cm射线X射线软X射线真空紫外近紫外可见光近红外红外远红外微波射频波原子核内层电子原子分子电离价电子

17、分子振动分子伸缩分子弯曲电子自旋共振核磁共振 不同波段所使用的实验技术（电磁波波源、电磁波调制、电磁波探测等技术）是不同的，各自的原理、功能和用途也不一样，尤其是各自实验技术的复杂程度有很大差异。这就是同样都叫分析仪器而价格却相差很大的原因，也是有些大型精密分析仪器只有一些大型仪器公司才能生产的原因。 材料与化学化工学院材料与化学化工学院 李崇瑛李崇瑛2、分析仪器的理论原理、分析仪器的理论原理 我们知道，基于电磁波（从波长10-14米的射线到波长106米的无线电射频波）激发跃迁原理发展起来的波谱学分析仪器都离不开普朗克能量公式： E = E2-E1 = h = hc/

18、 只有满足上式时才能发生电磁波吸收或发射，也才能应用吸收或发射信号进行仪器分析。因此，满足特定要求的电磁波波源、调制和探测就是波谱学实验技术（仪器技术）要解决的主要问题。 紫外到红外的“光谱”区是分析仪器较常用的波段，工作波长处于该波段的仪器又叫光谱仪器。 材料与化学化工学院材料与化学化工学院 李崇瑛李崇瑛（1）电磁波吸收）电磁波吸收 L-B定律（支配电磁波吸收定量的基本定律）：bcPPA0log 上式中：A表示吸光度，P0表示入射光或光源功率（光子数/厘米2秒），P表示透射光功率（光子数/厘米2秒），表示摩尔吸收系数，b表示光程长度（厘米），c 表示吸收粒子的浓度（

19、mol/l）。 从上式可看出：吸光度是通过测定 P0 和 P 的比值实现的，显然增加光源功率 P0 会使透射光功率 P 发生等比例增加而不影响吸光度，故不能使灵敏度有所提高；同样，检测信号放大对 P0 和 P 两者也有同样的影响，也不能使灵敏度有所提高。所以，增加光源强度和提高放大倍数均不能使基于电磁波吸收原理的仪器分析技术的灵敏度得到改善。 材料与化学化工学院材料与化学化工学院 李崇瑛李崇瑛而摩尔吸收系数又表示成： =0.871020PA 上式中 P 表示跃迁几率（其值在0.01-1之间，小于0.01属量子力学禁阻跃迁），A 是以厘米2表示的吸收粒子俘获截面。 对于

20、紫外可见分光光度技术而言，一般有机分子A值大约为10-15数量级，其最多达到 105 数量级，因此限制了该分析仪器灵敏度的进一步提高。 重要结论：重要结论： 基于电磁波吸收原理建立起来的仪器分析技术不可能无限度的提高灵敏度。 材料与化学化工学院材料与化学化工学院 李崇瑛李崇瑛（2）电磁波发射）电磁波发射 赛伯-罗马金公式：I=aCb 上式中，I 表示收集到的发射波强度，C 是样品浓度，a为定量系数（原理不同，这两个系数的含义不同，取值也不同）， b为自吸系数。 在浓度不变的条件下，改进发射信号收集技术、增加光源（激发光源）强度和信号放大倍数都能使上式中的 I 增加。所

21、以，从理论上讲，改进发射信号收集技术、增加光源强度和提高放大倍数均能使基于电磁波发射原理的仪器分析技术的灵敏度得到改善。 这就告诉我们，要致力于高灵敏度分析技术的研究，首先应考虑使用电磁波发射原理，如分子荧光、原子荧光、原子发射。目前已知最灵敏的分析技术是激光诱导荧光（LIF）检测限（LOT）达 10-21 mol 。 材料与化学化工学院材料与化学化工学院 李崇瑛李崇瑛3、波谱学仪器的实验技术、波谱学仪器的实验技术 电磁波波源（发生器）、电磁波调制（变向、聚集、滤波）和探测（波电转换）构成了波谱学仪器的主要内容。波段范围波源调制探测X射线X射线管、阳极靶、同步辐射狭缝

22、闪烁计数器、正比计数器紫外光氘灯石英透镜、光栅、富立叶变换光电管、光电池可见光溴钨灯玻璃透镜、光栅、富立叶变换光电管、光电池近红外线钨丝灯盐窗、光栅、富立叶变换PbS光导管中红外线能斯特灯、硅碳棒、镍铬丝盐窗、光栅、红外线滤波、富立叶变换热电偶远红外线高压汞弧灯光栅、干涉器、富立叶变换高莱探测器微波反射速调管电控变频、波导管、衰减器、环行器晶体管检波器射频波晶体振荡器电控变频射频接受线圈 材料与化学化工学院材料与化学化工学院 李崇瑛李崇瑛2-3 典型的电磁波发生技术典型的电磁波发生技术 1、氘灯：用于产生165400nm的连续紫外光，由于石英玻璃壳吸收小于185nm的

23、紫外光，所以氘灯的实际工作波长为190 400nm，是目前最常用的紫外光源。氘灯发光是靠气体放电，内阻在不断变化，因此只能采用稳流电源供电才能保证稳定的发光强度。 材料与化学化工学院材料与化学化工学院 李崇瑛李崇瑛2、溴钨灯：用于产生300800nm的连续可见光，比普通钨灯发光强度高、体积小、寿命长。钨灯依靠钨丝加热而发光，钨丝在加热时其电阻基本不变，因而恒压即可保证恒流，故稳压电源供电可以确保稳定的发光强度。 材料与化学化工学院材料与化学化工学院 李崇瑛李崇瑛3、钨丝灯：用于产生0.82.5m的连续近红外光。钨丝灯依靠钨丝加热而发光，钨丝在

24、加热时其电阻基本不变，因而恒压即可保证恒流，故稳压电源供电可以确保稳定的发光强度。 4、能斯特灯：又叫氧化锆白炽灯，用于产生2.550m的连续中红外光。具有负的电阻温度系数，因此需预先加热使它达到800才能导电，当光源点燃后预热丝自动切断。 5、高压汞弧灯：用于产生501000m的连续远红外光。 6、空心阴极灯：当灯的正负电极间的电压达到一定值时便开始辉光放电，从空心阴极射向阳极的电子在途中与惰性气体原子发生碰撞气体电离，电场作用下的高速正离子再与阴极表面的金属碰撞而使金属激发，进而发射该金属的特征光（锐线光谱），含单一金属的阴极可制成单元素灯，否则多元素灯。 材料与化学化工学院材料与化学化工

25、学院 李崇瑛李崇瑛7、X射线管：由密封在高真空玻璃或陶瓷管中的发射电子的灯丝和阳极靶组成，阳极靶材不同，发射的特征X射线就不同，最常用的是铜靶，靶子一般是个用水冷却的高速旋转圆盘，故也简称旋转靶。当管内真空10-3 Pa以下，灯丝电压达到5060kV时即可发生X射线。 8、反射速调管：用于产生微波，由加热灯丝、阴极、反射极和谐振腔等组成。热电子从阴极发射出来，受直流电压的加速，进入谐振腔被高频交变电场调制，速度被调制的电子流进入反射极而返回谐振腔，大量返回的电子（群聚）在腔内获得能量产生高频振荡而发射微波，微波频率可通过改变反射极电压在适当范围内进行调节。 9、晶体振

26、荡器：用于产生射频波（无线电波），所有射频信号均由同一晶振源经频率综合器产生。 材料与化学化工学院材料与化学化工学院 李崇瑛李崇瑛10、同步辐射源： 运动着的自由电子具有加速度时，会发出电磁辐射，或者说会发光。利用弯转磁铁强迫高能电子束团在环形的同步加速器以接近于光速作回旋运动时，因为有向心加速度，在切线方向产生的电磁波就是同步辐射。它是在美国通用电器公司的一台70MeV的电子同步加速器中发现的，故称为同步辐射，是高能核物理研究中的意外发现。是人类历史上继电光源、X光源、激光源之后的第四个革命性光源。 同步辐射源是一种覆盖远红外、可见、紫外和X光波段的超高强度全能光源

27、。 1997年美国7GeV的Advance Photon Source同步辐射源的建成运转被美国Science评为继多利羊,登陆火星飞船之后的当年十大发明之第三。 材料与化学化工学院材料与化学化工学院 李崇瑛李崇瑛(1)同步辐射源的结构 电子储存环是周长达几百米，真空度达10-910-10 Torr的核心装置。环中有：加速腔以补充电子因辐射而损失的能量；四极雌聚焦防止电子束分散；插入件（多组永久磁铁）以改变同步辐射性质；弯曲磁铁以发出同步辐射。 材料与化学化工学院材料与化学化工学院 李崇瑛李崇瑛(2)同步辐射源的特点 宽波谱：覆盖了远红外、可

28、见、紫外和X光波段，是目前唯一能覆盖这样宽的频谱范围又能得到高亮度的光源。利用单色器可以随意选择所需要的波长，进行单色光的实验。 高亮度：同步辐射的亮度比实验室最强的X光管特征线亮度强1031010倍。 高准直：同步辐射的发射角度极小，其准直性可以与激光相媲美。 脉冲性：电子在环行轨道中的分布不是连续的，是一团一团的电子束作回旋运动，因而同步辐射具有时间结构。 偏振性：同步辐射具有线偏振和圆偏振性，可用来研究样品中特定参数的取向问题。 材料与化学化工学院材料与化学化工学院 李崇瑛李崇瑛同步辐射装置实物图：日本Spring-8 材料与化学化工学院材料与化学化工学院 李崇

29、瑛李崇瑛2-4 电磁波调制技术电磁波调制技术 1、棱镜色散技术 根据光的折射定律我们知道，光线从一种介质进入另一种介质时运动方向会发生偏转（即发生折射），不同波长的光对同一种棱镜材料具有不同的折射率，因而偏转的角度也不同，从而将一束混合光分析成它的个成分波长。棱镜的光能集中在一个单一的光谱上，可以产生很亮的谱线，这一点胜过非闪耀光栅。真空折射率波长石英棱镜 材料与化学化工学院材料与化学化工学院 李崇瑛李崇瑛2、光栅色散技术 光栅分为透射光栅和反射光栅，常用的是反射光栅。反射光栅又可分为平面反射光栅（或称闪耀光栅）和凹面反射光栅。 光栅由玻璃片

30、或金属片制成，其上准确地刻有大量宽度和距离都相等的平行线条（刻痕），可近似地将它看成一系列等宽度和等距离的透光狭缝。 光栅是一种多狭缝部件，光栅光谱的产生是多狭缝干涉和单狭缝衍射两者联合作用的结果。多缝干涉决定光谱出现的位置，单缝衍射决定谱线的强度分布。 材料与化学化工学院材料与化学化工学院 李崇瑛李崇瑛它的色散作用可用光栅公式表示: d（sin + sin）= n 公式中 和分别为入射角和衍射角，整数n为光谱级次，d为光栅常数。角规定为正值；如果角 和角在光栅法线同侧， 取正值，异侧则取负值；当n=0时，即零级光谱，衍射角与波长无关，也就是无分光作用。当n不等于零时

31、，衍射角或反射角 随波长而异，即不同波长的辐射经光栅反射后将分散在不同空间位置上，这就是光栅进行分光的依据。 材料与化学化工学院材料与化学化工学院 李崇瑛李崇瑛3、傅立叶变换技术 从光的干涉原理知道，当连续波长的多色光经过干涉仪以后，便可得到具有中心极大并向两边迅速衰减的对称干涉图（这种多色干涉图等于所有各单色光干涉图的加合），该干涉图强度函数曲线可用傅立叶（Fourier）函数表示。一级极大 m=1中央主极大 m=0二级极大 m=2d 材料与化学化工学院材料与化学化工学院 李崇瑛李崇瑛根据傅立叶积分定理，只要已知光波信号强度随时间变化的函数

32、，就可以通过对该函数从时域到频域的傅立叶变换处理解调出其光谱（强度）分布函数。如果试样吸收了某些波长的光，得到干涉图强度函数曲线就发生变化，这种变性曲线经计算机进行傅立叶逆变换（这种逆变换的计算是非常复杂的，所以也只有计算机问世后才得以实现），最后得到我们所熟悉的透射比随波长或波数变化的普通红外光谱图（也是一种光谱强度分布函数）。 傅立叶变换这种新技术因为没有狭缝和色散元件，具有很高的分辨率、很高的波长精度、极快的扫描速度（一般在1s内可完成全谱扫描，不是机械扫描）、很宽的光谱范围、很高的灵敏度，因此特别适用于信号较弱的光谱测定（如红外）。 材料与化学化工学院材料与化学化工学院 李崇瑛李崇瑛

332-5 波电转换技术波电转换技术 1、光电管（紫外/可见光） 根据爱因斯坦光子理论和光电效应，光线是由一颗一颗的光子汇集而成的，当带着能量h的光子碰撞到特定金属表面时，就会将金属中的电子轰离原位而形成光电子，如果这些光电子受到电位差的作用便形成了光电流，从而完成光电转换。 材料与化学化工学院材料与化学化工学院 李崇瑛李崇瑛2、真空热电偶（红外线） 由于红外线能量较弱，不足以引起光致电子发射，真空热电偶是最常用的红外线探测器。它利用不同导体构成回路时的温差电现象，将温差转变成电位差。当涂黑的金箔受到红外线照射时温度升高，从而产生温差电势，在闭路的

34、情况下即有电流产生。3、晶体管检波器（微波） 检波本质而言是一种整流，利用晶体管的作用把高频信号转变成电信号的器件。 4、射频接受线圈（射频） 从电磁学中我们知道，电磁波可以使导体（线圈）产生感应电势。可参阅有关书籍。 材料与化学化工学院材料与化学化工学院 李崇瑛李崇瑛第三章第三章 色谱分析色谱分析v基本知识v气相色谱v液相色谱10学时重点：色谱法基本原理及理论 气相色谱和液相色谱的分析过程原理及二 者之间的异同点与优缺点难点：速率理论 材料与化学化工学院材料与化学化工学院 李崇瑛李崇瑛3-1 基本知识基本知识1、历史 1906年俄国植物学家

35、Tswett报道了他所发现的分离叶绿素A、B的方法，由于被分离的物质在柱中呈不同颜色的吸附带，这位科学家将这种方法命名为色谱（Chromatography），将吸附有色素带的载体取出解吸完成分离。100年后的今天，我们反观这一成就时，仍然觉得非常了不起，在当时更是不可思议，它使“混合物质分离提纯”的梦想变成了现实。 1938年Reichstein报道了流动色谱（Flowing Chromatography ）即借助液体流动相的洗脱作用使吸附在柱中的物质从下端流出完成分离。这就是目前仍然在一些实验室采用的“经典柱色谱”技术。 材料与化学化工学院材料与化学化工学院 李崇瑛李崇瑛 130328386

36、20 1941年Martin等人报道了分配色谱，并建立了著名的塔板理论，后来还发表了很多有关色谱理论方面的研究报告（尤其从理论和实践中得出了“柱填充物颗粒越细、分离效率越高”的结论）。更重要的是于1952年提出了用气体做流动相的气相色谱，由于气体能快速通过分离柱而成为了一种快速分离分析方法，从而使气相色谱得到了急速发展，至今不衰。Martin也因对色谱发展的突出贡献而获得1952年诺贝尔化学奖。 同气相色谱相比，液相色谱实现快速化要晚得多，这是因为液体的黏度比气体大许多，实现高速化（流动相快速流过柱内填充剂）需要一些特殊装置，如高压定量泵、高压进样器、高灵敏检测器、以及耐压填充剂。 材料与化学

37、化工学院材料与化学化工学院 李崇瑛李崇瑛1967年Huber发表了高速液液分配色谱法，同年Horvath等人发明了表面交换体、Kirkland等人于1969和1971年先后研制成功了表面多孔型填充剂和化学键合型填充剂，各种配套设备相继研制成功，从此掀起了高效液相色谱（High Performance Liquid Chromatography,HPLC）的发展热潮。 自七十年代末八十年代初HPLC仪器硬件基本成熟后，HPLC的研究主要集中在各种性能特殊的固定相（色谱柱填料）的研究上，因为主要是固定相赋予了HPLC变化无穷的魅力和能力，这恐怕也是人们经常将色谱柱称为HP

38、LC“心脏”的原因吧，我们通常查阅到的研究文献也主要集中在这方面。 材料与化学化工学院材料与化学化工学院 李崇瑛李崇瑛2、基本概念 在色谱法中，将填入玻璃管或不锈钢管内静止不动的一相（固体或液体）称为固定相固定相 ；自上而下（或自下而上）运动的一相（一般是气体或液体）称为流动相流动相 ；装有固定相的管子（玻璃管或不锈钢管）称为色谱柱色谱柱 。当流动相中样品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，与固定相相互作用的类型、强弱也有差异，因此在同一推动力的作用下，不同组分在固定相滞留时间长短不同，从而按先后不同的次序从固定相中流出。 材料与

39、化学化工学院材料与化学化工学院 李崇瑛李崇瑛（一）色谱法分类 1 1）按两相状态分类）按两相状态分类 气体为流动相的色谱称为气相色谱（GC）,根据固定相是固体吸附剂还是固定液（附着在惰性载体上的一薄层有机化合物液体），又可分为气固色谱（GSC）和气液色谱（GLC）。液体为流动相的色谱称液相色谱（LC） 同理液相色谱亦可分为液固色谱（LSC）和液液色谱（LLC）。超临界流体为流动相的色谱为超临界流体色谱（SFC）。 随着色谱工作的发展，通过化学反应将固定液键合到载体表面，这种化学键合固定相的色谱又称化学键合相色谱（CBPC）。 材料与化学化工学院材料与化学化工学院 李崇

40、瑛李崇瑛2）按分离机理分类）按分离机理分类 利用组分在吸附剂（固定相）上的吸附能力强弱不同而得以分离的方法，称为吸附色谱法。 利用组分在固定液（固定相）中溶解度不同而达到分离的方法称为分配色谱法。 利用组分在离子交换剂（固定相）上的亲和力大小不同而达到分离的方法，称为离子交换色谱法。 利用大小不同的分子在多孔固定相中的选择渗透而达到分离的方法，称为凝胶色谱法或尺寸排阻色谱法。 利用不同组分与固定相（固定化分子）的高专属性亲和力进行分离的技术称为亲和色谱法，常用于蛋白质的分离。3）按固定相的外型分类）按固定相的外型分类 固定相装于柱内的色谱法，称为柱色谱。 固定相呈平板

41、状的色谱，称为平板色谱，它又可分为薄层色谱和纸色谱。 材料与化学化工学院材料与化学化工学院 李崇瑛李崇瑛（二）色谱术语 1）色谱流出曲线和色谱峰 由检测器输出的电信号强度对时间作图，所得曲线称为色谱流出曲线（色谱图）。曲线上突起部分就是色谱峰。 如果进样量很小，浓度很低，在吸附等温线（气固吸附色谱）或分配等温线（气液分配色谱）的线性范围内，则色谱峰是对称的。 材料与化学化工学院材料与化学化工学院 李崇瑛李崇瑛2）基线 在实验操作条件下，色谱柱后没有样品组分流出时的流出曲线称为基线，稳定的基线应该是一条水平直线。3）峰高 色谱峰顶点与基线之间的

42、垂直距离，以（h）表示。 材料与化学化工学院材料与化学化工学院 李崇瑛李崇瑛4）保留值死时间死时间tM 不被固定相吸附或溶解的物质进入色谱柱时，从进样到出现峰极大值所需的时间称为死时间。保留时间保留时间tR 试样从进样到柱后出现峰极大点时所经过的时间，称为保留时间。调整保留时间调整保留时间tR 组分的保留时间扣除死时间后，称为该组分的调整保留时间，即 tR= tr tM 材料与化学化工学院材料与化学化工学院 李崇瑛李崇瑛5)区域宽度 色谱峰的区域宽度是色谱流出曲线的重要参数之一，用于衡量柱效率及反映色谱操作条件的动力学因素。半峰宽半峰宽W1/

43、2 即峰高一半处对应的峰宽。它与标准偏差的关系为 W1/2=0.5h=2.354峰底宽度峰底宽度W 即色谱峰两侧拐点上的切线在基线上截距间的距离。它与标准偏差的关系是 W = 4 标准偏差标准偏差 : 即0.607倍峰高处色谱峰宽的一半。 =0.607h 材料与化学化工学院材料与化学化工学院 李崇瑛李崇瑛从色谱流出曲线(色谱图)中，可得许多重要信息：(i) 根据色谱峰的个数，可以判断样品中所含组分的最少个数；(ii) 根据色谱峰的保留值，可以进行定性分析；(iii) 根据色谱峰的面积或峰高，可以进行定量分析；(iv) 色谱峰的保留值及其区域宽度，是评价色谱柱分离效能的

44、依据；(v) 色谱峰两峰间的距离，是评价固定相（或流动相）选择是否合适的依据。 材料与化学化工学院材料与化学化工学院 李崇瑛李崇瑛（三）色谱法基本原理及理论 色谱分析的目的是将样品中各组分彼此分离，组分要达到完全分离，两峰间的距离必须足够远，两峰间的距离是由组分在两相间的分配系数决定的，即与色谱过程的热力学性质有关。 但是两峰间虽有一定距离，如果每个峰都很宽，以致彼此重叠，还是不能分开。这些峰的宽或窄是由组分在色谱柱中传质和扩散行为决定的，即与色谱过程的动力学性质有关。 因此，色谱法基本原理及理论主要从热力学和动力学两方面来研究色谱行为。 材料与化学化工学院材料与化学

45、化工学院 李崇瑛李崇瑛1）分配系数K和分配比k分配系数分配系数K 分配色谱的分离是基于样品组分在固定相和流动相之间反复多次的分配过程，而吸附色谱的分离是基于反复多次的吸附-脱附过程。 材料与化学化工学院材料与化学化工学院 李崇瑛李崇瑛这种分离过程经常用样品分子在两相间的分配来描述，而描述这种分配的参数称为分配系数K。 它是指在一定温度和压力下，组分在固定相和流动相之间分配达平衡时的浓度之比值，即 K=溶质在固定相中的浓度 / 溶质在流动相中的浓度 = CS / CM 分配系数是每一个溶质的特征值，是由组分和固定相的热力学性质决定的，它仅与两个

46、变量有关：固定相和温度。与两相体积、柱管的特性以及所使用的仪器无关。 材料与化学化工学院材料与化学化工学院 李崇瑛李崇瑛分配比分配比 k 分配比又称容量因子，它是指在一定温度和压力下，组分在两相间分配达平衡时，分配在固定相和流动相中的质量比。即 k = 组分在固定相中的质量 / 组分在流动相中的质量 = mS / mM k值越大，说明组分在固定相中的量越多，相当于柱的容量大，因此又称分配容量或容量因子。它是衡量色谱柱对被分离组分保留能力的重要参数。k值也决定于组分及固定相热力学性质。它不仅随柱温、柱压变化而变化，而且还与流动相及固定相的体积有关。 k = mS / m

47、M =CSVS / CMVM 式中CS, CM分别为组分在固定相和流动相的浓度；VM为柱中流动相的体积，近似等于死体积。VS为柱中固定相的体积，在各种不同的类型的色谱中有不同的含义。 材料与化学化工学院材料与化学化工学院 李崇瑛李崇瑛kVVkVmVmccKSMMMSSMS分配系数分配系数K与分配比与分配比 k 的关系的关系 其中称为相比率，它是反映各种色谱柱柱型特点的又一个参数。例如，对填充柱，其值一般为635；对毛细管柱，其值为60600。 材料与化学化工学院材料与化学化工学院 李崇瑛李崇瑛分配系数分配系数 K 及分配比及分配比 k 与选择

48、因子与选择因子的关系的关系 对A、B两组分的选择因子，用下式表示： = tR(B) / tR (A) = k（A） / k（B） =K（A） / K（B） 通过选择因子把实验测量值k与热力学性质的分配系数K直接联系起来，对固定相的选择具有实际意义。如果两组分的K或k值相等，则=1，两个组分的色谱峰必将重合，说明分不开。两组分的K或k值相差越大，则分离得越好。 因此两组分具有不同的分配系数是色谱分离的先决条件。 材料与化学化工学院材料与化学化工学院 李崇瑛李崇瑛ABAB 图中KAKB ，因此，A组分在移动过程中滞后。随着两组分在色谱柱中移动距离的增加，两峰间的距离逐渐变

49、大，同时，每一组分的浓度轮廓（即区域宽度）也慢慢变宽。显然，区域扩宽对分离是不利的，但又是不可避免的。若要使A、B组分完全分离，必须满足以下三点： 第一，两组分的分配系数必须有差异； 第二，浓度轮廓扩宽的速率应小于浓度轮廓分离的速度； 第三，在保证快速分离的前提下，提供足够长的色谱柱。 材料与化学化工学院材料与化学化工学院 李崇瑛李崇瑛第一、二点是完全分离的必要条件。 作为色谱理论，它不仅应说明组分在色谱柱中移动的速率，而且应说明组分在移动过程中引起组分浓度轮廓展宽的各种因素。 塔板理论塔板理论和速率理论速率理论便因此而生。 材料与化学化工学院材料与化学化工学院 李崇

50、瑛李崇瑛2）塔板理论（柱效指标）塔板理论（柱效指标） 把色谱柱比作一个精馏塔，沿用精馏塔中塔板的概念来描述组分在两相间的分配行为，同时引入理论塔板数作为衡量柱效率的指标，即色谱柱是由一系列连续的、相等的水平塔板组成。每一块塔板的高度用H表示，称为塔板高度，简称板高。 塔板理论假设： A 在柱内一小段长度H内，组分可以在两相间迅速达到平 衡。这一小段柱长称为理论塔板高度H。 B 以气相色谱为例，载气进入色谱柱不是连续进行的，而是脉动式，每次进气为一个塔板体积（V）。 材料与化学化工学院材料与化学化工学院 李崇瑛李崇瑛C 所有组分开始时存在于第0

51、号塔板上，而且试样沿轴（纵）向扩散可忽略。 D 分配系数在所有塔板上是常数，与组分在某一塔板上的量无关。 然后简单地认为：在每一块塔板上，溶质在两相间很快达到分配平衡，然后随着流动相按一个一个塔板的方式向前移动。对于一根长为L的色谱柱，溶质平衡的次数应为： n = L / H n称为理论塔板数。与精馏塔一样，色谱柱的柱效随理论塔板数n的增加而增加，随板高H的增大而减小。 材料与化学化工学院材料与化学化工学院 李崇瑛李崇瑛塔板理论指出：塔板理论指出： 第一，当溶质在柱中的平衡次数，即理论塔板数n大于50时，可得到基本对称的峰形曲线。在色谱柱中，n值一般很大，如气相色谱柱

52、的n约为103 106 ，因而这时的流出曲线可趋近于正态分布曲线。 第二，当样品进入色谱柱后，只要各组分在两相间的分配系数有微小差异，在色谱柱中移动的速率就会有微小差异，经过反复多次的分配平衡后，便可获得良好的分离。 第三，n与半峰宽的关系式为：)(16)(54. 522/1bRRWtYtn222/1)(16)(54. 5bWtYttnRMR有效有效有效nLH 材料与化学化工学院材料与化学化工学院 李崇瑛李崇瑛3）速率理论（影响柱效的因素）速率理论（影响柱效的因素） 1956年荷兰学者van Deemter（范第姆特）等在研究气液色谱时，提出了色谱过程动力学理论速率理

53、论。他们吸收了塔板理论中板高的概念，并充分考虑了组分在两相间的扩散和传质过程，从而在动力学基础上较好地解释了影响板高的各种因素。该理论模型对气相、液相色谱都适用。 Van Deemter方程的数学简化式为 H = A + B / u + C u 式中u为流动相的线速度；A、B、C为常数，分别代表涡流扩散系数、分子扩散项系数、传质阻力项系数。 材料与化学化工学院材料与化学化工学院 李崇瑛李崇瑛涡流扩散项涡流扩散项 A 在填充色谱柱中，当组分随流动相向柱出口迁移时，流动相由于受到固定相颗粒障碍，不断改变流动方向，使组分分子在前进中形成紊乱的类似涡流的流动，故称涡流扩散。

54、引起色谱峰形的扩展取决于填充物的平均颗粒直径dp和固定相的填充不均匀因子。色谱峰变宽的程度由下式决定： A = 2dp 对于空心毛细管，不存在涡流扩散。因此 A = 0。 材料与化学化工学院材料与化学化工学院 李崇瑛李崇瑛载气MDg1gDB2弯曲因子气相分子扩散系数分子扩散项分子扩散项 B / u （纵向扩散项）纵向扩散项） 纵向分子扩散是由浓度梯度造成的。组分从柱入口加入，其浓度分布的构型呈“塞子”状。它随着流动相向前推进，由于存在浓度梯度，“塞子”必然自发的向前和向后扩散，造成谱带展宽。分子扩散项系数为 材料与化学化工学院材料与化学化工学院 李崇瑛李崇瑛 1303

55、2838620 Cu项即传质阻力项项即传质阻力项 气相传质阻力Cg：试样从气相移动到固定相表面所遇到的阻力。对填充柱gpgDdkkC222)1 (01. 0气相分子扩散系数填充物粒径 液相传质阻力Cl：试样从气液界面移动到液相内部，然后又返回到气液界面的过程中所遇到的阻力lflDdkkC22)1 (32液相分子扩散系数液膜厚度 材料与化学化工学院材料与化学化工学院 李崇瑛李崇瑛uDdkkDdkkuDdHlfgpgp)1 (32)1 (01. 02222222范范弟姆特方程式弟姆特方程式 范弟姆特方程式在描述色谱分离效能方面发挥了非常重要的作用。 材料与化学化工学院材料

56、与化学化工学院 李崇瑛李崇瑛4）分离度 两峰距离：表示色谱柱的选择性(热力学因素) 峰的宽度：表示色谱柱效能（动力学因素）分离度既能反映柱效率又能反映选择性的指标，它定义为相邻两组分色谱峰保留值之差与两组分色谱峰底宽总和之半的比值：R之越大，表明相邻两组分分离越好： R1：两峰有部分重叠；R1：分离程度可达98；R=1.5：分离程度可达99.7。通常以R=1.5作为相邻两组分已完全分离的标志。)(212112YYttRRR 材料与化学化工学院材料与化学化工学院 李崇瑛李崇瑛)1()1(41kknR5）色谱分离基本方程式分离度与柱效的关系分离度

57、与柱效的关系 分离度与塔板数的平方根成正比，故增加柱长可改进分离度；但增加柱长会延长分析时间，使色谱峰变宽；一般在达到分离时应尽可能使用较短的色谱柱 材料与化学化工学院材料与化学化工学院 李崇瑛李崇瑛)1()1(41kknR 分离度与容量比的关系分离度与容量比的关系 k值的增加会对分离有利。但当k大于10时，对R的改进不明显。一般控制1k10，则即可得到大的R值，也可使分离时间不致过长，色谱峰不至于太宽。分离度与柱选择性的关系分离度与柱选择性的关系 是色谱柱选择性的量度， 越大，色谱柱选择性越好，分离效果越好，通过改变固定相，使各组分的分配系数有较大的差别。 材料与化

58、学化工学院材料与化学化工学院 李崇瑛李崇瑛3-2 气相色谱气相色谱 用气体作为流动相的色谱法称为气相色谱法。根据固定相的状态不同，又可将其分为气固色谱和气液色谱。气固色谱是用多孔性固体为固定相，分离的主要对象是一些永久性的气体和低沸点的化合物。但由于气固色谱可供选择的固定相种类甚少，分离的对象不多，且色谱峰容易产生拖尾，因此实际应用较少。气相色谱多用高沸点的有机化合物涂渍在惰性载体上作为固定相，一般只要在450以下有1.5KPa-10KPa的蒸汽压且热稳定性好的有机及无机化合物都可用气液色谱分离。由于在气液色谱中可供选择的固定液种类很多，容易得到好的选择性，所以气液色

59、谱有广泛的实用价值。 材料与化学化工学院材料与化学化工学院 李崇瑛李崇瑛1、气相色谱仪 气相色谱用于分离分析样品的基本过程如下流程图： 载气系统 进样系统 色谱柱 检测器 记录系统 材料与化学化工学院材料与化学化工学院 李崇瑛李崇瑛载气系统 气源:传统的高压钢瓶，或气体发生装置 气体净化 气体流速控制与测量 进样系统 进样器：手动微量进样针，或自动进样器 气化室：具有样品气化功能的装置 色谱柱色谱柱 填充柱和毛细管柱，其核心是柱内的固定相固定相 检测器检测器 质量型和浓度型检测器 记录系统 记录仪，或计算机 材料与化学化工学院材料与化学化工学院 李崇瑛李崇瑛2、固定相及其选择气固色谱固定相 具有一定活性的固体吸附剂特点 品种有限 性能与制备和活化条件密切相关 易形成拖尾峰品种 非极性活性炭 极性Al2O3 氢键型硅胶 分子筛 高分子多孔微球等等 材料与化学化工学院材料与化学化工学院 李崇瑛李崇瑛气液色谱固定相 担体（载体） 组成：为一种化学惰性、多孔性固态颗粒 作用：提供大的惰性表面，用以承担固定液，使固定液以薄膜状态分布 要