现代检测技术-02色谱

现代检测技术——环境分析化学的发展与应用0.绪论1.色谱技术的理论与应用2.质谱分析与色-质联用技术3.光谱分析的发展与应用4.水质分析仪器的原理与应用5.环境样品的前处理技术第2

章色谱分析的理论与应用色谱分析：利用混合物中不同组分在两相间的分配系数的差别，在两相做相对运动时，各物质在两相间进行多次分配，从而使各组分得到分离。Martin用热力学的观点描述了组分在色谱柱内的分配平衡和分离过程。2.1色谱分析基础0.5/0.50.25/0.25,0.25/0.250.125/0.125,(0.125+0.125)/(0.125+0.125),0.125/0.125mm/ms空气峰样品峰流出时间响应信号2.1.1色谱流出曲线进样基线峰高

h½h峰宽

W半峰宽

W1/2保留时间

tr

t0调整保留时间

tr2.1色谱分析基础2.1.1色谱流出曲线2.1色谱分析基础保留值：试样中各组分在色谱柱内保留特性的数值。保留时间tr、死时间t0、调整保留时间tr；保留体积Vr、死体积V0、调整保留体积Vr；相对保留值r2,1：相对保留值只与柱温及固定相性质有关，与柱长度、柱径、流动相流速等无关。流出曲线的信息组分最小个数、、定性分析、定量分析；分离效能、选择性。2.1.2色谱法的基本原理2.1色谱分析基础两峰之间的距离：由组分在两相间的分配系数决定，与色谱过程的热力学有关。分配系数：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。分配比：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。由Martin引入的塔板理论，用热力学的观点描述了组分在色谱柱内的分配平衡和分离过程。显然，对于长度为L

的色谱柱，塔板数n

越多，理论塔板高度H

越小，柱效能就越高。0.5/0.50.25/0.25,0.25/0.250.125/0.125,(0.125+0.125)/(0.125+0.125),0.125/0.125mm/ms2.1.2色谱法的基本原理2.1色谱分析基础在保留时间tr

中扣除死时间t0，可以得出计算有效理论塔板数neff

的关系式：另外，流出曲线在n<50以后，趋于正态分布。其表达式：2.1.2色谱法的基本原理2.1色谱分析基础2.1.2色谱法的基本原理2.1色谱分析基础色谱峰的宽度：由组分在色谱柱中传质和扩散行为决定的，与色谱过程的动力学性质有关。速率理论吸收了塔板高度的概念，用动力学的观点描述了组分两相之间的扩散和传质过程。u——流动相在柱内的线速度；

A——涡流扩散项系数；B——分子扩散项系数；C——传质阻力系数。由荷兰学者vanDeemter

在1956年提出。对气相、液相色谱都适用。将影响柱效能的因素归结为三个系数。(1)涡流扩散项

A：流动相受固定相颗粒的障碍，不断改变方向，使组分分子形成类似“涡流”的流动。A与填充物的平均粒径dp

和填充不规则因子有关：2.1.2色谱法的基本原理2.1色谱分析基础(2)分子扩散项

B/u：浓度梯度造成组分分子的纵向扩散，使谱带展宽。B与弯曲因子

和组分在流动相的扩散系数Dg

有关：2.1.2色谱法的基本原理2.1色谱分析基础(3)传质阻力项

Cu：气相色谱与液相色谱的传质过程不同，传质阻力系数的计算也不同。对于气相色谱，传质阻力系数包括气相传质阻力系数Cg

和液相传质阻力系数Cl。填充柱的气相传质阻力系数为：液相传质阻力系数为：2.1.2色谱法的基本原理2.1色谱分析基础(4)vanDeemter方程：气相色谱的板高方程为：方程指出了色谱柱填充的均匀程度、填料的粒度、流动相的种类以及流速、固定相的液膜厚度等对柱效的影响。对于液相色谱，vanDeemter方程可表示为：2.1.2色谱法的基本原理2.1色谱分析基础2.1.3色谱的分离方程2.1色谱分析基础定义分离度：R越大，表明相邻两组分分离得越好，R=1.5时认为两峰已完全分离；R=1.5R=1.0R=0.752.1.3色谱的分离方程2.1色谱分析基础则色谱的分离方程可表示为：或者

对确定的固定相，分离度将取决于理论塔板数n；而选择合适的固定相和流动相，使尽可能的大，是提高分离度的根本方法。对于A、B两组分，选择因子

定义为：填充柱在运行中存在严重的涡流扩散，影响柱效的提高。Golay

发明的空心毛细管色谱柱解决了这一问题。毛细管柱的理论塔板数每米约2000~5000，总柱效最高可达106。还具有柱容量小、出峰快等特点。毛细管气相色谱仪在柱前有一个分流/不分流进样器，柱后加一个尾吹气路。大口径毛细管（0.53mm）柱的使用，使得毛细管柱的直接进样系统得到发展。第2

章色谱分析的理论与应用2.2毛细管气相色谱毛细管色谱柱分填充型和开管型两种。填充型：填充毛细管柱、微型填充柱。现已很少使用。开管型：主流毛细管柱，有多种形式。涂壁开管柱：经典毛细管柱，最常用的一种。多孔层开管柱：涂层为固体吸附剂，气固色谱柱。载体涂渍开管柱：内必有载体涂层，柱容量大。交联型开管柱：固定液在毛细管壁上交联，发展迅速。键合型开管柱：固定液与毛细管壁通过化学键连接。毛细管柱长度可达10~100m，内径在0.1~0.8mm。2.2.1毛细管色谱柱2.2毛细管气相色谱与填充柱相比，毛细管柱有如下特点：渗透性好，比渗透率是填充柱的100倍，因而毛细管柱可以长达几百米；相比率大，有利于提高柱效并实现快速分析；流动相体积与固定相体积之比：2.2.1毛细管色谱柱2.2毛细管气相色谱与填充柱相比，毛细管柱有如下特点：柱容量小，允许进样量少，一般10-3~10-2

l；总柱效高，可达106左右；涡流扩散项A=0；2.2.1毛细管色谱柱2.2毛细管气相色谱进样量取决于柱内固定液含量单位长度柱效略优于填充柱长度可比填充柱达1~2数量级色谱柱固定液的极性对其性能影响较大，与毛细管柱的对应关系如下：0非极性1000弱极性2000极性3000强极性4000强极性角鲨烷SE-30OV-1DC-200OV-101SP2100阿皮松SE-52SE-54Dexsil380OV-17HP-1Ultra1HP-101HP-5Ultra2HP-1301HP-1701HP-17HP-50+OV-25聚苯醚OF-1OV-210XE-60OV-225HP-FFAPHP-INNOWaxHP-20MPEG-20M聚乙二醇20MTPASilarSCPFFAP聚乙二醇1500DEGSSilar10CEGSTCEP2.2.1毛细管色谱柱2.2毛细管气相色谱McReynolds固定液特征常数色谱柱固定液的选择一般以“相似相溶”为原则；分离非极性物质：选用非极性固定液，按组分的沸点由低到高流出；分离极性物质：选用极性固定液，按组分的极性由小到大流出；分离非极性和极性混合物：一般选用极性固定液，非极性组分先流出，按组分的极性由小到大流出；复杂的难分离物质：有些可以使用专用色谱柱，或者通过实验选择。2.2.1毛细管色谱柱2.2毛细管气相色谱分流进样法：瞬间气化，分流。适合于较高浓度的样品；不分流进样法：气化时无分流气体，然后分流排出残留物质；直接进样法：适合于大口径毛细管柱。2.2.2毛细管色谱进样系统2.2毛细管气相色谱载气隔膜吹扫气分流气进样气相色谱的检测器检测器类型火焰离子化检测器（FID）质量型准通用型热导检测器（TCD）浓度型通用型电子捕获检测器（ECD）浓度型选择型热离子检测器（TID/NPD）质量型选择型火焰光度检测器（FPD）浓度型选择型主要用途检出限线性范围对碳氢化合物的灵敏度高，适用于各种含碳有机化合物的分析丙烷<5pg/s107(10%)适用于无机气体和有机物分析，多用于永久气体的分析丙烷<400pg/ml105(5%)适用于含电负性基团的有机物，多用于分析含卤素化合物六氯苯<0.04pg/s>104适合于含氮和含磷化合物的分析<0.4pg/s氮<0.2pg/s磷>105适合于含硫、含磷和含氯化合物的分析<20pg/s硫<0.9pg/s磷>1052.2.3气相色谱检测器与应用2.2毛细管气相色谱氢火焰离子化检测器（FID）：利用含碳有机物在火焰中燃烧产生离子，在外加电场作用下形成离子流。应用最为广泛；不能检测永久性气体。车间环境分析：2.2.3气相色谱检测器与应用2.2毛细管气相色谱热导检测器（TCD）：依据物质的导热系数的不同，测量温度的变化。通用性好，灵敏度不高；常用于检测永久性气体。水性涂料分析：2.2.3气相色谱检测器与应用2.2毛细管气相色谱电子捕获检测器（ECD）：放射性离子化检测器。选择性好，适合电负性物质；灵敏度非常高；常用于检测含卤素化合物。2.2.3气相色谱检测器与应用2.2毛细管气相色谱电子捕获检测器（ECD）水中卤代烃分析实例：2.2.3气相色谱检测器与应用2.2毛细管气相色谱电子捕获检测器（ECD）农药分析实例：2.2.3气相色谱检测器与应用2.2毛细管气相色谱火焰光度检测器（FPD）：相当于把FID和光度计结合在一起。选择性检测器，灵敏度高；用于检测含硫、磷化合物；2.2.3气相色谱检测器与应用2.2毛细管气相色谱火焰光度检测器（FPD）磷化物分析实例（FPD-P方式）；2.2.3气相色谱检测器与应用2.2毛细管气相色谱火焰光度检测器（FPD）空气中恶臭成分分析实例（FPD-S方式）：2.2.3气相色谱检测器与应用2.2毛细管气相色谱火焰热离子检测器（TID）：与FID结构相似，不同之处是喷嘴上方有一个碱金属盐的陶瓷珠。选择性检测器；用于检测含氮、磷的化合物；2.2.3气相色谱检测器与应用2.2毛细管气相色谱火焰热离子检测器（TID）农药分析实例：2.2.3气相色谱检测器与应用2.2毛细管气相色谱高效液相色谱是在经典液相色谱和气相色谱的基础上，在70年代初迅速发展起来的一种新型分离手段。高效液相色谱具有高速、高效、高压和高灵敏度等特点。高速：与经典色谱比较。分析时间一般小于60分钟。高效：柱效可达30000塔板/米以上。高压：因色谱柱阻力较大，需要150105~350105Pa。高灵敏度：紫外检测器10-9g，荧光检测器可达10-11g。2.3高效液相色谱第2

章色谱分析的理论与应用与气相色谱比较，有如下区别：可应用于高沸点、热稳定性差、相对分子量大的有机物（占有机物总数的75%~80%），而气相色谱只适用于挥发性物质；流动相对分离起很大作用，改变流动相的组成可以有效控制k

值，相当于增加了一个控制分离条件的参数；色谱柱不能太长，不能象毛细管柱那样可以得到很高的柱效；没有高灵敏的通用检测器（如ECD、FID等），但有特殊检测器（电化学检测器、示差折光检测器等）；仪器设备造价较高，操作要求较严格；2.3高效液相色谱第2

章色谱分析的理论与应用2.3.1高效液相色谱仪的组成高效液相色谱仪一般由四个部分组成：高压输液系统、进样系统、分离系统和检测系统。进样器输液泵色谱柱检测器数据处理系统梯度淋洗装置馏分收集装置2.3高效液相色谱第2

章色谱分析的理论与应用(1)高压输液系统：核心部分是输液泵，目前普遍使用的是往复泵。另外包括储液罐、过滤器、压力脉动阻力器等。通常要求输出流量恒定，波动小于0.5%；有足够的输出压力，达到40~60Mpa；分析性仪器流量一般在3ml/min以内，制备型的约10~20ml/min。2.3.1高效液相色谱仪的组成2.3高效液相色谱(2)进样系统：常见有直接注射进样和六通阀进样两种。直接进样操作简便，并可获得较高的柱效，但不能承受高压；六通阀进样的可变范围大，进样准确，耐高压，易于自动化，缺点是容易造成色谱峰柱前展宽；2.3.1高效液相色谱仪的组成2.3高效液相色谱(3)分离系统：色谱柱是分离系统的核心，长度在5~30cm左右，内径约4~5cm。高效填料为5~10m的球型颗粒，；有足够的输出压力，达到40~60Mpa；保护柱0.5过滤片2.3.1高效液相色谱仪的组成2.3高效液相色谱(4)检测系统：液相色谱的检测器可以分为溶质型检测器和总体型检测器两种，包括紫外、荧光、电化学检测器以及示差折光、介电常数检测器等。

(5)附属系统：包括脱气、梯度淋洗、再循环、恒温、自动进样、馏分收集和数据处理系统等。2.3.1高效液相色谱仪的组成2.3高效液相色谱依据流动相和固定相的状态或作用机制不同，高效液相色谱可以分为如下几种模式。(1)液-液分配色谱法：流动相和固定向都是液体，两相互不相溶。与气相色谱一样，分配系数的大小决定分离的顺序。但液相色谱的流动相对分配系数有较大影响；2.3.2高效液相色谱的主要类型2.3高效液相色谱(1)液-液分配色谱法：流动相和固定向都是液体，两相互不相溶。液相色谱的流动相对分配系数有较大影响，改变流动相的组成，可以有效地控制k

值；2.3.2高效液相色谱的主要类型2.3高效液相色谱(1)液-液分配色谱法：流动相和固定向都是液体，两相互不相溶。当时用亲水性固定液时，则通常使用疏水性流动相，称正相分配色谱。使用疏水性固定液和亲水性流动相，则称反相分配色谱。其出峰顺序正好与正相色谱相反；当通过化学反应将固定相键合在担体上时，便形成了化学键合色谱。化学键合固定相可以有效地解决固定液流失问题，是目前最广泛应用的色谱方法。化学键合固定相的分离原理为吸附过程与液-液分配双重机制兼有。2.3.2高效液相色谱的主要类型2.3高效液相色谱当通过化学反应将固定相键合在担体上时，便形成了化学键合色谱。化学键合固定相可以有效地解决固定液流失问题，是目前最广泛应用的色谱方法。(1)液-液分配色谱：当通过化学反应将固定相键合在担体上时，便形成了化学键合色谱。2.3.2高效液相色谱的主要类型2.3高效液相色谱样品种类键合基团流动相色谱类型实例低极性，溶解于烃类C18甲醇-水、乙腈-水、乙腈-四氢呋喃反相多环芳烃；甘油三酯；类脂；脂溶性维生素；中等极性，可溶于醇CNNH3乙腈、正己烷、氯仿正己烷、异丙醇正相脂溶性维生素；芳香醇；胺；芳香胺；脂；氯化农药C18C8CN甲醇、水、乙腈反相溶于醇的天然产物；维生素；芳香酸；黄嘌呤(1)液-液分配色谱：当通过化学反应将固定相键合在担体上时，便形成了化学键合色谱。2.3.2高效液相色谱的主要类型2.3高效液相色谱样品种类键合基团流动相色谱类型实例高极性，可溶于水C8CN甲醇、乙腈水、缓冲溶液反相溶性维生素；胺；芳醇；抗菌素C18甲醇、水、乙腈反相离子对酸；磺酸类染料；儿茶酚胺SO3水、缓冲溶液阳离子交换无机阳离子；氨基酸NR+3磷酸缓冲溶液阴离子交换核苷酸；糖；无机银离子；有机酸(2)液-固吸附色谱法：流动相为液体，固定相为吸附剂，依靠物质的竞争吸附过程将其分离。试样分子进入分离柱后，在吸附剂表面与流动相分子发生竞争吸附：

Xm+nSa

Xa+nSm

达到平衡时

K

称为吸附平衡系数，亦即分配系数。2.3.2高效液相色谱的主要类型2.3高效液相色谱(2)液-固吸附色谱法：流动相为液体，固定相为吸附剂，依靠物质的竞争吸附过程将其分离。液-固色谱对具有不同官能团的化合物和异构体有较高的选择性；由于非线性等温吸附，液-固色谱容易产生拖尾现象。2.3.2高效液相色谱的主要类型2.3高效液相色谱(3)离子交换色谱法：采用离子交换树脂作为固定相，依据不同离子有不同亲和力而将其分离。试样离子进入分离柱后，与树脂上可电离离子进行可逆交换：

B+R-AA+R-B

达到平衡时

r代表树脂相，A为洗脱剂，B为试样2.3.2高效液相色谱的主要类型2.3高效液相色谱(3)离子交换色谱法：采用离子交换树脂作为固定相，依据不同离子有不同亲和力而将其分离。流动相大多为一定pH值和离子强度的缓冲溶液；固定相有多孔型离子交换树脂、薄膜型离子交换树脂、表面多孔型离子交换树脂和离子交换键合固定相等。不仅适用于无机离子（如稀土化合物）的分离，还用于有机离子如氨基酸、核酸、蛋白质等的分离；对没有紫外吸收的离子，难于有效检测。2.3.2高效液相色谱的主要类型2.3高效液相色谱(4)离子色谱法：由离子交换色谱法派生出来的一种分析方法。通常以电导池作通用检测器，并设置了抑制柱。后来又发展出非抑制型。是多组分痕量无机阴离子分析的利器；也可以分析有机阴阳离子以及氨基酸、核酸、糖类等生物样品。数据处理分离柱抑制柱电导池进样器输液泵2.3.2高效液相色谱的主要类型2.3高效液相色谱(4)离子色谱法：由离子交换色谱法派生出来的一种分析方法。以分析Br

为例，洗脱液为NaOH，则在分离柱中

ROH+Na+Br洗脱/交换RBr+Na+OH通过抑制柱时

RH++Na+OH

RNa++H2ORH++Na+Br

RNa++H+Br非抑制型离子色谱是近年来发展起来的，采用苯甲酸盐或邻苯二甲酸盐等低电导洗脱液。2.3.2高效液相色谱的主要类型2.3高效液相色谱(5)离子对色谱法：采用化学键合固定相，流动相中加入与溶质电荷相反的对离子。是解决强极性有机酸、碱分析的有效办法。离子对的分配机理如下：

X+水相+Y水相

X+Y有机相达到平衡时

则其分配系数为2.3.2高效液相色谱的主要类型2.3高效液相色谱(5)离子对色谱法：采用化学键合固定相，流动相中加入与溶质电荷相反的对离子。是解决强极性有机酸、碱分析的有效办法。目前应用最广泛的是反相离子对色谱，采用十八烷基键合固定相，甲醇-水或乙腈-水作极性流动相。特别适合于核酸、核苷、儿茶酚胺、生物碱以及药物的分离分析。2.3.2高效液相色谱的主要类型2.3高效液相色谱(6)空间排阻色谱法：与其他色谱法的分离机理不同，是基于试样分子的尺寸和形状不同来实现分离的。固定相是具有不同孔径的多孔凝胶，不同大小的溶质分子可以渗透到不同大小、不同深度的凝胶孔内。分子越小，保留时间越长，溶剂分子通常最小，因而最后被洗脱。全渗透排斥选择渗透V0

VcVM2.3.2高效液相色谱的主要类型2.3高效液相色谱空间排阻色谱被广泛应用于大分子的分级，或用来分析大分子物质的相对分子量分布。空间排阻色谱的特点：保留时间是分子尺寸大小的函数。保留时间短，谱峰窄，易检测。固定相与分子间作用力弱，柱寿命长。不能分辨分子大小相近的化合物。2.3.2高效液相色谱的主要类型2.3高效液相色谱(7)分离类型的选择：相对分子量>2000：常用空间排阻色谱，以水或非水为流动相。相对分子量<2000：同系物——正相或反相分配色谱不溶于水时：异构体、多官能团——吸附色谱分子大小差异——排阻色谱溶于水、不离解：反相分配色谱、小孔排阻色谱溶于水、可离解：离子交换色谱溶于水、强极性离子：反相离子对色谱。2.3.2高效液相色谱的主要类型2.3高效液相色谱对高效液相色谱检测器的要求：灵敏度高、重现性好、响应快；适用范围广、现性范围宽；对流动相的流量、温度、浓度等的波动不敏感；死体积小。常用检测器：溶质性检测器：紫外光度检测器、荧光检测器、电化学检测器；总体检测器：示差折光率检测器、电导检测器；1.色谱技术的理论与应用1.3.3高效液相色谱的检测器(1)紫外光度检测器：基于被测组分对特定波长紫外光的选择性吸收，分固定波长（单波长或多波长）和可调波长（紫外-可见分光）两类，近年又有二极管阵列检测器逐渐应用。双光路固定波长紫外检测器：1.色谱技术的理论与应用1.3.3高效液相色谱的检测器低压汞灯，固定波长254、280nm。测量池，5~10L，

5~10

mm。参比池，5~10L，

5~10

mm。滤光片。检测器，光电管、光电倍增管或光敏电阻。(1)紫外光度检测器：光电二极管阵列检测器：可以获得三维色谱-光谱图（波长-时间-吸光度）。1.色谱技术的理论与应用1.3.3高效液相色谱的检测器光源，紫外或可见光连续光谱。流通池。入射狭缝。光栅。检测器，由几百个光电二极管组成阵列，快速扫描读取光谱数据，每幅图像需0.01s。1.色谱技术的理论与应用(1)紫外光度检测器：灵敏度高，最低检出限可达10-9g/ml；对流动相的温度、流速不敏感，可用于梯度淋洗；不适用于无紫外吸收的试样（约20%的样品）；溶剂选择受限制。1.3.3高效液相色谱的检测器溶剂正己烷二硫化碳四氯化碳苯氯仿截止波长190380265210245溶剂二氯甲烷四氢呋喃丙酮乙腈甲醇截止波长233212330190205(2)荧光检测器：利用某些物质具有荧光特性来检验。1.色谱技术的理论与应用1.3.3高效液相色谱的检测器光源，卤化钨灯。激发光