第十一章-采样和试样预处理

第十一章采样和试样预处理

(MethodsforSampleCollectionandPretreatment)11.1实际试样分析的一般过程11.2采样方法11.3试样的预处理11.4分析化学中常用的分离方法11.1实际试样分析的一般过程分析过程的一般流程样品采集试样预处理试样检测结果报告数据处理11.2采样方法气体试样液体试样固体试样生物样品(a)采集的样品堆积成锥形(b)将锥顶压平(c)样品堆的俯视图(d)将样品切分四等份，保留其中任一对角的2份。湖底岩土采样方式湖泊水样采样点设计四分法固体样品取样示意图11.3试样的预处理11.3.1试样的制备溶解（dissolution)

-用适当的溶剂将试样溶解。提取(extraction）

-用溶剂将待测组分从不溶性的固体基质中溶解出来的过程。分解或消化（decomposition，digestion)

-采用比较苛刻的化学方法，将试样分解或消化后，使待测组分转入溶液。问题的提出实际样品的复杂性干扰的消除控制实验条件使用掩蔽剂分离(separation)分析方法灵敏度的局限性满足对灵敏度的要求选择灵敏度高的方法富集(enrichment)如:海水中U（IV)的测定C=1~3g/L难以测定富集为C=100~200g/L可以测定11.3.2试样的预分离与富集分离原理分离技术基于分离对象微粒大小的不同过滤（filtration）透析（dialysis）体积排阻色谱(size-exclusionchromatography)基于分离对象质量或密度的不同离心(centrifugation)改变分离对象的物理状态蒸馏（distillation）升华（sublimation）重结晶（recrystallization）改变分离对象的化学性质沉淀分离（precipitation）电沉积(electrodeposition)基于两相分配的分离方法萃取（extraction）固相萃取（solidphaseextraction）色谱(chromatography)分离原理及分离技术分离效果干扰成分减少至不再干扰待测组分有效回收质量分数>1%，回收率>99.9%以上质量分数<0.01%，回收率>95%或更低质量分数0.01%~1%回收率>99%样品中的待测组分含量是未知的如何测量回收率？11.4分析化学中的常用分离方法沉淀分离法溶剂萃取分离法离子交换分离法色谱分离法挥发和蒸馏分离法precipitationsolventextractionionexchangechromatographyvolatilizationanddistillation11.4.1沉淀分离与富集1.无机离子的沉淀分离以氢氧化物沉淀分离通过控制[OH-]选择性沉淀分离pH≥12，NaOH分离两性离子：Al,Zn,Cr,Sn,Pb,Sb

不沉淀pH8-9,NH3分离络氨离子：Ag,Co,Ni,Zn,Cd,Cu,(Mg)不沉淀pH5-6,ZnO悬浊液或有机碱沉淀：Al,Fe(III),Ti(IV),Th(IV),Bi…….例如常见阳离子的两酸两碱分离分组ⅠⅡⅢⅣⅤ组试剂HClH2SO4NH4Cl-NH3NaOH可溶组*沉淀出的离子Ag+

Hg+

(Pb2+)Ca2+

Sr2+

Ba2+

Pb2+

Fe3+

Mn2+

Al3+

Hg2+Cr3+Cu2+Mg2+

Cd2+

Co2+

Ni2+

Na+K+Zn2+NH4+无机机离子的有机沉淀试剂

铁试剂

铜试剂8-羟基喹啉2.蛋白质的沉淀分离三氯乙酸、乙腈………，这些有机试剂能破坏了蛋白质表面的水化层，使蛋白质分子聚集而析出11.4.2溶剂萃取分离法萃取分离的过程在含有被分离物质的水溶液中，加入萃取剂和与水不相混溶的有机溶剂，震荡，利用物质在两相中的分配不同的性质，使一些组分进入有机相中，使另一些组分仍留在水相中，从而达到分离的目的。1.萃取分离的基本原理例：碘的萃取碘水

加CCl4萃取

震荡静置后CCl4碘水CCl4碘水碘水萃取分离的依据物质亲水性疏水性离子型化合物极性共价键化合物弱极性或非极性相互转换萃取分离的实质将待萃取组分由亲水性转化为疏水性，使其萃入有机相中。反萃取萃取的反过程（将组分从有机溶液中萃取到水溶液中）hydrophilichydrophobicbackextraction例：8-羟基喹啉-CHCl3对Al3+的萃取3亲水疏水溶于CHCl38-羟基喹啉：萃取剂CHCl3

：溶剂水合离子的正电性被中和，亲水的水分子被疏水有机大分子取代

分配系数与分配比分配系数partitioncoefficientHA(w)HA(o)萃取平衡分配定律Water在水相中Organic在有机相中下标KD——分配系数热力学常数分配比distributionratio条件分配系数HA(w)HA(o)KaA(HA)i缔合醋酸在苯和水中的分配D——分配比条件常数萃取率（thepercentextracted）称为相比R可近似地反映溶质浓缩的效率当R=1时，其中DE%1001.00.01100500D1101001000E%50919999.9增大萃取率减小相比增加萃取次数√通过多次萃取提高萃取率设用Vo

mL

有机溶剂萃取Vw

mL中含量为m0

的A

物质，一次萃取后剩余的A

物质的量为

m1g据分配比定义整理得萃取n次，同理可得n次萃取的萃取率1）用同样量的萃取剂，分多次萃取比一次萃取的效率高结论：2）萃取原则：少量多次N

?

如用CCl4

萃取I2m0=0.20g，1)、萃取一次，m1=0.0023g，E%=98.82)、分两次萃取，每次用50mL

有机溶剂m2=0.00016g，E%=99.9Vo=Vw=100mL，D=852.萃取分离的类型萃取类型螯合物萃取离子缔合物萃取简单分子萃取溶剂配合萃取(1)简单分子萃取体系某些共价无机化合物，例如I2,Cl2等，它们在水溶液中主要以分子形式存在，不带电荷，可用有机惰性溶剂萃取。（2）螯合物萃取

（chelateextraction）原理---水合金属离子生成疏水螯合物后萃入有机溶剂被三氯甲烷萃取对于溶液中的无机离子，按将其转化疏水性化合物的原理，可以分类为螯合物萃取和离子缔合物萃取

常见的螯合萃取剂

Dithizone

双硫腙（常用于萃取铅离子）Green

Red

2=10168-hydroquinolineandcupferron8-hydroquinoline8-羟基喹啉常用于萃取Al3+、Mg2+等金属离子Cupferron铜铁试剂螯合萃取的萃取平衡用

HL萃取金属离子M，有如下平衡owHL(o)HL(w)KD(HL)KaH++L(w),nL(w)+M(w)MLn

nMLn(o)KD(MLn)M(w)+n(HL)(o)=MLn

(o)+nH+(w)螯合物萃取中酸度对萃取率的影响lgD~pHE%~pH二苯硫腙-CCl4萃取金属离子的萃取曲线Hg2+Bi2+Pb2+Cd2+100500pHE%0246810控制酸度分别萃取D(HL)D(MLn)有副反应存在时（3）离子缔合物萃取阳离子和阴离子通过静电引力相结合形成电中性疏水化合物而被有机溶剂萃取。M+(w)+A-(w)=M+A-(o)例：HCl

介质中乙醚萃取FeCl4-(CH3CH2)2O+H+=(CH3CH2)2O+H(CH3CH2)2O+H+FeCl4-=[(CH3CH2)2OH]+[FeCl4]-

被

(CH3CH2)2O

萃取(4)溶剂配合体系例：磷酸三丁酯（TBP）对硝酸盐的萃取Mn++nNO3-+mTBP=M(NO3)n．m(TBP)被TBP

萃取次甲基蓝阳离子例：碱性染料在酸性介质中萃取络阴离子+[BF4]-被苯、甲苯等惰性溶剂萃取通常在酸性介质中进行溶剂参与萃取反应3.萃取分离的实验方法1.间歇萃取法2.连续萃取法（batchliquid-liquid

extraction）（continuousliquid-liquidextraction）高密度溶剂萃取低密度溶剂萃取索氏萃取连续萃取法（高密度溶剂萃取）被萃取的低密度溶液高密度萃取剂萃取剂蒸汽含有高密度萃取剂及被萃取物的烧瓶高密度冷凝液滴转向口冷凝液（Condensate）回流冷凝管（Refluxcondenser）热源热源被萃取的高密度溶液低密度萃取剂冷凝液回流冷凝管萃取剂蒸汽含低密度萃取剂和被萃取物质的烧瓶连续萃取法（低密度溶剂萃取）11.4.3萃取分离技术的发展1.固相萃取

液固萃取技术2.超临界流体萃取超临界流体：低粘度，低表面张力，类似于气体的穿透力，易溶于有机溶剂片状和柱状固相萃取柱固相萃取装置超临界CO2萃取装置表11-3常见改性硅胶固相萃取剂的性质和使用范围萃取类型表面改性（键合）基团使用范围吸附未改性，表面为硅羟基从油性基体中吸附低极性和中等极性的化合物（如：脂溶性维生素，类固醇）分配丙氰基：-C3H6CN从水溶液或油性基体中吸附极性化合物（如农药，多肽）分配二醇基：

从水溶液或油性基体中吸附极性化合物（如：蛋白质，多肽，杀菌剂）分配十八烷基（C-18），-C18H37从水溶液中吸附疏水性物质（如咖啡因，多环芳烃，农药等分配辛烷基（C-8），

-C8H17与C-18类似离子交换磺酸基，

-SO-3吸附阳离子离子交换季铵基团，-N+（C2H5）4吸附阴离子11.4.4经典色谱分离法柱色谱(columuchromatography)薄层色谱(thin-layerchromatography)纸色谱(paperchromatography)色谱分离法的分类分离分析分离制备按作用分：按形状分：按原理分：吸附色谱排阻色谱（凝胶色谱）分配色谱离子交换色谱吸附能力的差异分子尺寸的大小不同两相中分配系数的不同亲和力的差异adsorptionchromatographyexclusionchromatographygel-permeationchromatographypartitionchromatographyion-exchangechromatography亲和色谱特异反应，亲和力的差异affinitychromatography1.柱色谱分离法（columnchromatography)(1)概述chromatographyCaCO3

固定相

stationaryphase石油醚

流动相mobilephase叶绿素的石油醚溶液石油醚1906年俄国植物学家MichaelTswettCaCO3洗脱洗脱tI以吸附柱色谱为例进行讨论固定相，如Al2O3，装柱柱顶倾入样品(A,B)顶部加入洗脱剂（流动相）物质A物质BA、B两组分随流动相的流动而向下移动。A、B在两相不断进行着的溶解、吸附、再溶解、再吸附过程中，由于在两相吸附能力的差异，达到分离。吸附机理弱极性流动相极性固定相硅胶结构无定型硅胶，薄壳型硅胶，全多孔球型硅胶为固定相，弱极性溶剂为流动相的柱色谱2.柱色谱分离机理分配机理

C18H37十八烷基键合相ODS,C18球形硅胶较强极性的流动相

类似于液-液萃取分子排阻机理按组分分子大小和几何形态实现分离的方法。小分子、离子进入固定相孔结构中而被保留，而大分子离子则不能。具有一定分子量分布的高分子化合物，可以按分子量的大小分离。亲和色谱机理利用生物大分子（如酶的底物、抗原、DNA）与固定在固定相表面的配基（酶、抗体、适体等）的特异性亲和作用而实现选择性分离的一种方法。分子印迹

(molecularimprintedpolymer，MIP)caffineChinI.Linetal,Anal.Chim.Acta,481(2003)175-180Description聚甲酰胺-乙烯三乙氧硅烷无机-有机复合分子印迹材料的合成示意图2.纸色谱（paperchromatography）取一大小适宜的滤纸条在滤纸条下端点标准和样品放在色谱筒中展开取出，标记前沿，凉干着色，分析固定相：

滤纸上的H2O流动相：

展开剂（有机溶剂）(1)基本步骤：(2)保留值（相对比移值）Rf参比样品Blbal标准样品将标准和样品的Rf

值进行比较，可以对样品进行定性分析。Rf

在0-1之间Rf

=0，表明在原点不动Rf

=1，表明随溶剂一起移动BbaA定性分析：定量分析：截取洗脱、扫描、CCD摄像3.薄层色谱（thin-layerchromatography，TLC）用涂有固定相的薄层板代替滤纸进行分离分析支撑体：铝板，塑料板，玻璃板等。固定相：硅胶，氧化铝，聚酰胺等。分离原理：吸附色谱、分配色谱等。流动相：各种配比的溶剂。定性分析：比移值、相对比移值等。定量分析：截取后洗脱、斑点扫描。TLC定量测定（面积积分）数字图像处理及数据处理横向，纵向扫描，得到每个光斑的总亮度值，做出曲线CCD拍摄的TLC板上的斑点成像图(a)亮度/灰度值随扫描位置变化的曲线(b)以亮度/灰度-浓度作图的工作曲线(c)ab各斑点对应物质的浓度（x轴）与斑点总亮度/灰度值(y轴)的关系c二维薄层层析（2DTLC)

C/M/NH395:5:0.8→

C/A/M/HAc/H2O8:1.5:0.25:0.25:0.278653421C:CHCl3,M:CH3OH,A:CH3COCH3Steroids类固醇1progesterone211-deoxycorticosterone311-dehydrocorticosterone4estrone5estrasiol611-deoxycortisol7hydrocortisone8corticosteroneTLCdiodearrayscannerTLC2010二极管阵列薄层色谱扫描仪11.4.5离子交换分离法离子交换树脂离子交换亲合力离子交换分离操作离子交换分离法的应用1.离子交换树脂离子交换分离法是离子交换剂与溶液中的离子发生交换反应而使离子分离的方法

离子交换树脂的结构带有活性基团的网状高分子聚合物骨架活性基团酚醛树脂聚乙烯树脂交联剂酸性基团碱性基团—SO3H—COOH—N+R3OH-—NR2（ionexchangeresins）特殊基团聚苯乙烯磺酸型阳离子交换树脂的制备聚合磺化交联剂交联作用活性基团R-SO3H+M+=R-SO3M+H+离子交换树脂的分类依据活性基团分类阳离子交换树脂阴离子交换树脂螯合树脂特殊交换树脂强酸型弱酸型交换基为酸性，H+与阳离子交换—SO3H—COOH—OHpH>2pH>6使用pH范围pH>10交换基为碱性，阴离子发生交换强碱型弱碱型—N+(CH3)3OH-—N+H3OH-—N+H2ROH-—N+HR2

OH-pH<12pH<4含有特殊螯合基团的树脂电子交换树脂，含有氧化还原功能基团手性基团，进行手性拆分R-NH2+

H2O

R-N+H3OH-

示意图pH>pKapOH>pKb交换反应阳离子交换树脂阴离子交换树脂R-SO3H+M+R-SO3M+H+RN+(CH3)3OH-

+X-RN+(CH3)3X-

+OH-R-NH2+H2OR-N+H3OH-

水合作用RN+H3OH-

+X-

RN+H3X-

+OH-螯合交换树脂R-L+M(R-L)nMSO3-SO3-SO3-SO3-SO3-SO3-SO3-SO3-SO3-SO3-SO3-H+H+H+H+H+H+H+H+H+H+H+M+M+M+M+M+Cl-阳离子交换示意图2.离子交换树脂的性能参数

交联度交换容量表征骨架性能的参数表征活性基团的性能参数是指交联剂在反应物中所占的质量分数交联度大，树脂孔隙，交换反应速度，选择性。小慢高交联度小，树脂孔隙，交换反应速度，选择性。大快低氨基酸的分离，交联度8%，多肽的分离2~4%每克干树脂所能交换的物质的量（mmol)。决定于网状结构中活性基团的数目。交换容量由实验测得请设计一个测定强碱型阴离子交换树脂容量的方法。交换容量的测定

称取某R4N+OH-型阴离子交换树脂2.00g，置于锥型瓶中，加入0.200mol/LHCl100mL

浸泡一昼夜。用移液管吸取25.00mL,以甲基红为指示剂，用0.100mol/LNaOH溶液滴定，消耗20.00mL。计算离子交换树脂的交换容量。离子交换树脂与电解质溶液接触时发生离子交换反应R-A++B+R-B++A+

K——选择性系数，也叫分离因素可以推导得衡量树脂对离子的亲和力的大小的参数亲和力水合离子的半径离子的电荷K半径小K电荷数离子交换分离的基础亲和力的差异离子交换亲合力