儀器分析基礎(chǔ)知識(shí)

1、環(huán)境儀器分析,1 現(xiàn)代儀器的類(lèi)系,1) 分離分析儀器與技術(shù) 2) 鑒定原子的儀器與技術(shù) 3) 鑒定分子的儀器與技術(shù) 4) 表面界面分析儀器與技術(shù) 5) 分析儀器聯(lián)用技術(shù) 6) 核分析儀器與技術(shù) 7) 生物化學(xué)與醫(yī)學(xué)專(zhuān)用分析儀器,2.1 氣相色譜（GC）2.2 液相色譜（HPLC）2.3 超臨界流體色譜（SFC）2.4 尺寸排阻色譜（SEC）

2、2.5 薄層色譜（TLC）2.6 毛細(xì)管電泳（CE）2.7 離子色譜（IC）,2 分離分析儀器與技術(shù),2.1 氣相色譜（GC）,最常見(jiàn)的分離分析儀器主要用于可揮發(fā)性組分的分析，或衍生化后可揮發(fā)組分的分析，應(yīng)用范圍非常廣。化合物中約20%的樣品可用GC分離,色譜法理論基礎(chǔ)色譜法的基本原理 俄國(guó)植物學(xué)家茨維特（Tsweett）最早創(chuàng)造了色譜，并于1906年他將吸附原理分離植物色素的方法命名為色譜

3、法（chromatography)。 Tsweett色譜分離的基本原理是： 使混合物中各組分在兩相（固定相和流動(dòng)相）間進(jìn)行分配，當(dāng)流動(dòng)相中所含混合物(A、B)經(jīng)過(guò)固定相時(shí)，就會(huì)與固定相發(fā)生相互作用，由于各組分在性質(zhì)和結(jié)構(gòu)上的差異，不同組分(A、B)在固定相中滯留時(shí)間有長(zhǎng)有短，從而按先后不同的次序從固定相中流出。,水果、蔬菜中17種有機(jī)氯，用毛細(xì)管氣相色譜法測(cè)定農(nóng)藥的殘留量用丙酮—正己烷混合液, 提取

4、樣品中的有機(jī)氯農(nóng)藥，將提取液濃縮后，經(jīng)過(guò)弗羅里硅土層析柱凈化分析。,組成：氣路系統(tǒng)、電路系統(tǒng)、分離系統(tǒng)、檢測(cè)系統(tǒng)等部分組成（結(jié)構(gòu)示意圖如下）：,氣相色譜常用檢測(cè)器氫火焰離子化檢測(cè)器(FID)電子捕獲檢測(cè)器(ECD)火焰光度檢測(cè)器(FPD)氮磷檢測(cè)器（NPD）質(zhì)譜檢測(cè)器（MSD）,定量,峰面積百分比法（歸一化法）由于檢測(cè)技術(shù)的影響，在色譜中不常用外標(biāo)法在色譜中用的較多內(nèi)標(biāo)法準(zhǔn)確，但是麻煩在標(biāo)準(zhǔn)方法中用的最多,歸一化

5、法,特點(diǎn)及要求： 歸一化法簡(jiǎn)便、準(zhǔn)確；進(jìn)樣量的準(zhǔn)確性和操作條件的變動(dòng)對(duì)測(cè)定結(jié)果影響不大；僅適用于試樣中所有組分全出峰的情況。,外標(biāo)法,配制一系列已知濃度的標(biāo)樣,外標(biāo)法：以待測(cè)組分純品為對(duì)照物，與試樣中待測(cè) 組分的響應(yīng)信號(hào)相比較進(jìn)行定量的方法,外標(biāo)法特點(diǎn)： 1）不需要校正因子，不需要所有組分出峰 2）結(jié)果受進(jìn)樣量、進(jìn)樣重復(fù)性和操作條件影響大 →每次進(jìn)樣量應(yīng)一致，否則

6、產(chǎn)生誤差,C．內(nèi)標(biāo)法：無(wú)待測(cè)物純品，加入樣品中不含的對(duì)照物，以待測(cè)組分和對(duì)照物的響應(yīng)信號(hào)對(duì)比定量,內(nèi)標(biāo)法,實(shí)際色譜圖,標(biāo)準(zhǔn)曲線,在待測(cè)樣品中不存在；與被測(cè)組分性質(zhì)比較接近；不與試樣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；出峰位置（保留值）應(yīng)位于被測(cè)組分附近；濃度（響應(yīng)值）與待測(cè)組分相當(dāng)；其色譜峰與其他色譜峰分離好。,內(nèi)標(biāo)物的要求,特點(diǎn)：無(wú)需各組份都被檢出、洗脫內(nèi)標(biāo)法的準(zhǔn)確性較高，操作條件和進(jìn)樣量的稍許變動(dòng)對(duì)定量結(jié)果的影響不大。每個(gè)試樣的

7、分析，都要進(jìn)行兩次稱(chēng)量，不適合大批量試樣的快速分析。,內(nèi)標(biāo)法,氣相色譜在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用,1、有機(jī)氯農(nóng)藥和多氯聯(lián)苯 10、擬除蟲(chóng)菊酯類(lèi)農(nóng)藥,2、有機(jī)磷農(nóng)藥 11、有機(jī)氮類(lèi)農(nóng)藥,3、多環(huán)芳烴 12、有機(jī)金屬化合物,4、苯系物

8、 13、其它類(lèi)化合物,5、硝基苯,6、苯胺類(lèi)（堿性化合物）,7、苯酚類(lèi)（酸性化合物）,8、醛酮類(lèi)化合物,9、酞酸酯類(lèi)化合物,2.2 高效液相色譜分析法,特點(diǎn)：高壓、高速、高效、高靈敏度、高自動(dòng)化。,分析對(duì)象：,溶解后能制成溶液的樣品，不受樣品揮發(fā)性和熱穩(wěn)定性的限制.分子量大、難氣化、熱穩(wěn)定性差及分子和離子型樣品均可檢測(cè) 用途廣泛，占有機(jī)物的80%,高壓輸液系統(tǒng)進(jìn)樣系統(tǒng)色譜柱檢測(cè)系統(tǒng) 附屬系統(tǒng),工作過(guò)程　　　高壓泵將貯液罐的

9、溶劑經(jīng)進(jìn)樣器送入色譜柱中，然后從檢測(cè)器的出口流出。當(dāng)欲分離樣品從進(jìn)樣器進(jìn)入時(shí)，流經(jīng)進(jìn)樣器的流動(dòng)相將其帶入色譜柱中進(jìn)行分離，然后依先后順序進(jìn)入檢測(cè)器。記錄儀將進(jìn)入檢測(cè)器的信號(hào)記錄下來(lái)，得到液相色譜圖。流動(dòng)相：常用的流動(dòng)相是甲醇－水，乙腈－水,色譜柱,正相色譜——固定液極性 > 流動(dòng)相極性 極性小的組分先出柱，極性大的組分后出柱, 適于分離極性組分反相色譜——固定液極性 < 流動(dòng)相極性 極性大的組分先出柱，極性

10、小的組分后出柱, 適于分離非極性組分,正相柱：多以硅膠為柱填料。根據(jù)外型可分為無(wú)定型和球型兩種，其顆粒直徑在3-10 µm的范圍內(nèi)。另一類(lèi)正相填料是硅膠表面鍵合-CN，-NH2，苯基等官能團(tuán)即所謂的鍵合相硅膠。反相柱：主要是以硅膠為基質(zhì)，在其表面鍵合十八烷基官能團(tuán)(ODS)的非極性填料。也有無(wú)定型和球型之分。常用的其他的反相填料還有鍵合C8、C4、C2、苯基等，其顆粒粒徑在3-10µm之間。,檢測(cè)系統(tǒng)有兩種基本

11、類(lèi)型的檢測(cè)器：一類(lèi)是溶質(zhì)性檢測(cè)器。它僅對(duì)被分離組分的物理或物理化學(xué)特性有響應(yīng)，如紫外熒光，電化學(xué)檢測(cè)器等。另一類(lèi)是總體檢測(cè)器，它對(duì)試樣和洗脫液總的物理或物理化學(xué)特性有響應(yīng)，如示差析光，介電常數(shù)檢測(cè)器等 。,液相色譜在環(huán)境中的應(yīng)用,可以用于環(huán)境中多環(huán)芳烴、酞酸酯等的監(jiān)測(cè)，特別是近期藍(lán)藻爆發(fā)后，在藻毒素的監(jiān)測(cè)方面發(fā)揮了很大的作用,氣、液色譜與質(zhì)譜的聯(lián)用,氣相色譜和液相色譜負(fù)責(zé)物質(zhì)分離，而質(zhì)譜儀充當(dāng)檢測(cè)器的作用，有很好的定性定量的作用。,質(zhì)譜

12、（MS）原理：將分子或原子轉(zhuǎn)變成帶電荷的粒子，并按質(zhì)量大小順序排列的圖譜。,氣 質(zhì),2.3 離子色譜（IC）,離子色譜儀是以液體為流動(dòng)相，固體填料為固定相，是分析離子的液相色譜。 作用：多組分痕量離子的快速分析 10-9-10-6 特別對(duì)不同價(jià)態(tài)和形態(tài)元素的分析有優(yōu)勢(shì)； 30多種水溶性有機(jī)酸，乳酸等GC難分析；

13、 分析單糖和低聚糖以陰離子形式分析； 其核心為分離拄：填料為磺酸或羧酸聚苯乙烯樹(shù)脂 或季胺鹽化聚苯乙烯樹(shù)脂（陰） 流動(dòng)相： 酸，堿 ，鹽及絡(luò)合劑 檢測(cè)器： 電導(dǎo)檢測(cè)器，光學(xué)檢測(cè)器紫外和熒光,,,,,,葡萄酒中的7種無(wú)機(jī)陰離子,離子色譜在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用,1.飲用水中F-、Cl-、SO42-、NO3-2酸

14、雨的監(jiān)測(cè),3.1 原子發(fā)射光譜（AES）3.2 原子吸收光譜（AAS）3.3 X光熒光光譜（XFS）3.4 電感耦合等離子質(zhì)譜儀（ICP-MS）3.5 中子活化分析儀（NA）,3 鑒定原子的儀器與技術(shù),3.1 原子吸收光譜（AAS）,1 可以用來(lái)做周期表中70多個(gè)元素的定量分析 許多情況下測(cè)定準(zhǔn)確度達(dá)到ppm，極限ppb， 是測(cè)定痕量金屬的有效手段 2 石墨爐電熱原子

15、吸收光譜絕對(duì)靈敏度可以 達(dá)到10-12-10-14 g/g 3 用途：主要是地質(zhì)、材料、醫(yī)藥、冶金、環(huán) 境、化學(xué)等領(lǐng)域樣品的定量分析,原子吸收分光光度法基本原理原子吸收分光光度法是基于空心陰極燈發(fā)射出的待測(cè)元素的特征譜線，通過(guò)試樣蒸氣，被蒸氣中待測(cè)元素的基態(tài)原子所吸收，由特征譜線被吸收的程度，來(lái)測(cè)定試樣中待測(cè)元素含量的方法。,,原子吸收分光光度計(jì)的組成： 由光源、原子化系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)、檢測(cè)系

16、統(tǒng)及放大數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)五個(gè)主要組成部分。 其示意圖如下：,(1) 基態(tài)原子的產(chǎn)生 在進(jìn)行原子吸收分析時(shí)，首先應(yīng)使待測(cè)元素由化合物狀態(tài)變成基態(tài)原子，使其原子化。原子化方法有：化學(xué)法、火焰法、電熱法等。 (2) 共振線與吸收線 其核外電子排布處于最低能級(jí)、最穩(wěn)定的原子稱(chēng)基態(tài)原子?；鶓B(tài)原子的最外層電子因受外界能量激發(fā)而躍遷到較高能級(jí)上，便使原子處于激發(fā)態(tài)，處于激發(fā)態(tài)的原子很不穩(wěn)定，在短時(shí)間內(nèi)（約10-3s），躍遷

17、到較高能級(jí)的電子又返回到低能級(jí)狀態(tài)，同時(shí)釋放一定的能量。 原子受外界能量激發(fā)，其最外層電子可能躍遷到不同能級(jí)，因而可能有不同的激發(fā)態(tài)。 電子由基態(tài)到第一激發(fā)態(tài)躍遷吸收譜線稱(chēng)共振吸收線。共振線是元素所有譜線中最靈敏的譜線，原子吸收分析就是利用處于基態(tài)的待測(cè)原子蒸氣，對(duì)從光源發(fā)射出的待測(cè)元素的共振線的吸收而進(jìn)行定量分析。,(3) 火焰中的基態(tài)原子濃度與定量分析依據(jù) 對(duì)于原子吸收值的測(cè)量，在實(shí)際工作中，是以

18、一定光強(qiáng)的單色光I0通過(guò)原子蒸氣，然后測(cè)出被吸收后的光強(qiáng)I，吸收過(guò)程符合朗伯—比耳定律，即： 式中:K為吸收系數(shù)，N為自由原子總數(shù)（近似于基態(tài)原子數(shù)N0）,L為吸收層厚度。 吸光度 試樣中待測(cè)元素的濃度與火焰中基態(tài)原子的濃度成正比。所以在一定的濃度范圍內(nèi)和一定的火焰寬度，吸光度與試樣中待測(cè)元素濃度的關(guān)系可表示為：該式就是原子吸光光譜法定量分析的依據(jù)。,,,,定量分析方法（1）標(biāo)

19、準(zhǔn)曲線法 繪制A-C工作曲線（見(jiàn)下圖）,（2）標(biāo)準(zhǔn)加入法 取若干（不少于4份）體積相同的試樣溶液，從第二份開(kāi)始依次遞增地加入不同等分量的待測(cè)元素的標(biāo)準(zhǔn)溶液（如分別加入10μg、20μg、30μg）。然后用蒸餾水稀釋至相同體積后搖勻。在相同的實(shí)驗(yàn)條件下依次測(cè)得各溶液的吸光度為AX、A1、 A2 、A3。以吸光度A為縱坐標(biāo)，以加入標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度（或體積，絕對(duì)含量）為橫坐標(biāo)，作出A-C曲線，外延曲線與橫坐標(biāo)相交于一點(diǎn)

20、，此點(diǎn)與原點(diǎn)的距離，即為所測(cè)試樣溶液中，待測(cè)元素的含量（工作曲線如下）：,A,原子吸收光譜法在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用金屬污染物的測(cè)定：可測(cè)定的元素有60-70種，目前測(cè)定水和廢水中的主要金屬元素有：Ag, Cd, Cr, Cu, Fe, Mn, Ni, Pb, Sb, Zn, Be, Hg, K, Na, Ca, Mg 等。 (1)Cu,Pb,Zn,Cd的測(cè)定（GB7475-87）； (2)Ca、Mg的測(cè)定 ； (3)水質(zhì)、硫酸

21、鹽的測(cè)定（GB13196-91）； (4)大氣塵粒中金屬元素的測(cè)定； (5)大氣降水中Na、K的測(cè)定，原子吸收分光光度法， GB13580.12-92； (6)GB13580.13-93大氣降水中Ca、Mg的測(cè)定，原子吸收分光光度法； (7)GB/T15263-94環(huán)境空氣中鉛的測(cè)定，火焰原子吸收分光光度法。,3.4 電感耦合-等離子質(zhì)譜儀（ICP－MS）,原理： 等離子體是一種高密度

22、電子的離子化氣體(通常為氬氣)，因含有正、負(fù) 電荷，極易與磁場(chǎng)作用，磁場(chǎng)隨時(shí)間變化，則等離子產(chǎn)生感應(yīng)耦合產(chǎn)生高 溫焰炬(9000-10000k)。 樣品溶液經(jīng)過(guò)進(jìn)樣系統(tǒng)進(jìn)入高溫等離子體被蒸發(fā)、分解和電離，大部分成為一價(jià)正離子，經(jīng)取樣錐和截取錐進(jìn)入真空質(zhì)譜系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)離子鏡聚焦，進(jìn)入四級(jí)桿按質(zhì)荷比分離，被檢測(cè)器記錄.,Angilent 7500 系列ICP－MS,儀器及主要部件,ICP－MS原理示意圖,電感耦合等離子

23、體質(zhì)譜儀由離子源、質(zhì)量分析器、檢測(cè)系統(tǒng)、 真空系統(tǒng)組成。,優(yōu)點(diǎn)： 對(duì)多數(shù)元素在ICP中主要是形成一價(jià)離子，ICP離子源使樣 品在高溫狀態(tài)能停留相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間，有效的汽化、分解和激發(fā)電離，而元素之間和混合物之間沒(méi)有相互干擾 應(yīng)用： 多元素同時(shí)測(cè)定 進(jìn)行痕量（溶液在1ng/ml-1ug/ml）分 析的主要儀器,比如海水中金屬元素的分析。,4.1 紫外可見(jiàn)光譜（UV）4.2 紅外光譜（I

24、R）4.3 拉曼光譜（RS）4.4 質(zhì)譜（MS）4.5 核磁共振（NMR）4.6 順磁共振（EPR）4.7 X射線衍射（XRD）4.8 圓二色光譜（CD）4.9 熱分析儀（TA）4.10 應(yīng)用實(shí)例,4 鑒定分子的儀器與技術(shù),4.1 紫外可見(jiàn)光譜（UV）,范圍在190nm－800nm，實(shí)際應(yīng)用200nm－800nm。解決分子中外層電子能級(jí)躍遷屬電子光譜，由于電子躍遷引起振

25、動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)譜帶較寬。 主要測(cè)定： 芳香族和其他含雙鍵的有機(jī)化合物如 苯系列、丙酮、 二硫化碳、 二氫化氮、雙鍵烯、稀土元素、有機(jī)自由基、生物樣品。 現(xiàn)在最主要的應(yīng)用：定量研究方面 附：熒光分析，直接分析有熒光化合物 磷光分析,,4.2 紅外光譜（IR）,分子的振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)引起光譜50－400cm-1