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1、第十章第十章 现代仪器分析法选介现代仪器分析法选介SelectedMethodsofModernInstrumentalAnalysis10.1电位分析法10.2原子吸收分光光度法10.3色谱分析法7/20/20241学习要求学习要求1.掌握电位分析法的基本原理、指示电极和参比电极的含义。了解各类电极的结构和机理。2.掌握测定溶液pH值的方法。掌握直接电位法测定离子浓度及确定电位滴定终点的方法。3.掌握原子吸收光谱分析的基本原理和定量分析方法。了解原子吸收分光光度计的主要构造和应用范围。4.掌握色谱分离的原理、分类及定性、定量方法。了解评价分离效率的指标，了解气相及高效液相色谱仪的构造和各自的
2、应用范围。7/20/20242仪器分析的基本特点仪器分析的基本特点InstrumentalAnalysis以被测物质的物理及物理以被测物质的物理及物理化学性质为基础的分析方法化学性质为基础的分析方法从二十世纪中叶开始，仪器分析得到迅速的发展，已广泛应用于现代科学技术的各个领域。多属微量分析，快速灵敏，相对误差较大，但绝对误差不大。仪器分析法的种类很多。有光谱法、色谱法、电化学分析法等。本章只介绍电位分析法，原子吸收分光光度法、气相色谱法和液相色谱法这四种常用的仪器分析法。7/20/2024310.1电位分析法电位分析法10.1.1概述概述1.电位分析法的基本原理和分类电位分析法的基本原理和分类
3、电电位位分分析析法法通过测定包括待测物溶液在内的化学电池的电动势，求得溶液中待测组分活(浓)度的一种电化学分析方法。可由半电池反应写出金属电极的电极电位与溶液中相应金属离子活度的关系：7/20/20244单个电极的电位无法测量，需要有一个相对的标准作为参比参比电极(电位固定不变的电极)。测量参比电极与待测离子的金属电极(指示电极)组成的工作电池参比电极参比电极试样溶液试样溶液| |指示电极指示电极的电动势 ，进而求得待测离子的金属电极的电位 ，最终求得待测金属离子的活(浓)度。7/20/20245电位法的基本装置电位法的基本装置1-磁力搅拌器；2-搅拌子；3-指示电极；4-参比电极；5-测量仪
4、表(离子计)7/20/20246两类电位分析法1)直接电位法直接电位法通过测量电极电位(电动势)的数数值值，并通过电位与待测离子间的能斯特关系能斯特关系，求得待测离子的活（浓）度。2)电位滴定法电位滴定法通过测量滴定过程中电极电位的变化变化，进而确定滴定的终点，通过滴定反应的化化学计量关系学计量关系，求得待测离子的浓度。7/20/20247电极种类电极种类1)指示电极指示电极(indicatingelectrode)电极电位能响应待测离子活度的电极2）参比电极参比电极(referenceelectrode)电极电位固定不变的电极。7/20/20248指示电极的特点指示电极的特点基本要求：电极电
5、位与试样溶液中待测离子活度之间的关系符合能斯特方程符合能斯特方程。常用的指示电极有金属基电极(以金属得失电子为基以金属得失电子为基础的半电池反应来指示相应离子活度础的半电池反应来指示相应离子活度)和离子选择性膜电极(基于离子在溶液和一片被称为选择性敏基于离子在溶液和一片被称为选择性敏感膜之间的扩散和交换感膜之间的扩散和交换)。7/20/20249金属基指示电极的特点金属基指示电极的特点以金属得失电子为基础的半电池反应来指示相应离子活度。最经典经典：基于金属与其离子所组成的电极。例：例：将一根银丝插入Ag+离子溶液所构成银的指示电极，能响应溶液中Ag+离子活度：7/20/202410第一类金属基
6、电极第一类金属基电极能直接响应溶液中金属离子活度的指示电极能直接响应溶液中金属离子活度的指示电极S电极反应的Nernst斜率斜率。25Cn =1时，S =0.0592V， n =2时，S=0.0296V，依次类推。7/20/202411第二类金属基电极第二类金属基电极由由金金属属、该该金金属属的的难难溶溶盐盐、此此难难溶溶盐盐的的阴阴离离子子所所组组成的指示该阴离子活度指示电极成的指示该阴离子活度指示电极。例例：用银电极指示Cl-离子的活度。其半电池反应和电极电位的能斯特关系如下，AgCl+eAg+Cl7/20/202412将其一般化：将其一般化：电极反应和能斯特响应式可用以下通式表示，MnX
7、m+me-nM+m X7/20/202413零类电极零类电极自自身身并并没没有有电电子子的的得得失失而而只只是是提提供供了了其其他他电电极极半半反反应应交交换换电电子子场场所所的的金金属属基基电电极极。通常是惰性的铂丝或铂片。如：电极半反应是Fe3+eFe2+，其Nernst响应式可用以下通式表示：金金属属基基指指示示电电极极结结构构简简单单，制制作作方方便便，是是金金属属离离子子和某些阴离子的常用指示电极。和某些阴离子的常用指示电极。7/20/2024142.指示电极和参比电极指示电极和参比电极2）.参比电极参比电极(referenceelectrode):电极电位固定不变的电极。基本要求基
8、本要求：不受试样溶液组成变化的影响。最常用的最常用的：甘汞电极由汞、氯化亚汞(Hg2Cl2)沉淀、Cl离子组成，半电池反应为：Hg2Cl2（s）+2e-2Hg+2Cl其电极电位为：7/20/202415甘汞电极的结构示意图甘汞电极的结构示意图(a)整支电极；整支电极；(b)内部电极的放大图。内部电极的放大图。1导线；导线；2塑料帽；塑料帽；3加液口；加液口；4内部电极；内部电极；5氯化钾溶液；氯化钾溶液；6多孔陶瓷。多孔陶瓷。7/20/202416甘汞电极的特点甘汞电极的特点1)甘汞电极能响应Cl-离子活度，属第二类金属基电极。但固定电极反应所涉及CCl-浓度，在确定温度下，其电位是一个定值定
9、值。2)下部的多孔陶瓷使电极内部KCl溶液与外部的试样溶液接触形成导电回路。但内压大于外部试液，使之不会渗入，以保持内部的KCl浓度。3)甘汞电极电位值因内充KCl溶液浓度不同而不同。，最 常 用 为 饱 和 甘 汞 电 极 （ saturated calomelelectrode,SCE），25 C时的E=0.242V。7/20/202417其他参比电极其他参比电极AgAgCl电极电极也为常用参比电极。在温度较高（80C）的条件下使用时，Ag-AgCl电极的电位较甘汞电极稳定。25C时，内充饱和KCl溶液的Ag-AgCl电极的电位值为0.199V。7/20/20241810.1.2 10.1
10、.2 离子选择性电极离子选择性电极离子选择性电极（ionselectiveelectrode,ISE）是20世纪60年代后迅速发展的新型指示电极。有常规电极和微电极之分，后者在生命科学中有极其美好的应用前景(如“化学视窗”10-1)。离子选择性电极有特殊响应机理离子在溶液和选选择择性性敏敏感感膜膜之间的扩扩散散和和交交换换而形成膜膜电电位位(membranepotential)。7/20/2024191.离子选择性电极和膜电位离子选择性电极和膜电位选择性敏感膜由对特定离子有选择性交换能力的材料(如玻璃、晶体、液膜等如玻璃、晶体、液膜等)制成。电极分类分类：通常按敏感膜材料性质进行。晶晶体体敏敏
11、感感膜膜制作的晶晶体体电电极极(如氟化镧单晶制成的氟离子选择性电极，用氯化银多晶制成的氯离子选择性电极)用玻玻璃璃膜膜和流动载体(液液膜膜)制成的非非晶晶体体电电极极（前者如pH玻璃电极，后者如流动载体钙离子选择性电极)等。7/20/2024202.pH玻璃电极玻璃电极pH玻璃电极是对对溶溶液液中中的的H+离离子子活活度度具具有有选选择择性性响响应应的电极，它主要用于测量溶液的酸度。组成见图(由内部溶液，参比电极组成)。新型玻璃电极多为复合型，将指示电极和参比电极二合一，外加长脚护套，玻璃泡不易破损。7/20/202421玻璃电极的内部结构玻璃电极的内部结构电极的球泡形玻璃膜厚0.030.1m
12、m，组成特殊(Na2O，22%；CaO，6%；SiO2，72%)玻璃电极的特殊内部结构使玻璃膜有选择性响应。掺Na2O在硅氧网络结构形成部分荷负电的硅-氧骨架，可与带正电荷的Na+离子形成离子键7/20/202422玻璃电极膜电位的形成玻璃电极膜电位的形成pH玻璃电极需水水化化(使使玻玻璃璃膜膜外外表表面面形形成成105104mm厚厚的的水水化化层层)后才能使用。水化层中的Na+与溶液中H+发生离子交换(反应趋势很大反应趋势很大)SiO-Na+(表面)+H+(溶液)SiO-H+(表面)+Na+（溶液）插入待测试样后，因膜外表面水化层中的H+离子活度与待测溶液中H+离子活度不同，在两相界面上因H
13、+离子扩散迁移而建立起相间电位。7/20/202423内试膜=试-内若待测液H+离子活度较大，溶液中H+向玻璃膜外表面水化层扩散，在玻璃外表面和溶液界面形成双电层，产生相间电位。同理，在玻璃内表面也形成相应的相电位。在膜两侧形成了膜电位：7/20/202424玻璃电极膜电位的表示玻璃电极膜电位的表示外表面的相间电位符合Nernst方程：同理，玻璃膜的内表面也存在着因H+离子的扩散迁移而建立起相间电位：7/20/202425玻璃电极膜电位间的关系玻璃电极膜电位间的关系通常玻璃膜内、外表面结构及相关因素完全一致，玻璃膜内、外膜表面相间电位的代数和为：因玻璃泡内装溶液的H+离子活度是固定的，则：忽略
14、扩散电位，可看成整个玻璃膜的膜电位。7/20/202426可简化成：25时时可表示为：因玻璃电极的电位是通过电极内部的Ag-AgCl内参比电极测量的，故整个pH玻璃电极的电极电位为：7/20/202427玻璃电极膜电位的偏离玻璃电极膜电位的偏离pH大时为“碱差碱差”：除H+外还响应K+、Na+离子，所测pH值低于低于实际值。pH小时为“酸差酸差”：水分子的质子化使其活度小于1，所测pH值高于高于实际值。因电极玻璃膜响应H+离子的非专属性非专属性，在pH很大或很小时会出现较大的偏差：7/20/202428玻璃电极的改性玻璃电极的改性改变玻璃膜的成分，可改变使玻璃电极测定的选择性，成为测定其它阳离
15、子的选择性电极。如，将玻璃膜的成分改为：Na2O，11%，Al2O3，18%，SiO2，71%，即可将玻璃电极改性为测定钠的选择性电极。7/20/2024293.氟离子选择性电极氟离子选择性电极1LaF3单晶膜2内充液3Ag-AgCl内参比电极氟离子选择性电极对溶液中的游离F-离子具有选择性响应能力。氟电极内充有均为0.1molL-1NaF和NaCl溶液，通过Ag-AgCl内参比电极与外部仪器相联。关关键键部部分分是电极下部的氟化镧(LaF3)单单晶晶膜膜。单晶中掺有少量氟化铕EuF2，在晶体内部产生少量空穴，可以降低单晶膜的内阻。7/20/202430电极膜电位的产生电极膜电位的产生当电极浸
16、入含F-待测试液时，溶液中的F-离子将与单晶膜上的F-离子发生交换。v若试样溶液中F-大大，溶液中的F-离子迁移进入晶体膜的空穴中；v若试样溶液中F-小小，晶体表面的F-离子转移到溶液，在膜晶格中留下F-点位的空穴。从而在膜和溶液相界面上形形成成了了双双电电层层，产产生生膜膜电电位位。7/20/202431电极膜电位的表示电极膜电位的表示膜电位的大小与试样溶液中F-活度关系符合能斯特方程：与pH电极类似，结合内参比电极的电位，氟离子电极在活度为的F-离子试液中的电极电位为：因此可以通通过过测测量量氟氟离离子子选选择择性性电电极极的的电电位位，测测定定试样溶液中试样溶液中F离子的活度离子的活度。
17、7/20/202432氟电极的应用范围氟电极的应用范围氟离子选择性电极测定F-离子的浓度范围一般在110-5molL-1之间。氟离子选择性电极测定时溶液酸度应控制在pH56之间。这是因为：pH6，膜表面LaF3水解生成La(OH)3，沉淀会使膜表面性质变化，且又增大了电极表面附近的试样溶液中F-浓度，干扰F-浓度的测定。7/20/20243310.1.3直接电位法直接电位法直直接接电电位位法法(directpotentiometry)通过测量指示电极的电极电位，并根据电位与待测离子间的能斯特关系，求得待测离子的活(浓)度的方法。经仪器适当的电路转换，直接电位法可直接求出样品溶液的pH值值及相关
18、离子的浓度浓度。7/20/2024341.溶液溶液pH值的测定值的测定可用酸度计直接测定溶液的pH值，其测量电池为，饱和甘汞电极饱和甘汞电极试样溶液试样溶液 pH玻璃电极玻璃电极该电池的电动势为：E = 玻璃 甘汞代入玻璃电极电位表达式，并将甘汞电极的电位(一定条件下是常数一定条件下是常数)与K合并:7/20/202435pH值的实用定义值的实用定义实测时都采取与标准缓冲溶液比对的方法来确定待测溶液的pH值：标准缓冲溶液昂昂昂昂昂昂待测溶液故得到pH值的实用定义：7/20/202436标准缓冲体系的标准缓冲体系的pH值值温度(C)邻苯二甲酸氢钾(0.05molL-1)KH2PO4-Na2HPO
19、4(各0.025molL-1)硼砂(0.01molL-1)04.0036.9849.464103.9986.9239.332204.0026.8819.225254.0086.8659.180304.0156.8539.139354.0246.8449.1027/20/2024372.离子浓度的测定离子浓度的测定以离子选择性电极为指示电极，甘汞电极作为参比电极，与待测溶液一起组成一个测量电池，测量其电动势以确定离子活度。饱和甘汞电极饱和甘汞电极试样溶液试样溶液 离子选择性电极离子选择性电极结合前面所讨论的方法，可得i为离子i的活度，zi该离子所带的电荷数，若带一个正电荷，zi=1；两个正电荷，
20、zi=2；一个负电荷，zi=-1。其余类推。7/20/202438(1)标准曲线法标准曲线法(外标法外标法)与分光光度法中的标准曲线法相似。a)配制一系列已知浓度的待测物标准溶液b)用相应的离子选择性电极和甘汞电极测定对应的电动势，c)以测得的E值对相应的lgci作标准曲线。d)在相同的条件下测出待测试样溶液的E值，从标准曲线上查出待测离子的lgci值，再换算成待测离子的浓度。7/20/202439方法特点：方法特点：不同变量标准曲线的对比.1.以活度为变量2.以浓度为变量要解决的问题：要解决的问题：浓度与活度之间的差异解决的方法：解决的方法：不是不是求解i将活度校正为浓度而而是是控制体系的离
21、子强度，从而使活度系数i成为不随试样变化而变化的常数7/20/202440方法原理方法原理标准溶液和试样溶液中均加入不干扰测定的强电解质，所加浓度一致且远高于试样溶液中的背景电解质和待测离子的浓度。标准溶液和试样溶液的离子强度都为这种外外加加的的、固固定定浓浓度度的的强强电电解解质质所控制，使待测组份的活度系数被保持一致。7/20/202441式中是一常数，可并入K中，即可使ElgC 保持线性关系，完全可通过直线方程来定量。7/20/202442实验条件控制实验条件控制除控制离子强度外，很多情况下可能还需控制溶液酸度、掩蔽存在的干扰离子等。方方法法：加入由离子强度调节剂、缓冲剂、掩蔽剂所组成的
22、混合试剂“总总离离子子强强度度调调节节缓缓冲冲剂剂”（totalionstrengthadjustmentbuffer,TISAB）例例如如，氟离子选择性电极测定F-离子浓度：需控制试液的pH=5.0左右(HAcNaAc体体系系)；用柠檬酸钠掩蔽试样中共存的Fe3+、Al3+等(能能与与F形形成成配配合合物物)。7/20/202443方法特点方法特点优点：优点：1)用一条标准曲线可以对多个试样进行定量，因此操作比较简便。2)通过加入TISAB，可以在一定程度上消除离子强度、干扰组分等所引起的干扰。3)因因此此：标准曲线法适适用用于于试样组成较为简单的大批量试样的测定。7/20/202444(2
23、)标准加入法标准加入法基本思路基本思路：向待测的试样溶液中加入一定量的小小体体积积待测离子的标标准准溶溶液液，通过加入标准溶液前后电动势的变化与加入量之间的关系，对原试样溶液中的待测离子浓度进行定量。7/20/202445方法原理：方法原理：Vs待测试样溶液体积，cx待测离子浓度 离子的活度系数加入待测离子标准溶液后后：其中：cs最好是cx的50100倍Vs最好是Vx的1/501/100目的：加入体积很小，对试样影响可忽略不计7/20/202446将上两式相减：其中VsVx，所以Vs+VxV，进一步处理可得标准加入法的计算式：式中S=2.303RT/zF7/20/202447方法特点方法特点标
24、准加入法可以克服由于标准溶液组成与试样溶液不一致所带来的定量困难，也能在一定程度上消除共存组分的干扰。但每个试样测定的次数增加了一倍，使测定的工作量增加许多。标准加入法适适用用于于成分较为复杂、难以用标准曲线法定量的试样的测定。7/20/2024483.直接电位法的特点直接电位法的特点优优点点：操作简单，分析速度快，不破坏试样溶液(测定后仍可作它用)，可测定有色甚至浑浊的试样溶液。不不足足：准确度欠高。因为：电动势测定的微小误差，通过反对数关系传递到浓度后将产生较大的浓度不确定度，且这种不确定度随着离子所带电荷数的增加而增大。例如，对于一价离子，电动势测量每1mV的误差，将产生约为4%的相对误
25、差，多价离子的相对误差将累加。7/20/20244910.1.4电位滴定法电位滴定法potentiometrictitration以电位法确定滴定终点的一种滴定分析法以电位法确定滴定终点的一种滴定分析法。在盛有待测溶液的烧杯中加入相应的电位检测所需电极，并用磁力搅拌机自动搅拌。用滴定管在烧杯中滴定待测离子，随着相关离子浓度的不断变化，所测得的电池电动势(或指示电极的电极电位)也随之变化。在化学计量点附近，电动势发生突跃，根据滴定剂的消耗量，求得试样中待测离子的浓度。7/20/2024507/20/2024511）EV曲线法曲线法用以上数据作EV滴定曲线，突突跃跃的的中中点点即为化学计量点，对应
26、的滴定剂体积可用作为终点体积。EV曲线法求终点方方法法简简单单，但若终点突跃较小则会有较大的误差。7/20/2024522） E/ VV曲线法曲线法相关数据的求算相关数据的求算： E/ V：加入一次滴定剂后所引起的电动势变化值与所对应的加入滴定剂体积之比。例例：在24.10mL和24.20mL之间V：（24.10+24.20）/2=24.15（mL）7/20/202453特点特点：该法确定终点准确度较高，即使终点突跃较小，仍能得到满意的结果。作作图图：以求得的E/VV值对V作图，得到两段一级微分曲线。处处理理：将它们外推相交后的交点即为一级微分曲线的极大点，所对应的滴定剂体积为终点体积。7/2
27、0/2024543） E2/ V2V曲线法曲线法原理原理：一级微商为极大的地方，二级微商值等于零。计算计算(对应于滴定至对应于滴定至24.30mL时时)： E2/ V2：对于24.40mL有 7/20/202455作作 图图 ： 以 求 得 的E2/V2V值对V作图，见右。处处理理：化学计量点附近二级微商值与滴定剂体积有线性关系，用线性插值法计算终点的体积。7/20/202456处理处理：设终点的滴定剂体积为24.30+xmL，则x值为：结果结果：终点体积为：24.34 mL特特点点：可以克服一级微商需用外推法求终点可能引起的误差。7/20/202457数据的便利处理数据的便利处理可利用相关软
28、件方便地确定终点，如利用Exel表格。1)将滴定剂的体积和相应的电动势数据输入Exel表格，2)利用“插入图表”功能，以“XY散点图”的方式作电位滴定曲线和一级微商曲线3)确定终点及终点时消耗的滴定剂体积。7/20/202458自动电位滴定仪自动电位滴定仪商品化的自动或半自动的电位滴定仪可以自动描绘出滴定曲线、确定终点。有些型号的还能输出二次微商信号，并在二次微商改号时自动停止滴定，给出滴定终点的体积。自动电位滴定仪通常具有预设终点功能，方便分析大量试样7/20/2024592.电位滴定的特点电位滴定的特点1）类型）类型电位滴定法常量常量分析法，误差在千分之几直接电位法微量微量分析法，误差达百
29、分之几2）终点确定）终点确定电位滴定法既不受指示剂的限制，也不受试样溶液是否有色或浑浊的限制。3）适用范围）适用范围能用于某些滴定突跃较小、用指示剂很难确定终点的滴定体系。能将滴定曲线直观地记录描绘出来，滴定突跃的大小和区间一目了然，是研究指示剂滴定法的重要工具。7/20/20246010.2原子吸收分光光度法原子吸收分光光度法10.2.1概述概述原 子 吸 收 分 光 光 度 法 (atomic absorptionspectrophotometry，AAS)又称原子吸收光谱法，是基于原子蒸气对于特定波长光的吸收作用来进行定量分析的一种现代仪器分析方法。7/20/202461AAS分析流程示
30、意图分析流程示意图7/20/202462分析过程测定试样溶液中微量铜为例：含铜试液在原子化系统原子化系统中雾化雾化成为气溶胶，送入火火焰焰，铜盐经干燥干燥、蒸发蒸发、离解、原子化离解、原子化后成原子蒸气。Cu空心阴极灯辐射出波长为324.7nm的光，穿过火焰中Cu蒸气后，部分被基态Cu原子吸收而减弱，检测器测定透过光强度。根据透过光强度减弱的程度，即可求得试液中铜的浓度。7/20/202463AAS特点AAS与UVS有许多关联：1.基点相同：基点相同：物质对光的选择性吸收作用。2.仪器相似仪器相似：都有光源、单色器、检测器、记录系统等3.对象不同：对象不同：UVS为分子(离子)；AAS为原子。
31、4.光谱不同光谱不同：分子(离子)光谱复杂，为带状，且易相互重叠而发生干扰；原子光谱简单，为线性，重叠少，干扰少。7/20/20246410.2.2.基本原理基本原理原子具有多种能级状态，其电子在能级间跃迁总伴随能量的发射或吸收：通常处于基态受热激发至高能级，不稳定回跃而放出能量。当以光释放时就产生一定波长的线状光谱。7/20/202465吸收谱线吸收谱线基态气态原子吸收特定波长光而跃迁至激发态，产生相应的吸收光谱吸收光谱。从基态跃迁到激发态产生共共振吸收线振吸收线；从激发态跃迁到基态，产生共振发射共振发射线线(从最低激发态至基态为第一共振发射线第一共振发射线)。各元素因结构不同，特征谱线特征
32、谱线波长不同。同一元素的共振发射线和共振吸收线的波长相同，统称为共振线共振线(resonanceline)。在AAS分析中，就是利用处于基态的原子蒸气对从光源辐射的共振(发射)线的吸收进行分析测定的。7/20/202466定量分析的依据定量分析的依据AAS定量分析依据Lambert-Beer定律。原则上原则上：式中C应应为基态原子浓度，但在一般原子化温度下，绝大多数原子处于基态，可直接以总原子浓度替代，并间接表示为样品中待测元素浓度。可用外标法进行定量分析。7/20/20246710.2.3.原子吸收分光光度计原子吸收分光光度计分为光源、原子化器、光学系统、检测与显示系统。1入射狭缝；入射狭缝
33、；2出射狭缝；出射狭缝；3光电倍增管；光电倍增管；4光栅光栅7/20/2024681、光源光源名名称称空空心心阴阴极极灯灯(其阴极由待测元素金属制成，并嵌有石英窗口)。作用作用发射待测元素共振线供吸收。原原理理在阴阳极间加电压，阴极电子轰击填充气原子而使之电离(荷正电)，该种离子在电场作用下飞速撞击阴极内壁，溅射出金属原子再与高速运动的电子、离子流发生碰撞而激发，发射出该金属元素的特征谱线。特点特点测一个元素换一个灯。7/20/2024692、原子化器原子化器作用作用将试样溶液中待测元素转变成基态原子蒸气。对AAS法的灵敏度、精密度和受干扰程度有影响极大(是是AAS的关键的关键)。种类种类火焰
34、原子化器、石墨炉原子化器和氢化物原子化器。构造构造多数是可卸式，可根据需要选用。7/20/202470火焰原子化器火焰原子化器1-毛细管;2-空气入口;3-撞击球;4-雾化器;5-空气补充入口;6-燃气入口7-排废液口;8-预混合室;9-燃烧器;10-火焰;11-试样溶液;12-扰流器火焰原子化利用火焰能量实现试样中待测元素的原子化，最常用。7/20/202471工作过程工作过程应用伯努利原理，以压缩空气(助燃气)将试样溶液被吸入雾化器，并被迅速分散成气溶胶(雾粒)。气溶胶在雾室中与乙炔(燃气)混合，较大雾粒凝结并从废液口排出，较细雾粒被混合气携带到燃烧头，进入火焰后原子化。7/20/2024
35、72基本特点基本特点原原子子化化温温度度高高：最常用的空空气气乙乙炔炔焰可达2250C,可测定钾、钠、钙、镁、铜、铁、镍、钴、锌、镉、锰、铬、金、银、铂、钯等常见的三十几种金属元素。氧氧化化亚亚氮氮乙乙炔炔焰达2950C，可用于测定铝、铍、钒、硼、硅、和镧系元素等高温元素。结结构构简简单单，使使用用方方便便，精精密密度度好好，干干扰扰较较少少。但原原子子化化效效率率不不高高。(灵敏度不高，检测下限0.xxmgL-1)。7/20/202473石墨炉原子化器石墨炉原子化器大电流快速加热石墨管，使小体积试样溶液瞬间蒸发成蒸气的电热原子化装置。石墨管周围和内部有气体保护，夹套中通冷却水7/20/202
36、474工作过程工作过程自动进样20100L于石墨管中央，经历四步：1)干燥干燥使溶剂挥发2)灰灰化化除去易挥发或灰化的干扰物质，如有机物3)原子化原子化4)清洗清洗除去残留物质5)升温程序为关键条件，各步具体温度和时间视对象及性质而定。7/20/202475基本特点基本特点最大特点是灵敏度高灵敏度高，一般要比火焰原子化高23个数量级，是测定金属元素灵敏度最高的常规分析方法之一。石墨炉原子化器设备复杂设备复杂，价格昂贵测定的精密度较火焰原子化逊色（相对标准偏差510%），且易受共存元素干扰。7/20/2024763、光学系统组成分外光路聚光系统和分光系统。外外光光路路作用将入射光聚于原子蒸气浓度
37、最高处，进而聚焦于分光器狭缝上。分分光光系系统统作用分开共振线与其他光，并只让共振线透过光投射到光电倍增管上。根据所测元素共振线，选择合适的测定波长。7/20/2024774、检测与显示系统检测与显示系统组成由检测器、放大器和对数转换器、显示器三部分所组成。作用将测得的光信号转换为吸光度值并显示。流程光电倍增管输出光电流，放大器放大并转换成吸光度，显示装置显示。现多与计算机联机处理，可绘出标准曲线，并打印出分析结果。7/20/20247810.2.4.定量分析方法定量分析方法1标准曲线法标准曲线法步骤与UVS基本相同，适用于基体简单的大批量试样：1)配制一组标准溶液，2)分别测定吸光度，3)绘
38、制A(吸光度)C(待测元素浓度)标准曲线。4)同样实验条件下测定试液吸光度5)由AC标准曲线查出试液待测元素的浓度。7/20/202479标准曲线法注意事项标准曲线法注意事项采用相同方法制备试样和标样，减少因介质不同所引起的误差。方法线性范围较小(12个数量级)，注意取点。试样和标样的测定条件要相同。仪器重启动后应重新制作标准曲线，或对原曲线进行校验。7/20/2024802.标准加入法标准加入法适适用用：基体较为复杂的试样，避免因组成、介质等不一而产生的干扰。方方法法：在待测试液中加入一定量待测元素标样，测定信号的增量增量以确定原试样中待测元素量。7/20/202481计算法计算法同容积容量
39、瓶A瓶浓度为cx,B瓶为(c0 + cx)，于相同条件下测得吸光度分别：Ax = k cxAx+0 = k（c0+ cx）除浓度外两瓶所有因素都相同，故两式中k 相同。合并上两式得到：求出cx后进而求得原试样中待测元素的含量。7/20/202482图解法图解法步骤：步骤：使4只同容积容量瓶中待测元素总浓度分别为cx、cx+c0、 cx+2c0和cx+3c0，测得吸光度分别为Ax、A1、A2、A3。作AC图，应得直线。外推此直线，与横坐标轴的交点处浓度值的负值即为待测元素的浓度cx 。因作图法采用多点校正，准确度要优于计算法。7/20/202483图解法特点图解法特点可消除因介质组成不匹配引入的
40、误差，也增大了分析工作量。要注意：要注意：1)加入标准溶液的量应在试样待测元素原浓度的50200%之间，且总浓度仍在线性范围内。2)若标准曲线不过原点(空白试样的吸光度不为0)，则不宜采用标准加入法定量。7/20/202484原子吸收法的特点和应用原子吸收法的特点和应用主主要要特特点点：灵敏度高、选择性好、干扰相对较少、测定精度高，应用范围广(可测元素70余种金属元素为主)。仪器不很复杂，操作方便，是目前已成为一种常规的微(痕)量金属元素的定量分析方法。在地矿、冶金、环境、建材、化工、生物医药、食品等行业中得到了广泛的应用。7/20/20248510.3色谱分析法色谱分析法现代色谱分析法(ch
41、romatography)是一大类分离分析方法。应用历史 “源远流长源远流长”，适用范围“上天入地”，分离对象“简繁由之简繁由之”。尤其是21世纪的生命科学研究领域，正是大展身手的好场所。7/20/20248610.3.1概述概述 Introduction色谱分离在互不相溶的两相间进行。混合物被流动相mobile phase携带着流过固定相stationary phase时，因各组分在两相之间的分配平衡(或吸附平衡等)的差异，使得性质不同的各个组分随流动相移动的速度产生了差异，经过一段距离的移动之后，混合物中的各组分被一一分离开来。7/20/202487经典色谱分离中，分离后的组分常被分别收集
42、于容器中，用于进一步的分析或作为纯化后的产物。现代色谱分析将分离和分析(检测)过程集成于一台仪器中，成为一种分离能力较强、检测灵敏度较高、可实现自动化操作的仪器分析法。色谱分离以柱柱为心脏心脏，以检测器检测器为眼睛眼睛，以工作站工作站为枢纽枢纽。7/20/202488 色谱流程色谱流程 7/20/202489色谱法分类：1.按流流动动相相和和固固定定相相物物态态气固色谱、气液色谱(统称气相色谱gaschromatography,GC)、液固色谱、液液色谱(统称液相色谱liquidchromatography,LC)。2.按操操作作形形式式柱柱色色谱谱法法、纸纸色色谱谱法法、薄薄层层色色谱谱法法
43、，(后两者又称为平面色谱法平面色谱法)。3.按分分离离的的机机理理分分配配色色谱谱法法、吸吸附附色色谱谱法法、离离子子交换色谱法交换色谱法、空间排阻色谱法空间排阻色谱法和亲和色谱法亲和色谱法等。7/20/20249010.3.2色谱分析法的原理1分配平衡和差速迁移分配平衡和差速迁移色谱分离实质上由样品中各组分在两相间的分配(或吸附、离子交换等)平衡的差异所造成。在一定温度下，组分在两相间达到分配平衡时的浓度比浓度比称为分配系数分配系数(capacityfactor)K：7/20/202491色谱分离过程色谱分离过程同温度下不同组分的k值不同，k值小的组分易溶每次分配平衡后CS0.20大于0.5
44、简单样品分析7/20/2024127气气液液色色谱谱为分配型色谱机理，固定相由一些高沸点有机化合物(固定液)涂渍在多孔的担体(最常用的担体是硅藻土担体)之上所形成的液体固定相。目前已有至少2000种色谱固定液。气气固固色色谱谱为吸附色谱机理，固定相为一些固体吸附剂（如Al2O3、硅胶、分子筛等）。7/20/20241284) 4) 检测系统作作用用：将经色谱柱分离并在载气携带下从色谱柱后依此流出之各组分的浓度转换成易检测的电信号并记录为色谱图。种类种类：根据检测性能而分类。最常用的有：热导池检测器(TCD)根据待测组分和载气导热能力的差异而设计，属通用型检测器。氢火焰离子化检测器(FID)根据
45、有机化合物在氢火焰中燃烧时能产生少量离子而设计。灵敏度较TCD高，但只能响应有机化合物。7/20/20241295) 5) 记录系统所有结果将用记录系统给予记录。最简单的配置是使用记录仪，而后测量峰宽峰高并手工计算峰面积等参数。现均配置色谱处理机或色谱工作站，自动担负色谱图的记录和保留值、峰高、峰面积(乃至塔板数和分离度)的计算，并能直接报告分析结果。7/20/20241302 2、气相色谱法的特点和应用、气相色谱法的特点和应用 1)分分离离效效率率高高。一般一根12m的色谱柱，理论塔板数可达数千，毛细管柱可达数万。2)分分析析速速度度快快。最快时可在30min内完成200300个组分的定性定
46、量分析。3)灵灵敏敏度度高高。气相色谱可检测出10-1110-12g的物质，可以直接用以测定试样(如环境检测中的水和大气)中的微(痕)量物质。4)价廉价廉。设备不太复杂，操作费用比较低。7/20/2024131气相色谱主要用于分析分子量较小（400）的低沸点（500C）化合物，如炼油厂的低沸点油类、化学品中的痕量杂质、环境中的有机污染物、饮料中的成分、食品中的农药残留、化妆品中的香料等等，被广泛地应用于石油、化工、环保、轻工、医药卫生、食品饮料等行业。7/20/202413210.3.5HPLC法的特点及仪器法的特点及仪器液相色谱液相色谱采用不同配比的液体为流动相。早先：常压自流系统的柱色谱现
47、代：采用高压液体(可达到40MPa)为流动相采用极细固定相(510m)，故柱效高(N可达数万)，又称为高效液相色谱法(highperformanceliquidchromatography，HPLC)。当初也有称高压色谱当初也有称高压色谱(highpressureLC)的。的。7/20/20241331、HPLC分离模式分离模式有液液分配色谱、液固吸附色谱、离子交换色谱、空间排阻色谱(基于分子体积大小而分离)、亲和色谱等。不同的分离模式的异同异同：主要是固定相和流动相有所不同，仪器及操作方法大同小异。7/20/20241342、HPLC特点特点1)高效高效：理论塔板数一般可达104左右。2)高
48、速高速：分离分析一个试样中的几个组分一般只要几到几十分钟。3)高灵敏度高灵敏度：常用的紫外检测器(VWD或DAD)最低检测量为10-710-12g。用荧光检测器更佳。4)适用面广适用面广：有多种分离模式可供选择且不受组分是否易挥发的限制，其适用面广。广泛应用于化工、制药、医院、卫生、生物、食品、轻工等行业。化学品、合成药物和天然化合物、高聚物、生物大分子、无机离子、金属有机化合物等均可。5)价高价高：仪器设备相对较贵，操作费用较高。7/20/20241353、HPLC仪器仪器 高效液相色谱仪一般由储液器、高压泵、进样系统、分离系统、检测和记录系统等部分组成。7/20/2024136(1)HPL
49、C流动相色谱流动相决不仅仅是被分离物质的运载体，它直接影响到分离的好坏，影响到测定的成功与否。与GC不同，HPLC的流动相对组分具有很强的选择性，可以根据具体的分析任务选择极性、酸度、离子强度各异的溶剂与一定的固定相配合，形成最佳的分离体系。7/20/2024137为保持色谱柱的稳定性，要求：1)与固定相不互溶（延长柱寿命）2)不发生不可逆吸附3)有合适的pH值4)化学惰性不与样品及固定相发生反应。7/20/2024138(2)流动相供应和驱动系统由储液器和高压泵组成。因所填固定相极细，渗透性变差，需高压流动相方可通过色谱柱。目前高效液相色谱仪上用的高压泵大多是机械式往复柱塞泵，可以产生几百个
50、大气压的压力。7/20/2024139往复柱塞泵往复柱塞泵有明显脉冲，需采取措施：增加脉冲阻尼器、改变凸轮形状、加电子线路保护、用多头泵系统(并联串联)等。目前应用较多。偏心轮带动活塞往复移动，恒流输出，并通过改变电机转速调节流量。体积小清洗方便，特别适用于梯度淋洗。7/20/2024140梯度洗脱装置梯度洗脱装置配比固定的流动相可采用单泵驱动，配比需不断改变的可选用梯度泵。可按需要预设程序，目前最多可使4种溶剂以任意比例相混合，自动得到洗脱强度随时间变化的流动相，以提高柱效和分离速度。7/20/2024141辅助装置辅助装置1)过滤器：除掉机械杂质及固体颗粒。2)混合器：体积不宜大，靠流经泵
51、的动力学特性而混合。3)脉动阻尼器：种类多，都有一定容积和弹性4)压力测量装置：5)流量测量装置：7/20/2024142(3)进样系统因HPLC柱压高，不能直接用注射器山南样。需进样阀进样。7/20/2024143取样状态取样状态：流动相直接进柱，进样口与定量管连接，样品充满定量管后，多余样品从6流出。进样状态进样状态：泵将流动相压入定量管，将样品全部携带进入色谱柱分析。7/20/2024144(4)分离系统分离系统色谱柱：内径3.94.5mm、长度1530cm的直型不锈钢管，内充极细(粒径510m)的固定相。用18个碳的烷烃改性的C18硅胶是最常用的固定相。7/20/2024145HPLC柱及附件7/20/2024146（5）检测记录系统）检测记录系统常用有折光检测器(RID)和紫外吸收检测器(VWD)。RID通用型通用型检测器，测定流动相折光率的变化；VWD专用型专用型检测器，适用于有紫外吸收的化合物的检测。有可变波长紫外检测器和二极管阵列检测器(DAD)。其他如荧光检测器、电导检测器(多用于离子色谱)。7/20/2024147二极管阵列检测器光路图二极管阵列检测器光路图7/20/2024148安安捷捷伦伦HP一一一一OO系系列列的的高高效效液液相相色色谱谱仪仪7/20/2024149
