定量分析中的常用仪器.ppt

* 分析仪器 10:53 10:52:14 第2章 分析仪表 * 第一节 概 述 自动成分分析仪表 （也称为分析器）是一种定性和定量 分析物质组成的仪表，能直接指示物质成分及含量。 成分分析仪表是基于混合物中某一组分区别于其他组分的 物理、化学特性来进 行 分 析的。 工业自动成分分析仪表虽然种类繁多，但主要组成部分有 分析部分、放大部分、显示部分、取样与预处理部 分、程序升温控制器及稳压电源装置。 第2章 分析仪表 * 第二节 热导式气体分析器 一、基本知识 在热传导过程中，不同物体的热传导率不同。对于彼此间无 相互作用的多组分混合气体，它的导热系数可近似地认为是 各组分导热系数的算术平均值，即 设待测组分为，并且 式中 混合气体的导热系数； 混合气体中第组分的导热系数 混合气体中第组分的体积分。 只要测得混合气体的总的导热系数 ，就可以得出待测组分的含量， 从而达到分析测量的目的。 第2章 分析仪表 * 气体的导热系数与温度有关，工程上用下式表示，即 （） 所以，利用导热系数随待测组分含量变化这一特性来分析 该组分含量时，必须满足下列三个条件： 待测组分的导热系数与其余组分的导热系数相比，要有显 著的差别，差别越大，测量越灵敏； 非待测组分的导热系数要尽可能相同或十分接近； 测量时，温度恒定或在一定的允许范围内。 10:52:14 第2章 分析仪表 * 二、热导式气体分析器的测量原理 左图所示为热导式气体分析器发送器的气 室，它是热导分析器的主要部件，热导室 中的电阻丝 通入电流加热，所产生的 热量经过被测气体的热传导散热、气体的 对流散热、电阻丝的辐射散热及其轴向传 导散热四个途径散失，恰当地设计热导室 结构，合理地选择电阻及电流的数值，可 以保证散热主要通过气体的热传导进行。 当加热电流一定时，电阻丝温度的高低， 就取决于导热能力的强弱，亦即取决于导 热系 数 的 大 小。不 同 温 度 的 电 阻 丝 就 有 相 应 的 不 同 阻 值， 这样，导热 系数的测量就通过发送器变成了电阻值的 测量，而电阻值又可以通过电桥来测量。 第2章 分析仪表 * 在热导式气体分析器中，通常是用四个热导室组成的电桥来测量的， 如左图所示的 RD 型分析器的电桥。 QRD 型分析器则采用双桥测量系统，由于两个电桥的电压和温度条 件相同，电源电压的波动和环境温度变化的影响就没有多大关系了， 如右图所示。 第2章 分析仪表 * 第三节 氧化锆分析仪 氧化锆分析仪由检测部分(氧化锆探头)和显示 仪表两部分组成。它的作用是先用氧化锆探 头将被测介质中氧气含量转变为电信号，再 由显示仪表部分对测得的电信号进行处理并 显示出来。 由于氧化锆分析仪具有结构简单，稳定性好 ，灵敏度高，响应快价格便宜，测量范围 宽、安装维修方便等优点。因而自20世纪60 年代开始使用，直到目前仍是较为常用的在 线氧量分析仪表。 第2章 分析仪表 * 一、氧化锆探头 第2章 分析仪表 * 组成氧化锆探头的主要部件是氧化锆管，另 外还有加热丝、测温元件和温度控制装置等 附加部分，其结构原理图 。 氧化锆探头是氧化锆分析仪的检测部分，是 分析仪的核心，又叫检测器或传感器。它的 作用是将被检测样气进行过滤，对外输出与 被测氧含量成对应关系的电信号。 第2章 分析仪表 * 二、各部分的作用及工作原理 陶瓷过虑器7有两个作用：一是除去气样中的灰尘 等杂质，防止电极被污染；二是起缓冲作用，减 少气流冲击所引起的噪声。当被测介质（进烟气 ）经陶瓷过虑器7进入探头后，由氧化锆管1和内 外铂电极2组成的氧浓差电池，将被测氧含量转换 成对应关系的电信号，经铂电极引线3对外输出。 安装在陶瓷过滤器与锆管之间的热电偶，检测出 锆管的工作温度并送给外部恒温控制器，恒温控 制器通过加热炉丝6来控制炉温，以保证探头工作 在设定的恒温范围内。 第2章 分析仪表 * 氧化锆管是因为把固体氧化锆 材料做成管状而得名。当在氧 化锆管的内、外两侧分别安装 多孔铂电极2后，就会形成一 个电解质浓差电池，如图63 所示。 图63 氧化锆浓差电池原理图 在氧化锆材料中掺入适量的氧化钙（CaO），氧化锆的晶体内 就会产生一些氧离子空穴，由于这些空穴存在，在650850 的高温下，氧化锆材料就会变成固体电解质。此时，若氧化锆 材料表面有氧，就会发生氧化还原反应。当两表面氧浓度（或 含量）有差异时，氧离子空穴会移动而产生电动势，这个电动 势就称为浓差电势。两侧的多孔铂膜是电池的两个引出电极， 该电池所产生的电动势大小，完全可以由涅恩斯特(Nernst)公式 （详见其它资料）计算出来。通常是选定一种已知氧浓度的气 体（一般用空气）作为参比气体，只要测得氧浓差电势E，即 可求得被测气体的氧含量Px。由此可以看出，氧化锆分析仪是 依据电解质浓差电池原理来实现氧含量测量的仪表。 第2章 分析仪表 * 温度调节器和显示仪表通常是一块仪表所具有的 两个功能单元，有时笼统的称为二次仪表或显示 部分，其作用是控制探头中加热器的加热温度， 并将探头输出的浓差电势进行处理，并显示出来 。 温度调节器实质上是一个温度控制电路，与热电 偶和加热电丝组成一个恒温控制系统。由热电偶 来测量氧化锆管的工作温度，当温度偏离设定值 时，通过温度控制电路中的可控硅来控制加热丝 的加热状态度，从而实现恒温控制。 第2章 分析仪表 * 显示仪表的电路较为复杂，从信号处理过程上来 看，确实可以将它作为一块独立仪表。因为它含 有接收（或检测）浓差电势的输入电路、将电势 信号处理成满足显示要求的转换放大电路以及输 出显示三大部组成。同其它显示仪表一样，仪表 中也含有用于对量程和测量零点的进行调整的量 程选择电路；转换放大部分在满足显示要求下， 可以对外输出标准信号，具有信号远传功能。近 年来在氧化锆分析仪的二次仪表中引入了CPU微 处理器，使氧化锆分析仪向着智能化发展，成为 测量氧含量的最为方便的检测工具。 第2章 分析仪表 * 第四节 原子吸收分光光度计 一、原子吸收光谱法 原子吸收光谱法 又 称 原 子 吸 收 分 光 光 度 法，是基本正 蒸气中被测元素基态原子对其原子共振辐射的吸收强度来测定 样品中被测元素含量的一种方法。 原子吸收光谱分析法的优点如下。 检出限低，灵敏度高。 测量精度好。 选 择 性 强 ， 方 法 简 便 ， 分 析 速 度 快 。 应用范围广。 原子吸收也有一些不足之处。测定某元素需要该元素的光源，不利于同时 进行多种元素的测定；对一些难熔元素，测定灵敏度和精密度都不是很高 ；非火焰原子化法虽然 灵 敏 度高，但准确度和精密度不够理想，有待于 进一步改进提高。 10:52:14 第2章 分析仪表 * 二、原子吸收分光光度计的结构及原理 单光束仪器，只有一条光路。 此类型仪器结构简单，操作方 便，但会受到光源不稳定因素 的影响产生基线漂移。 双光束仪器，由光源发射出的光经调制后被切 光器分成两束：一束为测量光束；另一束为参 比光束 （不经过火焰），两束光交替进入单色 器和检测器。由于两束光来自同一光源，光源 的漂移通过参比光束的作用得到补偿，从而获 得稳定的信号。10:52:14 第2章 分析仪表 * 检测器及放大器读数装置 检测器的作用是将单 色器分出的光信号进 行光电转换。一般用 光电倍增管作为检测 器。光电倍增管的外 壳由光学玻璃或石英 制成，内部抽真空， 在阴极上涂有能发射 电子的光敏物质，在 阴极和阳极间有一系 列次极电子发射极， 即电子倍增极。 10:52:14 第2章 分析仪表 * 第五节 傅里叶变换红外光谱仪 一、基本知识 红外线是一种看不见的光，是一种电磁波，波长范围为 010000。通 常把红外 区分成三个区。 波 长 0.82.5 为 近 红 外 区， 波 长 2.525为 中 红 外 区， 波 长 25 10000 为远红外区。若以连续波长的红外线为光源照射 样品，所测得的吸收光谱，简称红外光谱。通常所说的红外 光谱是指中红外区。 红外光谱是依据样品在红外区吸收谱带的位置、强度、 形状、个数，并参照谱带与溶剂浓度等关系来推测分子的空 间构造，求化学键的力常数，键长和键角，推测分子中某种 官能团的存在与否，推测官能团的邻近基团，确定化合物的 结构。 目前红外光谱仪可分为色散型红外光谱仪和傅里叶变换红外光谱仪。 10:52:14 第2章 分析仪表 * 二、傅里叶变换红外光谱仪 傅里叶变换红外光谱仪 是通过测量干涉图和对于干涉图进 行傅里叶变换的方法来获得红外光谱。 迈克逊干涉仪是傅里叶变换红外光谱仪的核心。通过迈克逊 干涉仪发生光的干涉过程，在不同光程差处测量混合的红外光 的干涉图，经过傅里叶变换得到常见的红外光谱图。 迈克逊干涉仪(图见下页) 已知干涉图，从数学观点讲是傅里叶变换，所以计算机的任 务是进行傅里叶逆变换，以得到人们所熟悉的透过率随波数变 化的红外光谱图。实际上干涉仪并没有把光按频率分开，而只 是将各种频率的光信号经干涉作用调制为干涉图函数，再由计 算机通过傅里叶逆变换计算出原来的光谱。 10:52:14 第2章 分析仪表 *10:52:14 第2章 分析仪表 * . 傅里叶变换红外光谱仪结构及工作原理 光学系统控制线路的主要任务是把检测器要的信号经放大镜、滤波器等处 理，然后送到计算机接口，再经处理后送到计算机数据处理系统。计算机通 过接口与光学测量系统电路相连，把测量得到的模拟信号转换成数据信号， 在计算机内通过试样后得到含试样信息的干涉图进行采集，并经过快速傅里 叶变换，得到吸收强度或透光度随频率或波数变化的红外光谱图。 10:52:14 第2章 分析仪表 * 一、基本知识 二、气相色谱仪流程 三、气相色谱仪的组成 第六节 气相色谱分析仪 第2章 分析仪表 * 气相色谱仪器 10:52:14 第2章 分析仪表 * 气相色谱仪器 10:52:14 第2章 分析仪表 * 气相色谱仪器 第2章 分析仪表 * 美国气相 色谱仪 国产气相色 谱仪 第2章 分析仪表 * 一、概 述 色谱分析法定义：色谱分离技术是借助色谱分离原理 而使混合物中各组分分离的技术；将色谱分离技术应 用于分析化学，称为色谱分析。 色谱分析法又称为色层法、层析法。 第2章 分析仪表 * 色谱法的分类 按物理状态分类 根据流动相的物态：气相色谱法(GC)和液相色谱法(LC) 根据固定相的物态：气-固色谱法、气-液色谱法、液-固色谱 法、液-液色谱法 按使用的形式分类 (1)柱色谱、(2)纸色谱、 (3)薄层色谱 按分离机理分类 (1)吸附色谱、 (2)分配色谱、 (3)离子交换色谱、 (4)凝胶 色谱 第2章 分析仪表 * 色谱法的特点 (1)高选择性 、(2)高效能、 (3)高灵敏度可以分析质量分 数为10-610-9数量级、检出限量低至10-1l g的物质，适于微 量和痕量分析、 色谱法的应用 (1)色谱分析广泛应用于极为复杂的混合物成分分析； (2)液相色谱法，在糖类、氨基酸、农药、染料、贵金属、 有机金属化合物等方面得到了广泛的应用。 (3)色谱分离是一种非常有效的提纯物质的技术，常用于制 备分离，得到高纯样品。 (4)色谱质谱联用仪已成为研究分子结构的重要手段。 第2章 分析仪表 * 气相色谱法的特点 高效能 填充柱都有几千块理论塔板 毛细管柱可达104块105块理论塔板，可以分析沸点 十分相近的组分和极为复杂的多组分混合物 高选择性 可分离同系物、同分异构化合物。 第2章 分析仪表 * 高灵敏度 可以检测出10-11g10-13g物质 痕量杂质分析：可以测出超纯气体、高分子单体、高纯试剂 中质量分数为10-610-10数量级的杂质 大气污染物分析：可以直接检出质量分数为10-9数量级的痕 量毒物 农药残留物的分析：可以检出农副产品、食品、水质中质量 分数为10-610-9数量级的氯、硫、磷化合物 分析速度快 一般分析可在几分到几十分内可以完成，某些快速分析1s内 可以分析数个组分。 第2章 分析仪表 * 二、基本知识 气相色谱法（GC）是英国生物化学家 Martin A T P等人在研究液液分配色谱的基础上，于 1952年创立的一种极有效的分离方法，它可分 析和分离复杂的多组分混合物。目前由于使用 了高效能的色谱柱，高灵敏度的检测器及微处 理机，使得气相色谱法成为一种分析速度快、 灵敏度高、应用范围广的分析方法。 第2章 分析仪表 * 1.概述 混合物最有效的分离、分析方法。 俄国植物学家茨维特在1906年使用的装置： 色谱原型装置，如图。 色谱法是一种分离技术， 试样混合物的分离过程也就是试样中各组 分在称之为色谱分离柱中的两相间不断进行着的 分配过程。 其中的一相固定不动，称为固定相； 另一相是携带试样混合物流过此固定相的流 体（气体或液体），称为流动相。 第2章 分析仪表 * 色谱法 当流动相中携带的混合物流经固定相时，其与固定相发 生相互作用。由于混合物中各组分在性质和结构上的差异， 与固定相之间产生的作用力的大小、强弱不同，随着流动相 的移动，混合物在两相间经过反复多次的分配平衡，使得各 组分被固定相保留的时间不同，从而按一定次序由固定相中 流出。 与适当的柱后检测方 法结合，实现混合物中各 组分的分离与检测。 两相及两相的相对运 动构成了色谱法的基础 第2章 分析仪表 * 2.色谱法分类 (1)气相色谱：流动相为气体（称为载气）。 按分离柱不同可分为：填充柱色谱和毛细管柱色谱； 按固定相的不同又分为：气固色谱和气液色谱 第2章 分析仪表 * 液相色谱 (2)液相色谱：流动相为液体（也称为淋洗液）。 按固定相的不同分为：液固色谱和液液色谱。 离子色谱：液相色谱的一种，以特制的离子交换树脂 为固定相，不同pH值的水溶液为流动相。 第2章 分析仪表 * (3)其他色谱方法 薄层色谱和纸色谱： 比较简单的色谱方法 凝胶色谱法：测聚合物分子 量分布。 超临界色谱: CO2流动相。 高效毛细管电泳: 九十年代快速发展、特 别适合生物试样分析分离的 高效分析仪器。 第2章 分析仪表 * 3.色谱分离过程 色谱分离过程是在色谱柱内完成的。 填充柱色谱: 气固(液固)色谱和气液(液液)色谱，两者的 分离机理不同。 气固(液固)色谱的固定相: 多孔性的固体吸附剂颗粒。 固体吸附剂对试样中各组分的吸附能力的不同。 气液(液液)色谱的固定相: 由 担体和固定液所组成。 固定液对试样中各组分的溶解能力的不同。 气固色谱的分离机理: 吸附与脱附的不断重复过程； 气液色谱的分离机理： 气液(液液)两相间的反复多次分配过程。 第2章 分析仪表 * 气相色谱分离过程 当试样由载气携带进入色 谱柱与固定相接触时，被固定 相溶解或吸附; 随着载气的不断通入，被 溶解或吸附的组分又从固定相 中挥发或脱附; 挥发或脱附下的组分随着 载气向前移动时又再次被固定 相溶解或吸附; 随着载气的流动，溶解、 挥发，或吸附、脱附的过程反 复地进行。 第2章 分析仪表 * 分配系数K 组分在固定相和流动相间发生的吸附、脱附，或溶解、 挥发的过程叫做分配过程。在一定温度下，组分在两相间 分