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仪器分析实验 1 实验1归一化法测定混合芳烃中各组分的百分含量气相色谱法 2 实验目的 了解气相色谱的结构 掌握基本使用方法掌握归一化法的原理以及定量分析方法掌握外标法和外标工作曲线法在气相色谱定量分析中的应用 3 色谱起源 加入石油醚分层 胡萝卜素叶黄素叶绿素A B Chromatography 原理 基于物质在不同相之间具有不同的分配系数引起的分离 4 色谱种类 气相色谱液相色谱超临界流体色谱薄层色谱 5 仪器装置 6 进样口 7 色谱柱 毛细管柱 填充柱 8 检测器 9 数据采集及处理系统 温控系统 进样系统柱箱检测器辅助部分 控温 10 实验内容 归一化法测定混合芳烃中各组分的百分含量 面积外标法定量测定气体中甲苯含量 11 归一化法 气相色谱中 把所有出峰组分含量之和以百分之百计算的定量分析方法称为归一化法样品中所有组分都能从色谱柱流出来并被检测到各个组分的含量不能相差太大 在FID上 各种烃类的相对质量校正因子都很相近 混合芳烃中各组分的百分含量近似等同于面积的百分含量 归一化法所得色谱图 12 顶空进样 只抽取平衡蒸汽顶空进样基体干扰少 可应用于新房子中甲醛含量的检测等 采用面积归一化法测定组分含量时 抽取气体体积不一样时 那么的测定的结果是否一样 归一化法定量特点 简单 方便 其结果与进样量无关 仪器条件稍有变化对结果影响不大 13 外标法 配制一系列不同浓度的样品进行色谱分析 做出峰面积对浓度的工作曲线浓度为100 500 1000ppm 直接进样1 L 归一化法所得色谱图 工作曲线 14 外标法测定样品时对体积要求如何 是否像归一化法一样 进样体积不一定要非常准确 外标法不同于归一化法 它对进样体积的要求非常严格 一定要很准确 这样才能得到较好的定量依据 归一化法测得的是百分含量不同仪器得到的工作曲线是不一样的 在做实验的时候 要使结果准确 还要对工作曲线进行及时的校正 15 实验2高效液相色谱法HighPerformanceLiquidChromatographyForShort HPLC 16 实验目的 了解HPLC仪器基本结构 掌握实验仪器的一般使用方法 加深对色谱分离原理的理解 掌握主要实验条件的选择 掌握液相色谱定性定量分析技术 实验内容反相高效液相色谱法分离测定烷基苯系物 17 实验讲解要点 一 色谱分离原理二 色谱分析技术三 HPLC仪器和使用方法四 HPLC和GC的比较五 RP HPLC测定烷基苯化合物原理 建议在实验过程中 对比前面的气相色谱实验技术 进一步巩固和提高所学知识和实验技能 18 一 色谱分离原理 色谱法是一类高效分离方法 色谱分离原理是什么 HPLC和GC仪器的分离部件是什么 它们有什么不同 HPLC和GC的主要差别 19 二 色谱分析技术 色谱分析是一类重要的仪器分析方法 其特点是分离能力强 定量准确 适合于复杂样品或多组分样品分析 常见的色谱定性方法 色谱定量分析的依据 气相色谱实验采用那种定量分析方法 有何特点 HPLC和GC的应用特点 20 三 HPLC仪器和实验技术 HPLC仪器的基本组分 主要部件的工作原理 HPLC和GC仪器的比较HPLC和GC实验技术的比较有人认为色谱分析实验很简单 就是打一针样品而已 你是怎么认为的 你是否给病人打过针 为什么没有 21 四 高效液相色谱仪的基本组成 分几个系统 和GC有何不同 高压泵工作原理 GC是如何进样的 记录系统和GC一样吗 22 高压泵工作原理 单向阀 高压液体有危险吗 高压泵如何改变流速 23 高压泵工作原理 单向阀 HPLC进样针与GC有何不同 为什么HPLC与GC进样要求不同 六通阀工作原理 流路切换 五 RP HPLC测定烷基苯化合物原理 什么是正相色谱 什么是反相色谱 什么是键合固定相 预测一下苯和甲苯在C18反相柱上的保留顺序 什么是反相色谱疏水机理 本实验的主要色谱分析条件有那些 流动相组成对保留时间有何影响 举例说明 改变检测波长对色谱图有何影响 25 HPLC的溶剂选择 本实验采用什么流动相 什么是HPLC级甲醇 乙腈溶剂 如何获得超纯水 本实验所用的流动相如何配制 流动相为什么要除气 如何除气 26 六 实验部分 一 溶液配制1配制标准系列溶液三组分混标液 每mL溶液分别含1 00mg苯 甲苯和乙苯 分别准确移取0 40 0 80 1 20 1 60和2 00mL三组分混标液于10mL容量瓶中 用流动相溶剂定容 2流动相的配制 过滤和除气 五组分混标液 含适量苯 甲苯 乙苯 丙苯和丁苯 标准苯测试液 未知样品1号 2号和3号 27 二 色谱实验条件 A组 WatersHPLC仪色谱柱 NovaPakC18 3 9 150mm 4 m 流动相 CH3OH H2O 70 30 v v 流速 0 8mL min检测波长 254nm进样体积 20 LB组 TSPHPLC仪色谱柱 HypersilBDSC18 4 0 200mm 5 m 流动相 CH3OH H2O 80 20 v v 流速 0 8mL min检测波长 254nm进样体积 20 L 28 三 实验内容与主要步骤 1更换流动相 2开动仪器 让色谱柱平衡 3设置色谱工作站参数 4进样 采集色谱图 1 五组分混标液2 标准溶液系列3 未知样品5色谱数据分析 打印色谱图及分析报告 6更换甲醇流动相 清洗色谱柱 7关闭仪器 29 实验46气相色谱 质谱法GasChromatographyMassSpectrometryForShort GC MS 30 气相色谱法 液相色谱法 超临界流体色谱法 毛细管电色谱法 适用分离混合低沸点化合物的色谱技术 一 实验原理 31 GC分离进样器 MS检测器 FTIR NMR UV 双重定性 1 色谱保留值2 谱图 32 一 气相色谱仪1 气相色谱分离原理试样中的各组分在色谱分离柱中的两相 固定相和流动相 间反复进行分配 由于各组分在性质和结构上的差异 使其被固定相保留的时间不同 随着流动相的移动 各组分按一定次序流出色谱柱 2 空心毛细管色谱柱30m 0 25mm 0 25 m固定液的选择 相似相溶 原则 33 3 载气流动相 高纯氦气 99 999 具有一定柱前压4 进样技术分流不分流 34 二 质谱仪1 工作流程图 真空系统 进样系统 检测器 数据处理系统 质量分析器 离子源 35 2 质谱的工作原理与气相色谱联用的分子质谱法一般采用高能粒子束 如电子 离子等 使已气化的分子离子化 形成具有特征质量的碎片离子或分子离子 然后在质量分析器中按质荷比 m z 的大小顺序进行收集和记录得到质谱图 并根据质谱图中峰的位置进行定性和结构分析 36 3 VarianSatrunGC MS是具有大质谱功能的台式质谱仪 内离子源设计 MS MS设计 37 三 分析物1 目标待测物 甲拌磷 Phorate MW 260 二嗪磷 diazinon MW 304 甲基对硫磷 methylparathion MW 263 杀螟硫磷 fenitrothion MW 277 稻丰散 phenthoate MW 320 乙硫磷 ethion MW 384 38 毒死蜱 chlorpyrifos MW 350 有机磷均含有带有氧硫的含磷基团 在用电子轰击 EI 质谱法分析时 此基团的碎片离子具有较强的稳定性 2 内标物 39 二 编辑方法控制仪器运行1 3900型GC条件的设置 40 2 2000型MS条件的设置 41 3 8410型自动进样器条件的设置 I 正己烷II 甲醇 进样方式 1 单个进样 2 连续进样 42 三 数据处理1 定性 谱库检索 43 2 定量内标工作曲线法内标法是在试样各含量不同的一系列试样中 分别加入固定量的纯物质 即内标物 当测得分析物和内标物对应的响应后 以分析物与内标物的响应比对分析物与内标物的浓度比作图 可得到一条线性的校正曲线 Ci Cs Ai As 44 实验49核磁共振波谱法 NuclearMagneticResonanceForShort NMR 45 核磁共振波谱法 一 NMR三要素二 NMR的基本信息及NMR谱图解析三 NMR谱仪结构四 NMR实验操作步骤 46 一NMR的三要素 磁性核 静磁场 射频场 磁性原子核 质子数或中子数为奇数的原子核具有自旋角动量 当原子核自旋时 相当于核表面的正电荷在运动 运动的电荷即电流会感应产生磁场 因此 每一个自旋的原子核相当于一个磁偶极子 自旋的原子核也称为磁性核 例如1H 13C 19F等 47 一NMR的三要素 磁性核 静磁场 射频场 静磁场 没有外加静磁场时 原子核的自旋是任意取向的 样品的宏观磁矩为零 当把含磁性核的样品放入静磁场时 对于自旋I 1 2的原子核 核自旋有两种取向 一种与外加静磁场平行 原子核的能量降低 另一种与外加静磁场反平行 原子核的能量升高 即原子核产生能级分裂 48 一NMR的三要素 磁性核 静磁场 射频场 射频场 如果在垂直于外加静磁场的方向加一射频场 当射频场的角频率满足时 原子核产生共振吸收信号 其中为Planck常数 为原子核的旋磁比 为外加静磁场的强度 49 SpinStateEnergyDifferencesvs MagneticFieldStrength 0 4 7 9 4 Energy Magneticfieldstrength B0 Tesla E 200MHzfor1H aspinstate E 400MHzfor1H HighFieldNMR increasedsensitivity increasedresolution randomlyorientednuclei nomagneticfield 50 二NMR谱的基本信息 化学位移自旋耦合谱线积分面积 51 1化学位移 ChemicalShift Blocal abarenucleus H feelsthefulleffectoftheexternalfield B0 electrondensitypartiallyshieldsthenucleusfromB0soit feels Blocal electronsgenerateaninducedfield Bi whichopposesB0 Bi 52 1化学位移 ChemicalShift 由于原子核外有电子屏蔽 原子核感受到的是所处环境局域场的磁场强度 其中为屏蔽常数 随着原子核所处的化学环境变化而变化 因此 当原子核所处的化学环境不同时 原子核感受到的磁场强度不同 因此共振频率不同 谱峰落在不同的位置上 换言之 原子核的共振频率与原子核所处的化学环境有关 即与屏蔽常数有关 53 一些常见基团的1H化学位移值 54 2自旋耦合 自旋原子核通过成键电子相互作用 引起谱线裂分 对自旋I 1 2的弱耦合体系 满足n 1裂分规则 即一个自旋I 1 2的原子核 如果与n个自旋I 1 2的原子核相互耦合 那么该原子核的谱峰将裂分为n 1重峰 各峰的强度比满足二项式展开系数 55 ethyl isopropyl singletdoublettripletquartetpentet1 11 2 11 3 3 11 4 6 4 1 常见的耦合裂分模式 ethylsignature quartet tripletwithintegrationratioof2 3 septet doublet 1 6ratio 56 3积分面积 谱线积分值与共振核的个数成正比 这是NMR谱可以定量分析分子中共振核的个数的依据 如图五Ethylformate的1H NMR谱中 CH3 CH2 CH 的积分面积分别为3 2 1 分别对应于共振核个数3 2 1 57 三NMR谱仪结构图 58 400MHzNMRSpectrometer 400MHzAvanceSystem 计算机 电子控制柜 超导体 59 400MHzSuperconductingMagnet magneticfieldstrength 9 4Tesla 94 000gauss 400MHzisthefrequencyusedforprotondetectioninthisfield NMRsampletubeandholderdescendintocenterofmagnet Keepmetal ferromagnetic objects pacemakers andcreditcardsseveralfeetaway 60 NMRSamplePosition priortoreleaseintoprobe LiquidHelium 269 C 4 2K LiquidNitrogen 196 C 77 4K NMRsamplepositionedattopofprobe Superconductingmagnetsrequirecontinuouscooling 61 探头 超导磁体横切面图 超导磁体剖面图 62 四1NMR实验安全 机械表 磁卡 含铁的工具 装有心脏起博器和人工假肢等不可靠近磁体 63 四1NMR实验安全 操作注意事项样品管洗干净后自然晾干 以免它变形将样品管插入转子的步骤如下图所示 样品管底部最多只能放到样品规的底部 而且液柱中心应与黑色中心线对齐 将样品管插入转子的步骤 样品管在探头中的位置 64 四1NMR实验安全 放样步骤键入rooff 停止腔内样品旋转 键入ej 打开压缩空气闸门腔内样品弹出 或听到气流声后 取出原有样品 放入新样品键入ij 关闭压缩空气闸门 把样品送入腔内 65 四2NMR实验步骤 SamplepreparationPredefineparametersetsLock turn march shimAcquireProcessPrint 66 实验13原子发射光谱法 AtomicEmissionSpectroscopyForShort AES 67 一 原子发射光谱的产生 电能 热能 光能等激发气态基态原子 离子的核外电子受激跃迁至高能态 气态 激发态原子 离子的核外电子 迅速回到低能态时以光辐射的形式释放能量 原子发射光谱 寿命小于10 8s 第一部分基本原理 激发电位共振线 第一共振线最灵敏线 最后线 分析线 4 原子线 M M I 离子线 M M M 2 M2 68 能级图 把原子中所可能存在的光谱项 能级及能级跃迁用平面图解的形式表示出来 称为能级图 Na 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 69 二 原子发射谱线强度与试样中元素浓度的关系 gi g0 激发态和基态的统计权重Ei 激发电位K Boltzmann常数T 温度KAi 蒸发出的原子数K 蒸发速率常数 逸出速率常数C 试样中浓度 电离度 1 谱线强度及其影响因素 Ii gi g0e Ei kTAih i 1 k C 谱线强度的基本公式 当以上的影响因素恒定时 Ii A C 70 2 谱线的自吸与自蚀 A 自吸I I0e adI0为弧焰中心发射的谱线强度 a为吸收系数 d为弧层厚度 B 自蚀在谱线上 常用r表示自吸 R表示自蚀 在共振线上 自吸严重时谱线变宽 称为共振变宽 Ii A Cb 考虑到自吸作用的影响时 71 激发源 光源 单色器 检测器 数据处理与显示 一 原子发射光谱法的分析过程 第二部分原子发射光谱仪 72 A 低压交流电弧 高频高压引火线路 低频低压燃弧线路 2 5 3KV 10KV4000 7000K 特点与应用 电极放电较稳定适用于矿物 低含量金属的测定 只能测定固体粉末 二 激发源 光源 B 电感耦合等离子体ICP Inductivelycoupledplasma 73 三 单色器 摄谱仪 A 平面光栅摄谱仪的色散系统 平面光栅衍射的线色散率 分辨率 聚光本领 74 四 检测器 摄谱步骤 感光板 玻璃板为支持体 涂抹感光乳剂 AgBr 明胶 增感剂 安装感光板在摄谱仪的焦面上激发试样 产生光谱而感光显影 定影 制成谱板特征波长 定性分析特征波长下的谱线强度 定量分析 显影 对苯二酚 海德洛 感光 2AgX 2h Ag 形成潜影中心 X2 A 摄谱法 对甲氨基苯酚 米吐尔 定影 AgBr Na2S2O3 NaAgS2O3Na3Ag S2O3 2Na5Ag3 S2O3 4 硫代硫酸钠 海波 75 感光板乳剂特性曲线 A 曝光量 H 与照度 E 的关系 B 黑度 S i0未曝光部分的透光强度i曝光部分的透光强度 C 黑度 S 与曝光量 H 的关系 黑度 S 与曝光量 H 的关系难以用一般的数学公式描述 S logH感光板的反衬度 对比度 Hi 为感光板的惰延量 感光板 0 4 1 8 定量分析 采用 较高的感光板 紫外 型感光板 定性分析 采用Hi较小即灵敏度较高的感光板 紫外 型感光板 76 B 光电直读光谱仪的类型 真空紫外直读光谱仪 170 340nm氦气 氮气保护测定C S Petc非真空直读光谱仪 200 900nm 波长 扫描型直读光谱仪 转动光栅扫描 C 全谱直读ICP OES光谱仪 77 1 定性分析的基本原理 摄谱法 光电法 五 AES的定性定量分析方法 原子的核外电子能级不同时 跃迁产生不同波长的光谱线 通过检测特征光谱线存在否 确证某元素可否存在 一般利用2 3根原子线 离子线的第一共振线 最灵敏线 最后线 分析线进行定性分析 78 光谱定性分析的相对灵敏度 2 定性分析的方法 摄谱法 A 标准样品与试样光谱比较法 用标准样品与试样在相同的条件下摄谱 比较标准样品与试样所出现的特征谱线 若试样光谱中出现标准样品所含元素的2 3条特征谱线 就可以证实试样中含有该元素 否则不含有该元素 79 上标 谱线的强度级 1 10级 下标 原子线 与离子线 2 3 底标 波长十位后尾数 12 3 2712 3埃 47 3 2747 3埃 B 标准铁光谱图比较法 标准铁光谱图 一级 2300 3500埃 15张 80埃 张 以铁光谱作为波长标尺 标有68种元素的480多条特征谱线 80 D 标准铁光谱比较法操作 C 谱线的强度级 1 10级 谱线消失法 随元素含量减少 低级谱线消失 谱线呈现法 随元素含量增加 低级谱线呈现 在摄制试样光谱的同时 在感光板上摄制1 2条铁光谱 在8W 光谱投影仪上将感光板上光谱放大20倍 以铁光谱作为波长标尺 使感光板上的铁光谱与标准铁光谱上的铁光谱对齐且平行 找出标准铁光谱上所标有各元素的特征谱线在试样光谱中是否出现 若某元素的2 3条特征谱线出现 该元素就存在 再根据所出现的谱线相对强度级 估计相对含量 81 3 原子发射光谱法的半定量分析 摄谱法 将试样与已知不同含量的系列标准样品在一定条件下摄谱于同一光谱感光板上 在映谱仪上用目视法直接比较被测试样与标样光谱中分析线黑度 根