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第5章 仪器分析法教学目标：让学生了解和掌握各种仪器分析方法的基本原理，监测仪器的构成元件，监测仪器的使用方法，了解监测仪器的使用操作范围和条件。教学重点：1.分光光度法的基本原理、分光光度计的基本部件、分光光度计的使用方法。2.气相色谱分析的基本原理、气相色谱检测器的构成部件、气相色谱的定量和定性分析方法、气相色谱分析的特点和应用范围教学难点：1.分光光度法的基本原理、分光光度计的使用方法。2.气相色谱分析的基本原理、气相色谱的定量和定性分析方法、气相色谱分析的特点和应用范围教学手段及教具：讲授法、讨论法、多媒体课件、视频、图片、动画演示。授课课时：6课时课后作业： 课本P165-166：3、5、7、15、18、参考资料：1.奚旦立主编，环境监测（第三版），高等教育出版社；2.张世森主编，环境监测技术，北京：高等教育出版社，1992；3.国家环保局，水和废水监测分析方法编委会编，水和废水监测；4.崔树军主编，环境监测（第一版），中国环境科学出版社，2008；5.陈玲，赵建夫主编，环境监测，北京：化学工业出版社，2004；6.陆雍森等，环境监测，北京：中国环境科学出版社.教学内容：第一节 概 论仪器分析法简介一、仪器分析法定义：以测量物质的物理和化学性质为基础的分析方法。二、仪器分析方法分类： 1.光谱分析2.电化学分析3.色谱分析4.热分析5.其它色谱法概述一、色谱法的由来 11906年由俄国植物学家Tsweet创立 2现在：一种重要的分离、分析技术分离混合物各组分并加以分析 固定相除了固体，还可以是液体 流动相液体或气体 色谱柱各种材质和尺寸 被分离组分不再仅局限于有色物质二、色谱法定义、实质和目的 定义：利用物质的物理化学性质建立的分离、分析方法 实质：分离 目的：定性分析或定量分析三、分类： 1按两相分子的聚集状态分：2按固定相的固定方式分：3按分离机制分：图5-3 色谱法简单分类第二节 分光光度法分光光度法是基于物质对光的选择性吸收而建立起来的分析方法。包括比色法、可见及紫外分光光度法和红外光谱法等。特点： 相对误差小，可以满足微量组分测定的要求； 选择性好； 测定迅速； 仪器操作简单； 应用范围广（几乎所有的无机物和许多有机物均可用此法测定）。一、分光光度法的基本原理当一束光强度为Io的平行单色光通过有色溶液时，一部分被溶液吸收（ Ia ），一部分被器皿表面反射（ Ir ），一部分则透过溶液（ It ）。 Io Ia Ir It Ir 可认为是常数，可忽略，则： Io Ia It透光度或透射比： T It / Io吸光度： A Lg Io /I Kbc （朗伯-比尔定律） 其中K为比例常数，与吸光物质的性质、入射光波长及温度等因素有关；C为溶液浓度；b为液层的长度。二、分光光度计的基本部件分光光度计一般按工作波长范围分类： 1.紫外可见分光光度计：主要用于无机物和有机物含量的测定； 2.红外分光光度计：主要用于结构分析。 分光光度计又可分为：单光束分光光度计、双光束分光光度计和双波长分光光度计。 单光束分光光度计 经单色器分光后的一束平行光，轮流通过参比溶液和样品溶液，以进行吸光度的测定。这种简易型分光光度计结构简单，操作方便，维修容易，适用于常规分析。 双光束分光光度计 经单色器分光后经反射镜分解为强度相等的两束光，一束通过参比池，一束通过样品池。光度计能自动比较两束光的强度，此比值即为试样的透射比，经对数变换将它转换成吸光度并作为波长的函数记录下来。 双光束分光光度计一般都能自动记录吸收光谱曲线。由于两束光同时分别通过参比池和样品池，还能自动消除光源强度变化所引起的误差。 双波长分光光度计 由同一光源发出的光被分成两束，分别经过两个单色器，得到两束不同波长（l1和l2）的单色光；利用切光器使两束光以一定的频率交替照射同一吸收池，然后经过光电倍增管和电子控制系统，最后由显示器显示出两个波长处的吸光度差值。对于多组分混合物、混浊试样（如生物组织液）分析，以及存在背景干扰或共存组分吸收干扰的情况下，利用双波长分光光度法，往往能提高方法的灵敏度和选择性。利用双波长分光光度计，能获得导数光谱。 通过光学系统转换，使双波长分光光度计能很方便地转化为单波长工作方式。如果能在l1和l2处分别记录吸光度随时间变化的曲线，还能进行化学反应动力学研究。三、分光光度计基本结构分光光度计由五个单元组成（一）光源 对光源的基本要求是应在仪器操作所需的光谱区域内能够发射连续辐射，有足够的辐射强度和良好的稳定性，而且辐射能量随波长的变化应尽可能小。 分光光度计中常用的光源有热辐射光源和气体放电光源两类。 热辐射光源用于可见光区，如钨丝灯和卤钨灯；气体放电光源用于紫外光区，如氢灯和氘灯。钨灯和碘钨灯可使用的范围在340 2500nm。这类光源的辐射能量与施加的外加电压有关，在可见光区，辐射的能量与工作电压4次方成正比。光电流与灯丝电压的n次方（n1）成正比。因此必须严格控制灯丝电压，仪器必须配有稳压装置。 在近紫外区测定时常用氢灯和氘灯。它们可在160 -375 nm范围内产生连续光源。氘灯的灯管内充有氢的同位素氘，它是紫外光区应用最广泛的一种光源，其光谱分布与氢灯类似，但光强度比相同功率的氢灯要大3-5倍。（二）单色器 单色器是能从光源辐射的复合光中分出单色光的光学装置，其主要功能：产生光谱纯度高的波长且波长在紫外可见区域内任意可调。 单色器一般由入射狭缝、准光器（透镜或凹面反射镜使入射光成平行光）、色散元件、聚焦元件和出射狭缝等几部分组成。其核心部分是色散元件，起分光的作用。单色器的性能直接影响入射光的单色性，从而也影响到测定的灵敏度度、选择性及校准曲线的线性关系等。 能起分光作用的色散元件主要是棱镜和光栅。棱镜有玻璃和石英两种材料。它们的色散原理是依据不同的波长光通过棱镜时有不同的折射率而将不同波长的光分开。由于玻璃可吸收紫外光，所以玻璃棱镜只能用于350 3200 nm的波长范围，即只能用于可见光域内。石英棱镜可使用的波长范围较宽，可从185 4000nm，即可用于紫外、可见和近红外三个光域。 光栅是利用光的衍射与干涉作用制成的，它可用于紫外、可见及红外光域，而且在整个波长区具有良好的、几乎均匀一致的分辨能力。它具有色散波长范围宽、分辨本领高、成本低、便于保存和易于制备等优点。缺点是各级光谱会重叠而产生干扰。 入射、出射狭缝，透镜及准光镜等光学元件中狭缝在决定单色器性能上起重要作用。狭缝的大小直接影响单色光纯度，但过小的狭缝又会减弱光强。（三）吸收池 吸收池用于盛放分析试样，一般有石英和玻璃材料两种。石英池适用于可见光区及紫外光区，玻璃吸收池只能用于可见光区。为减少光的损失，吸收池的光学面必须完全垂直于光束方向。在高精度的分析测定中（紫外区尤其重要），吸收池要挑选配对。因为吸收池材料的本身吸光特征以及吸收池的光程长度的精度等对分析结果都有影响。（四）检测器 检测器的功能是检测信号、测量单色光透过溶液后光强度变化的一种装置。 常用的检测器有光电池、光电管和光电倍增管等。 硒光电池对光的敏感范围为300800nm，其中又以500 600nm最为灵敏。这种光电池的特点是能产生可直接推动微安表或检流计的光电流，但由于容易出现疲劳效应而只能用于低档的分光光度计中。 光电管在紫外-可见分光光度计上应用较为广泛。 光电倍增管是检测微弱光最常用的光电元件，它的灵敏度比一般的光电管要高200倍，因此可使用较窄的单色器狭缝，从而对光谱的精细结构有较好的分辨能力。（五）显示装置 它的作用是放大信号并以吸光度或透射比的方式显示或记录下来。常用的信号指示装置有直读检流计、电位调节指零装置以及数字显示或自动记录装置等。很多型号的分光光度计装配有微处理机，一方面可对分光光度计进行操作控制，另一方面可进行数据处理。第三节 光谱分析法一、光谱分析法及其分类1光谱法：利用物质与电磁辐射作用时，物质内部发生量子化能级跃迁而产生的吸收、发射或散射、辐射等电磁辐射的强度随波长变化的定性、定量分析方法。是一类重要的仪器分析方法。 2非光谱法：利用物质与电磁辐射的相互作用测定电磁辐射的反射、折射、干涉、衍射和偏振等基本性质变化的分析方法分类：折射法、旋光法、比浊法、射线衍射法二、原子吸收光谱法1.定义：原子吸收光谱法又称原子吸收分光光度法，简称原子吸收分析法。它是基于从光源辐射出具有待测元素特征谱线的光，通过试样蒸气时被蒸气中待测元素基态原子所吸收，由辐射特征谱线光被减弱的程度来测定试样中待测元素含量的一种方法。2.特点：干扰少、准确度高、灵敏度高、测定范围广、操作简便、分析速度快等特点。3.不足：测定不同元素时需要更换光源灯，使用不太方便；不利于同时进行多种元素的分析；对于多数非金属元素的分析尚有一定困难。4.原理：是利用待测元素原子蒸气中基态原子对该元素的共振线的吸收来进行测定的。但是，在原子化过程中，待测元素由分子解离成的原子不可能全部是基态原子，其中必有一部分为激发态原子。 AkNLkc （比尔定律） 原子吸收光谱法的定量基础三、原子发射光谱法1.定义：原子发射光谱法是根据原子所发射的光谱来测定物质的化学组分的。2.原理：试样在外界能量的作用下转变成气态原子，并使气态原子的外层电子激发至高能态；当从较高的能级跃迁到较低的能级时，原子将释放出多余的能量而发射出特征谱线；对所产生的辐射经过摄谱仪器进行色散分光，按波长顺序记录在感光板上，就可呈现出有规则的谱线条，即光谱图；然后，根据所得光谱图进行定性鉴定或定量分析。3.特点：灵敏快速、非常简单。4.应用：适宜于做低含量及痕量元素的分析，但不能用于分析有机物及大部分非金属元素。周期表上约70多种元素可以用此法较容易的定性检定。四、紫外吸收光谱法1.定义：紫外吸收光谱是由于分子中价电子的跃迁而产生的。是基于物质对紫外区域的光的选择吸收的分析方法。2.原理：其原理与可见分光光度法基本相同，定量分析的基础是朗伯比尔定律。3.特点：灵敏度高、准确度高、仪器简单、操作方便。4.应用：用来进行在紫外区范围有吸收峰的物质的检定和结构分析；有机化合物的分析与检定、同分异构体的鉴别、物质结构的测定等。五、红外吸收光谱法1.定义：红外吸收光谱法又称分子振动转动法。定量分析以朗伯比尔定律为基础。原则上，液体、固体和气体样品都可以应用红外光谱法做定量分析。2.应用： 分子结构的基础研究； 化学组成的分析。第四节 气相色谱法1.气相色谱分析法概述气相色谱法(gas chromatography，GC)以气体作为流动相的色谱法叫气相色谱法.只要在450以下有1.5KPa-10KPa的蒸汽压且热稳定性好的有机及无机化合物都可用气液色谱分离。1.1 气相色谱法的分类 按固定相状态分类：（GLC）；(GSC) 按分离原理分类：分配色谱和吸附色谱。 按色谱柱操作形式：填充柱色谱和毛吸管色谱。（1）按固定相状态分类：GLC：气相色谱多用高沸点的有机化合物（液）涂渍在惰性载体上作为固定相，一般只要在450以下有1.5KPa-10KPa的蒸汽压且热稳定性好的有机及无机化合物都可用气液色谱分离。由于在气液色谱中可供选择的固定液种类很多，容易得到好的选择性，所以气液色谱有广泛的实用价值。GSC：气固色谱是用多孔性固体为固定相，分离的主要对象是一些永久性的气体和低沸点的化合物。但由于气固色谱可供选择的固定相种类甚少，分离的对象不多，且色谱峰容易产生拖尾，因此实际应用较少。 1.2 气相色谱法的特点： 高分离效能：能分离组分极为复杂的混合物。 高选择性：能分离结构相似的物质。 高灵敏度：分析极微量的物质（10-1210-14 g）。 样品用量少：所用样品量一般以ng，甚至pg计。 分析速度快：可在几分钟内完成测定。 不足之处： 1.不适用于高沸点、难挥发、热不稳定物质的分析。 2.被分离组分的定性较为困难。1.3 分析流程： 气相色谱仪组成： （1）气路系统：包括载气气源、气体调节与控制。 （2）进样系统：包括气体进样阀、进样器、控温部件。 （3）分离系统：包括色谱柱、柱室、控温部件。 （4）检测系统：包括检测器、控温部件。 （5）记录系统：包括放大器、记录仪、数据处理机。 色谱柱和检测器是气相色谱仪的两大主要部件。 2 气相色谱法基本原理塔板理论(theoretical plate number,N热力学)，解释色谱峰形正态分布，定量表示色谱柱的分离效率（简称柱效）。2.1 塔板理论的假设：样品各组分多次分配平衡2.2 柱效能指标：理论塔板数：是衡量柱效能的物理量。用n表示。 n=5.54（tR /Wh/2）2 n=16（tR /W）2 理论塔板高：单位理论塔板的长度。H=L/n 。有效塔板数：减去死时间后衡量柱效能的物理量。neff =5.54（tR/W h/2）2 neff =16（tR /W）2柱效能评价：柱长一定，n或neff 越大，H越小，柱效越高。 同一色谱柱对不同样品组分的柱效能不同。同一组分在相同峰位置时峰越窄，柱效能越高。气相色谱分离过程 当试样由载气携带进入色谱柱，被固定相溶解或吸附。 载气将被溶解或吸附的组分又从固定相中挥发或脱附。 挥发或脱附的组分随载气前移时又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。 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。分配系数：在一定温度下，组分在两相间分配达到平衡时的浓度（g / mL）比，称为分配系数。 一定温度下，分配系数K越大，出峰越慢； 不同组份，在不同固定相上的分配系数K不同（分离 的基础）； 选择适宜的固定相可改善分离效果； 某组分的K = 0时，即不被固定相保留，最先流出。1塔板理论的基本假设 塔板理论是Martin和Synger提出的色谱热力学平衡理论。 把色谱柱看作分馏塔，分离过程看成在分馏塔中的分馏过程，即组分在塔板间隔内的分配平衡过程。塔板理论的基本假设为：1） 色谱柱内存在许多塔板，组分在塔板间隔（即塔板高度）内完全服从分配定律，并很快达到分配平衡。 2） 样品加在第0号塔板上，样品沿色谱柱轴方向的扩散可以忽略。 3） 流动相在色谱柱内间歇式流动，每次进入一个塔板体积。 4） 在所有塔板上分配系数相等，与组分的量无关。 如色谱过程是一个动态过程，很难达到分配平衡；组分沿色谱柱轴方向的扩散是不可避免的。但是塔板理论导出了色谱流出曲线方程，成功地解释了流出曲线的形状、浓度极大点的位置，能够评价色谱柱柱效。2色谱流出曲线方程及定量参数（峰高h和峰面积A） 色谱流出曲线方程：当ttR时，浓度C有极大值。Cmax就是色谱峰的峰高。 因此： 当实验条件一定时（即一定），峰高h与组分的量C0（进样量）成正比，所以正常峰的峰高可用于定量分析。 当进样量一定时，越小（柱效越高），峰高越高，因此提高柱效能提高HPLC分析的灵敏度。 由流出曲线方程对V(0)求积分，即得出色谱峰面积A。可见A相当于组分进样量C0，常用的定量参数。把Cmaxh和W h/22.355代入上式，即得A1.064Wh/2h，此为正常峰的峰面积计算公式。2.3速率理论贡献：速率理论（动力学）峰变宽原因，载气流速对n的影响速率方程：van Deemter方程 H=A+B/u+Cu（1）涡流扩散项A；固定相对流动组分的阻碍。（2）分子扩散项B/u；样品组分的浓度梯度，产生浓差扩散，引起峰扩张。（3）传质阻力项Cu；组分在两相扩散分配受的传质阻力。总之，为提高柱效，必须使涡流扩散、分子扩散、传质阻力各项都减小。速率理论（又称随机模型理论）.液相色谱速率方程 1956年荷兰学者Van Deemter等人吸收了塔板理论的概念，并把影响塔板高度的动力学因素结合起来，提出了色谱过程的动力学理-速率理论。把色谱过程看作一个动态非平衡过程，研究过程中的动力学因素对峰展宽（即柱效）的影响。.影响柱效的因素1）涡流扩散（eddy diffusion）。由于色谱柱内填充剂的几何结构不同，分子在色谱柱中的流速不同而引起的峰展宽。应采用细而均匀的载体，这样有助于提高柱效。毛细管无填料，A0。2）分子扩散（molecular diffusion）。又称纵向扩散。由于进样后溶质分子在柱内存在浓度梯度，导致轴向扩散而引起的峰展。分子在柱内的滞留时间越长（u小），展宽越严重。在低流速时，它对峰形的影响较大。3）传质阻抗（mass transfer resistance）。由于溶质分子流动相、静态流动相和固定相中的传质过程而导致的峰展宽。溶质分在流动相和固定相中的扩散、分配、转移的过程并不是瞬间达到平，实际传质速度是有限的，这一时间上的滞后使色谱柱总是在非平状态下工作，从而产生峰展宽。速率方程式可以看出，要获得高效能的色谱分析，一般可采用以下措施： 进样时间要短。 填料粒度要小。 改善传质过程。过高的吸附作用力可导致严重的峰展宽和拖尾，甚至不可逆吸附。 适当的流速。以H对u作图，则有一最佳线速度，在此线速度时，H最小。一般在液相色谱中，线速度很小（大约0.030.1mm/s），在这样的线速度下分析样品需要很长时间，一般来说都选在1mm/s的条件下操作。 较小的检测器死体积。3、气相色谱柱分离系统由色谱柱组成，它是色谱仪的核心部件，其作用是分离样品。色谱柱主要有两类：填充柱和毛细管柱。 1）填充柱 填充柱由不锈钢或玻璃材料制成，内装固定相，一般内径为26 mm，长14m。填充柱的形状有U型和螺旋型二种。 2）毛细管柱 毛细管柱又叫空心柱，分为涂壁，多孔层和涂载体空心柱。涂壁空心柱是将固定液均匀地涂在内径0.l0.5mm，10100m的毛细管内壁而成，毛细管材料可以是不锈钢，玻璃或石英。毛细管色谱柱渗透性好，传质阻力小，而柱子可以做到长几十米。与填充往相比，其分离效率高（理论塔板数可达106）、分析速度块、样品用量小，但柱容量低、要求检测器的灵敏度高，并且制备较难。 3.1 固定相的类型及要求3.1.1气固色谱固定相固体吸附剂 该类型色谱柱是利用其中固体吸附剂对不同物质的吸附能力差别进行分离。主要用于分离小分子量的永久气体及烃类。常用固体吸附剂：硅胶(强极性)、氧化铝(弱极性)、活性炭(非极性)、分子筛(极性，筛孔大小)人工合成固体吸附剂高分子多孔微球(GDX)：人工合成的多孔聚合物，其孔径大小可以人为控制。可在活化后直接用于分离。高分子多孔微球可分为两类： 非极性：苯乙烯+二乙烯苯共聚：GDX-1和2型（国产）； Chromosorb系列（国外）； 极性：苯乙烯+二乙烯苯共聚物中引入极性基团：GDX-3和4型（国产）； Porapak N等（国外）。3.1.2 气液色谱固定相载体+固定液 气液色谱固定相由载体(Solid support material)和固定液(Liquid stationary phase) 构成：载体为固定液提供大的惰性表面，以承担固定液，使其形成薄而匀的液膜。 载体(也称担体)有：硅藻土；卤化碳；玻璃微珠； 对载体的要求：粒度均匀、强度高的球形小颗粒；至少1m2/g的比表面(过大可造成峰形拖尾)；高温下呈惰性(不与待测物反应)并可被固定液完全浸润。载体类型：分为硅藻土型和非硅藻土型，前者又分为白色和红色担体。载体表面处理：酸碱处理；硅烷化；釉化；物理覆盖硅藻土含有硅醇基(SiOH)、Al2O3、Fe等，也就是说，它具有活性而不完全化学惰性，需进行化学处理。固定液及其选择固定液（stationary liquid）指涂渍于载体表面上起分离作用的固定相。（1）常用固定液： 非极性固定液； 中等极性固定液； 强极性固定液；（2）对固定液的要求： a) 热稳定性好、蒸汽压低流失少； b) 化学稳定性好不与其它物质反应； c) 对试样各组分有合适的溶解能力（分配系数K 适当）； d) 对各组分具有良好的选择性。（3）固定液与组分的作用力： a) 色散力非极性分子之间（瞬时偶极之间静电吸引）； b) 诱导力极性与非极性分子之间（偶极与瞬时偶极之间静电吸引）； c) 取向力极性与极性分子之间（偶极与偶极之间静电吸引） d) 氢键力强度介于化学键力和范德华力之间的静电吸引，亦属取向力 前三种统属范德华力，后者属特殊范德华力。（4）固定液选择：按“相似相溶”原理选择固定液。 非极性组分非极性固定液沸点低的物质先流出； 极性物质极性固定液极性小的物质先流出； 各类极性混合物极性固定液极性小的物质先流出； 氢键型物质氢键型固定液不易形成氢键的物质先流出； 复杂混合物两种或以上混合固定液3.1.3合成固定相： 高分子多孔微球； 球形多孔硅胶 化学键合固定相，3.2 固定相的选择：根据“相似相溶”原则选择。3.3填充柱的制备： 1)选及清洗柱； 2)选固定相； 3)制备柱填料； 4)填充色谱柱； 5)老化。4 气相色谱检测器气相色谱检测器是把载气里被分离的各组分的浓度或质量转换成电信号的装置。4.1 常用的几种检测器：（1）热导检测器(Thermal conductivity detector, TCD);（2）氢火焰离子化检测器(Flame ionization detector, FID);（3）电子捕获检测器(Electron capture detector, ECD);（4）火焰光度检测器(Flame photometric detector, FPD);（5）氮磷检测器（Nitrogen-phosphorus detector, NPD）也称热离子检测器(Thermionic detector, TID);（1）热导检测器TCD TCD是一种应用较早的通用型检测器，又称导热析气计(Katharometer)。现仍在广泛应用。原理：由于不同气态物质所具有的热传导系数不同，当它们到达处于恒温下的热敏元件（如Pt, Au, W, 半导体）时，其电阻将发生变化，将引起电阻变化通过某种方式转化为可以记录的电压信号，从而实现其检测功能。构成：由池体和热敏元件构成。通常将参比臂和样品臂组成Wheatstone 电桥。特点：结构简单，性能稳定，几乎对所有物质都有响应，通用性好，而且线性范围宽，价格便宜，因此是应用最广，最成熟的一种检测器。缺点：灵敏度较低。（2）火焰离子化检测器（FID） 又称氢焰离子化检测器。主要用于可在H2-Air火焰中燃烧的有机化合物(如烃类物质)的检测。原理：含碳有机物在H2-Air火焰中燃烧产生碎片离子，在电场作用下形成离子流，根据离子流产生的电信号强度，检测被色谱柱分离的组分。结构：主体为离子室，内有石英喷嘴、发射极(极化极，此图中为火焰顶端)和收集极。工作过程：来自色谱柱的有机物与H2-Air混合并燃烧，产生电子和离子碎片，这些带电粒子在火焰和收集极间的电场作用下（几百伏）形成电流，经放大后测量电流信号（10-12 A）。火焰离子化机理： 有关机理并不十分清楚，但通常认为是化学电离过程：有机物燃烧产生自由基，自由基与O2作用产生正离子，再与水作用生成H3O+。以苯为例：影响FID灵敏度的因素：1）载气和氢气流速：通常以N2为载气，其流速主要考虑其柱效能。但 也要考虑其流速与H2流速相匹配。一般N2:H2 = 1:11:1.5；当以He 为载气时，则氢气流速= 1/3H2+10mL。2）空气流速：流速越大。灵敏度越大，到一定值时，空气流速对灵敏 度影响不大。一般地，H2:Air = 1:10。3）极化电压：在50V以下时，电压越高，灵敏度越高。但在50V以上， 则灵敏度增加不明显。通常选择100300V的极化电压。4）操作温度：比柱的最高允许使用温度低约 50oC(防止固定液流失及基 线漂移) FID特点：1）灵敏度高(10-13g/s)；2）线性范围宽(107数量级)；3）噪声低；检出限低，可达10-12gS-1；4）耐用且易于使用；5）为质量型检测器，色谱峰高取决于单位时间内引入检测器中组分的质量。在样品量一定时，峰高与载气流速成正比。因此在用峰高定量时，应控制流速恒定！6）对无机物、永久性气体和水基本无响应（不足?），因此FID特别适于水中和大气中痕量有机物分析或受水、N和S的氧化物污染的有机物分析。7）对含羰基、羟基、卤代基和胺基的有机物灵敏度很低或无响应。8）样品受到破坏。缺点：不能检测永久性气体、水、一氧化碳、二氧化碳、氮的氧化物、硫化氢等。（3）电子捕获检测器(ECD)定义：又称电子俘获检测器，是一种选择性很强的检测器，对含有较大电负性原子的化合物（如含卤素、硫、磷、氰等的物质）的检测有很高灵敏度（检出限约1O-14gcm-3）。它是目前分析痕量电负性有机物最有效的检测器。ECD特别适合于环境样品中卤代农药和多氯联苯等微量污染物的分析。缺点：线性范围窄，只有103左右，且响应易受操作条件的影响，重现性较差。ECD 特点：1）响应电流i与浓度c是非线性的，即， 该式类似于比尔定律。其中，i0为基流，K 为电子吸收系数(不同物质K值不同)。2）对如卤素基、过氧基、醌基、硝基等含电负性的功能团的分子具有极高的选择性和灵敏度；但对含酰胺基和羟基的化合物以及烃类物质不灵敏。3）与FID相比，ECD对样品的破坏不大；4）线性范围为两个数量级，相对FID来说，这不算大;5）要求载气纯度要高(99.99%)，否则杂质会降低基流；（通常将载气通入480oC的紫铜屑除O2）。原理及工作过程：从色谱柱流出的载气(N2或Ar)被ECD内腔中的b放射源电离，形成次级离子和电子(此时b电子减速)，在电场作用下，离子和电子发生迁移而形成电流(基流)。当含较大电负性有机物被载气带入ECD内时，将捕获已形成的低速自由电子，生成负离子并与载气正离子复合成中性分子，此时，基流下降形成“倒峰”。（4）火焰光度检测器(FPD)火焰光度检测器：又称S、P检测器，是一种对含磷、硫有机化合物具有高选择性和高灵敏度的质量型检测器，检出限可达10-12gS-1（对P）或10-11gS-11（对S）。应用：特别适合于中痕量硫化物以及农副产品、水中的毫微克级有机磷和有机硫农药残留量的测定。主要用于SO2、H2S、石油精馏物的含硫量、有机硫、有机磷的农药残留物分析等。FPD结构：喷嘴+滤光片+光电管原理：待测物在低温H2-Air焰中燃烧产生S、P化合物的分解产物并发射特征分子光谱。测量光谱的强度则可进行定量分析。FPD 特点：1）对含S、P化合物有较高灵敏度和一定的选择性；2）对卤素气X2、N2、Sn、Cr、Se和Ge等也有响应；3）相对其它检测器如ECD和FID，FPD价格较贵。4）对测S的灵敏度比硫荧光检测器*(SCD) 低；*硫荧光检测器（SCD）：FPD检测器中含硫化合物燃烧产物可与O3反应并产生与S含量成正比的荧光，通过测定荧光强度来分析含S化合物。SCD的灵敏度极高。5. 气相色谱分离操作条件的选择5.1 分离效能指标5.1.1. 分离度(resolution, R)：相邻峰分离程度的指标 R=2（tR（2）-tR（1）/（w1+ w2） 常以R=1.5为相邻峰完全分离标志。5.1.2 分离度与柱效能、柱选择性及柱容量的关系n与neff之间的关系：理论塔板数n越多，有效塔板数neff不一定多，分离不一定好；柱容量越大（k），n与neff越接近。5.2 分离操作条件的选择短时间内定量分离。 在GS中，既要选择合适的固定液，还要选择分离时的最佳条件，以提高柱效能，增大分离度，满足分离的需要。5.2.1 色谱柱的选择填充柱：柱容量大，填料选择范围宽，易于自行制备缺点：分离效果不很高，色谱峰形拖尾，毛细管柱：分离效能高、产品已成品化，其选择较填充柱简单柱长L：柱越长，理论塔坂数越高，分离越好。但柱过长，分析时间增加且峰宽也会增加，导致总分离效能下降，因此柱长L要根据R的要求(R=1.5)，选择刚好使各组分得到有效分离为宜。5.2.2 载气：常用有N2、H2、He、Ar，也用CO。载气与检测器相配。TCD(H2)、ECD(N2)载气及其流速的选择：最佳线速和最小板高可 以通过 H = A + B / u + C u 进行微分后求得。 根据van Deemter方程的数学简化式为 H = A + B / u + C u 可得到下图所示的H-u关系曲线。当u（载气流速）值较小时，分子扩散项B/u将成为影响色谱峰扩张的主要因素，此时，宜采用相对分子质量较大的载气（N2、Ar），以使组分在载气中有较小的扩散系数。当u较大时，传质项Cu将是主要控制因素。此时宜采用相对分子质量较小，具有较大扩散系数的载气（H2、He），以改善气相传质。5.2.3 工作温度： 进样器温度（样品性质选择）、检测器温度（检测器种类选择） 柱温的选择：重要色谱操作参数，直接影响分离效能和分析速度 柱室温度（可分离的较低温度）及控温方式（组分少恒温，组分复杂用程序升温）。进样器、检测器比柱室温高 3070。 柱温的界值：柱温不能高于固定液的最高使用温度，否则会造成固定液大量挥发流失。某些固定液有最低操作温度。操作温度至少必须高于固定液的熔点，以使其有效地发挥作用。柱温对分析的影响：降低柱温可使色谱柱的选择性增大，但升高柱温可以缩短分析时间，并且可以改善气相和液相的传质速率，有利于提高效能。这两方面均需考虑。 柱温选择依据：试样的沸点选择柱温、固定液用量及载体的种 类。对于宽沸程混合物，一般采用程序升温法进行。5.2.4 载体的选择 载体粒度及筛分范围：载体粒度越小，柱效越高。但粒度过小，则阻力及柱压增加。对填充柱而言，粒度大小为柱内径的1/201/25为宜。根据van Deemter方程的数学简化式为 H = A + B / u + C u 范氏速率理论方程式：载体的粒度直接影响涡流扩散和气相传质阻力，间接地影响液相传质阻力。随着载体粒度的减小，柱效将明显提高，但粒度过细，阻力将明显增加，使柱压增大，对操作带来不便。因此，一般根据柱径选择载体的粒度，保持载体的直径约为柱内径是1/20 1/25为宜。 速率理论方程式A项中的l是反映载体填充不均匀性参数，降低l，即载体粒度均匀，形状规则，有利于提高柱效。5.2.5 进样时间和进样量进样：a.进样量小； b.进样方式：自动进样。 进样速度要很快，因为当进样时间太长时，试样原始宽度将变大，色谱峰半峰宽随之边宽，有时甚至使峰变形。一般地，进样时间应在1s以内。进样量：色谱柱有效分离试样量，随柱内径、柱长及固定液用量不同而异。柱内径大，固定液用量高，可适当增加试样量。 但进样量过大，会造成色谱柱超负荷，柱效急剧下降，峰形变宽，保留时间改变。理论上允许的最大进样量是使下降的塔板数不超过10%。 总之，最大允许的进样量，应控制在使峰面积和峰高与进样量呈线性关系的范围内。6 气相色谱定性定量分析6.1 定性分析6.1.1 样品预处理为保护色谱柱、降低噪声、防止生成新物质（杂峰），需要在进样前，对样品进行处理。1）水、乙醇和可能被柱强烈吸附的极性物质柱效下降，需除去。2）非挥发份会产生噪声，同时慢慢分解产生杂峰。3）稳定性差的组分生成新物质杂峰。6.1.2 定性方法依据：保留时间（tR）和相对保留值（ris）。方法：纯物质对照定性（峰重合、峰增加）；文献保留值定性；定量分析 GC分析是根据检测器对待测物的响应（峰高或峰面积）与待测物的量成正比的原理进行定量的。因此必须准确测定峰高h或峰面积A。1. 峰面积A的测量：对称峰：峰高h与半峰宽的积： A=1.065 h W1/2不对称峰：峰高与平均峰宽的积： A=1/2 h (W0.15+W0.85)2. 定量校正因子 由于检测器对不同物质的响应不同，两个相同的峰面积并不一定说明两个物质的量相等！在计算组分的量时，将峰面积A进行“校正”。1）绝对校正因子：wi=fiAi 或 fi= wi/Ai 可得到待测物单位峰面积对应的该物质的量。2）相对校正因子fi定量分析中常用相对校正因子表示：即用一个物质作标准，用相对校正因子将所有待测物的峰面积校正成相对于这个标准物质的峰面积，使各组分的峰面积与其质量的关系有一个统一的标准进行折算。6.2 定量分析方法（1）归一化法：样中所有组分全部流出并全部出峰。 fi 为i 物质的相对定量校正因子； Ai为其峰面积。此法简单、准确，操作条件影响小。但应用不多。（2）外标法：或标准曲线法。以Ai对xi作图得标准曲线。该法不需校正因子。但进样量和操作条件必须严格控制！外标法适于日常分析和大批量同类样品分析。（3）内标法：在每个标准溶液中及待测样中加一固定量的内标物， 以Ai/As对xi作图，得内标法校正曲线。对内标物的要求：样品中不含内标物；无反应；与各待测物保留时间和浓度相差不大；6.3 色谱法的应用 只要在气相色谱仪允许的条件下可以气化而不分解的物质，都可以用气相色谱法测定。对部分热不稳定物质，或难以气化的物质，通过化学衍生化的方法，仍可用气相色谱法分析。在石油化工、医药卫生、环境监测、生物化学等领域都得到了广泛的应用(1)在卫生检验中的应用 空气、水中污染物如挥发性有机物、多环芳烃、苯、甲苯等；农作物中残留有机氯、有机磷农药等；食品添加剂苯甲酸等；体液和组织等生物材料的分析如氨基酸、脂肪酸、维生素等。(2)在医学检验中的应用体液和组织等生物材料的分析：如脂肪酸、甘油三酯、Vit、糖类等。(3)在药物分析中的应用 抗癫痫药、中成药中挥发性成分、生物碱类药品的测定等。(4)商品检验7、毛细管柱气相色谱(Capillary gas chromatography；CGC)7.1 毛细管柱色谱的发展 50 年代初，填充柱理论和应用研究，并开始进行非填充柱理论可行性研究。 50 年代后期，制成了各类毛细管柱，理论塔板数可达到300,000 不足：1）柱容量小；2）柱强度小；3）样品引入及管与检测器的连结问题 4）固定液涂渍的重现性不好；5）寿命短；6）柱易堵塞；70 年代后期，毛细管柱的应用越来越多。 1987 年，荷兰Coporation制成了世界最长、理论塔板数最多的熔融石英毛细管柱(2100m长，内径0.32mm，内壁固定液厚度0.1mm，理论塔板数超过3,000,000)并被载入吉力斯世界记录。7.2 毛细管柱7.2.1 分类毛细管柱内径一般小于1mm，分为填充型和开管型填充型：在玻璃管内填充疏松载体，再拉制成毛细管，最后再涂渍固定液。目前填充柱毛细管已使用不多。开管型：按固定液涂渍方法不同，可分为(i)涂壁开管柱(Wall-coated open tubular, WCOT):将内壁经预处理再把固定液涂在毛细管内壁上。(ii) 载体涂渍开管柱(SCOT)：为了增大开柱管内固定液的涂渍量，在管壁上涂一层很细的多孔性颗粒，然后在多孔性层上涂渍固定液，液膜厚，适于痕量分析。(iii) 多孔层空心（开管）柱(Porous layer coated open tubular, PLOT)在管壁上涂一层多孔性吸附剂固体微粒，不再涂固定液。实际是一种气固色谱开柱管。现在也发展了一种大口径开管柱，可容许更大样品量（类似于填充柱），尽管柱效低些，但大大高于填充柱。7.2.2. 毛细管柱特点(i) 渗透性好：可使用较长的色谱柱；(ii)柱容量小：因而进样量小。需采用分流技术并使用更高灵敏度的检测器；毛细管柱涂渍的固定液仅几十mg，液膜厚度为0.35 1.5mm，柱容量小。(iii)总柱效高：毛细管柱效与填充柱处于同一数量级。但毛细管柱长很大，因而总柱效高。(iv)相比率大：柱效高；保留因子小，渗透性好，有利于提高柱效并实现快速分析。7.3 毛细管气相色谱仪器 毛细管气相色谱仪器与填充柱色谱仪类似。1）在进样口增加了分流装置解决了柱容 量小的问题；2）柱后增加了一个尾气吹扫气路减少了 柱与检测器连结 处的死体积过大的问题；3）通常采用程序升温技术。第五节 液相色谱和离子色谱高效液相色谱法：以气相色谱为基础，在经典液相色谱实验和技术基础上建立的一种液相色谱法高效液相色谱仪主要部分：1高压泵： 恒压泵：流量精度不稳（如：气动泵） 恒流泵：常用（如：往复式柱塞泵）2进样装置 1）注射器进样（高分子有机硅胶垫进样室） HPLC系统压力太大，必须停泵进样（早期） 2）进样阀进样：不必停泵，六通阀3色谱柱：目前标准柱型直径为4.6或3.9mm, 柱长1530cm 柱效评价：色