无机及分析化学教学课件6第9章仪器分析法选介

2020/5/31,第九章仪器分析法选介,1,第九章仪器分析法选介,SelectedMethodsofModernInstrumentalAnalysis,2020/5/31,2,第九章仪器分析法选介,9.1紫外可见分光光度法9.2原子吸收分光光度法9.3电势分析法9.4色谱分析法,2020/5/31,3,第九章仪器分析法选介,仪器分析的基本特点,InstrumentalAnalysis以被测物质的物理及物理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。本章只介绍分光光度法、电位分析法、气相色谱法和液相色谱法这四种常用的仪器分析法。,2020/5/31,4,第九章仪器分析法选介,9.1紫外可见分光光度法（UltravioletandVisibleSpectrophotometry）,9.1.1概述9.1.2光吸收的基本定律9.1.3显色反应及其影响因素9.1.4紫外可见分光光度计9.1.5紫外可见分光光度测定的方法9.1.6分光光度法的误差和测量条件的选择9.1.7紫外可见分光光度法应用实例,2020/5/31,5,第九章仪器分析法选介,9.1.1概述,吸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、可见及紫外吸光光度法及红外光谱法等。特点：灵敏度高（测定下限可达10-510-6mol/L）准确度高（满足微量组分的测定要求)简便快速（在适当条件下，不经分离可直接测定）应用广泛（无机、有机成分、农药残留、生物体内的微量成分、药物分析、环境卫生分析）,2020/5/31,6,第九章仪器分析法选介,光是一种电磁波。所有电磁波都具有波粒二象性。光的波长、频率与光速c的关系为：光速在真空中等于2.9979108ms-1。光子的能量与波长的关系为：式中E为光子的能量；h为普朗克常数，为6.62610-34Js。,光的基本性质,2020/5/31,7,第九章仪器分析法选介,2020/5/31,8,第九章仪器分析法选介,物质的颜色与光的关系,单色光(monochromaticlight)只具有一种波长的光。混合光由两种以上波长组成的光。白光是由红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等各种色光按一定比例混合而成的。物质的颜色是由于物质对不同波长的光具有选择性的吸收作用而产生的。例如：硫酸铜溶液因吸收白光中的黄色光而呈蓝色；高锰酸钾溶液因吸白光中的绿色光而呈紫色。物质呈现的颜色和吸收的光颜色之间是互补关系。,2020/5/31,9,第九章仪器分析法选介,表9-2物质颜色和吸收光颜色的关系物质颜色吸收光颜色吸收光波/nm黄绿紫400450黄蓝450480橙绿蓝480490红蓝绿490500紫红绿500560紫黄绿560580蓝黄580600绿蓝橙600650蓝绿红650760,2020/5/31,10,第九章仪器分析法选介,当一束平行的单色光照射到有色溶液时，光的一部分将被溶液吸收，一部分透过溶液，还有一部分被器皿表面所反射。设入射光强度为I0，透过光强度为It，溶液的浓度为c，液层宽度为b，经实验表明它们之间有下列关系：(9-1),朗伯比尔定律,9.1.2光的吸收基本定律,A吸光度,2020/5/31,11,第九章仪器分析法选介,透射比(透光率、透光度)T(Transmittance),透光率定义：,T取值为0.0%100.0%,全部吸收,T=0.0%,全部透射,T=100.0%,2020/5/31,12,第九章仪器分析法选介,透光率、吸光度与溶液浓度及液层宽度的关系（9-2）A吸光度T透光率k-吸光系数，与入射光波长、溶液的性质及温度有关。当c的单位为gL-1，b的单位为cm时，k以a表示，其单位为Lg-1cm-1，此时式（9-1）变为(9-3),2020/5/31,13,第九章仪器分析法选介,如果浓度c的单位为molL-1，b的单位为cm，这时k常用表示。称为摩尔吸光系数(molarabsorptivity)，其单位为Lmol-1cm-1，它表示吸光质点的浓度为1molL-1，溶液的宽度为1cm时，溶液对光的吸收能力。值越大，表示吸光质点对某波长的光吸收能力愈强，故光度测定的灵敏度越高。值在103以上即可进行分光光度法测定，高灵敏度的分光光度法可达到105106。式（9-3）可写成为：A=bc（9-4）与a的关系为：=Ma（9-5）式中M为吸光物质的摩尔质量。,2020/5/31,14,第九章仪器分析法选介,朗伯比尔定律的几种形式,入射光强度,透射光强度,透光率,吸光度,摩尔吸光系数,Lmol1cm-1,溶液厚度,溶液浓度,物理意义：一定温度下，一定波长的单色光通过均匀的、非散射的溶液时，溶液的吸光度与溶液的浓度和厚度的乘积成正比。,2020/5/31,15,第九章仪器分析法选介,例9-1浓度为25.0g/50mL的Cu2+溶液，用双环已酮草酰二腙分光光度法测定，于波长600nm处，用2.0cm比色皿测得T=50.1%，求吸光系数a和摩尔吸光系数。已知M(Cu)=64.0。解:已知T=0.501，则A=-lgT=0.300，b=2.0cm,则根据朗伯比尔定律A=abc，而=Ma=64.0gmol-13.00102Lg-1cm-1=1.92104(Lmol-1cm-1),2020/5/31,16,第九章仪器分析法选介,例9-2某有色溶液，当用1cm比色皿时，其透光率为T，若改用2cm比色皿，则透光率应为多少？解:由A=-lgT=abc可得T=10-abc当b1=1cm时，T1=10-ac=T当b2=2cm时，T2=10-2ac=T2,2020/5/31,17,第九章仪器分析法选介,定量分析时，通常液层厚度是相同的，按照比尔定律，浓度与吸光度之间的关系应该是一条通过直角坐标原点的直线。但在实际工作中，往往会偏离线性而发生弯曲，见图中的虚线。,偏离朗伯一比尔定律的原因,2020/5/31,18,第九章仪器分析法选介,单色光不纯所引起的偏离,朗伯比尔定律只对一定波长的单色光才能成立，但在实际工作中，即使质量较好的分光光度计所得的入射光，仍然具有一定波长范围的波带宽度。在这种情况下，吸光度与浓度并不完全成直线关系，因而导致了对朗伯一比尔定律的偏离。所得入射光的波长范围越窄，即“单色光”越纯，则偏离越小。,2020/5/31,19,第九章仪器分析法选介,由于溶液本身的原因所引起的偏离,吸光系数k与溶液的折光指数n有关。溶液浓度在0.01molL-1或更低时，n基本上是一个常数，浓度过高会偏离朗伯-比尔定律。朗伯-比尔定律是建立在均匀、非散射的溶液这个基础上的。如果介质不均匀，呈胶体、乳浊、悬浮状态，则入射光除了被吸收外，还会有反射、散射的损失，因而实际测得的吸光度增大，导致对朗伯-比尔定律的偏离。,2020/5/31,20,第九章仪器分析法选介,溶质的离解、缔合、互变异构及化学变化引起的偏离有色化合物的离解是偏离朗伯比尔定律的主要化学因素。例如，显色剂KSCN与Fe3+形成红色配合物Fe(SCN)3，存在下列平衡：Fe(SCN)3Fe3+3SCN溶液稀释时，上述平衡向右移动，离解度增大。所以当溶液体积增大一倍时，Fe(SCN)3的浓度不止降低一半，故吸光度降低一半以上，导致偏离朗伯比尔定律。,2020/5/31,21,第九章仪器分析法选介,显色反应及显色剂：被测元素在某种试剂的作用下，转变成有色化合物的反应叫显色反应（colorreaction），所加入试剂称为显色剂(colorreagent)。常见的显色反应大多数是生成配合物的反应，少数是氧化还原反应和增加吸光能力的生化反应。,9.1.3显色反应及其影响因素,2020/5/31,22,第九章仪器分析法选介,显色反应的要求：选择性好所用的显色剂仅与被测组分显色而与其它共存组分不显色，或其它组分干扰少。灵敏度要足够高有色化合物有大的摩尔吸光系数，一般应有104-105数量级。有色配合物的组成要恒定显色剂与被测物质的反应要定量进行，生成有色配合物的组成要恒定。生成的有色配合物稳定性好即要求配合物有较大的稳定常数，有色配合物不易受外界环境条件的影响，亦不受溶液中其它化学因素的影响。有较好的重现性，结果才准确。色差大有色配合物与显色剂之间的颜色差别要大，这样试剂空白小，显色时颜色变化才明显。,2020/5/31,23,第九章仪器分析法选介,影响显色反应的因素,显色剂的用量显色反应一般可表示为：M+RMR有色配合物MR的稳定常数越大，显色剂R的用量越多，越有利于显色反应的进行。但有时过多的显色剂反而对测定不利。在实际工作中，常根据实验结果来确定显色剂的用量。,c(R),2020/5/31,24,第九章仪器分析法选介,溶液的酸度许多显色剂都是有机弱酸或有机弱碱，溶液的酸度会直接影响显色剂的解离程度。对某些能形成逐级配合物的显色反应，产物的组成会随介质酸度的改变而改变，从而影响溶液的颜色。另外，某些金属离子会随着溶液酸度的降低而发生水解，甚至产生沉淀，使稳定性较低的有色配合物的解离。,pH,pH1pH80C）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。,2020/5/31,91,第九章仪器分析法选介,9.3.2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。离子选择性电极有特殊响应机理离子在溶液和选择性敏感膜之间的扩散和交换而形成膜电位(membranepotential)。,2020/5/31,92,第九章仪器分析法选介,1.离子选择性电极和膜电位,选择性敏感膜是对特定离子有选择性交换能力的材料。按敏感膜材料性质不同，电极可分类为：晶体电极：用晶体敏感膜制作，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。非晶体电极：用玻璃膜和流动载体(液膜)制成的电极（前者如pH玻璃电极，后者如流动载体钙离子选择性电极)等。,2020/5/31,93,第九章仪器分析法选介,2.pH玻璃电极,pH玻璃电极是对溶液中的H+离子活度具有选择性响应的电极，它主要用于测量溶液的酸度。组成见图(由玻璃膜，内部溶液，内参比电极组成)。,2020/5/31,94,第九章仪器分析法选介,复合式pH玻璃电极示意图,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。1玻璃膜；2.多孔陶瓷；3.加液口；4.内参比电极；5.外参比电极；6.外参比电极的参比溶液。,参考电极(外)H+(未知)玻璃膜H+(内)参考电极(内),2020/5/31,95,第九章仪器分析法选介,玻璃电极的膜结构,电极的球泡形玻璃膜厚0.030.1mm，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。在掺有Na2O的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。,2020/5/31,96,第九章仪器分析法选介,玻璃电极膜电位的形成,pH玻璃电极需水化后才能使用。水化层中的Na+与溶液中H+发生离子交换。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+离子扩散迁移而建立起相间电位。,2020/5/31,97,第九章仪器分析法选介,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：,2020/5/31,98,第九章仪器分析法选介,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：,2020/5/31,99,第九章仪器分析法选介,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膜相为：因玻璃泡内装溶液的H+离子活度是固定的，则：忽略扩散电位，膜相可看成整个玻璃膜的膜电位膜。,2020/5/31,100,第九章仪器分析法选介,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：,2020/5/31,101,第九章仪器分析法选介,玻璃电极膜电位的偏离,pH大时为“碱差”：除H+外还响应K+、Na+离子，所测pH值低于实际值。pH小时为“酸差”：水分子的质子化使其活度小于1，所测pH值高于实际值。,因电极玻璃膜响应H+离子的非专属性，在pH很大或很小时会出现较大的偏差：,2020/5/31,102,第九章仪器分析法选介,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。,2020/5/31,103,第九章仪器分析法选介,3.氟离子选择性电极,敏感膜：（氟化镧单晶）：掺有EuF2的LaF3单晶切片；内参比电极：Ag-AgCl电极（管内）内参比溶液：0.1mol/LNaCl+0.1mol/LNaF混合溶液F-用来控制膜内表面的电位，Cl-用以固定内参比电极的电位。,2020/5/31,104,第九章仪器分析法选介,电极膜电位的产生,当电极浸入含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。若试样溶液中F-大，溶液中的F-离子迁移进入晶体膜的空穴中；若试样溶液中F-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成了双电层，产生膜电位。,2020/5/31,105,第九章仪器分析法选介,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：因此可以通过测量氟离子选择性电极的电位，测定试样溶液中F-离子的活度。,2020/5/31,106,第九章仪器分析法选介,氟电极的应用范围,测定F-离子的浓度范围一般在110-5molL-1之间测定时溶液酸度应控制在pH56之间,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。,2020/5/31,107,第九章仪器分析法选介,9.3.3直接电势法,直接电势法(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值或相关离子的浓度。,2020/5/31,108,第九章仪器分析法选介,1.溶液pH值的测定,可用酸度计直接测定溶液的pH值，其测量电池为，饱和甘汞电极试样溶液pH玻璃电极该电池的电动势为：E=E玻璃E甘汞代入玻璃电极电势表达式，并将甘汞电极的电势(一定条件下是常数)与K合并，可得:,2020/5/31,109,第九章仪器分析法选介,pH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：,2020/5/31,110,第九章仪器分析法选介,标准缓冲体系的pH值,2020/5/31,111,第九章仪器分析法选介,2.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。饱和甘汞电极试样溶液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，zi=2；一个负电荷，zi=-1。其余类推。,2020/5/31,112,第九章仪器分析法选介,(1)标准曲线法,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。,2020/5/31,113,第九章仪器分析法选介,方法特点：,要解决的问题：浓度与活度之间的差异解决的方法：不是求解i将活度校正为浓度而是控制体系的离子强度，从而使活度系数i成为不随试样变化而变化的常数,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,2020/5/31,114,第九章仪器分析法选介,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。使待测组份标准溶液和的活度系数被保持一致。,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。,2020/5/31,115,第九章仪器分析法选介,实验条件控制,除控制离子强度外，还需控制溶液酸度、掩蔽存在的干扰离子等。方法：加入由离子强度调节剂、缓冲剂、掩蔽剂所组成的混合试剂“总离子强度调节缓冲剂”（totalionstrengthadjustmentbuffer,TISAB）例如，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(HAc-NaAc体系)；用柠檬酸钠掩蔽试样中共存的Fe3+、Al3+等(能与F-形成配合物)。,2020/5/31,116,第九章仪器分析法选介,方法特点,（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。标准曲线法适用于试样组成较为简单的大批量试样的测定。,2020/5/31,117,第九章仪器分析法选介,(2)标准加入法,基本思路：向待测的试样溶液中加入一定量的小体积待测离子的标准溶液，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。,2020/5/31,118,第九章仪器分析法选介,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：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,2020/5/31,119,第九章仪器分析法选介,将上两式相减：其中VsVx，所以Vs+VxVx，进一步处理可得标准加入法的计算式：式中S=2.303RT/zF,2020/5/31,120,第九章仪器分析法选介,方法特点,标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。标准加入法适用于成分较为复杂、难以用标准曲线法定量的试样的测定。,2020/5/31,121,第九章仪器分析法选介,3.直接电势法的特点,优点：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%的相对误差，多价离子的相对误差将累加。,2020/5/31,122,第九章仪器分析法选介,9.3.4电位滴定法potentiometrictitration,以电位法确定滴定终点的一种滴定分析法。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势)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。,2020/5/31,123,第九章仪器分析法选介,2020/5/31,124,第九章仪器分析法选介,（1）EV曲线法,用以上数据作EV滴定曲线，突跃的中点即为化学计量点，对应的滴定剂体积可用作为终点体积。EV曲线法求终点方法简单，但若终点突跃较小则会有较大的误差。,2020/5/31,125,第九章仪器分析法选介,（2）E/VV曲线法,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：在24.10mL和24.20mL之间V：（24.10+24.20）/2=24.15（mL）,2020/5/31,126,第九章仪器分析法选介,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。,作图：以求得的E/VV值对V作图，得到两段一级微分曲线。处理：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。,2020/5/31,127,第九章仪器分析法选介,(3)E2/V2V曲线法,原理：一级微商为极大的地方，二级微商值等于零。E2/V2的计算滴定至24.30mL时：对于滴定至24.40mL有,2020/5/31,128,第九章仪器分析法选介,作图：以求得的E2/V2V值对V作图，见右。处理：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。,2020/5/31,129,第九章仪器分析法选介,处理：设终点的滴定剂体积为24.30+xmL，则x值为：结果：终点体积为：24.34mL特点：可以克服一级微商需用外推法求终点可能引起的误差。,2020/5/31,130,第九章仪器分析法选介,数据的计算机处理,可利用相关软件方便地确定终点，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。,2020/5/31,131,第九章仪器分析法选介,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,2020/5/31,132,第九章仪器分析法选介,2.电势滴定的特点,类型电势滴定法常量分析法，误差在千分之几直接电位法微量分析法，误差达百分之几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。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。,2020/5/31,133,第九章仪器分析法选介,9.4色谱分析法,色谱法最早在1903年由俄国植物学家茨维特分离植物色素使用。后来不仅用于分离有色物质，还用于分离无色物质，并出现了种类繁多的各种色谱法。现代色谱分析法(chromatography)是一大类分离分析方法。应用历史“源远流长”，适用范围“上天入地”，分离对象“简繁由之”。,色谱原型装置,2020/5/31,134,第九章仪器分析法选介,9.4.1概述,色谱分离在互不相溶的两相间进行。混合物被流动相(mobilephase)携带着流过固定相(stationaryphase)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。,2020/5/31,135,第九章仪器分析法选介,经典色谱分离中，分离后的组分常被分别收集于容器中，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。色谱分离以柱为心脏，以检测器为眼睛，以工作站为枢纽。,2020/5/31,136,第九章仪器分析法选介,色谱流程,2020/5/31,137,第九章仪器分析法选介,色谱法分类,1.按流动相和固定相物态气相色谱(gaschromatography,GC)气固色谱、气液色谱液相色谱（liquidchromatography,LC）液固色谱、液液色谱2.按操作形式柱色谱法、纸色谱法、薄层色谱法。3.按分离的机理分配色谱法、吸附色谱法、离子交换色谱法、空间排阻色谱法和亲和色谱法等。,2020/5/31,138,第九章仪器分析法选介,9.4.2色谱分析法的原理,1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称为分配系数(capacityfactor)K：,2020/5/31,139,第九章仪器分析法选介,分配系数小的组分由于更易溶解在流动相中，它们随流动相流动的速度就快。只要分配的次数足够多，就可以将分配系数有微小差别的组分一一分离，当分离后的组分由流动相携带进入检测器时，就得到了一个一个的色谱峰。,色谱分离过程,2020/5/31,140,第九章仪器分析法选介,2色谱图和色谱峰参数,流动相携带组分进入色谱检测器，由检测器将浓度信号转变成电信号，由此记录得到的信号-时间曲线称为色谱图，色谱图由基线和色谱峰所组成。,2020/5/31,141,第九章仪器分析法选介,色谱参数,保留值（如保留时间、校正保留时间、死时间等）峰几何参数（峰宽、峰高等）推算参数（相对保留值等）,2020/5/31,142,第九章仪器分析法选介,保留参数,相对保留(relativeretentionvalue,21)两组分的校正保留时间之比，或两组分的分配系数之比，即，,保留时间(retentiontime,tR)从进样开始到检测器测到某组分信号最大值(即流动相中该组分的浓度最大值)时所需的时间。死时间(deadtime,tM)完全不溶解于固定相因而不被固定相所保留的组分从进样到该组分信号最大值出现时所需要的时间。校正保留时间(adjustedretentiontime)组分的保留时间减去死时间。,2020/5/31,143,第九章仪器分析法选介,峰参数,峰高(h)从基线到组分峰最大值（峰顶）间的距离所代表的信号值。峰底宽度(W）自色谱峰上升沿和下降沿的拐点所作切线在基线上的截距。半峰宽(W1/2或Wh）峰高一半处的色谱峰宽度。注意，W=1.70W1/2。,2020/5/31,144,第九章仪器分析法选介,色谱参数的作用,根据保留参数可进行定性鉴定；根据峰参数可进行定量测定；根据色谱峰的保留值和峰宽参数可以评价色谱的分离效率。,2020/5/31,145,第九章仪器分析法选介,3柱效和分离度,色谱分析的分离性能可以柱效和分离度衡量。色谱图上两组分峰之间的距离取决于分离系统对组分的选择性，即由体系的热力学性质（21）决定。组分在柱内运行过程中有扩散，即有动力学的因素存在。热力学上能分离的两组分如果因动力学因素影响太大，则会在色谱图上得到两个很宽的峰，将使本能分开的组分重新重叠。,2020/5/31,146,第九章仪器分析法选介,柱效的表示,柱效用理论塔板数(Numberoftheoreticalplates)表示：式中的tR和Wh、W的单位应相同(如秒)。同色谱条件下不同组分的峰参数不同；同一组分在不同色谱条件下所得峰参数亦不同；同条件下所得的N值大，则该实验条件下该色谱柱的柱效高。,2020/5/31,147,第九章仪器分析法选介,分离度,柱效N仅表示色谱柱的分离效率，不能定量地表示色谱柱对性质相似的两难分离物质时所能达到的分离程度。衡量相邻峰的分离程度可用分离度(resolution，R)表示：,当色谱峰对称呈正态分布时，R1.0时，两相邻峰的分离程度达98%；R1.5时，分离程度达到99.7%(达完全分离)。分离度取决于：色谱柱系统对两组分的选择性(21)，色谱柱的柱效（N）,2020/5/31,148,第九章仪器分析法选介,如图a:表示柱系统对两组分的选择性适中，由于柱效高，两组分得到了基线分离；图b:色谱系统对两组分的选择性与a相同，但柱效低，未达到基线分离；图c:色谱分离系统对两组分有很高的选择性，虽然柱效较低，但仍能达到基线分离。,2020/5/31,149,第九章仪器分析法选介,9.4.3色谱定性和定量分析,试样经色谱柱分离后，得到了色谱图，接下来的任务应就是要确定每个色谱峰代表什么物质，即进行定性分析。同时还要确定各色谱峰面积的大小或峰值的高低与组分的量的关系，即进行定量分析。,2020/5/31,150,第九章仪器分析法选介,1定性分析,色谱定性分析的方法很多，常用的有：利用保留值定性：利用保留时间定性利用双柱、多柱定性利用保留值的经验规律定性利用保留指数定性利用检定器的选择性定性与其他仪器结合定性,2020/5/31,151,第九章仪器分析法选介,利用保留值定性,保留值(包括保留时间、保留体积、保留指数、相对保留值等)是热力学参数，可以直接测得。严格说，准确的保留值应是进样量很小时所测的值。注意：用保留值定性时其准确度有一定的限制，尤其是复杂样品(如石油产品)，较易得出错误的结论，要特别留意。,2020/5/31,152,第九章仪器分析法选介,由图可见，比较未知物和标准物的保留时间tR，VR或记录纸走的距离XR，就能判断出未知物中：峰2为甲醇，峰3为乙醇，峰4为正丙醇，峰7为正丁醇，峰9为正戊醇。,定性分析示例,2020/5/31,153,第九章仪器分析法选介,与其他仪器联用定性,利用与定性能力很强的红外、质谱等仪器联合，确定未知样品的相关组分。绍兴黄酒分析的GC/MS谱图,2020/5/31,154,第九章仪器分析法选介,2色谱定量分析,定量分析的准确度与精密度取决于下列因素：取样与样品前处理，决定样品是否能代表本体；色谱分离条件选择，决定是否能使各组分完全分离；检测器选择，决定是否能检测出所需测定的组分；峰高、峰面积测定，决定是否能准确测量；定量校正因子测定，解决同样量的不同物质在同一检定器上有不同响应的问题；定量方法选择，以正确的数学运算精确定量。,认真做好每一步，色谱定量会很准确。如GC分析的TCD的测量相对误差RE0.08%，其他的也大多小于2%。,2020/5/31,155,第九章仪器分析法选介,色谱定量分析根据组分检测响应讯号的大小，定量确定试样中各个组分的相对含量。依据每个组分的量(重量或体积)与色谱检测器产生的检测响应值(峰高h或峰面积A)成正比:校正因子相当重要，还要有合适的定量方法。,2020/5/31,156,第九章仪器分析法选介,(1)峰面积的测量,峰形对称的峰面积计算式为A=1.065hW1/2不对称峰峰面积的近似计算公式为：A=0.5h(W0.15+W0.85)W0.15和W0.85为峰高0.15和0.85处的峰宽值。现代色谱仪中都带有自动积分设备，能准确、迅速地将峰面积测量出来。,2020/5/31,157,第九章仪器分析法选介,(2)定量校正因子,由于检测器对不同组分的响应灵敏度不同，等浓度两组分的峰面积不一定相等，无法体现不同的“待测物质的量与其峰面积呈正比”，因而需经校正因子校正后方可定量。校正因子的意义单位峰面积所代表的i组分的质量(或浓度，视mi的物理量而定)。,2020/5/31,158,第九章仪器分析法选介,相对校正因子,测绝对校正因子困难，故实际分析常用相对校正因子(通常以苯为基准求得)。测定方法：准确称量待测组分和基准物质的标准物，混匀后，在选定的色谱条件下进样分离，测得待测组分和基准物的峰面积后按下式计算相对校正因子：,2020/5/31,159,第九章仪器分析法选介,(3)定量计算方法,色谱定量方法有很多，常用的有归一化法、外标法、内标法、内加法、转化法等。需根据不同的要求选择合适的定量方法。尤其是归一化法，特别适用于初学者。,2020/5/31,160,第九章仪器分析法选介,归一化法,要求：试样中所有组分都能出分峰(出柱并有响应)。原理：试样中所有组分(含溶剂)含量之和为100%，组分i在试样中的质量分数wi按下式计算：,特点：简单、准确、对进样量的要求不高。但当试样中有组分无峰时不能使用。,2020/5/31,161,第九章仪器分析法选介,外标法,即其它分析方法中描述的标准曲线法。过程：用标准物配制系列标准液，在选定色谱条件下进样分离，用峰面积对浓度做标准曲线。以同样方法测定分析试样，由所得峰面积从标准曲线上查得待测组分的含量。,特点：操作简单，适合大批量试样的分析。但是，进样量等实验条件对测定的准确度有很大的影响。,2020/5/31,162,第九章仪器分析法选介,内标法,适用：因各种原因不能使所有组分都出峰，或有组分含量过大(小)，或只要分析样品中少量组分时,过程：在总量m的样品中加入质量为mS的内标物S，然后根据被测物和内标物的重量和在色谱图上相应的峰面积比求出某组分i的含量。,方法：选择一种试样中不存在的物质作为内标物，将一定量的内标物加入到准确称量的试样之中，混匀后取一定体积进样分离，根据待测组分和内标物的峰面积比，求出待测组分的含量。,2020/5/31,163,第九章仪器分析法选介,通过外加的内标物与待测物的峰面积、校正因子之间的比例关系，由内标物的量来确定待测物的量。,2020/5/31,164,第九章仪器分析法选介,优点：不受试样中的各组分是否都出峰的限制，但却可以消除由于进样量和其它实验条件的波动对定量的影响。缺点：每一个试样均需加入一定量的内标物，增加了测定的工作量。,内标物选取要求，最好在样品中不存在，其保留值在所有组分保留值的中间，加入内标物的含量和待测组分含量不应相差很大。,2020/5/31,165,第九章仪器分析法选介,9.4.4气相色谱仪及气相色谱法特点,1.气相色谱仪由载气系统、进样系统、分离系统、检测和记录系统等部分所组成。,2020/5/31,166,第九章仪器分析法选介,气相色谱仪,2020/5/31,167,第九章仪器分析法选介,1.载气系统,作用:向色谱仪的分离、检测系统提供纯度高、流速稳定的气体流动相。由气源（一般为N2、H2钢瓶）、气体净化器、载气流量调节阀和流量表所组成。注意：因为气相色谱的分离作用主要依靠固定相对组分的选择性作用，流动相(载气)对被分离的组分主要起运载作用，对分离的选择性作用不明显。,2020/5/31,168,第九章仪器分析法选介,2.进样系统,由进样口、气化室和微量注射器组成进样程序：吸取试样溶液刺穿硅橡胶隔膜样品进入汽化室试样迅速汽化被载气携带入柱。,2020/5/31,169,第九章仪器分析法选介,3.分离系统,分离由色谱柱完成。气相色谱柱分填充柱和毛细管柱两类。气相色谱往往需要在高于室温的温度下进行分离，故色谱柱需放置一可控温的恒温箱中。,2020/5/31,170,第九章仪器分析法选介,填充柱和毛细管柱比较,2020/5/31,171,第九章仪器分析法选介,气液色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。气固色谱为吸附色谱机理，固定相为一些固体吸附剂（如Al2O3、硅胶、分子筛等）。,2020/5/31,172,第九章仪器分析法选介,4.检测系统,作用：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：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。,2020/5/31,173,第九章仪器分析法选介,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。,2020/5/31,174,第九章仪器分析法选介,气相色谱法的特点,分离效率高一般一根12m的色谱柱，理论塔板数可达数千，毛细管柱可达数万。分析速度快最快时可在30min内完成200300个组分的定性定量分析。灵敏度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。价廉设备不太复杂，操作费用比较低。,2020/5/31,175,第九章仪器分析法选介,气相色谱法的应用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