仪器分析重难点

1、色谱法基本原理及理论色谱分析的目的是将样品中各组分彼此分离，组分要达到完全分离，两峰间 的距离必须足够远，两峰间的距离是由组分在两相间的分配系数决定的，即与色 谱过程的热力学性质有关。但是两峰间虽有一定距离，如果每个峰都很宽，以致 彼此重叠，还是不能分开。这些峰的宽或窄是由组分在色谱柱中传质和扩散行为 决定的，即与色谱过程的动力学性质有关。 因此，色谱法基本原理及理论主 要从热力学和动力学两方面来研究色谱行为。A、B组分完全分离，必须满足以下三点：第一，两组分的分配系数必须有差异；第二，浓度轮廓扩宽的速率应小于浓度轮廓分离的速度；第三，在保证快速分离的前提下，提供足够长的色谱柱。速率理论（影响

2、柱效的因素）Van Deemter方程的数学简化式为H = A + B / u + C u式中u为流动相 的线速度；A、B、C为常数，分别代表涡流扩散系数、分子扩散项系数、传质阻 力项系数。涡流扩散项A在填充色谱柱中，当组分随流动相向柱出口迁移时，流动相由于受到固 定相颗粒障碍，不断改变流动方向，使组分分子在前进中形成紊乱的类似涡流的 流动，故称涡流扩散。引起色谱峰形的扩展取决于填充物的平均颗粒直径dp和固定相的填充不均匀因子入。色谱峰变宽的程度由下式决定：A = 2入dp 对于空心毛细管，不存在涡流扩散。因此A = 0。分子扩散项B / u （纵向扩散项）纵向分子扩散是由浓度梯度造成的。组分

3、从柱入口加入，其浓度分布的构 型呈“塞子”状。它随着流动相向前推进，由于存在浓度梯度，“塞子”必然自 发的向前和向后扩散，造成谱带展宽。分子扩散项系数为B=2y D Cu项即传质阻力项g气相传质阻力Cg：试样从气相移动到固定相表面所遇到的阻力。液相传质 阻力Cl：试样从气液界面移动到液相内部，然后又返回到气液界面的过程中所 遇到的阻力分离度与柱效的关系分离度与塔板数的平方根成正比，故增加柱长可改进分离度；但增加柱长会 延长分析时间，使色谱峰变宽；一般在达到分离时应尽可能使用较短的色谱柱分离度与容量比的关系k值的增加会对分离有利。但当k大于10时，对R的改进不明显。一般控 制1 k10，则即可得

4、到大的R值，也可使分离时间不致过长，色谱峰不至于太 宽。分离度与柱选择性的关系a是色谱柱选择性的量度，a越大，色谱柱选择性越好，分离效果越好，通过改变固定相，使各组分的分配系数有较大的差别 担体的选择原则当固定液质量分数大于5%时，可选用硅藻土型(白色或红色)担体当固定液质量分数小于5%时，应选用处理过的担体对于高沸点组分，可选用玻璃微球担体对于强腐蚀性组分，可选用氟担体氢火焰离子化检测器(FID)适于对有机物的分析，不适宜于在火焰中不电离的物质的分析热导池检测器(TCD)特点：结构简单、灵敏度适中、稳定性好、线性范围宽、对可挥发的无机物和有 机物均有响应柱温的选择提高柱温会使分配系数差别变小

5、，不利于分离；但柱温太低会降低组分的 扩散速率，使色谱峰变宽，降低柱效，延长分析时间。选择柱温同时还必须考虑 固定液的使用温度。对高沸点(300400C)混合物：柱温低于平均沸点100200C，并采用低 固定相色谱柱(510%)、高灵敏度检测器对中沸点(200300C)混合物：柱温低于平均沸点100C，含1015%固定 相的色谱柱对气体混合物：柱温在平均沸点以上，含1525%固定相的色谱柱对沸程较宽的试样，可采用程序升温(线形或非线形)毛细管色谱分离能力提高的途径由塔板理论：增加柱长减小柱径，即增加柱子塔板数；由速率理论:减小组分在柱中的涡流扩散和传质阻力，也即降低塔板高度。毛细管柱按其制备方

6、法可分为以下几种：涂壁开管柱(wall coated open tubular，WCOT柱)多孔层开管柱 (porous layer open tubular，PLOT 柱)载体涂渍开管柱(support coated open tubular， SCOT柱)化学键合或交联柱气相色谱分析的特点优点：分离效率高，灵敏度高，快速，应用范围广不足之处：没有待测物的纯品或相应的色谱定性数据作对照时，则无法从色谱峰 得出定性结果，不适用于沸点高于450C的难挥发物质和对热不稳定的物质的 分析气相色谱用气体作为流动相的色谱法称为气相色谱法。根据固定相的状态不同，又 可将其分为气固色谱和气液色谱。气固色谱是

7、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。气 相色谱多用高沸点的有机化合物涂渍在惰性载体上作为固定相，一般只要在 450C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。液相色谱在高效液相色谱中，速率方程中的分子扩散项B/U较小，可以忽略不计，而只有 两项。相对分子质量较低，挥发性较高的试样，用气相色谱好。HPLC的选择原则如下 (

8、P90)HPLC:从理论上讲，HPLC几乎适用于自然界中大部分化合物。但更适宜于分离、 分析高沸点、热稳定性差、生理活性以及相对分子量比较大的物质。原子吸收光谱仪(AAS)火焰法(Flame-AAS)石墨炉(GF-AAS)电感耦合等离子体发射光谱仪(I CP -AES) 电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)AAS:基于被测元素基态原子在蒸气状态对原子共振辐射吸收进行元素定量分析 的方法电子从基态跃迁至第一激发态(能量最低的激发态)所吸收的谱线称为共振吸收 线，简称共振线各种元素的基态一第一激发态最易发生，吸收最强，是最灵敏线，产生特征谱线 AAS测定的是基态原子吸收的谱线强度，温度对AAS分

9、析的影响不大AES因测定的是激发态原子发射的谱线强度，故其激发态原子数直接影响谱线强 度，从而影响分析的结果；即在AES中须严格控制温度AAS的定量分析基本原理：logI/I = 0.434K cL此式只适用于单色光！吸收系 数Kv并非常数，而是与波长有关V当用锐线光源作原子吸收测定时，所得A与原子蒸气中待测元素的基态原子数成 正比。即遵守L B定律。为了实现峰值吸收的测量，除了要求入射线的半宽度应小于吸收线的半宽度外， 还必须要求入射线的中心频率与吸收线的中心频率恰好重合，这就是为什么要使 用与待测元素同种元素发出的锐线光作为入射光的原因。原子化过程：四个阶段，干燥、灰化(去除基体)原子化、

10、净化(去除残渣)， 待测元素在高温下生成基态原子。化学干扰的类型待测元素与其共存物质作用生成难挥发的化合物，致使参与吸收的基态原 子减少。待测离子发生电离反应，生成离子，不产生吸收，总吸收强度减弱，电离 电位6eV的元素易发生电离，火焰温度越高，干扰越严重，(如碱及碱土元素)。化学干扰的抑制释放剂一与干扰元素生成更稳定化合物使待测元素释放出来。保护剂一与待测元素形成稳定的络合物，防止干扰物质与其作用。饱和剂一加入足够的干扰元素，使干扰趋于稳定。电离缓冲剂一加入大量易电离的一种缓冲剂以抑制待测元素的电离。灵敏度（S）指在一定浓度时，测定值（吸光度）的增量么入）与相应的待 测元素浓度（或质量）的增

11、量（ c或 m）的比值:Sc=A A/A c或 Sm= A/A m特征浓度指对应与1%净吸收（IT-IS）/IT=1/100的待测物浓度（cc），或 对应与0.0044吸光度的待测元素浓度.cc=0.0044A c/A A 单位：p g （mol 1%）-1特征质量mc=0.0044A m/A A 单位：g （mol 1%）-1原子发射光谱（AES）根据待测物质的气态原子被激发时所发射的特征线状光谱的波长及强度来测定 物质的元素组成和含量的分析方法优点:多元素同时检测，分析速度快（多元素检测；可直接进样；固、液样品均 可），选择性好（Nb 与 Ta； Zr 与 Ha，Rare-elements

12、），检测限低（10-0.1 g/g（或 g/mL）,ICP-AES可达ng/mL级），准确度较高（一般5-10%，ICP可达 1%以下），试样消耗少，线性范围宽（ICP光源4-6个数量级）。缺点:不能用以分析有机物及大部分非金属元素（O、S、N、X处于远紫外；P、 Se、Te难激发，常以原子荧光法测定）Iij C，此式为光谱定量分析的依据。影响Iij因素：统计权重（weight）、跃迁几率（probability）、激发电位、激发温度、浓度 或基态原子数。需要尤其注意的是：相比原子吸收分析，AES温度的影响更大！谱线的自吸（self-absorption）及自蚀（self-reversal）也

13、是影响Iij两大因 素。ICP特点:低检测限,稳定，精度高，基体效应小，样品处于化学隋性环境的高温 分析区，背景小，自吸效应小,分析线性范围（linear range）宽灵敏线:激发电位低，跃迁几率大的共振线。最后线:样品中被检定元素浓度逐渐减小时而最后消失的谱线一般来说，最后线即为最灵敏线。原子荧光光谱（Atomic Fluorescence Spectrometry, AFS）:通过测定原子在 辐射能作用下发射的荧光强度进行定量分析的一种发射光谱分析方法。特点：检出限较低，灵敏度高。采用高强度光源可进一步降低检出限；谱线干扰少；可以做成非色散AFS；校正曲线范围宽(3-5个数量级)；易制成

14、多道仪器多元素同时测定；荧光猝灭效应可使测定灵敏度降低；散射光干扰。红外光谱：主要研究在振动中伴随有偶极矩变化的化合物。可用于气、液、固各 种样品。影响吸收峰强度的因素吸收峰强度主要取决于分子振动时偶极矩的变化,与分子的对称性有关：键两端原子电负性差越大，强度越大反对称伸缩振动对称伸缩振动伸缩振动变形振动基频吸收倍频吸收影响基团频率的因素：诱导效应，共轭效应，氢键的影响，振动的耦合红外光谱法对试样的要求：红外光谱的试样可以是液体、固体或气体，一般应要求：试样应该是单一组份的纯物质，纯度应98%或符合商业规格，才便于与 纯物质的标准光谱进行对照。多组份试样应在测定前尽量预先用分馏、萃取、重 结品

15、或色谱法进行分离提纯，否则各组份光谱相互重叠，难于判断。试样中不应含有游离水。水本身有红外吸收，会严重干扰样品谱，而且会侵 蚀吸收池的盐窗。试样的浓度和测试厚度应选择适当，以使光谱图中的大多数吸收峰的透射 比处于10%80%范围内确定不饱和度：=1+n4+(n3-n1)/2,式中n4、n3、n1分别为分子中所含的四价、三价和一价元素原子的数目。二价原子如S、O等不参加计算。=0时，表示分子是饱和的；=1时，可能有一个双键或脂环；=2时，可能有两个双 键和脂环，也可能有一个 参键；=4时，可能有一个苯环等。由于红外光谱的谱带较多，选择的余地大，所以能方便地对单一组份和多组份进 行定量分析选择吸收

16、带的原则必须是被测物质的特征吸收带。例如分析酸、酯、醛、酮时，必须选择C=O 基团的振动有关的特征吸收带。所选择的吸收带的吸收强度应与被测物质的浓度有线性关系。所选择的吸收带应有较大的吸收系数且周围尽可能没有其它吸收带存在，以 免干扰。原理喇曼效应的机制和荧光现象不同，并不吸收激发光，因此不能用实际的能级来解释 核磁共振波谱法（Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy, NMR ）:在无外加磁场时，核能级是简并的，各状态的能量相同，不产生NMR现象。弛豫处于高能态的核通过非辐射途径（自旋-晶格弛豫、自旋-自旋弛豫）释放能 量而及时返回到低能态的过程称为弛豫

17、。由于弛豫现象的发生，使得处于低能态 的核数目总是维持多数，从而保证共振信号不会中止。弛豫越易发生，消除“磁 饱和”能力越强。弛豫决定处于高能级核寿命。而弛豫时间长，核磁共振信号窄 （谱线窄）；反之，谱线宽电子顺磁共振（Electron paramagnetic resonance, EPR）或称电子自旋共振 （Electron spin resonance, ESR）质谱仪的工作原理质谱仪是利用电磁学原理，使带电的样品离子按质荷比进行分离的装置。 具有速度 的带电粒子进入质谱分析器的电磁场中，根据所选择的分离方式， 最终实现各种离子按m/z进行分离。根据质量分析器的工作原理，可以将质谱仪分为

18、动态仪器和静态仪器两大 类。在静态仪器中用稳定的电磁场，按空间位置将m/z不同的离子分开，如单聚 焦和双聚焦质谱仪。在动态仪器中采用变化的电磁场，按时间不同来区分m/z不同的离子，如飞 行时间和四极滤质器式的质谱仪。分辨本领，是指质谱仪分开相邻质量数离子的能力。绝对灵敏度是指仪器可以检测到的最小样品量；相对灵敏度是指仪器可以同时检测的大组分与小组分含量之比；分析灵敏度则是指输入仪器的样品量与仪器输出的信号之比质谱仪包括进样系统、电离系统、质量分析系统和检测系统。为了获得离子的良好分析，避免离子损失，凡有样品分子及离子存在和通过 的地方，必须处于真空状态。根据离子质荷比的不同，其偏转角度也不同，

19、质荷比大的偏转角度小，质荷 比小的偏转角度大，从而使质量数不同的离子在此得到分离。质谱仪的离子产生及经过系统必须处于高真空状态现代质谱仪采用分子泵可获得更高的真空度。进样系统目的是高效重复地将样品引入到离子源中并且不能造成真空度的降低。常用的进样装置有三种类型：间歇式进样系统、直接探针进样、色谱进样系 统（GC-MS、HPLC-MS）和高频感藕等离子体进样系统（ICP-MS）等。在质谱中可以获得样品的重要信息之一是其相对分子质量。化学电离法是通过 离子-分子反应 来进行，而不是用强电子束进行电离。场离子源应用强电场可以诱发样品电离。场电离源由电压梯度约为107-108V - cm-1的两个尖细

20、电极组成。流经 电极之间的样品分子由于价电子的量子隧道效应而发生电离。通过改变B、r、U这三个参数中的任一个并保持其余两个不变的方法来获得 质谱图。离子峰分子在离子源中可以产生各种电离，即同一种分子可以产生多种离 子峰，主要的有分子离子峰、碎片离子峰、亚稳离子峰、同位素离子峰和重排离 子峰等。几乎所有的有机分子都可以产生可以辨认的分子离子峰分子离子峰的确定方法：分子离子一定是奇电子离子氮规则由碳、氢、氧、氮组成的有机化合物，当含有偶数个氮原子时分子量是 偶数；当含有奇数各氮原子时分子量是奇数合理的中性丢失如果质荷比最高值与临近值相差414和2125个质量单位，则可肯 定不是分子离子峰。一般强度最大的质谱峰相应于最稳定的碎片离子。质谱图解析的一般步骤根据同位素丰度或高分辨质谱