第五章-仪器联用技术

第五章新型监测仪器

及仪器联用技术1.概述1.1仪器监测技术—色谱技术—光谱技术—质谱技术—其他技术：电化学技术、生物监测技术等联用技术是在以上基础上，加上适当的接口技术发展起来的。色谱技术气相色谱、液相色谱离子色谱毛细管电泳色谱薄层色谱和纸色谱柱色谱凝胶渗透色谱超临界色谱分离技术光谱技术光谱分析方法（Spectrometry）是基于电磁辐射与物质相互作用产生的特征光谱波长与强度进行物质分析的方法。原子光谱、分子光谱吸收光谱、散射光谱、发射光谱、荧光光谱红外光谱、紫外光谱、可见光谱光声光谱（PAS）质谱技术质谱分析法（MassSpectrometry,MS）是在高真空系统中测定样品的分子离子及碎片离子质量，以确定样品相对分子质量及分子结构的方法。化合物分子经电离形成的带正电荷分子离子及碎片离子，按照其质量m和电荷z的比值m/z（质荷比）大小依次排列而被记录下来的图谱，称为质谱。无机质谱（同位素质谱）、有机质谱（如飞行时间质谱）高分辨质谱离子阱质谱、四级杆质谱、多级质谱单聚焦质谱、双聚焦质谱等1.电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）无机（元素/同位素）分析技术首先是质谱其次是将等离子炬作为离子源，高温离子源－质谱普通电子轰击源

－等离子体的高温使样品去溶剂化、汽化解离和电离。经研究发现，90%以上的元素都能离子化，且生成的二价离子较少，绝大多数以一价离子存在。常用四级杆质量分析器（将不同质荷比粒子分开）1.1ICP－MS工作原理1）被分析样品通常以水溶液的气溶胶形式引入氩气流中，然后进入由射频能量激发的处于大气压下的氩等离子体中心区，等离子体的高温使样品去溶剂化、汽化解离和电离。2）部分等离子体经过不同的压力区进入真空系统，在真空系统内，正离子被拉出并按照其质荷比分离。自然界出现的每种元素都有一个简单的、一个或几个同位素，每个特定同位素离子给出的信号与该元素在样品中的浓度成线性关系。

1.2ICP-MS与其它元素分析技术比较FAAS–火焰原子吸收光谱GFAAS–石墨炉原子吸收光谱ICP-OES–电感耦合等离子体光发射光谱＝电感耦合等离子体原子发射光谱(ICP-AES)ICP-MS-电感耦合等离子体质谱元素分析：FAAS优点:成本低个别元素快速分析干扰相对较小缺点：单元素测定灵敏度差（检出限高）样品需要量相对较大线性范围窄元素分析:GFAAS优点:相对便宜样品需要量少灵敏度高(检出限低)缺点：单元素测定运行成本高(消耗品)线性范围很窄麻烦费时需要基体改进剂元素分析:ICP-OES优点:适用范围广线性范围好多元素技术缺点：仪器成本高检出限有限(mg/L)样品量需求大未知和复杂基体的光谱干扰优点:样品需要量少动态范围极好多元素技术：当测定范围为0-80时，可在10-100μs的高速度下扫描，方便地进行多元素快速分析。同位素鉴别和测定扫描能力：通过谱线全扫描测定所有元素的大致浓度范围，即半定量分析，不需要标准溶液，多数元素测定误差小于20%；卓越的检出限：灵敏度高，比一般ICP-AES高2～3个数量级，特别是测定质量数为100以上的元素时，灵敏度更高，检出限更低。干扰较少易于判断：主要NaCl等盐类、同质量数的不同元素同位素等的干扰缺点：仪器成本高试剂、容器、室内环境条件要求严格元素分析:ICP-MS各种元素分析技术比较

顺序

同时指标1

GFAAS ICP-OES

ICP-OES ICP-MS检出限 ppt ppb ppb ppb-ppt线性范围 2-3 4-6 4-6 9*干扰 Moderate Many Many Few速度 Slow Slow Fast Fast元素覆盖范围Poor Good Good Excellent多元素 No Yes Yes Yes同时分析No No Yes Yes样品需求量 uL mL mL uLormL仪器成本 $ $ $$ $$运行成本 $$$ $$ $$ $

ICPOES灵敏度分析元素数低高高低

GFAAICP-OES

FlameAA

ICP-MS各种元素分析技术的图解比较1.3ICP-MS仪器的基本构造1.进样系统(SampleIntroduction)2.离子源(ICPIonSource)

3.接口(IonSamplingInterface)4.离子镜系统(IonOptics)5.四极杆滤质系统(IonAnalyzer)6.离子检测和数据采集(IonDetectionandDataAcquisation)

ICP结构示意图截取锥采样锥炬管雾化室检测器四极杆离子镜ICP－MS测定程序1.进样系统(SampleIntroduction)溶液气动或超声方式引入电热蒸发方式引入激光或火花方式引入（可用于固态样品）气体发生方式引入

注：大多数ICP-MS以气动雾化器为标准附件（雾化效率低，1%，但使用方便，稳定性好，易于与自动进样器联用）样品引入系统（气动雾化系统）ICP炬管等离子气辅助气载气RF线圈等离子体Peltier

冷却雾室样品蠕动泵内标／稀释混合气雾化器2.离子源（ICPIonSource

）离子源的作用使样品离子化，并使离子汇聚成具有一定形状和能量的离子束。它是质谱仪的心脏。离子源的结构和性质对质谱仪的分辨率、灵敏度影响很大使物质电离的方法很多：电子轰击，化学电离、火花电离、ICP离子源等。电感耦合等离子体简介（1）

ICP是本世纪60年代提出、70年代迅速发展起来的一种新型光源。这种新光源基体效应低，而它所具有的“环状结构”造成了分析物样品易于导入的方便条件。ICP是一种有效的挥发－原子化－激发－电离器。电感耦合等离子体简介（2）

等离子体的定义：在近代物理学中，把电离度大于1%，其正负电荷相等的电离气体均称为等离子体。它由离子、电子、及未电离的中性粒子组成。整体呈电中性。在光谱分析中，习惯上把外观上类似火焰的一类放电光源称为等离子体。

电感耦合等离子体是大气压下一种气体的无极放电现象，并通过一个射频发生器的耦合作用得以维持。电感耦合等离子体简介（3）

ＩＣＰ具有以下的特点，特别适合用作质谱法的离子源：由于样品在常压下引入，因此样品的更换很方便.引入样品中的大多数元素都能非常有效地转化为单电荷离子，少数几个例外的元素是具有高的第一电离电位的元素，如氟和氦.只有那些具有最低二次电离电位的元素，如钡，才能观测到双电离离子.在所采用的气体温度条件下，样品的解离非常完全，几乎不存在任何分子碎片.痕量浓度就能产生很高的离子数目，因此潜在的灵敏度很高。

电感耦合等离子体简介（4）

电感耦合等离子体装置由等离子体炬管和高频发生器组成。三个同心管组成的等离子体炬管放在一个连接于高频发生器的线圈里。当引入氩气时，若用一高压火花使管内气体电离，产生少量电子和离子，则电子和离子因受管内轴向磁场的作用，在管内空间闭合回路中高速运动，碰撞中性原子和分子，使更多的气体被电离，很快形成等离子体。冷却气或等离子气辅助气载气、注射器或雾化气RF负载线圈射频电压感应氩离子和电子的快速振动->HEAT(~10,000K)载气将样品气溶胶载到等离子体中心通道，干燥、去溶、解离、原子化和电离（~6500K）.石英同心炬管ICP放电中分析物的

蒸发-原子化-激发-电离过程(1)蒸发过程，即分析物挥发为气态的过程。(2)离解或原子化过程，即气态分子或自由基离解为自由原子的过程。(3)激发过程，即气态自由原子(或离子、分子)由低能态过渡到高能态的过程。(4)电离过程，即气态自由原子失去电子变成自由离子的过程。(5)扩散迁移过程，即气态原子、离子或分子因扩散、迁移和对流等而离开等离子体的过程。

ICP离子化过程雾化去溶蒸发原子化电离分子原子离子气溶胶粒子吸收过程发射过程雾化过程去溶过程蒸发过程原子化电离过程Massanalyzer固体样品液体样品3.接口（1）

接口是ICP－MS仪器的关键，采样锥和截取锥是其关键部件(一个冷却的采样锥（大约１ｍｍ孔径）和截取锥（大约０.４－０.８ｍｍ孔径）组成,两孔相距6-7mm。接口的功能是将等离子体中的离子有效传输到质谱仪

ICP与MS的接口示意图：

MS

真空泵

1－电感线圈；2－等离子炬

3－进样嘴锥体；4－分离嘴锥体

质谱仪MS1～2Torr10-4～10-5Torr3.接口（2）

在质谱计和等离子体之间存在着温度、压力和浓度的巨大差异，前者要求在高真空和常温条件下工作（质谱技术要求离子在运动中不产生碰撞），而后者则是在常压和高温条件下工作。所以如何将高温、常压下的等离子体中的离子有效地传输到高真空、常温下的质谱仪，这是接口技术所要解决的难题。必须使足够多的等离子体在这两个压力差别非常大的区域之间有效传输，而且在离子传输的全部过程中，不应该产生任何影响最终分析结果可靠性的反应，即样品离子在性质和相对比例上不应有变化。

3.接口（3）

离子首先通过采样锥，再进入由机械泵支持的第一级真空室，在此室中形成了一个超声喷射流。喷射流的中心部分通过截取锥孔。被吸入的含有离子的气体以超声速度仅在几微秒内就膨胀并进入第一级真空室而到达截取锥孔。科学家们研究了采样过程和自由喷射膨胀过程，通过计算得出等离子体的组成在最初的膨胀阶段处于“冻结”状态，在适当的位置可以截取到保持“原始”状态的离子。适当的位置就是自由膨胀的“静止区”，在此区域几乎没有发生离子－电子的再复合或碰撞激发过程。所以采样锥和截取锥之间的距离是非常重要的参数。截取锥很陡，它选择来自第一锥孔的膨胀射流的中心部分。(锥孔大，氧化物干扰严重)。

4.静电透镜系统离子、光子和中性粒子全部通过接口进入质谱仪－检测器对光子／中性粒子以及离子都很敏感离子是带电粒子－可以用电场使其偏转光子以直线传播如离子以离轴方式偏转,就可以将其与非带电粒子（光子和中性粒子）分离离子透镜的作用透镜系统是由串联在一起的一些电极组成，其作用是将离子限制在通向质量分析器的路径上。也就是将来自截取锥的离子聚焦到质量过滤器.拒绝中性原子并减少来自ICP的光子通过.

早期设计是采用光子阻挡片阻挡光子，加在中心阻挡片上的电压可以调节，使其周围的离子安全偏转。但还是有50%－80%的离子可能在此损失。后来采用“离轴”设计减少光子。离子传输效率高，背景低。优于中心光子阻挡片。为什么“离轴”？检测器必须不受等离子体的影响等离子体是产生光子和其它一些粒子的强光源电子倍增器对光子/中性粒子敏感通常办法是在光路上放置一金属圆盘“光子挡板"“影子挡板"但是–用这种“光子挡板”或“影子挡板“，必须将离子散焦在圆盘的周围，然后再将离子重新聚焦这种办法效率很低而且会产生质量偏倚ICP-MS仪器结构图（离轴型）5.质谱分析器（四级杆）利用静电透镜系统将穿过截取锥的离子拉出来，输送到四极杆滤质器。四极杆的工作是基于在四根电极之间的空间产生一随时间变化的特殊电场，只有给定的ｍ／ｚ离子才能获得稳定的路径而通过极棒，从其另一端出射。其它离子将被过分偏转，与极棒碰撞，并在极棒上被中和而丢失。四极杆扫描速度很快，大约每１００毫秒可扫描整个元素覆盖的质量范围。

5.质谱分析器ICP-MS采用的是三级动态真空系统，使真空逐级达到要求值。采样锥与截取之间的第一级真空约102Pa，由机械泵维持，离子透镜区为第二级真空(10-4Pa)，由扩散泵或涡轮分子泵实现，四极杆和检测器部分为第三级真空（10-6Pa），也由扩散泵或分子涡轮泵实现，真空度直接影响离子传输效率、质谱波形及检测器寿命。

5.质谱分析器四级杆的一对极棒为正，另一对极棒为负。施加在每对极棒上的电压都具有同样的幅度，但符号相反在正极棒平面中，较轻的离子有被过分偏转并与极棒相撞的倾向，而较重的离子则有较稳定的路径。在此平面中，四级杆相当于一个高质量过滤器在负极棒平面，较重的离子有优先被丢失的倾向，而较轻的离子则有较稳定的路径，因此，四级杆在负极杆平面的作用又相当于一个低质量过滤器

四极杆(滤质器)四极滤质器由四根平行的金属杆组成，其排布见左图所示。被加速的离子束穿过对准四根极杆之间空间的准直小孔。通过在四极上加上直流电压U和射频电压Urf，在极间形成一个射频场，离子进入此射频场后，会受到电场力作用，只有合适m/z

的离子才会通过稳定的振荡进人检测器。只要改变U和Urf并保持U/Urf比值恒定时，可以实现不同m/z的检测。

6.检测器通道式电子倍增器不连续打拿极电子倍增器Daly检测器（寿命长达数年）法拉第杯检测器（没有增益的金属电极，用于扩展动态范围上限）

注：电子倍增器通常有一个有限的寿命，他取决于总的累计放电，即（输入离子×增益）。超过这个寿命，内表涂层耗尽，倍增器需更换。检测器在大多数设计中，采用离子计数连续打拿极电子倍增器，每个入射离子可以产生近108个电子的电荷脉冲。检测器电子倍增器不连续（分立）电子倍增检测器(ETP)每个打拿极给出电子的“级联"放大->信号被放大AmpDynodeElectronsIonM+e-e-M+1.4ICP-MS在环境监测中的应用：1.稀土元素的测定“七五”期间我国在土壤背景值调查中，利用ICP-AES测定土壤中各稀土元素含量，前处理复杂，易引入基体干扰导致测定误差。使用HR-ICP-MS法，土壤消解后不用浓缩和分离，可直接进行高灵敏度测定。2.天然水中重金属元素的测定硝酸-H2O2消解3.在大气粉尘中微量金属测定中的应用微波消解法从一般空气颗粒物中各金属元素的浓度和ICP-MS分析方法的灵敏度综合考虑，将待测金属元素分为两组：第一组：Na、Ca、Al、V、Mn、Fe、Zn、Pb第二组：Ti、Cr、Co、Ni、Cu、As、Se、Ag、Cd、Sb、Ce、W第一组大气中浓度较高，ICPMS灵敏度也高，可稀释后测定第二组含量较低，一般不用稀释直接测定。4.其他环境样品中的元素分析生物样品、食物、固废等样品中重金属元素含量和形态分析1.5MIP-MSMIP：微波等离子体，属于低温非平衡等离子技术MIP-MS与ICP-MS相比，干扰更少－ICP-MS：使用氩气，形成许多Ar和Ar的分子离子存在，形成复杂的背景－MIP-MS：使用氮气，这样质量大于47的背景峰很小。1.6GC-ICP-MS将具有高分辨率和高分离效率的GC与ICP-MS的高灵敏度、高基体耐受量及同位素比测定能力相结合的方法。用于测定痕量和超痕量有机金属污染物。1、仪器设备：这套设备主要由GC、GC与ICP接口、ICP-MS组成。

GC与ICP之间的接口可简单地用一短的传输管线连接GC出口端与ICP管座底部加以实现。气相色谱毛细管不锈钢接口管等离子炬管座加热器尾吹气体温度传感器全加热型接口商品全加热型接口GC-ICP-MS的应用可用来测定有机锡化合物，但测定之前要进行萃取和衍生化处理。ICP-MS仅作为GC的检测器有些浪费，开发其他价廉的有机金属检测器已成为重要课题。1.7IC-ICP-MSICP-MS对砷化物有较高的检测灵敏度，与离子色谱联用可有效测定砷化物的含量及形态。2.GC-MS2.1仪器结构2.2接口技术

(1)隙透式分离器GCMS

真空泵

(2)

喷射式分离器抽真空抽真空GCMS

约10Pa10-2Pa第一级喷嘴第二集喷嘴GC-MS视频资料3.LC-MS3.1

LC-MS系统应满足的条件1）要求流动相的流量要达到几ml/min,流动相的种类要相对固定，要能够进行梯度淋洗。2）MS仪主机能经常保持高真空，而且不能受到测定体系之外物质的污染。应能使用通常的几种离子化方法，能够进行高分辨的质谱测定和高灵敏度检测。3）从LC洗脱的成分应能稳定、连续、再现地导入MS中，在接口处不引起分子的分解及吸附，不能因为存在死空间而导致质谱峰变宽。3.2接口技术1）滑动带式（间接导入法）：开发较早2）直接导入式：烧结体法（2μm小孔，FAB源）热喷射离子法：150~400℃金属喷嘴（内径0.1~0.15mm）在脱溶剂过程中实现试样成分的离子化。稳定性好，离子化效果好，目前应用较多。大气压离子化方式较早开发，在大气压下使洗脱液气化-离子化。真空喷雾法洗脱液（40~80μL/min）在减压情况下从熔融石英毛细管（内径12μm，外径0.12mm）的喷嘴喷出，加热脱溶剂后导入MS离子源。MAGIC法（单分散雾化发生法连接LC-MS）常压下洗脱液用内径为10μm的玻璃喷嘴自压喷出，再用分散气体进一步雾化成细雾。通过与真空喷雾接口相同原理的分离器，脱溶剂后进入离子源电子喷射离子化法在注射针中将洗脱液加几千伏的高压，在常压下液体将从注射针头喷雾并离子化，这就是电子喷射（ESI）现象。流动FAB(快速原子轰击）离子化法--溶质通常分散在丙三醇等基体中，用高速Ar或Xe气撞击进行离子化。接口是由熔融石英毛细管及其端部的伞属烧结体构成。--对于受热不稳定、强极性、难挥发的大分子量化合物分析具有特殊用途。4.GC-FTIR红外光谱概述傅里叶红外光谱仪的结构傅里叶红外光谱的优缺点GC-FTIR在环境监测中的应用1.定义：红外光谱又称分子振动转动光谱，属分子吸收光谱。样品受到频率连续变化的红外光照射时，分子吸收其中一些频率的辐射，分子振动或转动引起偶极矩的净变化，使振-转能级从基态跃迁到激发态，相应于这些区域的透射光强减弱，记录百分透过率T%对波数或波长的曲线，即为红外光谱。主要用于化合物鉴定及分子结构表征，亦可用于定量分析。4.1概述红外光谱的表示方法：红外光谱以T~

或T~

来表示，下图为苯酚的红外光谱。T(%)注意换算公式：2.红外光区划分红外光谱(0.75~1000m)远红外(转动区)(25-1000m)中红外(振动区)(2.5~25m)近红外(泛频）(0.75~2.5m)倍频分子振动转动分子转动分区及波长范围跃迁类型（常用区）13158~4000/cm-1400~10/cm-14000~400/cm-13.红外光谱特点1）红外吸收只有振-转跃迁，能量低；2）应用范围广：除单原子分子及单核分子外，几乎所有有机物均有红外吸收；3）分子结构更为精细的表征：通过IR谱的波数位置、波峰数目及强度确定分子基团、分子结构；4）定量分析；5）固、液、气态样均可用，且用量少、不破坏样品；6）分析速度快。7）与色谱等联用（GC-FTIR）具有强大的定性功能。条件二：辐射与物质之间必须有耦合作用磁场电场交变磁场

分子固有振动

a偶极矩变化（能级跃迁）耦合不耦合红外吸收无偶极矩变化无红外吸收2）分子振动双原子分子振动分子的两个原子以其平衡点为中心，以很小的振幅（与核间距相比）作周期性“简谐”振动，多原子分子的振动多原子分子的振动更为复杂（原子多、化学键多、空间结构复杂），但可将其分解为多个简正振动来研究。简正振动整个分子质心不变、整体不转动、各原子在原地作简谐振动且频率及位相相同。此时分子中的任何振动可视为所有上述简谐振动的线性组合。简正振动基本形式-伸缩振动：原子沿键轴方向伸缩，键长变化但键角不变的振动。-变形振动：基团键角发生周期性变化，但键长不变的振动。又称弯曲振动或变角振动。下图给出了各种可能的振动形式（以甲基和亚甲基为例）。4.2傅里叶红外光谱仪的结构它是利用光的相干性原理而设计的干涉型红外分光光度仪。仪器组成为：红外光源摆动的凹面镜摆动的凹面镜迈克尔逊干扰仪检测器样品池参比池同步摆动干涉图谱计算机解析红外谱图还原M1BSIIIM2D单色光单色光二色光多色光单、双及多色光的干涉示意图多色干涉光经样品吸收后的干涉图(a)及其Fourier变换后的红外光谱图(b)4.3FTIR的优缺点1.优点：测量精度高杂散光低分辨率高光通量大信号多路传输测定速度快测定波段宽2.缺点：光阑的影响相位误差的影响机械振动的影响4.4GC-FTIR在环境监测中的应用在水质分析中的应用Shaler利用GC-FTIR测定化工厂中的废水测定出了九种取代的芳香化合物利用XAD-2大网状中性聚苯乙烯树脂进行富集，再用二乙醚洗提后进GC-FTIR分析，可测定微克/升级的氯苯、丁醚等有机物（扫描波数2000~800cm-1），以及艾氏剂、林丹、DDT等有机氯农药（200~800cm-1）2.在大气环境监测中的应用3.在突发性环境污染事故应急监测中的应用4.在遥感监测中的应用。5.X射线荧光分析法5.1X射线荧光法原理1.X射线的产生X射线是一种短波长(0.005～10nm)、高能量(2.5×105～1.2×102eV)的电磁波。它是原子内层电子在高速运动电子流冲击下，产生跃迁而发射的电磁辐射。X射线有连续X射线和特征X射线。连续X射线连续X射线由高真空度的X射线管产生。X射线管有一个热阴极和一个阳极（靶）。当热阴极发射出热电子后，电子在几万压伏的高压电场下被加速，电子流撞击到阳极靶上.当高速电子撞击靶面时，受到靶材料原子核的库仑力作用而突然减速，使电子周围电磁场发生急剧变化。电子的部分动能转变为X射线辐射能。由于撞击到阳极靶上的电子并不都是以同样的方式受到原子核的库仑力作用，其中有些电子在一次碰撞中立即释放出全部能量而停止运动，有些电子则与靶材料发生多次碰撞才逐步失去动能而停止运动，从而产生了不同波长的X射线。对于大量电子射到靶材料来讲，其能量损失或转变是一个随机变量，因而产生各种波长的连续X射线。特征X射线－当X射线管电压提高到一定的程度(如钼靶在25kv)时，就会在一定的波长处出现强度很大的特征谱线叠加在连续X射线上，即称为特征X射线。－特征X射线波长与入射电子或连续X射线能量无关，只取决于靶材料。不同元素材料的靶，其原子结构不同，各层电子能量亦不同，因而特征X射线波长各不相同。X射线的发现和广泛应用是廿世纪科学发展中最伟大成就之一围绕X射线发现、发展和应用而进行科研工作的科学家获诺贝尔奖的就有近卅人之多X射线衍射法

结构测定X射线荧光光谱

成分分析1901年伦琴(英)

获诺贝尔物理奖1914年劳埃(德)

获诺贝尔物理奖1915年布拉格父子(英)

获诺贝尔物理奖1936年德拜(英/荷)

获诺贝尔化学奖1962年奥森等3人

获诺贝尔生物奖1964年

霍奇金(英/埃)

获诺贝尔化学奖1985年豪普特曼等2人

获诺贝尔化学奖…………2.X射线荧光光谱分析的基本原理当样品中元素的原子受到高能X射线照射时,即发射出具有一定特征的X射线谱,特征谱线的波长只与元素的原子序数(Z)有关（Moseley'sLaw),而与激发X射线的能量无关.谱线的强度和元素含量的多少有关,所以测定谱线的波长,就可知道试样中包含什么元素,测定谱线的强度,就可知道该元素的含量.X射线荧光的种类

入射的X射线具有相对大的能量,该能量可以轰击出元素原子内层中的电子.K层空缺时,电子由L层跃迁入K层,辐射出的特征X射线称为线;从M层跃迁入K层,辐射出的特征X射线称为线.同理L系X射线也具有等特征X射线.X射线荧光光谱法多采用K系L系荧光,其他线系较少采用.5.2XRF的特点谱线简单：光谱单纯，不易重叠，基体效应小。分析灵敏度高:大多数元素检出限达10-5～10-8g/g分析元素范围宽:B~U(5~92)定量分析线性范围宽:从常量至微量分析方法的精密度高:误差一般在5%以内制样简单:固体,粉末,液体,无损分析分析速度快：20～100s5.3

X射线荧光光谱仪1.种类波长色散型:分光元件(分光晶体+狭缝);特点:分辨率好,定性分析容易(谱线重叠少);分析元素为灵敏度低.能量色散型:半导体检测器(锂漂移硅探测器，锂漂移锗探测器，高能锗探测器、Si-PIN光电二极管探测器等）;特点：分辨率差,定性较难(谱线重叠多),分析元素为灵敏度高.需液氮冷却.2.X射线荧光光谱仪器组成X射线发生系统:产生初级高强X射线,用于激发样品;冷却系统:用于冷却产生大量热的X射线管;样品传输系统:将放置在样品盘中的样品传输到测定位置;分光检测系统:把样品产生的X射线荧光用分光元件和检测器进行分光,检测;计数系统:统计,测量由检测器测出的信号,同时也可以除去过强的信号和干扰线;真空系统:将样品传输系统和分析检测系统抽成真空,使检测在真空中进行(避免强度的吸收损失);控制和数据处理系统:对各部分进行控制,并处理统计测量的数据,进行定性,定量分析,打印结果.5.4试样的制备方法1.粉状物粉状试样的制备方法一般是：取样→干燥→粉碎→加压成型→测定，见下页表2.液体试样使用专用容器，直接X射线照射，检测限较高mg/L级，常用DDTC络合法浓缩后分析。3.气体试样主要用于测定大气颗粒物种的金属元素。先用大流量空气采样器捕集，然后湿法消解浓缩后测定。粉末试样的制备方法类别采样干燥粉碎加压成型土壤、污泥、底质、废渣多点采样除掉石块、树根等异物后均匀混合，经缩分后适量取样风干或在干燥器中干燥，在玛瑙研钵中轻轻粉碎，再将此试样全部通过32目筛取一定量试样，用铝环或聚四氟乙烯环在30t/φ40mm压力下加压成型鱼贝类、植物除去附着水分，采用可食部分，用组织捣浆机均质化取一部分称量用红外线灯干燥后称其质量（水分）微磨碎取一定量试样，用铝环或聚四氟乙烯环在30t/φ40mm压力下加压成型5.5定性定量分析方法1.定性方法基本原理:试样发出的X荧光射线波长与元素的原子序数存在一定关系,即元素的原子序数增加,X射线荧光的波长变短,关系式为式中K,S:随不同谱线系列而定的常数;Z:原子序数.以波长色散XRF为例。从试样发出的X射线荧光具有所含元素的固有波长,该波长可用Bragg公式表示:X射线荧光分析是已知分光晶体的晶面间距d,测定分光晶体对样品发射出的X射线荧光的衍射角θ,然后求出X射线荧光的波长λ.由此确定元素的种类,进行元素分析.通常被检测X射线荧光的位置不用波长表示,而是用2θ表示.选择测定条件:测定的X射线:49In以下元素－Kα；50Sn以上元素－Lα管电压－管电流：Rh靶，3kW40kV,70mA；4kW，40kV,95mA分光晶体：一般地，F~Mg用TPA晶体，Al~Si用PET晶体，P~Ar用Ge晶体，K~U用LiF晶体．扫描速度：一般为２°～8°/min谱图解析:1)除掉靶发射的所有Ｘ射线2)查找Kα(49In以下元素)或Lα(50Sn以上元素),与标样相应的2θ比较，初步判断3)若存在Kβ或Lβ线，则需进行强度比的计算以确定该元素的存在．4)微量元素，有时只存在Kα线.2.定量方法因为Ｘ射线荧光分析得到的是相对分析值，所以进行定量分析时需要标样．选定分光晶体和检测器，统计测量样品发出的Ｘ射线荧光的强度，将已知含量的标准样品和未知样品在同一条件下测定，确定未知样品的含量．常用的有标准曲线法，标准加入法和内标法等。6.气相分子吸收光谱6.1气相分子吸收光谱法的测定原理气相分子吸收光谱（GPMAS）是基于被测成分所分解成的气体对辐射光的吸收强度与被测成分浓度的关系遵守光吸收定律这一原则来进行定量测定的；根据吸收波长不同，也可以用来进行定性分析。测定过程：对液体和固体样品，将被测成分从液相/固相中分解成气体，用载气（一般为空气）载入气相分析吸收光谱仪的测量系统测定吸光度。对于气体则直接导入，然后与标准溶液或标准气体的吸光度对比，得出测定结果。适用范围：固、液、气。比较适合阴离子和一些酸根离子的测定。GPMAS的特点与常用的分光光度法相比较，本方法测定速度极快，测定结果准确可靠，测定样品成分浓度范围宽，方法抗干扰性强，不需要进行复杂的化学分离，且不受样品颜色和混浊物的影响。6.2GPMAS仪器6.3在环境监测中的应用本方法是20世纪70年代兴起的，最早用于测定SO2，之后陆续测定了I2、Br2、H2S、HCN、NO2、NO等污染物。在水质分析方面，可用于测定NO2-N、NO3-N、氨氮、凯氏氮、总氮、硫化物（已纳入《水和废水监测分析方法》第四版）、SO32-、和Cl-等。6.3.1NO2-NNO2-在酸性介质中易分解为NO2和NO，但分解速度较慢，气相中气体浓度小，不能对紫外光产生有效吸收，mg/L级的NO2-N仍无法检出。可通过加入甲醇、乙醇或甲醛等催化剂，加速分解反应，可使产生密集的NO2气体载入吸光管，大大提高了测定灵敏度，使检出限达到0.5μg/L，RSD<1%，加标回收率98%~102%。此方法已经成功用于长江水、海水、饮用水、工业用水和某些废水中亚硝酸盐的测定。6.3.2

NO3-N在酸性介质中采用亚钛离子（Ⅲ）可使硝酸盐被还原为NO气体，在204.7nm、214.8nm和226.2nm产生三个窄带吸收峰。一般使用镉空心阴极灯，采用214.4nm的波长进行测定。常温下分解较慢，水浴中加热到70±2℃时可瞬间被还原，检出限达0.6μg/L，RSD<2%，加标回收率97.4%~104%用于地面水、井水、海水、饮用水和某些工业废水的测定6.3.3氨氮将水样加入高浓度的NaOH溶液中，加热条件下用N2将NH3吹出测定。但有机胺也在强碱性条件下转化为NH3，是测定结果偏高很多。用次溴酸钠将NH4+氧化成NO2-，然后按照NO2-N的测定方式进行测定。氧化率为98%~100%。虽然此法比上面的方法速度慢，但灵敏度高、精密度和准确度均好，而且容易掌握。但也应考虑有机胺的氧化，所以之前水样根据需要进行蒸馏预处理。另外水样中NO2-N也应扣除。6.3.4硫化物

水中硫化物包括溶解性的H2S、HS-、S2-和存在于悬浮物中的可溶性硫化物、酸可溶性金属硫化物以及未电离的有机和无机硫化物。这些硫化物可被较强的酸(5％-10％的磷酸)酸化分解，生成挥发性的H2S气体。用空气将其载入气相分子吸收光谱仪的测量系统，在200nm附近测定吸光皮来进行水和污水中硫化物的快速测定。若水样基体复杂，含干扰成分多，则采用快速沉淀过滤与吹气分离的双重去除干扰手段来进行测定。检出限达0.5μg/L，检测上限10mg/L，加标回收率100%~102%，RSD<1%，应用于各种水样。7.分子发光分析化学发光分析法荧光分析法磷光分析生物发光分析法7.1荧光与磷光分析法7.1.1原理：分子发光：处于基态的分子吸收能量（电、热、化学和光能等）被激发至激发态，然后从不稳定的激发态返回至基态并发射出光子，此种现象称为发光。发光分析包括荧光、磷光、化学发光、生物发光等。物质吸收光能后所产生的光辐射称之为荧光和磷光。分子荧光/磷光分析法是根据物质的分子荧光/磷光光谱进行定性，以荧光/磷光强度进行定量的一种分析方法。7.1.2荧光和磷光的产生处于分子基态单重态中的电子对，其自旋方向相反，当其中一个电子被激发时，通常跃迁至第一激发态单重态轨道上，也可能跃迁至能级更高的单重态上。如果跃迁至第一激发三重态轨道上，则属于禁阻跃迁。单重态与三重态的区别在于电子自旋方向不同，激发三重态具有较低能级。在单重激发态中，两个电子平行自旋，单重态分子具有抗磁性，其激发态的平均寿命大约为10-8s，而三重态分子具有顺磁性，其激发态的平均寿命为10-4~1s以上（通常用S和T分别表示单重态和三重态）。处于激发态的电子，通常以辐射跃迁方式或无辐射跃迁方式再回到基态。辐射跃迁主要涉及到荧光、延迟荧光或磷光的发射；无辐射跃迁则是指以热的形式辐射其多余的能量，包括振动弛豫（VR）、内部转移（IR）、系间窜跃（IX）及外部转移（EC）等，各种跃迁方式发生的可能性及程度，与荧光物质本身的结构及激发时的物理和化学环境等因素有关。设处于基态单重态S0中的电子吸收波长为λ1和λ2的辐射光之后，分别激发至第二单重态S2及第一单重态S1。

荧光、磷光能级图→振动弛豫S0S1S2T1吸光

1吸光

2振动弛豫在同一电子能级中，电子由高振动能级转至低振动能级，而将多余的能量以热的形式发出。发生振动弛豫的时间为10-12s数量级内转移

当两个电子能级非常靠近以至其振动能级有重叠时，常发生电子由高能级以无辐射跃迁方式转移至低能级。右图中指出，处于高激发单重态的电子，通过内转移及振动弛豫，均跃回到第一激发单重态的最低振动能级。

荧光、磷光能级图S0S1S2T1吸光

1吸光

2内转移荧光发射

处于第一激发单重态中的电子跃回至基态各振动能级时，将得到最大波长为λ3的荧光。注意：基态中也有振动驰豫跃迁。很明显，λ3的波长较激发波长λ1或λ2都长，而且不论电子开始被激发至什么高能级，最终将只发射出波长λ3为的荧光。荧光的产生在10-7-10-9s内完成。

荧光、磷光能级图S0S1S2T1吸光

1吸光

2荧光

3荧光系间窜跃指不同多重态间的无辐射跃迁，例如S1→T1就是一种系间窜跃。通常，发生系间窜跃时，电子由S1的较低振动能级转移至T1的较高振动能级处。有时，通过热激发，有可能发生T1→S1，然后由S1发生荧光。这是产生延迟荧光的机理。

荧光、磷光能级图S0S1S2T1吸光

1吸光

2荧光

3系间窜跃磷光发射

电子由基态单重态激发至第一激发三重态的几率很小，因为这是禁阻跃迁。但是，由第一激发单重态的最低振动能级，有可能以系间窜跃方式转至第一激发三重态，再经过振动驰豫，转至其最低振动能级，由此激发态跃回至基态时，便发射磷光，这个跃迁过程（T1→S0）也是自旋禁阻的，其发光速率较慢，约为10-4-10s。因此，这种跃迁所发射的光，在光照停止后，仍可持续一段时间。

荧光、磷光能级图S0S1S2T1吸光

1吸光

2荧光

3磷光磷光外转移

指激发分子与溶剂分子或其它溶质分子的相互作用及能量转移，使荧光或磷光强度减弱甚至消失。这一现象称为“熄灭”或“猝灭”。荧光与磷光的根本区别：

荧光是由激发单重态最低振动能层至基态各振动能层间跃迁产生的；而磷光是由激发三重态的最低振动能层至基态各振动能层间跃迁产生的。7.1.3荧光分析的特点：灵敏度高：视不同物质，检测下限在0.1

0.001g/mL之间。可见比UV-Vis的灵敏度高得多，相对于普通的分光光度法，灵敏度高约1000倍。

选择性好：可同时用激发光谱和荧光发射光谱定性。结构信息量多：包括物质激发光谱、发射光谱、光强、荧光量子效率、荧光寿命等。应用不广泛：主要是因为能发荧光的物质不具普遍性、增强荧光的方法有限、外界环境对荧光量子效率影响大、干扰测量的因素较多。7.1.4荧光、磷光与分子结构的关系了解荧光与分子结构的关系，可以预测哪些物质能产生荧光，在什么条件下产生，以及发射的荧光有什么特征以便更好地运用荧光分析技术，采取一些措施把不发荧光的物质产生荧光，即把非荧光体变成荧光体，弱荧光体变成强荧光体荧光强度常用荧光量子效率φf

来描述

f

越大，荧光越强，在0~1之间，分析上有应用价值的荧光化合物的荧光效率在0.1~1之间至今对激发态分子的性质了解不深，无法定量地描述荧光与分子结构之间的关系一般情况，有机芳香族化合物及金属离子配合物是最强最有用的荧光体。（1）跃迁类型物质只有吸收了紫外可见光，产生*n*跃迁，产生荧光*与n*跃迁相比，摩尔吸收系数大102~103，寿命短*跃迁常产生较强的荧光，n*跃迁产生的荧光弱，但可产生系间窜跃，产生更强的磷光（2）共轭体系——有较强的荧光具有共轭体系的芳环或杂环化合物，电子共轭程度越大，越易产生荧光;环越多，共轭程度越大，产生荧光波长越长，发射的荧光强度越强芳香族化合物因具有共轭的不饱和体系，多数能发生荧光多环芳烃是重要的环境污染物，可用荧光法测定

f

ex/nm

em/nm

0.11205278

0.292863100.46365400苯萘蒽

350菲线状环结构比非线状结构的荧光波长长－－386430苯并[a]芘（3）刚性平面结构—较稳定的平面结构具有强荧光的分子多数有刚性平面结构荧光素：氧桥把两个环固定在一个平面上，具有平面结构，强荧光物质酚酞：无氧桥把两个环固定，不能很好的共平面，为非荧光物质例1，2-二苯乙烯反式：平面构型强荧光体顺式：非平面构型非荧光体（4）取代基的类型取代基对荧光物质的荧光特征和强度也有很大影响。分成三类：

增强荧光的取代基

——-OH、-OR、-NH2、-NHR、-NR2等给电子基团

减弱荧光的取代基——--COOH、-NO2

、-COOR、-NO、-SH吸电子基团,使荧光波长短移，荧光强度减弱芳环上被F、Cl、Br、I取代后，使系间窜跃加强，磷光增强，荧光减弱。其荧光强度随卤素原子量增加而减弱，磷光相应增强，这种效应为重原子效应。

影响不明显的取代基

——-NH3+、-R、-SO3H等（5）金属螯合物的荧光大多数无机盐类金属离子，不能产生荧光，但某些螯合物都能产生很强的荧光，可用于痕量金属离子的测定不少有机配体是弱荧光体或不发荧光，但与Mn+形成螯合物后变为平面构型，就会使荧光加强或产生荧光例：8-羟基喹啉为弱荧光体，与Mn+—Al3+、Mg2+形成螯合物后，能形成刚性结构，荧光加强7.1.5环境对荧光、磷光的影响

1.溶剂的影响同一荧光物质在不同的溶剂中可能表现出不同的荧光性质。一般来说，溶剂的极性增强，荧光波长长移，荧光强度增大

2.温度的影响——低温下测定，提高灵敏度因为辐射跃迁的速率基本不随温度变，而非辐射跃迁随温度升高显著增大。大多数荧光物质都随溶液温度升高荧光效率下降，荧光强度减弱。温度对磷光影响更大

3.pH影响大多数含有酸性或碱性基团的芳香族化合物的荧光性质受溶液pH的影响很大（一）荧光分析仪器——主要由光源、单色器、液槽、检测器和显示器组成光源第一单色器液池检测器第二单色器检测器放大器及记录器

ex

em与分光光度计有两点不同①两个单色器②检测器与激发光互成直角I0I7.1.6荧光和磷光分析仪器7.1.7激发光谱和荧光、磷光光谱荧光和磷光均为光致发光，合适的激发光波长需根据激发光谱确定——激发光谱是在固定荧光波长下，测量荧光体的荧光强度随激发波长变化的光谱I

ex固定

em荧光波长I

em固定

ex激发光波长激发光谱荧光、磷光光谱7.1.8荧光、磷光的应用（1）荧光分析法－无机化合物的分析无机化合物中，能直接产生荧光并应用于测定的为数不多，但与有机化合物生成发荧光的有机配合物后，进行荧光分析的元素达70多种，其中较常采用荧光法测定的元素有：Be、Al、B、Ga、Se、Mg、Zn、Cd及某些稀土元素－有机化合物的分析脂肪族有机化合物的分子结构较为简单，本身能发荧光的很少，一般需要与某些试剂反应后才能进行荧光分析芳香族化合物因具有共轭的不饱和体系，多数能发荧光；可直接用荧光法测定。对于具有致癌活性的多环芳烃——荧光分析法是最主要的测定方法（2）磷光分析法应用能产生磷光的物质数量很少，磷光分析不及荧光分析普遍，但磷光分析法已在药物分析、临床及环境分析领域得到一定的应用。低温磷光分析已应用在萘、蒽、菲、芘、苯并芘等多环芳烃及含O、S、N的杂环化合物分析固体表面室温磷光分析法已成为多环芳烃和杂环化合物的快速、灵敏的分析手段。7.2化学发光法化学发光是利用化学反应所产生的光辐射现象所建立的分析方法化学发光与荧光的主要区别：受激发时所需的能量来源不同，需要化学反应过程中所提供的化学能特点：灵敏度高：用荧光素酶和三磷酸腺苷ATP的化学发光反应，可测定低至2×10-17mol·L-1ATP线性范围宽——一般有5~6个数量级仪器设备简单，成本低廉分析速度快，易实现自动化局限性：可供发光用的试剂有限，发光机理有待进一步研究8.超临界色谱法8.1概述超临界流体色谱法（SupercriticalFluidChromatography,SFC）是以超临界流体作为流动相的一种色谱方法。所谓超临界流体，是指既不是气体也不是液体的一些物质，它们的物理性质介于气体和液体之间。超临界流体色谱技术是2O世纪80年代发展起来的一种崭新的色谱技术。由于它具有气相和液相所没有的优点，并能分离和分析气相和液相色谱不能解决的一些对象，应用广泛，发展十分迅速。据Chester估计，至今约有全部分离的25％涉及难以对付的物质，通过超临界流体色谱能取得较为满意的结果。8.2超临界流体的特性(1)物质的临界点在较低的温度下，增加气体压力时气体会转化成液体；当温度升高时，液体体积增大或转化为气体，即物质在三相点下，气、固、液处在平衡状态。但对于某些特殊物质而言，存在这样一个临界温度Tc和临界压力Pc，在高于Tc和Pc情况下，物质不会成为液体或气体，这就是常说的物质临界点。在临界点以上的范围内，物质状态介于气体和液体之间，这种流体称为超临界流体。（2）超临界流体的特性超临界流体具有对于分离极其有利的物理性质。它们的这些性质恰好介于气体和液体之间。超临界流体的扩散系数和粘度接近于气相色谱，因此溶质的传质阻力小，可以获得快速高效分离。另一方面，其密度与液相色谱类似，这样就便于在较低温度下分离和分析热不稳定性、相对分子质量大的物质。超临界流体的物理性质和化学性质，如扩散、粘度和溶剂力等，都是密度的函数。因此，只要改变流体的密度，就可以改变流体的性质，从类似气体到类似液体，无需通过气液平衡曲线。超临界流体色谱中的程序升密度相当于气相色谱中程序升温度和液相色谱中的梯度淋洗。8.3超临界色谱仪1985年出现第一台商品型的超临界流体色谱仪。图中很多部分类似于高效液相色谱仪，但有两点重要差别：具有一根恒温的色谱柱。这点类似气相色谱中的色谱柱，目的是为了提供对流动相的精确温度控制。带有一个限流器（或称反压装置）。作用是在它的两端保持不同的相态，并通过它实现相态的瞬间转变，即超临界态向气态转变。实际上，可把限流器看作柱末端延伸部分。（1）固定相和流动相

用于SFC中的色谱柱可以是填充柱也可以是毛细管柱，目前，毛细管超临界流体色谱（CSFC）由于具有特别高的分离效率，倍受人们的青睐。在SFC中，最广泛使用的流动相要算是CO2流体，它无色、无味、无毒、易获取并且价廉，对各类有机分子都是一种极好的溶剂。它在紫外区是透明的；临界温度31℃，临界压力7.29×106Pa；在色谱分离中，CO2流体允许对温度、压力有宽的选择范围。有时可在流体中引入1%～10%甲醇，以改进分离的选择因子α值。除CO2流体外，可作流动相的还有乙烷、戊烷、氨、氧化亚氮、二氯二氟甲烷、二乙基醚和四氢呋喃等。（2）检测器在高效液相色谱仪中经常采用的检测器，如紫外、荧光、火焰光度等都能在SFC仪中很好应用。但SFC比起HPLC还具有一个主要优点是可采用GC中火焰离子化检测器（FID）。我们知道，FID对一般有机物分析具有较高的灵敏度，这也就提高了SFC对有机物测定的灵敏.8.4超临界色谱的特点

l

适合于分析蒸气压低和热稳定性差的样品l

SFC流体和LC流动相一样，对样品有分离作用（不同于GC），分离物质分子量范围与LC接近l

超