物证技术学总论

1、第 六 章,物证仪器分析技术,教 学 目 的 和 要 求,通过课堂学习，使学生掌握各种仪器分析方法的基本原理，了解其在物证技术学领域的具体适用范围，最终达到今后能正确指导实践活动的目的。,教学重点和难点,重点： 1、色谱法； 2、原子光谱法； 3、分子光谱法。 难点： 1、原子发射光谱法； 2、原子吸收光谱法； 3、紫外- -可见光谱法； 4、红外光谱法。,第一节 色 谱 法,1、色谱法的概念； 2、色谱法的基本原理； 3、色谱法的分类； 一、薄层色谱法和薄层扫描色谱法 二、气相色谱法 三、高效液相色谱法,色谱法的概念,色谱法是一种分离技术。它是利用物质在 固定相（固体或液体）与流动相（气体或

2、 液体）之间分配、吸附、渗透、交换等能 力的不同，通过多次分配、吸附、渗透和 交换，最终达到分离的一类分析方法。,色谱法的分离原理,使混合物中各组分在两相间进行分配，其中一相是不动的，称为固定相；另一相是携带混合物流过此固定相的流体，称为流动相。当流动相中所含混合物经过固定相时，就会与固定相发生作用。由于各组分在性质和结构上的差异，与固定相发生作用的大小、强弱也有差异。在外部同一推动力作用下，不同组分在固定相中的滞留时间有长有短，从而按先后不同的次序从固定相中流出。,色谱法的类型,1、按流动相的物态分类：气相色谱法（流动相为气体），液相色谱法（流动相为液体）。 2、按固定相的物态分类：气固色谱

3、法（固定相为固体吸附剂）、气液色谱法（固定相位涂在固体担体上或毛细管壁上的液体）、液固色谱法、液液色谱法等。 3、按固定相使用的形式分类：柱色谱法（固定相装在色谱柱中）、纸色谱法（滤纸为固定相）、薄层色谱法（将吸附剂粉末制成薄层做固定相）等。 4、按分离机制分类：吸附色谱法（利用吸附剂表面对不同组分的物理吸附性能的差异进行分离）、分配色谱法（利用不同组分在两相中有不同的分配系数来进行分离）、离子交换色谱法（利用离子交换原理进行分离）、排阻色谱法（利用多孔性物质对不同大小分子的排阻作用不同进行分离）等。,薄层色谱法图解,一、工具的准备 1、层析板； 2、层析缸； 3、展开剂； 4、毛细管； 5、

4、显色剂；,层析板+固定相,层析缸+流动相,二、点样,检材,样本,三、展开,四、（显色）比较,五、计算比移值（Rf值）,比移值=,原点到斑点中心的距离,原点到溶剂前沿的距离,薄层色谱法图解,薄层色谱法的优点及局限性,薄层色谱法具有如下优点：1、适用面广，能分离分析各种类型的化合物；2、可同时进行多种样品的比对分析；3、分析灵敏度较高，一般化合物的检出限为1微米2微米，个别化合物可达0.01微米；4、设备简单，操作方便。 薄层色谱法的局限性在于：1、定性分析的可靠性不够；2、与质谱、红外光谱直接联用的难度大，其接口装置处在研制阶段，尚未成熟；3、定量分析需借助薄层扫描仪，才能提高精密度，减小误差。

5、,薄层扫描色谱仪,薄层扫描仪由光源、单色器、检测器、扫描装置和计算机等组成。其通过线性或锯齿扫描，能对薄层板进行反射和透射吸光度的测量及荧光测量，也可测定斑点的紫外可见反射吸收光谱，得到色谱图。通过测算峰高和峰面积，完成定量分析。,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,A,B,C,D,E,1高压钢瓶 2减压阀 3载气净化干燥管 4针形阀 5流量计 6压力表 7进样器 8色谱柱 9检测器 10记录仪 A载气系统 B进样系统 C色谱柱和柱箱 D检测系统 E记录系统,气相色谱流程图,色谱柱的类型,色谱柱有两种类型，一种是内 装固定相的，称为填充柱。另一种 色谱柱称为毛细管色谱柱。,在填充柱内填充

6、的固定相有两种类型，即气固色谱中的固定相和气液色谱中的固定相。 A、气固色谱中的固定相是一种具有多孔性及较大表面积的吸附剂（如硅藻土、三氧化二铝等）。 B、气液色谱中的固定相是在担体表面涂上一层高沸点的有机化合物的液膜而形成的。担体是一种具有化学惰性、多孔性的固体颗粒，它的作用是提供一个大的惰性表面，用以承担固定液，使固定液以薄膜状态分布在其表面上。常用的担体可分为硅藻土型和非硅藻土型两类。固定液一般都是高沸点的有机化合物。,常用的毛细管色谱柱有以下几种类型： A、空心毛细管色谱柱。其固定相是由固定液直接涂在毛细管内壁表面上而形成的，毛细管的内壁表面起着担体作用。 B、填充毛细管色谱柱。该种柱

7、的材料是玻璃。在拉制毛细管时，先在玻璃管内疏松地装入固定相，然后一起拉制成填充毛细管柱。 C、多孔层毛细管色谱柱。这种柱是在玻璃管内壁涂一薄层担体，然后再涂固定液，又称SCOT柱。,气相色谱仪检测器的类型,根据检测原理的不同，可将检测器分为浓度型检测器和质量型检测器两种。 1、浓度型检测器（如热导池检测器、电子捕获检测器等）测量的是载气中某组分浓度瞬间的变化，即检测响应值与组分的浓度成正比。 2、质量型检测器（如氢火焰离子化检测器、火焰光度检测器等）测量的是载气中的某组分进入检测器的速度变化，即检测器的相应值与单位时间内进入检测器某组分的量成正比。,1,2,3,4,进样,信号,时间,气相色谱图

8、,气相色谱法的定性依据,气相色谱法定性的依据是保留值。保 留值是表示试样中各组分在色谱柱中的滞留 时间的数值，通常用时间或用将组分带出色 谱柱所需载气的体积来表示。,气相色谱定量分析依据,在一定的操作条件下，分析组分i的重量Wi或其在载气中的浓度与检测器的响应讯号（色谱图中表现为峰面积Ai或峰高）成正比，可写作： Wi=fiAi 上式中的fi是一个比例常数，称为定量校正因子。从上式可以看出，气相色谱定量分析的关键是准确测量峰面积及准确求出定量校正因子。目前常用的定量计算方法有归一化法、内标法、内标标准曲线法、外标法等，可以利用积分仪或计算机进行记录和计算。,气相色谱法的优点和局限性,气相色谱法

9、具有下列优点：1、分离效率高，分析速度快，能在很短时间内分离分析含有几十种、甚至上百种组分的混合物；2、灵敏度高，检测限（指检测器恰能产生与噪声相鉴别的讯号时，在单位体积或时间内需进入检测器的物质量）可达10克/毫升10克/毫升；3、定量分析的精密度好，误差小；4、操作比较简便；5、能与质谱、红外光谱直接联用。 气相色谱法的局限性在于：定性分析结果不可靠；不能分析熔点较高、难挥发、热不稳定的化合物。目前能用气相色谱分析的化合物，仅占现有化合物总数的20%左右。,高效液相色谱法的概念,高效液相色谱法（HPLC法）是在经典的液体柱色谱基础之上，引入气相色谱法理论，采用高压泵、高效固定相、高灵敏度检

10、测器等技术，全部工作通过仪器来完成的一种色谱方法。,高效液相色谱法的特点,1、高压。运用高压泵加压，其供液压力和进样压力都很高，一般可达到250千克/厘米400千克/厘米。 2、高速。其流动相在色谱柱内的流速一般可达1毫升/分10毫升/分，个别可高达100毫升/分以上，已近似于气相色谱的流速。 3、高效。气相色谱法的分离效能很高，柱效约为2000塔板/米，有时一根柱子可以分离100种以上的组分。 4、高灵敏度。高效液相色谱法的高灵敏度一是表现在所需试样少，微升数量级的试样就足以进行全分析；二是表现在其广泛采用了高灵敏度的检测器，如：紫外检测器的最小检测量可达10克，荧光检测器的灵敏度可达10克

11、。,贮液器,高压泵,梯度洗提装置,压力表,进样器,色谱柱,馏分收集器,记录仪,检测器,高效液相色谱仪结构图,梯度洗提,所谓梯度洗提，就是载液中含有两种（或更多）的不同极性的溶剂，在分离过程中按一定的程序连续改变载液中溶剂的配比和极性，通过载液中极性的变化来改变被分离组分的分离因素，以提高分离效果。,高效液相色谱法的类型,1、液液色谱法（液液分配色谱法） 由于试样组分在固定相和流动相之间的相对溶解度存在差异，使溶质在两相间达到分配。 其又可分为正相液液色谱法和反相液液色谱法。 2、液固色谱法（液固吸附色谱法） 其作用机制是溶质分子和溶剂分子对吸附剂活性表面的竞争吸附，是根据物质吸附作用的不同来进

12、行分离的。 3、离子交换色谱法 其作用机制是离子交换树脂上可电离的离子与流动相中具有相同电荷的溶质离子进行可逆交换，依据这些离子对交换剂具有不同的亲和力而将它们分离开来。 4、空间排阻色谱法（空间排斥色谱法、凝胶渗透色谱法或凝胶过滤色谱法） 其作用机制是试样进入色谱柱后，随流动相在凝胶外部间隙以及凝胶孔穴旁流过，体积大的分子不能渗透到凝胶孔穴里去而受到排阻，较早地被冲洗出来。中等体积的分子产生部分渗透作用，小分子则可渗透到孔穴里去，因为存在一个平衡过程而较晚被冲洗出来。这样，试样组分基本上是按其分子大小受到不同排阻先后从柱中流出，从而实现分离的。,高效液相色谱法的优点及局限性,优点： 1、适用

13、面广，其只要求试样能制成溶液而不需要气化，对于高沸点、热稳定性差、分子量大的有机物都可用高效液相色谱法进行分离分析，即能分析溶于流动相的所有化合物； 2、流动相的选择范围宽； 3、灵敏度较高，检测限为10克/毫升10克/毫升； 4、定量分析的精密度好，误差小。 局限性： 分离效率不如气相色谱高，缺乏通用灵敏的检测器，与质谱、红外光谱直接联用的难度大，其接口装置尚未成熟。,高效液相色谱在物证技术学中的应用,1、检测熔点较高、难挥发、热不稳定的毒物、毒品及其代谢产物，炸药及爆炸残留物； 2、鉴别纤维染料、印刷油墨、圆珠笔油、墨水、纸张、口红、印油印泥及药物等的种类、产地、生产厂家和牌号； 3、区分

14、不同地区的土壤。,电磁辐射按波长范围分为不同的区域,1、-射线：波长范围为0.005埃1.4埃；（宇宙射线） 2、X-射线：波长范围为0.1埃100埃； 3、光学区：波长范围为100埃300微米； 远紫外区：波长范围为10纳米200纳米； 近紫外区：波长范围为200纳米380纳米； 可见区：波长范围为380纳米780纳米； 近红外区：波长范围为780纳米3微米； 远红外区：波长范围为3微米300微米； 4、微波：波长范围为0.3毫米1米； 5、无线电波：波长1米。,光学分析方法的分类,1、光谱方法。在这类方法中，通常需要测定试样的光谱，这些光谱是由于物质的原子或分子的特定能级的跃迁所产生的。根

15、据其特征光谱的波长可进行定性分析；而其光谱的强度与物质的含量有关，据此可进行定量分析。 根据电磁辐射的本质，光谱方法又可分为分子光谱法和原子光谱法。 2、非光谱方法。一些光学分析法并不涉及光谱的测定，即不涉及能级的跃迁，其主要利用电磁辐射与物质的相互作用。该相互作用会引起电磁辐射在方向上的改变或物理性质的变化，其中主要可以利用的有折射、反射、色散、散射、干涉、衍射、偏振等，利用这些变化可以进行分析。,原子发射光谱法的基本原理,自然界中存在的不同物质都是由不同元素的原子所组成的，原子由一个结构紧密的原子核和核外围绕原子核做高速运动的电子所组成。每一个电子都处在一定的能级上，具有一定的能量。原子或

16、离子的外层电子，在正常的情况下处于稳定的状态，此时它的能量是最低的，即处于最低的能级，这种状态称为基态。当原子受到外界能量（热能、光能、电能或其它形式的能量）的作用时，原子由于与外界高速运动的气态粒子发生相互碰撞而获得了能量，从而使原子的中外层电子从基态跃迁到更高的能级上，该种状态称为激发态。处于激发态的原子是极不稳定的，在极短的时间（约10秒）内就可跃迁回基态或其它较低的能级上去。当原子从较高能级跃迁到基态或其它较低能级的过程中，多以发光的形式释放出多余的能量，即能量是以一定波长的电磁波的形式辐射出去的，从而产生了线状原子发射光谱。,能量差E与发射光谱波长的关系式,设高能级的能量为E，低能级

17、的能量为E，发射光谱的波长为（或频率为），则释放出的能量E与发射光谱波长的关系为： hc E=E-E= =h hc 或= E-E 式中h为普朗克常数，h=6.62510尔格秒，c为光速，c=310厘米/秒。,原子发射光谱分析过程的简单描述法,1、使试样在外界能量的作用下转变成气态原子； 2、使气态原子的外层电子激发至高能态； 3、当电子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； 4、通过色谱仪对所产生的辐射进行色散分光，并 按波长顺序将其记录在感光板上，就可呈现出 有规则的谱线条，即光谱图； 5、最后根据所得到的光谱图进行定性或定量分析。,原子发射光谱仪的光源,

18、光源的作用是将样品气化、分解、原子化、激发，使原子和离子的外层电子跃迁到高能态。 常用的光源有直流电弧、交流电弧、电火花、电感耦合等离子体（ICP）光源、激光光源等。另外还有火焰、低气压放电管、空心阴极、辉光放电、直流等离子体喷焰等光源。,L,E,V,V,A,R,G,E直流电源 V直流电压表 A直流安培表 R镇流电阻 L电感 G分析间隙,直流电弧光源示意图,试样,对电极,入射狭缝,棱镜或光栅,看谱法,法 摄谱,感光板,出射狭缝,光电法,光电倍增管,反射镜,原子发射光谱分析的看谱法、摄谱法、光电法,棱镜摄谱仪,棱镜摄谱仪主要由照明系统、准光系统、色散系统（棱镜）及投影系统四部分组成。,L,S,O

19、,P,O,F,狭缝,光栅转台,光栅,感光板,二次衍射反射镜,平面反射镜,成像物镜,准直镜,WPS1型平面光栅摄谱仪,原子发射光谱定性分析依据,原子发射光谱定性分析依据的是元素自身的特征谱线。 1、特征谱线：是指由于各种元素原子结构的不同，在光源的激发作用下，产生的许多按一定波长次序排列的谱线组。 2、灵敏线：是指各种元素谱线中最容易激发或激发电位较低的谱线。 3、共振线：由激发态直接跃迁至基态时所辐射的谱线称为共振线。 4、第一共振线：由较低能级的激发态（第一激发态）直接跃迁至基态时所辐射的谱线称为第一共振线，其一般也是元素的最灵敏线。 在实际定性分析时，只要检查出某种元素两条以上的灵敏线，就

20、可判断该元素存在与否。,2350 60 70 80 90 2400 10 20 30 40 2450 60,铁谱,（）,As,Al,Ir,Al,Sn,Co,Co,As,Ta,Ta,Pb,Ca,Ta,Ca,Co Co,Sn Sn,Co,As,Ta,Si,Pt,Sb,Ag,As,元素谱线,Ir,元素标准光谱图,原子发射光谱定量分析依据,原子发射光谱定量分析的依据是，在一定的条件下，待测元素谱线的强度与元素的浓度成正比。 元素的谱线强度I与该元素在试样中浓度C的关系可用下式表示： lgI=blgC+lga a和b为常数；a是与试样的蒸发、激发过程和试样组成等有关的一个参数，b为自吸系数，它的数值与谱

21、线的自吸有关。,原子发射光谱法的优缺点,优点 1、特效性突出，每一种元素都有特征光谱，化学性质相似的元素，其光谱也有差别； 2、能进行多元素的同时检测，一次可分析几十种元素； 3、灵敏度高，精密度好，ICP光源与光电直读光谱仪结合，检出限可达到10克/毫升10克/毫升，相对标准偏差为0.1%。 局限性 对非金属元素如硫、硒、碲及卤素等的灵敏度不高；其等离子体直读光谱仪的价格较高等。,原子发射光谱法在物证技术学中的应用,1、检测中毒元素、工具痕迹、金属物体、电击伤 的附着物和爆炸、射击的残留物等； 2、通过元素的定性定量分析，可鉴别涂料、纸张、金属材料的生产厂家和牌号，区分不同地区的土壤和水质；

22、 3、利用激光发射光谱，能进行微区分析，鉴定珠宝、金银首饰及文物等的真伪,。,原子吸收光谱法,原子吸收光谱法（AAS），又称原子吸收分光光度法。它是基于物质所产生的原子蒸气对特定谱线（通常是待测元素的特征谱线）的吸收作用来进行定量分析的一种方法。,原子吸收光谱法的基本原理,基态原子的外层电子，当受到外界能量激发时，能吸收能量，跃迁到特定的较高能级，从而产生了原子吸收光谱线。 原子受不同能量的激发后，其外层电子可能跃迁到不同的能级，因此其有着不同的激发态，会形成不同的吸收谱线。我们把使电子从基态跃迁到第一激发态所产生的吸收谱线称为共振吸收线（简称共振线）。 各种元素的原子结构和外层电子排布不同，

23、使不同元素的原子从基态激发到第一激发态时吸收的能量不同，即各种元素的共振线不同，因此共振线是元素的特征谱线。同时，由于从基态到第一激发态的直接跃迁又最易发生，因此对大多数元素来说，其共振线又是灵敏线。 原子吸收光谱分析，就是利用处于基态的待测原子蒸气对从光源辐射的共振线的吸收来进行分析的。,镁空心阴极灯,Mg2852,火焰,助燃气,燃气,试样,单色器,光电检测器,镁原子吸收分析示意图,1、将试样呈雾状喷射入燃烧的火焰中，含镁雾滴在火焰温度下，挥发并离解成镁原子蒸气。 2、用镁空心阴极灯作光源，它辐射出具有波长为2852埃的镁的特征谱线的光。当通过一定厚度的镁原子蒸气时，部分光被蒸气中的基态镁原

24、子吸收而减弱。 3、通过单色器和检测器测得镁特征谱线光被减弱的程度，即可求得试样中镁的含量。,光源,单色器,检测器,讯号处理,显示装置,外光路系统,原子化系统 分光系统 检测系统,原子吸收分光光度计一般由光源、原子化系统、光学系统及检测系统四个主要部分组成 。,原子吸收分光光度计基本构造示意图,光源,透镜,透镜,火焰,单色器入射狭缝,双透镜外光路系统,检测器,出射狭缝,光栅,反射镜,入射狭缝,原子吸收分光光度计分光系统示意图,原子 蒸气,L,I,I,I 吸光度A = l g （A可以通过仪器测得） I 测得的吸光度A与原子蒸气中待测元素的基态原子数N呈线性关系，即： A = k NL k为常数

25、，N为单位体积原子蒸气中吸收辐射的基态原子数。 在一定浓度范围和一定火焰宽度L的情况下，上式可表示为： A=kC C为待测元素的浓度，k在一定的实验条件下是一个常数。,I为入射光的强度； I为透过光的强度； L为原子蒸气的厚度。,原子吸收光谱定量分析方法,原子吸收光谱的优点及局限性,优点： 1、灵敏度高，石墨炉法的绝对检出量为10克 10克； 2、选择性好，谱线简单，不易受干扰； 3、精密度好，相对标准偏差可达0.1%0.5% ， 定量准确； 4、适用范围广，可分析70多种元素； 5、设备简单，分析速度快。 局限性： 普通仪器一次只能分析一种元素，并需换上相应的光源；对某些元素如铅、硫等的灵敏

26、度不高。,原子吸收光谱法在物证技术学中的应用,1、检测人体中砷、汞、锌、镁等中毒元素（测定这些元素的含量以判断其是否超标）； 2、通过元素定量分析比较，能进一步鉴别涂料、纸张、浆糊等的生产厂家和牌号； 3、检测手上的射击残留物，包过金、银的纸或布上的金、银残留物等； 4、对工具痕迹进行元素成分分析等。,原子荧光光谱法 基本原理,1、基态原子的外层电子，受到特定波长的光照射时，从低能级跃迁到特定的高能级，再跃回到较低的能级，以发光的形式释放能量，形成原子荧光光谱。 2、原子荧光的种类有14种，在原子荧光光谱分析中应用较多的主要用5种，其中共振荧光应用最多。 3、共振荧光：气态原子的外层电子受激发

27、后，从基态跃迁到第一激发态，再返回基态，从而发射出的荧光。共振荧光的强度最大，在相同条件下，其分析灵敏度最高。,E,E,A,F,E,E,E,A,F,E,E,E,A,F,三种常见原子荧光原理示意图,直线荧光,阶梯线荧光,共振荧光,原子荧光原理示意图,原子荧光光谱定性定量分析依据,1、定性依据： 各种元素的原子所发射出的荧光波长各不相同，即每种元素都有特定的荧光光谱，这是原子荧光光谱定性分析的依据。 2、定量依据： 元素原子所发射出的荧光强度与单位体积的原子化器中该种元素的基态原子数目成正比，即可通过测得的荧光强度来测出溶液中该元素的含量，从而进行原子荧光光谱定量分析。,光源,透镜,原子化器,单色

28、器,检测器,原子荧光分光光度计示意图,原子荧光光谱法的优点： 1、灵敏度高，已有20多种元素的检出限优于原子吸收光谱法； 2、谱线简单，互相干扰少； 3、能进行多元素的同时测定； 4、线性范围宽。,原子荧光光谱法的局限性： 共存的原子、分子、粒子对荧光有淬灭作用；散射光对检测有干扰。,分子运动和分子特征能级,1、分子内部的运动可分为价电子运动、分子内原子在平衡位置附近的振动和分子绕其重心的转动这三种运动形式。因此，分子具有电子能级、振动能级和转动能级。 2、分子的总能量可认为是这三种运动能量之和。 即： E = Ee + Ev + Er （Ee、Ev、Er分别代表电子能、振动能和转动能）,电子

29、能级,B,A,4,3,2,1,振动能级,0,4 2 0,6,转动能级,分子中电子能级、振动能级、转动能级示意图,EeEvEr,E = E E = h =,hc,*,*,n,n,E,电子跃迁能级示意图,远紫外区,近紫外区,可见区,5,4,3,2,1,0,Lg ,100 200 300 400 500 600 700 800,*,*,n*,n*,n*,波长（nm）,常见的电子跃迁所处的波长范围及强度,由于分子外层电子跃迁的类型、能级间的能量差及跃迁几率与分子结构密切相关，所以通过紫外可见光谱能鉴别化合物，判断化合物的类型。这就是紫外可见吸收光谱定量分析的依据 。,E,E,B,180 200 220

30、 240 260 280,5,4,3,2,1,0,lg,波长（nm）,苯的紫外吸收光谱图（溶剂：乙醇）,1、E、E吸收带，是芳香族化合物的特征吸收 带。,2、B吸收带，亦称精细结构吸收带，可用以辨认芳香族化合物。,紫外及可见光谱定量分析依据,当强度为 I的单色光照射到样品溶液时，若有一部分光被样品吸收，透过样品的光强度就会减弱，用 I表示，吸收强度用T表示，定义为： I T = I 1 用吸光度A表示，定义为：A = log T 朗伯比尔定律指出，稀溶液样品的吸光度A，与溶液浓 度C和光在溶液中经过的距离 成正比，关系式如下： A = abC （式中吸光系数a是待测化合物的特性常数）,紫外及可

31、见光谱的优点及局限性,优点： 1、能鉴别化合物的类型，推断母体结构； 2、灵敏度较高，检测限可达10克/毫升； 3、定量分析的精密度和准确度好，相对标准偏差为 0.1%； 4、不破坏样品； 5、操作简便，分析速度快。 局限性： 光谱的特征性差，提供的化合物的结构信息较少。,紫外及可见光谱法在物证技术学中的应用,1、能检测部分毒物和药物； 2、利用导数光谱和显微分光光度法，可鉴别涂料、有色纤维、塑料、墨水、圆珠笔油、打字色带、印油印泥、印刷油墨、彩色粉笔、普通复写纸和无碳复写纸等的类别、生产厂家和牌号，在一定条件下，能鉴别批号； 3、通过测定字迹光谱吸收峰相对强度的比值，与已知样品对比，能判断钢笔、圆