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1、第十章 现代仪器分析法选介,Selected Methods of Modern Instrumental Analysis 10.1 电 位 分 析 法 10.2 原子吸收分光光度法 10.3 色 谱 分 析 法,2020/9/3,无机与分析化学 第十章,2,学习要求,1. 掌握电位分析法的基本原理、指示电极和参比电极的含义。了解各类电极的结构和机理。 2. 掌握测定溶液pH值的方法。掌握直接电位法测定离子浓度及确定电位滴定终点的方法。 3. 掌握原子吸收光谱分析的基本原理和定量分析方法。了解原子吸收分光光度计的主要构造和应用范围。 4. 掌握色谱分离的原理、分类及定性、定量方法。了解评价分

2、离效率的指标，了解气相及高效液相色谱仪的构造和各自的应用范围。,2020/9/3,无机与分析化学 第十章,3,仪器分析的基本特点,Instrumental Analysis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。 本章只介绍电位分析法，原子吸收分光光度法、气相色谱法和液相色谱法这四种常用的仪器分析法。,2020/9/3,无机与分析化学 第十章,4,10.1 电位分析法,10.1.1 概述,1.

3、电位分析法的基本原理和分类 电位分析法通过测定包括待测物溶液在内的化学电池的电动势，求得溶液中待测组分活(浓)度的一种电化学分析方法。 可由半电池反应写出金属电极的电极电位与溶液中相应金属离子活度的关系：,2020/9/3,无机与分析化学 第十章,5,单个电极的电位无法测量，需要有一个相对的标准作为参比参比电极(电位固定不变的电极)。 测量参比电极与待测离子的金属电极(指示电极)组成的工作电池 参比电极试样溶液|指示电极 的电动势 ，进而求得待测离子的金属电极的电位 ，最终求得待测金属离子的活(浓)度。,2020/9/3,无机与分析化学 第十章,6,电位法的基本装置,1-磁力搅拌器； 2-搅拌

4、子； 3-指示电极； 4-参比电极； 5-测量仪表(离子计),2020/9/3,无机与分析化学 第十章,7,两类电位分析法,直接电位法通过测量电极电位(电动势)的数值，并通过电位与待测离子间的能斯特关系，求得待测离子的活（浓）度。 电位滴定法通过测量滴定过程中电极电位的变化，进而确定滴定的终点，通过滴定反应的化学计量关系，求得待测离子的浓度。,2020/9/3,无机与分析化学 第十章,8,电极种类,指示电极(indicating electrode)电极电位能响应待测离子活度的电极 2）参比电极(reference electrode) 电极电位固定不变的电极。,2020/9/3,无机与分析化

5、学 第十章,9,指示电极的特点,基本要求：电极电位与试样溶液中待测离子活度之间的关系符合能斯特方程。 常用的指示电极有金属基电极(以金属得失电子为基础的半电池反应来指示相应离子活度)和离子选择性膜电极(基于离子在溶液和一片被称为选择性敏感膜之间的扩散和交换 ) 。,2020/9/3,无机与分析化学 第十章,10,金属基指示电极的特点,以金属得失电子为基础的半电池反应来指示相应离子活度。 最经典：基于金属与其离子所组成的电极。 例：将一根银丝插入Ag+ 离子溶液所构成银的指示电极，能响应溶液中Ag+ 离子活度：,2020/9/3,无机与分析化学 第十章,11,第一类金属基电极,能直接响应溶液中金

6、属离子活度的指示电极 S电极反应的Nernst斜率。 25C n = 1时，S = 0.0592 V， n = 2时，S = 0.0296 V， 依次类推。,2020/9/3,无机与分析化学 第十章,12,第二类金属基电极,由金属、该金属的难溶盐、此难溶盐的阴离子所组成的指示该阴离子活度指示电极。 例：用银电极指示Cl-离子的活度。其半电池反应和电极电位的能斯特关系如下， AgCl + e Ag + Cl ,2020/9/3,无机与分析化学 第十章,13,将其一般化： 电极反应和能斯特响应式可用以下通式表示， MnXm + m e - nM +m X ,2020/9/3,无机与分析化学 第十章

7、,14,零类电极,自身并没有电子的得失而只是提供了其他电极半反应交换电子场所的金属基电极。通常是惰性的铂丝或铂片。 如：电极半反应是Fe 3+ + e Fe 2+ ，其Nernst响应式可用以下通式表示： 金属基指示电极结构简单，制作方便，是金属离子和某些阴离子的常用指示电极。,2020/9/3,无机与分析化学 第十章,15,2.指示电极和参比电极,2）. 参比电极(reference electrode) : 电极电位固定不变的电极。 基本要求：不受试样溶液组成变化的影响。 最常用的：甘汞电极由汞、氯化亚汞(Hg2Cl2)沉淀、Cl 离子组成，半电池反应为： Hg2Cl2（s）+ 2e -

8、2Hg + 2Cl 其电极电位为：,2020/9/3,无机与分析化学 第十章,16,甘汞电极的结构示意图,(a) 整支电极； (b)内部电极的放大图。 1-导线； 2-塑料帽； 3-加液口； 4-内部电极； 5-氯化钾溶液； 6-多孔陶瓷。,2020/9/3,无机与分析化学 第十章,17,甘汞电极的特点,甘汞电极能响应Cl-离子活度，属第二类金属基电极。但固定电极反应所涉及CCl-浓度，在确定温度下，其电位是一个定值。 下部的多孔陶瓷使电极内部KCl溶液与外部的试样溶液接触形成导电回路。但内压大于外部试液，使之不会渗入，以保持内部的KCl浓度。 甘汞电极电位值因内充KCl溶液浓度不同而不同。，

9、最常用为饱和甘汞电极（saturated calomel electrode, SCE），25C时的E = 0.242V。,2020/9/3,无机与分析化学 第十章,18,其他参比电极,Ag-AgCl电极也为常用参比电极。 在温度较高（80C）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。,2020/9/3,无机与分析化学 第十章,19,10.1.2 离子选择性电极,离子选择性电极（ion selective electrode, 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

10、，后者在生命科学中有极其美好的应用前景(如“化学视窗”10-1)。 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(membrane potential)。,2020/9/3,无机与分析化学 第十章,20,1. 离子选择性电极和膜电位,选择性敏感膜由对特定离子有选择性交换能力的材料(如玻璃、晶体、液膜等)制成。 电极分类：通常按敏感膜材料性质进行。 晶体敏感膜制作的晶体电极(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) 用玻璃膜和流动载体(液膜)制成的非晶体电极（前者如pH玻璃电极，后者如流动载体钙离子选择性电极)等。,2020/9

11、/3,无机与分析化学 第十章,21,2. 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(由内部溶液，参比电极组成)。 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。,2020/9/3,无机与分析化学 第十章,22,玻璃电极的内部结构,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。 掺Na2O在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,2020/9/3,无

12、机与分析化学 第十章,23,玻璃电极膜电位的形成,pH玻璃电极需水化(使玻璃膜外表面形成10-5-10-4mm厚的水化层)后才能使用。水化层中的Na+与溶液中H+发生离子交换(反应趋势很大) 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。,2020/9/3,无机与分析化学 第十章,24,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

13、，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：,2020/9/3,无机与分析化学 第十章,25,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：,2020/9/3,无机与分析化学 第十章,26,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 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， 可看成整个玻璃膜的膜电位 。,2020/9/3,无机与分析化学 第十章,27,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，

14、故整个pH玻璃电极的电极电位为：,2020/9/3,无机与分析化学 第十章,28,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：,2020/9/3,无机与分析化学 第十章,29,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

15、极。,2020/9/3,无机与分析化学 第十章,30,3.氟离子选择性电极,1 LaF3单晶膜 2 内充液 3 Ag-AgCl内 参比电极,氟离子选择性电极对溶液中的游离F-离子具有选择性响应能力。 氟电极内充有均为0.1molL-1NaF和NaCl溶液，通过Ag-AgCl内参比电极与外部仪器相联。 关键部分是电极下部的氟化镧(LaF3)单晶膜。单晶中掺有少量氟化铕EuF2，在晶体内部产生少量空穴，可以降低单晶膜的内阻。,2020/9/3,无机与分析化学 第十章,31,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

16、-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。,2020/9/3,无机与分析化学 第十章,32,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。,2020/9/3,无机与分析化学 第十章,33,氟电极的应用范围,氟离子选择性电极测定F-离子的浓度范围一般在110-5 molL-1 之间。 氟离子选择

17、性电极测定时溶液酸度应控制在pH56之间。这是因为：,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。,2020/9/3,无机与分析化学 第十章,34,10.1.3 直接电位法,直接电位法(direct potentiometry)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值及相关离子的浓度。,2020/9/3,无机与分析化学 第十章,35,1.溶液pH值的测定,可用酸度计直接测定溶液的pH值，其测

18、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 = 玻璃 甘汞 代入玻璃电极电位表达式，并将甘汞电极的电位(一定条件下是常数) 与K合并:,2020/9/3,无机与分析化学 第十章,36,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 ：,2020/9/3,无机与分析化学 第十章,37,标准缓冲体系的pH值,2020/9/3,无机与分析化学 第十章,38,2.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。

19、 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。,2020/9/3,无机与分析化学 第十章,39,(1)标准曲线法 (外标法),与分光光度法中的标准曲线法相似。 配制一系列已知浓度的待测物标准溶液 用相应的离子选择性电极和甘汞电极测定对应的电动势， 以测得的E值对相应的lgci 作标准曲线。 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。,2020/9/3,无机与分析化学 第十章,40,方法特点：,不

20、同变量标准曲线的对比 .1. 以活度为变量 2.以浓度为变量,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,2020/9/3,无机与分析化学 第十章,41,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。 标准溶液和试样溶液的离子强度都为这种外加的、固定浓度的强电解质所控制，使待测组份的活度系数被保持一致 。,2020/9/3,无机与分析化学 第十章,42,式中 是一常数，可并入K中，即可使ElgC 保持线性关系，完全

21、可通过直线方程来定量。,2020/9/3,无机与分析化学 第十章,43,实验条件控制,除控制离子强度外，很多情况下可能还需控制溶液酸度、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”（total ion strength adjustment buffer, 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) 。,2020/9/3,无机与分析化学 第十章,44,方法特点,优点： 用一条标准曲线可以对多个试样

22、进行定量，因此操作比较简便。 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。 因此：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。,2020/9/3,无机与分析化学 第十章,45,(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。,2020/9/3,无机与分析化学 第十章,46,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 1/5

23、01/100 目的：加入体积很小，对试样影响可忽略不计,2020/9/3,无机与分析化学 第十章,47,将上两式相减： 其中VsVx，所以 Vs+VxV ，进一步处理可得标准加入法的计算式 ： 式中S=2.303RT/zF,2020/9/3,无机与分析化学 第十章,48,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。,2020/9/3,无机与分析化学 第十章,49,3.直接电位法的特点,优点：操作简单，分

24、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 。,2020/9/3,无机与分析化学 第十章,50,10.1.4 电位滴定法 potentiometric titration,以电位法确定滴定终点的一种滴定分析法。 在盛有待测溶液的烧杯中加入相应的电位检测所需电极，并用磁力搅拌机自动搅拌。 用滴定管在烧杯中滴定待测离子，

25、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位) 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。,2020/9/3,无机与分析化学 第十章,51,2020/9/3,无机与分析化学 第十章,52,1）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。,2020/9/3,无机与分析化学 第十章,53,2）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2

26、4.10 mL和24.20 mL之间 V：（24.10+24.20）/2 = 24.15 （mL）,2020/9/3,无机与分析化学 第十章,54,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。,2020/9/3,无机与分析化学 第十章,55,3）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。 计算 (对应于滴定至24.30 mL 时) ： E2/V2： 对于24.40 mL有,2020/9/3,无机与分析化学

27、 第十章,56,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。,2020/9/3,无机与分析化学 第十章,57,处理：设终点的滴定剂体积为24.30 + x mL，则x值为： 结果：终点体积为：24.34 mL 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。,2020/9/3,无机与分析化学 第十章,58,数据的便利处理,可利用相关软件方便地确定终点，如利用Exel表格。 将滴定剂的体积和相应的电动势数据输入Exel表格， 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 确定终

28、点及终点时消耗的滴定剂体积。,2020/9/3,无机与分析化学 第十章,59,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,2020/9/3,无机与分析化学 第十章,60,2. 电位滴定的特点,1）类型 电位滴定法常量分析法，误差在千分之几 直接电位法微量分析法，误差达百分之几 2）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。 3）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

29、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。,2020/9/3,无机与分析化学 第十章,61,10.2 原子吸收分光光度法,10.2.1 概述 原子吸收分光光度法(atomic absorption spectrophotometry，AAS)又称原子吸收光谱法，是基于原子蒸气对于特定波长光的吸收作用来进行定量分析的一种现代仪器分析方法。,2020/9/3,无机与分析化学 第十章,62,AAS分析流程示意图,2020/9/3,无机与分析化学 第十章,63,分析过程,测定试样溶液中微量铜为例： 含铜试液在原子化系统中雾化成为气溶胶，送入火

30、焰，铜盐经干燥、蒸发、离解、原子化后成原子蒸气。 Cu空心阴极灯辐射出波长为324.7 nm的光，穿过火焰中Cu蒸气后，部分被基态Cu原子吸收而减弱，检测器测定透过光强度。 根据透过光强度减弱的程度，即可求得试液中铜的浓度。,2020/9/3,无机与分析化学 第十章,64,AAS特点,AAS与UVS有许多关联： 基点相同：物质对光的选择性吸收作用。 仪器相似：都有光源、单色器、检测器、记录系统等 对象不同：UVS为分子(离子)； AAS为原子。 光谱不同：分子(离子)光谱复杂，为带状，且易相互重叠而发生干扰；原子光谱简单，为线性，重叠少，干扰少。,2020/9/3,无机与分析化学 第十章,65

31、,10.2.2. 基本原理,原子具有多种能级状态，其电子在能级间跃迁总伴随能量的发射或吸收： 通常处于基态 受热激发至高能级，不稳定回跃而放出能量。当以光释放时就产生一定波长的线状光谱。,2020/9/3,无机与分析化学 第十章,66,吸收谱线,基态气态原子吸收特定波长光而跃迁至激发态，产生相应的吸收光谱。从基态跃迁到激发态产生共振吸收线；从激发态跃迁到基态，产生共振发射线(从最低激发态至基态为第一共振发射线) 。各元素因结构不同，特征谱线波长不同。 同一元素的共振发射线和共振吸收线的波长相同，统称为共振线(resonance line)。 在AAS分析中，就是利用处于基态的原子蒸气对从光源辐

32、射的共振(发射)线的吸收进行分析测定的。,2020/9/3,无机与分析化学 第十章,67,定量分析的依据,AAS定量分析依据Lambert-Beer定律。 原则上：式中C应为基态原子浓度，但在一般原子化温度下，绝大多数原子处于基态，可直接以总原子浓度替代，并间接表示为样品中待测元素浓度。 可用外标法进行定量分析。,2020/9/3,无机与分析化学 第十章,68,10.2.3. 原子吸收分光光度计,分为光源、原子化器、光学系统、检测与显示系统。,1-入射狭缝；2-出射狭缝；3-光电倍增管；4-光栅,2020/9/3,无机与分析化学 第十章,69,1、光源,名称空心阴极灯(其阴极由待测元素金属制成

33、，并嵌有石英窗口) 。 作用发射待测元素共振线供吸收。 原理在阴阳极间加电压，阴极电子轰击填充气原子而使之电离(荷正电)，该种离子在电场作用下飞速撞击阴极内壁，溅射出金属原子再与高速运动的电子、离子流发生碰撞而激发，发射出该金属元素的特征谱线。 特点测一个元素换一个灯。,2020/9/3,无机与分析化学 第十章,70,2、原子化器,作用将试样溶液中待测元素转变成基态原子蒸气。 对AAS法的灵敏度、精密度和受干扰程度有影响极大(是AAS的关键)。 种类火焰原子化器、石墨炉原子化器和氢化物原子化器。 构造多数是可卸式，可根据需要选用。,2020/9/3,无机与分析化学 第十章,71,火焰原子化器,

34、1-毛细管;2-空气入口;3-撞击球;4-雾化器;5-空气补充入口;6-燃气入口 7-排废液口;8-预混合室;9-燃烧器;10-火焰;11-试样溶液;12-扰流器,火焰原子化利用火焰能量实现试样中待测元素的原子化，最常用。,2020/9/3,无机与分析化学 第十章,72,工作过程,应用伯努利原理，以压缩空气(助燃气)将试样溶液被吸入雾化器，并被迅速分散成气溶胶(雾粒)。 气溶胶在雾室中与乙炔(燃气)混合，较大雾粒凝结并从废液口排出，较细雾粒被混合气携带到燃烧头，进入火焰后原子化。,2020/9/3,无机与分析化学 第十章,73,基本特点,原子化温度高：最常用的空气-乙炔焰可达2250C,可测定

35、钾、钠、钙、镁、铜、铁、镍、钴、锌、镉、锰、铬、金、银、铂、钯等常见的三十几种金属元素。氧化亚氮-乙炔焰达2950C，可用于测定铝、铍、钒、硼、硅、和镧系元素等高温元素。 结构简单，使用方便，精密度好，干扰较少。但原子化效率不高。(灵敏度不高，检测下限0.xx mgL-1)。,2020/9/3,无机与分析化学 第十章,74,石墨炉原子化器,大电流快速加热石墨管，使小体积试样溶液瞬间蒸发成蒸气的电热原子化装置。 石墨管周围和内部有气体保护，夹套中通冷却水,2020/9/3,无机与分析化学 第十章,75,工作过程,自动进样20100L于石墨管中央，经历四步： 干燥使溶剂挥发 灰化除去易挥发或灰化的

36、干扰物质，如有机物 原子化 清洗除去残留物质 升温程序为关键条件，各步具体温度和时间视对象及性质而定。,2020/9/3,无机与分析化学 第十章,76,基本特点,最大特点是灵敏度高，一般要比火焰原子化高23 个数量级，是测定金属元素灵敏度最高的常规分析方法之一。 石墨炉原子化器设备复杂，价格昂贵 测定的精密度较火焰原子化逊色（相对标准偏差510%），且易受共存元素干扰。,2020/9/3,无机与分析化学 第十章,77,3、光学系统,组成分外光路聚光系统和分光系统。 外光路作用将入射光聚于原子蒸气浓度最高处，进而聚焦于分光器狭缝上。 分光系统作用分开共振线与其他光，并只让共振线透过光投射到光电倍

37、增管上。 根据所测元素共振线，选择合适的测定波长。,2020/9/3,无机与分析化学 第十章,78,4、检测与显示系统,组成由检测器、放大器和对数转换器、显示器三部分所组成。 作用将测得的光信号转换为吸光度值并显示。 流程光电倍增管输出光电流，放大器放大并转换成吸光度，显示装置显示。 现多与计算机联机处理，可绘出标准曲线，并打印出分析结果。,2020/9/3,无机与分析化学 第十章,79,10.2.4. 定量分析方法 1标准曲线法,步骤与UVS基本相同，适用于基体简单的大批量试样： 配制一组标准溶液， 分别测定吸光度， 绘制A(吸光度)C(待测元素浓度)标准曲线。 同样实验条件下测定试液吸光度

38、 由AC标准曲线查出试液待测元素的浓度。,2020/9/3,无机与分析化学 第十章,80,标准曲线法注意事项,采用相同方法制备试样和标样，减少因介质不同所引起的误差。 方法线性范围较小(12个数量级)，注意取点。 试样和标样的测定条件要相同。 仪器重启动后应重新制作标准曲线，或对原曲线进行校验。,2020/9/3,无机与分析化学 第十章,81,2. 标准加入法,适用：基体较为复杂的试样，避免因组成、介质等不一而产生的干扰。 方法：在待测试液中加入一定量待测元素标样，测定信号的增量以确定原试样中待测元素量。,2020/9/3,无机与分析化学 第十章,82,计算法,同容积容量瓶A瓶浓度为cx, B

39、瓶为(c0 + cx)，于相同条件下测得吸光度分别： Ax = k cx Ax+0 = k（c0 + cx） 除浓度外两瓶所有因素都相同，故两式中 k 相同。 合并上两式得到： 求出cx后进而求得原试样中待测元素的含量。,2020/9/3,无机与分析化学 第十章,83,图解法,步骤：使4 只同容积容量瓶中待测元素总浓度分别为cx 、cx+c0、 cx+2c0和cx+3c0，测得吸光度分别为Ax、A1、A2、A3。作AC图，应得直线。外推此直线，与横坐标轴的交点处浓度值的负值即为待测元素的浓度cx 。 因作图法采用多点校正，准确度要优于计算法。,2020/9/3,无机与分析化学 第十章,84,图

40、解法特点,可消除因介质组成不匹配引入的误差，也增大了分析工作量。 要注意：,加入标准溶液的量应在试样待测元素原浓度的50200 % 之间，且总浓度仍在线性范围内。 若标准曲线不过原点(空白试样的吸光度不为0)，则不宜采用标准加入法定量。,2020/9/3,无机与分析化学 第十章,85,10.2.5原子吸收法的特点和应用,主要特点：灵敏度高、选择性好、干扰相对较少、测定精度高，应用范围广(可测元素70余种 金属元素为主)。仪器不很复杂，操作方便，是目前已成为一种常规的微(痕)量金属元素的定量分析方法。在地矿、冶金、环境、建材、化工、生物医药、食品等行业中得到了广泛的应用。,2020/9/3,无机

41、与分析化学 第十章,86,10.3 色谱分析法,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”。 尤其是21世纪的生命科学研究领域，正是大展身手的好场所。,2020/9/3,无机与分析化学 第十章,87,10.3.1 概述 Introduction,色谱分离在互不相溶的两相间进行。混合物被流动相mobile phase携带着流过固定相stationary phase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

42、组分被一一分离开来。,2020/9/3,无机与分析化学 第十章,88,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。,2020/9/3,无机与分析化学 第十章,89,色谱流程,2020/9/3,无机与分析化学 第十章,90,色谱法分类：,1.按流动相和固定相物态气固色谱、气液色谱(统称气相色谱gas chromatography, GC)、液固色谱、液液色谱 (统称液相色谱liq

43、uid chromatography, LC)。 2.按操作形式柱色谱法、纸色谱法、薄层色谱法，(后两者又称为平面色谱法)。 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。,2020/9/3,无机与分析化学 第十章,91,10.3.2 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(capacity factor)K：,2020/9/3,无机与分析化学 第十章,92,色谱分离过程,同温度下不同组分的k值不同，k值小的

44、组分易溶每次分配平衡后CSCM，反则反之。 每次平衡后，组分间在柱内的位置有一微小的差异。经历多次分配后，差异被“放大”，组分间有明显的位置差，从而形成了分配系数不同的组分之间的差速迁移。,2020/9/3,无机与分析化学 第十章,93,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。,2020/9/3,无机与分析化学 第十章,94,2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（无信号处的平直线部分）和若干色谱峰所组成。

45、,2020/9/3,无机与分析化学 第十章,95,色谱参数种类,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）,2020/9/3,无机与分析化学 第十章,96,保留参数定义：,相对保留(relative retention value, 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(retention time, 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(dead time, 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

46、所需要的时间。 校正保留时间(adjusted retention time) 组分的保留时间减去死时间。,2020/9/3,无机与分析化学 第十章,97,峰参数定义,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(Wh）峰高一半处的色谱峰宽度。注意，W =1.70 Wh。,2020/9/3,无机与分析化学 第十章,98,色谱参数的用途：,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。,2020/9/3,无机与分析化学 第十章,99,3柱效

47、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。 塞状进样得峰状谱图，说明组分在柱内运行过程中有扩散，即有动力学的因素存在。,2020/9/3,无机与分析化学 第十章,100,不同分离度的结果,故希望组分区带在色谱分离过程中尽量不扩散(峰不变宽)，即所得色谱柱柱效(column efficiency)要高。,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（如图）,2020/9/3,无机与分析化学 第十章,101,柱效的表示,柱效用理论塔板数(

48、Number of theoretical plates) 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。,2020/9/3,无机与分析化学 第十章,102,分离度的概念,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：,2020/9/3,无机与分析化学 第十章,103,分离度的意义,当色谱峰对称呈正态分布时， R1.0时，两相邻峰的分离程度

49、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）有关。,2020/9/3,无机与分析化学 第十章,104,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。,2020/9/3,无机与分析化学 第十章,105,10.3.3 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

50、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。,2020/9/3,无机与分析化学 第十章,106,1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,2020/9/3,无机与分析化学 第十章,107,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

51、结论，要特别留意。,2020/9/3,无机与分析化学 第十章,108,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,2020/9/3,无机与分析化学 第十章,109,不同检测器定性,不同的检测器适用于不同的组分，可以大致判断相应的组分类别。,2020/9/3,无机与分析化学 第十章,110,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,2020/9/3,无机与分析化学 第十章,111,2

52、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： a 取样与样品前处理，决定样品是否能代表本体； b 色谱分离条件选择，决定是否能使各组分完全分离； c 检测器选择，决定是否能检测出所需测定的组分； d 峰高、峰面积测定，决定是否能准确测量； E 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； f 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%。,2020/9/3,无机与分析化学 第十章,112,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

53、。 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。,2020/9/3,无机与分析化学 第十章,113,(1) 峰面积的测量,色谱峰的面积可由峰高和半峰宽计算，对峰形对称的峰计算式为 A=1.065 hW1/2 不对称峰峰面积的近似计算公式为： A = 0.5 h (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。,2020/9/3,无机与分析化学 第十章,114,(2) 定量校正因子,由于检测器对不同组分的响

54、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)。,2020/9/3,无机与分析化学 第十章,115,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：,2020/9/3,无机与分析化学 第十章,116,(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

55、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。,2020/9/3,无机与分析化学 第十章,117,归一化法 normalization method,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。,2020/9/3,无机与分析化学 第十章,118,外标法 external standard method,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

56、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。,2020/9/3,无机与分析化学 第十章,119,内标法 internal standard method,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

57、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。,2020/9/3,无机与分析化学 第十章,120,SUM：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。,2020/9/3,无机与分析化学 第十章,121,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。,2020/9/3,无机

58、与分析化学 第十章,122,10.3.4 仪器及气相色谱法特点,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。,2020/9/3,无机与分析化学 第十章,123,2020/9/3,无机与分析化学 第十章,124,1) 载气系统,其作用是向色谱仪的分离、检测系统提供纯度高、流速稳定的气体流动相。载气系统由气源（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。,2020/9/3,无机与分析化学 第十章,125,2)

59、进样系统,由进样口、气化室和微量注射器组成 进样程序： a)吸取试样溶液 b)刺穿硅橡胶隔膜 c)样品进入汽化室 d)试样迅速汽化 e)被载气携带入柱。,2020/9/3,无机与分析化学 第十章,126,3) 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。,2020/9/3,无机与分析化学 第十章,127,填充柱和毛细管柱比较,2020/9/3,无机与分析化学 第十章,128,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）。,2020/9/3,无机与分析化学 第十章,129,4) 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