03第三章食品安全仪器检测技术

第三章食品安全仪器检测技术第三章3.1气相色谱技术3.2高效液相色谱技术3.3质谱分析技术3.4原子吸收光谱技术3.5近红外光谱技术3.6食品安全无损检测技术概述色谱法是混合物最有效的分离、分析方法。俄国植物学家茨维特在1906年使用的装置：色谱原型装置，如右图。试样混合物的分离过程也就是试样中各组分在称之为色谱分离柱中的两相间不断进行着的分配过程。其中的一相固定不动，称为固定相；另一相是携带试样混合物流过此固定相的流体（气体或液体），称为流动相。请指出由图中什么是固定相，什么是流动相？3.1气相色谱法3.1.1概述概述色谱法气相色谱法液相色谱法其他色谱法按分离柱不同可分为：填充柱色谱和毛细管柱色谱液固色谱液液色谱按固定相的不同又分为：气固色谱和气液色谱薄层色谱、纸色谱、凝胶色谱法、超临界色谱、高效毛细管电泳3.1气相色谱法3.1.1概述概述色谱法的特点1.分离效率高复杂混合物，有机同系物、异构体、手性异构体。2.灵敏度高可以检测出μg.g-1(10-6)级甚至ng.g-1(10-9)级的物质量。3.分析速度快一般在几分钟或几十分钟内可以完成一个试样的分析。4.应用范围广气相色谱：沸点低于400℃的各种有机或无机试样的分析。液相色谱：高沸点、热不稳定、生物试样的分离分析。不足之处：被分离组分的定性较为困难。3.1气相色谱法3.1.1概述气相色谱：用气体作流动相；液相色谱：用液体作流动相。气相色谱法（gaschromatography简称GC）是色谱法的一种。以惰性气体为流动相、以固定液或固体吸附剂作为固定相的色谱法称为气相色谱法（GC）。气相色谱法由于所用的固定相不同，可以分为两种，以固体吸附剂作为固定相的色谱称为气固色谱，以固定液作为固定相的色谱称为气液色谱。气液色谱的固定相是在化学惰性的固体颗粒表面上，涂一层高沸点有机化合物的液膜或直接将高沸点有机化合物均匀地涂敷在毛细管的内壁，并形成一层均匀的液膜。3.1气相色谱法3.1.1概述3.1.2原理3.1气相色谱法原理气相色谱主要利用各组分在流动相（气相）和固定相之间的分配系数的不同以达到分离的目的，这与色谱过程的热力学性质有关。同时，两组分的分离效能还与其在色谱柱中传质和扩散行为即色谱动力学有关。3.1.3色谱分离条件的选择1、固定相的选择气-固色谱：固定相一般是表面具有一定活性的固体吸附剂。在选择时，可根据样品的性质，参考各种吸附剂特性和应用范围选择合适的吸附剂。气-液色谱：固定相由担体和固定液组成。固定液是一种高沸点的有机物，一般根据样品的性质，可按照“相似相容”的原理选择固定液。2、载气及流速的选择载气选用惰性气体，如H2、H2、He、Ar等。3.1.3色谱分离条件的选择曲线的最低点，塔板高度H最小，柱效最高，其相应的流速是最佳流速。从图可知，当u较小时，分子扩散项B/u是影响板高的主要因素，此时，宜选择相对分子质量较大的载气（N2，Ar），以使组分在载气中有较小的扩散系数。当u较大时，传质阻力项Cu起主导作用，宜选择相对分子质量小的载气(H2,He)，使组分有较大的扩散系数，减小传质阻力，提高柱效。在实际工作中，为了缩短分析时间，往往载气流速要稍大于最佳流速3.1.3色谱分离条件的选择3、柱温的选择柱温是一个重要的操作变数，直接影响分离效能和分析速度。首先要考虑到每种固定液都有一定的使用温度。柱温不能高于固定液的最高使用温度，否则固定液挥发流失。柱温对组分分离的影响较大，提高拄温使各组分的挥发靠拢，不利于分离，所以，从分离的角度考虑，宜采用较低的柱温。但柱温太低，被测组分在两相中的扩散速率大为减小，分配不能迅速达到平衡，峰形变宽，柱效下降，并延长了分折时间。选择的原则是：在使最难分离的组分能尽可能好的分离的前提下，尽可能采取较低的柱温，但以保留时间适宜，峰形不拖尾为度。具体操作条件的选择应根据不同的实际情况而定。3.1.3色谱分离条件的选择4、进样时间和进样量进样速度必须很快，一般用注射器或进样阀进样时，进样时间都在一秒钟以内。若进样时间过长，试样原始宽度变大，半峰宽必将变宽，甚至使峰变形。进样量一般是比较少的。液体试样一般进样0.1～5μL。气体试样0.1～10mL。进样量太多，会使几个峰叠在一起，分离不好。但进样量太少，又会使含量少的组分因检测器灵敏度不够而不出峰。最大允许的进样量，应控制在峰面积或峰高与进样量呈线性关系的范围内。3.1.3色谱分离条件的选择5、气化温度进样后要有足够的气化温度，使液体试样迅速气化后被载气带人柱中。在保证试样不分解的情况下，适当提高气化温度对分离及定量有利，尤其当进样量大时更是如此。一般选择气化温度比往温高30～70℃。3.1.3色谱分离条件的选择6、检测温度为了使色谱柱的流出物不在检测器中冷凝而污染检测器，检测温度需高于柱温。一般可高于柱温30~50℃，或等于汽化室温度。3.1.3色谱分离条件的选择7、柱长和内径由于柱长与分离度的平方成正比，所以增加柱长可以使分离度提高。但增加柱长会使各组分的保留时间增加，延长分析时间。因此在满足一定分离度的条件下，应尽量使用较短的柱子。增加色谱柱的内径，可以增加分离的样品量，但由于纵向扩散路径的增加，会使柱效降低。3.1.4气相色谱仪器简介1-载气钢瓶；2-减压阀；3-净化干燥管；4-针形阀；5-流量计;6-压力表；4-针形阀；5-流量计;6-压力表；7-进样器；8-色谱柱9-热导检测器；10-放大器；11-温度控制器；12-记录仪；载气系统进样系统色谱柱检测系统温控系统1.载气系统包括气源、净化干燥管和载气流速控制；常用的载气有：氢气、氮气、氦气；净化干燥管：去除载气中的水、有机物等杂质（依次通过分子筛、活性炭等）；载气流速控制：压力表、流量计、针形稳压阀，控制载气流速恒定。3.1.4气相色谱仪器简介2.进样系统3.1.4气相色谱仪器简介液体进样器：不同规格的专用注射器，填充柱色谱常用10μL；毛细管色谱常用1μL；新型仪器带有全自动液体进样器，清洗、润冲、取样、进样、换样等过程自动完成，一次可放置数十个试样。气化室：将液体试样瞬间气化的装置。无催化作用。3.分离系统3.1.4气相色谱仪器简介分离系统有色谱柱组成，是色谱仪的核心部件，它的作用是将多组分样品分离为单个组分。色谱柱分为填充柱和毛细管柱两类。填充柱：内径2~6mm，柱长0.5~10m，相对较短，分离效率较低。毛细管柱：内径0.1~0.5mm，柱长15~100m，渗透性好，分离效率高，可用于分离复杂的混合物。4.温控系统3.1.4气相色谱仪器简介温度是色谱分离条件的重要选择参数；气化室、分离室、检测器三部分在色谱仪操作时均需控制温度；气化室：保证液体试样瞬间气化；检测器：保证被分离后的组分通过时不在此冷凝；分离室：准确控制分离需要的温度。当试样复杂时，分离室温度需要按一定程序控制温度变化，各组分在最佳温度下分离；4.检测系统3.1.4气相色谱仪器简介色谱仪的眼睛，通常由检测元件、放大器、显示记录三部分组成；被色谱柱分离后的组分依次进入检测器，按其浓度或质量随时间的变化，转化成相应电信号，经放大后记录和显示，给出色谱图；3.1.5气相色谱检测器常用检测器：热导池检测器氢火焰离子化检测器电子捕获检测器火焰光度检测器氮磷检测器3.1.6气相色谱定性与定量分析定性与定量分析定性分析气相色谱本身不具备鉴定功能，定性分析的主要依据是保留值（气相或液相操作中，当仪器的操作条件保持不变时，任一物质的色谱峰总是在色谱图上固定的位置出现，即有一定的保留值），这给定性分析带来一定难度。气相色谱与质谱、光谱等联用，既充分利用色谱的高效分离能力，又利用了质谱、光谱的高鉴别能力，加上运用计算机对数据的快速处理和检索，为未知物的定性分析开辟了一个广阔的前景。柱温是非常重要的色谱参数，直接影响到分离效能和分析速度。定性分析（1）利用保留值的定性分析①利用已知纯物质对照定性。在一定操作条件下，任何组分都有一个确定的保留值，基于这一特征，样品和纯物质保留值的直接比对可以作为定性的依据。如果样品较复杂，可在未知混合物中加入已知纯物质，通过未知物中峰的变化，来确定未知物中成分。②利用保留值的经验规律定性。实验证明，在一定柱温下，同系物的保留值对数与分子中的碳数成线性关系，即为碳数规律；在同一族的具有相同碳数的异构体的保留值对数与其沸点成线性关系，即为沸点规律。③利用相对保留值定性。利用保留值定性，样品和纯物质的分析条件必须一致。只要保持柱温、固定液不变，即使载气流速等条件有所变化，也不会影响相对保留值。因此，利用相对保留值定性比直接用保留值定性更为方便、可靠。3.1.6气相色谱定性与定量分析④利用保留指数定性保留指数又称Kovats指数，是一种重现性较其他保留数据都好的定性参数，可根据所用固定相和柱温直接与文献值对照，而不需标准样品。⑤双柱、多柱定性不同物质在同一色谱柱上可能具有相同的保留值，用两根或多根不同极性的色谱柱进行分析，考察样品的纯物质保留值的变化作为定性依据。（2）与其它方法结合定性气相色谱与质谱、光谱、核磁共振等仪器，以及利用化学方法配合进行未知组分定性，在确定未知化合物结构时是非常有效的途径。3.1.6气相色谱定性与定量分析定量分析在气相色谱法中的定量分析就是根据色谱峰的峰高或峰面积来计算样品中各组分的含量。常用的定量方法有标准曲线法、外标法、面积归一化法和内标法。3.1.6气相色谱定性与定量分析（1）外标法已知浓度的标准样品与待测样品在完全相同的条件下进行色谱分析，以两者的峰高或峰面积的比较计算样品的含量，有直接对比法和标准曲线法。直接对比法是待测样品与标准样品的峰值直接比较计算样品含量；标准曲线法以标准样品作浓度与峰值关系图，然后根据测得的待测样品峰值从峰值—浓度关系曲线图查浓度。外标法较为简便，不需要校正因子，但进样量要求十分准确，操作条件也需严格控制。3.1.6气相色谱定性与定量分析3.1.6气相色谱定性与定量分析3.1.6气相色谱定性与定量分析3.1.6气相色谱定性与定量分析3.2高效液相色谱技术高效液相色谱法原理及分析1.3.2.液相色谱法的基本原理液相色谱的分类定量分析方法概述高效液相色谱是利用溶质在两相间分配系数、亲和力、吸附力或分子大小不同而引起的排阻作用的差别使不同溶质得以分离。色谱法是一种分离技术。混合物分离过程：试样中各组分在色谱分离柱中的两相间不断进行着的分配。一相固定不动，称为固定相。另一相是携带试样混合物流过固定相的液体，称为流动相。3.2.1高效液相色谱原理当混合物进入色谱柱后，就在固定相、流动相之间不断地进行分配平衡。不同的化合物，分子结构不同，理化性质不同，所以在两相中存在的浓度也各不相同。固定相中存在量多的化合物，冲洗出柱子的时间就长，反之则短。这与分配系数K有关：K值小，先流出柱子，K值大的，保留作用强，后流出柱子。mSccK组分在流动相中的浓度组分在固定相中的浓度3.2.2高效液相色谱原理3.2.3高效液相色谱分类按流动相和固定相特征分为正相色谱、反相色谱按分离目的分为分析型、制备型按分离机理分为吸附色谱、分配色谱、离子交换色谱、凝胶色谱等。3.2.3高效液相色谱分类1、吸附色谱法：固定相：吸附活性强弱不等的吸附剂（硅胶、氧化铝、聚酸胶）等。流动相：各种极性的洗脱剂用途：非极性溶剂中、具有中等相对分子质量且为非离子型的试样。特别适用于分离异构体分离原理：物质在固定相上的吸附作用不同2、分配色谱法：原理:根据各待测物在互不相溶的两溶液中的溶解度不同，因而具有不同的分配系数。在色谱柱中，随着流动相的移动，这种分配平衡需进行多次，造成各待测物的迁移速率不同，从而实现分离的过程。流动相:HPLC分析中，为防止固定相的流失，流动相与固定液应尽量不互溶，或者说二者的极性相差越大越好。因此，根据流动相与固定相极性的差别程度，可将液液色谱分为正相分配色谱（流动相极性小于固定相极性，极性小的先流出，适于极性组分分离）和反相分配色谱（流动相极性大于固定相极性，极性大的先流出，适于非极性组分分离）。3.2.3高