第十四章现代仪器分析简介(大纲)

1第十四章现代仪器分析简介1基本要求[TOP]1.1熟悉原子吸收光谱法、荧光分析法、色谱法的基本原理；灵敏度和检出限的概念。1.2了解原子吸收分光光度计的基本结构和定量分析方法；荧光光度计的基本结构和定量分析方法；色谱分析的塔板理论、定性与定量分析的基本方法。2重点难点[TOP]2.1重点2.1.1原子吸收光谱法、荧光分析法、色谱法的基本原理。2.1.2原子吸收光谱法、荧光分析法、色谱法的常用定量分析方法。2.2难点色谱法分离理论。3讲授学时[TOP]建议4学时4内容提要[TOP]第一节第二节第三节4.1第一节原子吸收光谱法4.1.1概述原子吸收光谱法基于自由原子对辐射的吸收。选择一定波长的辐射光源，使与某一元素原子的基态和激发态跃迁能级对应，对辐射的吸收导致基态原子数减少。辐射吸收与基态原子浓度有关，即与待测元素的浓度相关。通过测定辐射的量，可获得样品中某元素的含量。4.1.2原理当光源辐射出含有待测元素特征频率的光穿过试样蒸气时，被蒸气中待测元素基态原子所吸收，辐射光波强度减弱。原子吸收测量的基本关系式是：A=Kc(14.1)2式中c为被测样品的浓度，k为与实验条件有关的常数。4.1.3原子吸收光谱仪在雾化器中喷成细雾的样品液与燃气混合，送至燃烧器，被测元素在火焰中转化为原子蒸气，其基态原子吸收光源发射的特征频率，使谱线强度减弱，再经单色器分光后，由光电倍增管接收并经放大器放大，在读出装置中显示吸光度值或光谱图。（一）光源广泛使用的是空心阴极灯。（二）原子化器主要作用是将样品中待测元素转变成处于基态的气态原子。（三）单色器作用是将空心阴极灯发射的被测元素的共振线与其它发射线分开。常用的是平面光栅单色仪。（四）检测系统主要由检测器、放大器、对数变换器、指示仪表组成。在火焰原子吸收光谱法中，通常采用光电倍增管为检测器。4.1.4测量分析方法（一）标准曲线法配制一系列合适浓度的标准溶液，分别测定吸光度A。以A为纵坐标，浓度或含量c为横坐标，绘制标准曲线。在相同条件下测定试样的吸光度，从标准曲线上用内插法求出试样浓度。（二）标准加入法当试样组成复杂，标准溶液与试样组成之间差别较大并对测定有明显的影响时，采用标准加入法。取等量试样4-5份，第一份不加被测元素，其余各准确加入一系列已知浓度的被测元素，依次测定吸光度。作浓度—吸光度曲线。当被测试样中不含被测元素，曲线应通过原点；若曲线不通过原点，说明含有被测元素，其外延线与横坐标交点即为试样中被测元素浓度。（三）灵敏度和检出限（1）原子吸收分光光度法的灵敏度(S)定义为标准曲线的斜率，cAS(14.2)在石墨炉法中也常使用特征质量表示灵敏度（绝对灵敏度）：与吸光度A=0.0044（即T=99%）对应的被测物质的质量。AmS0044.0t(14.3)其中A为被测定试样的吸光度，m为其待测元素的质量。（2）信号能否被检测，同仪器噪音大小有直接关系。检出限(L.D)表征仪器能检出某元素的最小量，一般定义为3倍于噪音电平（即A=3）所对应的待测元素浓度。3m3.AcDL(14.4)Am为试样的平均吸光度，c为其待测元素的浓度,噪音电平为空白溶液吸光度的标准偏差(由连续测定至少10次的吸光度值算得)。4.2第二节荧光分析法[TOP]4.2.1概述有些物质吸收某种波长的光而被激发，会发射出波长相同或波长更长的光，称为光致发光。光致发光分荧光和磷光两种，荧光是从第一激发态的最低振动能级返回基态各振动能级时的光辐射。荧光物质分子都有两个特征光谱，即激发光谱和发射光谱。固定发射波长，测定荧光发射强度随激发波长变化所得的光谱，称为激发光谱。固定激发波长，测定荧光发射强度随发射波长变化所得的光谱，称为发射光谱。4.2.2光强度与荧光物质浓度的关系荧光物质吸收光能被激发后才发射荧光，其荧光强度与溶液中荧光物质吸收光能的程度及荧光效率有关。荧光物质被激发后，向各个方向发射荧光。为避免干扰，应该在垂直于激发光源的方向检测荧光强度。经过推导：F=Kc（14.5）式中F为荧光发射强度，c为荧光物质浓度；K越大，荧光强度越大，测定灵敏度越高。它与激发时的摩尔吸收系数有关，操作中应选大的波长作为激发波长。4.2.3荧光光谱仪（一）标准曲线法用已知浓度的标准物质配制标准系列，逐一测定荧光强度，以荧光强度为纵坐标，标准溶液浓度为横坐标绘制成标准曲线。用未知样品的荧光强度在标准曲线中查出对应浓度。（二）比例法将某荧光物质的标准溶液的荧光强度Fs，浓度cs，样品的荧光强度Fx，浓度cx带入式（14.5）。按比例关系有cx=ssxFcF。当空白溶液不为0%时，则必须从Fs和Fx值中扣除空白溶液的荧光强度Fo：cx=scFxFFsFoo（14.6）44.3第三节色谱法[TOP]4.3.1色谱法发展简史把固定相填充在色谱柱内，将流动相（或称洗脱液）自上而下流过，洗脱被吸附的样品。由于固定相吸附样品能力不同，洗脱过程中下行的速度也不同，于是形成色谱带。吸附弱的样品被先洗脱，吸附强的后被洗脱，达到分离目的。4.3.2色谱仪广为应用的色谱仪主要有气相色谱（GC）仪和高效液相色谱（HPLC）仪。气相色谱仪的流动相为惰性气体，称为载气。气相色谱仪主要有五大部分组成：气路系统、进样系统、分离系统、检验器、放大及数据处理系统。气相色谱具有仪器造价相对低，易于操作，分析效率高和分析速度快的突出优势，适用挥发性好易于汽化物质的分析。高效液相色谱仪在一个封闭的流动管道中，将流动相压力增高，使之快速通过阻力很大的色谱柱。高效液相色谱仪的主要组成有：流动相储液瓶；输液泵；进样器；色谱柱；废液收集瓶；检测器；放大及数据处理系统。它的核心是色谱柱，柱前连接有高压泵，柱后接着检测器。高压泵可以控制流动相流速并按一定的组成比或梯度恒压流注入色谱柱，对柱中样品洗脱。检测器（如紫外/可见，荧光检测器和电化学检测器）可以对不断流经的洗脱液进行检测。高效液相色谱主要优点是可以对那些不易汽化的成分进行分析，所以应用范围广。4.3.3色谱法分离理论（一）基本术语一个组分的色谱可用三项参数即峰高（或峰面积）、峰位及峰宽描述。1．色谱图以组分响应值为纵坐标，组分的流出时间为横坐标所得曲线称为色谱图。2．基线当色谱柱中仅有流动相通过时，检测器响应信号随时间变化的纪录。稳定的基线应是平行于横轴的直线。3．色谱峰组分的响应信号大小随时间变化所形成的峰形曲线。正常色谱峰为正态分布曲线，对称于最高点，曲线两侧快速单调下降。色谱峰中峰顶到基线的垂直距离称为峰高(h)，峰高一半处色谱峰的宽度称为半峰宽(W1/2)，由色谱曲线与基线所包围的面积称为峰面积(A)，Ah×W1/2。4．保留时间(tR)试样中各组分在色谱柱中滞留的时间称为保留时间。5．死时间(tM)不被固定相吸附或溶解的物质从进柱到出柱后出现响应值最大时所需时间。死时间主要与柱前后连接管道内和固定相颗粒间的空隙体积大小有关。6．调整保留时间(t’R)扣除死时间后的保留时间称为调整保留时间。（二）塔板理论5塔板模型把色谱柱看作一个精馏塔，在每一块塔板上，样品混合物在固定相和流动相中快速达到分配平衡，然后随着流动相移动，获得分离效果。1．理论塔板高度（H）把色谱柱看作分馏塔，每个塔板之间的距离。2．理论塔板数在一定柱长（L）中的塔板的数目（N）：N=HL（14.7）当N50时，可得到基本对称的峰形曲线。实验中可利用色谱图数据求算理论塔板数：N=16(WtR)2或N=5.54(1/2RWt)2（14.8）理论塔板高度H和理论塔板数N都是柱效指标。W或W1/2越小，N就越大，H越小，柱效越高，分离效果越好。（三）分离度分离度（R）也称分辨率或分辨度，它表示相邻色谱峰的分离程度。定义为相邻两色谱峰保留值之差与两峰低宽平均值之比，21R2)21(21)R1R2(WWtWWttR(14.9)一般来说，当R1，相邻的两峰部分重叠；当R=1.5，两组分的分离程度达99.87%。R=1.5作为相邻两峰完全分离的指标。4.3.3色谱法中的定性和定量方法（一）定性方法一定的色谱条件下，某一组分在某一色谱柱滞留的时间是一固定值，通常是对各组分的保留时间与已知组分的标准品比较对照进行定性。（二）利用峰面积定量一定的色谱条件下，待测组分质量或在流动相中的浓度与检测器响应信号（峰面积或峰高）成正比，所以用峰面积定量。1．外标法用组分的标准品做出检测器响应值峰面积，和已知浓度的标准曲线进行定量分析。2．内标法当需要很高的准确度或精密度的分析结果时，应该选择内标法。准确称取mi被测组分标6准品，加入某纯物质ms作为内标物，根据被测组分和内标物的质量比ms/mi及相应的色谱峰面积（或峰高）之比：ssiisiAfAfmm，式中fi、fs为组分和内标物的校正因子，可由标准溶液求得：sifffSTisSTsi)()(AAmm（14.10）再准确称取m被测试样，加入ms的同样内标物，基于下式可求出组分i百分含量Ci%应为：ci%=mAmAfmmssii%100×100%（14.11）3．归一化法如果试样中所有组分均能流出色谱柱并显示色谱峰，可用用峰面积归一化进行计算组分的百分含量。