物证技术学总论

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、显色剂；0102030405060708090第一季度第三季度东部西部北部层析板+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。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。12345678910ABCDE1——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。1234进样信号时间气相色谱图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=fi·Ai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10⁻⁹克/毫升——10⁻¹⁵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²——400千克/厘米²。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10⁻⁹克，荧光检测器的灵敏度可达10⁻¹¹克。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10⁻⁹克/毫升——10⁻¹²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10⁻⁸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E₂，低能级的能量为E₁，发射光谱的波长为λ（或频率为ν），则释放出的能量ΔE与发射光谱波长的关系为：hcΔE=E₂-E₁==hνλhc或λ=E₂-E₁式中h为普朗克常数，h=6.625×10⁻²⁷尔格·秒，c为光速，c=3×10¹⁰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