现代环境分析技术1-7章.doc

第一章 绪论
【中国当代环境问题特点】结构型、复合型、压缩型
【环境污染物特点】种类多，组成复杂；含量低；流动性和不稳定性
【持久性有机污染物/POPs】指人类合成的能持久存在于环境中、通过生物食物链（网）累积、并对人类健康造成有害影响的化学物质。它具备四种特性：高毒、持久、生物积累性、远距离迁移性。
【内分泌干扰物/EDCs】也称为环境激素，是一种外源性干扰内分泌系统的化学物质，指环境中存在的能干扰人类或动物内分泌系统诸环节并导致异常效应的物质，它们通过摄入、积累等各种途径，并不直接作为有毒物质给生物体带来异常影响，而是类似雌激素对生物体起作用，即使数量极少，也能让生物体的内分泌失衡，出现种种异常现象。这类物质会导致动物体和人体生殖器障碍、行为异常、生殖能力下降、幼体死亡、甚至灭绝。
【多环芳烃/PAHs】是煤，石油，木材，烟草，有机高分子化合物等有机物不完全燃烧时产生的挥发性碳氢化合物，是重要的环境和食品污染物。迄今已发现有200多种PAHs，其中有相当部分具有致癌性，如苯并α芘，苯并α蒽等。
【全球蒸馏效应】由于温度的差异，地球就像一个蒸馏装置——在低、中纬度地区，由于温度相对高，POPs挥发进入到大气；在寒冷地区，POPs沉降下来，最终导致POPs从热带地区迁移到寒冷地区，也就是从未使用过POPs的南北极和高寒地区发现POPs存在的原因。
【蚱蜢跳效应】在中纬度地区在温度较高的夏季POPs易于挥发和迁移，而在温度较低的冬季POPs则易于沉降下来，所以POPs在向高纬度迁移的过程中会有一系列距离相对较短的跳跃过程，这种特性又被称为“蚱蜢跳效应”。

第二章 元素含量及形态分析技术
2.1 原子吸收光谱法（AAS）
【基本原理】原子吸收光谱法是基于被测元素基态原子在蒸汽状态时对其原子共振辐射的吸收而进行元素定量分析的方法。
【基本结构】光源→原子化系统→单色器→检测系统
光源：提供待测元素的特征光谱，空心阴极灯最为常用
原子化系统：将试样中离子转变成原子蒸气，包括试样干燥，蒸发和原子化等几个过程。
分为火焰原子化器和非火焰原子化器（石墨炉原子化器）。
单色器：将待测元素的共振线与邻近线分开，有色散元件（棱镜、光栅），凹凸镜、狭缝等。
检测系统：主要由检测器、放大器、对数变换器、显示记录装置组成。
1.检测器——将单色器分出的光信号转变成电信号，主要是光电倍增管。
2.放大器——将光电倍增管输出的较弱信号，经电子线路进一步放大。
3.对数变换器——光强度与吸光度之间的转换。
4.显示、记录
2.2 电感耦合等离子发射光谱（ICP-AES）
【基本原理】在室温下，物质中的原子处于基态（E0）。当受到外能（热能、电能等）作用时，核外电子跃迁至较高的能级（En），即处于激发态。激发态原子非常不稳定，其寿命约为10-8秒。当原子从高能级跃迁回到低能级或基态时，吸收的能量以光的形式释放出来。
【基本结构】
光源：高频发生器——产生高频磁场、供给等离子体能量。。
雾化器——试样（液体、固体或气体）导入、产生不同雾化效率的雾化状态。
等离子炬管：由一个三层同心石英玻璃管组成。
检测系统：双向观测系统，水平/垂直，因地制宜
检测系统：光电倍增管（光阴极，打拿极，阳极）
【分析特点】1.检出限低（As，Pb，Bi)相对较高。
2.动态范围较宽(可达3-6个数量级）。
3.同时或顺序分析多元素，可测元素范围广。
2.3 原子荧光光谱法（AFS）
【基本原理】原子吸收能量会被激发跃迁至高能级的激发态，部分元素在返回基态时会将多余的能量以光子的形式向外辐射，这种现象称为“发光”。当激发能量为光能时，这种发光现象就称为荧光。
【原子荧光与原子发射的区别】
激发方式不同：原子发射光谱法一般是用电弧、火花、火焰、激光以及等离子光源来激发，是由粒子互相发生碰撞交换能量使原子激发发光的，属于热激发；原子荧光分析则是将待测样品利用氢化物发生法生成氢化物由原子化器来实现原子化，再经空心阴极灯激发，属于冷激发。
【分析特点】1.谱线简单、灵敏度高、检出限低，精密度好、线性范围宽。
2.可同时测定多元素。
3.元素分析的种类不及原子吸收光谱法和原子发射光谱法。
2.4 AS-90型砷形态分析仪
【基本结构】分离系统→反应系统→检测系统→数据处理系统
分离系统：HPLC色谱柱，分离不同形态的砷的化合物
反应系统：氢化物发生器，将各种砷化物转化为砷化氢
检测系统：砷专用原子吸收/原子荧光检测器
数据处理系统：分析和处理色谱图
2.5 DMA80型直接汞分析仪
【工作过程】固体样品无需预处理直接进样→样品干燥燃烧分解→转化为氧化汞→进入汞齐化器，转为元素汞→氧气将其吹入汞检测器（固定波长的原子吸收分光光度计，测定253.7nm处吸光值来得到汞含量）
2.6 分析方法的选择
As、Hg、Se、Sn、Bi、Sb——原子荧光光谱仪
难处理样品测定Hg——全自动直接测汞仪
研究As的形态——砷形态分析仪
含量mg/L级别——火焰原子吸收
少量的一个或几个元素
含量μg/L级别——石墨炉原子吸收
多种元素——电感耦合等离子发射光谱仪

第三章 红外吸收光谱分析（IR）
【概念】
基团频率：在红外光谱中，某些化学基团虽然处于不同的分子中，但它们的吸收频率总是出现在一个较窄的特定频带，分子的剩余部分对其影响较小，而且它们的频率不随分子构型的变化而出现较大的改变，这类频率称为基团特征振动频率，简称基团频率。
影响基团频率位移的因素：①分子内基团的相互作用——电子效应、振动耦合效应、空间效应（偶极场效应）等。②分子外部环境的影响——样品的物理状态、溶剂效应、氢键作用等。
特征吸收峰：特殊官能团吸收红外光后会在基团频率区间出现吸收峰
基团指纹区：当分子结构稍有不同时，该区的吸收就有细微的差异，并显示出分子特征。这种情况就像人的指纹一样，因此称为指纹区。指纹区对于指认结构类似的化合物很有帮助，而且可以作为化合物存在某种基团的旁证。
【基本原理】红外光谱是由于物质分子振动能级跃迁，同时伴随分子转动能级跃迁而产生的。当符合一定条件的一束红外光照射物质时，被照射物质的分子将吸收一部分红外光能，使分子固有的振动和转动能级跃迁到较高的能级，光谱上即出现吸收谱带，即得到该物质的红外吸收特征光谱。
【红外吸收光谱】T~λ曲线或T~波数曲线
纵坐标：百分透射比T%，吸收峰向下
横坐标：波长λ（µm）或波数（cm-1）
4000-2500 cm-1 X-H伸缩振动区
4000-1300 cm-1 2500-1900 cm-1 三键及累积双键伸缩振动区
（基团频率区） 1900-1500 cm-1 双键伸缩振动区
中红外光谱区
λ2.5~25µm
波数400-4000 cm-1 1300-400 cm-1基因指纹区（该区的吸收稍有差异就会显示基因特征）
【红外光谱仪】
色散型红外光谱仪（7800~375cm-1）
棱镜型：4000~400 cm-1（40年代）
光栅型：4000~200 cm-1（60年代）
干涉型红外：傅立叶转换红外（FT-IR）
【色散型红外光谱仪】
主要部件：光源（通常是一种惰性固体，通电加热使之发射高强度的连续红外辐射，如能斯特灯、硅碳棒）
单色器（光栅为主，亦可用棱镜）
吸收池（因玻璃、石英等材料不能透过红外光，红外吸收池要用可透过红外光的NaCl、KBr、CsI、KRS-5（TlI58%，TlBr42%）等材料制成窗片。固体试样常与纯KBr混匀压片，然后直接进行测定。）
检测器（接收红外辐射并使之转换成电信号。主要分为热检测器和量子检测器。）
记录系统
缺点：扫描速度慢（一个谱需约8、15、30s、甚至4 min）；灵敏度差；分辨率低（棱镜型仪器分辨率在1000 cm-1处有3 cm-1 ，光栅型分辨率也只有0.2 cm-1 。）
【傅立叶变换型红外光谱仪，FTIR】
主要部件：光源（同上）
迈克尔逊干涉仪（将光源来的信号以干涉图的形式送往计算机进行Fourier变换的数学处理，最后将干涉图还原成光谱图。）
吸收池（液体吸收池，盐片）
检测器
记录系统
特点：扫描速度极快（一般只要1s左右）；具有很高的分辨率（达0.1~0.005 cm-1）；灵敏度高（可检测10-8 g数量级的样品）；光谱范围宽（1000~10 cm-1）；测量精度高，重复性好；杂散光干扰小……
应用：水环境监测、大气环境监测、固体与土壤监测、生物监测
【红外光谱对样品的要求】干燥无水、浓度适当、多组分样品要先分离
【制样方法】气体样品：气体样品槽
固体试样：压片法，溶液法，研糊法
液体试样：液膜法，溶液法

第四章 紫外-可见分光光度法
【基本原理】基于物质分子对光的选择性吸收而建立起来的分析方法。按物质吸收光的波长不同，可分为可见分光光度法、紫外分光光度法及红外分光光度法。
【特点】灵敏度较高，适用于微量组分的测定；但相对误差较大（2-5%）；操作方便、仪器设备简单、灵敏度和选择性较好等优点，为常规的仪器分析方法。
【吸收光谱/吸收曲线】测定某种物质对不同波长单色光的吸收程度，以波长为横坐标，吸光度为纵坐标作图。光吸收程度最大处的叫做最大吸收波长，用λmax表示。
【光的吸收定律—朗伯-比尔定律】
基本内容：当一束平行的单色光照射到有色溶液时，光的一部分将被溶液吸收，一部分透过溶液，还有一部分被器皿表面所反射。设入射光强度为I0，透过光强度为It，溶液的浓度为c，液层宽度为b，经实验表明它们之间有下列关系——
当c的单位为g/L，b的单位为cm时，k以a表示——A=abc
当c的单位为mol/L，b的单位为cm，这时k常用ε表示——A=εbc
【偏离朗伯一比尔定律的原因】定量分析时，通常液层厚度是相同的，按照比尔定律，浓度与吸光度之间的关系应该是一条通过直角坐标原点的直线。但在实际工作中，往往会偏离线性而发生弯曲，见图中的虚线。若在弯曲部分进行定量，将产生较大的测定误差。
①单色光不纯所引起的偏离，“单色光”越纯，则偏离越小。
②溶液本身的原因所引起的偏离，溶液不均匀，除了吸光还有散射、反射等。
③溶质的离解、缔合、互变异构及化学变化也会引起偏离。
【分光光度计】
基本构造：光源——可见用钨灯，紫外-可见用钨灯和氢灯
单色器——将光源辐射的复合光分解成按波长顺序排列的单色光，包括狭缝、色散元件（棱镜或光栅）及准直镜三部分
吸收池/比色皿——可见光用玻璃吸收池，紫外光用石英吸收池
检测器——把透过吸收池后透射光强度转换成电信号的装置
显示器——将检测器检测的信号显示和记录下来的装置
【分光光度测定的方法】标准曲线法；标准对照法/直接比较法
【分光光度法误差】溶液不遵守朗伯—比尔定律所引起的误差；光度测量误差（一般选用吸光度为0.2~0.7）；仪器误差；操作误差

第五章 气相色谱分析
【色谱理论】塔板理论和速率理论
【速率理论要点】
(1)组分分子在柱内运行的多路径与涡流扩散、浓度梯度所造成的分子扩散及传质阻力使气液两相间的分配平衡不能瞬间达到等因素是造成色谱峰扩展、柱效下降的主要原因。
(2)通过选择适当的固定相粒度、载气种类、液膜厚度及载气流速可提高柱效。
(3)速率理论为色谱分离和操作条件选择提供了理论指导。阐明了流速和柱温对柱效及分离的影响。
(4) 各种因素相互制约，如载气流速增大，分子扩散项的影响减小，使柱效提高，但同时传质阻力项的影响增大，又使柱效下降；柱温升高，有利于传质，但又加剧了分子扩散的影响，选择最佳条件，才能使柱效达到最高。
【塔板理论要点】
(1)当色谱柱长度一定时，塔板数 n 越大(塔板高度 H 越小)，被测组分在柱内被分配的次数越多，柱效能则越高，所得色谱峰越窄。
(2)不同物质在同一色谱柱上的分配系数不同，用有效塔板数和有效塔板高度作为衡量柱效指标时，应指明测定物质。
(3)柱效不能表示被分离组分的实际分离效果，当两组分的分配系数K相同时，无论该色谱柱的塔板数多大，都无法分离。
(4)塔板理论无法解释同一色谱柱在不同的载气流速下柱效不同的实验结果，也无法指出影响柱效的因素及提高柱效的途径。
【气相色谱法特点】
气相色谱（GC）主要用于低分子量（FM<1000）、易挥发、热稳定的有机化合物的分析。该方法具有：选择性高 分离效率高 灵敏度高 分析速度快
【气相色谱仪构成】气源和流量调节系统、进样系统、分离系统、检测系统、数据处理系统
【影响色谱分离的因素】进样量和进样速度会影响色谱柱分离效果和分析结果。
进样量过大会造成色谱柱超负荷,多组分色谱峰重叠，分离效果差；进样量过少，又会使含量低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高或峰面积与进样量呈线性关系的范围内。
液体样品进样量：0.1~5ml
气体样品进样量：0.1~10ml
进样速度慢则会使色谱峰形加宽，影响分离效果。
一般要求：进样时做到进样迅速和定量准确。
【色谱柱选择原则】
① 分离非极性物质：一般选用非极性固定液，这时样品中的各组分按沸点次序先后流出色谱柱，沸点低的先流出，沸点高的后流出；
② 分离极性物质：选用极性固定液，这时样品中的各组分主要按极性顺序分离，极性小的先流出色谱柱，极性大的后流出色谱柱；
③ 分离非极性和极性混合物：一般选用极性固定液，这时非极性组分先出峰，极性组分（或易被极化的组分）后出峰；
④ 对于易形成氢键的样品：如醇、酚、胺和水等的分离，一般选择极性或氢键性的固定液，这时样品中各组分按固定液分子间形成氢键的能力大小先后流出，不易形成的先流出，最易形成氢键的最后流出。　
【检测器及其特性】
热导检测器TCD——通用型检测器 基本原理：热导系数
当被测组分与载气混合后，混合物的热导系数与纯载气的热导系数大不相同，当通过热导池池体的气体组成及浓度发生变化时，会引起池体上热敏元件的温度变化，用惠斯顿电桥测量，就可由所得信号的大小求出该组分的含量。
适用范围：特别适于厌氧产气中CO、CO2、CH4和H2S等的分析。
氢火焰离子化检测器FID——应用最广泛的一种检测器 基本原理：化学电离或热电离
在外加电场作用下，氢气在空气中燃烧，形成微弱的离子流。当载气带着有机物样品进入氢火焰时，有机物与O2进行化学电离反应，所产生的正离子被外加电场的负极收集，电子被正极捕获，形成微弱的电流信号，经放大器放大，由记录仪绘出色谱峰。
特点
(1) 典型的质量型检测器;
(2) 对有机化合物具有很高的灵敏度;
(3) 适用于含碳氢键的有机物分析。
(4) 氢焰检测器具有结构简单、稳定性好、灵敏度高、响应迅速等特点;
(5) 比热导检测器的灵敏度高出近3个数量级，检测下限可达10-12g·g-1。
电子捕获检测器ECD——高选择性检测器 基本原理：载气在β射线的照射下，电离出电子，其中一部分被样品中的电负性组分所捕获，使得由于载气电离而形成的基态电流减少。各组分的电负性及浓度不同，所捕获的电子量也有所差异。所以，可以根据各组分所引起的电流减少量，获得相应的检测信号。
适用范围：仅对含有卤素、磷、硫、氧等元素的化合物有很高的灵敏度，检测下限10-14 g /mL，对大多数烃类没有响应。较多应用于农副产品、食品及环境中农药残留量的测定。
火焰光度检测器FPD——选择性检测器 检测原理：在富氢火焰（H2/O2=3/1）中，含硫、磷有机物燃烧后分别发出特征的蓝紫色光和绿色光，经滤光分光系统，再由光电倍增管测量特征光的强度变化，在394 nm或384nm可检测硫的含量，在526nm可检测磷的含量。
适用范围：适用于分析含硫、磷的农药及环境样品中含硫、磷的有机污染物。
主要检测器的检测浓度范围：

第六章 高效液相色谱
【高效液相色谱的特点】高压、高速、高效、高灵敏度
【高效液相色谱仪构成】输液系统、进样系统、分离系统、检测系统、数据处理系统
输液系统：流动相储瓶、脱气装置、高压泵和梯度程序控制器组成
进样装置：六通阀进样器
色谱分离系统：包括色谱柱和梯度控制两大部分
【正相色谱法】固定相的极性比流动相大，非极性组分先流出色谱柱；随着流动相极性的降低，被分析的组分保留时间增加。
【反相色谱法】固定相的极性比流动相小。绝大多数极性组分先流出，随着流动相极性的增加，被分析的组分保留时间延长。
反相高效液相色谱法是农药残留分析最常用的一种操作方式。
【化学键合固定相】将各种不同基团通过化学反应键合到硅胶（担体）表面的游离羟基上，如C-18柱。目前应用最广、性能最佳的固定相
【流动相选择原则】在选择溶剂时，溶剂的极性是选择的重要依据。采用正相液-液分配分离时：首先选择中等极性溶剂，若组分的保留时间太短，降低溶剂极性，反之增加。
常用溶剂的极性顺序：
水(最大) > 甲酰胺> 乙腈> 甲醇> 乙醇> 丙醇> 丙酮> 二氧六环> 四氢呋喃> 甲乙酮> 正丁醇> 乙酸乙酯> 乙醚> 异丙醚> 二氯甲烷>氯仿>溴乙烷>苯>四氯化碳>二硫化碳>环己烷>己烷>煤油(最小)
【使用的检测器】
紫外－可见光（UV-VIS）检测器： 应用最广泛的检测器；
荧光检测器： 测定发射荧光的有机物，或通过衍生后可发射荧光的有机物；
蒸发光散射检测器： 适用于所有物质；
电导检测器： 测定离子型有机物或无机物；
示差折光检测器：进行高分子量物质及其分子量分布
的测定。
前三者可采用梯度洗脱程序，后两者则不可采用梯度洗脱

第七章 质谱分析
【概念】先将物质离子化，利用电磁学原理按离子的质荷比分离，然后测量各种离子谱峰的强度而实现分析目的的一种分析方法。
【分子离子峰的判断】
⑴ 分子离子峰一般是质量数最高端的强峰，同位素离子峰的质量数可能更高，但一般较弱，容易识别
⑵ 氮素规则：含奇数个氮原子的分子，分子量必为奇数，否则为偶数。（即：不含或含偶数个氮原子的，分子量必为偶数。）
⑶ 看最高质量峰与邻近峰的质量差是否合理，若最高质量峰与邻近峰的质量差是 1，15，18是合理的，若最高质量峰与邻近峰的质量差是 4～13 都是不合理的
⑷ 被认为的分子离子峰的强度与假定的分子结构必须相适应，在质谱中，分子离子的稳定性次序为：芳香化合物＞共轭链烯＞脂环化合物＞硫化物＞直链烷烃＞硫醇＞酮＞胺＞酯＞醚羧酸＞分支较多的烷烃＞醇
⑸ 改变实验条件验证分子离子峰：
1、降低电子流轰击的能量，减少分子离子的裂解，增加分子离子峰的强度。
2、采用化学电离源、场离子源或场解吸来代替电子轰击源。
3、制备容易挥发的衍生物，如将酸变为酯，将醇变为醚进行测定，这样的衍生物分子离子峰容易出现。然后对比化合物转变前后的质谱，观察是否出现了相应的质量变化。
4、对于分子量较大的难挥发有机物，改用直接进样法（不用加热进样法）可使样品受热温度降低，受热时间缩短，增加分子离子峰的强度。
【碎片离子峰断裂的一般规律】
⑴ 当分子中存在杂原子时，裂解常发生于邻近杂原子的C-C键上
① 羰基化合物：α－断裂
② 胺及其衍生物： β－断裂
③ 醇、酯、卤代烃：β－断裂
⑵ 有利于产生稳定离子的断裂
① 含双键或苯环化合物： β－断裂
② 烷烃：有利于在侧链处断裂（形成的正碳离子稳定）
⑶ 脱离小分子的开裂 ( 容易
被脱离的小分子：H2O、H2S、NH3、CH3COOH、CH3OH、CH2=C=O、CO、HCN等
(4) 重排离子
【质谱仪结构】进样系统、真空系统（离子源、质量分析器、检测器）、数据分析系统
【为什么MS需要真空】提供足够的平均自由程、提供无碰撞的离子轨道、减少离子-分子反应、减少背景干扰、延长灯丝寿命、消除放电、增加灵敏度
【离子源】质谱的核心，其作用是将被测样品分子电离成为带电的离子，并对离子进行加速使其进入质量分析器。由于电离所需的能量随分子的不同差异很大，因此对于不同的分子应选择使用不同的电离方法，即不同的离子源。
【电子电离源EI】原理：电子所带的能量转移给样品分子，样品分子释放出一个电子变成分子离子（M·+），持有剩余能量的离子还可引起化学键的开裂生成碎片离子。
特点：电离效率高；能量高，碎片多，结构信息多；碎片稳定，重现性好（质谱检索）；通用性强。
【化学电离源CI】原理：（先反应气离子化、再使样品分子离子化）将甲烷气、乙烷气、氨气等气体作为反应气体加入离子源，使其量大大超过样品，在离子源中受到电子轰击、并离子化。离子化气体与样品分子相撞时样品分子达到离子化。
【电喷雾电离 ESI】一种软电离方法，离子化过程分三步：1）样品溶液喷雾 2）雾滴分裂 3）溶液中离子转变为气相离子
【质量分析器作用】是将离子源产生的离子按照质荷比的大小分开并排列成谱图。是质谱仪的核心部件，因此也常以质量分析器的类型来命名一台质谱仪。
【质谱图】质谱分析器中按质荷比（m/e）分离的离子，经光电倍增管（离子放大器）转变为放大的电信号，得到质谱图。
质谱图是一种以离子强度为纵坐标、质量数为横坐标的棒形图（条形图）。其中离子强度最大的峰为基峰，定义为100，其他峰以基峰的相对强度来表示，也称之为丰度。
【GC-MS分析条件的优化】
气相色谱条件优化：
1）载气的选择(氦气，需净化）
2）色谱柱的选择（aligentHP-5MS,innowax)
3）载气压力和流速
4）温度的选择
5）进样方式的选择
质谱条件优化：
1）离子源选择 离子源温度的选择
2）扫描方式选择 选择离子监测（SIM）
3）溶剂延迟（溶剂峰通过离子源以后再打开灯丝和电子倍增器）为保护灯丝和倍增器