山东大学期末考试复习水分析化学气相色谱法和原子吸收光谱法山东大学期末考试知识点复习.doc

第八章 气相色谱法和原子吸收光谱法
一、气相色谱法
(一)气相色谱法概述
色谱法是一种分离技术，该技术应用于分析化学中，就是色谱分析。它的分析原理是使混合物中各组分在两相间进行分配，其中静止不动的一相称固定相，另一携带混合物流过此固定相的流体称作流动相。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。因此在同一推动力作用下，不同组分在固定相中的滞留时间的长短不同，从而按先后次序从固定相中流过。这种借助物质在两相间分配的原理而使混合物中各组分分离的技术，称为色谱分离技术或色谱法(对称色层法，层析法)
1．色谱法分类
色谱法从不同的角度出发，有多种分类法。
(1)按流动相的物态分类
气相色谱：流动相是气体的色谱。液相色谱：流动相是液体的色谱。
按两相状态色谱分为四类：

(2)按固定相的性质分类
柱色谱(填充柱色谱、毛细管色谱)、纸色谱(又叫纸层析)、薄层色谱(又叫薄板层析)。
2．气相色谱特点
(1)优点：分离效能高、高选择性、高灵敏性、分析速度性、应用广泛。
(2)局限性
1)定性时需要标准样品。
2)样品要有一定的挥发性。
3)强极性的大分子不稳定化合物不能直接分析，但对部分高分子或生物大分子可用裂解色谱法，分析其裂解产物。
4)一般不能分析无机物，但部分无机物可转化为金属卤代物，金属螯合物等再进行分析。
(二)气相色谱法的基本原理
气一固色谱分析中的固定相是一种具有多孔性及表面积较大的吸附剂颗粒。被测物质中各组分的分离是基于各组分在吸附剂上的吸附能力不同。试样由载气携带进入色谱柱，被测组分在吸附剂表面进行反复的物理吸附、脱附过程。较难被吸附的组分先流出色谱柱，容易被吸附的组分后流出色谱柱。
气一液色谱分析中的固定相是在化学隋性的固体微粒(此固体是用来支持固定液的，称为担体)表面，涂上一层高沸点有机化合物液膜，这种高沸点有机化合物称为固定液。在气一液色谱柱内，被测物质中各组分的分离是基于各组分在固定液中溶解度的不同。当载体携带被测物质进入色谱柱，和固定相接触时，气相中的被测组分立即溶解到固定液中去。载气连续流经色谱柱，溶解在固定液中的被测组分会从固定液中挥发到气相中。随着载气的流动，挥发至气相中的被测组分分子又会溶解在前面的固定液中。这样反复多次溶解、挥发、再溶解、再挥发。由于各组分在固定液中溶解能力不同，溶解度大的组分就较难挥发，停留在柱中的时间就长些，往前移动得就快些，而溶解度小的组分，则相反。经过一定时间后，各组分彼此分离。
物质在固定相和流动相(气相)之间发生吸附、脱附、溶解和挥发的过程叫做分配过程。被测组分按其溶解和挥发能力或吸附和脱附能力)的大小，按一定比例分配在固定相和气相方向。溶解度(或吸附能力)大的组分分配给固定相多一些，气相中的量小一些；溶解度(或吸附能力)小的组分分配给固定相的量少些，气相中的量多了一些。在一定温度下组分在两相之间分配达到平衡时的浓度比称为分配系数K。

当K<1时，组分在固定相中的浓度小于流动相中的浓度。
当K＝1时，组分在固定相中的浓度等于流动相中的浓度。
当K>1时，组分在固定相中的浓度大于流动相中的浓度。
气相色谱是利用不同的物质在两相间具有不同的分配系数，当两相做相对运动时，试样中的各组分在两相间经过反复多次的分配，而使各组分分离。
(三)气相色谱仪组成：
1．载气系统，包括气源、气体净化、气体流速控制和测量；
2．进样系统，包括进样器、气化室；
3．分离系统，包括色谱柱、柱箱和恒温装置；
4．检测系统，包括检测器、检测仪的电源及控温装置；
5．记录系统，包括放大器、记录仪，有的仪器还有数据处理装置。
(四)色谱流出曲线和基本术语(气相色谱法的常用术语)
1．色谱图：试样中的各组分经色谱柱分离后，随载气依次流出色谱柱，经检测器转换成为电信号，再由记录仪将各组分的浓度变化记录下来，得到色谱图(即色谱流出曲线)。它是以组分的浓度变化比为纵坐标，流出时间为横坐标的一条曲线。
2．基线：检测器系统噪声随时间变化的线。稳定的基线是一条直线。
(1)基线漂移：基线随时间定向的缓慢变化。
(2)基线噪声：各种因素所引起的基线起伏。
3．保留值：表示试样中各组分在色谱柱中的滞留时间的数值。
死时间tM：不被固定相吸附或溶解的气体(如空气)通过色谱柱的时间。在色谱图上为从进样开始到色谱顶峰的时间。
保留时间tR：试样各组分通过色谱柱所需要的时间。色谱图上为被测组分从进样开始到组分色谱顶峰的时间。
调整保留时间t'R：扣除死时间后的保留时间。
t'R＝tR一tM
死体积VM：色谱柱在填充后柱管内固定相颗粒间所剩留的空间，色谱仪中管路和连接头间的空间以及检测器的空间的总和，后两项不计时的死体积用下式计算：
VM＝tMF0
式中F0——载气体积流速。
保留体积VR：从进样开始到柱后被测组分出现浓度最大值时所通过的载气体积。
调整保留体积V'R：扣除死体积后的保留体积。
V’R＝t'R·F0或V'R＝VR一VM
相对保留值r21：某组分2的调整保留值与另一组分1的调整保留值之比。

4．区域宽度和峰高
色谱峰区域宽度是色谱流出曲线中的一个重要参数。从色谱分离角度看，区域宽越窄越好。
标准偏差σ：0．607倍峰高处色谱峰宽度的一半。图8—1中EF的一半。

半峰宽度Y1/2：又称半宽度或区域宽度，色谱峰高一半处的宽度，图8—1中GH。它与标准偏差的关系为

峰底宽度y：从色谱峰两侧拐点作切线，两切线在基线上的截距，如图8—1中的IJ所示。它与标准偏差的关系为
Y＝4σ
峰高：色谱峰顶到基线的垂直距离。
5．固定液的相对极性Px按下式计算

强极性固定液β，β’一氧二丙腈的相对极性P＝100，非极性固定液角鲨烷的相对极性P＝0。
q1、q2、qx分别为一对物质苯一环己烷在β，β’一氧二丙腈、角鲨烷及待测固定液上的相对保留值。
6．麦氏常数：测定苯、丁醇、2一戊酮、硝基丙烷和吡啶五种物质在被测固定液与角鲨烷固定液柱上保留指数的差值以及差值的平均值，作为固定液极性的标度。
7．检测器灵敏度
Sgc(浓度型检测器用)：1mL载气中携带1mg试样通过检测器时，能产生的响应信号。单位mV，mL·mL-1。
Sm(质量型检测器用)：每秒中有1g某组分被载气携带通过检测器，所产生的电压或电流值。单位mV·S·g-1
8．检测限(D)：又称灵敏度，检测器恰能产生和噪声相鉴别的信号时，在单位时间内进入检测器的组分的物质的量或单位体积载气中所含该组分的量(单位g)。

式中 N——检测器的噪声；
S——检测器的灵敏度。
9．程序升温：柱温随着操作时间有规律地升温。
10．保留温度：在程序升温色谱中，某组分从柱后流出时所对应的色谱柱温。
二、基本理论
1．塔板理论
色谱峰越窄，理论塔板数n越多，塔板高度H越小，柱效能越高。

2．速率理论Van Deemter方程式

式中 Df——固定相的液膜厚度df薄，组分在液相的扩散系数D1大，那么液相传质阻力则小。
对填空柱，固定液含量较高(20％～30％)。中等线速时，塔板高度的主要控制因素是液态传质项，气相传质项可忽略。用低固定液含量柱，高载气线速进行快速分析时，Cg对H的影响会成为主要控制因素。
重点了解简式各项和各符号的意义，熟悉填充柱详细式的各符号的含义，从而理解分离条件的选择，即填充均匀度，填料的平均颗粒直径，液膜厚度，载气的性质及流速，柱温等对柱效及分离的影响。
三、实验条件的选择
1．色谱分离基本方程式：
在气相色谱中，固定液、柱温及载气的选择是分离条件选择的三个主要方面，用于提高柱效，降低塔板高度，提高相邻组分的分离度。定量分析时，组分分离完全R≥1．5，才能获得较好的精密度和准确度。
2．实验条件的选择
(1)提高a和k：a是柱选择性的量度，a越大选择性越好，当a＝1时，R都为零。
k与固定液的用量和分配系数有关，并受柱温的影响。
(2)提高n：流速0～μ最佳时，选分子量较大的载气；流速μ>μ最佳时，选分子量较小的载气。柱温选择原则：为使难分离物质对能得到良好的分离，在分离时间适宜，峰形不拖尾的前提下，尽可能采用低柱温。
宽沸程试样应采用程序升温方法。
选择合适的柱表和内径。
(3)其他条件的选择：气化室温度、检测室温度、进样时间和进样量。
3．固定液的选择
固定液的选择按相似相溶原则，归纳见表8—1。
四、检测器分类
根据检测原理不同，检则器分为浓度型检测器和质量型检测器。
1．浓度型检测器：检测器的响应值与载气中组分的浓度成正比。如热导池检测器和电子捕获检测器等。
热导池检测器TCD：组分与载气的热导率有差别就能检测。用H2，Hε时，结构简单，灵敏度适宜，稳定性较好，对所有物质有响应，应用最广最成熟的一种检测器。
电子捕获检测器：它是高选择性，高灵敏度的浓度型检测器。选择性地检测含有电负性强的元素，电负性愈强，灵敏度愈高。能测出10-14g·mL-1的电负性物质。
2．质量型检测器：检测器的响应值与单位时间内进人检测器某组分的质量成正比。如氢火焰离子化检测器和火焰光度检测器等。
氢火焰离子化检测器：对含碳有机物灵敏度高，能检测10-12g·S-1的痕量物质，响应快，稳定性好，检测限小，死体积小。线性范围宽，可达106以上。
常用于含碳有机化合物的检测。操作时，常选氮气为载气，氢气为燃气，空气为助燃气。
火焰光度检测器FPD：对含磷、含硫的化合物有高选择性和高灵敏度的一种色谱检测器。
为保护检测器和色谱柱，开气相色谱仪时，应先开载气，再开电源加热。关机时，最后关载气。
五、定量分析
1．定量分析的依据
气相色谱定量分析的依据是在规定的操作条件下，被测组分的质量Mi与它在检测器上产生的响应信号峰面积Ai或峰高Hi成正比。

式中 fi——峰面积换算成被测物质量的比例常数，称为校正因子。
由上式可知，定量分析中需要：①准确测量峰面积(或峰高)；②准确求出比例系数fi；③根据上式正确选用定量计算方法，将测得的峰面积或峰高换算成质量分数。
2．峰面积的测量方法
(1)峰高乘半峰宽法——对称峰面积的测量

用质量校正因子校正峰面积，再按归一化法计算，可得被测物的质量百分数。
2)摩尔校正因子fM
对于气体分析，使用相对摩尔校正因子可得被测物的体积分数。
(3)相对响应值S
它是物质i与标准物质S的响应值(灵敏度)之比。单位相同时，它与相对校正因子互为倒数。
该法优点：简便、准确，当操作条件如进样量、流速等变化时，对结果影响小。
(2)标准曲线法又叫外标法
标准曲线的绘制：
在一定的操作条件下，将一系列不同浓度的标准溶液，以一定体积分别进样，并以色谱图上的峰面积A或峰高h为纵坐标，以标准溶液的浓度或含量为横坐标，绘制标准曲线。
试样的测定：在同样的条件下，以同体积进试样，测出峰面积A或峰高h，在标准曲线上查出水样中被测组分的浓度或含量。
(3)内、标法
内标法是将一定量的纯物质作为内标物，加入到准确称取的试样中，根据被测组分和内标物的质量及其在色谱图上相应的峰面积之比，求出组分的含量。
内标物的选择：样品中不存在的纯物质；内标物的性质、含量和色谱峰位置尽量与被测组分接近；内标物不与被测组分发生反应，又能与被测样品中各组分完全分离。
(4)内标标准曲线法

内标标准曲线的绘制：先将欲测组分的纯物质配成不同浓度的标准溶液。取固定量的标准溶液和内标物，混合后进样分析，测出Ai和As，以Ai／As对标准溶液的浓度(或含量)作图。
试样的测定：取和制作标准曲线时所用量同样的试样和内标物，测出其峰面积之比，从内标标准曲线上查出被测组分的浓度(或含量)。
此法不必测出校正因子，是一种比较准确的定量方法，缺点是每次分析比较费时。
六、原子吸收光谱法
(一)原子吸收光谱法概述
原子吸收光谱法又称原子吸收分光光度法，简称原子吸收法。
原子吸收光谱分析是基于试样所产生的基态原子蒸气对光源发出的该元素的特征波长的光的吸收程度进行定量分析的一种方法。
原子吸收光谱法的优点：
选择性好，准确度高。因为分析不同元素时光源可选用不同元素灯，所以干扰少，选择性好，准确度高，低含量分析中相对误差为1％～3％。
灵敏度高。用火焰原子吸收光谱法可测到10-9g／mL，用无火焰原子吸收光谱法可测到10-13g／mL。
测定范围广。可测定70多种元素，可作痕量组分分析和常量组分分析。
操作简单迅速。
缺点：每测定一种元素，必须更换该元素光源灯。
(二)基本原理
1．原子在各能级的分布
理论和实验表明，在不同温度下，达到热力学平衡时，可用玻耳兹曼方程表示；激发态原子数(Nj)与基态原子数(N0)之比
2．共振吸收线
原子的核外电子由基态跃迁到第一激发态所产生的吸收谱线叫共振吸收线。不同的元素的原子结构和外层电子排布不同，吸收的能量不同，共振吸收线各具特征，这种共振线是特征谱线，是元素所有谱线中最灵敏的谱线。原子吸收光谱分析就是利用处于基态的待测原子蒸气，对从光源辐射的共振线的吸收来进行分析的。
3．谱线轮廓和谱线宽度
谱线轮廓是指谱线具有一定频率范围(宽度)和形状，而并非为一条几何线。吸收线轮廓常用吸收系数K0随频率(或波长)的变化曲线来描述，而原子吸收线的特点是用谱线中心频率(或波长)和吸收线的半宽度来表征。
谱线轮廓受多种因素影响，一类由原子本身的性质所决定，例如谱线的自然宽度△vN和同位素效应。另一类由外界影响引起的，多普勒变宽即热度宽△νD，劳伦兹变宽即压力变宽△νL，电场变宽，磁场变宽，自吸变宽等。但在通常的原子吸收分析的实验条件下，吸收线的轮廓主要受多普勒和劳伦兹变宽的影响。
(三)原子吸收分光光度分析法
1．原子吸收分光光度法的定量基础
原子吸收与分子吸收一样服从

原子吸收的测量有积分吸收法和峰值吸收法。
峰值吸收测量法是采用锐线光源所发射的与待测元素中心频率一致的且半宽度比吸收线小得多的谱线，通过测定吸收线中心频率的峰值吸收系数K0来计算待测元素的原子数。原子化器中基态原子对发射线的吸收就成为峰值的吸收。测量峰值吸收需要锐线光源，只需要一般分辨率的分光仪器就能将共振线和邻近谱线分离。吸光度的表达式为

上式表明：当吸收厚度一定，吸光度与试样中被测组分的浓度呈线性关系。此式是原子吸收分光光度法的定量分析依据。
2．原子吸收分光光度计
原子吸收分光光度计由光源、原子化器、单色器和检测系统四部分组成。
(1)光源：是锐线光源，它应发射待测元素的特征谱线，发射辐射波长的半宽度要明显小于吸收线的半宽度，辐射强度要大，稳定性高且背景信号小。常用的是空心阴极灯。
(2)原子化器：是原子分光光度计的关键部件。它将试样中的待测元素变成原子蒸气。原子化器主要有火焰原子化器和无焰原子化器。
(3)单色器：作用是将被测元素的吸收谱线与邻近谱线分离。衍射光栅是常用的分光元件。
(4)检测系统：作用是将单色器分出的光信号转换成电信号。常用的有光电倍增管。
3．干扰及其消除
原子吸收光谱分析的干扰主要有光谱干扰、物理干扰和化学干扰。
(1)光谱干扰：包括与光源有关的光谱线干扰和与原子化器的背景吸收。光谱线干扰是被测元素的分析线与样品中共存元素的吸收线相近而产生的干扰，使分析结果偏高。背景吸收包括分子吸收和光散射，其结果使吸光度增高。消除方法：改变仪器条件(如测定液长，减小狭缝宽度)或背景扣除等。
(2)物理干扰：试样的物理性质如表面张力、黏度、实际密度、温度等变化都影响吸收强度，导致测定误差。消除方法：配制组成与待测液相似的标准溶液，或者使用标准加入法。
(3)化学干扰：是该法的主要干扰。电离电位不大于6eV的元素在原子化条件下易电离，使基态原子数减少，测定结果降低。加入消电离剂消除之。
待测元素与共存元素生成难挥发的化合物，导致基态原子数减小的干扰。加入释放剂、保护剂、缓冲剂消除干扰。
除加入上述试剂控制化学干扰，还可用标准加入法控制化学干扰。
4．灵敏度或检出限
(1)灵敏度S定义为校正曲线的斜率，表达式为

即当待测元素的浓度C或质量m改变一个单位时，吸光度A的变化量。
特征浓度：在火焰原子化法中指能产生1 ％吸收或0．0044吸光度值时溶液中待测元素的质量浓度(μg·mL-1／1％)或质量分数(μg·g-1／1％)以此表征灵敏度。
特征浓度或特征质量愈小，测定的灵敏高愈度
(2)检出限
检出限：在一定置信度下仪器能检测出的试样的最低浓度或最小量。
即在一定实验条件下待测元素所产生的信号强度等于其噪声强度标准偏差3倍时的质量浓度(μg／mL)或质量分数(μg·g-1)。绝对检出限用m表示：

式中 C或m——分别为待测液的浓度或质量；
A——多次待测试样吸光度的平均值；
σ——噪声的标准偏差，是对空白溶液或接近空白的标准溶液至少十次连续测定，由所得的吸光度值计算其标准偏差。
检出限与灵敏度不是一个概念，两种元素的灵敏度相同，但检出限可能不相同。检出限考虑到了噪声的影响，明确指出了测定的可靠程度。
5．定量分析方法
(1)标准曲线法
配制一组合适的标准溶液，由低浓度到高浓度依次喷人火焰，分别测定其吸光度A，绘制A—C标准曲线。此法简便快速，仅适用于组成简单的试样。
(2)标准加入法

实际测定中都采用作图法。
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