仪器分析及其方法.doc

仪器分析及其方法

1.仪器分析概述
1.1仪器分析概念及应用对象
仪器分析是化学学科的一个重要分支，它是以物质的物理和物理化学性质为基础建立起来的一种分析方法。指采用比较复杂或特殊的仪器设备，通过测量物质的某些物理或物理化学性质的参数及其变化来对物质进行定性分析，定量分析及形态分析的一类方法。仪器分析与化学分析(chemical analysis)是分析化学(analytical chemistry)的两个分析方法。
仪器分析的分析对象一般是半微量(0.01-0.1g)、微量(0.1-10mg)、超微量(<0.1mg)组分的分析，灵敏度高；而化学分析一般是半微量(0.01-0.1g)、常量(>0.1g)组分的分析，准确度高。

1.2仪器分析的基本特点及主要分析方法
仪器分析的灵敏度高、取样量小、低浓度下的分析准确度比较高，另外分析迅速，可以在不破坏式样的情况下进行分析，适用于考古、文物等特殊领域的应用，其专一性强，便于遥测、遥控及自动化，操作极其简便，但仪器设备较复杂，价格较昂贵。
仪器分析方法所包括的分析方法很多，目前有数十种之多。每一种分析方法所依据的原理不同，所测量的物理量不同，操作过程及应用情况也不同。本实验将对光谱分析法、原子吸收和原子荧光光谱分析法、紫外-可见光光度分析法、质谱法、色谱法、气相色谱法及高效液相色谱法进行阐述。

1.3仪器分析的发展历程及重要意义
1.3.1发展历程
经过19世纪展，到20世纪20~30年代，分析化学已本成熟，它不再是各种分析方法的简单堆砌，已经从经验上升到了理论认识阶段，建立了分析化学的基本理论。20世纪40年代以后，一方面由于生产和科学技术发展的需要，另一方面由于物理学革命使人们的进一步深化，分析化学也发生了革命性的变革，从传统的化学分析发展为仪器分析。
在仪器的发展中，理论和方法的相互作用，需要中介和桥梁，这就是技术。理论要起指导作用，要转化为方法，需要特定的仪器、设备和试剂。而制作和使用仪器或工具，正是通常所说的技术的特点。
现代仪器分析应用了现代分析化学的各项新理论、新方法、新技术，把光谱学、量子学、富里叶变换、微积分、模糊数学、生物学、电子学、电化学、激光、计算机及穿件成功地运用到现代分析的仪器上，研发了原子光谱（原子吸收光谱、原子发射光谱、原子荧光光谱）、分子光谱（UV、IR、MS、NMR、Flu）、色谱（CG、LC）、分光光度法、激光光谱法、拉曼光谱、流动注射分析法、极谱法、离子选择性电板、火焰光度分析等现代分析仪器，计算机的应用则极大的提高了仪器分析能力，因此现代分析仪器灵敏度高、选择型好、检出限低、准确性好，在数据处理和显示分析结果，实现了分析仪器的自动化和样品的连续测定。

1.3.2重要意义
仪器分析自20世纪30年代后期问世以来，不断丰富分析化学的内涵并使分析化学发生了一系列根本性的变化。随着科技的发展和社会的进步，分析化学将面临更深刻、更广泛和更激烈的变革。现代分析仪器的更新换代和仪器分析新方法、新技术的不断创新与应用，是这些变革的重要内容。因此，仪器分析在高等院校分析化学课程中所处的地位日趋重要。许多地方高校为了使自己培养的人才能从容迎接和面对新世纪科学技术的挑战，已将仪器分析列为化学等专业学生必修的专业基础课。因此编写适应地方高校有关专业使用的仪器分析教材是教材改革的重要内容之一。

2主要仪器分析方法
2.1光谱分析的相关概念及分类
光谱分析法是基于检测能量（电磁辐射）作用于待测物质后产生的辐射信号或所引起的变化的分析方法。这些电磁辐射包括从γ射线到无线电波的所有电磁波谱范围。电磁辐射与物质相互作用的方式有发射、吸收、反射、衍射、折射、散射、干涉、偏振等。
光谱分析法可分为光谱法和非光谱法。光谱法是基于物质与辐射能作用时，测量有物质内部发生量子化的能级之间的跃迁而产生的发射、吸收或散射辐射的波长和强度进行分析的方法。属于光谱法的的有原子发射光谱法、原子吸收光谱法、原子荧光光谱法、X射线荧光光谱法，它们同属于光谱法中的原子光谱法。另外分子光谱法包含了紫外-可见分光光度法、分子荧光光谱法和分子磷光光谱法等。
非光谱法是基于物质与辐射相互作用时，测量辐射的某些性质，如折射、散射、干涉、衍射、偏振等变化的分析方法。它不涉及物质内部能级的跃迁，电磁辐射值改变了传播方向、速度或某些物理性质。属于这类分析方法的有折射法、偏振发、光散射法、干涉法、衍射法、旋光法和圆二向色性法等。

2.1.1光谱分析法的主要内容
（1）发射光谱法
物质通过电致激发、热致激发或光致激发等激发过程获得能量，变为激发态原子或分子M* ，当从激发态过渡到低能态或基态时产生发射光谱。
（2）吸收光谱法
当物质所吸收的电磁辐射能与该物质的原子核、原子或分子的两个能级间跃迁所需的能量满足△E = hv的关系时，将产生吸收光谱。
（3）Raman散射
频率为n0的单色光照射到透明物质上，物质分子会发生散射现象。如果这种散射是光子与物质分子发生能量交换的，即不仅光子的运动方向发生变化，它的能量也发生变化，则称为Raman散射。

2.1.2光谱法仪器
用来研究吸收、发射或荧光的电磁辐射的强度和波长的关系的仪器叫做光谱仪或分光光度计。这一类仪器一般包括五个基本单元：光源、单色器、样品容器、检测器和读出器件。
（1）光源
光源的作用是提供足够的能量使试样蒸发、原子化、激发，产生光谱。光谱分析中，光源必须具有足够的输出功率和稳定性。由于光源辐射功率的波动与电源功率的变化成指数关系，因此往往需用稳压电源以保证稳定，或者用参比光束的方法来减少光源输出对测定所产生的影响。
（2）单色器
单色器的主要作用是将复合光分解成单色光或有一定宽度的谱带。单色器由入射狭缝和出射狭缝、准直镜以及色散元件，如棱镜或光栅等组成。
（3）吸收池
吸收池一般由光透明的材料制成。在紫外光区工作时，采用石英材料；可见光区，则用硅酸盐玻璃；红外光区，则可根据不同的波长范围选用不同材料的晶体制成吸收池的窗口。
（4）检测器
检测器可分为两类，一类对光子有响应的光检测器，另一类为对热产生响应的热检测器。光检测器有硒光电池、光电管、光电倍增管、半导体等。热检测器是吸收辐射并根据吸收引起的热效应来测量入射辐射的强度，包括真空热电偶、热电检测器、热电偶等。
（5）读出装置
由检测器将光信号转换成电信号后，可用检流计、微安计、数字显示器、光子计数等显示和记录结果。

2.2原子吸收和原子荧光光谱分析法
2.2.1原子吸收基本原理
原子吸收光谱分析的波长区域在近紫外区。其分析原理是将光源辐射出的待测元素的特征光谱通过样品的蒸汽中待测元素的基态原子所吸收，由发射光谱被减弱的程度，进而求得样品中待测元素的含量，它符合郎珀-比尔定律A=-lgI/Io=-lgT=KCL，式中I为透射光强度，Io为发射光强度，T为透射比，L为光通过原子化气光程由于L是不变值，所以A=KL。
2.2.2吸收光谱仪主要部件
（1）光源
作用：提供待测元素的特征光谱。获得较高的灵敏度和准确度。
光源应满足如下要求：
a.能发射待测元素的共振线；
b.能发射锐线；
c.辐射光强度大，稳定性好。
（2）原子化系统
a.作用：将试样中离子转变成原子蒸气。
b.原子化方法：火焰法或者无火焰法—电热高温石墨管，激光。
c.火焰原子化装置—雾化器和燃烧器。主要缺点：雾化效率低
（3）单色器
作用 ：将待测元素的共振线与邻近线分开。
组件： 色散元件（棱镜、光栅），凹凸镜、狭缝等。
（4）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。
a.检测器-------- 将单色器分出的光信号转变成电信号。
b.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。
c.对数变换器光强度与吸光度之间的转换。
d.显示、记录
2.2.3原子荧光光谱法
原子荧光光谱法是以原子 在辐射能激发下发射的荧光强度进行定量分析的发射光谱分析法。原子荧光光谱法从机理看来属于发射光谱分析，但所用仪器及操作技术与原子吸收光谱法相近。
2.2.4原子荧光光谱法基本原理
气态自由原子吸收光源的特征辐射后，原子的外层电子跃迁到较高能级，然后又跃迁返回基态或较低能级，同时发射出与原激发辐射波长相同或不同的辐射即为原子荧光。原子荧光属光致发光，也是二次发光。当激发光源停止照射后，再发射过程立即停止。
2.2.5原子荧光光谱法的特点
（1）高灵敏度、低检出限。
特别对Cd、Zn等元素有相当低的检出限，Cd 可达0.001ng.cm-3、Zn为0.04ng.cm-3。由于原子荧光的辐射强度与激发光源成比例，采用新的高强度光源可进一步降低其检出限。
（2）谱线简单、干扰少。
（3）分析校准曲线线性范围宽，可达3 - 5个数量级。
（4）多元素同时测定。
虽然原子荧光法有许多优点，但由于荧光猝灭效应，以致在测定复杂基体的试样及高含量样品时，尚有一定的困难。此外，散射光的干扰也是原子荧光分析中的一个麻烦问题。因此，原子荧光光谱法在应用方面不及原子吸收光谱法和原子发射光谱法广泛，但可作为这两种方法的补充。

2.3紫外-可见分光光度分析法
2.3.1基本原理
物质的吸收光谱本质上就是物质中的分子和原子吸收了入射光中的某些特定波长的光能量，相应地发生了分子振动能级跃迁和电子能级跃迁的结果。由于各种物质具有各自不同的分子、原子和不同的分子空间结构，其吸收光能量的情况也就不会相同，因此，每种物质就有其特有的、固定的吸收光谱曲线，可根据吸收光谱上的某些特征波长处的吸光度的高低判别或测定该物质的含量，这就是分光光度定性和定量分析的基础。分光光度分析就是根据物质的吸收光谱研究物质的成分、结构和物质间相互作用的有效手段。
紫外可见分光光度法的定量分析基础是朗伯-比尔（Lambert-Beer）定律。即物质在一定波长的吸光度与它的吸收介质的厚度和吸光物质的浓度呈正比。
2.3.2紫外-分光光度计
（1）光源
在整个紫外光区或可见光谱区可以发射连续光谱，具有足够的辐射强度、较好的稳定性、较长的使用寿命。可见光区：钨灯作为光源，其辐射波长范围在320～2500 nm。紫外区：氢、氘灯。发射185～400 nm的连续光谱。
（2）单色器
将光源发射的复合光分解成单色光并可从中选出一任 波长单色光的光学系统。
a.入射狭缝：光源的光由此进入单色器；
b.准光装置：透镜或返射镜使入射光成为平行光束；
c.色散元件：将复合光分解成单色光；棱镜或光栅；
d.聚焦装置：透镜或凹面反射镜，将分光后所得单色光聚焦至出射狭缝；
e.出射狭缝。
3）样品室
样品室放置各种类型的吸收池（比色皿）和相应的池架附件。吸收池主要有石英池和玻璃池两种。在紫外区须采用石英池，可见区一般用玻璃池。
（4）检测器
利用光电效应将透过吸收池的光信号变成可测的电信号，常用的有光电池、光电管或光电倍增管。
（5）结果显示记录系统
检流计、数字显示、微机进行仪器自动控制和结果处理。
2.3.3紫外-分光光度计的类型
（1）单光束
简单，价廉，适于在给定波长处测量吸光度或透光度，一般不能作全波段光谱扫描，要求光源和检测器具有很高的稳定性。
（2）双光束
自动记录，快速全波段扫描。可消除光源不稳定、检测器灵敏度变化等因素的影响，特别适合于结构分析。仪器复杂，价格较高。
（3）双波长
将不同波长的两束单色光(λ1、λ2) 快速交替通过同一吸收池而后到达检测器。产生交流信号。无需参比池。△l=1～2nm。两波长同时扫描即可获得导数光谱。
2.3.4分光光度测定方法
（1）普通分光光度法
a.单组分的测定
通常采用 A-C 标准曲线法定量测定。
b.若各组分的吸收曲线互不重叠，则可在各自最大吸收波长处分别进行测定。这本质上与单组分测定没有区别。若各组分的吸收曲线互有重叠，则可根据吸光度的加合性求解联立方程组得出各组分的含量。
Aλ1= εaλ1bca ＋ εbλ1bcb
Aλ2= εaλ2bca ＋ εbλ2bcb
（2）示差分光光度法（示差法）
普通分光光度法一般只适于测定微量组分，当待测组分含量较高时，将产生较大的误差。需采用示差法。即提高入射光强度，并采用浓度稍低于待测溶液浓度的标准溶液作参比溶液。
（3）双波长分光光度法
不需空白溶液作参比；但需要两个单色器获得两束单色光(λ1和λ2)；以参比波长λ1处的吸光度Aλ1作为参比，来消除干扰。在分析浑浊或背景吸收较大的复杂试样时显示出很大的优越性。灵敏度、选择性、测量精密度等方面都比单波长法有所提高。
ΔＡ＝A λ2 －A λ1
＝（ελ2 －ελ1 ) b c
两波长处测得的吸光度差值ΔＡ与待测组分浓度成正比。 ελ1和ελ2分别表示待测组分在λ1和λ2处的摩尔吸光系数。

2.4质谱法及质谱分析原理
加速后离子的动能 :(1/2)mu 2= e V u = [(2V)/(m/e)]1/2
在磁场存在下，带电离子按曲线轨迹飞行；
离心力 =向心力；m u 2 / R= H0 e V
曲率半径： R= （m u ）/ e H0
质谱方程式：m/e = (H02 R2) / 2V
离子在磁场中的轨道半径R取决于： m/e 、 H0 、 V
改变加速电压V, 可以使不同m/e 的离子进入检测器。
质谱分辨率 = M / D M （分辨率与选定分子质量有关）

2.5色谱法
色谱法是一种重要的分离分析方法，它是根据组分在两相中作用能力不同而达到分离目的的。在色谱法中，将填入玻璃管或不锈钢管内静止不动的一相（固体或液体）称为固定相；自上而下运动的一相（一般是气体或液体）称为流动相；装有固定相的管子（玻璃管或不锈钢管）称为色谱柱。当流动相中样品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，与固定相相互作用的类型、强弱也有差异，因此在同一推动力的作用下，不同组分在固定相滞留时间长短不同，从而按先后不同的次序从固定相中流出。
2.5.1色谱法的分类
（1）按两相状态分类
a.气体为流动相的色谱称为气相色谱（GC）。根据固定相是固体吸附剂还是固定液（附着在惰性载体上的一薄层有机化合物液体），又可分为气固色谱（GSC）和气液色谱（GLC）。
b.液体为流动相的色谱称液相色谱（LC）同理液相色谱亦可分为液固色谱（LSC）和液液色谱（LLC）。
c.超临界流体为流动相的色谱为超临界流体色谱（SFC）。
随着色谱工作的发展，通过化学反应将固定液键合到载体表面，这种化学键合固定相的色谱又称化学键合相色谱（CBPC）。
（2）按分离机理分类
a.利用组分在吸附剂（固定相）上的吸附能力强弱不同而得以分离的方法，称为吸附色谱法。
b.利用组分在固定液（固定相）中溶解度不同而达到分离的方法称为分配色谱法。
c.利用组分在离子交换剂（固定相）上的亲和力大小不同而达到分离的方法，称为离子交换色谱法。
d.利用大小不同的分子在多孔固定相中的选择渗透而达到分离的方法，称为凝胶色谱法或尺寸排阻色谱法。
e.利用不同组分与固定相（固定化分子）的高专属性亲和力进行分离的技术称为亲和色谱法，常用于蛋白质的分离。
（3）按固定相的外型分类
a.固定相装于柱内的色谱法，称为柱色谱。
b.固定相呈平板状的色谱，称为平板色谱，它又可分为薄层色谱和纸色谱。
（4）按照展开程序分类
按照展开程序的不同，可将色谱法分为洗脱法、顶替法、和迎头法。
2.5.2色谱的定性分析
色谱定性分析就是要确定各色谱峰所代表的化合物。由于各种物质在一定的色谱条件下均有确定的保留值，因此保留值可作为一种定性指标。目前各种色谱定性方法都是基于保留值的。
但是不同物质在同一色谱条件下，可能具有相似或相同的保留值，即保留值并非专属的。因此仅根据保留值对一个完全未知的样品定性是困难的。如果在了解样品的来源、性质、分析目的的基础上，对样品组成作初步的判断，再结合下列的方法则可确定色谱峰所代表的化合物。
其方法有：利用纯物质对照定性、相对保留值法、加入已知物增加峰高法、保留指数定性法。
2.5.3色谱的定量分析
定量分析的任务是求出混合样品中各组分的百分含量。色谱定量的依据是，当操作条件一致时，被测组分的质量（或浓度）与检测器给出的响应信号成正比。即：mi = fi · Ai
式中mi为被测组分i的质量； Ai为被测组分i的峰面积； fi为被测组分i的校正因子。
可见，进行色谱定量分析时需要：准确测量检测器的响应信号— 峰面积或峰高；准确求得比例常数 — 校正因子；正确选择合适的定量计算方法，将测得的峰面积或峰高换算为组分的百分含量。
其方法有：峰面积测量方法、定量校正因子、定量计算方法。

2.6气相色谱法
2.6.1气相色谱法概述
气相色谱法（GC）是英国生物化学家 Martin A T P等人在研究液液分配色谱的基础上，于1952年创立的一种极有效的分离方法，它可分析和分离复杂的多组分混合物。目前由于使用了高效能的色谱柱，高灵敏度的检测器及微处理机，使得气相色谱法成为一种分析速度快、灵敏度高、应用范围广的分析方法。
气相色谱法又可分为气固色谱（GSC）和气液色谱（GLC）：前者是用多孔性固体为固定相，分离的对象主要是一些永久性的气体和低沸点的化合物；而后者的固定相是用高沸点的有机物涂渍在惰性载体上。由于可供选择的固定液种类多，故选择性较好，应用亦广泛。
2.6.2气象色谱仪
（1）载气系统
载气由压缩气体钢瓶供给，经减压阀、稳压阀控制压强和流速，由压强计指示气体压强，然后进入检测器热导池的参考臂，继而进入色谱柱。最后通过热导池、流量计而放入大气。
常用载气包括：氮气、氢气、氦气、氩气。
（2）进样系统
包括进样装置和汽化室。进样通常用微量注射器和进样阀将样品引入。液体样品引入后需要瞬间汽化。汽化在汽化室进行。对汽化室的要求则是体积小、热容量大、对样品无催化作用。
（3）分离系统
分离系统由色谱柱组成，它是色谱仪的核心部件，其作用是分离样品。色谱柱主要有两类：填充柱和毛细管柱。
（4）控温系统
在气相色谱测定中，温度是重要的指标，它直接影响色谱柱的选择分离、检测器的灵敏度和稳定性。控制温度主要指对色谱柱炉，气化室，检测器三处的温度控制。色谱柱的温度控制方式有恒温和程序升温二种。
（5）检测和数据处理系统
这个系统是指样品经色谱柱分离后，各成分按保留时间不同，顺序地随载气进人检测器检测器把进入的组分按时间及其浓度或质量的变化，转化成易于测量的电信号，经过必要的放大传递给记录仪或计算机，最后得到该混合样品的色谱流出曲线及定性和定量信息。
2.6.3气象色谱检测器
气相色谱检测器是把载气里被分离的各组分的浓度或质量转换成电信号的装置。目前检测器的种类多达数十种。根据检测原理的不同，可将其分为浓度型检测器和质量型检测器两种。检测器分为热导检测器、氢火焰离子化检测器、电子捕获检测器、火焰光度检测器、原子发射检测器。检测器需要灵敏度高、检出限低、死体积小、响应迅速、线性范围宽、稳定性好。

2.7高效液相色谱法
2.7.1概述
高效液相色谱法（HPLC）是20世纪60年代末70年代初发展起来的一种新型分离分析技术，随着不断改进与发展，目前已成为应用极为广泛的化学分离分析的重要手段。
和气相色谱一样，液相色谱分离系统也由两相——固定相和流动相组成。液相色谱的固定相可以是吸附剂、化学键合固定相（或在惰性载体表面涂上一层液膜）、离子交换树脂或多孔性凝胶；流动相是各种溶剂。被分离混合物由流动相液体推动进入色谱柱。根据各组分在固定相及流动相中的吸附能力、分配系数、离子交换作用或分子尺寸大小的差异进行分离。
色谱分离的实质是样品分子（以下称溶质）与溶剂（即流动相或洗脱液）以及固定相分子间的作用，作用力的大小，决定色谱过程的保留行为。根据分离机制不同，液相色谱可分为：液固吸附色谱、液液分配色谱、化合键合色谱、离子交换色谱以及分子排阻色谱等类型。它是在经典液相色谱基础上，引入了气相色谱的理论，在技术上采用了高压泵、高效固定相和高灵敏度检测器，因而具备速度快、效率高、灵敏度高、操作自动化的特点。
2.7.2高效液相色谱仪
一般可分为4个主要部分：高压输液系统，进样系统，分离系统和检测系统。此外还配有辅助装置：如梯度淋洗，自动进样及数据处理等。其工作过程如下：首先高压泵将贮液器中流动相溶剂经过进样器送入色谱柱，然后从控制器的出口流出。当注入欲分离的样品时，流经进样器贮液器的流动相将样品同时带入色谱柱进行分离，然后依先后顺序进入检测器，记录仪将检测器送出的信号记录下来，由此得到液相色谱图。
2.7.3高效液相色谱仪装置
（1）高压输液泵
由于高效液相色谱所用固定相颗粒极细，因此对流动相阻力很大，为使流动相较快流动，必须配备有高压输液系统。它是高效液相色谱仪最重要的部件，一般由储液罐、高压输液泵、过滤器、压力脉动阻力器等组成，其中高压输液泵是核心部件。
（2）进样系统
高效液相色谱柱比气相色谱柱短得多（约5～30cm），所以柱外展宽（又称柱外效应）较突出。柱外展宽是指色谱柱外的因素所引起的峰展宽，主要包括进样系统、连接管道及检测器中存在死体积。柱外展宽可分柱前和柱后展宽。进样系统是引起柱前展宽的主要因素，因此高效液相色谱法中对进样技术要求较严。
（3）分离系统
色谱柱是液相色谱的心脏部件，它包括柱管与固定相两部分。柱管材料有玻璃、不锈钢、铝、铜及内衬光滑聚合材料的其他金属。玻璃管耐压有限，故金属管用得较多。一般色谱柱长5～30cm，内径为4～5mm，凝胶色谱柱内径3～12mm，制备柱内径较大，可达25mm 以上。
（4）检测系统
作用—— 用来连续监测经色谱柱分离后的流出物的组成和含量变化的装置。在液相色谱中，有两种基本类型的检测器。一类是溶质性检测器，它仅对被分离组分的物理或化学特性有响应，属于这类检测器的有紫外、荧光、电化学检测器等。
（5）附属系统
它包括脱气、梯度淋洗、恒温、自动进样、馏分收集以及数据处理等装置。其中梯度淋洗装置是高压液相色谱仪中尤为重要的附属装置。