仪器分析讲义.docx
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仪器分析讲义
第一章 引言
内容提要：
仪器分析与化学分析的区别与联系、仪器分析方法的分类及发展趋势。
重点难点：
仪器分析方法的分类
一、仪器分析和化学分析
分析化学是研究物质的组成、状态和结构的科学，它包括化学分析和仪器分析两大部分。
化学分析是指利用化学反应和它的计量关系来确定被测物质的组成和含量的一类分析方法。
测定时需使用化学试剂、天平和一些玻璃器皿。
仪器分析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，测定时，常常需要使用比较复杂的仪器。
仪器分析的产生为分析化学带来革命性的变化，仪器分析是分析化学的发展方向。
仪器分析的特点（与化学分析比较）
L级，甚至更低。
适合于微量、痕量和超痕量成分的测定。
g、灵敏度高，检出限量可降低：
如样品用量由化学分析的mL、mg级降低到仪器分析的
选择性好：
很多的仪器分析方法可以通过选择或调整测定的条件，使共存的组分测定时，相互间不产生干扰。
操作简便，分析速度快，容易实现自动化。
仪器分析的特点（与化学分析比较）
相对误差较大。
化学分析一般可用于常量和高含量成分分析，准确度较高，误差小于千分之几。
多数仪器分析相对误差较大，一般为5%，不适用于常量和高含量成分分析。
需要价格比较昂贵的专用仪器。
仪器分析与化学分析关系
仪器分析与化学分析的区别不是绝对的，仪器分析是在化学分析基础上的发展。
不少仪器分析方法的原理，涉及到有关化学分析的基本理论；
不少仪器分析方法，还必须与试样处理、分离及掩蔽等化学分析手段相结合，才能完成分析的全过程。
仪器分析有时还需要采用化学富集的方法提高灵敏度；
有些仪器分析方法，如分光光度分析法，由于涉及大量的有机试剂和配合物化学等理论，所以在不少书籍中，把它列入化学分析。
应该指出，仪器分析本身不是一门独立的学科，而是多种仪器方法的组合。
可是这些仪器方法在化学学科中极其重要。
它们已不单纯地应用于分析的目的，而是广泛地应用于研究和解决各种化学理论和实际问题。
因此，将它们称为“化学分析中的仪器方法”更为确切。
发展中的仪器分析
20世纪40~50年代兴起的材料科学，60~70年代发展起来的环境科学都促进了分析化学学科的发展。
80年代以来，生命科学的发展也促进分析化学一次巨大的发展。
仪器分析是分析化学的重要组成部分，也随之不断发展，不断地更新自己，为科学技术提供更准确、更灵敏、专一、快速、简便的分析方法。
如生命科学研究的进展，需要对多肽、蛋白质、核酸等生物大分子进行分析，对生物药物分析，对超微量生物活性物质，如单个细胞内神经传递物质的分析以及对生物活体进行分析。
信息时代的到来，给仪器分析带来了新的发展。
信息科学主要是信息的采集和处理。
计算机与分析仪器的结合，出现了分析仪器的智能化，加快了数据处理的速度。
它使许多以往难以完成的任务，如实验室的自动化，图谱的快速检索，复杂的数学统计可轻而易举得于完成。
信息的采集和变换主要依赖于各类的传感器。
这又带动仪器分析中传感器的发展，出现了光导纤维的化学传感器和各种生物传感器。
联用分析技术已成为当前仪器分析的重要发展方向。
将几种方法结合起来，特别是分离方法（如色谱法）和检测方法（红外光谱法、质谱法、核磁共振波谱法、原子吸收光谱法等）的结合，汇集了各自的优点，弥补了各自的不足，可以更好地完成试样的分析任务。
发展中的仪器分析
联用分析技术：
1.气相色谱—质谱法（GC—MS）
2.气相色谱—质谱法—质谱法（GC—MS—MS）
3.气相色谱—原子发射光谱法（GC—AED）
4.液相色谱—质谱法（HPLC—MS）
二、仪器分析方法的分类
根据测量原理和信号特点，仪器分析方法大致分为四大类
⒈光学分析法
以电磁辐射为测量信号的分析方法，包括光谱法和非光谱法
⒉电化学分析法
依据物质在溶液中的电化学性质而建立的分析方法
⒊色谱法
以物质在两相间（流动相和固定相）中分配比的差异而进行分离和分析。
⒋其它仪器分析方法
包括质谱法、热分析法、放射分析等。
第二章色谱分析法
本章是仪器分析传统分类中的色谱分析部分，主要分析对象是有机化合物，该方法的使用范围广，实用价值强。
内容包括气相色谱和液相色谱，不仅介绍色谱分析方法的理论知识，还强调它的实际应用。
§2.1气相色谱法概述
内容提要：
色谱介绍、气相色谱介绍与色谱基本术语
重点难点：
色谱基本术语
一、概述
1.定义3/：
色谱法是一种分离技术，该分离技术应用于分析化学中，就是色谱分析.它分离原理是，使混合物中各组分在两相间分配，其中一相不动，称为固定相，另一相携带混合物流过固定相的流体，称为流动相.这种借两相间分配原理使混合物各组分分离的技术叫色谱法.
各组分被分离后，可进一步进行定性和定量分析：
经典：
分离过程和其含量测定过程是离线的，即不能连续进行
现代：
分离过程和其含量测定过程是在线的，即能连续进行
经典色谱法：
将潮湿的碳酸钙挤出玻璃管，用刀将各色带切下，用适宜的方法进行分析；
现代色谱法：
当一个两组分（A和B）的混合物样品在时间t1从柱头加入，随着流动相不断加入，洗脱作用连续进行，直至A和B组分先后流出柱子而进入检测器，从而使各组分浓度转变成电信号后在荧光屏上显示出来。
根据峰的位置（出峰时间t）——定性
根据峰的面积A（或峰高h）——定量
2、色谱法分类
（一）按两相物理状态分
1.气相色谱法（gaschromatography简称GC）用气体作流动相的色谱法。
气-固色谱法GSC（固定相为固体吸附剂）
气相色谱法
气-液色谱法GLC（固定相为涂在固体或毛细管壁上的液体）
2.液相色谱法（liquidchromatography简称LC）用液体作流动相的色谱法。
液-固色谱法LSC（固定相为固体吸附剂）
液相色谱法
液-液色谱法LLC（固定相为涂在固体载体上的液体）
3.超临界流体色谱法（SFC）用超临界状态的流体作流动相的色谱法。
超临界状态的流体不是一般的气体或流体,而是临界压力和临界温度以上高度压缩的气体,其密度比一般气体大得多而与液体相似,故又称为“高密度气相色谱法”
（二）按固定相的形式
1.柱色谱法（columnchromatography）：
固定相装在柱中,试样沿着一个方向移动而进行分离。
包括填充柱色谱法：
固定相填充满玻璃管和金属管中
开管柱色谱法：
固定相固定在细管内壁（毛细管柱色谱法）
2.平板色谱法（planerchromatography）：
固定相呈平面状的色谱法。
包括纸色谱法：
以吸附水分的滤纸作固定相；
薄层色谱法：
以涂敷在玻璃板上的吸附剂作固定相。
（三）按分离原理分
1.吸附色谱法（adsorptionchromatography）：
根据吸附剂表面对不同组分物理吸附能力的强弱差异进行分离的方法。
如：
气一固色谱法、液-固色谱法——吸附色谱
2.分配色谱法（partitionchromatography）：
根据不同组分在固定相中的溶解能力和在两相间分配系数的差异进行分离的方法。
如：
气-液色谱法、液-液色谱法——分配色谱
3.离子交换色谱法（ionexchangechromatography）
根据不同组分离子对固定相亲和力的差异进行分离的方法。
4.排阻色谱法（sizeexclusionchromatography）：
又称凝胶色谱法（gelchromatography）,
根据不同组分的分子体积大小的差异进行分离的方法。
其中：
以水溶液作流动相的称为凝胶过滤色谱法；以有机溶剂作流动相的称为凝胶渗透色谱法。
5.亲合色谱法（affinitychromatography）
利用不同组分与固定相共价键合的高专属反应进行分离的方法。
3、气相色谱介绍
主要包括五大系统
⒈载气系统：
它是载气连续运行的密闭管路系统，要求是密封性好流速稳定，使用的载气纯净。
一般用皂膜流量计测得柱后载气流量F。
⒉进样系统:
包括进样器和气化室。
进样器是将试样快速而定量的加到色谱柱头上。
液体：
0.5、1、5、10、25、50mL（一般进样0.1~10mL）；气体：
0.25~5mL注射器或六通阀（一般进样0.1~10mL）。
气化室是使样品在汽化室汽化，并很快被带入色谱柱。
⒊分离系统:
色谱柱、柱箱和控温装置。
主要是在色谱柱内完成试样的分离，有填充柱和毛细管柱两种。
填充柱填充柱由不锈钢,玻璃或聚四氟乙烯等材料制成，内装固定相，一般内径为2～6mm，长1～5m。
填充柱的形状有U型和螺旋型二种。
柱内填充固定相，制作简单，柱容量大，操作方便，分离效果足够高，n在102~103之间，应用普遍。
毛细管柱又叫空心柱，分为涂壁，多孔层和涂载体空心柱。
涂壁空心柱是将固定液均匀地涂在内径0.l～0.5mm的毛细管内壁而成，毛细管材料可以是不锈钢或石英。
毛细管色谱柱渗透性好，传质阻力小，而柱子可以做到长几十米。
与填充柱相比，其分离效率高（理论塔板数可达106）、分析速度快、样品用量小，但柱容量低、要求检测器的灵敏度高，并且制备较难。
⒋检测系统：
检测器
5记录系统：
记录仪或数据处理装置。
（四）基本术语
1.基线：
操作条件稳定后，没有试样通过时检测器所反映的信号-时间曲线称为基线（O-O’）
（它反映检测系统噪声随时间变化的情况，稳定的基线应是一条水平直线）
2.死时间t0（deadtime）：
指不被固定相吸附或溶解的组分（如空气、甲烷等）从进样开始到色谱峰顶所对应的时间，如图t0所示。
3.死体积V0（deadvolume）：
由进样器至检测器的流路中，未被固定相占有的空隙体积称为死体积
（导管空间、色谱柱中固定相间隙、检测器内腔空间总和）
当色谱柱载气流速为F0（ml／min）时，它与死时间的关系为：
V0=t0•F0
（1）
4.保留值：
定性参数，是在色谱分离过程中，试样中各组分在色谱柱内滞留行为的一个指标。
（1）保留时间tR（retentiontime）：
从进样到柱后出现待测组分浓度最大值时（色谱峰顶点）所需要的时间，称为该组分的保留时间。
如图中tR
（1）、tR
（2）所示，（是待测组分流经色谱柱时，在两相中滞留的时间和）
保留时间与固定相和流动相的性质、固定相的量、柱温、流速和柱体积有关，可用时间单位（min）表示。
（2）调整保留时间tR’（adjustedretentiontime）：
扣除死时间后的组分保留时间，如图中的tR
（1）’、tR
（2）’所示。
tR’表示某组分因溶解或吸附于固定相后，比非滞留组分在柱中多停留的时间：
tR’=tR–t0
（2）
（3）保留体积VR（retentionvolume）：
从进样到柱后出现待测组分浓度最大值时所通过的载气体积。
当色谱柱载气流速为F0（ml/min）时，它与保留时间的关系为：
VR=tRF0（3）
（4）调整保留体积VR’（adjustedretentionvolume）：
是指扣除死体积后的保留体积，即：
VR’=VR–V0=tR’•F0（4）
在一定的实验条件下VR、VR’与载气流速无关（tR•F0及tR’•F0为一常数）
（5）相对保留值r21（relativeretentionvalue）：
指组分2和组分1的调整保留值之比。
（5）
相对保留值的特点是只与温度和固定相的性质有关，与色谱柱及其它色谱操作条件无关。
反映了色谱柱对待测两组分1和2的选择性，是气相色谱法中最常使用的定性参数。
3．峰高（h）：
色谱峰顶与基线之间的垂直距离
4.色谱的区域宽度（peakwidth）通常用三种方法来表示：
（standardeviation）：
（1）标准偏差
为0.607倍峰高处色谱峰宽度的一半。
为正态分布曲线上拐点间距离之半。
对于正常峰，
的大小表示组分被带出色谱柱的分散程度，（小，柱效高）的大小与柱效有关，越大，组分流出越分散；反之亦反。
（2）半（高）峰宽Wh/2（peakwidthathalf-height）：
峰高一半处的色谱峰宽度。
半峰宽与标准偏差的关系为：
（3）峰宽或称Wb：
通过色谱峰两侧的拐点作切线，切线与基线交点间的距离为峰宽，即图中GH。
峰宽与标准偏差的关系为：
=1.699Wb=4Wh/2
5.流出曲线图的作用：
a.根据色谱峰的位置（保留值）可以进行定性；
b.根据色谱峰的面积或峰高可以进行定量测定；
c.根据色谱峰的位置及其宽度，可以对色谱柱分离情况进行评价.
§2-2气相色谱分析理论基础
内容提要：
GC基本原理、塔板理论与速率理论
重点难点：
GC基本原理中分配系数等概念
色谱分离是色谱体系热力学过程和动力学过程的综合表现。
热力学过程是指：
与组分在体系中分配系数相关的过程；
动力学过程是指：
组分在该体系两相间扩散和传质的过程。
组分、流动相和固定相三者的热力学性质使不同组分在流动相和固定中具有不同的分配系数，分配系数的大小反映了组分在固定相上的溶解-挥发或吸附-解吸的能力。
分配系数大的组分在固定相上溶解或吸附能力强，因此在柱内的移动速度慢；分配系数小的组分在固定相上溶解或吸附能力弱，因此在柱内的移动速度快。
经过一定时间后，由于分配系数的差别，使各组分在柱内形成差速移行，达到分离的目的。
一.分配过程
在色谱分配过程中，假设考虑柱内极小一段的情况：
图2色谱主柱内的分配平衡
在一定温度、压力下，组分在该一小段柱内发生的溶解-挥发或吸附-解吸的过程称为分配过程。
1.分配系数K（distributioncoefficient）：
分配系数也称为平衡常数。
是指在一定的温度和压力下，在两相之间达到平衡时，组分溶解在固定相中的平均浓度与其在流动相中的平均浓度之比。
（7）
式中：
cL—为组分在固定相中的平均浓度；
cG—为组分在流动相中的平均浓度，
K—是一个无因次量，它是由组分及固定液的热力学性质决定的，只随柱温和柱压而变化，与色谱柱中气相和液相的体积无关。
分配系数K是气一液分配色谱中的重要参数。
如果两个组分的分配系数相同，则它们的色谱峰完全重合；反之，分配系数相差越大，相应的色谱峰相距越远，分离越好。
2.分配比k（partitionration）：
又称“容量因子”。
即在一定的温度和压力下，组分在两相间达到分配平衡时，组分在固定相和流动相中的质量比：
（8）
式中：
mS—组分在固定相中的质量，mM—组分在流动相中的质量。
3.分配系数（K）和分配比k的关系：
设Vs为固定相的体积，Vm为流动相的体积，则上式可写成：
或（9）
Vm——为柱内流动相的体积，也称为柱的死体积：
包括固定相颗粒之间和颗粒内部空隙中的流动相体积；
Vs——为固定相的体积，它指真正参与分配的那部分体积：
若固定相是吸附剂、固定液、离子交换剂或凝胶，则分别指吸附表面积、固定液体积、离子交换剂交换容量或凝胶孔容。
——为色谱柱的相比
4.分配系数K和分配比k与保留值tR的关系：
分配平衡是在色谱柱中固定相和流动相之间进行的，因此分配比也可以用组分在固定相和流动相中的停留时间之比来表示，则分配比可写成：
（10）
任一组分的k值可由实验测得，即为调整保留时间tR’与不被固定相吸附或溶解的组分的保留时间t0的比值。
可将k看作色谱柱对组分保留能力的参数，k值越大，保留时间越长。
分配系数K与保留时间的关系为：
tR’=k•t0=K•t0•Vs/Vm（11）
由此式可见，在一定的实验条件下，组分的调整保留时间正比于分配系数K（或分配比k），K（或k）越大，组分在色谱柱内的保留时间越长。
由于分配系数（或分配比）是由组分的性质决定的，因此保留值可用于定性。
在填充色谱柱中，选择不同的固定液及其用量，可以控制组分在色谱柱上的保留值。
综上所述，在色谱分析中要使两组分分离，它们的保留时间t必须不同，而t是由两组分的K或k决定，所以待分离组分K或k不同是色谱分离的先决条件。
分配比意义；分配比是衡量色谱柱对组分保留能力的重要参数，k值越大，保留时间越长，k值为零的组分，其保留时间即为死时间。
K值可以通过：
1）滞留因子，RS=uS/u
RS=w=mM/（mS＋mM）=1/（1＋k）
tM=L/u
tR=L/uS=tM•u/uS=tM•1/RS
tR=tM（1＋k）=tM＋tMk
k=（tR－tM）/tM=tR’/tM2-16
k值可根据2-16式由实验测得。
二、色谱分离基本理论
色谱理论可分为热力学及动力学理论两方面：
热力学理论是由相平衡观点来研究分离过程——塔板理论；研究试样中各组分在两相间的分配情况；
动力学理论是以动力学观点—速度来研究各种动力学因素对柱效的影响——速率理论。
研究各组分在色谱柱中的运动情况。
塔板理论把色谱柱比作一个分馏塔，塔板的概念是从分馏中借用来的，实际上色谱柱中并无塔板，只是引用了处理分馏过程的概念和理论来解释色谱的分离过程。
塔板理论把色谱柱想象成由许多塔板组成，在每一个塔板内，一部分空间为涂在担体上的液相占据，另一部分空间充满载气，载气所占据的空间体积称为板体积。
组分随载气进入色谱柱后，在两相间进行分配。
塔板理论假设：
（1）在色谱柱中的每一个小段长度H内，组分可以迅速在气液两相间达到分配平衡，这一小段称为理论塔板（实际在柱内不存在）,其长度称为理论塔板高度，简称板高，以H表示。
（2）载气不是连续流过色谱柱，而是脉冲式（间歇式），每次通过一个塔板体积。
（3）样品都加到第1块塔板上，且组分沿色谱柱（纵）向扩散可以忽略不计。
（4）某一组分的分配系数在所有塔板上是常数。
根据上述假设，试样由载气带进色谱柱，与固定液接触而被溶解，在每个塔板高度内被分离的组分在气相和液相之间达成一次分配平衡，随着载气的不断进入，被溶解的组分又从固定液中挥发出来，挥发出来的组分随载气向前移动又再次被固定液溶解。
经过若干个塔板即经过溶解一挥发的多次反复分配（103～106次），待分离组分由于分配系数不同而彼此分离，分配系数小（挥发性大）的组分首先由色谱柱中流出，显然，当塔板数足够多时，即使分配系数差异微小的组分也能得到良好的分离效果。
2.柱效能指标（n、H）——可以由塔板理论导出
（1）理论塔板数（n）：
柱长（L）一定时，n越大，柱效就越高：
经验公式：
（12）
式中：
tR、Y1/2、Y应该采用同一单位（时间或长度）
（2）理论塔板高度（H）：
设色谱柱长为L，则理论塔板高度
由此可见：
色谱峰越窄即Y1/2或Y越小，理论数塔板n越大，对给定长度的色谱柱而言，塔板高度H越小，组分在柱内被分配的次数愈多，则柱效越高。
因此n和H可作为描述柱效能的指标。
（3）有效（理论）塔板数（neft）
在实际应用中，常常出现计算出的n虽然很大，但色谱柱的效却不高，这是由于保留时间tR中包含了死时间t0，而t0并不参加柱内的分配过程，因此理论塔板数和理论塔板高度并不能真实地反映色谱柱分离效能的好坏。
为此，提出
用有效塔板数neft和有效高度Heft评价柱效能的指标，即：
（4）有效塔板高度Heft
（15）
物质在给定色谱柱上的neft越大，说明该物质在柱中进行分配平衡的次数越多，对分离有利，但不能表示该物质的实际分离效果。
是否能在色谱柱上分离，主要取决于各组分在两相间分配系数K的差异。
如果两组分在同一色谱柱上的分配系数相同，无论neft有多大，这两种组分也无法被分离开.
塔板理论在解释色谱图的形状，计算n和H方面是成功的。
但其某些基本假设不完全符合色谱的实际情况（如K和组分的量无关、组分在两项中分配能迅速达到平衡、纵向扩散可以忽略等）。
塔板理论只能定性地给出塔板高度的概念，而未能找出影响板高H的因素，也就更无法提出降低板高的途径；这主要是由于塔板理论没有考虑到动力学因素对色谱分离过程的影响。
注意：
同一色谱柱对不同物质的柱效能是不一样的，当用这些指标表示柱效能时，必须说说明是对什么物质而言的。
三．速率理论
1956年VanDeemter等人在塔板理论的基础上，提出了关于色谱过程的动力学理论——速率理论。
该理论仍然采用塔板高度的概念，但同时考虑到H还取决于同一组分的不同分子在柱中差速迁移过程中所引起的色谱蜂扩展程度，将色谱过程与组分在两相间的扩散和传质过程等动力学因素联系起来，从理论上总结出影响塔板高度的各种因素，
导出H与其影响因素之间的关系式：
式中：
A、B、C在一定实验条件下为常数；u为载气的线速度（cm／s）
速率理论综合考虑了柱内影响板高的三种动力学控制过程（使谱带扩展的因素归纳成三项）——涡流扩散项A、纵向分子扩散项B／u和传质阻力项Cu；欲降低H，提高柱效，需降低这三个塔板分量，各项的物理意义如下：
1．涡流扩散项A（eddydiffusion）
当色谱柱内同时起步的组分①、②、③随流动相进入色谱柱朝柱口方向移动时，如果固定相颗粒大小及填充不均匀，组分分子穿过这些空隙时碰到大小不一的颗粒而必须不断改变流动方向，使组分分子在柱内形成了紊乱的“涡流”，不同的组分
分子所经过的路径长短不一，组分分子或前或后流出色谱柱，造成色谱峰的峰形扩张。
Adp=2
—填充不规则因子；dp—固定相颗粒平均直径；
图3涡流扩散使峰展宽
涡流扩散项A与填充物的平均直径dp又有关。
采用粒度较细，颗粒均匀的担体，尽量填充均匀可以降低涡流扩散项，降低板高H，提高桂效。
但在气相色谱中，粒度很小时，柱阻大，且不易填匀因此一般采用粒度为和固定相填充不均匀因子
60-80目或80-100目的填充物较好。
（空心毛细管柱的A项为零）
2．纵向分子扩散项（moleculardiffusion）B／u
当试样分子以“塞子”的形式进入色谱柱后，随流动相在柱中前进时，由于存在浓度梯度，组分分子自发地向前和向后扩散即沿着色谱柱轴向扩散，这种扩散称为“纵向分子扩散”，结果使色谱峰扩张，板高H增大。
BDg=2
Dg—组分在流动相中的扩散系数（cm2/s），与流动相的相对分子量平方根成反比（Dg∝1/M1/2）；与柱温成正比，与柱压成反比。
在液相色谱中，由于组分在液体中的扩散系数很小（气体中的1/105）此项可忽略不计。
—弯曲因子，亦称阻碍因子，由于固定相颗粒的存在使扩散受阻，填充柱<1，硅藻土单体为0.5～0.7，毛细管柱=1；
措施：
选择分子量较大的载气（如N2）、较低的柱温、较高的u以减小B／u。
图4纵向分子扩散使峰展宽
（a）柱内谱带浓度分布构型；（b）相应的相应信号
3．传质阻力项（resistancetomasstransfer）Cu
试样组分的分子在两相中进行溶解、扩散、分配时的质量交换过程，称为传质过程；在传质过程中所受到的阻力叫传质阻力。
它包括气相传质阻力和液相传质阻力，即：
Cu=（Cm+Cs）u
式中Cm—流动相传质阻力，指试样组分从流动相扩散到流动相与固定相界面进行质量交换过程中所受到的阻力；
Cs—固定相传质阻力，为组分从两相界面扩散到固定相内部达到分配平衡后又返回到两项界面时受到的阻力。
Cmu：
组分分子进入色谱柱后，从流动相扩
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