1、,仪器分析实验,环境科学实验教学示范中心,实验1 归一化法测定混合芳烃中各组分的百分含量气相色谱法,实验目的,了解气相色谱的结构，掌握基本使用方法 掌握归一化法的原理以及定量分析方法 掌握外标法和外标工作曲线法在气相色谱定量分 析中的应用。,色谱起源,加入石油醚分层,胡萝卜素 叶黄素 叶绿素A、B,Chromatography,原理: 基于物质在不同相之间具有不同的分配系数引起的分离,色谱种类,气相色谱 液相色谱 超临界流体色谱 薄层色谱,仪器装置,进样口,色谱柱,毛细管柱,填充柱,检测器,数据采集及处理系统,温控系统,进样系统柱箱检测器辅助部分,控温,实验内容,归一化法测定混合芳烃中各组分的
2、百分含量。面积外标法定量测定气体中甲苯含量,归一化法,气相色谱中，把所有出峰组分含量之和以百分之百计算的定量分析方法称为归一化法 样品中所有组分都能从色谱柱流出来并被检测到 各个组分的含量不能相差太大,在FID上，各种烃类的相对质量校正因子都很相近，混合芳烃中各组分的百分含量近似等同于面积的百分含量,归一化法所得色谱图,顶空进样：只抽取平衡蒸汽顶空进样基体干扰少，可应用于新房子中甲醛含量的检测等。,采用面积归一化法测定组分含量时，抽取气体体积不一样时，那么的测定的结果是否一样？,?,归一化法定量特点：简单、方便，其结果与进样量无关，仪器条件稍有变化对结果影响不大,外标法,配制一系列不同浓度的样
3、品进行色谱分析，做出峰面积对浓度的工作曲线 浓度为100，500，1000 ppm，直接进样1 L,归一化法所得色谱图,工作曲线,外标法测定样品时对体积要求如何？是否像归一化法一样，进样体积不一定要非常准确？,?,外标法不同于归一化法，它对进样体积的要求非常严格，一定要很准确，这样才能得到较好的定量依据。 归一化法测得的是百分含量 不同仪器得到的工作曲线是不一样的，在做实验的时候，要使结果准确，还要对工作曲线进行及时的校正,*,实验2高效液相色谱法 High Performance Liquid Chromatography For Short：HPLC,实验目的,了解HPLC仪器基本结构,掌
4、握实验仪器的一般使用方法；加深对色谱分离原理的理解，掌握主要实验条件的选择；掌握液相色谱定性定量分析技术。,实验内容反相高效液相色谱法分离测定烷基苯系物,实验讲解要点,一、色谱分离原理二、色谱分析技术三、 HPLC仪器和使用方法四、 HPLC和GC的比较五、 RP-HPLC测定烷基苯化合物原理,建议在实验过程中，对比前面的气相色谱实验技术，进一步巩固和提高所学知识和实验技能。,一、色谱分离原理,色谱法是一类高效分离方法。色谱分离原理是什么？HPLC和GC仪器的分离部件是什么？它们有什么不同？HPLC和GC的主要差别？,二、色谱分析技术,色谱分析是一类重要的仪器分析方法，其特点是分离能力强、定量
5、准确，适合于复杂样品或多组分样品分析。常见的色谱定性方法？色谱定量分析的依据？气相色谱实验采用那种定量分析方法？有何特点？HPLC和GC的应用特点,三、 HPLC仪器和实验技术,HPLC仪器的基本组分？主要部件的工作原理？HPLC和GC仪器的比较HPLC和GC实验技术的比较有人认为色谱分析实验很简单，就是打一针样品而已，你是怎么认为的？你是否给病人打过针？为什么没有？,四、高效液相色谱仪的基本组成,分几个系统？ 和GC有何不同？高压泵工作原理？ GC是如何进样的？ 记录系统和GC一样吗？,高压泵工作原理（单向阀）,高压液体有危险吗？高压泵如何改变流速？,高压泵工作原理（单向阀）,HPLC进样针
6、与GC有何不同？为什么HPLC与GC进样要求不同？,六通阀工作原理（流路切换）,五、 RP-HPLC测定烷基苯化合物原理,什么是正相色谱？什么是反相色谱？什么是键合固定相？预测一下苯和甲苯在C18反相柱上的保留顺序？什么是反相色谱疏水机理？ 本实验的主要色谱分析条件有那些？流动相组成对保留时间有何影响？举例说明？改变检测波长对色谱图有何影响？,HPLC的溶剂选择,本实验采用什么流动相？什么是HPLC级甲醇、乙腈溶剂？如何获得超纯水？ 本实验所用的流动相如何配制？流动相为什么要除气？如何除气？,六、实验部分,一、溶液配制 1 配制标准系列溶液三组分混标液：每mL溶液分别含1.00mg苯、甲苯和乙
7、苯。分别准确移取0.40、0.80、1.20、1.60和2.00mL三组分混标液于10mL容量瓶中，用流动相溶剂定容。 2 流动相的配制、过滤和除气。五组分混标液：含适量苯、甲苯、乙苯、丙苯和丁苯。标准苯测试液。未知样品1号、2号和3号。,二、色谱实验条件,A组：Waters HPLC仪 色谱柱：Nova Pak C18 (3.9150mm, 4m) 流动相：CH3OH-H2O (70/30, v/v) 流速：0.8 mL/min 检测波长：254nm 进样体积：20L B组：TSP HPLC仪 色谱柱：Hypersil BDS C18 (4.0200mm, 5m) 流动相：CH3OH-H2O
8、 (80/20, v/v) 流速：0.8 mL/min 检测波长：254nm 进样体积：20L,三、实验内容与主要步骤,1 更换流动相。 2 开动仪器，让色谱柱平衡。 3 设置色谱工作站参数。 4 进样、采集色谱图。 1）五组分混标液 2）标准溶液系列 3）未知样品 5 色谱数据分析，打印色谱图及分析报告。 6 更换甲醇流动相，清洗色谱柱。 7 关闭仪器。,实验46 气相色谱-质谱法 Gas Chromatography Mass Spectrometry For Short：GC-MS,气 相 色 谱 法,液 相 色 谱 法,. . . . . .,超 临 界 流 体 色 谱 法,毛 细 管
9、 电 色 谱 法,适用分离混合低沸点化合物的色谱技术,?,?,?,一、实验原理,GC 分 离 进 样 器,MS检测器,FTIR,NMR,UV,?,?,双重定性： 1、色谱保留值 2、谱图,（一）、气相色谱仪 1、气相色谱分离原理 试样中的各组分在色谱分离柱中的两相（固定相和流动相）间反复进行分配，由于各组分在性质和结构上的差异，使其被固定相保留的时间不同，随着流动相的移动，各组分按一定次序流出色谱柱。2、空心毛细管色谱柱 30m0.25mm0.25m 固定液的选择：“相似相溶”原则,3、载气 流动相：高纯氦气（99.999%) 具有一定柱前压4、进样技术分流不分流,（二）、质谱仪1、工作流程图
10、,真空系统,进样 系统,检测器,数据处理系统,质量 分析器,离子源,2、质谱的工作原理 与气相色谱联用的分子质谱法一般采用高能粒子束（如电子、离子等）使已气化的分子离子化，形成具有特征质量的碎片离子或分子离子，然后在质量分析器中按质荷比（m/z）的大小顺序进行收集和记录得到质谱图，并根据质谱图中峰的位置进行定性和结构分析。,3、Varian Satrun GC/MS 是具有大质谱功能的台式质谱仪 内离子源设计 MS/MS设计,（三）分析物 1、目标待测物,甲拌磷（Phorate） MW:260,二嗪磷（diazinon）MW:304,甲基对硫磷（methyl parathion）MW:263,
11、杀螟硫磷（fenitrothion）MW:277,稻丰散（phenthoate） MW:320,乙硫磷 （ethion） MW:384,毒死蜱（chlorpyrifos） MW:350,有机磷均含有带有氧硫的含磷基团，在用电子轰击(EI)质谱法分析时，此基团的碎片离子具有较强的稳定性。,2、内标物,二、编辑方法控制仪器运行 1、3900型GC条件的设置,2、2000型MS条件的设置,3、8410型自动进样器条件的设置,I :正己烷 II:甲醇,进样方式：（1）单个进样；（2）连续进样；,三、数据处理 1、定性,谱库检索,2、定量 内标工作曲线法 内标法是在试样各含量不同的一系列试样中，分别加入
12、固定量的纯物质，即内标物。当测得分析物和内标物对应的响应后，以分析物与内标物的响应比对分析物与内标物的浓度比作图，可得到一条线性的校正曲线。,Ci/Cs,Ai/As,实验49 核磁共振波谱法,Nuclear MagneticResonance For Short：NMR,核磁共振波谱法,一、NMR三要素 二、NMR的基本信息及NMR谱图解析 三、NMR谱仪结构 四、NMR实验操作步骤,一 NMR的三要素-磁性核、静磁场、射频场,磁性原子核:质子数或中子数为奇数的原子核具有自旋角动量, 当原子核自旋时,相当于核表面的正电荷在运动，运动的电荷即电流会感应产生磁场，因此，每一个自旋的原子核相当于一个
13、磁偶极子,自旋的原子核也称为磁性核。例如1H, 13C, 19F等。,=,一 NMR的三要素-磁性核、静磁场、射频场,静磁场:没有外加静磁场时，原子核的自旋是任意取向的，样品的宏观磁矩为零。当把含磁性核的样品放入静磁场时，对于自旋I1/2的原子核，核自旋有两种取向：一种与外加静磁场平行，原子核的能量降低；另一种与外加静磁场反平行，原子核的能量升高，即原子核产生能级分裂。,一 NMR的三要素-磁性核、静磁场、射频场,射频场: 如果在垂直于外加静磁场的方向加一射频场，当射频场的角频率满足 时，原子核产生共振吸收信号，其中 为Planck常数, 为原子核的旋磁比、 为外加静磁场的强度。,Spin S
14、tate Energy Differences vs. Magnetic Field Strength,0,4.7,9.4, Energy,Magnetic field strength, B0 (Tesla), E 200 MHz for 1H,a spin state, E 400 MHz for 1H,High Field NMR increased sensitivity increased resolution,randomly oriented nuclei (no magnetic field),二 NMR谱的基本信息,化学位移 自旋耦合 谱线积分面积,1 化学位移:Chemic
15、al Shift, Blocal,a bare nucleus (H+) feels the full effect of the external field (B0),electron density partially shields the nucleus from B0 so it “feels” Blocal,electrons generate an induced field (Bi) which opposes B0, Bi,1 化学位移:Chemical Shift,由于原子核外有电子屏蔽，原子核感受到的是所处环境局域场的磁场强度 ，其中 为屏蔽常数，随着原子核所处的化学环
16、境变化而变化.因此，当原子核所处的化学环境不同时，原子核感受到的磁场强度不同，因此共振频率不同，谱峰落在不同的位置上。换言之，原子核的共振频率与原子核所处的化学环境有关，即与屏蔽常数有关。,一些常见基团的1H化学位移值,2 自旋耦合,自旋原子核通过成键电子相互作用，引起谱线裂分。对自旋I1/2的弱耦合体系，满足n1裂分规则，即一个自旋I1/2的原子核，如果与n个自旋I1/2的原子核相互耦合，那么该原子核的谱峰将裂分为n1重峰，各峰的强度比满足二项式展开系数。,ethyl,isopropyl,singlet doublet triplet quartet pentet1:1 1:2:1 1:3:
17、3:1 1:4:6:4:1,常见的耦合裂分模式,ethyl signature: quartet / triplet with integration ratio of 2 / 3,septet / doublet & 1 / 6 ratio,3 积分面积,谱线积分值与共振核的个数成正比，这是NMR谱可以定量分析分子中共振核的个数的依据。如图五Ethyl formate 的1HNMR谱中，CH3、CH2、CH的积分面积分别为3、2、1，分别对应于共振核个数3、2、1。,三 NMR谱仪结构图,400 MHz NMR Spectrometer,400 MHz Avance System,计算机,电
18、子控制柜,超导体,400 MHz Superconducting Magnet, magnetic field strength 9.4 Tesla (94,000 gauss)400 MHz is the frequency used for proton detection in this field,NMR sample tube and holder descend into center of magnet,Keep metal (ferromagnetic) objects, pacemakers, andcredit cards several feet away!,NMR Sa
19、mple Position (prior to release into probe),Liquid Helium -269C (4.2 K),Liquid Nitrogen -196C (77.4 K),NMR sample positioned at top of probe,Superconducting magnets require continuous cooling.,探头,超导磁体横切面图,超导磁体剖面图,四 1 NMR实验安全,机械表,磁卡,含铁的工具,装有心脏起博器和人工假肢等不可靠近磁体.,四 1 NMR实验安全,操作注意事项 样品管洗干净后自然晾干、以免它变形 将样品管
20、插入转子的步骤如下图所示,样品管底部最多只能放到样品规的底部,而且液柱中心应与黑色中心线对齐.,将样品管插入转子的步骤,样品管在探头中的位置,四 1 NMR实验安全,放样步骤 键入 ro off（停止腔内样品旋转） 键入ej， 打开压缩空气闸门 腔内样品弹出（或听到气流声后），取出原有样品，放入新样品 键入ij， 关闭压缩空气闸门，把样品送入腔内,四 2 NMR实验步骤,Sample preparation Predefine parametersets Lock、turn/march、shim Acquire Process Print,实验13 原子发射光谱法,Atomic Emissio
21、n Spectroscopy For Short：AES,一. 原子发射光谱的产生,电能、热能、光能等激发气态基态原子、离子的核外电子受激跃迁至高能态。,气态、激发态原子、离子的核外电子，迅速回到低能态时以光辐射的形式释放能量。原子发射光谱 (寿命小于10-8s),第一部分 基本原理,激发电位 共振线、第一共振线 最灵敏线、最后线、分析线,4.原子线()：M* M (I);离子线(,) ：M* + M + ()M*2+ M2+ (),能级图,把原子中所可能存在的光谱项-能级及能级跃迁用平面图解的形式表示出来, 称为能级图。,Na (1s)2(2s)2(2p)6(3s)1,二.原子发射谱线强度与
22、试样中元素浓度的关系,gi 、g0激发态和基态的统计权重 Ei 激发电位 K Boltzmann常数 T 温度K Ai 蒸发出的原子数 K 蒸发速率常数 逸出速率常数 C 试样中浓度 电离度,1. 谱线强度及其影响因素,Ii = gi/g0 e-Ei/kTAihi (1-)k/ C,谱线强度的基本公式:,当以上的影响因素恒定时：,Ii = A C,2. 谱线的自吸与自蚀,A. 自吸 I = I0e-adI0 为弧焰中心发射的谱线强度;a 为吸收系数;d 为弧层厚度,B. 自蚀在谱线上，常用r表示自吸，R表示自蚀。在共振线上，自吸严重时谱线变宽， 称为共振变宽。,Ii = A C b,考虑到自吸
23、作用的影响时：,激发源(光源),单色器,检测器,数据处理与显示,一、原子发射光谱法的分析过程,第二部分 原子发射光谱仪,A. 低压交流电弧,高频高压引火线路,低频低压燃弧线路,2.53KV,10KV 40007000K,特点与应用,电极放电较稳定 适用于矿物、低含量金属的测定、只能测定固体粉末。,二、 激发源(光源),B. 电感耦合等离子体 ICP（Inductively coupled plasma）,三、 单色器(摄谱仪),A. 平面光栅摄谱仪的色散系统,平面光栅衍射的线色散率、分辨率、聚光本领,四、 检测器, 摄谱步骤, 感光板,玻璃板为支持体，涂抹感光乳剂(AgBr+明胶+增感剂),安
24、装感光板在摄谱仪的焦面上 激发试样，产生光谱而感光 显影，定影，制成谱板 特征波长，定性分析 特征波长下的谱线强度，定量分析,显影：,对苯二酚 （海德洛）,感光： 2AgX+2h Ag(形成潜影中心)+X2,A. 摄谱法,对甲氨基苯酚 （米吐尔）,定影：,AgBr +Na2S2O3 NaAgS2O3 Na3Ag(S2O3)2 Na5Ag3(S2O3)4,硫代硫酸钠（海波）, 感光板乳剂特性曲线,A曝光量(H) 与照度(E)的关系,B. 黑度(S),i0 未曝光部分的透光强度i 曝光部分的透光强度,C黑度(S)与曝光量(H) 的关系,黑度(S)与曝光量(H) 的关系难以用一般的数学公式描述。,
25、=S/ log H 感光板的反衬度(对比度),Hi-为感光板的惰延量,感光板：0.41.8,定量分析:采用较高的感光板-紫外 型感光板。 定性分析:采用Hi较小即灵敏度较高的感光板-紫外型感光板。,B. 光电直读光谱仪的类型,真空紫外直读光谱仪：170340nm 氦气、氮气保护测定C、S、P etc 非真空直读光谱仪：200900nm,波长,扫描型直读光谱仪,转动光栅扫描,C：全谱直读ICP-OES光谱仪,1.定性分析的基本原理(摄谱法、光电法),五、AES的定性定量分析方法,原子的核外电子能级不同时，跃迁产生不同波长的光谱线，通过检测特征光谱线存在否，确证某元素可否存在。,一般利用23根原子
26、线、离子线的第一共振线、最灵敏线、最后线、分析线进行定性分析。,光谱定性分析的相对灵敏度,2.定性分析的方法(摄谱法),A标准样品与试样光谱比较法,用标准样品与试样在相同的条件下摄谱。 比较标准样品与试样所出现的特征谱线。 若试样光谱中出现标准样品所含元素的23条特征谱线，就可以证实试样中含有该元素。 否则不含有该元素。,上标：谱线的强度级（110级）。 下标：原子线()与离子线( +、 2+、 3+ )。 底标：波长十位后尾数，12.32712.3埃、47.3 2747.3埃。,B.标准铁光谱图比较法,标准铁光谱图（一级）,23003500埃/15张，80埃/张。 以铁光谱作为波长标尺。 标
27、有68种元素的480多条特征谱线。,D. 标准铁光谱比较法操作：,C. 谱线的强度级（110级）,谱线消失法：随元素含量减少，低级谱线消失,谱线呈现法：随元素含量增加，低级谱线呈现,在摄制试样光谱的同时，在感光板上摄制12条铁光谱。 在8W-光谱投影仪上将感光板上光谱放大20倍。 以铁光谱作为波长标尺，使感光板上的铁光谱与标准铁光谱上的铁光谱对齐且平行。 找出标准铁光谱上所标有各元素的特征谱线在试样光谱中是否出现。 若某元素的23条特征谱线出现，该元素就存在。 再根据所出现的谱线相对强度级，估计相对含量。,将试样与已知不同含量的系列标准样品在一定条件下摄谱于同一光谱感光板上。 在映谱仪上用目视
28、法直接比较被测试样与标样光谱中分析线黑度。 根据黑度，估计欲测元素的近似含量。,谱线强度（黑度）比较法,3. 原子发射光谱法的半定量分析（摄谱法）,I = AC b,H = I t,2.谱线强度（黑度）比较法的应用,地质普查 地质勘探 矿物品位,定量分析的基本关系式：,求对数，得：,式中：b=1 没有自吸, b1, 有自吸,I = AC b (光电法定量公式),log I = b log C + log A,A: gi/g0 e-Ei/kT(1-)k/ Aihi,A的影响因素： 跃迁几率 统计权重 激发电位 激发温度 逸出速率常数 蒸发速率常数 电离度,4. 定量分析,B. 电感耦合等离子体
29、ICP（Inductively coupled plasma）,2：outer tube,5. Plasma,6：atomization zone,7：atomic line emission,8：ionic lineemission,1: induction coil,3：intermediate tube,4：sample injector,ICP-OES（Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectroscopy ）,特点：,应用：,具有好的检出限,一些元素可达到10-310-5ppm。 ICP稳定性好，精密度高，相对标准偏差约1%。
30、 基体效应小。 光谱背景小。 准确度高，相对误差为1%。 自吸效应小 线性范围宽，测量浓度范围从ppm到百分几十,高温，104K 环状通道，具有较高的稳定性 惰性气氛，电极放电较稳定,70多种无机元素的定性、定量分析 环境化学、生物化学、海洋化学、材料化学 一般只能测定液体。,B. 中阶梯光栅交叉色散光学系统简介,全谱直读ICP-OES光谱仪,ICP-OES（Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectroscopy ）,ICP作为激发源,中阶梯光栅交叉色散光学系统,CID电荷注入式检测器 SCD分段式电荷耦合式固体检测器 CCD电荷耦合式固体检测器,所有的测定程序、数据由计算机工作站控制、处理、显示。,CID电荷注入式检测器 3.5 3.5 cm2 512 512点阵检测单元,Thank you,
