1、仪 器 分 析 INSTRUMENTAL ANALYSIS,第一章 引言 一、分析化学的发展分析化学是一门信息科学，它的基本 目的是研究如何获取有关物质系统化学成 分与化学结构方面定性、定量的相关信息 ，它对化学科学发展的贡献极大，甚至被 有些人称为 “现代化学之父”。,分析化学的发展历史上已出现过三次巨大变革：1、19世纪末20世纪初叶：由“技艺”上升到科学理论。标志工具是：天平的使用。,2、20世纪四十年代 20世纪八十年代由“分析技术科学”上升到“化学信息科学”。 标志工具是：大量电子分析仪器、仪表的使用。,3、20世纪八十年代 21世纪初：由“化学信息科学”上升到“系统信息科 学” 。
2、 标志工具是：微型计算机控制的现代智能型分析仪器的大量使用。 现代分析化学是一门崭新而年轻的学科，它属于与数学、电子学、物理学、计算机科学、现代信息技术科学交叉发展的新学科。,二、仪器分析的内容与分类化学分析 Chemical Analysis 分析化学仪器分析 Instrumental Analysis 仪器分析（instrumental analysis）：用精密分析仪器测量物质的某些物理或物理化学性质以确定其化学组成、含量及化学结构的一类分析方法，又称为物理和物理化学分析法。,物理分析法 (physical analysis)： 根据被测物质的某种物理性质与组分的关系，不经化学反应直接进
3、行定性或定量分析的方法。如：光谱分析等。 物理化学分析法(physical-chemical analysis)： 根据被测物质在化学变化中的某种物理性质与组分之间的关系，进行定性或定量分析的方法。如电位分析法等。,方法分类 主要分析方法 被测物理性质 光谱分析 发射光谱分析、火焰光度分析 辐射的发射分子发光分析法、放射分析法 紫外-可见分光光度法 辐射的吸收 原子吸收分光光度法 红外光谱法、核磁共振波谱法 浊度法、拉曼光谱法 辐射的散射折射法、干涉法 辐射的折射X-射线衍射法、电子衍射法 辐射的衍射圆二色谱法 辐射偏振方向的旋转 电化学分析 电位法 电极电位电导法 电导极谱法、溶出伏安法 电
4、流-电压 色谱分析 气相色谱法、液相色谱法 薄层色谱法 两相间的分配 热分析 热导法、差热分析法 热性质 质量分析 质谱法 质荷比,仪器分析方法分类,根据用以测量的物质性质，仪器分析方法主要分为以下几类:,发射海盗号探测器首次登陆火星 “海盗号”的气相色谱分析仪(GCMS) 进行的土壤加热分析 发现过氧化物的大量存在让火星的土壤变得异常 否决了生命物质的存在。,NASA十项最重要太空任务 ，离不开仪器分析的帮助。,发射哈勃太空望远镜 清晰度是地面天文望远镜的10倍以上， 1.6万公里以外的一只萤火虫 发现黑洞存在的证据， 探测到恒星和星系的早期形成过程， 观测到距离地球130亿光年的古老星系,
5、钱德拉X射线天文卫星 极高的空间分辨率和谱分辨率， X射线天文学从测光时代进入了光谱时代。 在星暴星系M82中发现了中等质量黑洞的证据、发现伽玛射线暴GRB 991216中的X射线、观测到了银河系中心超大质量黑洞等。,对微观世界的认识、了解和研究同样离不开仪器分析的帮助。,人的眼睛不能直接观察到比10-4m更小的物体或物质的结构细节光学显微镜使人类的视觉得以延伸，人们可以观察到像细菌、细胞那样小的物体，但由于光波的衍射效应，使得光学显微镜的分辨率只能达到10-7m扫描电子显微镜（SEM）的分辨率为10-9m， 高分辨透射电子显微镜（HTEM）和扫描透射电子显微镜STEM）可以达到原子级的分辨率
6、(0.1 nm) 扫描隧道显微镜(STM）人类第一次能够实时观察单个原子在物质表面的排列状态与表面电子行为有关的物化性质。,与其他表面分析技术相比，STM具有如下独特的优点：,1.具有原子级高分辨率，STM 在平行于样品表面方向上的分辨率分别可达 0I nm 和 001 nm，即可以分辨出单个原子,中国科学院化学所的科技人员利用纳米加工技术在石墨表面通过搬迁碳原子而绘制出的世界上最小的中国地图,2. 可实时得到实空间中样品表面的三维图像，可用于具有周期性或不具备周期性的表面结构的研究，这种可实时观察的性能可用于表面扩散等动态过程的研究,3. 可以观察单个原子层的局部表面结构，而不是对体相或整个
7、表面的平均性质，因而可直接观察到表面缺陷。表面重构、表面吸附体的形态和位置，以及由吸附体引起的表面重构等,硅111面77原子重构象,为了得到表面清洁的硅片单质材料，要对硅片进行高温加热和退火处理，在加热和退火处理的过程中硅表面的原子进行重新组合，结构发生较大变化，这就是所谓的重构。,4. 可在真空、大气、常温等不同环境下工作，样品甚至可浸在水和其他溶液中 不需要特别的制样技术并且探测过程对样品无损伤这些特点特别适用于研究生物样品和在不同实验条件下对样品表面的评价，例如对于多相催化机理、电化学反应过程中电极表面变化的监测等。,液体中观察原子图象,上图所示的是在电解液中得到的硫酸根离子吸附在铜单晶
8、(111)表面的STM图象。图中硫酸根离子吸附状态的一级和二级结构清晰可见。,5. 配合扫描隧道谱（STS）可以得到有关表面电子结构的信息，例如表面不同层次的态密度。表面电子阱、电荷密度波、表面势垒的变化和能隙结构等,6. 利用STM针尖，可实现对原子和分子的移动和操纵，这为纳米科技的全面发展奠定了基础,1990年，IBM公司的科学家展示了一项令世人瞠目结舌的成果，他们在金属镍表面用35个惰性气体氙原子组成“IBM”三个英文字母。,ICP质谱仪,岛津GC-2010,HP-1100液相色谱仪,X射线光电子能谱仪,X射线荧光仪,UV-vis光谱仪,日立F-4500荧光光谱仪,扫描俄歇微探针,四圆X
9、射线衍射仪,电子顺磁共振仪,荧光光谱仪LS-50B,三、仪器分析的特点和应用原则仪器分析的主要优点如下：1、 灵敏度极高；2 、选择性好，适于复杂组分试样的分析；3 、分析迅速，适于批量试样的分析；4、 适于微量、超痕量组分的测定；5、 能进行无损分析；5 、组合能力和适应性强，能在线分析；6 、数据的采集和处理易于自动化和智能化。,常量分析、半微量和微量分析,样品用量由化学分析的mL、mg级降低到仪器分析的g、L级，甚至更低。适合于微量（micro-)、痕量(trace)和超痕量(ultratrace)成分的测定。, 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。, 可
10、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略大（约1 5%）多数不适用于常量和高含量成分分析。,主要参考书目,朱明华 胡坪编普通高等教育面向21世纪课程教材，仪器分析(第四版)北京：高等教育出版社高向阳主编.普通高等教育十五国家级规划教材，新编仪器分析.科学出版社.张济新、孙海霖、朱明华编，仪器分析实验，北京：高等教育出版社奚长生、余荣阵编，仪器分析，广东，广东高等教育出版社赵藻藩、周性尧、张悟铭、赵文宽编，仪器分析，北京：高等教育出版社,第二章 气相色谱分析,茨维特实验示意图,2-1 气相色谱法概述色谱法(chromatography)：以试样组分在固定相和
11、流动相间的溶解、吸附、分配、离子交换或其他亲和作用的差异为依据而建立起来的各种分离分析方法称色谱法。色谱柱：进行色谱分离用的细长管。 固定相：（stationary phase） 管内保持固 定、起分离作用的填充物。 流动相：（mobile phase）流经固定相的空隙或表面的冲洗剂。,按固定相的几何形式分类：1.柱色谱法，2.纸色谱法，3.薄层色谱法 。 按两相所处的状态分类：,气相色谱法,液相色谱法,气-固色谱法,液-固色谱法,气-液色谱法,液-液色谱法,国产气相色谱仪,色谱-质谱联用仪,气相色谱仪通常由五部分组成： 载气系统：气源、气体净化器、气体流速控制部件。 进样系统：进样器、汽化室
12、。 分离系统：色谱柱、控温柱箱。 检测系统：检测器、放大器、控温装置。 记录与数据处理系统：记录仪、色谱工作站。,1. 高压钢瓶 2. 减压阀 3. 载气净化干燥管 4. 稳流阀 5. 流量计 6. 压力表 7. 进样器 8. 色谱柱 9. 检测器 10. 色谱工作站,图1 、色谱过程 图2、 色谱图,A,B,KAKB,色谱图（chromatogram）： 试样中各组分经色谱柱分离后，按先后次序经过检测器时，检测器就将流动相中各组分浓度变化转变为相应的电信号，由记录仪所记录下的信号时间曲线或信号流动相体积曲线，称为色谱流出曲线。,常用术语： 基线： 在操作条件下，仅有纯流动相进入检测器时的流出
13、曲线。峰高与峰面积：色谱峰顶点与峰底之间的垂直距离称为峰高(peak height)。用h表示。峰与峰底之间的面积称为峰面积(peak area)，用A表示。峰的区域宽度：a、标准偏差 0.607倍峰高处色谱宽度的一半b、标准偏差峰宽 W0.607h=2 c、半高峰宽 Wh/2=2(2ln2)1/2=2.35 峰高一半处的宽度d 、峰底宽 WD = 4,保留值:1) 保留时间 ：从进样至被测组分出现浓度最大值时所需时间tR。2) 保留体积 ：从进样至被测组分出现最大浓度时流动相通过的体积，VR。 死时间： 不被固定相滞留的组分，从进样至出现浓度最大值时所需的时间称为死时间(dead time)
14、，tM。 死体积: 不被固定相滞留的组分，从进样至出现浓度最大值时流动相通过的体积称为死体积(dead volume) ，VM。（F0为柱尾载气体积流量）VM = tM F 0,调整保留值:1) 调整保留时间：扣除死时间后的保留时间。 tR= tR tM2) 调整保留体积：扣除死体积后的保留体积。VR = VR VM 或 VR = tR F0 相对保留值（relative retention）在相同的操作条件下，待测组分与参比组分的调整保留值之比，用ri，s 表示,色谱分析的实验依据：、根据色谱峰的位置（保留时间）可以进行定性分析。2、根据色谱峰的面积或峰高可以进行定量分析。3、根据色谱峰的展
15、宽程度，可以对某物质在实验条件下的分离特性进行评价。由此可知：相对保留值应该与柱长、柱径、填充情况、流动相流速等条件无关，而仅与温度、固定相种类有关。,2-2 气相色谱分析理论基础 一、分配平衡的几个参数：1、分配系数（distribution coefficient）在一定温度和压力下，组分在固定相和流动相间达到分配平衡时的浓度比值，用K表示。,2、容量因子（capacity factor）在一定温度和压力下，组分在固定相和流动相之间分配达到平衡时的质量比，称为容量因子，也称分配比，用k表示。,cs、cm分别为组分在固定相和流动相的浓度(g/ml)；Vm为色谱柱中流动相的体积，近似等于死体积
16、， Vs为色谱柱中固定相的体积。,3、分配系数和分配比之间的关系 分配系数K 与柱中固定相和流动相的体积无关，而取决于组分及两相的性质，并随柱温、柱压变化而变化。容量因子k 决定于组分及固定相的热力学性质，随柱温、柱压的变化而变化，还与流动相及固定相的体积有关。,理论上可以推导出：,Phase ratio(相比，b): VM / VS, 反映各种色谱柱柱型及其结构特征 填充柱（Packing column）: 635 毛细管柱（Capillary column）: 501500,色谱过程的基本方程式：,二、色谱分离的基本理论1、塔板理论（ Martin and Synge 1941）塔板理论认
17、为，一根柱子可以分为n段，在每段内组分在两相间很快达到平衡，把每一段称为一块理论塔板。设柱长为L，理论塔板高度为H，则 H = L / n 式中n为理论塔板数。,总结塔板理论前提假设：1.每段间隔内，气相平均组成与液相平均组成迅速达到分配平衡。 2.载气进入色谱柱不是连续的，而是脉动式的，每次进气为一个板体积。 3.试样开始时都加在0号塔板上，并且试样沿色谱柱方向的扩散可忽略。 4.分配系数在各塔板上是常数。,色谱柱塔板数 n=5某一组分分配比 k=1单位质量 m=1,以载气板体积数为横坐标，柱出口浓度为纵坐标， 作出组分流出曲线图,当n值很大时（103-106），流出曲线趋近于正态分布， 流出曲线上浓度 c 与时间 t 关系为：,理论塔板数（n）可根据色谱图上所测得的保留时间（tR）和峰底宽（W）或半峰宽（ Wh/2 ）按下式推算：,或,标准正态分布的概率密度函数,有效塔板数（neff）的计算公式为；,通常用有效塔板数（neff）来评价柱的效能比较符合实际。 neff 越大或Heff越小，则色谱柱的柱效越高。,Heff=L/neff,塔板理论的优缺点,优点：能解释流出曲线形状（正态分布），浓度极大点的位置，计算评价柱效能。 缺点：不能解释塔板高度受哪些因素影响？为什么在不同流量下可以测得不同的理论塔板数？,
