《仪器分析》课程教案.docx
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《仪器分析》课程教案
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第一章引言
一、课程简介
仪器分析法是以测量物质的物理性质为基础的分析方法。
这类方法通常需要使用较特殊的仪器，故得名“仪器分析”。
随着科学技术的发展，分析化学在方法和实验技术方面都发生了深刻的变化，特别是新的仪器分析方法不断出现，且其应用日益广泛，从而使仪器分析在分析化学中所占的比重不断增长，并成为化学工作者所必需掌握的基础知识和基本技能。
二、仪器分析方法的分类
三、仪器分析的特点及发展趋势
优点是：
1.操作简便而快速，对于含量很低（如质量分数为10-8或10-9数量级）的组分，则更具独特之处。
2.被测组分的浓度变化或物理性质变化能转变成某种电学参数（如电阻﹑电导﹑电位﹑电容﹑电流等），故易于实现自动化和连接电子计算机。
因此，仪器分析具有简便﹑快速﹑灵敏﹑易于实现自动化等特点。
对于结构分析，仪器分析法也是极为重要和必不可少的工具。
生产的发展和科学的进步，不仅对分析化学在提高准确度﹑灵敏度和分析速度等方面提出更高的要求，而且还不断提出更多的新课题。
一个重要的方面是要求分析化学能提供更多﹑更复杂的信息。
现代科学技术发展的特点是学科之间的相互交叉﹑渗透，各种新技术的引人﹑应用等，促进了学科的发展，使之不断开拓新领域﹑新方法。
如电感耦合等离子体发射光谱﹑傅立叶变换红外光谱﹑傅立叶变换核磁共振波谱﹑激光拉曼光谱﹑激光光声光谱等。
另外试样的复杂性﹑测量难度﹑要求信息量及响应速度在不断提高，这就需要将几种方法结合起来，组成连用分析技术，可以取长补短，起到方法间的协同作用，从而提高方法的灵敏度﹑准确度及对复杂混合物的分辨能力，同时还可获得两种手段各自单独使用时所不具备的某些功能，因而连用分析技术以成为当前仪器分析方法的主要方向之一。
计算机技术对仪器分析的发展影响极大。
在分析工作者的指令控制下，仪器自动处于优化的操作条件完成整个分析过程，进行数据采集﹑处理﹑计算等，直至动态CRT显示和最终曲线报表。
现在由于计算机性能价格比的大幅度提高，已开始采用功能完善的pc计算机，随着硬件和软件的平行发展，分析仪器将更为智能化﹑高效﹑多用途。
仪器分析方法的局限性：
除了方法本身的一些原因外，还有一个共同点，就是他们的准确度不够高，相对误差通常在百分之几左右，有的甚至更差。
这样的准确度对低含量组分的分析已能完全满足要求，但对常量组分的分析，就不能达到高的准确度此外，在进行仪器分析之前，时常要用化学方法对试样进行预处理；同时，需要以标准物进行校准，而很多标准物需要用化学分析方法来标定。
因此化学方法和仪器方法是相辅相成的。
在使用时应根据具体情况，取长补短，互相配合。
四、学习内容及时间安排
色谱分析法：
气相色谱法（8学时）﹑高效夜相色谱法（4学时）；
电化学分析法：
电位分析法（4学时）﹑极谱分析法（4学时）﹑库仑分析法（4学时）；
光学分析法：
原子发射光谱法（6学时）﹑原子吸收光谱法（6学时）﹑紫外吸收光谱法（4学时）﹑红外吸收光谱法（4学时）；
核磁共振波谱法（4学时）；
质谱分析法（4学时）。
第12345678节
第二章气相色谱分析
基本要点：
1.了解色谱法的分类；
2.掌握色谱分析的基本原理；
3.理解柱效率的物理意义及其计算方法；
4.理解速率理论方程对色谱分离的指导意义。
5.掌握分离度的计算及影响分离度的重要色谱参数
第一节气相色谱分析概述
色谱法是一种分离技术。
它以其具有高分离效能、高检测性能、分析时间快速而成为现代仪器分析方法中应用最广泛的一种方法。
它的分离原理是，使混合物中各组分在两相间进行分配，其中一相是不动的，称为固定相，另一相是携带混合物流过此固定相的流体，称为流动相。
一、色谱法分类：
按流动相的物态，色谱法可分为气相色谱法（流动相为气体）和液相色谱法（流动相为液体）；再按固定相的物态，又可分为气固色谱法（固定相为固体吸附剂）、气液色谱法（固定相为涂在固体上或毛细管壁上的液体）、液固色谱法和液液色谱法等。
按固定相使用的形式，可分为柱色谱法（固定相装在色谱柱中）、纸色谱法（滤纸为固定相）和薄层色谱法（将吸附剂粉末制成薄层作固定相）等。
按分离过程的机制，可分为吸附色谱法（利用吸附剂表面对不同组分的物理吸附性能的差异进行分离）、分配色谱法（利用不同组分在两相中有不同的分配来进行分离）、离子交换色谱法（利用离子交换原理）和排阻色谱法（利用多孔性物质对不同大小分子的排阻作用）等。
二、气相色谱分析
气相色谱法是利用气体作为流动相的一种色谱法。
在此法中，载气（是不与被测物作用，用来载送试样的惰性气体，如氢、氮等）载着欲分离的试样通过色谱柱中的固定相，使试样中各组分分离，然后分别检测。
其简单流程如图2-1所示。
三、气相色谱仪组成
Ⅰ.载气系统;Ⅱ.进样系统;Ⅲ.色谱柱和柱箱；Ⅳ.检测系统；Ⅴ.记录系统。
四、色谱术语
基线——当色谱柱后没有组分进入检测器时，在实验操作条件下，反映检测器系统噪声随时间变化的线称为基线，稳定的基线是一条直线。
如图2-2中所示的直线
基线漂移——指基线随时间定向的缓慢变化。
基线噪声——指由各种因素所引起的基线起伏。
保留值——表示试样中各组分在色谱柱中的滞留时间的数值。
通常用时间或用将组分带出色谱柱所需载气的体积来表示。
在一定的固定相和操作条件下，任何一种物质都有一确定的保留值，这样就可用作定性参数。
死时间tM——指不被固定相吸附或溶解的气体（如空气、甲烷）从进样开始到柱后出现浓度最大值时所需的时间。
显然，死时间正比于色谱柱的空隙体积。
保留时间tR——指被测组分从进样开始到柱后出现浓度最大值时所需的时间。
调整保留时间tR'——指扣除死时间后的保留时间，即tR'=tR－tM
死体积VM——指色谱柱在填充后固定相颗粒间所留的空间、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。
VM=tMFO
保留体积VR——指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，即VR=tRFO
调整保留体积VR'——指扣除死体积后的保留体积，即
VR'=tR'.FO或VR'=VR－VM
同样，V'R与载气流速无关。
死体积反映了柱和仪器系统的几何特性，它与被测物的性质无关，故保留体积值中扣除死体积后将更合理地反映被测组分的保留特性。
相对保留值
——指某组分2的调整保留值与另一组分1的调整保留值之比：
亦可用来表示固定相（色谱柱）的选择性。
值越大，相邻两组分的t'R相差越大，分离得越好，
=1时，两组分不能被分离。
区域宽度——色谱峰区域宽度是色谱流出曲线中一个重要的参数。
从色谱分离角度着眼，希望区域宽度越窄越好。
通常度量色谱峰区域宽度有三种方法：
（1）标准偏差σ即0.607倍峰高处色谱峰宽度的一半。
（2）半峰宽度Y1/2又称半宽度或区域宽度，即峰高为一半处的宽度，它与标准偏差的关系为：
（3）峰底宽度Y自色谱峰两侧的转折点所作切线在基线上的截距，如图2-2中的IJ所示。
它与标准偏差的关系为：
Y=4σ
第二章气相色谱分析
第二节气相色谱分析理论基础
一、气相色谱分析的基本原理
1．气—固色谱分析：
固定相是一种具有多孔及较大表面积的吸附剂颗粒。
试样由载气携带进入柱子时，立即被吸附剂所吸附。
载气不断流过吸附剂时，吸附着的被测组分又被洗脱下来。
这种洗脱下来的现象称为脱附。
脱附的组分随着载气继续前进时，又可被前面的吸附剂所吸附。
随着载气的流动，被测组分在吸附剂表面进行反复的物理吸附、脱附过程。
由于被测物质中各个组分的性质不同，它们在吸附剂上的吸附能力就不一样，较难被吸附的组分就容易被脱附，较快地移向前面。
容易被吸附的组分就不易被脱附，向前移动得慢些。
经过一定时间，即通过一定量的载气后，试样中的各个组分就彼此分离而先后流出色谱柱。
2．气—液色谱分析：
固定相是在化学惰性的固体微粒（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的液膜。
这种高沸点有机化合物称为固定液。
在气—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。
当载气携带被测物质进入色谱柱，和固定液接触时，气相中的被测组分就溶解到固定液中去。
载气连续进入色谱柱，溶解在固定液中的被测组分会从固定液中挥发到气相中去。
随着载气的流动，挥发到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，停留在柱中的时间长些，往前移动得就慢些。
而溶解度小的组分，往前移动得快些，停留在柱中的时间就短些。
经过一定时间后，各组分就彼此分离。
3．分配系数：
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。
一定温度下，各物质在两相之间的分配系数是不同的。
气相色谱分析的分离原理是基于不同物质在两相间具有不同的分配系数，两相作相对运动时，试样中的各组分就在两相中进行反复多次的分配，使原来分配系数只有微小差异的各组分产生很大的分离效果，从而各组分彼此分离开来。
4．分配比（容量因子）：
以κ表示，是指在一定温度、压力下，在两相间达到分配平衡时，组分在两相中的质量比：
5．分配比к与分配系数K的关系：
由式可见：
（1）分配系数是组分在两相中浓度之比，分配比则是组分在两相中分配总量之比。
它们都与组分及固定相的热力学性质有关，并随柱温、柱压的变化而变化。
（2）分配系数只决定于组分和两相性质，与两相体积无关。
分配比不仅决定于组分和两相性质，且与相比有关，亦即组分的分配比随固定相的量而改变。
（3）对于一给定色谱体系（分配体系），组分的分离最终决定于组分在每相中的相对量，而不是相对浓度，因此分配比是衡量色谱柱对组分保留能力的参数。
（4）组分在柱内的线速度US将小于u，则两速度之比称为滞留因子RS：
二、色谱分离基本理论
1．塔板理论
塔板理论假定：
（1）在一小段间隔内，气相组成与液相组成很快达到分配平衡。
用塔板高度H表示；
（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）试样开始时都因在第0号塔板上，且试样沿柱方向的扩散可略而不计；
（4）分配系数在各塔板上是常数。
为简单起见，设色谱柱由5块塔板[n=5]，n为柱子的理论塔板数，并以r表示塔板编号，r等于0，1，2，----，n-1，某组分的分配比k=1，则根据上述假定，在色谱分离过程中该组分的分布可计算如下：
开始时，若有单位质量，即m=1（1mg或1ug）的该组分加到第0号塔板上，分配达平衡后，由于K=1，即ms=mm,故ms=mm=0.5。
当一个板体积（1ΔV）的载气以脉动形式进入0号板时，就将气相中含有部分组分的载气顶到1号板上，此时0号板液相中ms部分组分及1号板气相中的mm部分组分，将各自在两相间重新分配，故0号板上所含组分总量为0.5，其中气液两相各为0.25；而1号板上所含总量同样为0.5，气液两相亦各为0.25。
以后每当一个新的板体积载气以脉动式进入色谱柱时，上述过程就重复一次，如下所示：
由流出曲线图可以看出，组分从具有5块塔板的柱中冲洗出来的最大浓度是在n为8或9时。
流出曲线呈峰形但不对称。
这是由于柱子的塔板数太少的缘故。
当n>50时，就可以得到对称的峰形曲线。
在气相色谱中，n值是很大的，约为
因而这时的流出曲线可趋近于正态分布曲线。
流出曲线上的浓度C与时间t的关系可表示：
由塔板理论可导出n与色谱峰半峰宽度或峰底宽度的关系：
而H=L/n
由式上式可见，色谱峰越窄，塔板数n越多，理论塔板高度H就越小，此时柱效能越高，因而n或H可作为描述柱效能的一个指标。
由于死时间tM（或死体积VM）的存在，理论塔板n，理论塔板高度H并不能真实反映色谱分离的好坏。
因此提出了将tM除外的有效塔板数（effectiveplatenumber）n有效和有效塔板高度（effectiveplateheight）H有效作为柱效能指标。
其计算式为：
有效塔板数和有效塔板高度消除了死时间的影响，因而能较为真实地反映柱效能的好坏。
色谱柱的理论塔板数越大，表示组分在色谱柱中达到分配平衡的次数越多，固定相的作用越显著，因而对分离越有利。
但还不能预言并确定各组分是否有被分离的可能，因为分离的可能性决定于试样混合物在固定相中分配系数的差别，而不是决定于分配次数的多少，因此不应把n有效看作有无实现分离可能的依据，而只能把它看作是在一定条件下柱分离能力发挥的程度的标志。
2．速率理论
1956年荷兰学者范弟姆特（Vandeemter）等提出了色谱过程的动力学理论，他们吸收了塔板理念的概念，并把影响塔板高度的动力学因素结合进去，导出了塔板高度H与载气线速度u的关系：
H=A+B/U+Cu
其中A称为涡流扩散项,B为分子扩散项，C为传质阻力项。
下面分别讨论各项的意义：
（1）涡流扩散项A气体碰到填充物颗粒时，不断地改变流动方向，使试样组分在气相中形成类似“涡流”的流动，因而引起色谱的扩张。
由于A=2λdp，表明A与填充物的平均颗粒直径dp的大小和填充的不均匀性λ有关，而与载气性质、线速度和组分无关，因此使用适当细粒度和颗粒均匀的担体，并尽量填充均匀，是减少涡流扩散，提高柱效的有效途径。
（2）分子扩散项B/u由于试样组分被载气带入色谱柱后，是以“塞子”的形式存在于柱的很小一段空间中，在“塞子”的前后（纵向）存在着浓差而形成浓度梯度，因此使运动着的分子产生纵向扩散。
而B=2rDg
r是因载体填充在柱内而引起气体扩散路径弯曲的因数（弯曲因子），Dg为组分在气相中的扩散系数。
分子扩散项与Dg的大小成正比，而Dg与组分及载气的性质有关：
相对分子质量大的组分，其Dg小,反比于载气密度的平方根或载气相对分子质量的平方根，所以采用相对分子质量较大的载气（如氮气），可使B项降低，Dg随柱温增高而增加，但反比于柱压。
弯曲因子r为与填充物有关的因素。
（3）传质项系数CuC包括气相传质阻力系数Cg和液相传质阻力系数C1两项。
所谓气相传质过程是指试样组分从移动到相表面的过程，在这一过程中试样组分将在两相间进行质量交换，即进行浓度分配。
这种过程若进行缓慢，表示气相传质阻力大，就引起色谱峰扩张。
对于填充柱：
液相传质过程是指试样组分从固定相的气液界面移动到液相内部，并发生质量交换，达到分配平衡，然后以返回气液界面的传质过程。
这个过程也需要一定时间，在此时间，组分的其它分子仍随载气不断地向柱口运动，这也造成峰形的扩张。
液相传质阻力系数C1为：
对于填充柱，气相传质项数值小，可以忽略。
将常数项的关系式代入简化式得：
由上述讨论可见，范弟姆特方程式对于分离条件的选择具有指导意义。
它可以说明，填充均匀程度、担体粒度、载气种类、载气流速、柱温、固定相液膜厚度等对柱效、峰扩张的影响。
第二章气相色谱分析
第三节色谱分离条件的选择
一、分离度
两个组分怎样才算达到完全分离？
首先是两组分的色谱峰之间的距离必须相差足够大，若两峰间仅有一定距离，而每一个峰却很宽，致使彼此重叠，则两组分仍无法完全分离；第二是峰必须窄。
只有同时满足这两个条件时，两组分才能完全分离。
为判断相邻两组分在色谱柱中的分离情况，可用分离度R作为色谱柱的分离效能指标。
其定义为相邻两组分色谱峰保留值之差与两个组分色谱峰峰底宽度总和之半的比值：
R值越大，就意味着相邻两组分分离得越好。
因此，分离度是柱效能、选择性影响因素的总和，故可用其作为色谱柱的总分离效能指标。
从理论上可以证明，若峰形对称且满足于正态分布，则当R=1时，分离程度可达98%；当R=1.5时，分离程度可达99.7%因而可用R=1.5来作为相邻两峰已完全分开的标志。
当两组分的色谱峰分离较差，峰底宽度难于测量时，可用半峰宽代替峰底宽度，并用下式表示分离度：
二、色谱分离基本方程式
由分离度基本方程式可看出：
（1）分离度与柱效的关系（柱效因子）分离度与n的平方根成正比。
（2）分离度与容量比的关系（容量因子），k>10时，k/（k+1）的改变不大，对R的改进不明显，反而使分析时间在为延长。
因此k值的最佳范围是1使峰的扩展不会太严重对检测发生影响。
（3）分离度与柱选择性的关系（选择因子），α越大，柱选择性越好,分离效果越好。
分离度从1.0增加至1.5，对应于各α值所需的有效理论塔板数大致增加一倍。
分离度、柱效和选择性参数之间的联系为：
三、分离操作条件的选择
1．载气及其流速的选择
ss对一定的色谱柱和试样，有一个最佳的载气流速，此时柱效最高，根据下式
H=A+B/u+CU
用在不同流速下的塔板高度H对流速u作图，得H-u曲线图。
在曲线的最低点，塔板高度H最小（H最小）。
此时柱效最高。
该点所对应的流速即为最佳流速u最佳，及H最小可由式（14-17）微分求得：
当流速较小时，分子扩散（B项）就成为色谱峰扩张的主要因素，此时应采用相对分子质量较大的载气（N2，Ar），使组分在载气中有较小的扩散系数。
而当流速较大时，传质项（C项）为控制因素，宜采用相对分子质量较小的载气（H2,He），此时组分在载气中有较大的扩散系数，可减小气相传质阻力，提高柱效。
2．柱温的选择
柱温直接影响分离效能和分析速度。
首先要考虑到每种固定液都有一定的使用温度。
柱温不能高于固定液的最高使用温度，否则固定液挥发流失。
3．固定液的性质和用量
固定液对分离是起决定作用的。
一般来说，担体的表面积越大，固定液用量可以越高，允许的进样量也就越多。
为了改善液相传质，应使液膜薄一些。
固定液液膜薄，柱效能提高，并可缩短分析时间。
固定液的配比一般用5：
100到25：
100，也有低于5：
100的。
不同的担体为要达到较高的柱效能，其固定液的配比往往是不同的。
一般来说，担体的表面积越大，固定液的含量可以越高。
4．担体的性质和粒度
要求担体的表面积大，表面孔径分布均匀。
这样，固定液涂在担体表面上成为均匀的薄膜，液相传质就快，柱效就可提高。
担体粒度均匀、细小，也有利于柱效提高。
但粒度过小，柱压降增大，对操作不利。
5．进样时间和进样量
进样必须快，一般在一秒钟之内。
进样时间过长，会增大峰宽，峰变形。
进样量一般液体0.1-5微升，气体0.1-10毫升，进样太多，会使几个峰叠加，分离不好。
6．气化温度
在保证试样不分解的情况下，适当提高气化温度对分离及定量有利。
第二章气相色谱分析
第四节固定相及其选择
一、气-固色谱固定相
在气—固色谱法中作为固定相的吸附剂，常用的有非极性的活性炭，弱极性的氧化铝，强极性的硅胶等。
它们对各种气体吸附能力的强弱不同，因而可根据分析对象选用。
一些常用的吸附剂及其一般用途均可从有关手册中查得。
二、气—液色谱固定相
1．担体
担体（载体）应是一种化学惰性、多孔性的颗粒，它的作用是提供一个大的惰性表面，用以承担固定液，使固定液以薄膜状态分布在其表面上。
对担体有以下几点要求：
（1）表面应是化学惰性的，即表面没有吸附性或和吸附性很弱，更不能与被测物质起化学反应；
（2）多孔性，即表面积较大，使固定液与试样的接触面较大；
（3）热稳定性好，有一定的机械强度，不易破碎；
（4）对担体粒度的要求，一般希望均匀、细小，这样有利于提高柱效。
气—液色谱中所用担体可分为硅藻土型和非硅藻土型两类。
常用的是硅藻土型担体，它又是可分为红色担体和白色担体两种。
在分析这些试样时，担体需加以钝化处理，以改进担体孔隙结构，屏蔽活性中心，提高柱效率。
处理方法可用酸洗、碱洗、硅烷化等。
2．固定液
A．对固定液的要求
（1）挥发性小，在操作温度下有较低蒸气压，以免流失。
（2）稳定性好，在操作温度下不发生分解。
在操作温度下呈液体状态。
（3）对试样各组分有适当的溶解能力，否则被载气带走而起不到分配作用。
（4）具有高的选择性，即对沸点相同或相近的不同物质有尽可能高的分离能力。
（5）化学稳定性好，不与被测物质起化学反应。
B．固定液的分离特征。
固定液的分离特征是选择固定液的基础。
固定液的选择，一般根据“相似相溶”原理进行，即固定液的性质和被测组分有某些相似性时，其溶解度就大。
如果组分与固定液分子性质（极性）相似，固定液和被测组分两种分子间的作用力就强，被测组分在固定液中的溶解度就大，分配系数就大，也就是说，被测组分在固定液中溶解度或分配系数的大小与被测组分和固定液两种分子之间相互作用的大小有关。
分子间的作用力包括静电力、诱导力、色散力、和氢键力等。
固定液的极性可以采用相对极性P来表示。
规定强极性的固定液β,β'氧二丙腈的相对极性P=100，非极性的固定液角鲨烷的相对极性P=0，然后用一对物质正丁烷—丁二烯或环己烷—苯进行试验，分别测定这一对试验物质在β,β'氧二丙腈，角鲨烷及欲测极性固定液的色谱柱上的调整保留值，然后按下列两式计算欲测固定液的相对极性Px
这样测得的各种固定液的相对极性均在0—100之间，为了便于在选择固定液时参考，又将其分为五级，每20为一级，P在0～+1间为非极性固定液，+1～+2为弱极性固定液，+3为中等极性固定液，+4～+5为强极性固定液，非极性亦可用“-”表示。
C．固定液的选择
（１）分离非极性物质，一般选用非极性固定液，这时试样中各组分按沸点次序先
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