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1、环境仪器分析 第一章 概述 第二章 原子吸收分光光度法 第三章 原子荧光光谱法 第四章 荧光及磷光光谱法 第五章 化学发光监测技术 第六章 色谱分析法理论基础 第七章 气相色谱分析法 第八章 高效液相色谱分析法 第一章 概 述环境监测新技术开发 环境监测技术现状与对策环境监测的内容与类型环境监测技术意义和作用1 1 环境监测技术意义和作用环境监测技术意义和作用 1.1 环境监测技术意义环境监测技术意义 环境监测技术是环境污染控制的眼睛，是环境管理的“耳目”和“哨兵”，是研究环境质量变化趋势的重要手段，是环境保护的基础。环境监测为环境管理服务要求遵循一定的原则 1.2 1.2 环境监测技术的作用
2、环境监测技术的作用 及时准确、全面地反映环境质量和污染源现状及发展趋势，为环境管理、规划和污染防治提供依据。当前环境监测的基本任务 当前环境监测的基本任务：当前环境监测的基本任务：为实施强化环境管理的八项制度做好技术监督和技 术支持工作。强化污染源监督监测工作。切实加强全国环境监测网络建设，完善环境监测技术体系。加速以报告制度为核心的信息管理与传递系统建设。巩固检测队伍，提高监测技术水平。进一步完善监测技术质量保证体系。坚持科技领先，做好监测科研，全面提高监测工作质量。环境监测为环境管理服务应遵循的原则：环境监测为环境管理服务应遵循的原则：及时性及时性：解决及时性：一是建立一个高效能的监测网络
3、，理顺环境监测的组织关系；二是建立完善的数据报告制度，有一个十分流畅的信息通道，做到纵横有序，传递自如；三是有一个能满足管理要求的数据加工处理能力；四是有一个规范化的监测成果表达形式。针对性：针对性：即着重抓好环境要素和污染源监视性监测。准确性：准确性：一是数据准确，二是结论准确。科科学学性性：一是监测数据和资料的科学性，二是综合分析数据资料方法的科学性，三是关于环境问题结论的科学性。BackBack2 2 环境监测的内容与类型环境监测的内容与类型 2.12.1监测内容：监测内容：以监测的介质（或环境要素）为对象,分为：空气污染监测，水质污染监测，土壤、固弃物，生物，生态，噪声震动，放射性，电
4、磁辐射监测等。选择监测项目应遵循如下原则：选择监测项目应遵循如下原则：对污染物的自然性、化学活性、毒性、扩散性、持久性、生物可分解性和积累性等全面分析，从中选出影响面广、持续时间长，不易或不能被微生物所分解而且能使动植物发生病变的物质作为日常例行的监测项目。对某些有特殊目的或特殊情况的监测工作，则要根据具体情况和需要选择要监测的项目。需要监测的项目，必须有可靠的检测手段。监测结果所得数据，要有可比较的标准或能做出正确的解释和判断。2.22.2环境监测的类型环境监测的类型2.2.12.2.1监视性监测监视性监测 常规或例行监测 环境质量监测（空气、水、噪声）污染源监督监测2.2.2 2.2.2
5、特定目的性监测特定目的性监测 又叫应急监测或特例监测 污染事故监测；纠纷仲裁监测；考核验证监测；咨询服务监测2.2.3 2.2.3 研究性监测研究性监测 属 于 高 层 次、高 水 平，技 术 比 较 复 杂 的 一 种 监 测。包括：标法研制监测；污染规律研究检测；背景调查监测；综评研究监测 BackBack3 3 环境监测技术现状与对策环境监测技术现状与对策 3.1 3.1 建立监测方法体系，确立监测技术能力建立监测方法体系，确立监测技术能力 首先是通过分析方法的研究，筛选出能在全国推广的较成熟和先进的方法；将选出的方法经多个实验室验证，形成统一的方法。分析方法的研究和筛选原则是：应有良好
6、的准确性、精密性；应有良好的灵敏度；方法所用仪器、试剂易得，便于推广；要尽量采用国内外新技术、新方法。3.2 3.2 加强监测仪器设备管理、完善仪器设备配置加强监测仪器设备管理、完善仪器设备配置3.3 3.3 开展监测质量保证、加强技术培训开展监测质量保证、加强技术培训 建立环境监测质量保证体系；开展计量认证工作；加强技术人员的培训与考核；不断提高科学监测水平；完善监测网络、实现监测信息网络化管理。Back第二章第二章 原子吸收分光光度法原子吸收分光光度法2.1 基本原理 2.2 原子吸收分光光度计2.3 测定条件的选择 2.4 定量分析方法 2.5 灵敏度及检出极限2.6 原子吸收光谱法在环
7、境监测中的应用 第三章第三章 原子荧光光谱法原子荧光光谱法 3.1 概述 3.2 原理 3.3 原子荧光光谱仪3.4 定量分析方法及应用 第四章第四章 荧光及磷光光谱法荧光及磷光光谱法4.1 原理4.2 荧光光谱仪 4.3 荧光分析方法 4.4 荧光光谱法在环境监测中的应用 4.5 磷光分析法 第五章第五章 化学发光监测技术化学发光监测技术5.1 原理 5.2 化学发光反应的类型 5.3 化学发光监测仪器 第六章第六章 色谱分析法理论基础色谱分析法理论基础6.1 色谱法理论基础 色谱法的基本原理、分类及流程 色谱图及色谱基本参数 色谱法基本理论 6.2 分离条件的选择 色谱柱 担体 固定液及配
8、比 柱温 载气及流速 进样 第七章第七章 气相气相色谱分析法色谱分析法7.1 气相色谱仪7.2 定性分析法 保留值定性 加已知物增峰法 7.3 定量分析法 峰面积的测量 定量校正因子 定量方法 第八章第八章 高效液相高效液相色谱分析法色谱分析法8.1 8.1 高效液相色谱仪高效液相色谱仪 高压输液系统 进样系统 色谱柱 检测系统 附属系统 第二章第二章 原子吸收分光光度法原子吸收分光光度法2.1 2.1 原子吸收分光光度法基本原理原子吸收分光光度法基本原理u原子吸收分光光度法是基于空心阴极灯发射出的待测元素的特征谱线，通过试样蒸气，被蒸气中待测元素的基态原子所吸收，由特征谱线被吸收的程度，来测
9、定试样中待测元素含量的方法。包括以下四点：(1)(1)基态原子的产生基态原子的产生 在进行原子吸收分析时，首先应使待测元素由化合物状态变成基态原子，使其原子化。原子化方法有：化学法、火焰法、电热法等。(2)(2)共振线与吸收线共振线与吸收线 其核外电子排布处于最低能级、最稳定的原子称基态原子。基态原子的最外层电子因受外界能量激发而跃迁到较高能级上，便使原子处于激发态，处于激发态的原子很不稳定，在短时间内（约10-3s），跃迁到较高能级的电子又返回到低能级状态，同时释放一定的能量。原子受外界能量激发，其最外层电子可能跃迁到不同能级，因而可能有不同的激发态。电子由基态到第一激发态跃迁吸收谱线称共振
10、吸收线。共振线是元素所有谱线中最灵敏的谱线，原子吸收分析就是利用处于基态的待测原子蒸气，对从光源发射出的待测元素的共振线的吸收而进行定量分析。(3)(3)积分吸收与峰值吸收积分吸收与峰值吸收 原子蒸气所吸收的全部能量称积分吸收。在实际测量中，因吸收谱线的宽度非常窄，需分辨率很高的分光仪，所以积分吸收不能准确地测得。通过测定峰值吸收系数来计算待测元素的方法称为峰值吸收法。实现测量中心吸收系数的条件是：a.入射光线的中心频率与吸收谱线的中心频率严格相同；b.入射光线的半宽度远小于吸收谱线的半宽度。因此，必须使用一个与待测元素相同的元素制成的锐线光源。实验证实：峰值吸收系数K0在一定条件下，与单位体
11、积原子蒸气中吸收辐射的原子数成正比。(4)(4)火焰中的基态原子浓度与定量分析依据火焰中的基态原子浓度与定量分析依据 对于原子吸收值的测量，在实际工作中，是以一定光强的单色光I0通过原子蒸气，然后测出被吸收后的光强I，吸收过程符合朗伯比耳定律，即：式中:K为吸收系数，N为自由原子总数（近似于基态原子数N0）,L为吸收层厚度。吸光度 试样中待测元素的浓度与火焰中基态原子的浓度成正比。所以在一定的浓度范围内和一定的火焰宽度，吸光度与试样中待测元素浓度的关系可表示为：该式就是原子吸光光谱法定量分析的依据。2.2 2.2 原子吸收分光光度计原子吸收分光光度计u原子吸收分光光度计的组成原子吸收分光光度计
12、的组成：由光源、原子化系统、光学系统、检测系统及放大数据处理系统五个主要组成部分。其示意图如下：其示意图如下：（1 1）光源）光源 辐射带测元素的共振线，作为原子吸收分析的入射光为了能够测出峰值吸收，获得较高的准确度及灵敏度，所使用的光源必须满足以下条件：光源要能发射待测元素的共振线，而且强度要足够大；发射的谱线的半宽度要窄（是锐线光），应小于吸收线 的半宽度，以保证测定的灵敏度和峰值吸收的测量；辐射光的强度要稳定，而且背景发射要小。光源类型光源类型：空心阴极灯；无极放电灯；蒸气放电灯。应用最广泛的是空心阴极灯 （2 2）原子化系统）原子化系统 作作用用：是将试样中的待测元素由化合物状态转变为
13、基态原子蒸气。入射光在这里被基态原子吸收，因此，它可视为“吸收池”。主要有两大类主要有两大类：火焰与非火焰原子化器。火焰原子化器火焰原子化器：由雾化器、预混合室和燃烧器组成。雾化器将试液雾化，然后经预混合室的作用，进一步细化雾滴，并使之与燃料气均匀混合后进入火焰，利用火焰的热能将试样气化并进而解离成基态原子。无无火火焰焰原原子子化化器器：是利用电热、阴极溅射，等离子体或激光等方法使试样中待测元素形成基态原子。目前，广泛应用的非火焰原子化器是石墨炉。此法的优点是取样量少，（固体只需几毫克，液体仅用几微升）；其绝对灵敏度比火焰法高几个数量级，可达10-12g（相对灵敏度提高23个数量级）；但其精密
14、度仅达25%，比火焰法差。石墨炉原子化器由电源、炉体、石墨管三部分组成。分光系统分光系统 原子吸收光谱法应用的波长范围，一般是紫外、可见光区。常用的单色器为光栅。单色器的作用单色器的作用：主要是将光源（如空心阴极灯）发射的待测元素的共振线与其它发射线分开。由于采用空心阴极灯作光源，发射的谱线大多为共振线，故比一般光源发射的光谱简单。光谱通带，即仪器出射狭缝所能通过的谱线宽度:式中：W光谱通带（)；D倒线色散率（/mm)；S狭缝宽度（mm)。在两相邻干扰线间距离小时，光谱通带要小，反之，光谱通带可增大。当单色器的色散率一定时，应选择合适的狭缝宽度来达到谱线既不干扰，吸收又处于最大值的最佳工作条件
15、。(4)(4)检测系统检测系统 作用：作用：将单色器分出的光信号进行光电转换。广泛使用光电倍增管作检测器。光电倍增管输出的光电流，与入射光强度和光电倍增管的增益（即光电倍增管放大倍数的对数）成正比。而增益取决于打拿极的性质、个数和加在打拿极之间的电压。通过改变所加的电压，可以在较广的范围内改变输出电流。产生的电流可经负载电阻尺而变成电压讯号。(5)(5)放大及数据处理系统放大及数据处理系统放大器：一般采用同步检波放大器和相敏放大器来放大讯号。数据处理：讯号经放大器放大后，得到的只是透光度读数。必须进行对数转换，然后由指示仪表表示。而现在的仪器几乎都是用自动记录测量数据，数据显示测量数据和计算机
16、处理数据，直读分析结果。2.3 2.3 测定条件的选择测定条件的选择（1 1）分析线的选择）分析线的选择 选用元素的共振线作为分析线，共振线往往也是元素最灵敏的谱线，可使测定具有较好的灵敏度。但实际工作中并非都选用共振线，例如分析高浓度试样时，为了保持工作曲线的线性范围，选次灵敏线作为分析线是有利的。显然，对于低含量组分的测定，应尽可能选择最灵敏的谱线作分析线。（2 2）光谱区带的选择）光谱区带的选择（3 3）空心阴极灯工作电流的选择）空心阴极灯工作电流的选择（4 4）燃烧器高度的选择）燃烧器高度的选择（5 5）火焰高度的选择）火焰高度的选择（6 6）光电倍增管负高压的选择）光电倍增管负高压的
17、选择 2.4 2.4 定量分析方法定量分析方法（1 1）标准曲线法）标准曲线法 绘制A-C工作曲线（见下图）a.标准曲线弯曲现象的解释；b.控制试样校正；c.应控制吸光度在0.05-0.8之间；d.标液浓度必须在吸光度与原子浓度或直线关系所得范围内；e.仪器操作条件（光源，喷雾，火焰，通带，检测等）在整个分析过程中应保持恒定。BackBack（2 2）标准加入法）标准加入法 包括复加入法和包括复加入法和单加入法单加入法 a.a.复加入法复加入法 取若干（不少于4份）体积相同的试样溶液，从第二份开始依次递增地加入不同等分量的待测元素的标准溶液（如分别加入10g、20g、30g）。然后用蒸馏水稀释
18、至相同体积后摇匀。在相同的实验条件下依次测得各溶液的吸光度为AX、A1、A2、A3。以吸光度A为纵坐标，以加入标准溶液的浓度（或体积，绝对含量）为横坐标，作出A-C曲线，外延曲线与横坐标相交于一点，此点与原点的距离，即为所测试样溶液中，待测元素的含量（工作曲线如下）：(3)(3)间接分析法间接分析法 可用间接分析的方法测定某些非金属元素和有机化合物。b.b.单加入法单加入法 取两份同体积的试液，于其中一份加入已知量的待测元素，其量最好与试样含量相近。稀释至一定体积后分别测吸光度。按下式进行计算：式中：C试样中被测元素浓度；S试样中加入标准的浓度；Ai试样吸光度；A试样加标后的吸光度 推导得：使
19、用标准加入法应注意：只适用于浓度与吸光度成直线关系的范围；加入第一份标液浓度，应与试样的浓度接近；该法只能消除基体干扰，不能消除背景吸收等的影响。2.5 2.5 灵敏度及检出极限灵敏度及检出极限（1 1）灵敏度）灵敏度 a.a.百分灵敏度百分灵敏度 把能产生1%吸收（或0.0044吸光度）时，被测元素在溶液中的浓度（g/mL）,称为百分灵敏度或相对灵敏度。用g/mL.1%或10-6/1%表示。百分灵敏度的测定，是必须测出1%吸收时的浓度，式中：C被测溶液的浓度;A该溶液的吸光度。b.b.绝对灵敏度绝对灵敏度 能产生1%吸收（或0.0044吸光度）时，被测元素在水溶液中的质量，常用g/1%或10
20、-12g/1%（1g=10-12g）。灵敏度通常可以看作是试液浓度测定的下限。最适宜的试液浓度，应选在灵敏度的15100倍的范围内。ug/(mL1%)（2 2）检出极限（）检出极限（D DL L）a.a.相对检出极限相对检出极限 在火焰原子吸收分析中，把能产生二倍标准偏差时，某元素在水溶液中的浓度，定为相对检出极限，用g/mL或ppm表示。DL=C2/A 式中：C待测元素在水溶液中的浓度；A该溶液的吸光度；标准偏差。b.b.绝对检出极限绝对检出极限 在石墨炉原子吸收光谱分析中，把能产生二倍标准偏差读数时，待测元素的质量称绝对检出极限。常用Pg或g 表示。检出极限不仅与仪器的灵敏度有关，而且与仪
21、器的稳定性有关。既有高灵敏度又有低噪音水平的仪器才能运用于微量组分的测定。2.6 2.6 原子吸收光谱法在环境监测中的应用原子吸收光谱法在环境监测中的应用金属污染物的测定：可测定的元素有60-70种，目前测定水和废水中的主要金属元素有：Ag,Cd,Ag,Cd,Cr,Cu,Fe,Mn,Ni,Pb,SbCr,Cu,Fe,Mn,Ni,Pb,Sb,Zn,Be,Hg,K,Zn,Be,Hg,K,Na,Ca,MgNa,Ca,Mg 等。等。(1)Cu,Pb,Zn,Cd的测定（GB7475-87）；(2)Ca、Mg的测定；(3)水质、硫酸盐的测定（GB13196-91）；(4)大气尘粒中金属元素的测定；(5)大
22、气降水中Na、K的测定，原子吸收分光光度法，GB13580.12-92；(6)GB13580.13-93大气降水中Ca、Mg的测定，原子吸收分光光度法；(7)GB/T15263-94环境空气中铅的测定，火焰原子吸收分光光度法。BackBack 第三章第三章 原子荧光光谱法原子荧光光谱法3.1 3.1 概述概述 原子荧光光谱从机理来看应属于发射光谱发射光谱分析，但所用仪器及操作技术与原子吸收光谱法相近。主要优点主要优点：灵敏度较高；谱线较简单；可同时进行多元素测定；线形范围宽。3.2 3.2 原理原理 当气态基态原子被具有特征波长的共振线光束照射后，此原子的外层电子吸收辐射能，从基态或低能态跃迁
23、到高能态，大约在10-8S内又跃回基态或低能态，同时发射出与照射光相同或不同波长的光。这种现象称为原子荧光。各种元素都有特定的原子荧光光谱，故可用于定性分析；而根据原子荧光的强度，进行定量分析，但目前这种方法主要用于痕量元素的定量分析。（本节还要掌握跃迁类型、荧光强度、量子效率和荧光猝灭）3.2.1 3.2.1 跃迁类型跃迁类型 原子荧光有两大类型：共振荧光和非共振荧光。荧光线的波长与激发光的波长相同时称为共振荧光。不同时称为非共振荧光。在非共振荧光中，荧光线波长大于激发光波长的称为斯托克斯荧光，小于激发光波长的称为反斯托克斯托克斯荧光。目前，原子荧光的种类已达到14种之多。但在分析应用中的主
24、要有共振荧光，直跃线荧光、阶跃线荧光、阶跃激发荧光及敏化荧光等（如下图所示）：(1)(1)共振荧光共振荧光 是气态基态原子吸收共振线后发射出与吸收共振线相同波长的光。由于共振跃迁几率比其它跃迁几率大得多，因此共振荧光的强度最大。(2)(2)直跃线荧光直跃线荧光 直跃线荧光是非共振荧光，特点是吸收和发射过程中的高能级相同。即原子从基态激发至高能态，但不从高能态跃回到至基态，而是跃迁至能量高于基态的亚稳态。(3)(3)阶跃线荧光阶跃线荧光 受光照射激发后的原子，在发射荧光前，由于碰撞而损失部分能量后，再跃至基态，并发射出荧光。很明显，产生这种荧光的高能级不同，低能级相同。(4)(4)阶跃激发荧光阶
25、跃激发荧光 被光照射激发后的原子，通过热激发至更高的能级，然后跃至低能级，并发射出荧光，这种荧光称阶跃激发荧光。(5)(5)敏化荧光敏化荧光 敏化荧光产生的机理是首先激发某种原子（A），使成为激发态原子（A*），当激发态原子（A*）与另一种原子（B）相碰撞时，将能量转移给B原子（待测元素），使B原子激发而产生激发态原子（B*），然后（B*）原子在活化而发射出原子荧光。如下所示：(6)(6)非共振荧光非共振荧光 特别是直跃线荧光在分析上很有用处。因为非共振荧光的波长与激发态不同，容易消除其影响。测量那些低能 级不是基态的非共振荧光线，还可以克服自吸的影响。A*A+h A*+BA+B*B*B+h
26、3.2.2 3.2.2 荧光强度荧光强度 假设激发光源是稳定的，则照射到原子蒸汽上的某频率入射光强度可近似看成一常量I0,则原子吸收的辐射强度可用下式表示:式中：Ia为被吸收的辐射强度，I0为单位面积上接受的光源强度，A为受光源照射在检测系统中观察到的有效面积，l 为吸收光程长，N为单位长度内的基态原子数，为峰值吸收系数。在实际工作中，原子荧光强度与待测原子浓度成正比。3.2.3 3.2.3 量子效率（量子效率（）量子效率表示原子受激发跃迁过程的可能程度。对于荧光的发射来说，其量子效率表示荧光光子数与吸收激发光的光子数之比。荧光量子效率一般小于1。3.2.4 3.2.4 荧光猝灭荧光猝灭 在原
27、子荧光发射过程中，一部分能量变成热运动或其它形式的能量而损失。这是由于受激原子与其它粒子碰撞所引起的能量损失，称为荧光猝灭，可表示为：式中：A*为受激原子，B为其它粒子，H为热能。实验表明：不同气体引起的荧光猝灭效应不同，惰性气体氩、氦的猝灭截面比N2、O2、CO2等气体小的多。因此，实际工作中要注意原子蒸汽中能引起荧光猝灭的气体的种类及其浓度，通常用氩气来稀释火焰，可减少猝灭现象。A*+B A+B+H3.3 3.3 仪器仪器 u 原子荧光光度计原子荧光光度计 分类分类：非色散型和色散型两类（结构示意图如下）原子荧光光度计与原子吸收光度计的相同点：原子荧光光度计与原子吸收光度计的相同点：组件上
28、如原子化器（火焰和石墨炉），都是用切光 器及交流放大器来消除原子化器中直流发射讯号的干扰；检测器也均为光电倍增管等。两种仪器的区别：两种仪器的区别：在原子荧光光度计中，需要采用高强度光源；在光路中，为了检测荧光讯号，避免待测元素本身发射的谱线，故要求光源、原子化器和检测器处于直角状态，而在原子吸收光度计中，则要求三者处于一条直线上；非色散原子荧光光度计采用日盲光电倍增管，它的光阴极是有Cs-Te材料做成的，对1600-2800A波长的辐射有很高的灵敏度，对大于3200A波长则不灵敏。非色散型原子荧光仪示意图非色散型原子荧光仪示意图3.4 3.4 定量分析方法及应用定量分析方法及应用3.4.1
29、3.4.1 分析方法分析方法 FC，采用标准曲线法进行定量分析。3.4.2 3.4.2 应用实例应用实例 已应用于石油产品、燃料、化工、地球化学、水质、生物、同位素分析中。应用示例 原子荧光光谱法分析实例原子荧光光谱法分析实例试 样 测 量 元 素 含量 相对标准偏差/%湖水 Ca Mg Co Cu Fe Mn Ni Zn纯水 Ca Mg Ag Ni Mn 0.01-1.58-4.82 0.001g/mL粗柴油 Ni 0.04g/mL 5-7肥料 Cu Fe Zn Mn Ca Mg 5.46-122.5ppm 1.0-2.0面粉 Hg 0.6ng 血清 Cu Zn 0.03-0.06g/mL
30、K B,因此，A组分在移动过程中滞后。随着两组分在色谱中移动距离的增加，两峰间的距离逐渐变大，同时每一组分的浓度轮廓（即区域宽度）也慢慢变宽。若要使A、B两组分完全分离，必须满足以下三点：浓度ABABKAKB沿柱移动的距离L 若要使A、B两组分完全分离，必须满足以下三点：第一，两组分的分配系数必须有差异；第二，区域拓宽的速率应小于区域分离的速度；第三，在保证快速率分离的前提下，提供足够长的分离柱。前两点是完成分离的必要条件。作为一个色谱理论，它不仅应说明组分在色谱中移动的速率，而且应说明组分在移动过程中引起区域扩宽的各种因素。塔板理论和速率理论均为色谱过程中分配系数恒定为前提，故称为线性色谱理
31、论。速率理论对色谱分离条件的选择具有实际指导意义。u塔板理论塔板理论 塔板模型将一根色谱柱视为一个精馏塔，即色谱柱是由一系列连续的相等的水平塔板组成。每一快塔板的高度用H表示，称为塔板高度，简称板高。塔板理论假设：塔板理论假设：在每一快塔板上，溶质在两相间很快达到分配平衡，然后随着流动相按一个一个塔板的方式向前转移。对一根长为L的色谱柱，溶质平衡的次数应为：n为理论塔板数。与精馏塔一样，色谱柱的柱数随理论塔板数n的增加而增加，随板高H的增加而减小。塔板理论指出：塔板理论指出：塔板理论指出塔板理论指出：第一，当溶质在柱中的平衡次数，即理论塔板数n 50时，可得到基本对称的峰形曲线。在色谱柱中，n
32、值一般是很大的，因而这时的流出曲线可趋近于正态分布曲线；第二，当样品进入色谱柱后，只要各组分在两相间的分配系数有微小差异，经过反复多次的分配平衡后，仍可获得良好的分离；第三，n与半峰宽及峰底宽的关系为：式中，tr与y1/2应采用同一单位（时间或长度单位）表示。由以上两式可知：在tr一定时，如果色谱峰越窄，则说明n越大，H越小，柱效能越高。柱效（柱效（H有效有效）在实际工作中，常用有效塔板数n有效数表示柱效。即，柱效是判断色谱柱好坏的一个尺度，但还不完全；判断色谱柱好坏的另一个尺度是分离效率（分离度）：相邻两峰的保留时间之差与其各自半峰宽之和的比值。即，可见，两时间保留时间差越大，两峰相距越远；
33、两峰越窄，R越大。相邻两组分分离就越好。一般认为R1.5时，两个组分就可以完全分离。R和n有效的关系用数学式表示为：6.1.3 6.1.3 速率理论速率理论 1956年，荷兰学者范第姆特（Van Deemter）等人指出了反映决定塔板高度的条件，提出了色谱过程的动力学理论速率理论，并同时考虑影响板高的动力学因素，指出填充柱的柱效受分子扩散、传质阻力、载气流速等因素的控制，从而较好地解释了影响板高的各种因素。速率理论指出：普峰扩宽受三个动力学因素控制，即涡流扩散项，分子扩散项，传质阻力项。用板高方程表示为：式中，是流动相的平均线速，A、B、C为常数，分别代表涡流扩散项系数，分子扩散项系数，传质阻
34、力项系数。(1)(1)涡流扩散（涡流扩散（A A）项）项 式中，为填充不规则因子（由柱中固定相颗粒不均匀性所决定）；d为固定相颗粒粒径。由上式可见：使用粒度细和颗粒均匀的填料，是减少涡流扩散和提高柱效的有效途径。在填充柱色谱中，流动相通过填充物的不规则空隙时，其流动方向不断改变，形成紊乱的类似“涡流”的流动。(2)(2)分子扩散项（纵向扩散项分子扩散项（纵向扩散项 ）纵向扩散是组分进入色谱柱后，由于柱中存在浓度梯度，使组分由高浓度向低浓度扩散引起的，其扩散方向与载气运动方向一致，是沿着纵向扩散。式中，弯曲因子（反映柱中流路弯曲的情况）;Dg 组分分子在气相中的扩散系数；载气的平均线速度。一般情
35、况下，=0.50.7，而在空心柱中，扩散不受障碍 1；Dg受组分及载气性质、柱温的影响，与组分在载气中扩散系数及载气分子量的平方根成正比；与组分在柱中停留时间有关，停留时间越长，越小，色谱峰扩展越严重。因此，为了减小纵向扩散项（B/），可采用较高的载气流速，使用相对分子量较大的载气(如 N2),控制较低的柱温。(3)(3)传质阻力项传质阻力项 气相传质阻力项（气相传质阻力项（C Cg g）式中，k分配比；载气的平均线速度；dp 填充物的平均直经；DG 组分分子在气相中的扩散系数。由上式可知：气相传质阻力与固定相粒度平方成正比，与组分在气相中的扩散系数成反比。为了降低由气相传质阻力所形成的塔板高
36、度分量，可选用小颗粒固定相及分子量小的气体作载气。液相传质阻力项（液相传质阻力项（C Cl lu u）式中，k分配比；载气的平均线速度；Dl 组分分子在液相的扩散系数；df液膜厚度。由上式可知：液相传质与固定相液膜厚度成正比，与组分分子在液相的扩散系数成反比。因此，使用低固体液含量以降低液膜厚度，加快组分在固定液中的扩散，可缩小液相传质阻力所形成的塔板高的分量。注注：在高效液相色谱中，液相传质阻力项是影响板高H的主要因素。6.2 6.2 分离条件的选择分离条件的选择6.2.1 6.2.1 色谱柱色谱柱 柱形、内径、柱长直接影响柱效，要选择适当。柱长一般选用0.66m。为达到最佳分离效果，最小柱
37、径应与进样量相匹配。填充柱内径一般为26nm，制备柱为0.910cm。使用高灵敏检测器，进样量大大减少，可采用较小的柱径，使柱效提高，最合适的内径为2mm。在程序升温中，小颗粒的温度易迅速达到平衡，亦有利于快速分析。6.2.2 6.2.2 担体担体 担体应为化学惰性、多空性、孔径分布均匀的颗粒涂漆固定液后，得到的一层均匀的薄膜，以降低df项。担体粒度应适当，对较长的柱子多用6080目担体，对较短的柱子用80100目担体。6.2.3 6.2.3 固定液及配比固定液及配比 分离气体及低沸点组分可采用液/担比为1025配比，其他组分采用520配比为宜。6.2.4 6.2.4 柱温柱温 对于气体及气态
38、烃等低沸点组分，柱温可在室温或50以下，固定液配比在1525；对于沸点为100200的混合物，柱温可稍低于其中高沸点组分的沸点，固定液配比1015；对于沸点为200300的混合物，柱温可稍低于各组分的沸点，即在150200。因在较低柱温下分析高沸点组分，故固定液配比要低，一般为510；对于沸点在300400的高沸点混合物，可在200250柱温下，使用小于3的固定液配比；对于沸程宽的多组分混合物，可使用程序升温法。即在分析过程中，按一定速度提高柱温。6.2.5 6.2.5 载气及流速载气及流速 选择载气首先要考虑它是否适合所用检测器。若检测器对载气无特殊要求，选择分子量大的载气（N2或Ar等）可
39、以使速率方程的（B=2Dg）的影响减小，从而提高柱效。但是载气流速较高时，应选用分子量小的气体作为载气。载气流速（u）与塔板高（H）存在如下关系：式中，A为涡流扩散项（截距），与u无关；纵向扩散B/u为双曲线与其渐近线之间的垂直距离；而渐近线与截距之间的距离为气相传质阻力与液相传质阻力（Cg+Cl）u对H的作用。由上式可知，纵向扩散与气相传质阻力项均与组分在载气中的扩散系数Dg有关，而Dg随载气分子量的加大而减小。6.2.5 6.2.5 进样进样 进样量与气化温度，柱容量及仪器的线性响应范围等因素有关。进样量要适当，此时，分配系数K保持一个常数，所得色谱峰形对称，在一定操作条件下保留值恒定。若
40、进样量太大，峰形不对称程度增加且保留值也发生变化；若太小，会因检测器灵敏度不够而不能检出。另外，进样量的大小直接关系到谱带的初始宽度，初始宽度越大，经过柱内外展宽后，进入检测器的最终带宽也就越大，越不容易分离。进样量应控制在能瞬间气化，达到规定分离度要求和线性响应的允许范围之内。填充柱淋洗法的瞬间进样量为液态，一般为0.0110l；气体样品一般为0.110l为宜。进样操作要迅速，使样品在汽化室中立刻全部汽化成蒸汽，被载气带入色谱柱；进样缓慢会造成峰形扩能，不利于分离进样器读数要准确。BackBack 第七章第七章 气相色谱分析法气相色谱分析法7.1 7.1 气相色谱仪气相色谱仪 组组成成：气路
41、系统、电路系统、分离系统、检测系统等部分组成（结构示意图如下）：l 气路系统气路系统 净化器：用来提高载气纯度的装置。净化剂主要有活性炭、硅胶和分子筛、105催化剂，分别用来除去烃类杂质、水份、氧气；稳压阀：用于调节气体流量和稳定流程中的气体压力；稳流阀：为了更好地稳定气体流速；流量计：一般用转子流量计来计量气体流量；压力表：用于指示色谱柱前载气压力Pi；六通阀：一种常用的气体样品进样装置；气化器：把注入的液态样品在瞬间气化。气化器应满足以下要求气化器应满足以下要求：进样方便，密封性好；热容量大，以便气化时温度无明显下降；无催化活性：在气化器内衬以石英玻璃管，可以使汽化室不具催化活性；死角小。
42、l电路系统电路系统 气相色谱仪的电路系统组成：电源、温度控制器、微电流放大器及记录仪等。根据处理系统，程序升温和程序变流的控制器。基本要求：结构简单，使用方便，性能稳定，响应迅速等。l分离系统分离系统 色谱柱是色谱分离的核心部件，色谱柱的选择和制备是色谱分析的关键。气相色谱有气固和气液两种色谱柱。目前应用最多的是气液色谱。气固色谱 柱内固定相为吸附剂，分离常温下的气体及气态烃类时，用气液色谱有一定的困难，常用吸附剂作固定相。常用的吸附剂有：活性炭、分子筛、硅胶、氧化铝等。气液色谱 气液色谱的固定相是担体（固体颗粒）涂渍着固定液，固定液在室温下呈液体状态。担体可分为硅藻土型和非硅藻土型两大类。硅
43、藻土担体在目前使用最普遍。l检测系统检测系统 检测系统部件中主要是监测器，它是反映柱后流出组分变化的装置。载气携带组分进入检测器时，它根据组分与载气的物理性质上的差异产生相应的电讯号。检测器应具备的性能：灵敏度高，稳定性好，死体积小，线性范围宽，检测限低等特性。按响应特性检测器可分为按响应特性检测器可分为：浓度型检测器 测量的是载气中组分浓度瞬间的变化，响应值取决于载气中组分的浓度，如热导检测器，电子捕获监测器等。质量型检测器 测量的是载气携带的组分进入检测器的速度变化，即检测器的响应取决于单位时间组分进入检测器的质量。如氢烟检测器，火焰光度检测器等。BackBack7.2 7.2 定性分析法
44、定性分析法 常用的定性方法主要有以下几种：（1）保留值定性：在固定相及操作条件下恒定时，每种组分都有恒定保留值，可作为定性依据。绝对保留值法：又分为保留时间法和保留体积法，此法必须严格控制在柱长、柱温、固定液配比及载气流等因素一致的情况下操作。相对保留值法：在某一固定相及柱温下，分别测组分及基准物（或标准）S的校正保留值，求出其相对保留值，即可定性比较，文献中能查到某些组分的相对保留值。（2）加已知物增峰法 先将未知物的色谱峰作出，然后在未知样品中加入一种已知的纯物质在相同实验条件下又得一色谱图。峰高增加的组分即可能为这种已知物。7.3 7.3 定量分析方法定量分析方法 7.3.1 7.3.1
45、 峰面积的测量峰面积的测量（1）对称峰面积的测量 峰高乘半峰宽法：实际的峰面积应乘以校正系数1.065，即：该法不适宜对窄峰、不对称峰和分离不完全、重叠较重的色谱峰定量。峰高乘保留时间法：在一定操作条件下，同系数的半峰宽与保留时间成正比。即：（2）不对称峰面积的测量峰高乘平均峰宽法：剪纸称重法 7.3.2 7.3.2 定量校正因子定量校正因子 为了使峰面积（或峰高）正确的反映出物质的含量，就要对峰面积（或峰高）进行校正，因而引入“定量校正因子（m1)”式中，Ai为单位面积所代表的物质的量，fi为绝对校正因子。绝对校正因子：相对校正因子：式中：Ai，As 分别为组分或标准物质的峰面积;mi,ms
46、分别为组分或标准物质的量（用质量或摩尔质量表示）。相对校正因子也可换算为相对响应值（Si）。当单位相同时，相对响应值为相对校正因子的倒数，即：相对校正因子和相对响应值与试样、标准物质及检测器类型有关，与操作条件、柱温、载气流速、固定液性质无关。7.3.3 7.3.3 定量方法定量方法 常用定量方法：归一化法、内标法、外标法、标准加入法。归一化法：可用式表示，若用fm/，测得组分的摩尔百分含量，如用f/w,则是质量百分数；Ci组分i的百分含量（）；Ai组分i的峰面积。当样品中各组分的fi/很相近（如同系物中沸点接近相同），则上式可简化为：若色谱峰形对称、窄长、操作条件稳定，使各组分色谱峰的半峰宽
47、不发生变化，也可用峰高代替峰面积进行归一化法定量，即 内标法内标法 当试样中所有组分不能全部出峰，或只要测定试样中某几个组分时，可采用此法。将一定量的纯物质作为内标物加到准确称取的待测样中，根据待测组分和内标物的峰面积来计算被测组分的含量。内标物应是待测试样中不存在的纯物质，加入的量应接近待测组分的量，同时要求内标物的色谱峰应位于待测组分色谱峰附近或几个待测组分色谱峰的中间。内标标准曲线法：因内标法每次分析时，都要准确称取试样和内标物质，较费事，不适用于快速控制分析。采用内标标准曲线法进行定量测定可避免这些麻烦。内标法的要求：内标物必须是待测试样中不存在的，但其结构或官能团与组分要相似，内标物
48、与样品互溶，内标峰应与试样中的各组分的峰分开，并尽量接近欲分析的组分，二者的加入量即浓度相近，在分析条件下内标物不与样品发生反应。内标物法的缺点：在试样中增加了一个内标物，常常给分离造成一定的困难。外标法外标法 方法步骤：取纯物质配成一系列不同浓度的标准溶液，然后分别取一定体积，注入色谱仪，测出峰面积，作峰面积（或峰高）和浓度的标准曲线。然后在相同条件下注入等量（固定量进样）待测样，测出该试样的峰面积（或峰高），由上述标准曲线查出待测组分的含量。当待测样品组分浓度变化不大时，可不作标准曲线，用单点校正法，即配制一个和被测组分含量十分接近的标准样CS，取相同量的标准液和待测液分别注入色谱仪，测得
49、相应的AS和Ai。由待测组分和标准样的峰面积（或峰高）比，可求得待测组分的含量。外标法的优缺点：此法方便简单，勿需校正因子，但要求操作条件要稳定，进样重复性高，否则误差较大。见内标标准曲线和外标标准曲线图 Ci%组分1组分2内标标准曲线法Ai/AsCi%组分1组分2外标标准曲线法组分3标准加入法标准加入法 标准加入法类似于内标法，区别在于内标物是样品某一组分。而内标法中的内标物应是样品原来没有的物质。凡是找不到适当内标物，或是色谱图容纳不下内标物的峰的情况下，就可用标准加入法。具体步骤是：先分离样品得一色谱图，在待测样品中加入一定量该组分，测得加标后得峰面积。由响应值增量A计算出该组分在样品中
50、的浓度。可表示为：式中，m,mi分别为加标量及取样量(g);A,Ai分别为两峰面积。优缺点：标准加入法适用于样品组分复杂的情况，其缺点是，由于进样两次，分离较费时，二次进样误差加倍。BackBack 第八章第八章 高效液相色谱分析法高效液相色谱分析法8.18.1 高效液相色谱仪高效液相色谱仪 主要组成：高压输液系统、进样系统、分离系统和检测系统（如图示）。另外还有一些附属装置。工作过程工作过程高压泵将贮液罐的溶剂经进样器送入色谱柱中，然后从检测器的出口流出。当欲分离样品从进样器进入时，流经进样器的流动相将其带入色谱柱中进行分离，然后依先后顺序进入检测器。记录仪将进入检测器的信号记录下来，得到液