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1、现代检测技术,环境分析化学的发展与应用,0.绪论1.色谱技术的理论与应用2.质谱分析与色-质联用技术3.光谱分析的发展与应用4.水质分析仪器的原理与应用5.环境样品的前处理技术,第2 章 色谱分析的理论与应用,色谱分析：利用混合物中不同组分在两相间的分配系数的差别，在两相做相对运动时，各物质在两相间进行多次分配，从而使各组分得到分离。Martin 用热力学的观点描述了组分在色谱柱内的分配平衡和分离过程。,2.1 色谱分析基础,mm/ms,流出时间,响应信号,2.1.1 色谱流出曲线,2.1 色谱分析基础,2.1.1 色谱流出曲线,2.1 色谱分析基础,保留值：试样中各组分在色谱柱内保留特性的数
2、值。保留时间tr、死时间t0、调整保留时间tr；保留体积Vr、死体积V0、调整保留体积Vr；相对保留值r2,1：相对保留值只与柱温及固定相性质有关，与柱长度、柱径、流动相流速等无关。流出曲线的信息组分最小个数、定性分析、定量分析；分离效能、选择性。,2.1.2 色谱法的基本原理,2.1 色谱分析基础,两峰之间的距离：由组分在两相间的分配系数决定，与色谱过程的热力学有关。分配系数：在一定温度和压力下，组分在固定相和流动相之间分配达平衡时的浓度之比值。分配比：在一定温度和压力下，组分在两相间分配达平衡时，分配在固定相和流动相中的质量比。,由Martin引入的塔板理论，用热力学的观点描述了组分在色谱
3、柱内的分配平衡和分离过程。显然，对于长度为 L 的色谱柱，塔板数 n 越多，理论塔板高度 H 越小，柱效能就越高。,mm/ms,2.1.2 色谱法的基本原理,2.1 色谱分析基础,在保留时间 tr 中扣除死时间 t0，可以得出计算有效理论塔板数 neff 的关系式：另外，流出曲线在 n50 以后，趋于正态分布。其表达式：,2.1.2 色谱法的基本原理,2.1 色谱分析基础,2.1.2 色谱法的基本原理,2.1 色谱分析基础,色谱峰的宽度：由组分在色谱柱中传质和扩散行为决定的，与色谱过程的动力学性质有关。速率理论吸收了塔板高度的概念，用动力学的观点描述了组分两相之间的扩散和传质过程。u 流动相在
4、柱内的线速度；A 涡流扩散项系数；B 分子扩散项系数；C 传质阻力系数。,由荷兰学者 van Deemter 在1956 年提出。对气相、液相色谱都适用。将影响柱效能的因素归结为三个系数。,(1)涡流扩散项 A：流动相受固定相颗粒的障碍，不断改变方向，使组分分子形成类似“涡流”的流动。A 与填充物的平均粒径 dp 和填充不规则因子 有关：,2.1.2 色谱法的基本原理,2.1 色谱分析基础,(2)分子扩散项 B/u：浓度梯度造成组分分子的纵向扩散，使谱带展宽。B 与弯曲因子 和组分在流动相的扩散系数 Dg 有关：,2.1.2 色谱法的基本原理,2.1 色谱分析基础,(3)传质阻力项 Cu：气相
5、色谱与液相色谱的传质过程不同，传质阻力系数的计算也不同。对于气相色谱，传质阻力系数包括气相传质阻力系数 Cg 和液相传质阻力系数 Cl。填充柱的气相传质阻力系数为：液相传质阻力系数为：,2.1.2 色谱法的基本原理,2.1 色谱分析基础,(4)van Deemter方程：气相色谱的板高方程为：方程指出了色谱柱填充的均匀程度、填料的粒度、流动相的种类以及流速、固定相的液膜厚度等对柱效的影响。对于液相色谱，van Deemter方程可表示为：,2.1.2 色谱法的基本原理,2.1 色谱分析基础,2.1.3 色谱的分离方程,2.1 色谱分析基础,定义分离度：R 越大，表明相邻两组分分离得越好，R=1
6、.5 时认为两峰已完全分离；,R=1.5,R=1.0,R=0.75,2.1.3 色谱的分离方程,2.1 色谱分析基础,则色谱的分离方程可表示为：或者 对确定的固定相，分离度将取决于理论塔板数n；而选择合适的固定相和流动相，使 尽可能的大，是提高分离度的根本方法。,对于A、B两组分，选择因子 定义为：,填充柱在运行中存在严重的涡流扩散，影响柱效的提高。Golay 发明的空心毛细管色谱柱解决了这一问题。毛细管柱的理论塔板数每米约 2000 5000，总柱效最高可达106。还具有柱容量小、出峰快等特点。毛细管气相色谱仪在柱前有一个分流/不分流进样器，柱后加一个尾吹气路。大口径毛细管（0.53 mm）
7、柱的使用，使得毛细管柱的直接进样系统得到发展。,第2 章 色谱分析的理论与应用,2.2 毛细管气相色谱,毛细管色谱柱分填充型和开管型两种。填充型：填充毛细管柱、微型填充柱。现已很少使用。开管型：主流毛细管柱，有多种形式。涂壁开管柱：经典毛细管柱，最常用的一种。多孔层开管柱：涂层为固体吸附剂，气固色谱柱。载体涂渍开管柱：内必有载体涂层，柱容量大。交联型开管柱：固定液在毛细管壁上交联，发展迅速。键合型开管柱：固定液与毛细管壁通过化学键连接。毛细管柱长度可达 10 100 m，内径在 0.1 0.8 mm。,2.2.1 毛细管色谱柱,2.2 毛细管气相色谱,与填充柱相比，毛细管柱有如下特点：渗透性好
8、，比渗透率是填充柱的 100 倍，因而毛细管柱可以长达几百米；相比率大，有利于提高柱效并实现快速分析；,流动相体积与固定相体积之比：,2.2.1 毛细管色谱柱,2.2 毛细管气相色谱,与填充柱相比，毛细管柱有如下特点：柱容量小，允许进样量少，一般 10-3 10-2 l；总柱效高，可达 106 左右；涡流扩散项 A=0；,2.2.1 毛细管色谱柱,2.2 毛细管气相色谱,进样量取决于柱内固定液含量,单位长度柱效略优于填充柱长度可比填充柱达1 2数量级,色谱柱固定液的极性对其性能影响较大，与毛细管柱的对应关系如下：,2.2.1 毛细管色谱柱,2.2 毛细管气相色谱,McReynolds 固定液特
9、征常数,色谱柱固定液的选择一般以“相似相溶”为原则；分离非极性物质：选用非极性固定液，按组分的沸点由低到高流出；分离极性物质：选用极性固定液，按组分的极性由小到大流出；分离非极性和极性混合物：一般选用极性固定液，非极性组分先流出，按组分的极性由小到大流出；复杂的难分离物质：有些可以使用专用色谱柱，或者通过实验选择。,2.2.1 毛细管色谱柱,2.2 毛细管气相色谱,分流进样法：瞬间气化，分流。适合于较高浓度的样品；不分流进样法：气化时无分流气体，然后分流排出残留物质；直接进样法：适合于大口径毛细管柱。,2.2.2 毛细管色谱进样系统,2.2 毛细管气相色谱,进样,气相色谱的检测器,2.2.3
10、气相色谱检测器与应用,2.2 毛细管气相色谱,氢火焰离子化检测器（FID）：利用含碳有机物在火焰中燃烧产生离子，在外加电场作用下形成离子流。应用最为广泛；不能检测永久性气体。车间环境分析：,2.2.3 气相色谱检测器与应用,2.2 毛细管气相色谱,热导检测器（TCD）：依据物质的导热系数的不同，测量温度的变化。通用性好，灵敏度不高；常用于检测永久性气体。水性涂料分析：,2.2.3 气相色谱检测器与应用,2.2 毛细管气相色谱,电子捕获检测器（ECD）：放射性离子化检测器。选择性好，适合电负性物质；灵敏度非常高；常用于检测含卤素化合物。,2.2.3 气相色谱检测器与应用,2.2 毛细管气相色谱,
11、电子捕获检测器（ECD）水中卤代烃分析实例：,2.2.3 气相色谱检测器与应用,2.2 毛细管气相色谱,电子捕获检测器（ECD）农药分析实例：,2.2.3 气相色谱检测器与应用,2.2 毛细管气相色谱,火焰光度检测器（FPD）：相当于把FID和光度计结合在一起。选择性检测器，灵敏度高；用于检测含硫、磷化合物；,2.2.3 气相色谱检测器与应用,2.2 毛细管气相色谱,火焰光度检测器（FPD）磷化物分析实例（FPD-P方式）；,2.2.3 气相色谱检测器与应用,2.2 毛细管气相色谱,火焰光度检测器（FPD）空气中恶臭成分分析 实例（FPD-S方式）：,2.2.3 气相色谱检测器与应用,2.2
12、毛细管气相色谱,火焰热离子检测器（TID）：与FID结构相似，不同之处是喷嘴上方有一个碱金属盐的陶瓷珠。选择性检测器；用于检测含氮、磷的化合物；,2.2.3 气相色谱检测器与应用,2.2 毛细管气相色谱,火焰热离子检测器（TID）农药分析实例：,2.2.3 气相色谱检测器与应用,2.2 毛细管气相色谱,高效液相色谱是在经典液相色谱和气相色谱的基础上，在 70 年代初迅速发展起来的一种新型分离手段。高效液相色谱具有高速、高效、高压和高灵敏度等特点。高速：与经典色谱比较。分析时间一般小于60分钟。高效：柱效可达30000塔板/米以上。高压：因色谱柱阻力较大，需要150105 350105Pa。高灵
13、敏度：紫外检测器10-9g，荧光检测器可达10-11g。,2.3 高效液相色谱,第2 章 色谱分析的理论与应用,与气相色谱比较，有如下区别：可应用于高沸点、热稳定性差、相对分子量大的有机物（占有机物总数的 75%80%），而气相色谱只适用于挥发性物质；流动相对分离起很大作用，改变流动相的组成可以有效控制 k 值，相当于增加了一个控制分离条件的参数；色谱柱不能太长，不能象毛细管柱那样可以得到很高的柱效；没有高灵敏的通用检测器（如ECD、FID等），但有特殊检测器（电化学检测器、示差折光检测器等）；仪器设备造价较高，操作要求较严格；,2.3 高效液相色谱,第2 章 色谱分析的理论与应用,2.3.1
14、 高效液相色谱仪的组成高效液相色谱仪一般由四个部分组成：高压输液系统、进样系统、分离系统和检测系统。,进样器,2.3 高效液相色谱,第2 章 色谱分析的理论与应用,(1)高压输液系统：核心部分是输液泵，目前普遍使用的是往复泵。另外包括储液罐、过滤器、压力脉动阻力器等。通常要求输出流量恒 定，波动小于 0.5%；有足够的输出压力，达到 40 60 Mpa；分析性仪器流量一般 在 3 ml/min 以内，制 备型的约 10 20 ml/min。,2.3.1 高效液相色谱仪的组成,2.3 高效液相色谱,(2)进样系统：常见有直接注射进样和六通阀进样两种。直接进样操作简便，并可获得 较高的柱效，但不能
15、承受高压；六通阀进样的可变范围大，进样准确，耐高压，易于自动化，缺点是容易造成色谱峰柱前展宽；,2.3.1 高效液相色谱仪的组成,2.3 高效液相色谱,(3)分离系统：色谱柱是分离系统的核心，长度在 5 30 cm 左右，内径约 4 5 cm。高效填料为 5 10 m 的球型颗粒，；有足够的输出压力，达到 40 60 Mpa；,保护柱,0.5过滤片,2.3.1 高效液相色谱仪的组成,2.3 高效液相色谱,(4)检测系统：液相色谱的检测器可以分为溶质型检测器和总体型检测器两种，包括紫外、荧光、电化学检测器以及示差折光、介电常数检测器等。(5)附属系统：包括脱气、梯度淋洗、再循环、恒温、自动进样、
16、馏分 收集和数据处理系统等。,2.3.1 高效液相色谱仪的组成,2.3 高效液相色谱,依据流动相和固定相的状态或作用机制不同，高效液相色谱可以分为如下几种模式。(1)液-液分配色谱法：流动相和固定向都是液体，两相互不相溶。与气相色谱一样，分配系数的大小决定分离的顺序。但液相色谱的流动相对分配系数有较大影响；,2.3.2 高效液相色谱的主要类型,2.3 高效液相色谱,(1)液-液分配色谱法：流动相和固定向都是液体，两相互不相溶。液相色谱的流动相对分配系数有较大影响，改变流动相的组成，可以有效地控制 k 值；,2.3.2 高效液相色谱的主要类型,2.3 高效液相色谱,(1)液-液分配色谱法：流动相
17、和固定向都是液体，两相互不相溶。当时用亲水性固定液时，则通常使用疏水性流动相，称正相分配色谱。使用疏水性固定液和亲水性流动相，则称反相分配色谱。其出峰顺序正好与正相色谱相反；当通过化学反应将固定相键合在担体上时，便形成了化学键合色谱。化学键合固定相可以有效地解决固定液流失问题，是目前最广泛应用的色谱方法。化学键合固定相的分离原理为吸附过程与液-液分配双重机制兼有。,2.3.2 高效液相色谱的主要类型,2.3 高效液相色谱,当通过化学反应将固定相键合在担体上时，便形成了化学键合色谱。化学键合固定相可以有效地解决固定液流失问题，是目前最广泛应用的色谱方法。,(1)液-液分配色谱：当通过化学反应将固
18、定相键合在担体上时，便形成了化学键合色谱。,2.3.2 高效液相色谱的主要类型,2.3 高效液相色谱,(1)液-液分配色谱：当通过化学反应将固定相键合在担体上时，便形成了化学键合色谱。,2.3.2 高效液相色谱的主要类型,2.3 高效液相色谱,(2)液-固吸附色谱法：流动相为液体，固定相为吸附剂，依靠物质的竞争吸附过程将其分离。试样分子进入分离柱后，在吸附剂表面与流动相分子发生竞争吸附：Xm+nSa Xa+nSm 达到平衡时 K 称为吸附平衡系数，亦即分配系数。,2.3.2 高效液相色谱的主要类型,2.3 高效液相色谱,(2)液-固吸附色谱法：流动相为液体，固定相为吸附剂，依靠物质的竞争吸附过
19、程将其分离。液-固色谱对具有不同官能团的化合物和异构体有较高的选择性；由于非线性等温吸附，液-固色谱容易产生拖尾现象。,2.3.2 高效液相色谱的主要类型,2.3 高效液相色谱,(3)离子交换色谱法：采用离子交换树脂作为固定相，依据不同离子有不同亲和力而将其分离。试样离子进入分离柱后，与树脂上可电离离子进行可逆交换：B+R-A A+R-B 达到平衡时 r 代表树脂相，A 为洗脱剂，B为试样,2.3.2 高效液相色谱的主要类型,2.3 高效液相色谱,(3)离子交换色谱法：采用离子交换树脂作为固定相，依据不同离子有不同亲和力而将其分离。流动相大多为一定pH值和离子强度的缓冲溶液；固定相有多孔型离子
20、交换树脂、薄膜型离子交换树脂、表面多孔型离子交换树脂和离子交换键合固定相等。不仅适用于无机离子（如稀土化合物）的分离，还用于有机离子如氨基酸、核酸、蛋白质等的分离；对没有紫外吸收的离子，难于有效检测。,2.3.2 高效液相色谱的主要类型,2.3 高效液相色谱,(4)离子色谱法：由离子交换色谱法派生出来的一种分析方法。通常以电导池作通用检测器，并设置了抑制柱。后来又发展出非抑制型。是多组分痕量无机阴离子分析的利器；也可以分析有机阴阳离子以及氨基酸、核酸、糖类等生物样品。,2.3.2 高效液相色谱的主要类型,2.3 高效液相色谱,(4)离子色谱法：由离子交换色谱法派生出来的一种分析方法。以分析 B
21、r 为例，洗脱液为NaOH，则在分离柱中 ROH+Na+Br 洗脱/交换 R Br+Na+OH通过抑制柱时 RH+Na+OH RNa+H2O RH+Na+Br RNa+H+Br非抑制型离子色谱是近年来发展起来的，采用苯甲酸盐或邻苯二甲酸盐等低电导洗脱液。,2.3.2 高效液相色谱的主要类型,2.3 高效液相色谱,(5)离子对色谱法：采用化学键合固定相，流动相中加入与溶质电荷相反的对离子。是解决强极性有机酸、碱分析的有效办法。离子对的分配机理如下：X+水相+Y水相 X+Y有机相 达到平衡时 则其分配系数为,2.3.2 高效液相色谱的主要类型,2.3 高效液相色谱,(5)离子对色谱法：采用化学键合
22、固定相，流动相中加入与溶质电荷相反的对离子。是解决强极性有机酸、碱分析的有效办法。目前应用最广泛的是反相离子对色谱，采用十八烷基键合固定相，甲醇-水或乙腈-水作极性流动相。特别适合于核酸、核苷、儿茶酚胺、生物碱以及药物的分离分析。,2.3.2 高效液相色谱的主要类型,2.3 高效液相色谱,(6)空间排阻色谱法：与其他色谱法的分离机理不同，是基于试样分子的尺寸和形状不同来实现分离的。,固定相是具有不同孔径的多孔凝胶，不同大小的溶质分子可以渗透到不同大小、不同深度的凝胶孔内。分子越小，保留时间越长，溶剂分子通常最小，因而最后被洗脱。,2.3.2 高效液相色谱的主要类型,2.3 高效液相色谱,空间排
23、阻色谱被广泛应用于大分子的分级，或用来分析大分子物质的相对分子量分布。空间排阻色谱的特点：,保留时间是分子尺寸大小的函数。保留时间短，谱峰窄，易检测。固定相与分子间作用力弱，柱寿命长。不能分辨分子大小相近的化合物。,2.3.2 高效液相色谱的主要类型,2.3 高效液相色谱,(7)分离类型的选择：相对分子量2000：常用空间排阻色谱，以水或非水为流动相。相对分子量2000：同系物正相或反相分配色谱不溶于水时：异构体、多官能团吸附色谱 分子大小差异排阻色谱溶于水、不离解：反相分配色谱、小孔排阻色谱溶于水、可离解：离子交换色谱溶于水、强极性离子：反相离子对色谱。,2.3.2 高效液相色谱的主要类型,
24、2.3 高效液相色谱,对高效液相色谱检测器的要求：灵敏度高、重现性好、响应快；适用范围广、现性范围宽；对流动相的流量、温度、浓度等的波动不敏感；死体积小。常用检测器：溶质性检测器：紫外光度检测器、荧光检测器、电化学检测器；总体检测器：示差折光率检测器、电导检测器；,1.色谱技术的理论与应用,1.3.3 高效液相色谱的检测器,(1)紫外光度检测器：基于被测组分对特定波长紫外光的选择性吸收，分固定波长（单波长或多波长）和可调波长（紫外-可见分光）两类，近年又有二极管阵列检测器逐渐应用。双光路固定波长紫外检测器：,1.色谱技术的理论与应用,1.3.3 高效液相色谱的检测器,低压汞灯，固定波长254、
25、280 nm。,测量池，510 L，510 mm。,参比池，510 L，510 mm。,滤光片。,检测器，光电管、光电倍增管或光敏电阻。,(1)紫外光度检测器：光电二极管阵列检测器：可以获得三维色谱-光谱图（波长-时间-吸光度）。,1.色谱技术的理论与应用,1.3.3 高效液相色谱的检测器,光源，紫外或可见光连续光谱。,流通池。,入射狭缝。,光栅。,检测器，由几百个光电二极管组成阵列，快速扫描读取光谱数据，每幅图像需0.01 s。,1.色谱技术的理论与应用,(1)紫外光度检测器：灵敏度高，最低检出限可达10-9 g/ml；对流动相的温度、流速不敏感，可用于梯度淋洗；不适用于无紫外吸收的试样（约
26、20%的样品）；溶剂选择受限制。,1.3.3 高效液相色谱的检测器,(2)荧光检测器：利用某些物质具有荧光特性来检验。,1.色谱技术的理论与应用,1.3.3 高效液相色谱的检测器,光源，卤化钨灯。,激发光滤光片。,发射光滤光片。,检测器，光电倍增管。,流通池。,(2)荧光检测器：选择性强。适合于稠环芳烃、维生素B、黄曲霉素、卟啉化合物等，以及生化物质如甾族化合物（胆固醇、胆酸、维生素D等）、氨基酸、胺类、蛋白质、色素、药物、农药等；灵敏度高，检出限可达10-12 10-13 g/ml，比紫外检测器高 2 3个数量级；对流动相的温度、流速不敏感，可用于梯度淋洗；现性范围较窄，仅约为103。,1.
27、色谱技术的理论与应用,1.3.3 高效液相色谱的检测器,(3)示差折光检测器：溶液的折射率为溶剂折射率和溶质折射率乘以各自的浓度之和。,1.色谱技术的理论与应用,1.3.3 高效液相色谱的检测器,光源。,红外滤光片。,工作池。,参比池。,平面反光镜。,平面细调透镜。,分束棱镜。,(3)示差折光检测器：几乎每种物质都有不同的折射率，是通用型浓度检测器；灵敏度可达10-7 g/ml；对温度变化很敏感，温度控制精度需要 10-3 C；不能用于梯度淋洗；,1.色谱技术的理论与应用,1.3.3 高效液相色谱的检测器,1.色谱技术的理论与应用,1.3.3 高效液相色谱的检测器,(4)电导检测器：基于流动相
28、导电能力的变化，特别是合于离子色谱（多数无机离子既无紫外吸收，也不激发荧光）。,1.色谱技术的理论与应用,1.3.3 高效液相色谱的检测器,(4)电导检测器：通常采用 50 1000 Hz、5 10 V 电源；温度影响较大，温度系数约 0.02/C；灵敏度较低。,1.色谱技术的理论与应用,1.3.4 高效液相色谱应用实例,(1)取代尿素除莠剂的分析：a)反相键合色谱：C8改性多孔硅质球 甲醇:水=75:25b)正相键合色谱：氰基键合相（Zorbax-CN）四氢呋喃:己烷=20:80紫外检测器 254 nm,1.色谱技术的理论与应用,1.3.4 高效液相色谱应用实例,(2)无机阴离子的分析：离子色谱：薄壳型阴离子交换树脂（Anex）强酸性树脂（Catex）抑制柱 NaHCO3/Na2CO3流动相 电导检测器 3 g/g 氟化物、4 g/g 氯化物、10 g/g 亚硝酸盐、50 g/g 磷酸盐、10 g/g 溴化物、50 g/g 硝酸盐、50 g/g 硫酸盐,
