仪器分析第6、9-11章.ppt

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1、第九章 色谱分析chromatography第一节 色谱的定义与分类,一、色谱分析定义 组分在固定相和流动相之间被分离的一种物理方法。*利用样品各组分在固定相与流动相中受到的作用力不同，而将待分析样品中的各组分依次分离，然后顺序检测组分含量的分离分析方法,二、色谱法分类,1、按固定相及流动相的状态分类 气相色谱：气液色谱、气固色谱 液相色谱：液液色谱、液固色谱 2、按固定相形状分类 柱色谱、纸色谱、薄层色谱。,3.按色谱过程的物理、化学机理分类(1)吸附色谱：用固体吸附剂作固定相的色谱。它是利用组分在吸附剂上吸附力的不同，因而吸附平衡常数不同而将组分分离的色谱。(2)分配色谱：用液体作固定相，

2、利用组分在液相中的溶解度不同，因而分配系数不同而进行分离的色谱。(3)离子交换色谱：利用离子交换原理而进行分离的色谱。(4)排阻色谱:利用分子大小不同而进行分离的色谱。(5)电色谱：利用带电物质在电场作用下移动速度不同进行分离的色谱。,4、亦可按仪器分:（1）气相色谱(Gas chromatography)填充柱气相色谱（Packed column gas chromatography）毛细管气相色谱(Capillary column gas chromatography)裂解气相色谱(Pyrolysis gas chromatography)顶空气相色谱(Headspace gas chro

3、matography)气相质谱联用技术（Gas chromatography-Mass spectrometry）,（2）液相色谱仪(Liquid chromatography)高效液相色谱(High performance liquid chromatography)超临界流体色谱(Supercritical fluid chromatography)高效毛细管电泳(High performance capillary electrophoresis)毛细管电色谱(Capillary electrochromatography)液相质谱联用技术（Liquid chromatography-M

4、ass spectrometry）,（3）平面色谱法（Planar chromatography）薄层色谱(Thin layer chromatography)薄层电泳色谱(Thin layer electrophoresis)纸色谱(Paper chromatography),第二节 色谱学基本理论,一色谱分析的共同点色谱分析都有两个相：流动相与固定相被分离的组分对流动相与固定相有不同的作用力 K=Cs/CmK 分配系数Cs 组分在固定相中的浓度Cm组分在流动相中的浓度,二、色谱图的重要参数,1、色谱峰 峰宽(用 W 或 Y 表示)；峰高(用 H 表示)半峰宽(用 W 1/2 或 Y 1/2

5、 表示,亦有用 2X 1/2表示)标准偏差(用表示)。标准偏差亦称曲折点峰宽，即峰高0.607处峰的宽度。与峰宽和半峰宽的关系如下式表示：Y=4 Y 1/2=2 2 Ln2=2.355,2 保留值,时间保留值 死时间 t0R 从进样至情性组分出现浓度极大点时的时间。保留时间 tR 从进样至组分出现浓度极大点时的时间。校正保留时间 tR tR=tR-t0R体积保留值死体积 V0R V0R=t0R FC；FC-流动相的流速保留体积 VR VR=tR FC校正保留体积 VR VR=t R FC,三、色谱分离的重要参数,1、相对保留值()亦称分离因子或选择性因子 t R1/t R2 2、分配比(K)和

6、相比()分配比亦称分配容量，容量比，容量因子或质量分配比。是指平衡时，组分在固定相和流动相中的质量比。k值一般控制在3-7之间。,3、塔板数（N）组分在柱中固定相和流动相中反复分配平行的次数。N越大，平衡次数越多，组分与固定相的相互作用力越显著，柱效越高。N=16(tR/Y)2 4、分离度（R）分离度亦称分辨率。是指相邻两个峰的分离程度。,四、各种参数对分离的综合影响,1.分离度与k的关系 决定洗出峰位置，k值一般控制在3-7之间。改变k有如下办法:A.改变流动相或固定相B.改变温度可以控制k。特别是对于GC，可采用程序升温。对于LC，温度会影响柱效。,2.分离度与柱效N N由L与H来控制,H

7、与柱的填充、固定相的性质等有关。3.分离度与的关系：决定洗出峰的位置。对于GC，用选择固定液的办法。对于LC，用选择流动相 配比的办法。再加上程序升温（GC）或梯度淋洗（LC）等技术，将是提高分离度的有效办法。,五、塔板理论,1、塔板理论的基本假设A、柱内各段塔板高度 H不变，柱子塔板数 N=L/H B、在塔板高度 H 内，组分在两相间达到瞬时平衡。C、流动相以脉冲方式进入一个体积。D、分配系数K在每个塔板上均不变，是常数。E.组分加在0号塔板上，轴向扩散可忽略。,设有两组分A、B，KA=1，KB=0.25，N=5两组分A，B在柱中H塔板高度的分布如下表所示：进样 0号塔板 1号塔板 2号塔板

8、 3号塔板 4号塔板 柱出口 1.0A 1.0B1V 0.5A 0.5A 0.2B 0.8B2V 0.25A 0.5A 0.25A0.04B 0.320B 0.640B3V 0.125A 0.375A 0.375A 0.125A 0.008B 0.096B 0.384B 0.512B 4V 0.063A 0.250A 0.375A 0.250A 0.062A 0.0016B 0.026B 0.154B 0.410B 0.410B5V 0.032A 0.156A 0.313A 0.313A 0.157A 0.032A 0.006B 0.052B 0.205B 0.410B 0.328B,当 N

9、大于1000时,塔板理论方程,C=Cmax exp（N/2）(1-V/VR)2 Cmax=N 1/2W/(2)1/2 VR式中：Cmax-曲线中的浓度最大值 C-进入流动相体积V时的组分浓度W-进样量 VR-浓度最大时的保留体积N-塔板数N=L/H=16(tR/Yi)2=5.54(tR/Y 1/2)2,塔板理论的物理意义,A N说明组分在柱中反复分配平行的次数的多少，N越大，平衡次数越多，组分与固定相的相互作用力越显，柱效越高。B 形象地说明了色谱柱的柱效，是反映柱效能的指标。C 能很好地解释色谱图，如曲线形状、浓度最大值位置、色谱峰的宽度和保留值的关系等。,塔板理论的局限性及原因,A 不能解

10、释同一色谱柱对不同组分N或H的不同。B 不能解释不同操作条件下，同一色谱柱对相同组分N或H的不同。C 不能找出影响N或H的内在因素。D 不能为操作与应用色谱方法提供改善柱效的途径和方法。原因：只考虑组分热力学因素，而没有考虑动力学因素,六 速率理论,1 速率理论公式 H=He+Hm+Ht=A+B/U+(Cs+Cm)U 2Dm f(df2,K)f(dP2,K)=2dp+（+）U U Ds Dm,A、涡流扩散项(Eddy diffusion)当流动相带着被分离组分分子通过颗粒大小不同、填充松紧不同的固定相时，会形成紊乱的类似“涡流”的流动，形成流速不同的流路，造成组分谱带的展宽。固亦称多径项。,B

11、、分子扩散项(Molecular diffusion)当样品进入色谱柱后，由于存在着浓度梯度，组分分子由浓度高的区域向浓度低的区域运动，产生浓度扩散，造成组分谱带展宽。Hm=B/u=2Dm/u,固定相传质阻力项：Hts=CsU=f(df2,K)U/Ds df-固定相液膜平均厚度 Ds-组分在固定相中扩散系数 流动相传质阻力项：Htm=CmU=f(dP2,K)U/Dm,例：速率理论公式中A、B、C的求取 方法：A、在三个相差较大的流速下，测出三个色谱图。B、在色谱图上选择某个色谱峰，由公式求出三种 u下的H。L L Y H=()2 N 16 tR C、由u和H建立三条速率方程，然后求取A，B，C

12、。,例：氯苯甲酸甲酯在三种不同载气流速下的数据如下：L=2米 tR0(sec)tR(sec)Y(sec)47.0 361 48.2 37.5 295 39.3 25.0 198 27.7求H=A+B/U+CU中的A，B，C。,解：先求U、N，后求H。如U1 U1=L/TR0=2100/47.0=4.26cm/s N1=16(tR1/Y1)2=16(361/48.2)2=897 H1=L/N1=200/897=0.223cm则：H1ABU1CU1 依此类推，得三个方程组，解三方程组得A，B，C。意义：从A、B、C可知，三项中那一项影响柱效最大，从而可采取相应措施加以改正。,2、速率公式在气相填充

13、柱色谱中的应用,A.U与H的关系 当H最小时，一阶导数为零，dH/dU=-B/U2+C=0故 U最佳=(B/C)1/2 H最小=A+B/U+CU=A+2(B/C)1/2在最小流速下，分析速度太慢，一般采用双曲线的渐近线或切线与曲线的切点对应下的流速，称最佳实用流速，约为最小流速的两倍。,B、载气的选择当UU最小时,B项起主要作用,要求:DM，DM 1/m，选择分子量大的载气。当U U最佳时,C项起主要作用,要求:Dm 选择分子量小的载气。,C、固定相的选择希望dP,但太少，填充不均匀，值增大，柱效反而降低。此外，柱压增大，易漏气。一般选取100目左右。df，C项小，缩短分析时间，柱效亦高，但进

14、样量小。,D、柱温的选择T，DM、DS增大，B/U项，CU项，适当提高U，使B/U项减少，CU项适当,固定液含量与柱温参考值,3、速率公式在液相填充柱色谱中的应用,A、H与U的关系U最佳=（B/C）12=6.25DM/dp即：dp,U最小，CU项,但柱压。但dp不能无限的小，因为：dp正比于4倍压力（4P），每增加100大气压，柱出口比柱入口的温度升高5-7，所以，dP不能无限小，一般为2-10微米。,B 柱外效应 当柱外死体积太大时（如进样部分死体积、柱和检测器之间连接的管道的死体积、检测器本身的死体积），组分在死体积中的轴向扩散就变得严重，对谱带的展宽有相当大的影响，使B项增大。形成柱外谱

15、带变宽，产生柱外效应。,C、管壁效应当固定相粒度很小，柱子装填又不理想时，往往柱中心粒度小、柱壁粒度大，这样柱内沿管壁部分的流速较大，柱中心流速较小，在管壁中的溶质分子流出色谱柱比柱中心快，形成峰的扩展，出现反常的拖尾峰和双重峰。,第三节 色谱的定性、定量分析,一、色谱定性分析1 利用已知物定性（1）利用保留时间或保留体积（2）利用峰高增加法（3）利用双柱或多柱定性（4）与其他仪器结合,二、气相色谱定量分析1 定量分析的理论依据 mi=fiAi mi=fhihi(1)测量Ai、hi（2）求定量校正因子fi,fhi(3)计算质量或含量,2 定量方法（1）归一化法Pi=mi/m*100%=Aifi

16、/(A1f1+A2f2+Anfn)100%,归一化法的优点,不必知道进样量准确、不受仪器条件影响对多组分分析方便,归一化法的缺点,必须检测所有组分所有组分必须定量必须测定所有组分校正因子,三、色谱定量分析的允许范围,第十章 填充柱气相色谱（Packed column gas chromatography）第一节 气相色谱仪,1 高压气瓶 2减压阀 3净化器 稳压阀 5 压力表 6转子流量计 7 检测器8 气化室 9 色谱恒温室 10色谱柱 11 皂膜流速计 12检测器桥路 13记录仪,气相色谱仪的双气路流程示意图,1 高压气瓶 2 减压阀 3 净化器 4 稳压阀 5压力表 6 稳流阀 7 转子

17、流量计8 净化室 9 色谱柱 10 检测器 11 色谱恒温室,一、气相色谱仪的一般流程,气路系统；进样系统；分离系统；检测系统；记录和数据处理系统；温度控制系统,二、气路系统,由载气源、载气压力和流速控制装置、载气压力和流速显示三部分组成。1、载气源：流路路顺序：高压钢瓶减压阀净化器稳压阀压力表转子流量计。,A、高压钢瓶：常用氮氢氦氩及二氧化碳等高压气体。高压钢瓶外表颜色：黑色氮气；灰色CO2，隋性气体；绿色氢气、氧气。B、减压阀：可从50kg/cm2150kg/cm2减到2 5kg/cm2。,2、载气压力和流速控制装置包括：开关阀，稳压阀，稳流阀，针阀，阻力管等3、载气压力和流速显示转子流量

18、计：转子流量计：显示柱前流速。由于气体的可压缩性，色谱柱内存在压力梯度。转子流速计显示的柱前流速只能作为分离条件的相对参数，不能反映色谱柱内真实流速。,三、进样系统,由汽化室和进样器组成。进样器：微量注射器重复性2。进样阀重复性0.5 汽化室：,四、分离系统,由固定相和柱组成。填充柱 毛细管柱 柱型 形，螺旋形 螺旋形 材料 不锈钢，玻璃 玻璃，弹性石英 柱长 0.56米 30500米 柱内径 26mm 0.1-0.5mm特性 渗透性小，传质 渗透性大，C小，阻力大,n低，n高，速度快 速度慢,五、检测系统,热导池检测器（TCD,Thermal conductivity detector）氢火

19、焰离子化检测器（FID,Flame ionization detector）电子俘获检测器（ECD,Electron capture detector）,热导池检测器,适用于几十万分之一以上组分检测通用型非破坏型原理：不同物质导热系数不同,氢火焰离子化检测器,灵敏度高 10-10-10-11 g线性范围广 107以上破坏样品原理：有机物在高温火焰中被离子化，产生数目相等的正负离子，通过附加电压在极化极上，与收集极形成电场，负离子被收集形成离子流。,电子俘获检测器,灵敏度高与FID线性范围窄重现性差具有放射性,六、记录和数据处理系统,样品色谱仪 采样开关 数据放大、模数转换 数据处理程序 光电输

20、入机 计算机 接口 打印机 数模转换 接口 数字图片显示,七、温度控制系统,要求：控温范围 0.10.3 温度梯度 0.5,第二节 填充柱气相色谱,基本内容1.填充柱最佳色谱条件的选择2.填充柱固定相3.填充柱的载体4.气液色谱填充柱固定液5.气固色谱填充柱固定相6.填充柱的装填7.速率理论在填充柱中的表达,一、最佳色谱条件的选择1.流速的选择 在最小流速下，分析速度太慢，一般采用双曲线的渐近线或切线与曲线的切点对应下的流速，称最佳实用流速，约为最小流速的两倍。,2、载气的选择当UU最小时,B项起主要作用,要求:DM DM 1/M 选择分子量大的载气。当U U最佳时,C项起主要作用,要求:Dm

21、 选择分子量小的载气。,3.固定相的选择希望dP,但太少，填充不均匀，值增大，柱效反而降低。此外，柱压增大，易漏气。一般选取100目左右。df，C项小，缩短分析时间，柱效亦高，但进样量小。,固定液含量与柱温参考值,二、固定相,1 固体吸附剂炭质吸附剂 硅胶 氧化铝 分子筛2 多孔性高聚物3 液体固定相（1）载体（2）固定液,载体承载固定液用的多孔结构支持物。作用提供一个大的惰性表面,让固定液在上面形成一层薄的均匀的液膜。要求比面积要大，孔隙要均匀，化学惰性，热稳定好，机械强度高。,Chromosorb W 硅藻土担体Chromosorb WAW 酸洗硅藻土担体Chromosorb WAWDMC

22、S 酸洗并经DMCS处理 的硅藻土担体Chromosorb G 白色硅藻土担体Chromosorb GAW 酸洗白色硅藻土担体Chromosorb GAWDMCS 酸洗并经DMCS处理的 白色硅藻土担体Chromosorb P 红色硅藻土担体Chromosorb PAW 酸洗红色硅藻土担体Chromosorb PAWDMCS 酸洗并经DMCS处理的红色 硅藻土担体,气液色谱固定液要求：蒸气压要低,使用温度下是液体；热稳定性要好；惰性,与组分不发生化学反应。,固定液的分类,非极性,中等极性,强极性,氢键型。,固定液选择原则,（1）相似性原则a.非极性样品选用非极性固定液(主要作用力为色散力)。流

23、出顺序:沸点低的先流出,同沸点的极性组分先流出。b.中等极性样品选用中等极性固定液(主要作用力为静电力)流出顺序:沸点低的先流出,同沸点的极性小的组分先流c.强极性样品选用强极性固定液(主要作用力为静电力)。流出顺序:极性低的先流出。（2）利用固定液与组分之间的特殊作用力选择,第十章 高效液相色谱High performance Liquid Chromatography第一节 概述,经典液相色谱与HPLC的区别1.采用了高压输液泵2.采用了新型的固定相3.采用了高灵敏度的检测器 4.自动化程度高,一、HPLC与GC的比较共同点:色谱基本理论一致，定性定量分析原理一样差异点:1.流动相差异组分

24、在液相中的扩散系数比在气相中的扩散系数小104105倍,与固定相与流动相的作用力不能忽略。液体流动相多,气体流动相少,可供选择范围广。,22 固定相差别。3.利用范围更广。GC 15，HPLC 85以上的物质均可测定。4.仪器结构的原理上亦有差别。,三、HPLC类型及类型的选择,1、液液色谱2、液固色谱 3、离子交换色谱 4、凝胶色谱,第二节 HPLC仪,HPLC仪的基本构成(一)流动相输送系统 1.贮液糟2.高压泵要求:A.较高压力300500KG/CM2 B.无脉冲 C.流速稳定性1%,重复性0.5%D.泵室体积小 E.分析用泵最大流速3毫升/min以上；制备用泵最大流速50毫升/min以

25、上。3.梯度淋洗装置,(二)进样系统进样阀,注射器（与气相色谱相同）。,(三)色谱分离系统色谱柱:不锈钢柱,固定相恒温器：（通常柱温：室温65）A、柱温升高6，组分保留值减少30左右。B、温度升高，传质阻力减少（C项降低），柱效增加。C、降低流动相粘度，压力下降。,(四)检测系统光学检测器：紫外可见光、荧光、红外、二极管阵列检测器、质谱等。电学检测器：库仑、电导检测器等。(五)数据处理和记录系统 与GC完全相同。,液相色谱固定相,液液色谱固定相主要采用化学键合固定相：即以硅胶为担体，在其表面硅醇基团上，键合了特效基团。化学键合固定相特点：1、由于表面键合了特效基团，消除了表面的吸附活性点，使表

26、面更均一。2、柱效高。峰形对称。3、可通过键合不同基团来改变选择性。4、无固定液流失，柱寿命长，稳定性好。5、耐各种溶剂，有利于梯度淋洗和样品、溶剂的回收。6、价格高。,液固色谱固定相以硅胶为基体的各类硅珠，主要有三种类型：全多孔硅珠；多孔层硅珠；堆积型硅珠。目前常用的是全多孔硅珠。柱效以堆积型最好，多孔层次之。全多孔最好。固定相粒度对柱效影响很大，粒度小，板高低，柱效高。,离子交换固定相主要有两种类型：1.硅质键合离子交换基团或涂覆一层离子交换树脂 2.苯乙烯与二乙烯基苯共聚物为基质键合离子交换基团,凝胶色谱固定相主要有三种类型：1.软性凝胶 Sephadex G 系列,不适用于HPLC。2

27、.半软性凝胶压力不能超过150kg/cm2,主要为聚苯乙烯凝胶。3.刚性凝胶 多孔硅胶,多孔破璃,主要用于HPLC。,HPLC流动相,对流通动相的要求 1.惰性2.对样品有较大的溶解度3.对所选用的检测器没有干扰4.粘度少,扩散系数要大,以减少传质阻力 5.纯度高,成本低 6.毒性少,稳定性好,液液色谱流动相的选择原则,1、正相色谱A、选择单一非极性溶剂，使所有的组分的1k10。B、加极性改性剂（甲醇、四氢呋喃、CHCl3等）。2、反相色谱A、以水作为基体。B、加溶剂甲醇、乙腈等改性。3、离子对色谱 主要选择反离子和浓度，然后按正相或反相色谱流动相选择原则选择即可。,液固色谱流动相选择原则1、

28、选择正确的溶剂强度使所有的组分的分配比在1k10之间2、选择适当的溶剂组成。3、严格控制流动相的含水量。,离子交换色谱流动相选择原则1、选择pH值。2、选择离子强度。3、选择缓冲溶液。,凝胶色谱流动相选择原则 1、控制分离温度下的粘度。2、流动相必须有较强的溶解样品的能力。,第十章 极谱分析,定义：伏安法：研究在电解池中极化电极的电势-电流曲线与待测物质的性质、数量之间关系的一类电化学分析方法。极谱法：以滴汞电极作为极化电极（阴极），在浓差极化控制下测定电势-电流的极化曲线，作为待测离子的定性和定量依据的方法。,极谱分析的特点,灵敏度高 10-2-10-4M 准确 同时测定多组分需要试样少分析

29、速度快应用范围广分辨力低,极谱过程的特殊性,极化电极与去极化电极 极化电极滴汞电极 去极化电极-甘汞电极电解条件的特殊性 溶液的传质过程：扩散、电迁移、对流 极谱：扩散,极谱定量分析基础,尤考维奇方程 id=607nD1/2m2/3t1/6c id极限扩散电流D 扩散系数(cm2/s)m滴汞速度(mg/s)C 物质的浓度（M）,影响id的因素,影响D的因素毛细管特性温度,定量分析方法,直接比较法工作曲线法标准加入法,定性分析原理,半波电位,干扰电流及其消除方法,残余电流：在未到达待测物质析出电势之前产生的微小电流。迁移电流：待测离子因电迁移运动所增加的电解电流。极大现象：在电解开始后，电流随外

30、加电压的增大迅速增加到一个极大值，随即降落到扩散电流的现象。氧波 E1/2=-0.05v-0.94v,催化极谱,催化波是在电化学和化学动力学的理论基础上发展起来的提高极谱分析灵敏度和选择性的一种方法。设待测物OX在一定极谱条件下，在电极上还原成Red存在溶液中，若扩散层中存在某物质Z能很快地将Red氧化成OX，则再生的OX在未扩散到外部溶液去之前又在电极上还原成Red，又被Z再氧化.。OX+ne-Red(电极反应）Red+Z-OX+ZR（化学反应）Z+ne-ZR,应用范围,凡能在电极上还原成低价的离子或金属络合离子，又合适的氧化剂存在时，都有可能得到催化波。氧化剂：氧化性强、浓度高。过氧化氢、氯酸、高氯酸及其盐、硝酸、盐酸羟胺等。被分析离子：具有变价性质的高价离子。,第十一章 发射光谱,原子发射光谱：由于原子外层电子受到某种形式的能量激发后，使原子的电子能态由基态激发至高能激发态；当电子从高能激发态退回基态或低激发态时伴随着光子的发射。,原子发射光谱特点,准确度高分析速度快检测限低选择性好样品用量少缺点：高含量分析准确度不够；痕量分析检测限不够；非金属元素难以分析。,干扰及其消除,1 光谱干扰 钙由于形成CaOH干扰钠（5890）镁干扰钾（4044）另选分析线或分离2 背景干扰3 化学干扰4 电离干扰5 物理干扰6 自吸收干扰,