仪器分析技术讲座
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仪器分析技术讲座. 报告人 :段正康 湘潭大学化工学院. 一 .仪器分析技术的分类. 1.波谱分析 2.色谱分析 3.物相分析 4.元素分析. 二.各类仪器分析技术的分类.原理与应用. 1. 波谱分析 ① 分类 : ﹡紫外可见分光光谱分析( UV) ﹡ 分子振动光谱(红外光谱)分析( IR) ﹡ 核磁共振波谱分析( NMR) ﹡ 质谱( MS) 分析

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仪器分析技术讲座

报告人 :段正康

湘潭大学化工学院


一 .仪器分析技术的分类

  • 1.波谱分析

  • 2.色谱分析

  • 3.物相分析

  • 4.元素分析


二.各类仪器分析技术的分类.原理与应用

1.波谱分析

①分类: ﹡紫外可见分光光谱分析(UV)

﹡分子振动光谱(红外光谱)分析(IR)

﹡ 核磁共振波谱分析(NMR)

﹡ 质谱(MS)分析

也有人把荧光光谱分析(RF)和有机化合物

的元素分析纳入波谱分析范畴

②波谱分析的原理

包括两方面的内容:光的波粒二象性(光的

波动性和光的粒子性)

概念:波长. 周期. 波数



换算关系:ν=1/T ν=C/T 波数 ū=1/λ

波长向短波方向为 宇宙射线或γ射线

波长向长波方向为 声波

光与物质的相互作用

——分子能级:分子总处于特定的运动状态 每一运动状态 具有一定的能量

——分子能级跃迁:周围环境吸收能量由低能级到高能级跃 迁

——分子光谱:分子发生吸收跃迁的能量来自于光照 ,记录 下吸收光子的波长和吸收信号的强弱,称分子吸收光谱

同理发生发射跃迁释放的能量以光的形式释放,记录下

发射出的光的波长和强弱,称做分子发射光谱


——分子吸收光谱的分类

分子的平移移动

分子的转动

分子内化学键振动

价电子能级跃迁

电子的自旋

同位素的原子核的自旋(1H,2H,13C,17O,19F,31P等 ) ③紫外可见分光光度法

﹡波长200-750nm分析那些具有紫外与可见光吸 收的

化合物。 它是被测分子在紫外可见光照射下外层价

电子产生跃迁而形成的吸收光谱。

﹡术语

——发色团(生色团) 能吸收紫外光和可见光而引起

电子能 级跃迁的基团。通常指具有不饱和键或不饱和键

上连有杂原子的基团 C=C C=O等


——助色团 含有杂原子的饱和基团与发色团相连时. 吸收波 长发生变化,有-OH -NH2, -X,-OC2H5等

——红移和紫易

——朗伯-比耳定律 A=kcl

k比例常数 ,与入射光波长. 吸收光物质性质及溶剂温度等有 关

——增色效应与减色效应

有机化合物结构发生变化或溶剂改变, 在吸收峰红移或紫移 的同时,常伴有吸收度的增加或减弱

增色

红移

紫移

减色


﹡有机化合物最大吸收波长 含有杂原子的饱和基团与发色团相连时. 吸收波 长发生变化,有-λmax的计算

根据化合物结构的不同, 有很多规律可计算,一般是确定母体, 再加上其它的基团的作用

﹡影响紫外光谱特征的其它因素

溶剂的影响:能影响谱带形状,最大吸收波长和吸收强度

——空间位阻效应

——偶极场效应

——跨环效应

——互变异构效应

——Л→p共轭效应和超共轭效应

﹡紫外光谱在结构分析中的使用

单独使用进行有机化合物结构分析是比较困难的,但在确定发色团的种类,判断某些方面的异构体及确定不饱和化合物的骨架起重要作用。


④分子振动光谱(红外光谱) 含有杂原子的饱和基团与发色团相连时. 吸收波 长发生变化,有-

波长范围0.7um延伸至300um

现在红外光谱只能扫描2.5-25um

习惯上用cm的倒数来表示,即波数cm-1表示

红外光谱也称分子吸收光谱,它是反映分子振动情况.当不同 频率的红外光谱通过测定分子时,就会出现不同强弱的吸收现象,用T-λ作图就得到红外吸收光谱。

有很强的特征性,可以作为物质定性和定量的依据。

﹡红外光谱的分析原理

——分子振动的类型

伸缩振动,弯曲振动,整个结构基团的振动

当测定物质的分子中基团的振动频率与照射红外光谱的频率相同时,此物质就能吸收这种红外光谱,使分子由振动基态跃迁到激发态,产生吸收光谱。


——基团频率 含有杂原子的饱和基团与发色团相连时. 吸收波 长发生变化,有-

λ=1307

k为力常数,与键合类型有关

u为折合质量。1/u=1/m1+1/m2 m1, m2为振动质量

k 、u均可以查表得到

不同的官能团其特征吸收频率不同,可作为红外光谱定性分析的依据。因此红外光谱法用于有机化合物的结构测定是目前最成功和最广泛的方法之一。

﹡红外光谱区段的划分

——红外光谱区分为近红外区、中红外区、远红外区。

其能级跃迁类型分为倍频、振动和转动,应用最广泛的是中红外区,其波数在4000-400cm-1


—— 含有杂原子的饱和基团与发色团相连时. 吸收波 长发生变化,有-中红外区又分为

特征波谱区(4000-1333cm-1)

指纹区(1333-667cm-1)

特征谱带区内吸收峰比较稀疏,容易辨认,主要反映分子中特 征基团的振动,又称基团频率区。

指纹区内吸收光谱复杂,有伸展振动,弯曲振动,该区谱带特别密集,能反映分子结构的细微变化,每种化合物在该区的谱带位置,强度和形状都不一样,形同人的指纹。

——中红外又分为8个吸收段

O-H、N-H键伸展振动段 不饱和C-H伸缩振动段

饱和C-H伸缩振动段 三键与累积双键段

羰基伸缩振动段 双键伸缩振动段

键面内弯曲振动段 不饱和C-H面外弯曲振动段 掌握哪些基团有哪些振动,对判断有机化合物有很大益处。


试样池 含有杂原子的饱和基团与发色团相连时. 吸收波 长发生变化,有-

光源

单色器

检测器

放大器

记录仪

参比池

﹡红外分光光度计的组成

——光源:能发射高强度连续红外波长的高温黑体物质,一般采 用近于黑体物质的白炽能斯特灯或硅碳棒

——吸收池:用岩盐窗片制成

如NaCl、KBr、AgCl等 有透明度要求

﹡红外光谱试样的制备

——气体样品,气体池装载,防止水蒸汽在红外区的强吸收干扰

——液体样品,可拆式液体池,不要带气泡

对吸收很强的液体或固体样用特殊溶剂稀释.CS2,CCl4,CH2Cl2等,并通过溶剂为参比进行校正。


——固体样品 含有杂原子的饱和基团与发色团相连时. 吸收波 长发生变化,有-

溶液法 ,糊状法,压片法,薄膜法

最通常用压片法 5%试样+95%分析纯KBr混合研磨, 磨至2um装在模具中置于压片机内29.4MP 1min后取出

——在制备试样时应做到

试样中不含水,多组分试样在测定前要分离,选择适当 试样浓度和厚度。

*红外光谱图的解析程序

——首先将整个红外图谱由高频至低频区检查吸收峰存在的情况, 找出化合物所属的可能类别和所含的主要官能团。

——第二步,按照大致确定的化合物类型和可能含有的基团分类 查表,进一步研究结构细节。

——最后,当确定了化合物可能的结构之后,应对照相关化合物 的标准图谱,或用已知化合物在相同条件下测定红外光谱 与之对照作最后确定。

并有一些注意事项。


2 含有杂原子的饱和基团与发色团相连时. 吸收波 长发生变化,有-n+2+N-(H+X)

r+db=

2

其中之一为:当分子式已知时,先计算出环加双键数 (r+db),当≧4时应考虑苯环存在。

n 碳原子数, N、H、X代表氮、氢、卤素原子数,其他略

⑤.核磁共振波谱(NMR)

核磁共振分析原理

——原子核的自旋和核磁矩

原子核具有一定的体积和质量,如果它能绕穿过核心的某一自旋轴作自旋运动,那么它能产生自旋角动量

只有自旋量子数I≠0的核才能自旋。

原子核是带正电荷的粒子,对于自旋量子数不为零的核来 说,当其自旋时能形成环电流,因而产生一个小磁场,小磁 场用核磁矩表示。自旋角动量和核磁矩同向或者反向。


——塞曼效应 含有杂原子的饱和基团与发色团相连时. 吸收波 长发生变化,有-

对I≠0的核来说,不受外来磁场影响时,其自旋轴的取向是任意的。当它处于外加静磁场中时,它的取向不再任意,有2I+1种取向, 叫作核自旋的空间量子化。

核磁矩在外加静磁场的作用下,使核自旋能级发生了分裂,这种效应称为塞曼效应.

——核磁共振

自旋量子数为I(I≠0)的核,在外加磁场H的作用下,其自旋能级分裂为2I+1个,任意相邻的两能级间的能量差都等于 γhH/2π,当用一交变磁场(来源于电磁波射频辐射)照射时,如果电磁波的能量hv与该能级差相等

即hv=γhH/2π时,低自旋能级的核即可吸收电磁波的能量而跃迁到高自旋能级,这就是核磁共振。记录发生共振时的信号位置与强度,即NMR谱。


V 含有杂原子的饱和基团与发色团相连时. 吸收波 长发生变化,有-s vR v器,分别代表样品, 标准样品的共振频率和电 磁波的频率(仪器频率), σ为磁屏蔽常数, 其大小和所处化 学环境有关.

——标准物的选择

为了使大多数有机化合物的各种磁性核的δ为正值, 应选 择δ值较大的有机化合物作标准物。

对于1H核,通常以四甲基硅(TMS)的1H核做为标准, 并规定δ为0,在13C-NMR中,通常以TMS做为内标物,并规定其13C核的δ为0。

——核磁共振的测定方式

连续波扫描方式,脉冲傅里叶变换式

﹡化学位移


记录仪 含有杂原子的饱和基团与发色团相连时. 吸收波 长发生变化,有-

射频发生器

外加磁场

射频接收器和检波器

扫描发生器

样品管置于外加磁场内

﹡1H-NMR波谱

组成有机化合物的最重要的两种元素是H和C。C元素中天然丰度最大的同位素是12C6,它没有自旋,不能检测;13C6虽然具有磁性,但天然丰度太小(1.1%),连续波扫描式难以检测到理想图谱。1H的天然丰度近100%,因此在傅里叶变换核磁共振波谱仪问世之前,主要集中在1H-NMR上。

﹡影响1H核化学位移的因素

——诱导效应 CH3F,CH3Cl的δ分别为3.39和3.05

——π电子云屏蔽的各向异性效应

CH3CH3 CH2=CH2 C6H6 的δ分别为0.86 5.25 7.26


——非键斥力效应(空间位置) 含有杂原子的饱和基团与发色团相连时. 吸收波 长发生变化,有-

——活泼氢的快速交换效应

连接在电负效应较大的O、N、S上的氢

——溶剂效应

——氢键效应

——温度的影响

﹡常见类型1H核的化学位移范围

分类很仔细。如-CH3基1H的化学位移,与不同集团相连 值差距很大,可查表得到。

CH3-SH δ=2.000

CH3-C≡N δ=1.98

CH3-OH δ=3.99

(CH3)3C-OH δ=1.95

﹡1H谱的其它测定常数

耦合常数与结构的关系等


含有杂原子的饱和基团与发色团相连时. 吸收波 长发生变化,有-1H-NMR波谱解析步骤

——要保证被测样品足够纯

——要设法获得分子式, 计算不饱和度

——化合物分子中化学同核的组数大于或等于1H-NMR波谱中 共振峰的组数(共振峰重迭)

——1H核共振峰强度之比等于它们各自代表的1H核数目之比 (强度用积分曲线高度表示)

——化学位移和耦合常数直接从图上读出

——根据化学位移估计1H核类别

——根据共振峰裂分的重数,估计与之耦合的1H核数目

——利用重水实验确认活泼1H,(在试样中加几滴D2O除去1H等)

——参考红外、紫外、质谱、元素分析取得更多结构信息

——分析提出的各种可能的分子式结构

——根据已知的各种资料排除不合理结构式

——如果样品属于有机化合物,与标准样品对照,或与标准图谱 对照(Sadtler Nuclear Magnetic Kesonance Spectra)


﹡位移试剂 含有杂原子的饱和基团与发色团相连时. 吸收波 长发生变化,有-

不增加外加磁场强度而能增加化学不等同核化学位移差别的试剂。稀土元素的β-二酮络合物.一般是正三价铕离子(Eu3+)和镨离子(Pr3+)的β-二酮络合物

﹡13C-NMR波谱

13C谱的优点

——有机化合物分子骨架主要由C骨架构成,13C-NMR能更全面地提供有关分子的骨架,特别是一些不与H相连的基团,如=C=O等用途更广泛。

——常规的1H的化学位移不超过20,(一般为10)

而13C的化学位移不超过200,每个C原子结构上的微小变化可引起δ值得明显变化,每一组化学等同核都可望显示一独立谱线。

——13C核的天然丰度很低,可忽略13C核之间的耦合

13C-NMR破谱的灵敏度

——与磁旋比有关(原子核的性质)与r3成正比

同摩尔数的H、C, 13C核的共振灵敏度只有1H核的1/63


——与同位素的天然丰度有关,又降低100倍 含有杂原子的饱和基团与发色团相连时. 吸收波 长发生变化,有-

13C为1.1% 1H为100%

——与自旋一晶格弛豫时间有关

13C又使灵敏度减弱

因此13C谱的灵敏度太低,用连续波扫描方式难以得到令人满意的图谱。只有在FT-NMR问世后,才成为有机结构分析的常规手段。

⑥ 质谱

﹡原理:将被测样品分子或原子置于电离室中,通过某种外力的作用击掉样品分子或原子的电子,将样品分子或原子变成带电碎片离子(分子离子、碎片离子、单电荷离子、多电荷离子、亚稳离子、负电荷离子等),然后通过质量分离器将它们按质量电荷比(即质荷比m/z)的大小进行有序排列,并记录下它们的丰度,得到按m/z大小排列的图谱,每个质谱峰代表一种质荷比离子,峰的丰度代表该种离子的多少。


进样系统 含有杂原子的饱和基团与发色团相连时. 吸收波 长发生变化,有-

离子源

离子峰分离系统

检测器

记录系统

﹡质谱仪的构成框图

真空系统

﹡质谱仪部件构成及用途

——进样系统,对单一的质谱计直接用探头进样,对联机,如气质联用、液质联用。有一接口。

——离子源,样品组分被电离成各种离子,主要有电子轰击源、化学电离源、快速原子轰击源等。

——离子分析器,又称离子分离系统

主要作用是对混合的离子碎片进行分离,分析器的种类和性能的好坏,直接关系到从混合离子中获得分子结构信息的多少和准确程度,是一关键设备。


主要有:磁偏单聚焦分析器 含有杂原子的饱和基团与发色团相连时. 吸收波 长发生变化,有-

磁偏双聚焦分析器(高档,高分辨率)

四极杆滤质器

离子阱质量分析器等

——检测器与记录系统

检测器为电子倍增器

——真空系统

主要是避免分子离子或碎片离子同其它物质发生反应或被干扰,给分子结构的解析带来困难,因而需要在高真空条件下工作。

﹡质谱技术的有关名词术语

——质量数与质量范围

质量数即质荷比的标称值,如质荷比为27.994其质量数为28,质量范围从几十到几千。

——分辨率

分开两相邻质量数离子的能力,以k=M/△M决定,M为相邻两峰的第一个峰的质量数,△M位两峰质量之差。


分辨的程度通常用两峰间谷值低于10%的平均强度为依据(也有50%)

如CO2和N2形成的离子,其质荷比分别为27.9949,28.0061。若仪器刚好分开。分辨率为R=27.9949/(28.0061-27.9949)≈2500

单聚焦磁偏式质谱仪 R﹤1000低分辨率仪器

双聚焦磁偏式质谱仪 R﹥10000中分辨率仪器

R﹥30000高分辨率仪器

——灵敏度

产生具有一定信噪比的分子离子峰所需要样品量。10-10g

——质谱图

有两种表达方式,以相对丰度为纵坐标。M/z为横坐标,由一个个尖锐峰组成,或以表格的方式表达。

﹡各类主要离子与化合物分子式的确定


——在质谱中。目前检测到的是正离子 分辨的程度通常用两峰间谷值低于10%的平均强度为依据(也有50%)

它们有:分子离子,同位素离子,碎片离子,重排离子,多电荷离子,亚稳离子,离子-反应分子离子等。

分子失去一个电子而生成的离子称为分子离子,(母离子,M+)

有些分子在母离子的右边出现(M+1)+或(M+2)+离子,称为同位素离子(特别是S,Cl,Br等)

分子离子(M+)由于离子源电压过高,断裂成碎片离子。

——相对分子量的确定

首先要确定分子离子峰。

原则上讲,除同位素外,分子离子峰m/z最大。但有时候在质谱图上看不到分子离子峰,如不稳定化合物,全部会成为碎片离子。

但有一些办法有助于证实分子离子峰,

如降低电子轰击源电压,分子离子峰强度会增加等。对于高分辨率质谱仪(双聚焦),化合物相对分子量能精确到小数点后四位


——分子式的确定 分辨的程度通常用两峰间谷值低于10%的平均强度为依据(也有50%)

利用化合物的精密分子量求分子式

Beynon等人编制了C,H,O,N组成的各种分子式的精密分子量分子式表。

利用同位素丰度比求分子式(见表)

除碘,氟,磷不含同位素外(称A类元素),其它与有机物关系密切的元素都含有同位素。

设分子式为CWHXNYOZ

则有如下近似计算式:

先确定分子离子峰,分子离子峰通常有如下特征

它是质谱中质量数最大的峰

它是含有奇数电子的离子


它应符合氮规律(即分子量为偶数时,不含氮或含偶数氮,

分子为奇数时,必含氮)

并得出分子量为奇数的化合物,H.N.P.卤素数目之和必为

偶数(原子价总数规则)。

⑦荧光光谱分析和有机化合物的元素分析(C、H、N)

也有把上述两类分析方法纳入波谱分析范围

﹡荧光光谱分析(RF)

分子吸收热辐射能成为激发态分子,当它再由激发态回到基态时发射光。其波长比吸收的入射光波长要长,光致发光。发射出的光有荧光和磷光,磷光比荧光波长要长。

﹡激发光谱和荧光光谱

荧光是光致发光,必须选择合适的激发光波长

固定荧光最大发射波长(λem),改变激发光波长得到荧光强

度与发射光波长的关系,得激发光谱曲线。从而得到λex。

固定激发光波长为最大激发波长,然后测不同发射波长时的荧

光强度,得荧光光谱曲线。


——影响荧光的因素 它应符合氮规律(即分子量为偶数时,不含氮或含偶数氮,

分子结构和化学环境

至少具有一个芳环或具有多个共轭双键的有机化合物易产生荧光,稠环化合物也会产生荧光,只有一个双键和最简单的杂环化合物不产生荧光。

荧光淬灭现象。

﹡有机化合物的元素分析(C、H、N)

主要是C、H、N的分析

从以上描述的波谱分析过程看,它主要属于有机物分子结构分析,是定性分析,同时需要样品有足够的纯度。

为了利于复杂的样品或现代手段还难以分离的样品,提出了:

气相色谱-质谱联用 液相色谱-质谱联用

液谱-红外联用等均是经过分离后的分析。


⑧波谱综合解析步骤 它应符合氮规律(即分子量为偶数时,不含氮或含偶数氮,

﹡样品的准备(纯物质)

﹡了解样品的概况(物理化学性质)

﹡测定分子量(质谱法,要对最大的m/z的离子进行鉴别,保证其为分子离子)

﹡确定分子式

——质谱法:高分辨率质谱可以测的离子精确质量,在确定离子峰的同时,分子式就确定了

——元素分析法:根据元素分析结果计算出相应元素的原子数目,其余元素的数目结合各种波谱确定

——1H-NMR波谱法

当有机物分子量较大时,其质谱可能不出现分子离子峰,需要配合1H-NMR波谱确定


﹡计算不饱和度 它应符合氮规律(即分子量为偶数时,不含氮或含偶数氮,

根据分子式计算分子不饱和度,结合各种波谱,对化合物类型作初步估计

﹡提出结构碎片

直接或间接在有关波谱图中提取各种官能团和取代基的种类,推断出剩余的结构碎片。

﹡提出结构式

﹡排除不合理的结构

﹡确定分析结构的可靠性


2.色谱分析 它应符合氮规律(即分子量为偶数时,不含氮或含偶数氮,

①概论

色谱的来由:1906年俄国植物学家维特首创,它是把用石油醚萃取的植物色素通过一装有碳酸钙的玻璃管中,再用石油醚淋洗。得到不同颜色的色带称色谱,现在早已不限于有色物质了。

色谱主要分类:气相色谱和液相色谱

气相色谱又分为:气固色谱,气液色谱,毛细管色谱,裂解色谱等

液相色谱又分为:液液色谱,液固色谱,离子色谱,凝胶色谱,薄层色谱,纸色谱等。

不管是何种色谱,它都是靠流动相(气体或液体)载着样品在固定相上而完成的分离。

②色谱理论(柱色谱)

﹡分离原理 在色谱分析中,当流动相携带样品通过固定相时,样品分子与固定相分子之间发生相互作用,使样品分子在流动相和固定相之间进行分配或吸附或离子交换,由于反复多次的作用,使原本性质差异很小的组分得到很好的分离。


﹡色谱流出曲线及有关术语 它应符合氮规律(即分子量为偶数时,不含氮或含偶数氮,

——色谱图 ,组分含量随时间或移动距离分布的图像,它是与被 分离组分相对应的色谱峰,分离得完全,有多少组份就有多 少个色谱峰。

——术语 基线,死时间t0,死体积V0,保留时间tR,保留体积VR, 调整保留时间t’R,调整保留体积V’R,峰高h,峰宽W,半峰 宽W1/2,峰面积A

﹡气相色谱理论

——塔板理论:把色谱柱和精馏塔类比得到的半经验公式,用理论 塔板数或塔板高度表示:

n值越大,表示组分在柱内达到分配平衡的次数越多,色谱的柱效率就越高。色谱越窄,峰形越对称。

存在局限性:不能反映塔板高低的实质,不能找出影响塔板高低的因素,不能说明色谱峰为何扩展,难以解释不同流速下塔板数不同的原因,于是提出了


Cu 它应符合氮规律(即分子量为偶数时,不含氮或含偶数氮,传质阻力项

——速率理论

范特姆特方程:H=A+B/u+Cu

A——涡流扩散项 A=2λdp λ填充不规则因子 dp颗粒尺寸

B/u分子纵向扩散项 B/u=2rDg/u r弯曲因子,组分在柱中流路弯曲的情况 Dg组分分子在在其中的扩散系数

k’容量因子,df担体上固定液膜有效厚度,Dl组分在固定液中的

扩散系数.

载气速率u,从范特姆特方程可知

在某一载气相速度下,其H最小

此时


综上所述,影响气相色谱柱效的因素有: 它应符合氮规律(即分子量为偶数时,不含氮或含偶数氮,

柱长,柱内担体颗粒大小,填充均匀程度,担体上固定液的种类及含量,载气的种类及线速度,柱温等,其主要影响因素是固定液的种类和柱温。

﹡液相色谱理论

基本沿用气相色谱的概念和理论。液相色谱用液体作流动相,而液体的扩散系数只有气体的1/104至1/105,密度是气体的100倍,

——涡流扩散项2λdP λ填充因子,dP填料直径。

——纵向扩散项 Cd为常数,Dm分子在流动相中的扩散系数很小可忽略。

——传质阻力项,包括 固定相传质阻力项 ,df固定相平均膜厚,Ds为溶质分子在固定相中的扩散系数, Cs 为常数。


流动相传质阻力项 , 由流动的流动相中的传

质相和滞留在流动相中的传质阻力项组成。

从范特姆特方程可得出:

影响液相色谱柱效的因素有:柱长,流动相的种类,固定相的

颗粒大小,填充均匀程度,担体上固定液的种类及含量,柱温等,

流动相流速影响不大。

﹡色谱分析的概念

——分离度 分离度R是色谱柱中分离效率的指标,它能表

示两难分离组分的物质通过柱后是否被实际分离。 定义 :


R 1 95 r 1 5 99 7 r

分配系数与温度有关,保持较大的值,选用较低温度分配系数与温度有关,保持较大的值,选用较低温度

——柱效率,分离效率和分离度三者的关系

可推导出关系式

当R﹥1时,两相同面积的两组分有95%分开

当R﹥1.5时,两相同面积有99.7%分开

R值越大,分离越完全。

——分离效率(又称选择性)定义 :

为柱效率,表示柱效率对分离度的影响。

分离效率项 ,

容量因子项.


﹡色谱定性定量分析分配系数与温度有关,保持较大的值,选用较低温度

——定性分析,主要是利用已知物保留时间的对照定性,或

是利用加入已知物增加峰高定性。

——定量分析

归一化法 当样品中所有组份都能产生可测定的色谱峰时可

用该法进行计算

fi为相对校正因子

当试样中各组份的校正因子很接近时(例如同系物)

可直接进行峰面积归一法

归一法简单,进样量多少与定量分析结果无关,当必须在所

有组份均出峰时才使用。

内标法: 当试样中各组份不能全部出峰或只需要对试样中

某几个色谱峰的组份进行定量时,可采用该法。

它是在准确称取的样品中加入一定量的某纯物质作内标物,根

据样品与内标物重量比及其相对应的峰面积比,求出组分的含量


A分配系数与温度有关,保持较大的值,选用较低温度o, Ai为内标组分各自峰面积。.fo ,fi为内标物各自校正因子,

将其简化:由此上式有 得

得 对 唯一过原点的直线,斜率为k’,如果在样品中,每

次加入的内标物相等得

一过原点的直线,斜率为k’,

得 为 的一条直线,根据分析得到的

比值,即可求出 , 无需知道校正因子,消除了某些操作条件的影

响,进样量也不须十分严格,很适合液体样品和微量样品的分析。

但要求:内标与样品组分峰能彻底分开;

内标与样品能互溶;

内标峰与样品峰接近,内标加入量也因接近被测组分量


外标法分配系数与温度有关,保持较大的值,选用较低温度(标准曲线法)

取纯物质配成一系列不同浓度的标准溶液,分别取一定体积注入色谱柱,得色谱图,测峰面积,作出峰面积和浓度的关系曲线,然后在同样条件下进未知试样,从色谱图上测出峰面积,查外标曲线得到待测组分的浓度。

组分1

Ai/Ao

Ai

组分1

组分2

组分2

外标法标准曲线 Gi

内标法标准曲线 Gi


③气相色谱法分配系数与温度有关,保持较大的值,选用较低温度

辅助气

色谱工作站

载气

进样器

汽化器

色谱柱

检测器

﹡仪器组成框图

温控系统

﹡仪器组成各部分的作用

——载气:作流动相用,需高纯并严格计算。可用N2,H2 ,He ,Ar等。

——进样器,气体进样必须配置有专用气体进样器,六通阀

——汽化器,用于液体样品的气化之用,温度设定值要高于分析样品的沸点,需控温。

——色谱柱 是色谱仪的心脏,需控温

——检测器 检测组分信号之用,需控温

——色谱工作站 数据处理


﹡色谱柱分配系数与温度有关,保持较大的值,选用较低温度

色谱柱是气相色谱的心脏,分析的样品能否达到实际分离的目的,主要取决于色谱柱内固定相的正确选择与否。色谱柱根据外观有玻璃色谱柱,不锈钢色谱柱和毛细管色谱柱。前二者为通常意义的气相色谱,后者称为毛细管色谱。(毛细管色谱单独提)

色谱柱内固定相有三类

——固体固定相

包括 活性炭或石墨炭黑吸附剂;硅胶吸附剂;氧化铝吸附剂;分子筛吸附剂等

主要适应于分离分析永久性气体,低沸点烃类及其异构体等。靠吸附能力的差异完成对样品的分离

——液体固定相

液体固定相由固定液和担体组成,是将固定液涂渍于担体上。真正使气相色谱成为现代的分析技术是解决了液体作为固定相,气体作流动相的气相色谱。

它是根据组分在固定液中的分配系数的差异来完成分离的。


固定相的分类分配系数与温度有关,保持较大的值,选用较低温度

根据极性分类 有非极性,弱极性,中等极性和强极性动五类,并规定角鲨烷极性为0,β,β-氧二丙腈极性为100

根据化学结构分类 有烃类,醇类,酯类,胺类,腈类,聚硅氧烷类等。

固定液的选择 (处于经验阶段)

主要是:利用相似相溶原理选择固定液

优选固定液的利用 利用相邻技术选出了5种或12种具有代表性的固定液SE-30 OV-17 QF-1 PEG-20M DEGS

广谱固定液的利用 通用型,硅氧烷类

特殊固定液的利用 固定液担体,又称为载体,是化学惰性的多孔颗粒物质,具有一定的表面结构与特征。

主要有两类:硅藻土型,应用最广,有红白两种

非硅藻土型,有聚四氟乙烯,玻璃微球等

为改善分离性能,如减少拖尾等,对担体需进行化学处理等,包括酸碱洗,硅烷化,釉化,涂减尾剂等。


﹡气相色谱检测器分配系数与温度有关,保持较大的值,选用较低温度

检测柱后流出物成分及其浓度的装置,将其浓度和成分转化成易于测量的电信号。有积分型和微分型两类。台阶,峰形

现在普遍用微分型检测器,微分型检测器又分为浓度型和质量型两类

——检测器的性能指标

灵敏度 单位量物质通过检测器所给出信号值

检测限 考虑了灵敏度和噪音后给出的指标

s灵敏度 RN噪音信号

最小检测量 样品峰高等于两倍噪音时的进样量,并

不完全取决于检测器,也与操作条件有关。

线性范围 试样浓度(量)与信号之间保持线性关

系的范围,通常用最大试样量(浓度)与最小检测量的

比值表示。


——检测器的种类分配系数与温度有关,保持较大的值,选用较低温度

热导检测器(TCD),浓度型,它是根据参比池(纯载气)和样品池(载气+样品)的电导率的差异来进行检测的。是一种通用型检测器,但灵敏度较低,一般为10-4ml/ml,根据它的检测原理,使用时要注意一些事项。

氢火焰离子化检测器(FID),质量型检测器,它是利用在 H2和空气燃烧的高温条件下,将许多分子分裂成碎片,产生自由基或分子激发态从而形成高能粒子区,被测的有机分子在此高能粒子区内被电离形成离子,这些离子在高压电场中形成电流而被检测。是一种专用型检测器,灵敏度高,能检测到ppm级的样品,该检测器需要辅助气(H2和空气)

电子捕获检测器(ECD)用于cl等电负性大的物资的检测

火焰光度检测器(FPD)用于p, s等物资的检测

ECD,FPD检测器灵敏度高,能达ppb级(10-9)


﹡几种气相色谱技术简介分配系数与温度有关,保持较大的值,选用较低温度

——程序升温气相色谱法(PTGC)

指在一个分析周期内,色谱柱柱温连续地随时间由低到高线性或非线性的变化,其主要优点是改善宽沸程样品的分离度和縮短分离时间。但存在稳定性和重复性较等温色谱差的不足。

——裂解气相色谱法(PGC)

几乎可以分析所有聚合物,主要针对高聚物和一些难汽化的化合物提出的。其原理是使用分子量较大的物质在一定条件下迅速热解成易挥发的小分子碎片。碎片的组成和相对含量与被测物大分子结构与组成有一定的对应关系。得到指纹裂解图谱(与红外谱相似)。该技术的关键是裂解器的结构及控制裂解温度。

——毛细管色谱法

其特点是 柱效率(达106块塔板,是填充柱的10-100倍)

柱渗透率高(可制得很长30-300m)

柱容量小(只有填充柱的几十至几百分之一)

其特点也就确定了操作上的一些要求

容量小,要求进样量小,通常采用分流法进样,进样量小就会使检测器能检测到样品量小,为提高灵敏度,通常设置了尾吹装置,尾吹气是空气或氮气,以提高N2/H2比


④液相色谱分配系数与温度有关,保持较大的值,选用较低温度

﹡液相色谱的概念

以液体为流动相的统称为液相色谱,包括柱层析,纸层析,薄层析。现在通用的高效(压)液相色谱等。克服了通常意义上的气相色谱,要求样品挥发、热稳定性好的局限,特别适应于大分子量的高分子化合物和离子型化合物的分析。

﹡液相色谱的仪器组成及作用

检测器

工作站

流动相

进样器

——流动相 ,比气相色谱流动相的选择余地大。根据上面提到的色谱理论,它能严重的改变分离。根据分离原理的不同,选择不同种类的流动相,如一般的反向分配色谱,选用甲醇/水等极性大的溶剂作流动相,改变甲醇/水的比例能改善分离。


一般的正相分配色谱,选用正乙烷/异丙醇等极性较小的溶剂作流动相,如是离子交换色谱,则用水作流动相,添加磷酸二甲酸氢钾等缓冲溶液作离子交换试剂。 一般的正相分配色谱,选用正乙烷/异丙醇等极性较小的溶剂作流动相,如是离子交换色谱,则用水作流动相,添加磷酸二甲酸氢钾等缓冲溶液作离子交换试剂。

——泵 流动相的计量装置,有单元。双元,三元,四元泵

——进样器,手动进样,六通阀,自动进样器

——柱 色谱仪的心脏 柱内固定相也是由固定液和担体组成。

固定相的种类有 涂渍固定相,化学键合固定相,液固吸附固定相,凝胶固定相等。

——检测器,检测柱后种类与浓度的装置

有通用型和专用型两种

通用型:示差折光检测器,根据参比池(纯流动相)和样品 池(流动相+组分)之间的折光率的差别来进行检测,灵敏度低。检测器的温度控制要求十分严格。10-6g/ml

专用型:包括紫外可见分光光度计检测器(UV)

荧光光度检测器(RF)

电导检测器等(CD)


紫外可见分光光度检测器是检测那些在(200 一般的正相分配色谱,选用正乙烷/异丙醇等极性较小的溶剂作流动相,如是离子交换色谱,则用水作流动相,添加磷酸二甲酸氢钾等缓冲溶液作离子交换试剂。nm-650nm)下具有紫外吸收的化合物,有固定波长型,可变波长型和扫描型,现在通用的可变波长型,比较先进的是扫描型,如紫外可见二极管阵列检测器。

其检测原理是 样品中组分的浓度与吸光值成正比关系

荧光检测器是检测那些在某一激发光波长照射下能发出荧光的化合物,荧光强度与样品的浓度存在比例关系。

电导检测器是根据参比池(纯流动相)和样品(流动相+样品)之间的电导率的差别来进行检测,电导率的大小与样品离子的浓度成比例。

﹡液相色谱的分类,分离原理及有关概念

——分类 根据固定相聚集状态分:液液色谱LLC和液固色谱LSC

根据分离原理分: 分配,吸附,离子交换,凝胶色谱

——分离原理:

分配液相色谱 根据被分离组分在固定相固定液中和流动相中分配系数的差异而实现分离,


k= 一般的正相分配色谱,选用正乙烷/异丙醇等极性较小的溶剂作流动相,如是离子交换色谱,则用水作流动相,添加磷酸二甲酸氢钾等缓冲溶液作离子交换试剂。

cs

固定相中组分的浓度

=

cm

流动相中组分的浓度

分配系数

若k值越大,该组分的保留能力越强,保留值越大,分离度越好;

同理,对于吸附液相色谱,若组分在吸附剂上的吸附能力大,

则吸附系数大,分离度越好。

对于离子交换色谱分两类,阴离子和阳离子交换色

谱,判断分离的好坏是离子交换系数的大小。

凝胶色谱,又称排阻色谱或分子筛色谱,主要用于较大

分子化合物的分离,固定相为化学惰性的多孔性物质,

称“凝胶”,凝胶的孔径须与被分离化合物分子的线团尺

寸相当。凝胶色谱的分离机理,广为接发是“空间排阻理论”。

——正相液液色谱与反相液相色谱

主要是根据流动相极性与固定相极性的相对大小而言的, 当流动相极性大于固定相极性时称反相色谱,反之称为正相色谱


3.物相分析 一般的正相分配色谱,选用正乙烷/异丙醇等极性较小的溶剂作流动相,如是离子交换色谱,则用水作流动相,添加磷酸二甲酸氢钾等缓冲溶液作离子交换试剂。

①电子显微镜

主要有两类:透射电子显微镜(PEM)

扫描电子显微镜(SEM)

*透射电子显微镜

——原理:利用高能电子在实样上扫描,从而激发出各种物理信号, 通过这些信号的接收、放大显示成像,从而对试样的微观形貌进行了解和分析.

——应用:生物医学领域,材料科学领域等.

分析固体颗粒的形状,大小和粒度分析;

研究由于试样表面起伏所表现出的微观结构;

研究样品中各部分对电子的散射能力有差异的微观结构;

研究金属薄膜及其它晶态结构薄膜中对电子衍射敏感的结构问题;

电子衍射分析等.


高性能的透射电子显微镜:点分辨率优于3×10 一般的正相分配色谱,选用正乙烷/异丙醇等极性较小的溶剂作流动相,如是离子交换色谱,则用水作流动相,添加磷酸二甲酸氢钾等缓冲溶液作离子交换试剂。-8cm

晶格分辨率达1~2×10-8cm

而人的眼睛不能直接观察直径小于0.1mm的物体结构

*扫描电显微镜

——原理:扫描电子显微镜的成像过程与电子显微镜的成像原理 完全不同,透射是电磁透镜成像,是一次成像。而扫描电镜 不需要成像透镜,其图像是按一定时间和空间顺序逐点形 成,大多数是二次电子像,其分辨率本领可达6~ 10nm( 6~10 ×10-11m )

——应用

对样品进行图像观察,元素分析和晶体结构分析;

金属材料的性能与材料的化学组成、金相结构、热处理工艺、杂质元素的含量有关,利用扫描对金属材料的拉伸断面进行直接的形貌观察,微区进行组成元素分析。

陶瓷材料的晶粒形状及大小,断孔形貌,晶粒间相互结合的状况及夹带物,气孔等观察,改善产品生产工艺,提高使用性能;


医学上研究胆结石形态,推断出形成原因,找出治疗办法等

②.X —衍射粉末分析

分为 X —射线衍射分析和荧光X —射线光谱分析

*分析原理

——X —射线衍射分析: X —射线的波长约为可见光的1000倍,

X —光子具有比可见光光子大得多的能量。晶体物质的原 子间距与X —射线的波长近于相等。当晶体物质受到X — 光照射时,它能够衍射X —射线,根据所测定的衍射角大 小的不同,可以得到物质结晶状态的独特衍射图样,对物 质加以定性鉴定。

——荧光X —射线光谱分析:把构成物质的元素作为研究对象, 当X —射线照射物质之后,该物质放射出具有独特波长的荧光—X射线,分光后测量射线的反射角度和强度,由此推出 元素的种类和含量。

——它们的重要意义在于:


用已知结构的晶体来测定 医学上研究胆结石形态,推断出形成原因,找出治疗办法等X-射线的波长,再用已知波长 的X-射线来确定晶体的结构。

*应用

——定性鉴定同质异晶现象

美国ASTM卡,它是把已知结构物质测得的X-射线粉末 衍射数据作标准绘制而成。

美,英,法,加成立了粉末衍射标准委员会(JCPDS), 整理汇编编了 一套粉末衍射档案(powder diffraction files),各自结构物质在不同的衍射角度(2θ )有衍射峰。

——定量测定不同晶型的各自含量(混晶)

每一种晶型在它的衍射角度产生衍射峰,其衍射峰的强度 与其含量成正比。

——应用非常广泛。凡是涉及到晶型,晶相等问题的领域都可以 用到,如制药行业等。

同一化学组成的物质可以具有不同的聚集态(晶态,无定 形态,悬浮液态)及不同的晶型(同分异构体,几何异构)


相态与药效存在关系.不同的相态有不同的药理功能,如氯霉素,75年之前生产的片剂,胶囊剂均为无效的 相态与药效存在关系.不同的相态有不同的药理功能,如氯霉素,75年之前生产的片剂,胶囊剂均为无效的A型,只有混悬剂在制剂过程中自动转化为B型,才有药效;又如消炎痛有αβγ 三种晶型,其中α型有较大的药效,不能作药用,只有γ型才有药效; 再如柳安苄心定的左旋S(-)和右旋R(+)两种异构体有着完全不同的药效, S(-)是支气管扩张药, R(+)抗血小板凝聚药.

相态与药物的物理性能存在关系. 表现在溶解度、稳定性、压片性能及分散度上.

因此,X-射线物相分析用于药物的相态鉴定,了解药物构效的关系,药物的物相定量分析,研究药物的生产与贮运条件,中药分析提炼的研究等。

上档次的药厂都规定产品出厂前必须做X-光衍射检查。

③热分析

*概念:热分析技术广泛应用于研究物质的各种转变与反应,也可用于物质的定性鉴定,测定物质的组成以及特性参数等。

热分析是指在程序控温下,测量物质的物理性质(质量,温度,热量,力学量,光学量)与温度关系的技术,最常用的


有两种热重分析( 相态与药效存在关系.不同的相态有不同的药理功能,如氯霉素,75年之前生产的片剂,胶囊剂均为无效的TG、质量)和差热分析(DTA、温度),差示扫描量热法(DSC、热量),逸出气体分析(EGA、质量),国际上成立了热分析协会(ICTA协会)

把热分析技术定义在满足下述条件的范围内,以区分于热学方面的技术。

测量的参数必须是一种物理性质

测量的参数必须直接或间接的表达成温度的函数

测量必须在程序控制的温度下进行

*应用

——热重法,它是在程序控温下。测量物质温度与质量关系的技术,可应用于:无机,有机和聚合体的热分解;

高温下金属在不同气氛中的腐蚀

固态反应;矿物的焙烧;湿气,挥发物和灰分的 测定等等 。

——差热分析法,它是在程序控制温度下,测量物质与参比物之间的温度差与温度关系的一种技术.


可应用于: 研究催化剂的相组成,分解反应及催化剂的鉴定;

聚合材料的相图,玻璃化转变,降解,焙烧和结晶温度的测定;

金属盐水合物的吸附热测定;

金属和非金属氧化物的反应热测定等等.

——差示扫描量热法 它是在程序控制温度下,测定输出给物质与参比物的功率差与温度关系的一种技术.

其分析与差热分析相似.


4.元素分析法 研究催化剂的相组成,分解反应及催化剂的鉴定;

①原子发射光谱发射法

*.原理:在室温下,物质中的原子处于基态E0 ,当受到外能作用时,核外电子发生跃迁,即激发态,激发态原子十分不稳定,当原子从高能区跃迁至低能区或基态时,多余的能量以辐射的形式释放出来,其辐射能量与波长存在关系

E=hc/λ 爱因斯坦-普朗克关系

当外加的能量足够大时,可以把原子中的外加电子从基态激发至无限远,使原子成为离子,离子的外层电子受激发后产生跃迁,辐射出离子光谱.

各种元素的原子结构不同,受激发后只能辐射出特定波长的谱线,这是定性分析的依据.

谱线的强度(I)与被测定元素浓度(c)之间有如下关系

I=acb a,b为两个常数


* 研究催化剂的相组成,分解反应及催化剂的鉴定;.应用 原子发射光谱法速度快,可以多元素同时分析,可以用原子发射光谱法分析的元素近80种,根据光源的选择不同(外能作用),其检出限不同。

电弧或火花作光源,大多数元素相对检出限为10-3 -10-5%

电感耦合等离子体作光源,对溶液相对检出限为

10-3 - 10-5ug/ml

激光作光源,绝对检出限为10-6- 10-5(g)

目前通常用的是 电感耦合高频等离子体发射光谱(ICP)

②原子吸收光谱法(AAS)

*.原理:基于从光源发出的被测元素的特征辐射通过样品蒸汽时 , 被待测元素基态原子所吸收,由辐射的减弱程度求得样品 中被测元素含量。

在一定的条件下(锐线光源),光源的发射线通过一定厚 度的原子蒸气,并被基态原子所吸收,吸光度与原子蒸气 中待测元素的基态原子数间遵循朗伯-比耳定律:

A=K'N0L


K‘ 研究催化剂的相组成,分解反应及催化剂的鉴定;与实验条件有关,L光程长度,N0单位体积基态原子数,在一般火焰温度下(﹤3000K),火焰中基态原子占绝大多数,而在实际测量过程中,待测元素的浓度与蒸汽中的原子数有确定关系: N=аc а 为比例常数

于是有: A=KcL

吸光度与样品中待测元素浓度呈线性关系

有火焰原子吸收光谱和石墨炉原子吸收光谱两种(原子化器不同)

*.应用 原子吸收光谱与原子发射光谱是两相反的过程

原子吸收光谱,光源的作用是辐射待测元素的特征光谱,每个元素都有一个特征光源.目前广泛使用是空心阴极灯.特征光源应满足能发射出比吸收线窄得多的锐线,它有一定的辐射强度,稳定,背景小等特点.因此,光谱干扰小,选择性高,灵敏度高.

——火焰原子吸收光谱,灵敏度达ppm-ppb级

——石墨炉原子吸收光谱,绝对灵敏度达10-12- 10-14g ,原子吸收光谱法是特效性,准确度和灵敏度都好的一种定量分析方法。


③原子荧光谱法 研究催化剂的相组成,分解反应及催化剂的鉴定;

*.原理: 它是通过待测元素的原子蒸气在辐射能激发下产生的荧光发射强度,来确定待测元素含量的方法。

气态自由原子吸收特征波长辐射后,原子的外层电子从基态或低能级跃迁到高能级,经过10-8s,又跃迁至基态或低能级,同时发射出与原激发波长相同或不同的谱线,称为原子荧光光谱。有些不需辐射能激发就能产生原子蒸气而发出荧光,称为冷原子荧光光谱。如废水中痕量汞的测定。

用Sncl2将汞盐还原为汞原子,再用低压汞灯发射出的光束照射在汞蒸气上,发出荧光进行测定。

*.应用:主要应用在冷原子荧光光谱法分析上。


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