PAGEPAGE16第八章氣相色譜法和原子吸收光譜法一、氣相色譜法(一)氣相色譜法概述色譜法是一種分離技術(shù)，該技術(shù)應(yīng)用于分析化學(xué)中，就是色譜分析。它的分析原理是使混合物中各組分在兩相間進(jìn)行分配，其中靜止不動(dòng)的一相稱固定相，另一攜帶混合物流過此固定相的流體稱作流動(dòng)相。當(dāng)流動(dòng)相中所含混合物經(jīng)過固定相時(shí)，就會(huì)與固定相發(fā)生作用。由于各組分在性質(zhì)和結(jié)構(gòu)上的差異，與固定相發(fā)生作用的大小、強(qiáng)弱也有差異。因此在同一推動(dòng)力作用下，不同組分在固定相中的滯留時(shí)間的長(zhǎng)短不同，從而按先后次序從固定相中流過。這種借助物質(zhì)在兩相間分配的原理而使混合物中各組分分離的技術(shù)，稱為色譜分離技術(shù)或色譜法(對(duì)稱色層法，層析法)1．色譜法分類色譜法從不同的角度出發(fā)，有多種分類法。(1)按流動(dòng)相的物態(tài)分類氣相色譜：流動(dòng)相是氣體的色譜。液相色譜：流動(dòng)相是液體的色譜。按兩相狀態(tài)色譜分為四類：(2)按固定相的性質(zhì)分類柱色譜(填充柱色譜、毛細(xì)管色譜)、紙色譜(又叫紙層析)、薄層色譜(又叫薄板層析)。2．氣相色譜特點(diǎn)(1)優(yōu)點(diǎn)：分離效能高、高選擇性、高靈敏性、分析速度性、應(yīng)用廣泛。(2)局限性1)定性時(shí)需要標(biāo)準(zhǔn)樣品。2)樣品要有一定的揮發(fā)性。3)強(qiáng)極性的大分子不穩(wěn)定化合物不能直接分析，但對(duì)部分高分子或生物大分子可用裂解色譜法，分析其裂解產(chǎn)物。4)一般不能分析無機(jī)物，但部分無機(jī)物可轉(zhuǎn)化為金屬鹵代物，金屬螯合物等再進(jìn)行分析。(二)氣相色譜法的基本原理氣一固色譜分析中的固定相是一種具有多孔性及表面積較大的吸附劑顆粒。被測(cè)物質(zhì)中各組分的分離是基于各組分在吸附劑上的吸附能力不同。試樣由載氣攜帶進(jìn)入色譜柱，被測(cè)組分在吸附劑表面進(jìn)行反復(fù)的物理吸附、脫附過程。較難被吸附的組分先流出色譜柱，容易被吸附的組分后流出色譜柱。氣一液色譜分析中的固定相是在化學(xué)隋性的固體微粒(此固體是用來支持固定液的，稱為擔(dān)體)表面，涂上一層高沸點(diǎn)有機(jī)化合物液膜，這種高沸點(diǎn)有機(jī)化合物稱為固定液。在氣一液色譜柱內(nèi)，被測(cè)物質(zhì)中各組分的分離是基于各組分在固定液中溶解度的不同。當(dāng)載體攜帶被測(cè)物質(zhì)進(jìn)入色譜柱，和固定相接觸時(shí)，氣相中的被測(cè)組分立即溶解到固定液中去。載氣連續(xù)流經(jīng)色譜柱，溶解在固定液中的被測(cè)組分會(huì)從固定液中揮發(fā)到氣相中。隨著載氣的流動(dòng)，揮發(fā)至氣相中的被測(cè)組分分子又會(huì)溶解在前面的固定液中。這樣反復(fù)多次溶解、揮發(fā)、再溶解、再揮發(fā)。由于各組分在固定液中溶解能力不同，溶解度大的組分就較難揮發(fā)，停留在柱中的時(shí)間就長(zhǎng)些，往前移動(dòng)得就快些，而溶解度小的組分，則相反。經(jīng)過一定時(shí)間后，各組分彼此分離。物質(zhì)在固定相和流動(dòng)相(氣相)之間發(fā)生吸附、脫附、溶解和揮發(fā)的過程叫做分配過程。被測(cè)組分按其溶解和揮發(fā)能力(或吸附和脫附能力)的大小，按一定比例分配在固定相和氣相方向。溶解度(或吸附能力)大的組分分配給固定相多一些，氣相中的量小一些；溶解度(或吸附能力)小的組分分配給固定相的量少些，氣相中的量多了一些。在一定溫度下組分在兩相之間分配達(dá)到平衡時(shí)的濃度比稱為分配系數(shù)K。當(dāng)K<1時(shí)，組分在固定相中的濃度小于流動(dòng)相中的濃度。當(dāng)K＝1時(shí)，組分在固定相中的濃度等于流動(dòng)相中的濃度。當(dāng)K>1時(shí)，組分在固定相中的濃度大于流動(dòng)相中的濃度。氣相色譜是利用不同的物質(zhì)在兩相間具有不同的分配系數(shù)，當(dāng)兩相做相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，試樣中的各組分在兩相間經(jīng)過反復(fù)多次的分配，而使各組分分離。(三)氣相色譜儀組成：1．載氣系統(tǒng)，包括氣源、氣體凈化、氣體流速控制和測(cè)量；2．進(jìn)樣系統(tǒng)，包括進(jìn)樣器、氣化室；3．分離系統(tǒng)，包括色譜柱、柱箱和恒溫裝置；4．檢測(cè)系統(tǒng)，包括檢測(cè)器、檢測(cè)儀的電源及控溫裝置；5．記錄系統(tǒng)，包括放大器、記錄儀，有的儀器還有數(shù)據(jù)處理裝置。(四)色譜流出曲線和基本術(shù)語(yǔ)(氣相色譜法的常用術(shù)語(yǔ))1．色譜圖：試樣中的各組分經(jīng)色譜柱分離后，隨載氣依次流出色譜柱，經(jīng)檢測(cè)器轉(zhuǎn)換成為電信號(hào)，再由記錄儀將各組分的濃度變化記錄下來，得到色譜圖(即色譜流出曲線)。它是以組分的濃度變化比為縱坐標(biāo)，流出時(shí)間為橫坐標(biāo)的一條曲線。2．基線：檢測(cè)器系統(tǒng)噪聲隨時(shí)間變化的線。穩(wěn)定的基線是一條直線。(1)基線漂移：基線隨時(shí)間定向的緩慢變化。(2)基線噪聲：各種因素所引起的基線起伏。3．保留值：表示試樣中各組分在色譜柱中的滯留時(shí)間的數(shù)值。死時(shí)間tM：不被固定相吸附或溶解的氣體(如空氣)通過色譜柱的時(shí)間。在色譜圖上為從進(jìn)樣開始到色譜頂峰的時(shí)間。保留時(shí)間tR：試樣各組分通過色譜柱所需要的時(shí)間。色譜圖上為被測(cè)組分從進(jìn)樣開始到組分色譜頂峰的時(shí)間。調(diào)整保留時(shí)間t'R：扣除死時(shí)間后的保留時(shí)間。t'R＝tR一tM死體積VM：色譜柱在填充后柱管內(nèi)固定相顆粒間所剩留的空間，色譜儀中管路和連接頭間的空間以及檢測(cè)器的空間的總和，后兩項(xiàng)不計(jì)時(shí)的死體積用下式計(jì)算：VM＝tMF0式中F0——載氣體積流速。保留體積VR：從進(jìn)樣開始到柱后被測(cè)組分出現(xiàn)濃度最大值時(shí)所通過的載氣體積。調(diào)整保留體積V'R：扣除死體積后的保留體積。V’R＝t'R·F0或V'R＝VR一VM相對(duì)保留值r21：某組分2的調(diào)整保留值與另一組分1的調(diào)整保留值之比。4．區(qū)域?qū)挾群头甯呱V峰區(qū)域?qū)挾仁巧V流出曲線中的一個(gè)重要參數(shù)。從色譜分離角度看，區(qū)域?qū)捲秸胶?。?biāo)準(zhǔn)偏差σ：0．607倍峰高處色譜峰寬度的一半。圖8—1中EF的一半。半峰寬度Y1/2：又稱半寬度或區(qū)域?qū)挾?，色譜峰高一半處的寬度，圖8—1中GH。它與標(biāo)準(zhǔn)偏差的關(guān)系為峰底寬度y：從色譜峰兩側(cè)拐點(diǎn)作切線，兩切線在基線上的截距，如圖8—1中的IJ所示。它與標(biāo)準(zhǔn)偏差的關(guān)系為Y＝4σ峰高：色譜峰頂?shù)交€的垂直距離。5．固定液的相對(duì)極性Px按下式計(jì)算強(qiáng)極性固定液β，β’一氧二丙腈的相對(duì)極性P＝100，非極性固定液角鯊?fù)榈南鄬?duì)極性P＝0。q1、q2、qx分別為一對(duì)物質(zhì)苯一環(huán)己烷在β，β’一氧二丙腈、角鯊?fù)榧按郎y(cè)固定液上的相對(duì)保留值。6．麥?zhǔn)铣?shù)：測(cè)定苯、丁醇、2一戊酮、硝基丙烷和吡啶五種物質(zhì)在被測(cè)固定液與角鯊?fù)楣潭ㄒ褐媳Ａ糁笖?shù)的差值以及差值的平均值，作為固定液極性的標(biāo)度。7．檢測(cè)器靈敏度Sgc(濃度型檢測(cè)器用)：1mL載氣中攜帶1mg試樣通過檢測(cè)器時(shí)，能產(chǎn)生的響應(yīng)信號(hào)。單位mV，mL·mL-1。Sm(質(zhì)量型檢測(cè)器用)：每秒中有1g某組分被載氣攜帶通過檢測(cè)器，所產(chǎn)生的電壓或電流值。單位mV·S·g-18．檢測(cè)限(D)：又稱靈敏度，檢測(cè)器恰能產(chǎn)生和噪聲相鑒別的信號(hào)時(shí)，在單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入檢測(cè)器的組分的物質(zhì)的量或單位體積載氣中所含該組分的量(單位g)。式中N——檢測(cè)器的噪聲；S——檢測(cè)器的靈敏度。9．程序升溫：柱溫隨著操作時(shí)間有規(guī)律地升溫。10．保留溫度：在程序升溫色譜中，某組分從柱后流出時(shí)所對(duì)應(yīng)的色譜柱溫。二、基本理論1．塔板理論色譜峰越窄，理論塔板數(shù)n越多，塔板高度H越小，柱效能越高。2．速率理論VanDeemter方程式式中Df——固定相的液膜厚度df薄，組分在液相的擴(kuò)散系數(shù)D1大，那么液相傳質(zhì)阻力則小。對(duì)填空柱，固定液含量較高(20％～30％)。中等線速時(shí)，塔板高度的主要控制因素是液態(tài)傳質(zhì)項(xiàng)，氣相傳質(zhì)項(xiàng)可忽略。用低固定液含量柱，高載氣線速進(jìn)行快速分析時(shí)，Cg對(duì)H的影響會(huì)成為主要控制因素。重點(diǎn)了解簡(jiǎn)式各項(xiàng)和各符號(hào)的意義，熟悉填充柱詳細(xì)式的各符號(hào)的含義，從而理解分離條件的選擇，即填充均勻度，填料的平均顆粒直徑，液膜厚度，載氣的性質(zhì)及流速，柱溫等對(duì)柱效及分離的影響。三、實(shí)驗(yàn)條件的選擇1．色譜分離基本方程式：在氣相色譜中，固定液、柱溫及載氣的選擇是分離條件選擇的三個(gè)主要方面，用于提高柱效，降低塔板高度，提高相鄰組分的分離度。定量分析時(shí)，組分分離完全R≥1．5，才能獲得較好的精密度和準(zhǔn)確度。2．實(shí)驗(yàn)條件的選擇(1)提高a和k：a是柱選擇性的量度，a越大選擇性越好，當(dāng)a＝1時(shí)，R都為零。k與固定液的用量和分配系數(shù)有關(guān)，并受柱溫的影響。(2)提高n：流速0～μ最佳時(shí)，選分子量較大的載氣；流速μ>μ最佳時(shí)，選分子量較小的載氣。柱溫選擇原則：為使難分離物質(zhì)對(duì)能得到良好的分離，在分離時(shí)間適宜，峰形不拖尾的前提下，盡可能采用低柱溫。寬沸程試樣應(yīng)采用程序升溫方法。選擇合適的柱表和內(nèi)徑。(3)其他條件的選擇：氣化室溫度、檢測(cè)室溫度、進(jìn)樣時(shí)間和進(jìn)樣量。3．固定液的選擇固定液的選擇按相似相溶原則，歸納見表8—1。四、檢測(cè)器分類根據(jù)檢測(cè)原理不同，檢則器分為濃度型檢測(cè)器和質(zhì)量型檢測(cè)器。1．濃度型檢測(cè)器：檢測(cè)器的響應(yīng)值與載氣中組分的濃度成正比。如熱導(dǎo)池檢測(cè)器和電子捕獲檢測(cè)器等。熱導(dǎo)池檢測(cè)器TCD：組分與載氣的熱導(dǎo)率有差別就能檢測(cè)。用H2，Hε時(shí)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，靈敏度適宜，穩(wěn)定性較好，對(duì)所有物質(zhì)有響應(yīng)，應(yīng)用最廣最成熟的一種檢測(cè)器。電子捕獲檢測(cè)器：它是高選擇性，高靈敏度的濃度型檢測(cè)器。選擇性地檢測(cè)含有電負(fù)性強(qiáng)的元素，電負(fù)性愈強(qiáng)，靈敏度愈高。能測(cè)出10-14g·mL-1的電負(fù)性物質(zhì)。2．質(zhì)量型檢測(cè)器：檢測(cè)器的響應(yīng)值與單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)人檢測(cè)器某組分的質(zhì)量成正比。如氫火焰離子化檢測(cè)器和火焰光度檢測(cè)器等。氫火焰離子化檢測(cè)器：對(duì)含碳有機(jī)物靈敏度高，能檢測(cè)10-12g·S-1的痕量物質(zhì)，響應(yīng)快，穩(wěn)定性好，檢測(cè)限小，死體積小。線性范圍寬，可達(dá)106以上。常用于含碳有機(jī)化合物的檢測(cè)。操作時(shí)，常選氮?dú)鉃檩d氣，氫氣為燃?xì)?，空氣為助燃?xì)??；鹧婀舛葯z測(cè)器FPD：對(duì)含磷、含硫的化合物有高選擇性和高靈敏度的一種色譜檢測(cè)器。為保護(hù)檢測(cè)器和色譜柱，開氣相色譜儀時(shí)，應(yīng)先開載氣，再開電源加熱。關(guān)機(jī)時(shí)，最后關(guān)載氣。五、定量分析1．定量分析的依據(jù)氣相色譜定量分析的依據(jù)是在規(guī)定的操作條件下，被測(cè)組分的質(zhì)量Mi與它在檢測(cè)器上產(chǎn)生的響應(yīng)信號(hào)峰面積Ai或峰高Hi成正比。式中fi——峰面積換算成被測(cè)物質(zhì)量的比例常數(shù)，稱為校正因子。由上式可知，定量分析中需要：①準(zhǔn)確測(cè)量峰面積(或峰高)；②準(zhǔn)確求出比例系數(shù)fi；③根據(jù)上式正確選用定量計(jì)算方法，將測(cè)得的峰面積或峰高換算成質(zhì)量分?jǐn)?shù)。2．峰面積的測(cè)量方法(1)峰高乘半峰寬法——對(duì)稱峰面積的測(cè)量用質(zhì)量校正因子校正峰面積，再按歸一化法計(jì)算，可得被測(cè)物的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)。2)摩爾校正因子fM對(duì)于氣體分析，使用相對(duì)摩爾校正因子可得被測(cè)物的體積分?jǐn)?shù)。(3)相對(duì)響應(yīng)值S它是物質(zhì)i與標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)S的響應(yīng)值(靈敏度)之比。單位相同時(shí)，它與相對(duì)校正因子互為倒數(shù)。該法優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)便、準(zhǔn)確，當(dāng)操作條件如進(jìn)樣量、流速等變化時(shí)，對(duì)結(jié)果影響小。(2)標(biāo)準(zhǔn)曲線法又叫外標(biāo)法標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制：在一定的操作條件下，將一系列不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)溶液，以一定體積分別進(jìn)樣，并以色譜圖上的峰面積A或峰高h(yuǎn)為縱坐標(biāo)，以標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度或含量為橫坐標(biāo)，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。試樣的測(cè)定：在同樣的條件下，以同體積進(jìn)試樣，測(cè)出峰面積A或峰高h(yuǎn)，在標(biāo)準(zhǔn)曲線上查出水樣中被測(cè)組分的濃度或含量。(3)內(nèi)、標(biāo)法內(nèi)標(biāo)法是將一定量的純物質(zhì)作為內(nèi)標(biāo)物，加入到準(zhǔn)確稱取的試樣中，根據(jù)被測(cè)組分和內(nèi)標(biāo)物的質(zhì)量及其在色譜圖上相應(yīng)的峰面積之比，求出組分的含量。內(nèi)標(biāo)物的選擇：樣品中不存在的純物質(zhì)；內(nèi)標(biāo)物的性質(zhì)、含量和色譜峰位置盡量與被測(cè)組分接近；內(nèi)標(biāo)物不與被測(cè)組分發(fā)生反應(yīng)，又能與被測(cè)樣品中各組分完全分離。(4)內(nèi)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)曲線法內(nèi)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制：先將欲測(cè)組分的純物質(zhì)配成不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)溶液。取固定量的標(biāo)準(zhǔn)溶液和內(nèi)標(biāo)物，混合后進(jìn)樣分析，測(cè)出Ai和As，以Ai／As對(duì)標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度(或含量)作圖。試樣的測(cè)定：取和制作標(biāo)準(zhǔn)曲線時(shí)所用量同樣的試樣和內(nèi)標(biāo)物，測(cè)出其峰面積之比，從內(nèi)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)曲線上查出被測(cè)組分的濃度(或含量)。此法不必測(cè)出校正因子，是一種比較準(zhǔn)確的定量方法，缺點(diǎn)是每次分析比較費(fèi)時(shí)。六、原子吸收光譜法(一)原子吸收光譜法概述原子吸收光譜法又稱原子吸收分光光度法，簡(jiǎn)稱原子吸收法。原子吸收光譜分析是基于試樣所產(chǎn)生的基態(tài)原子蒸氣對(duì)光源發(fā)出的該元素的特征波長(zhǎng)的光的吸收程度進(jìn)行定量分析的一種方法。原子吸收光譜法的優(yōu)點(diǎn)：選擇性好，準(zhǔn)確度高。因?yàn)榉治霾煌貢r(shí)光源可選用不同元素?zé)?，所以干擾少，選擇性好，準(zhǔn)確度高，低含量分析中相對(duì)誤差為1％～3％。靈敏度高。用火焰原子吸收光譜法可測(cè)到10-9g／mL，用無火焰原子吸收光譜法可測(cè)到10-13g／mL。測(cè)定范圍廣?？蓽y(cè)定70多種元素，可作痕量組分分析和常量組分分析。操作簡(jiǎn)單迅速。缺點(diǎn)：每測(cè)定一種元素，必須更換該元素光源燈。(二)基本原理1．原子在各能級(jí)的分布理論和實(shí)驗(yàn)表明，在不同溫度下，達(dá)到熱力學(xué)平衡時(shí)，可用玻耳茲曼方程表示；激發(fā)態(tài)原子數(shù)(Nj)與基態(tài)原子數(shù)(N0)之比2．共振吸收線原子的核外電子由基態(tài)躍遷到第一激發(fā)態(tài)所產(chǎn)生的吸收譜線叫共振吸收線。不同的元素的原子結(jié)構(gòu)和外層電子排布不同，吸收的能量不同，共振吸收線各具特征，這種共振線是特征譜線，是元素所有譜線中最靈敏的譜線。原子吸收光譜分析就是利用處于基態(tài)的待測(cè)原子蒸氣，對(duì)從光源輻射的共振線的吸收來進(jìn)行分析的。3．譜線輪廓和譜線寬度譜線輪廓是指譜線具有一定頻率范圍(寬度)和形狀，而并非為一條幾何線。吸收線輪廓常用吸收系數(shù)K0隨頻率(或波長(zhǎng))的變化曲線來描述，而原子吸收線的特點(diǎn)是用譜線中心頻率(或波長(zhǎng))和吸收線的半寬度來表征。譜線輪廓受多種因素影響，一類由原子本身的性質(zhì)所決定，例如譜線的自然寬度△vN和同位素效應(yīng)。另一類由外界影響引起的，多普勒變寬即熱度寬△νD，勞倫茲變寬即壓力變寬△νL，電場(chǎng)變寬，磁場(chǎng)變寬，自吸變寬等。但在通常的原子吸收分析的實(shí)驗(yàn)條件下，吸收線的輪廓主要受多普勒和勞倫茲變寬的影響。(三)原子吸收分光光度分析法1．原子吸收分光光度法的定量基礎(chǔ)原子吸收與分子吸收一樣服從原子吸收的測(cè)量有積分吸收法和峰值吸收法。峰值吸收測(cè)量法是采用銳線光源所發(fā)射的與待測(cè)元素中心頻率一致的且半寬度比吸收線小得多的譜線，通過測(cè)定吸收線中心頻率的峰值吸收系數(shù)K0來計(jì)算待測(cè)元素的原子數(shù)。原子化器中基態(tài)原子對(duì)發(fā)射線的吸收就成為峰值的吸收。測(cè)量峰值吸收需要銳線光源，只需要一般分辨率的分光儀器就能將共振線和鄰近譜線分離。吸光度的表達(dá)式為上式表明：當(dāng)吸收厚度一定，吸光度與試樣中被測(cè)組分的濃度呈線性關(guān)系。此式是原子吸收分光光度法的定量分析依據(jù)。2．原子吸收分光光度計(jì)原子吸收分光光度計(jì)由光源、原子化器、單色器和檢測(cè)系統(tǒng)四部分組成。(1)光源：是銳線光源，它應(yīng)發(fā)射待測(cè)元素的特征譜線，發(fā)射輻射波長(zhǎng)的半寬度要明顯小于吸收線的半寬度，輻射強(qiáng)度要大，穩(wěn)定性高且背景信號(hào)小。常用的是空心陰極燈。(2)原子化器：是原子分光光度計(jì)的關(guān)鍵部件。它將試樣中的待測(cè)元素變成原子蒸氣。原子化器主要有火焰原子化器和無焰原子化器。(3)單色器：作用是將被測(cè)元素的吸收譜線與鄰近譜線分離。衍射光柵是常用的分光元件。(4)檢測(cè)系統(tǒng)：作用是將單色器分出的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。常用的有光電倍增管。3．干擾及其消除原子吸收光譜分析的干擾主要有光譜干擾、物理干擾和化學(xué)干擾。(1)光譜干擾：包括與光源有關(guān)的光譜線干擾和與原子化器的背景吸收。光譜線干擾是被測(cè)元素的分析線與樣品中共存元素的吸收線相近而產(chǎn)生的干擾，使分析結(jié)果偏高。背景吸收包括分子吸收和光散射，其結(jié)果使吸光度增高。消除方法：改變儀器條件(如測(cè)定液長(zhǎng)，減小狹縫寬度)或背景扣除等。(2)物理干擾：試樣的物理性質(zhì)如表面張力、黏度、實(shí)際密度、溫度等變化都影響吸收強(qiáng)度，導(dǎo)致測(cè)定誤差。消除方法：配制組成與待測(cè)液相