1、环境分析技术（研究生）全册环境分析技术（研究生）全册配套完整课件配套完整课件3环境分析技术 课程性质课程性质p选修本门课程的前期课程基础是分析化学、环境化学或环境监测。p教学任务主要包括光谱分析技术、色谱分析技术、质谱分析技术、气溶胶分析技术等大型仪器的测量原理及应用，是环境科学和环境工程专业的研究生学习环境分析新技术和新方法的重要内容p本门课程还是暨南大学环境与气候研究院实验室持证上岗水平考核的必修课程。目目 录录 第一讲 前言 第二讲 色谱分析法原理及应用 第三讲 气相色谱质谱联用技术 第四讲 高效液相色谱/质谱联用分析法 第五讲 气溶胶和云雾化学成分测量原理及应用 第六讲 光谱学测量原理
2、及应用 第七讲 移动观测及在线测量原理及应用 第八讲 实验室管理制度及使用要求 第九讲 实践与考核课外参考资料1 现代环境监测技术，吴邦灿，费龙编著，1999年8月第1版，环境科学出版社2 环境监测新技术，齐文启，孙宗观，边归国编著，2004年1月第1版，化学工业出版社3 环境分析监测理论与技术，孙宝盛，单金林编著，2004年5月第1版，化学工业出版社4现代生物样品分离分析方法，张玉奎等编著，2003年3月第1版，科学出版社5 空气、废气、水、废弃物环境监测技术，第四版，2003年，国家环保总局编，中国环境科学出版社6 http:/www.epa.gov 网站 美国环保局推荐的环境监测标准方法
3、7环境与气候研究院实验室仪器作业指导书8环境与气候研究院实验室管理程序文件及管理指南第二讲第二讲 色谱分析法原理及应用色谱分析法原理及应用5.1 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 5.2 分离条件的选择 色谱柱 担体 固定液及配比 柱温 载气及流速 进样 第三讲第三讲 气相色谱气相色谱/ /质谱联用分析技术质谱联用分析技术7.1 基本原理7.2 分析方法及应用 7.3 质谱解析 第一讲第一讲 色谱法理论基础色谱法理论基础5.1 5.1 色谱法的基本原理色谱法的基本原理 俄国植物学家茨维特（Tsweett）最早创造了色谱，并于1906年他将吸附原
4、理分离植物色素的方法命名为色谱法（chromatography)。 TsweettTsweett色谱分离的基本原理是：色谱分离的基本原理是： 使混合物中各组分在两相（固定相和流动相）间进行分配，当流动相中所含混合物经过固定相时，就会与固定相发生相互作用，由于各组分在性质和结构上的差异，不同组分在固定相中滞留时间有长有短，从而按先后不同的次序从固定相中流出。 l色谱法分类：色谱法分类： (1)吸附色谱：利用组分在吸附剂表面上的被吸附的强弱不同而分离。 (2)分配色谱：利用组分在固定相中溶解度不同而分离。 (3)交换色谱：利用离子与离子交换剂的亲和性不同而分离(4)排阻色谱：利用分子的大小不同在固
5、定相中渗透压不同而分离的方法。 按固定相外型分为：填充柱色谱，毛细管色谱等； 按动力学方式分为：冲洗法、顶替法、吹集法等。5.1.1 5.1.1 色谱图及基本参数色谱图及基本参数 u色谱图色谱图 定义定义：色谱柱流出物通过检测器系统时所产生的响应信号对时间或栽气流出体积的曲线图 。 作用作用：是色谱基本参数的源流，而色谱基本参数又是用来观察色谱行为和研究色谱理论的重要标度。 利用色谱峰位置（特性保留值）进行定性； 根据色谱峰高或峰面积进行定量； 根据峰不同的位置及其峰宽变化状态，可对色谱柱 的分离性能进行评价； 根据色谱图的表征来判断色谱操作条件的优劣。 u色谱基本参数色谱基本参数 基线、死时
6、间（tM）、死体积（VM）、 保留时间（tr）、调整保留时间、保留体积（Vr）、调整保留体积 、相对保留值 、峰高（h） 、半峰宽（W1/2） 、峰底宽度（Wb）、标准偏差（）、分配系数(K) 、分配比（k） 基线基线 色谱柱中没有待测组分流出时，记录笔画出的线，成为基线，稳定条件下，基线应为一直线。基线反映监测器噪声随时间变化。另外，有各种偶然因素，如固定相挥发，外界电信号干扰等引起基线的起伏，成为噪声。有些因素引起基线漂移，会给定量分析带来误差。所以，基线反映了系统的重要特性。死时间死时间（tM） 不被固定相滞留的组分（溶剂等）通过色谱柱所需时间。是从进样开始到非滞留分的峰顶对应的时间。因
7、实际测量时包括了组分经过柱前后连接管道所需的时间，所以它要大于上定义的死时间。 死体积（死体积（V VM M） 自不被固定相吸附或溶解的气体进入色谱柱至出现色谱峰最高点时所通过的载气气体的体积。保留时间（保留时间（t tR R） 自组分进入色谱柱至出现色谱峰最高点时所用的时间。以分作为单位（retention time）。调整保留时间调整保留时间 扣除死时间后的实际保留时间。 校正保留时间：用压力梯度校正因子修正的保留时间。 净保留时间：用压力梯度校正因子修正的调整保留时间。保留体积（保留体积（V Vr r） 自某组分进入色谱柱至出现色谱峰最高显示所通过的载气体积称为保留体积。 调整保留体积调
8、整保留体积 某组分的保留体积扣除死体积后的保留体积。 相对保留值相对保留值 在相同操作条件下某组分的校正保留值与另一组分（参比组分）校正保留值的比值成为相对保留值。峰高（峰高（h h） 从色谱峰顶到基线的垂直距离。半峰宽（半峰宽（W W1/21/2） 色谱峰高一半处的宽GH.。 峰底宽度（峰底宽度（W Wb b） 从色谱峰两侧拐点作切线，这两根切线与基线交点之间的距离。标准偏差（标准偏差（） 当色谱峰呈正态分布时，曲线两侧拐点之间距离的一半，即峰高0.607倍处的宽度之半。 分配系数分配系数(K)(K) 在平衡状态时，组分在固定液与流动相中的浓度之比（Partition confficient
9、）。用 表示，浓度单位为g/ml 。 分配系数K由组分的性质和固定相的性质决定，与两相体积无关。若流动相为液态，还与流动相的性质有关。 如二组分K相同，则峰重合；差别越大峰相离的越远。 msCCK 分配比（分配比（k k） 亦称容量比，在一定温度和压力下，两相平衡时，组分在两相中的分配量，即组分在固定相和流动相中的重量比。即， 另，组分在两相中的分配比等于组分在液相中停留时间与在气相中停留时间之比，即 故 k 值可从实验分析的色谱图中求出。 分配比越大组分停留在固定相中的分子数越多，保留时间越长。qPk MRMRVVttk分配系数与分配比之间的关系： Vg-气相在柱中所占的体积；Vl-液相在柱
10、中所占的体积。 一个组分的K值为其调整保留时间与死时间的比值，即， 所以，K值可以看作色谱柱对组分保留能力的参数。K值越大，保留时间越长。 LggVqLVPVVkKMMRtttK5.1.2 5.1.2 色谱法基本理论色谱法基本理论 A、B两组分沿色谱柱移动时，不同位置处得浓度轮廓图轮廓图。 图中KA 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
11、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
12、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： HLn 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
13、。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。 22)(16)(54. 52/1YtnRYtR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；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： 222/1)(16)(54. 5YtYtnRR有效)2(2/1)1(2/1)1()2(
14、YYttRRR)1(161 , 31 , 22rrRn有效5.1.3 5.1.3 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，传质阻力项系数。 uCuBAH(1) (1) 涡流扩散（涡流
15、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。 dA2(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。 一般情况下，=0
16、.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。 urDuBg/2(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
17、气相传质阻力所形成的塔板高度分量，可选用小颗粒固定相及分子量小的气体作载气。 gpgDudkkuC222)1 (01. 0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。 uDdkkuClfl22)1 (325.2 5.2 分离条件的选择分离条件的选择5.2.1 5
18、.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。5.2.2 5.2.2 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。 5.2.3 5.2.3 固定液及配比固定液及配比 分离
19、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。5.2.4 5.2.4 柱温柱温 对于气体及气态烃等低沸点组分，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。5.2.5 5.2.5 载
20、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。 uCCudrduCCuBAHlgglg)(22
21、)(5.2.5 5.2.5 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
22、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 第三讲第三讲 气相色谱分析法气相色谱分析法6.1 6.1 气相色谱仪气相色谱仪 组成组成：气路系统、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
23、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 。 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
24、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
25、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。 BackBack6.2 6.2 定性分析法定性分析法 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
26、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。 6.3 6.3 定量分析方法定量分析方法 6.3.1 6.3.1 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 2/ 1YhA2/1065. 1YhARtbh
27、YhA2/1)(2185. 05 . 0YYhA6.3.2 6.3.2 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分别为组分或标准物质的量（用质量或摩尔质量表示）。iiiAfmiiiAmf ississiisiiAmAmAmAmfff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
28、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。 1wwfS1mmfS6.3.3 6.3.3 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不发生变化，也可用峰高代替峰面积进行归一化法定量，即 %1001niiiiiiAfAfC%1001niiiiAAC%1001 niiiiii
29、hfhfC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，内标物与样品互溶，内标峰应与试样中的各组分
30、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，测得相应的AS和Ai。由待测组分和标
31、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的浓度。 可表示为： 式中，
32、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 %100iiimmAAC 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
33、来，得到液相色谱图。高压输液系统高压输液系统由储液罐、高压输液泵、过滤器、压力脉动阻力器等组成，核心部件是高压输液泵。高压泵按其操作原理可分为恒流泵和恒压泵。恒流泵的特点是在一定的操作条件下，输出的流量保持恒定，而与色谱柱等引起的阻力变化无关。恒压泵与恒流泵不同，它能保持输出压力恒定，而流量则随色谱系统阻力的变化而变化。气动放大泵就是一种恒压泵。由于这类高压泵输液流速随色谱系统的阻力而变化，导致保留时间的重现性差，所以目前在分析上已较少使用。 进样系统进样系统常用的进样方式有三种：直接注射进样、停留进样和高压六通阀进样。直接注射进样的优点是操作简便，并可获得较高的检效，但这种方法不能承受高压。
34、停留进样是在高压泵停止供液，体系压力下降的情况下，将样品直接加到柱头。这种进样方式操作不便，重现性差，仅在不得已时才采用。高压六通阀进样的优点是进样量的可变范围大，耐高压，易于自动化；缺点是容易造成谱峰柱前扩宽。 色谱柱色谱柱在高效液相色谱中，色谱柱一般采用优质不锈钢管制作。近年来，由于高效微型填料（3-10um）的普遍应用，考虑管壁效应对柱效的影响，故一般采用管径粗（4-5mm），长度短（10-50cm）的色谱柱。 柱的填充一般采用匀浆法。具体操作是先将填料配成悬浮液，在高压泵的作用下快速将其压入装有洗脱液的色谱柱内，经冲洗后，即可备用。 检测系统检测系统检测器应具有灵敏度高、燥声低、线性范
35、围宽、响应快、死体积小等特点外，还应对温度和流速的变化不敏感。有两种基本类型的检测器：一类是溶质性检测器。它仅对被分离组分的物理或物理化学特性有响应，如紫外荧光，电化学检测器等。另一类是总体检测器，它对试样和洗脱液总的物理或物理化学特性有响应，如示差析光，介电常数检测器等 。谢谢！谢谢！ 环境分析技术 王伯光 袁斌 张展毅 蒋斌 李光辉 暨南大学暨南大学环境与气候研究院环境与气候研究院 20182018年年3 3月月 目目 录录 第一讲 前言 第二讲 色谱分析法原理及应用 第三讲 气相色谱质谱联用技术 第四讲 高效液相色谱/质谱联用分析法 第五讲 气溶胶和云雾化学成分测量原理及应用 第六讲 光
36、谱学测量原理及应用 第七讲 移动观测及在线测量原理及应用 第八讲 实验室管理制度及使用要求 第九讲 实践与考核课外参考资料1 现代环境监测技术，吴邦灿，费龙编著，1999年8月第1版，环境科学出版社2 环境监测新技术，齐文启，孙宗观，边归国编著，2004年1月第1版，化学工业出版社3 环境分析监测理论与技术，孙宝盛，单金林编著，2004年5月第1版，化学工业出版社4现代生物样品分离分析方法，张玉奎等编著，2003年3月第1版，科学出版社5 空气、废气、水、废弃物环境监测技术，第四版，2003年，国家环保总局编，中国环境科学出版社6 http:/www.epa.gov 网站 美国环保局推荐的环境
37、监测标准方法 第一讲 光谱学测量原理及应用 第1节 原子吸收分光光度法 第2节 原子荧光光谱法 第3节 荧光及磷光光谱法 第4节 化学发光监测技术 第第1节节 原子吸收分光光度法原子吸收分光光度法1.1 基本原理 1.2 原子吸收分光光度计1.3 测定条件的选择 1.4 定量分析方法 1.5 灵敏度及检出极限1.6 原子吸收光谱法在环境监测中的应用 第第2节节 原子荧光光谱法原子荧光光谱法 2.1 概述 2.2 原理 2.3 原子荧光光谱仪2.4 定量分析方法及应用 第第3 3节节 荧光及磷光光谱法荧光及磷光光谱法3.1 原理3.2 荧光光谱仪 3.3 荧光分析方法 3.4 荧光光谱法在环境监
38、测中的应用 3.5 磷光分析法 第第4 4节节 化学发光监测技术化学发光监测技术4.1 原理 4.2 化学发光反应的类型 4.3 化学发光监测仪器 第三讲第三讲 色谱分析法原理及应用色谱分析法原理及应用5.1 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 5.2 分离条件的选择 色谱柱 担体 固定液及配比 柱温 载气及流速 进样 第四讲第四讲 气相色谱分析法气相色谱分析法6.1 气相色谱仪6.2 定性分析法 保留值定性 加已知物增峰法 6.3 定量分析法 峰面积的测量 定量校正因子 定量方法 第五讲第五讲 气相色谱气相色谱/ /质谱联用分析技术质谱联用分析
39、技术7.1 基本原理7.2 分析方法及应用 7.3 质谱解析第六章第六章 高效液相色谱分析法高效液相色谱分析法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 第第1 1节节 原子吸收分光光度法原子吸收分光光度法1.1 1.1 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
40、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
41、振线的吸收而进行定量分析。 吸收线的产生 （原子吸收光谱的产生）(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
42、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。 LKNIIA004343. 0lg KNLeII0CKA1.2 1.2 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
43、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：放大器数据处理稳压电源单色器光源分光系统高压电源检测器检测系统原子化系统废液燃气助燃气试液 原子吸收分光度计原子吸收分光度计TAS-990F 原子吸收分光光度计原子吸收分光度计：由原子吸收分光度计：由光源、光源、原子化器、单色器和检测系原子化器、单色器和检测系统统四个基本部件组成。四个基本部件组成。（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
44、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 空心阴极灯：空心阴极灯：结构如图所示由一个钨丝作阳极，空心阴极由待测元素的高纯金属由一个钨丝作阳极，空心阴极由待测元素的高纯金属或合金制成。接通电源发射出待测元素的特征谱线。或合金制成。接通电源发射出待测元素的特征谱线。空心阴极灯的原理空心阴极灯的原理l 施加适当电压时，电子将从空心阴极内壁流向阳极施加适当电压时，电子将从空心阴极内壁流向阳极; ;l 与充入的惰性
45、气体碰撞而使之电离，产生正电荷，其在与充入的惰性气体碰撞而使之电离，产生正电荷，其在电场作用下，向阴极内壁猛烈轰击电场作用下，向阴极内壁猛烈轰击; ;l 使阴极表面的金属原子溅射出来，溅射出来的金属原子使阴极表面的金属原子溅射出来，溅射出来的金属原子再与电子、惰性气体原子及离子发生撞碰而被激发，于是再与电子、惰性气体原子及离子发生撞碰而被激发，于是阴极内辉光中便出现了阴极物质和内充惰性气体的光谱阴极内辉光中便出现了阴极物质和内充惰性气体的光谱; ;l用不同待测元素作阴极材料，可制成相应空心阴极灯用不同待测元素作阴极材料，可制成相应空心阴极灯; ;l空心阴极灯的辐射强度与灯的工作电流有关。空心阴
46、极灯的辐射强度与灯的工作电流有关。 优缺点：优缺点：（1 1）辐射光强度大，稳定，谱线窄，灯容易更换。）辐射光强度大，稳定，谱线窄，灯容易更换。（2 2）每测一种元素需更换相应的灯。）每测一种元素需更换相应的灯。（2 2）原子化系统）原子化系统 作用：作用：是将试样中的待测元素由化合物状态转变为基态原子蒸气。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
47、成基态原子。 无火焰原子化器无火焰原子化器：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。 将试液中的待测元素将试液中的待测元素转变成基态原子蒸气转变成基态原子蒸气原子化器原子化器Mx（试液）（试液）Mx（气态分子）（气态分子）Mo（气态金属原子）（气态金属原子）Xo（气态非金属原子）（气态非金属原子）Mi（激
48、发态原子）（激发态原子）M + + -e (电子电子)（金属离子）（金属离子）+火焰原子化器火焰原子化器无火焰原子化器无火焰原子化器(石墨炉原子化器石墨炉原子化器)分分火焰原子化装置雾化器和燃烧器雾化器和燃烧器 （1 1）雾化器）雾化器 结构如图所示主要缺点：雾化效率低主要缺点：雾化效率低。火焰火焰: :试样雾滴在火焰中，经蒸发，干燥，试样雾滴在火焰中，经蒸发，干燥，离解（还原）等过程产生大量基态原子。离解（还原）等过程产生大量基态原子。 火焰温度的选择火焰温度的选择： （a a）保证待测元素充分离解为基态原子的前提下）保证待测元素充分离解为基态原子的前提下，尽量采用低温火焰；，尽量采用低温火
49、焰； （b b）火焰温度越高，产生的热激发态原子越多；）火焰温度越高，产生的热激发态原子越多； （c c）火焰温度取决于燃气与助燃气类型，常用空）火焰温度取决于燃气与助燃气类型，常用空气气乙炔最高温度乙炔最高温度2600K2600K能测能测3535种元素。种元素。 火焰类型：火焰类型：l 化学计量火焰：温度高，干扰少，稳定，背景低，常用。l 富燃火焰：还原性火焰，燃烧不完全，测定较易形成难熔氧化物的元素Mo、Cr稀土等。 l 贫燃火焰：火焰温度低，氧化性气氛，适用于碱金属测定。火焰种类及对光的吸收：火焰种类及对光的吸收： 选择火焰时，还应考虑火焰本身对光的吸收。根据待测元素的共振线，选择不同的
50、火焰，可避开干扰 ： 如如 A s 的 共 振 线的 共 振 线193.7nm 由图可见，采用空气-乙炔火焰时，火焰产生吸收，而选氢-空气火焰则较好；空气空气-乙炔火焰乙炔火焰：最常用：最常用,可测定可测定30多种元素；多种元素；N2O-乙炔火焰乙炔火焰：火焰温度高：火焰温度高,可测定的增加到可测定的增加到70多种。多种。石墨炉原子化装置（1）结构）结构 如图所示：如图所示： 外气路外气路中中Ar气体沿石墨管外壁流动，冷却气体沿石墨管外壁流动，冷却保护石墨管；保护石墨管；内气路内气路中中Ar气体由管两端流向气体由管两端流向管中心，从中心孔流出，用来保护原子不被管中心，从中心孔流出，用来保护原子
