1、第十章 现代仪器分析法选介Selected Methods of Modern Instrumental Analysis 10.1 电位分析法 10.2 原子吸收分光光度法 10.3 色谱分析法学习要求 1.掌握电位分析法的基本原理、指示电极和参比电极的含义。了解各类电极的结构和机理。2.掌握测定溶液pH值的方法。掌握直接电位法测定离子浓度及确定电位滴定终点的方法。3.掌握原子吸收光谱分析的基本原理和定量分析方法。了解原子吸收分光光度计的主要构造和应用范围。4.掌握色谱分离的原理、分类及定性、定量方法。了解评价分离效率的指标，了解气相及高效液相色谱仪的构造和各自的应用范围。仪器分析的基本特点
2、从二十世纪中叶开始，仪器分析得到迅速的发展。目前，仪器分析法已广泛应用于现代科学技术的各个领域。Instrumental Analysis以被测物质的物理及物理化学性质为基础的分析方法多属微量分析，快速灵敏，相对误差较大，但绝对误差不大。仪器分析法的种类很多。有光谱法、色谱法、电化学分析法等。仪器分析的基本特点第九章已对其中最为常用的紫外-可见分光光度法作了详细介绍。限于篇幅，本章只介绍电位分析法，原子吸收分光光度法、气相色谱法和液相色谱法这五种常用的仪器分析法。仪器分析的基本类型光分析法光分析法 电分析法电分析法 色谱分析法色谱分析法 其他分析法其他分析法 分光光度法 原子发射光谱法 原子吸
3、收光谱法 荧光光度法 电重量法（电解）电容量法（电位）伏安分析法 离子选择性电极 气相色谱法 液相色谱法 薄层色谱法 毛细管电泳 质谱法 中子活化分析法 电子能谱分析法 各种方法的联用 10.1 电位分析法电位分析法10.1.1 10.1.1 概述概述1.电位分析法的基本原理和分类电位分析法的基本原理和分类电位分析法是通过测定包括待测物溶液在内的化学电池的电动势，求得溶液中待测组分活（浓）度的一种电化学分析方法。已知：半电池反应的电极电位 与溶液中对应离子活度的关系服从能斯特方程。如金属与溶液中对应离子所形成的半电池反应：n+M +ne M金属电极的电极电位与溶液中相应金属离子活度的关系符合：
4、式中 为该半电池反应的标准电极电位，A 为溶液中对应金属离子的活度，为金属的活度，定义为1。从上式可知，如果可以测得该金属电极的电位，就可以求得溶液中对应金属离子的活（浓）度。nnnnn00MM/MM/MM/MMMlnlnRTRTnFnF0/MMnnMM单个电极的电位是无法测量的。需要有一个相对的标准作为参比。把电位固定不变的电极(参比电极)与待测离子的金属电极(指示电极)组成一个工作电池，参比电极参比电极试样溶液试样溶液 指示电极指示电极通过测量该工作电池的电动势，以求得待测离子的金属电极的电位 ，进而求得待测金属离子的活(浓)度。参/MMnE/MMn 电位法的基本装置1-磁力搅拌器；2-搅
5、拌子；3-指示电极；4-参比电极；5-测量仪表(离子计)电位分析法分成两类直接电位法直接电位法通过测量电极电位(电动势)的数值数值，并通过电位与待测离子间的能斯特关系能斯特关系，求得待测离子的活（浓）度。电位滴定法电位滴定法通过测量滴定过程中电极电位的变化变化，进而确定滴定的终点，通过滴定反应的化学计量关系化学计量关系，求得待测离子的浓度。2.指示电极和参比电极指示电极和参比电极 指示电极指示电极(indicating electrode):电极电位能响应待测离子活度的电极其基本要求是：电极电位与试样溶液中待测离子活度之间的关系符合能斯特方程。常用的指示电极有金属基电极(以金属得失电以金属得失
6、电子为基础的半电池反应来指示相应离子活子为基础的半电池反应来指示相应离子活度度)和离子选择性膜电极(基于离子在溶液基于离子在溶液和一片被称为选择性敏感膜之间的扩散和和一片被称为选择性敏感膜之间的扩散和交换交换)。金属基指示电极的特点金属基指示电极的特点以金属得失电子为基础的半电池反应来指示相应离子活度。最经典的是基于金属与其离子所组成的半电池反应来响应该种金属离子活度的电极。例如例如，将一根银丝插入Ag+离子溶液，就构成能响应溶液中Ag+离子活度的银指示电极，其半电池反应和电极电位表达式为：AgeAgAg0/AgAg/AgAglnnFRT第一类金属基电极第一类金属基电极能直接响应溶液中金属离子
7、活度的指示电极能直接响应溶液中金属离子活度的指示电极能斯特方程习惯用常用对数常用对数来表示，即S称为电极反应的Nernst斜率斜率。25C n=1时，S=0.0592 V，n=2时，S=0.0296 V，依次类推。Ag0/AgAgAg0/AgAg/AgAglglg303.2SnFRT第二类金属基电极第二类金属基电极由金属、该金属的难溶盐、此难溶盐由金属、该金属的难溶盐、此难溶盐的阴离子所组成的指示该阴离子活度指的阴离子所组成的指示该阴离子活度指示电极示电极。例如，在有AgCl沉淀存在的Cl-离子溶液中，银电极就能指示Cl-离子的活度，其半电池反应和电极电位的能斯特关系如下，AgCl+e Ag+
8、Cl Cl0AgCl/AgAgCl/AglgS第二类金属基电极第二类金属基电极将其一般化：将其一般化：电极反应和能斯特响应式可用以下通式表示，MnXm+m e-nM+m X nmnmnX0/MXM/MXMlgS零类电极零类电极自身并没有电子的得失而只是提供了其他自身并没有电子的得失而只是提供了其他电极半反应交换电子场所的电极半反应交换电子场所的金属基电极金属基电极。通常是惰性的铂丝或铂片。如：电极半反应是Fe 3+e Fe 2+，其Nernst响应式可用以下通式表示：金属基指示电极结构简单，制作方便，是金属离金属基指示电极结构简单，制作方便，是金属离子和某些阴离子的常用指示电极。子和某些阴离子
9、的常用指示电极。232323FeFe0/FeFe/FeFelgS2.指示电极和参比电极指示电极和参比电极 2）.参比电极参比电极(reference electrode):电极电位固定不变的电极。基本要求基本要求：不受试样溶液组成变化的影响。最常用的最常用的：甘汞电极由汞、氯化亚汞(Hg2Cl2)沉淀、Cl 离子组成，半电池反应为：Hg2Cl2（s）+2e-2Hg+2Cl 其电极电位为：Cl0/HgClHg/HgClHglg2222S甘汞电极的结构示意图甘汞电极的结构示意图(a)整支电极；整支电极；(b)内部电极的放大内部电极的放大图。图。1-导线；导线；2-塑料帽；塑料帽；3-加液口；加液口
10、；4-内部电极；内部电极；5-氯化钾溶液；氯化钾溶液；6-多孔陶瓷。多孔陶瓷。甘汞电极的特点甘汞电极的特点尽管甘汞电极实际是能响应Cl-离子活度的第二类金属基电极，但如果将电极反应所涉及Cl-离子浓度保持恒定，在确定的温度下，其电位就是一个定值。甘汞电极内部的KCl溶液通过电极下部的多孔陶瓷，使甘汞电极与外部的试样溶液接触形成导电回路，但内部溶液压力大，外部试样溶液不会渗入而改变内部的KCl浓度。甘汞电极电位值因内充KCl溶液浓度不同而不同。，其中最常用的是内充饱和KCl溶液的饱和甘汞电极（saturated calomel electrode,SCE），它在25C时的电位值为0.242V。其
11、他参比电极其他参比电极Ag-AgCl电极电极也是常用的参比电极。在温度较高（80C）的条件下使用时，Ag-AgCl 电极的电位较甘汞电极稳定。25C时，内充饱和KCl 溶液的Ag-AgCl 电极的电位值为0.199V。10.1.2 离子选择性电极离子选择性电极离子选择性电极（ion selective electrode,ISE）是二十世纪六十年代后迅速发展起来的一种电位分析法的指示电极。有常规电极和微电极之分，后者在生命科学中有极其美好的应用前景(如“化学视窗”10-1)。1.离子选择性电极和膜电位离子选择性电极和膜电位离子选择性电极有特殊的响应机理。基于离子在溶液和一片被称为选择性敏感膜选
12、择性敏感膜之间的扩散和交换扩散和交换而形成电位，称为膜电位膜电位（membrane potential）。1.离子选择性电极和膜电位离子选择性电极和膜电位选择性敏感膜可以由对特定离子具有选择性交换能力的材料（如玻璃、晶体、液膜等）制成。国际上，按敏感膜材料的性质对离子选择性电极进行分类。晶体敏感膜晶体敏感膜制作的晶体电极晶体电极(如氟化镧单晶制成的氟离子选择性电极，用氯化银多晶制成的氯离子选择性电极，用玻璃膜玻璃膜和流动载体(液膜液膜)制成的非晶体电极非晶体电极（前者如pH玻璃电极，后者如流动载体钙离子选择性电极)等。2.pH玻璃电极玻璃电极 pH玻璃电极是对溶液中的H+离子活度具有选择性响应
13、的离子选择性电极，它主要用于测量溶液的酸度。在玻璃泡内装有0.1 molL-1 HCl的内部溶液，其中插入一支Ag-AgCl参比电极。Ag-AgCl 内参比电极和内部溶液中的Cl-离子所组成的内参比电极系统与玻璃膜形成了可靠的电接触。新型玻璃电极多为复合型，将指示电极和参比电极二合一，外加长脚护套，玻璃泡不易破损。玻璃电极的内部结构玻璃电极的内部结构pH玻璃电极的关键部分为球泡形玻璃膜，该膜的厚度为0.030.1mm，其组成特殊(以摩尔百分数表示的组成为：Na2O，22%；CaO，6%；SiO2，72%)。pH玻璃电极对于溶液中H+离子的选择性响应源于其泡状玻璃膜的内部结构。纯SiO2共价键结
14、合的硅氧间无可供离子交换的电荷点位。掺有Na2O 后，硅氧网络结构中部分硅氧键断裂，形成带负电荷的硅-氧骨架，可与带正电荷的Na+离子形成离子键:玻璃电极使用前的准备玻璃电极使用前的准备pH玻璃电极使用前需在水中浸泡一段时间才具有响应H+的功能(即玻璃膜的水化玻璃膜的水化)。水化使玻璃膜外表面形成10-5-10-4mm厚的水化层(内表面因有HCl溶液，已经形成水化层)，其中的Na+与溶液中H+发生离子交换:SiO-Na+(表面)+H+(溶液)SiO-H+(表面)+Na+（溶液）由于硅氧骨架的负电荷点位对于H+的亲和作用很大，该反应趋势很完全，即水化层中的负电荷点位几乎全被H+所占据。这时，玻璃
15、电极具备了响应溶液中H+的能力。玻璃电极膜电位的形成玻璃电极膜电位的形成插入待测试样时，因膜外表面水化层中的H+离子活度 与待测溶液中的H+离子活度 不同，在两相界面上因H+离子扩散迁移而建立起相间电位。若待测液H+离子活度较大，溶液中的H+会向玻璃膜外表面的水化层扩散(溶液中的负离子受到硅酸盐骨架上负电荷的排斥无法进入水化层)，在玻璃外表面和溶液界面形成双电层，产生相间电位。内 试H,表，试H膜=试-内玻璃电极膜电位的表示玻璃电极膜电位的表示外表面的相间电位符合Nernst方程：同理，玻璃膜的内表面也存在着因H+离子的扩散迁移而建立起相间电位：00HHHHlnlnRTRTzFF，试，试试试试
16、，外，外HH0ln，内，内内内FRT玻璃电极膜电位间的关系玻璃电极膜电位间的关系若玻璃膜内、外表面的结构完全一致，许多因素相同，则玻璃膜内、外膜表面相间电位的代数和 可表示为：因玻璃泡内装溶液的H+离子活度是固定的，则：忽略扩散电位，可看成整个玻璃膜的膜电位 。，内，试膜相HHlnFRT，试膜相HlnFRTK膜相膜相膜玻璃电极膜电位间的关系玻璃电极膜电位间的关系因玻璃电极的电位是通过电极内部的Ag-AgCl内参比电极测量的，故整个pH玻璃电极的电极电位为：AgCl/AgAgCl/AgHHlnlnRTKFRTKF玻璃膜，试，试 可简化成：25 时时可表示为：试玻璃pH303.2FRTK 0.05
17、9pHK试玻璃玻璃电极膜电位的偏离玻璃电极膜电位的偏离因电极玻璃膜响应H+离子的非专属性非专属性，在pH很大或很小时会出现较大的偏差：pH大时为“碱差碱差”：除H+外还响应K+、Na+离子，所测pH值低于低于实际值。pH小时为“酸差酸差”：水分子的质子化使其活度小于1，所测pH值高于高于实际值。玻璃电极的改性玻璃电极的改性改变玻璃膜的成分，可使玻璃电极对其它阳离子（如Na+离子或K+离子）也具有较高的选择性，则该玻璃电极实际上就成为一支测定Na+（或K+）的pNa（或pK）玻璃电极。例如，某商品pNa玻璃电极玻璃膜的成分为：Na2O，11%，Al2O3，18%，SiO2，71%。3.氟离子选择
18、性电极氟离子选择性电极 氟离子选择性电极对溶液中的游离F-离子具有选择性响应能力。氟电极内充有含有0.1molL-1NaF和0.1molL-1NaCl的溶液，并通过Ag-AgCl内参比电极与外部的测量仪器相联。关键部分关键部分是电极下部的一片氟化镧（LaF3）单晶膜单晶膜。为降低氟化镧单晶膜的内阻，LaF3单晶中掺有少量氟化铕EuF2。1 LaF3单晶膜2 内充液3 Ag-AgCl内 参比电极 电极膜电位的产生电极膜电位的产生氟化铕的引入在晶体内部产生少量空穴，当电极浸入含F-待测试液时，溶液中的F-离子会与氟化镧单晶膜上的F-离子发生离子交换。v若试样溶液中F-大，溶液中的F-离子迁移进入晶
19、体膜的空穴中；v若试样溶液中F-小，晶体表面的F-离子转移到溶液，在膜晶格中留下F-点位的空穴。从而在膜和溶液相界面上形成了双电层，产生膜电位。电极膜电位的表示电极膜电位的表示膜电位的大小与试样溶液中F-活度关系符合能斯特方程：与pH电极类似，结合内参比电极的电位，氟离子电极在活度为 的F-离子试液中的电极电位为：因此可以通过测量氟离子选择性电极的电通过测量氟离子选择性电极的电位，测定试样溶液中位，测定试样溶液中F F-离子的活度离子的活度。，试F，试膜FlnFRTK，试氟电极FlnFRTK氟电极的应用范围氟电极的应用范围pH6，膜表面LaF3水解生成La(OH)3，沉积在膜表面使表面性质变化
20、，且置换出的F-又使电极表面附近的试样溶液中F-浓度增大，因此对测定F-浓度产生干扰。氟离子选择性电极测定F-离子的浓度范围一般在110-5 molL-1 之间。氟离子选择性电极测定时溶液酸度应控制在pH56之间。这是因为：10.1.3 直接电位法直接电位法 直接电位法（direct potentiometry）是通过测量指示电极的电极电位，并根据电位与待测离子间的能斯特关系，求得待测离子的活（浓）度的方法。经仪器适当的电路转换，直接电位法可直接求出样品溶液的pH值值及相关离子的浓度浓度。1.溶液溶液pH值的测定值的测定可用酸度计直接测定溶液的pH值。测定时，测量电池为，饱和甘汞电极饱和甘汞电
21、极试样溶液试样溶液 pH玻璃电极玻璃电极 该电池的电动势为：E=玻璃 甘汞代入玻璃电极电位表达式，并将甘汞电极的电位(一定条件下是常数一定条件下是常数)与K合并:pH303.2FRTKEpH值的实用定义值的实用定义实测时都采取与标准缓冲溶液比对的方法来确定待测溶液的pH值：标准缓冲溶液昂昂昂昂昂昂待测溶液 故得到pH值的实用定义：FRTEE/303.2pHpHxssxsspH303.2FRTKExxpH303.2FRTKE标准缓冲体系的标准缓冲体系的pH值值温度(C)邻苯二甲酸氢钾(0.05molL-1)KH2PO4-Na2HPO4(各0.025molL-1)硼砂(0.01molL-1)04.
22、0036.9849.464103.9986.9239.332204.0026.8819.225254.0086.8659.180304.0156.8539.139354.0246.8449.1022.离子浓度的测定离子浓度的测定 以离子选择性电极为指示电极，甘汞电极作为参比电极，与待测溶液一起组成一个测量电池，测量其电动势以确定离子活度。饱和甘汞电极饱和甘汞电极试样溶液试样溶液 离子选择性电极离子选择性电极结合前面所讨论的方法，可得i为离子i的活度，zi该离子所带的电荷数，若带一个正电荷，zi=1；两个正电荷，zi=2；一个负电荷，zi=-1。其余类推。ilg303.2FzRTKEi（1）标准
23、曲线法）标准曲线法与分光光度法中的标准曲线法相似。配制一系列已知浓度的待测物标准溶液用相应的离子选择性电极和甘汞电极测定对应的电动势，以测得的E值对相应的lgci 作标准曲线。a)在相同的条件下测出待测试样溶液的E值，从标准曲线上查出待测离子的lgci值，再换算成待测离子的浓度。方法特点：方法特点：要解决的问题：要解决的问题：浓度与活度之间的差异解决的方法：解决的方法：不是不是求解i将活度校正为浓度而是而是控制体系的离子强度，从而使活度系数i成为一个不随试样变化而变化的常数 不同变量标准曲线的对比.1.以活度为变量2.以浓度为变量方法原理方法原理向标准溶液和试样溶液中加入对测定无干扰的强电解质
24、，所加入的浓度应一致且远高于试样溶液中的背景电解质和待测离子的浓度。这样，不论是标准溶液还是试样溶液，它们的离子强度都为这种外加的、固定浓度的强电解质所控制，从而使各待测溶液中待测组份的活度系数保持一致。方法原理方法原理式中第二个等号右边的第二项成为一个常数，即可将前两项合并为常数。进而使测得的电动势与待测离子浓度的对数保持线性关系，完全可以通过直线形的标准曲线来定量。iiiiii2.303lg2.3032.303lglgRTEKz FRTRTKcz Fz F实验条件控制实验条件控制除控制离子强度外，还可能需控制待测溶液的酸度，并掩蔽可能存在的干扰离子。方法方法：加入由离子强度调节剂、缓冲剂、
25、掩蔽剂所组成的混合试剂“总离子强度调节总离子强度调节缓冲剂缓冲剂”（total ion strength adjustment buffer,TISAB）例如例如，氟离子选择性电极测定F-离子浓度：需控制试液的pH=5.0左右(HAc-NaAcHAc-NaAc体系体系)；用柠檬酸钠掩蔽试样中共存的Fe3+、Al3+等(能与能与F-形成配合物形成配合物)。方法特点方法特点优点：优点：用一条标准曲线可以对多个试样进行定量，因此操作比较简便。通过加入TISAB，可以在一定程度上消除由于离子强度、干扰组分等所引起的干扰。因此：因此：标准曲线法适用于适用于试样组成较为简单的大批量试样的测定。（2）标准加
26、入法）标准加入法 基本思路基本思路：向待测的试样溶液中加入一定量的小体小体积积待测离子的标准溶液标准溶液，通过加入标准溶液前后电动势的变化与加入量之间的关系，对原试样溶液中的待测离子浓度进行定量。方法原理：方法原理：Vs待测试样溶液体积，cx待测离子浓度 离子的活度系数加入待测离子标准溶液后后：其中：cs最好是cx的 50100 倍 Vs最好是Vx的 1/501/100目的：加入体积很小，对试样影响可忽略不计 x1lg303.2czFRTKEsxssxx2Vlg303.2VVcVczFRTKE方法原理方法原理将上两式相减：其中VsVx，所以 Vs+VxV，进一步处理可得标准加入法的计算式：式中
27、S=2.303RT/zF)(lg303.2sxxssxx12VVcVcVczFRTEEE1/xssx)110(SEVVcc方法特点方法特点标准加入法可以克服由于标准溶液组成与试样溶液不一致所带来的定量困难，也能在一定程度上消除共存组分的干扰。但每个试样测定的次数增加了一倍，使测定的工作量增加许多。标准加入法适用于适用于成分较为复杂、难以用标准曲线法定量的试样的测定。3.直接电位法的特点直接电位法的特点 优点优点：操作简单，分析速度快，不破坏试样溶液(测定后仍可作它用)，可以测定有色甚至浑浊的试样溶液。不足：准确度欠高。因为：电动势测定的微小误差，通过反对数关系传递到浓度后将产生较大的浓度不确定
28、度，且这种不确定度随着离子所带电荷数的增加而增大。例如，对于一价离子，电动势测量每1mV 的误差，将产生约为 4%的相对误差，多价离子的相对误差将累加。10.1.4 电位滴定法电位滴定法 potentiometric titration以电位法确定滴定终点的一种滴定分析法以电位法确定滴定终点的一种滴定分析法。在盛有待测溶液的烧杯中加入相应的电位检测所需电极，并用磁力搅拌机自动搅拌。用滴定管向烧杯中滴加滴定剂，使待测离子(或滴定剂所含的与待测离子发生反应的离子)的浓度不断变化，所测得的电池电动势(或指示电极的电极电位)也随之变化。在化学计量点附近，电动势发生突跃，指示滴定终点的到达。然后根据滴定
29、剂的消耗量，求得试样中待测离子的浓度。AgNO3溶液体积/ml电位E(vs.SCE)/mVVEE/V2E/V2 5.006210.00232.3 15.00855.00224.420.001072.0016822.001231.00151523.001380.5081623.501460.30155023.801610.20136524.001740.1099024.101830.101111024.201942000.103939024.3023328000.108383024.4031644000.102424024.50340-59000.101111024.60351-13000.10
30、77024.70358-4000.30155025.00373 0.50122425.503850.50112226.003962.00301528.004261）EV曲线法曲线法 以上表数据作EV滴定曲线，曲线上的拐点即为化学计量点，对应的滴定剂体积可用作为终点体积。EV曲线法求算终点的方法简单方法简单，但若终点突跃较小，确定的终点就会有较大的误差。2）E/VV曲线法曲线法 相关数据的求算相关数据的求算：E/V：加入一次滴定剂后所引起的电动势变化值与所对应的加入滴定剂体积之比。例例：在24.10 mL和24.20 mL之间 V：（24.10+24.20）/2=24.15（mL）11010.2
31、420.24183194VE2）E/VV曲线法曲线法 作 图作 图：以 求 得 的E/VV值对V作图，得到两段一级微分曲线。处理处理：将它们外推相交后的交点即为一级微分曲线的极大点，所对应的滴定剂体积为终点体积。特点特点：该法确定终点准确度较高，即使终点突跃较小，仍能得到满意的结果。3）E2/V2V曲线法曲线法 原理原理：一级微商为极大的地方，二级微商值等于零。计算计算(对应于滴定至对应于滴定至24.30 mL 时时)：E2/V2：对于24.40 mL有 440025.2435.2439083035.2435.2425.2435.2422VVVEVEVE590035.2445.24830240
32、22VE3）E2/V2V曲线法曲线法作 图作 图：以 求 得 的E2/V2V值对V作图，见右。处理处理：认为化学计量点附近二级微商值与滴定剂体积有线性关系，用线性插值法计算终点的体积。3）E2/V2V曲线法曲线法处理处理：设终点的滴定剂体积为24.30+x mL，则x值为：结果结果：终点体积为：24.34 mL 特点特点：可以克服一级微商需用外推法求终点可能引起的误差。30.24)30.24(0440030.2440.24)5900(4400 xmL)(04.010300440010.0 x数据的便利处理数据的便利处理可利用相关软件方便地确定终点，如利用Exel表格。将滴定剂的体积和相应的电动
33、势数据输入Exel表格，利用“插入图表”功能，以“XY散点图”的方式作电位滴定曲线和一级微商曲线1)确定终点及终点时消耗的滴定剂体积。自动电位滴定仪自动电位滴定仪商品化的自动或半自动的电位滴定仪已大量涌现。电位滴定仪可以自动描绘出滴定曲线以确定终点，有的还具有输出二次微商信号并在二次微商改号时自动停止滴定的功能。采用自动（半自动）电位滴定，还可以采用预设终点的方法，使滴定仪在滴定到预先设定的终点电动势时停止滴定（某个滴定体系的预设终点电动势一般可以通过待测物标准溶液的预滴定试验而得到），在分析大量试样时，较为方便。2.电位滴定的特点电位滴定的特点1）类型类型 电位滴定法常量常量分析法，误差在千
34、分之几 直接电位法微量微量分析法，误差达百分之几2）终点确定终点确定 电位滴定法既不受指示剂的限制，也不受试样溶液是否有色或浑浊的限制。3）适用范围）适用范围 能用于某些滴定突跃较小、用指示剂很难确定终点的滴定体系。能将滴定曲线直观地记录描绘出来，滴定突跃的大小和区间一目了然，是研究指示剂滴定法的重要工具。10.2 原子吸收分光光度法原子吸收分光光度法10.2.1 10.2.1 概述概述原 子 吸 收 分 光 光 度 法(a t o m i c absorption spectrophotometry，AAS)又称原子吸收光谱法，是基于原子蒸汽对于特定波长光的吸收作用来进行定量分析的一种现代仪
35、器分析方法。AAS分析流程示意图分析流程示意图 分析过程假如需要测定试样溶液中微量的铜浓度，可将含铜的试液在原子化系统中雾化成为气溶胶送入火焰，气溶胶微细雾粒中的铜盐在火焰中经历干燥、蒸发、离解等过程后，最终成为铜原子蒸汽。从铜空心阴极灯辐射出的波长为324.7 nm的光穿过火焰中的铜蒸气时，其中一部分被铜的基态原子吸收而使透过火焰的该波长的光减弱。透过光通过单色器并由检测器测定其强度，根据透过光强度减弱的程度，即可求得试液中铜的浓度。AAS特点AAS与UVS有许多关联：基点相同：基点相同：物质对光的选择性吸收作用。仪器相似仪器相似：都有光源、单色器、检测器、记录系统等对象不同：对象不同：UV
36、S为分子(离子)；AAS为原子。1.光谱不同光谱不同：分子(离子)光谱复杂，为带状，且易相互重叠而发生干扰；原子光谱简单，为线性，重叠很少，干扰就少。10.2.2.基本原理基本原理 原子具有多种能级状态，其电子在能级间跃迁总伴随能量的发射或吸收：通常处于基态受热激发至高能级，不稳定回跃而放出能量。当以光释放时就产生一定波长的线状光谱。不同元素结构不同，其谱线波长也不同，各元素有自己的特征谱线特征谱线。共振发射线共振发射线从各激发态跃迁到基态，其中从最低激发态至基态为第一共振发射线第一共振发射线。吸收谱线吸收谱线 同理，基态气态原子会吸收特定波长光而跃迁至激发态，从而产生特征的吸收光谱吸收光谱。
37、使原子外层电子从基态跃迁到激发态所产生的吸收谱线称为共振吸收线共振吸收线。同一元素的共振发射线和共振吸收线的波长相同，统称为共振线共振线（resonance line）。在AAS分析中，就是利用处于基态的原子蒸汽对从光源辐射的共振（发射）线的吸收进行分析测定的。定量分析的依据定量分析的依据AAS定量分析依据Lambert-Beer定律。光源辐射某元素的共振线光强为I0，通过厚度L浓度C的该元素原子蒸气层时，透过光强减弱为I。原则上：公式中C应为基态原子的浓度，因在一般原子化温度下，绝大多数原子处于基态，可直接以总原子浓度替代，并间接表示为样品中待测元素的浓度。可用外标法进行定量分析。0lgIA
38、KLCI10.2.3.原子吸收分光光度计原子吸收分光光度计1-入射狭缝；入射狭缝；2-出射狭缝；出射狭缝；3-光电倍增管；光电倍增管；4-光栅光栅 分为光源、原子化器、光学系统、检测与显示系统。仪器组件仪器组件1、光源光源：名称空心阴极灯空心阴极灯(其阴极由待测元素金属制成，并嵌有石英窗口)，结构见图。作用发射待测元素共振线供吸收。原理在阴阳极间加一定电压，电子在从阴极至阳极途中与填充气原子发生碰撞并使之电离(荷正电)，该种离子在电场作用下飞速撞击阴极内壁，撞击溅射出的金属原子再与高速运动的电子、离子流发生碰撞而激发，发射出该金属元素的特征谱线。特点测一个元素换一个灯。仪器组件仪器组件2、原子
39、化器原子化器：作用将试样溶液中的待测元素转变成原子(基态)蒸气。其工作状态对于原子吸收法的灵敏度、精密度和受干扰程度有非常大的影响，是原子吸收测定的关键。种类根据原子化方式，可分为火焰原子化器、电热石墨炉原子化器和氢化物原子化器。构造多数原子吸收光度计的原子化器是可卸式的，可以根据需要，装入合适的原子化器。火焰原子化器火焰原子化器火焰原子化利用火焰的能量实现试样中待测元素的原子化，是最常用的原子化方式之一。火焰原子化器结构简单，由雾化器、雾室和燃烧头组成，再加上乙炔钢瓶、空压机(或助燃气钢瓶)、气体流量计等外部设备。1-毛细管；2-空气入口；3-撞击球；4-雾化器；5-空气补充入口；6-燃气入
40、口；7-排废液口；8-预混合室；9-燃烧器；10-火焰；11-试样溶液；12-扰流器 工作过程工作过程压缩空气(助燃气)以较高流速通过雾化器的喷咀时产生一定负压，使试样溶液被吸入雾化器，并被高速气流分散成气溶胶(雾粒)。气溶胶在雾室中与乙炔(燃气)混合，其中较大的雾粒凝结在雾室的内壁并从雾室下方的废液口排出，而较细的雾粒则被混合气携带到燃烧头，进入火焰后原子化。基本特点基本特点原子化温度高原子化温度高：空气空气-乙炔乙炔焰可达2250C(最常用),可用于测定钾、钠、钙、镁、铜、铁、镍、钴、锌、镉、锰、铬、金、银、铂、钯等常见的三十几种金属元素。氧化亚氮氧化亚氮-乙炔乙炔焰达2950C，可用于测
41、定铝、铍、钒、硼、硅、和镧系元素等高温元素。结构简单，使用方便，结构简单，使用方便，精密度好，干扰较少精密度好，干扰较少。但原子化效率不高原子化效率不高，因此灵敏度欠高，测定的下限一般在0.xx mgL-1 之间。电热石墨炉原子化器电热石墨炉原子化器利用大电流快速加热石墨炉产生高温，使置于炉内的小体积试样溶液在一瞬间转变为原子蒸气的电热原子化装置。石墨管内径6.5 mm 长28 mm，周围和内部通Ar气保护石墨管不被氧化；夹套中通冷却水工作过程工作过程进样20100L试样溶液于石墨管中央，经四个步骤：干燥使溶剂挥发灰化除去易挥发或灰化的干扰物质，如有机物原子化、清洗除去残留物质每一步的具体温度
42、和时间由测定对象和试样的性质所决定，升温程序是石墨炉原子吸收测定的关键实验条件。基本特点基本特点最大特点是灵敏度高灵敏度高，一般要比火焰原子化高23 个数量级，是测定金属元素灵敏度最高的常规分析方法之一。石墨炉原子化器设备复杂设备复杂，价格昂贵测定的精密度较火焰原子化逊色（相对标准偏差510%），且易受共存元素干扰。仪器组件仪器组件3、光学系统：组成分外光路聚光系统和分光系统。作用外光路：将空心阴极灯的光会聚于原子蒸汽浓度最高处，进而聚焦于分光器狭缝上。分光系统：分开共振线与光，并只让共振线透过光投射到光电倍增管上。由入射狭缝、准光镜、光栅、投影物镜、出射狭缝所组成。根据所测元素共振线，选择合
43、适的测定波长。仪器组件仪器组件4、检测与显示系统检测与显示系统：作用将原子吸收的光信号转换为吸光度值并在显示器上显示。组成由检测器、放大器和对数转换器、显示器三部分所组成。流程由光电倍增管输出的微弱光电流经放大器放大、对数转换器转换成吸光度值后，由显示装置显示出读数。亦可与计算机联机处理，可直接画出标准曲线，并直接打印出分析结果。10.2.4.定量分析方法定量分析方法 1标准曲线法标准曲线法测定步骤与UVS的基本相同，适用于试样基体较为简单的大批量试样：配制一组一定浓度范围的标准溶液，分别测定其吸光度，以待测元素浓度为横坐标、吸光度为纵坐标绘制标准曲线。在相同的实验条件下测定试样溶液的吸光度值
44、1)由吸光度值，从标准曲线中查出所对应的浓度即为试样溶液中待测元素的浓度。10.2.4.定量分析方法定量分析方法 使用标准曲线法应该注意以下问题：试样溶液和标准系列溶液应该采用相同的制备方法，以确保两者具有相同的介质，减少由于介质不同所引起的误差。AAS标准曲线的线性范围较小(12个数量级)，故制作时，要注意其线性范围。试样溶液和标准系列溶液的测定应在相同的实验条件下进行。仪器熄火后重新启动，应重新制作标准曲线，或对原曲线进行检验。2.标准加入法标准加入法 适用于基体较为复杂的试样，否则会因标样与试样的组成、介质等不一而产生干扰。方法：方法：向待测试样溶液加入一定量待测元素的标准溶液，测定分析
45、信号的增量以确定原试样中待测元素的量。操作：操作：于同容积容量瓶甲和乙中移入同体积试样溶液，然后于容量瓶乙中移入一定量的待测元素标准溶液，用相同的介质分别稀释到刻度，摇匀后，先后测定甲、乙两试液的吸光度。计算法计算法 待测元素在甲瓶中的浓度为cx,则乙瓶中为(c0+cx)，甲、乙两液吸光度分别为Ax、Ax+0，可得：Ax =k cx Ax+0=k（c0+cx）因两瓶中除浓度有所不同外其他都一样，故两式中的比例系数 k 相同(即可忽略因介质不同引起的误差)。计算法计算法 合并上两式得到：求出cx后进而求得原试样中待测元素的含量。00cAAAcxxxx图解法图解法步骤为：步骤为：4 只同样的容量瓶
46、中移入等量试液(定容后浓度为cx)，然后 在2、3、4号瓶中加入不同量待测元素标准液，使定容后四总浓度分别为cx、cx+c0、cx+2c0和cx+3c0，测得的吸光度分别为Ax、A1、A2、A3。作AC图，应得直线。外推此直线，与横坐标轴的交点处浓度值的负值即为待测元素的浓度cx。因作图法采用多点校正，准确度要优于计算法。图解法特点图解法特点加入标准溶液的量应在试样待测元素原浓度的50200%之间，且总浓度仍在线性范围内。若标准曲线不经过原点(即不含待测元素的空白试样的吸光度不为0)，则不宜采用标准加入法定量。可消除因介质组成不匹配引入的误差，也增大了分析工作量。要注意：要注意：10.2.5原
47、子吸收法的特点和应用原子吸收法的特点和应用主要特点主要特点：灵敏度高、选择性好、干扰相对较少、测定精度高，应用范围广(可测元素70余种 金属元素为主)。仪器不很复杂，操作方便，是目前已成为一种常规的微(痕)量金属元素的定量分析方法。在地矿、冶金、环境、建材、化工、生物医药、食品等行业中得到了广泛的应用。10.3 色谱分析法 现代色谱分析法(chromatography)是一大类分离分析方法。应用历史“源远流长源远流长”，适用范围“上天入地”，分离对象“简繁简繁由之由之”。尤其是21世纪的生命科学研究领域，正是大展身手的好场所。10.3.1 概述 Introduction 色谱分离在互不相溶两相
48、间进行，其中一相移动(叫流动相mobile phase)，一相静止(叫固定相stationary phase)。混合物被流动相携带着流过固定相时，因各组分在两相之间的分配平衡(或吸附平衡等)的差异，使得性质不同的各个组分随流动相移动的速度产生了差异，经过一段距离的移动之后，混合物中的各组分被一一分离开来。在经典色谱分离中，分离以后的组分常被分别收集于容器中，或用于进一步的分析，或作为纯化后的产物使用。现代色谱分析将分离和分析（检测）过程集成于一台既能分离又能检测的功能齐全的分析仪器之中，成为一种分离能力较强、检测灵敏度较高、可实现自动化操作的仪器分析法。色谱流程 色谱分析法的分类：1.按流动相
49、和固定相的物态流动相和固定相的物态，可分为气固色谱、气液色谱、液固色谱、液液色谱；流动 相 为 气 体 的 统 称 气 相 色 谱(g a s chromatography,GC)，流动相为液体则统称液相色谱(liquid chromatography,LC)。2.按操作形式操作形式，可分为柱色谱法柱色谱法、纸色谱纸色谱法法、薄层色谱法薄层色谱法，后两者又称为平面色谱法平面色谱法。3.按分离的机理分离的机理，可分为分配色谱法、分配色谱法、吸附色谱法、离子交换色谱法、空间排阻色吸附色谱法、离子交换色谱法、空间排阻色谱法谱法和亲和色谱法亲和色谱法等。10.3.2 色谱分析法的原理1分配平衡和差速迁
50、移分配平衡和差速迁移色谱分离过程，实质上是试样中各组分在流动相和固定相之间的分配平衡(或吸附平衡、离子交换平衡等，以分配平衡为例讨论)的差异所造成的。在一定的温度下，组分在两相之间分配达到平衡时的浓度比称为分配系数(capacity factor)K：MsccK组分在流动相中的浓度组分在固定相中的浓度色谱分离过程色谱分离过程 某温度下，不同组分的k值不同，k值小的组分每次分配平衡后CS0.20大于0.5简单样品分析3 3）分离系统 气相色谱因固定相不同而分为气液气液和气固气固两类。气液色谱气液色谱为分配型色谱机理，固定相由一些高沸点有机化合物(固定液)涂渍在多孔的担体(最常用的担体是硅藻土担体
