第一篇：現代儀器分析-熒光分析教案2011（寫寫幫整理）

山 東 中 醫 藥 大 學

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教研室主任：呂青濤 授

課

人：呂青濤

研究生(部)2011 年級 中藥 專業 班 2011 年 9 月 20日

題

目:

熒光分析法

教學目的與要求:

（1）掌握分子熒光、磷光和化學發光的產生機理；掌握激發光譜和發射光譜特征。

（2）掌握熒光與分子結構的關系以及溶液的熒光（磷光）強度影響因素。

（3）熟悉熒光（磷光）分析法的特點及定量測定方法。（4）了解磷光分析法的類型。

（5）熟悉熒光、磷光和化學發光分析儀器的結構。

內容與時間分配:

①

熒光分析原理：120min； ②

熒光儀器：20min； ③

分析方法：40min； ④

磷光分析簡介：20min；

重點與難點:

1、熒光的產生；

2、熒光光譜與激發光譜；

3、熒光與分子結構

4、影響因素

5、分析方法

教具準備:

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文

熒光分析法（fluorometry）

靈敏度高，紫外－可見法10g/ml 待測物質：分子熒光

原子熒光 激發光： 紫外可見熒光

紅外可見熒光

X－射線熒光

1、基本原理

利用目一波長得光照射試樣，使試樣吸收這一輻射，然后再發射出波長相同或較長得光，若這-9種再發射約在10秒內發生，稱為熒光，利用熒光得強度和特性對物質進行定性、定量分析，稱為熒光分析法。

當分子軌道中電子吸收光子躍遷，若電子躍遷后，處于自旋方向相反得狀態，則總自旋量子數S＝0，體系的多重性M=2S+1，既為激發態的單線態（此分子在磁場中不產生能級裂分）

若電子躍遷后，處于自旋方向相同的狀態，則總自旋量子數S=1/2+1/2=1,體系的多重性M=2S+1=3,即為三線態（在磁場中，三線態的電子能級產生裂分，一條線可分裂成三條線。三線態的能量較相應單線態的能量低）。

[電子由單?單躍遷，所需E1

紫外－可見光照射物質，基態分子不斷躍遷到激發態，則分子的紫外吸收應逐漸減小至消失，但事實上物質分子能夠連續吸收紫外－可見光，說明存在一條或多條從分子激發態往基態的途徑。

①振動弛豫：無輻射躍遷，只在同一電子能級內進行。

激發態分子由于分子間碰撞或分子與晶格間的相互作用，以熱的形式損失掉部分能量，從振動能級的較高能級下降。

既激發態不同振動能級間的能量釋放，這部分能量以熱的形式釋放，而不是以光輻射的形式發出，故振動弛豫屬于無輻射躍遷。

②熒光發射

電子由激發態的最低振動能級回遷到基態，釋放出能量，發射的光為熒光。由于已損失了部分能量，所以熒光的波長<原照射的紫外光波長。③內部能量轉換：非輻射過程

激發態分子將激發態能轉變為熱能，回到基態。

第二電子激發態S2的的振動能級與第一電子激發態的高振能級的ΔE較小，甚至重疊，所以，他們之間的內部能量轉換很容易發生，速度很快。

因此，分子無論在哪一個激發單線態都能通過內部能量轉換到達低一級激發態的最高振動能級；然后通過振動弛豫回到起最低振動能級；最終回到基態的最低振動能級。這一過程成為內部卒滅。大多數物質的內部卒滅過程很快，所以無熒光發出。

④內部能量轉換

激發態分子通過碰撞將能量轉移給其他分子，直接回到基態，導致外部卒滅。例：溶劑中含熒光卒滅劑或溫度較高時，易產生外部卒滅。⑤體系間交叉躍遷

－7

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電子由激發單線的最低振動能級?激發三線態的最高振動 多數分子：體系間交叉躍遷時禁阻的。

極少數分子可以（如含溴、碘等重原子）?因為其自旋軌道的強偶合作用，電子自旋可以逆轉方向，時體系跨越容易。

⑥磷光發射

電子通過振動弛豫從激發態三線態的最高振動?最低，然后發出光發射躍遷至基態的各個振動能級，這種光輻射稱磷光發射。

激發三線態最低振動能級低于……單線態…… 所以磷光輻射能量<熒光 磷光輻射波長>熒光 熒光法不普及：

室溫下難呈現①體系間跨越幾率小

②體系間跨越后，又一改體系間跨躍回到激發單線態?熒光 ③分子間碰撞，溶劑間作用，各種卒滅效應。所以，磷光法：液氮冷凍條件下激發。⑦延遲熒光

分子在激發三線態的振動基態可以存活一定時間，所以需時較長。

2、激發光譜與熒光光譜

熒光時分子受激發射光譜，所以有兩個特征光譜：激發光譜 發射光譜（1）激發光譜：以激發光波長為橫坐標 熒光強度為縱坐標 熒光強度隨激發光波長的變化

（2）熒光光譜：以熒光的發射波長為橫坐標 熒光的發光強度為縱坐標

熒光物質的λex,man和λem,max是鑒定的依據，也是定量的依據，（3）特點：

（4）紫外光譜：紫外光的吸收度

熒光物質的激發光譜

兩者相似，因吸收了紫外線才能發射熒光 ①激發光譜與紫外吸收相似，但不完全重疊 ②熒光光譜與激發光譜相比在長波長處

熒光光譜的吸收峰只有一個，且與激發光波長無關。③激發光譜與熒光光譜呈鏡像關系，例蒽的激發光譜與熒光光譜（在高分辨的熒光光譜圖上）

*激發光譜 a峰：分子基態S0→S2

* b峰：分子基態S0→Si的（V0、V1、V2、V3、V41、2、……為不同的能級）b0峰相當于b0的躍遷線

b1峰相當于b1的躍遷線

熒光光譜：C峰：分子從第一電子激發態的振動能級基態躍遷至電子基態的不同振動能級而形成C0峰→C0躍遷線

C1峰→C1的躍遷線

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3、熒光與分子結構的關系

(1)產生過程:(2)分子吸收光子，由基態→第一電子激發態或第二激發態 →通過無輻射躍遷回到第一激發態的最低振動能級 →躍遷到基態的各振動能級 →發出熒光

→通過無輻射躍遷回到基態的最低振動能級（2）產生熒光的必要條件

×分子①吸收光能量（紫外－可見吸收強），產生躍遷。（n→л躍遷ε弱，所以引起的熒光極弱）②吸收后必須具有較高的熒光效率，才能產生熒光

物質分子不是吸收熒光紫外光量子，即能夠發射一個熒光量子。物質發射熒光的量子數與所吸收的激發態量子數的比值，稱為熒光效率或熒光量子產率 фf＝發出熒光的量子數/吸收激發光的量子數（3）熒光強度與分子結構的關系（內部因素）①長共軛結構

×л→л躍遷產生強K帶紫外吸收。

Л電子共軛越長，λex和λen將長移。F、фf將增大 ②分子的剛性結構和共平面效應

分子的剛性結構和共平面效應增大，фf增大，且λem長移。例： ③取代基

a、增加分子的л電子共軛程度，фf增大，λem長移的基團 ―NH2,―OH,―OCH3,―NHR,―NR2,―CN等

b、減弱分子的л電子共軛程度，фf減小，甚至熒光卒滅的基團 ―COOH,―NO2,―C=O,―NO,―SH,―NHCONH3,―F,―Cl，―I,-Br等 c、對分子的л電子共軛作用小，對熒光影響不明顯。

+―R,―SO3H,―NH3等

4、影響熒光強度的外部因素

（1）溫度：溫度增大，фf小，碰撞幾率大，分子運動速度增大，無輻射躍遷增大，（2）溶劑：a,極性大，фf大。紅移 所以極性溶劑中，ΔEл→л×減小。b、粘度大，фf大，粘度小，分子碰撞幾率增大，所以фf小

（3）PH值的影響：對弱酸和弱堿的熒光物質影響大。PH值不同，離子電離結構不同。如：

（4）熒光熄滅劑：使фf減小或熒光強度與濃度不呈線性關系。

常見的熄滅劑有：鹵素離子、重金屬離子，氧分子、硝基化合物、重氮化合物、羰基和羧基混合物。

原因：分子碰撞；產生無熒光的配合物；I、Br溶解O2使易發生體系跨越至三線態；（5）散射光干擾

a、容器表面：方形影響小，原形影響大。

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可通過調整狹縫減小散射。

b、丁達爾散射：膠體顆粒產生的散射可盡量除去膠體顆粒；脫氣 c、瑞利散射：瑞利光波長＝激發光波長

分子吸收光子后，由基態較低振能級→較高能級，并在極短的時間內返回原來的能級，釋放出與激發光相同波長的光線。

d、拉曼散射

分子吸收光子，基態較低振動能級→較高能級→回到稍高或稍低與原能級的振動能級。拉曼光波長?激發光波長 可通過減小狹縫 加強濾光片

選擇激發波長來減小拉曼光的干擾。（6）氫鍵的影響

與溶劑或其它溶液分子產生氫鍵，對熒光光譜和熒光強度有顯著的影響（7）表示活性劑的影響 增溶、增穩、表面活性劑濃度增大→膠束→對熒光分子有遮蔽作用。→減小分子碰撞幾率→保護激發單線態熒光分子→提高фf（8）自卒滅

熒光物質濃度過大，>1g/l產生的熒光含被分子吸收。使熒光強度減小，發生濃度卒滅

5、熒光強度與濃度的關系（1）定量關系F?（I0-It）F:熒光強度。（I0-It）：被吸收的光強度 即F=（I0-It）.K′

K′常數，取決于фf根據Beer定律：

-EclIT/I0=10

-Ecl-2.3Ecl即：F= K′I0(1-10)= K′I0(1-e)

2n= K′I0[2.3Ecl-(-2.3Ecl)/2!-(-2.3Ecl)/3!-……-(-2.3Ecl)/n!] 當Ecl?0.05時，即稀溶液 F=K′I02.3Elc=KC 所以，濃度低時，F與C成線性關系。（2）靈敏度高

可通過放大檢測信號，增加激發光強度，通過靈敏度。而吸收光譜：A＝-lgIt/I0 It/I0為比值，無法放大（3）定性、定量分析 ①定性分析：

依據激發光譜中地峰位鑒定物質。

注意：影響因素多，測到地只是表觀光譜圖，須校正。一般用對照品對照 ②定量分析

方法：工作曲線法

比例法（標準曲線過原點）Fs-F0=KCs F樣-F0=KC樣 F0:空白溶液熒光強度

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多組分測定：與紫外分光光度法定量分析用 6熒光分光光度計（1）主要部件 ①激發光源：

疝燈（多用）:連續光源

汞燈：發射線光譜，產生不連續地一定波長地光 另外：氘燈、鹵鎢燈等

②單色器：激發單色器（光源與樣品之間）

發射單色器(樣品與監測器之間)熒光計：慮光片

熒光分光光度計：光柵作色散元件 ③吸收池：石英

④檢測器：光電倍增管

光電二極管陣列檢測器：迅速、瞬時測定熒光光譜（2）類型

熒光計

熒光分光光度計

（3）校正

（4）①波長校正

用汞燈地標準譜線對單色器地波長刻度進行校正

②靈敏度：影響因素較多

a光源強度穩定度單色器地性能 b波長、狹縫

c空白溶液、拉曼散射、激發光、雜質熒光 常用：硫酸奎寧溶液作為標準溶液進行校正 ③ 光譜校正

雙光束熒光分光光度計，參比光束抵消光學誤差 7熒光分析新技術

（1）激發熒光分析：

光源:激光、波長純，強度大 檢測靈敏度高，樣品量<1ul-16最小可測10g 測量生化樣品、氣體樣品及有機化合物中地自由基（2）同步熒光分析 靈敏度高

在熒光物質地激發光譜和發射光譜中選擇適宜地波長差值Δλ，同時掃描熒光發射波長和激發波長，得同步熒光光譜。Fsp(λem,λex)=KCFexFem(3)膠束增溶增敏熒光分析 加入增溶增敏試劑，如

表面活性劑：SDS,CTMAB,CPB,PVA,Triton*100等 環糊精：α－CD，β－CD,γ-CD等

表面活性劑在臨界膠束濃度時，相差疏水基向里，親水基向外得具有一定大小內腔得膠束，增溶、增敏

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其用于熒光分析，不僅提高了靈敏度、選擇性且可在分子水平模擬生物體系細胞膜結構。對藥物在體內的分布和作用機理進行研究。（4）反相膠束增敏熒光分析法 形成親水基向里，疏水基向外的微囊

今年來在膜的模擬化學、蛋白質液－液萃取，膠束催化，超細納米材料制備，有毒物質降解、醫藥、化工等領域有重要應用。（5）時間分辨熒光分析

根據分子熒光壽命不同，在激發與檢測之間間隔一定時間，使不同分子達到分別檢測，從而可以消除共存組分的干擾。

將其用于免疫分析，“時間分辨熒光免疫分析儀“技術研究新進展。標記免疫分析與臨床，1995，vol2(1),54-57(6)三維熒光光譜分析

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小

結：

思考題：本章學習了熒光分析法的原理、特點、儀器、方法及應用，重點應掌握：（1）掌握分子熒光、磷光和化學發光的產生機理；掌握激發光譜和發射光譜特征。

（2）掌握熒光與分子結構的關系以及溶液的熒光（磷光）強度影響因素。

（3）熟悉熒光（磷光）分析法的特點及定量測定方法。（4）了解磷光分析法的類型。

（5）熟悉熒光、磷光和化學發光分析儀器的結構。

（略）

第二篇：儀器分析教案

第三節 高效液相色譜法的主要類型及其分離原理

【教學目標】

1.掌握液-液分配色譜法及化學鍵合相色譜法的分離原理，分配系數、固定相的類型和特點 2.熟悉高效液相色譜法的主要類型 3.熟悉高效液相色譜法的主要類型

4.了解各類高效液相色譜法的特點及應用 【教學重點】

液-液分配色譜法及化學鍵合相色譜法；分離原理；分配系數 【教學難點】

分配系數；分配系數與組分流出順序的關系 【復習題】

1.氣相色譜法有哪幾種類型？各類氣相色譜法的固定相與流動相的類型是什么？ 2.各類氣相色譜法的分離原理是什么？ 3.分配系數的定義是什么？意義是什么？

【講授新課】

與氣相色譜一樣，液相色譜分離系統也由兩相——固定相和流動相組成。液相色譜的固定相可以是固定液、吸附劑、化學鍵合固定相（或在惰性載體表面涂上一層液膜）、離子交換樹脂或多孔性凝膠；流動相是各種溶劑。被分離混合物由流動相液體推動進入色譜柱。根據各組分在固定相及流動相中的吸附能力、分配系數、離子交換作用或分子尺寸大小的差異進行分離。色譜分離的實質是樣品分子（以下稱溶質）與溶劑（即流動相或洗脫液）以及固定相分子間的作用，作用力的大小，決定色譜過程的保留行為。

根據其分離原理不同，高效液相色譜法可分為幾種類型：

一． 液-液分配色譜法及化學鍵合相色譜法

（一）液-液分配色譜法

1.固定相：將液體固定液涂漬在擔體上作為固定相。

流動相：液體。

且要求，流動相液體與固定相液體互不相溶。

2．分離原理：溶解——溶解分配平衡過程（組分溶解在固定相中—組分溶解在流動相中），類似于液液萃取機理。

溶質在兩相間進行分配時，在固定液中溶解度較小的組分較難進入固定液，在色譜柱中向前遷移速度較快；在固定液中溶解度較大的組分容易進入固定液，在色譜柱中向前遷移速度較慢，從而達到分離的目的。

3.分配系數：

當樣品中的被測定組分在固定相和流動相中達到動態平衡時，可以用分配系數來描述這個分配平衡過程：

其中，（1）分離的順序決定于分配系數的大小：

固定相對某組分的溶解力大于溶劑對某組分的溶解力，K↑，后流出色譜柱 固定相對某組分的溶解力小于溶劑對某組分的溶解力，K↓，先流出色譜柱

（2）某色譜條件下，兩組分分配系數差值為零，則代表兩組分在該色譜條件下不能分離。4.分類：

正相液-液色譜法：固定相極性＞流動相極性，極性較小組分先出峰，極性較大組分后出峰 適于分離極性較強的物質

反相液-液色譜法：固定相極性＜流動相極性

極性較大組分先出峰，極性較小組分后出峰 適于分離非極性至中等極性的物質

（二）化學鍵合相色譜法：

（1）固定相：將固定液通過化學反應共價鍵合到擔體（硅膠）表面作為固定相。

流動相：液體。

（2）分離原理：同液-液分配色譜法。（3）分配系數：同液-液分配色譜法。（4）分類：同液-液分配色譜法。

（三）液-液分配色譜法與化學鍵合相色譜法的對比

液-液分配色譜法 化學鍵合相色譜法 與擔體結合方式 涂漬 共價鍵合

柱效對比 較低 較高

固定液是否流失 是 否

能否進行梯度洗脫 否 能

另外，化學鍵合固定相表面固定液一般多為單分子層，因此無液坑，液層薄，傳質速度快；且有載樣量大，化學性能穩定，重現性高，色譜柱壽命長等優點。目前已經逐漸取代了傳統的液液分配色譜，成為液相色譜法中使用最廣泛的方法。

二．液-固吸附色譜法

1.固定相：液固吸附色譜法的固定相是固體吸附劑。吸附劑是一些多孔的固體顆粒物質，在它的表面通常存在吸附中心點，可以有效地從氣體或液體中吸附其中某些成分。流動相：液體

2.分離原理：吸附——吸附競爭平衡過程（組分吸附在固定相上—流動相吸附在固定相上）

流動相中的溶質分子X（流動相）被流動相S帶入色譜柱后，在隨流動相流動的過程中，發生如下交換反應：

其作用機制是被分離組分（溶質分子X）與流動相（溶劑分子S）爭奪吸附劑表面吸附活性中心的結果（競爭吸附）。在這個過程中，交換能力較強的溶質分子會競爭得到更多的吸附中心點，從而在色譜柱中移動較慢，從而達到分離的目的。3.分配系數：

其中，（1）分離的順序決定于分配系數的大小：

吸附劑對某組分的吸附力越強，K↑，后流出色譜柱 吸附劑對某組分的吸附力越弱，K↓，先流出色譜柱

（2）某色譜條件下，兩組分分配系數差值為零，則代表兩組分在該色譜條件下不能分離。

4.應用：

液固色譜法適用于分離分子量中等，能溶于有機溶劑的非離子性化合物，此外，液固色譜法對于分離具有不同官能團的結構相似的化合物、異構體有較高的選擇性。

三．離子交換色譜法

1.固定相：是一種帶電荷的官能團的固定基質，稱為離子交換劑。為保證交換劑的電中性，基質上還存在帶相反電荷的離子，稱為反離子。

目前常用的三大類離子交換劑基質：合成樹脂、纖維素、硅膠。流動相：具有一定pH和鹽濃度的緩沖溶液

2.分離原理：吸附——吸附競爭平衡過程（反離子吸附在固定相上—組分離子吸附在固定相上）

在離子交換過程中，流動相中存在的被分析離子（M+）與樹脂上吸附的反離子（Y-）之間發生競爭吸附，可用下列平衡表示：

陽離子交換： 陰離子交換：

被分離樣品中不同離子對交換劑具有不同的親和力，在發生競爭吸附時，不同的樣品離子交換反離子的能力也不同。對交換劑親和力較強的樣品離子，交換反離子的能力較強，從而在色譜柱中遷移速度較慢，從而達到分離的目的。3.分配系數：

以陰離子交換平衡過程為例，分配系數：

其中，（1）分離的順序決定于分配系數的大小：

溶質中某離子與離子交換劑的相互作用越強，K↑，后流出色譜柱 溶質中某離子與離子交換劑的相互作用越弱，K↓，先流出色譜柱

（2）某色譜條件下，兩組分分配系數差值為零，則代表兩組分在該色譜條件下不能分離。

4.應用：

離子交換色譜法特別適用于分離離子化合物、有機酸和有機堿等能電力的化合物和能與離子基團相互作用的化合物。它不僅廣泛地應用于有機物質，而且廣泛地應用于生物物質的分離，如氨基酸、核酸、蛋白質等生物分子，還能用于維生素的混合物、食品防腐劑、血清等的分離。5.分類：

陽離子交換色譜和陰離子交換色譜

【小結】

1． 固定相：

液-液分配色譜法 將液體固定液涂漬在擔體上作為固定相

化學鍵合相色譜法 將固定液通過化學反應共價鍵合到擔體（硅膠）表面作為固定相 液-固吸附色譜法 吸附劑 離子交換色譜法 離子交換劑 2．分離原理

液-液分配色譜法 溶解——溶解分配平衡過程（組分溶解在固定相中—組分溶解在流動相中）化學鍵合相色譜法 溶解——溶解分配平衡過程（組分溶解在固定相中—組分溶解在流動相中）液-固吸附色譜法 吸附——吸附競爭平衡過程（組分吸附在固定相上—流動相吸附在固定相上）離子交換色譜法 吸附——吸附競爭平衡過程（反離子吸附在固定相上—組分離子吸附在固定相上）3．各種色譜法的分配系數表示方法雖各不相同，但分配系數與組分流出順序的關系均可表述為，組分K↑，后流出色譜柱；組分K↓，先流出色譜柱。

【作業】

課后習題 2、6、9。

第九節 高效液相色譜法在食品檢測中的應用

【教學目標】

1.了解高效液相色譜法在食品檢測中的具體應用實例

2.能夠通過實例系統地了解之前所學關于高效液相色譜法的具體內容 3.了解食品高效液相色譜法前處理知識 【教學重點】

外標法定量的運用 【教學難點】

不同定量方法的運用 【復習題】

1.液相色譜法的主要定量方法包括哪幾種？

【講授新課】

5.動物源食品呋喃唑酮殘留量的測定

呋喃唑酮（痢特靈）是一種抗菌效果非常好的廣譜抗生素藥物，曾被廣泛應用于家禽、家畜、水產品中的疾病預防和治療。近年的研究表明，呋喃唑酮及其代謝物具有致基因突變和致癌性。美國1993年禁止呋喃唑酮作為獸藥，歐盟將其列為違禁藥品，我國農業部第235號公告中也規定動物性食品中呋喃唑酮檢出限為不得檢出。

（一）原理：反相色譜法

（二）色譜條件：

固定相：C18柱

流動相：乙腈—磷酸溶液 檢測器：Uv-vis檢測器 檢測波長：367nm 流速：1.0ml/min 進樣量：20ul

（三）測定方法： 1．試樣前處理：

固體試料破碎→混合→初分離→濃縮→再分離→過濾→供試樣液

2．測定方法（外標法）：

（1）標準對照品溶液的配制與測定：精密稱取呋喃唑酮標準對照品適量，配制成一定濃度的溶液Cs。在上述色譜條件下得到色譜流出曲線，呋喃唑酮的保留時間在4.5min附近，得到呋喃唑酮峰的峰面積As。

（2）樣品溶液測定：試樣溶液在上述色譜條件下分離得到試樣的色譜流出曲線，得到試樣中呋喃唑酮的峰面積Ax。

（3）外標法計算：利用下式即可計算的出樣品中的呋喃唑酮含量

二．高效液相色譜測定保健食品中的黃芪甲苷

黃芪是多年生草本豆科植物，藥用歷史悠久、廣泛。皂苷是黃芪中的主要有效成分之一，而黃芪皂苷以黃芪甲苷為主。黃芪甲苷具有增強機體免疫力、抗氧化、促進細胞生長，抑制內毒素等作用。所以在一些保健食品中，黃芪甲苷作為功能性添加劑成分有添加。例如，蜂膠黃芪軟膠囊、蟲草雞精口服液。

（一）原理：反相色譜法

（二）色譜條件：

固定相：C18柱 流動相：乙腈—水

檢測器：二極管陣列檢測器 檢測波長：227nm 流速0.8ml/min 進樣量：10ul

（三）測定方法（外標法峰面積標準曲線法）： 1．試樣前處理：

蟲草雞精口服液試樣→濃縮→定容→過柱（大孔吸附樹脂）→濃縮→過濾→供試樣液 2．測定方法：

（1）標準對照品溶液的配制與測定：精密稱取黃芪甲苷標準對照品適量，配制為濃度從低到高的一系列溶液C1……C5（5.0，10.0，20.0，40.0，50.0μg/mL）。在上述色譜條件下依次得到相應色譜流出曲線，并得到峰面積A1……A5。

（2）標準曲線的繪制：以峰面積A對濃度進行線性回歸，得線性回歸方程，即為標準曲線。

（3）樣品溶液測定：在標準曲線的線性范圍內，加載供試樣液，得到樣品色譜流出曲線，測量其中黃芪甲苷對應峰的峰面積。

將樣品黃芪甲苷峰的峰面積帶入線性回歸方程，利用標準曲線法即可算出樣品中的黃芪甲苷含量。

三．高效液相色譜法同時進行測定食品中安賽蜜、糖精、苯甲酸、山梨酸和咖啡因

食品添加劑若使用不當，添加過量，就會對人體產生毒副作用。

（一）原理：反相色譜法

（二）色譜條件：

固定相：C18柱

流動相：甲醇—檸檬酸銨 檢測器：Uv-vis檢測器 檢測波長215nm 流速1.0ml/min 進樣量20μL 柱溫40℃

（三）測定方法： 1．試樣前處理：

（1）乳狀液體樣品（果奶、冰淇淋等）：

試樣→沉淀蛋白質→過濾、脫氣→供試樣液

（2）澄清液體樣品（汽水、可樂等）：

試樣→脫氣→稀釋→過濾→供試樣液

（3）固狀樣品（肉制品、醬脆菜等）：

試樣→搗碎→加入溶劑→沉淀蛋白質→過濾、脫氣→供試樣液

2．測定方法（外標法峰高標準曲線法）：

（1）標準溶液配制：使用流動相配制安賽蜜、糖精鈉、苯甲酸、山梨酸、咖啡因標準溶液（1mg/mL），將各標準液按照安賽蜜、糖精鈉、苯甲酸、山梨酸、咖啡因比例依次為5.0、4.0、5.0、5.0、5.0μg/mL混合，得到混合標準溶液。將混合標準溶液用水稀釋成6個濃度C1……C6

（2）確定成分峰位置：首先用各自的標準溶液稀釋，在色譜條件下進行分析，定性確定每個峰對應的成分。

（3）標準曲線：在上述色譜條件下，6個濃度的混合標準溶液分別得到相應色譜流出曲線，并得到峰高h1……h6。以峰高h對含量進行線性回歸，得各種標準物質的線性回歸方程，即為標準曲線。

（4）樣品溶液測定：在標準曲線的線性范圍內，加載供試樣液，得到每種樣品的色譜流出曲線，測量其中添加劑對應峰的峰高。

將樣品添加劑相關峰的峰高帶入線性回歸方程，利用標準曲線法即可算出樣品中各種添加劑的含量。

四．反相高效液相色譜法測定巧克力中香蘭素

香蘭素是重要的食用香料之一，是食用調香劑，具有香莢蘭豆香氣及濃郁的奶香，是食品添加劑行業中不可缺少的重要原料，廣泛運用在各種需要增加奶香氣息的調香食品中，香蘭素是國家允許添加的食品添加劑，按國標添加不會對身體造成傷害。但大劑量食用可導致頭痛、惡心、嘔吐、呼吸困難，甚至損傷肝腎等。

（一）原理：反相色譜法

（二）色譜條件：

固定相：C18柱 流動相：甲醇—水 檢測器：Uv-vis檢測器 檢測波長：280nm 流速：1.0ml/min 進樣量：10μL 柱溫：35℃

（三）測定方法： 1．試樣前處理：

巧克力樣品→加水加溫溶解→定容→離心取上層清液→過濾→供試樣液

2．測定方法：

外標法峰面積標準曲線法定量

參見實驗二．高效液相色譜測定保健食品中的黃芪甲苷中的標準曲線測定方法

【小結】

1．樣品預處理：根據樣品狀態不同采用不同的預處理方法，再利用相似相溶粗提取要測的成分。2．分析實例中用的是反相色譜，其固定相為十八烷基硅烷鍵合硅膠，極性小于流動相（乙腈-水；乙腈-磷酸鹽；甲醇-水；甲醇-檸檬酸）。且分析的樣品都是弱極性、中等極性的樣品。3．含量測定：外標法（標準曲線法、峰面積法、峰高法）

【作業】

課后題 10。

第三篇：儀器分析教案

儀器分析教案：

遵義師范學院 敖克厚

一、儀器分析要求

儀器分析實驗是儀器分析課程的重要組成部分，通過實驗可使學生更好的理解和掌握理論教學中所介紹的各種分析儀器的原理，正確掌握各種常用儀器的結構及基本操作技能，針對不同的分析對象，會正確選擇適當的儀器分析方法，包括確定分析儀器﹑試劑﹑分析條件﹑分析步驟﹑獲得實驗數據及正確進行數據處理等。通過實驗可培養學生綜合應用各種儀器分析方法解決相應環境監測對象的能力。

二、實驗須知

1、實驗者應準備一本編有頁碼的實驗記錄本，不能使用單頁紙或活頁本。

2、寫預習報告： 實驗前，應充分預習實驗的方法和原理、實驗步驟、儀器使用等內容。在實驗記錄本上，擬訂好實驗的操作步驟，預先記錄實驗必要的常數及計算公式。還應事先劃好記錄數據的表格，以便有條理且不遺漏地記錄數據。

3、實驗應緊張有序地進行。實驗過程中應認真觀察思考，如實地記錄數據和實驗現象，忠實地、完整地記錄實驗過程、測量數據及有關資料。記錄的原始數據不得隨意涂改。如果需廢棄某些記錄的數據，則可在其上劃一道線。

4、還要始終保持實驗場所的清潔、整齊和安靜。每個學生都應遵守實驗室規則，養成良好的實驗習慣。藥品、試劑、電、水、氣體等都應節約使用，并重視實驗室安全。實驗室中的儀器不能隨意擺弄，以防損壞或發生其他事故。

5、實驗完成后，應及時寫出實驗報告。報告應包括：

①實驗題目、完成日期、姓名、合作者

②實驗目的、簡要原理、所用儀器、試劑及主要實驗步驟

③實驗數據及計算結果，實驗的討論

④原始實驗數據記錄 ⑤解答實驗思考題

報告中所列的實驗數據和結論，應組織得有條理，合乎邏輯，還應表達得簡明正確，并附上應有的圖表。

二、實驗數據及分析結果的表達

1.列表法

列表法表達數據，具有直觀、簡明的特點。實驗的原始數據一般均以此方法記錄。

列表需標明表名。表名應簡明，但又要完整地表達表中數據的含義。此外，還應說明獲得數據的有關條件。表格的縱列一般為實驗號，而橫列為測量因素。記錄數據應符合有效數字的規定，并使數字的小數點對齊，便于數據的比較分析。一般使用三線表法記錄數據。

一、列表法

列表法是以表格形式表示數據。其優點是列入的數據是原始數據，可以清晰地看出數據的過程，亦便于日后對計算結果進行檢查和復核；可以同時列出多個參數的設置，便于同 時考察多個變量之間的關系。當數據很多時，列表占用篇幅過大，顯得累贅。用列表法表示數據時，需要注意規范化：

(1)選擇適合的表格形式，在現在的科技文獻中，通常采用三線制表格，而不采用網格式表。

(2)簡明準確地標注表名，表名標注于表的上方。當表名不足以充分說明表中數據含義時，可以在表的下方加標注。

(3)表的第一行為表頭，表頭要清楚標明表內數據的名稱和單位。名稱盡量用符號表示。同一列數據單位相同時，將單位標注于該列數據的表頭，各數據后不再加寫單位。單位的寫法采用斜線制。

(4)在列數據時，特別是數據很多時，每隔一定量的數據留一空行。上下數據的相應位數要對齊，各數據要按照一定的順序排列。

2.圖解法

圖解法可以使測量數據間的關系表達得更為直觀。在許多測量儀器中使用記錄儀記錄獲得測量圖形，利用圖形可以直接地或間接求的分析結果。

⑴利用變量間的定量關系圖形求得未知物含量

定量分析中的標準曲線，就是將自變量濃度為橫坐標，應變量即各測定方法相應的物理量為縱坐標，繪制標準曲線。對于欲求的未知物濃度，可以由它測得的相應物理量值從標準曲線上查得。

⑵通過曲線外推法求值

分析化學測量中常用間接方法求測量值。如對未知試樣可以通過連續加入標準溶液，測得相應方法的物理量變化，用外推作圖法求得結果。

3求函數的極值或轉折點

○ 3 實驗常需要確定變量之間的極大、極小、轉折等，通過圖形表達后，可迅速求得其值。

如光譜吸收曲線中，峰值波長及它的摩爾吸光系數的求得；滴定分析中，通過滴定曲線上的轉折點求得滴定終點等。

⑷圖解微分法和圖解積分法

如利用圖解微分法來確定電位滴定的終點，在氣相色譜法中，利用圖解積分法求色譜峰面積。

3.作圖方法

作圖的方法和技術將影響圖解結果，現將標繪時的要點介紹如下：

⑴標繪工具及圖紙

繪圖工具主要有鉛筆（1H），透明直尺及曲尺，圓規等。

一般情況下，均選用直角坐標紙。如果一個坐標是測量值的對數，則可用單對數坐標紙，如直接電位法中，電位與濃度的曲線繪制。如果兩個坐標都是測量值的對數，則要用雙對數坐標紙。

⑵坐標標度的選擇

①以自變量為橫坐標，應變量為縱坐標。

②選擇合適的坐標標繪變量，使測量結果盡可能繪得一條直線，便于繪制和應用。

③繪出的直線或近乎直線的曲線，應使它安置在接近坐標的45角。

④標的標度。第一，應使測量值在坐標上的位置方便易讀。如坐標軸上各線間距表示數量1、2、4或5是適宜的，但應避免使用3、6、7或9等數字。第二，應能表達全部有效數字，圖上讀出各物理量的精密度應與測量的精密度一致。第三，坐標的起始點不一定是零。可用低于最低測量值的某一整數作起點，高于最高測量值的某一整數作終點，以充分利用坐標紙，但各個測量值的坐標精密度不超過1-2個最小分度。

⑶圖紙的標繪

①各坐標軸應標明該軸的變量名稱及單位，并在縱軸的 左面及橫軸的下面，每隔一定距離標明變量的數值，即分度值，但不要將實驗數據寫在軸旁。標記分度值的有效數字一般應與測量數據相同。

②標繪數據時，可用符號代表點，如用“⊙”，其中心點代表測得的數據值，圓點的大小應與測量的精密度相當。若在一張圖紙上繪幾條曲線，則每組數據應選用不同的符號代表，如+、×、等，但在一張圖紙上不宜標繪過多。當兩個變量的精密度相差較大時，代表點可用矩形符號或變相矩形符號。

③會線時，如果兩個量成線性關系，按點的分布情況作一直線，所繪的直線應與各點接近，但不必通過所有點，因為直線表示代表點的平均變動情況。在繪制曲線時，也應按此原則。如果毫無理由的將個別點遠離曲線，這樣所繪的曲線是不正確的，一般講，曲線上不應有突然彎曲和不連續的地方，但如果這種情況確實超出了測量值的誤差范圍，則不能忽視。如光譜吸收曲線上的突然彎曲顯示了峰肩的存在。

曲線的具體繪法，先用淡鉛筆手繪一條曲線，再用曲線板依曲線逐段湊合描光滑，并注意各段描線的銜接，使整條曲線連續。⑷圖名和說明

繪好圖后應注上圖名，測量的主要條件，最后標寫姓名、日期。

4.分析結果的數值表示

報告分析結果時，必須給出多次分析結果的平均值以及它的精密度。注意數值所表示的準確度與測量工具、分析 方法的精密度相一致。報告的數據應遵守有效數字規則。

重復測量試樣，平均值應報告出有效數字的可疑數。例：三次重復測量結果為11.32、11.35、11.32，內中11.3為確定數，第四位為可疑數，其平均值應報告11.33。若三次結果為11.42、11.35、11.22，則小數點后一位就為可疑數，其平均值應報11.3。

當測量值遵守正態分布規律時，其平均值為最可信賴值和最佳值，它的精密度優于個別測量值，故在計算不少于四個測量值的平均值時，平均值的有效數字位數可增加一位。

一項測定完成后，僅報告平均值是不夠的，還應報告這一平均值的偏差。在多數場合下，偏差值只取一位有效數字。只有在多次測量時，取兩位有效數字，且最多只能取兩位。然后用置信區間來表達平均值的可靠性更可取。

二、儀器分析實驗中的數據處理知識：

1、曲線擬合

在儀器分析中，絕大多數情況下都是相對測量，需用校正曲線進行定量建立校正曲線，就是基于使偏差平方和達到極小的最小二乘法原理，回歸分析： 因變量：儀器響應值，自變量：被測定樣品的已知值。

原理：最小二乘法，對若干個對應的數據（x1,y1），（x2,y2），（xn,yn），用函數進行擬合。從作圖的角度說，就是根據平面上一組離散點，選擇適當的連續曲線近似地擬合這一組離散點，以盡可能完善到表示儀器響應值和被測定量的之間的關系。這種基于最小二乘法原理研究因變量與自變量之間的相關關系的方法，稱為回歸分析。

用回歸分析建立儀器分析校正曲線，因變量是儀器響應值，是具有概率分布的隨機變量，自變量是被測定量（濃度），為無概率分布的固定變量。所建立的校正曲線，描述了因變量與自變量之間的相關關系，并可根據各自變量的取值對因變量進行預報和控制。

b?n ?xiyi??xi?yi

n?xi2???xi?2a ?y?bx相關系數

用最小二乘法原理擬合回歸方程，其斜率和截距分別為：所擬合的回歸方程及建立的曲線在統計上是否有意義，可用相關系數進行檢驗。相關系數r是表征變量之間相關 7 程度的一個參數，若γ大于相關系數表中的臨界值r0.05，f，表示所建立的回歸方程和回歸線是有意義的；反之，γ若小于r0.05，f，則表示所建立的回歸方程和回歸線沒有意義。r的絕對值在0至1的范圍內變動，r值越大，表示變量之間相關的程度越密切。當y隨x增大而增大，稱為y與x為正相關，為正值；當y隨x增大而減少，稱y與x為負相關，r為負值。

表1

相關系數表臨界值r0.05，f

r?n?xy??x?y??x?x??y?y? ??n?y???y???n?x???x??????x?xy?y??iiiiii22ii2i2i2i2i 8

第四篇：儀器分析電子教案

《儀器分析》課程教案

第一章 引 言

一、課程簡介

儀器分析法是以測量物質的物理性質為基礎的分析方法。這類方法通常需要使用較特殊的儀器，故得名―儀器分析‖。隨著科學技術的發展，分析化學在方法和實驗技術方面都發生了深刻的變化，特別是新的儀器分析方法不斷出現，且其應用日益廣泛，從而使儀器分析在分析化學中所占的比重不斷增長，并成為化學工作者所必需掌握的基礎知識和基本技能。

二、儀器分析方法的分類

三、儀器分析的特點及發展趨勢

優點是：1.操作簡便而快速，對于含量很低（如質量分數為10-8或10-9數量級）的組分，則更具獨特之處。2.被測組分的濃度變化或物理性質變化能轉變成某種電學參數（如電阻、電導、電位、電容﹑電流等），故易于實現自動化和連接電子計算機。因此，儀器分析具有簡便、快速、靈敏、易于實現自動化等特點。對于結構分析，儀器分析法 也是極為重要和必不可少的工具。

生產的發展和科學的進步，不僅對分析化學在提高準確度 ﹑ 靈敏度和分析速度等方面提出更高的要求，而且還不斷提出更多的新課題。一個重要的方面是要求分析化學能提供更多﹑更復雜的信息。

現代科學技術發展的特點是學科之間的相互交叉﹑滲透，各種新技術的引人﹑應用等，促進了學科的發展，使之不斷開拓新領域﹑新方法。如電感耦合等離子體發射光譜﹑傅立葉變換紅外光譜﹑傅立葉變換核磁共振波譜﹑激光拉曼光譜﹑激光光聲光譜等。另外試樣的復雜性﹑測量難度﹑要

求信息量及響應速度在不斷提高，這就需要將幾種方法結合起來，組成連用分析技術，可以取長補短，起到方法間的協同作用，從而提高方法的靈敏度﹑準確度及對復雜混合物的分辨能力，同時還可獲得兩種手段各自單獨使用時所不具備的某些功能，因而連用分析技術以成為當前儀器分析方法的主要方向之一。計算機技術對儀器分析的發展影響極大。在分析工作者的指令控制下，儀器自動處于優化的操作條件完成整個分析過程，進行數據采集﹑處理﹑計算等，直至動態CRT顯示和最終曲線報表。現在由于計算機性能價格比的大幅度提高，已開始采用功能完善的pc計算機，隨著硬件和軟件的平行發展，分析儀器將更為智能化﹑高效﹑多用途。

儀器分析方法的局限性： 除了方法本身的一些原因外，還有一個共同點，就是他們的準確度不夠高，相對誤差通常在百分之幾左右，有的甚至更差。這樣的準確度對低含量組分的分析已能完全滿足要求，但對常量組分的分析，就不能達到高的準確度此外，在進行儀器分析之前，時常要用化學方法對試樣進行預處理；同時，需要以標準物進行校準，而很多標準物需要用化學分析方法來標定。因此化學方法和儀器方法是相輔相成的。在使用時應根據具體情況，取長補短，互相配合。

四、學習內容及時間安排

色譜分析法：氣相色譜法（8學時）﹑高效夜相色譜法（4學時）；電化學分析法：電位分析法（4學時）﹑極譜分析法（4學時）﹑庫侖分析法（4學時）；光學分析法：原子發射光譜法（6學時）﹑原子吸收光譜法（6學時）﹑紫外吸收光譜法（4學時）﹑紅外吸收光譜法（4學時）；核磁共振波譜法（4學時）；質譜分析法（4學時）。

第二章 氣相色譜分析

基本要點：

1.了解色譜法的分類；

2.掌握色譜分析的基本原理；

3.理解柱效率的物理意義及其計算方法；

4.理解速率理論方程對色譜分離的指導意義。

5.掌握分離度的計算及影響分離度的重要色譜參數

第一節 氣相色譜分析概述

色譜法是一種分離技術。它以其具有高分離效能、高檢測性能、分析時間快速而成為現代儀器分析方法中應用最廣泛的一種方法。它的分離原理是，使混合物中各組分在兩相間進行分配，其中一相是不動的，稱為固定相，另一相是攜帶混合物流過此固定相的流體，稱為流動相。

一、色譜法分類：

按流動相的物態，色譜法可分為氣相色譜法(流動相為氣體)和液相色譜法(流動相為液體)；再按固定相的物態，又可分為氣固色譜法(固定相為固體吸附劑)、氣液色譜法(固定相為涂在固體上或毛細管壁上的液體)、液固色譜法和液液色譜法等。

按固定相使用的形式，可分為柱色譜法(固定相裝在色譜柱中)、紙色譜法(濾紙為固定相)和薄層色譜法(將吸附劑粉末制成薄層作固定相)等。

按分離過程的機制，可分為吸附色譜法(利用吸附劑表面對不同組分的物理吸附性能的差異進行分離)、分配色譜法(利用不同組分在兩相中有不同的分配來進行分離)、離子交換色譜法(利用離子交換原理)和排阻色譜法(利用多孔性物質對不同大小分子的排阻作用)等。

二、氣相色譜分析

氣相色譜法是利用氣體作為流動相的一種色譜法。在此法中，載氣(是不與被測物作用，用來載送試樣的惰性氣體，如氫、氮等)載著欲分離的試樣通過色譜柱中的固定相，使試樣中各組分分離，然后分別檢測。其簡單流程如圖 2-1 所示。

三、氣相色譜儀組成

Ⅰ.載氣系統;Ⅱ.進樣系統;Ⅲ.色譜柱和柱箱；Ⅳ.檢測系統；Ⅴ.記錄系統。

四、色譜術語

基線——當色譜柱后沒有組分進入檢測器時，在實驗操作條件下，反映檢測器系統噪聲隨時間變化的線稱為基線，穩定的基線是一條直線。如圖 2-2 中所示的直線

基線漂移—— 指基線隨時間定向的緩慢變化。

基線噪聲——指由各種因素所引起的基線起伏。

保留值——表示試樣中各組分在色譜柱中的滯留時間的數值。通常用時間或用將組分帶出色譜柱所需載氣的體積來表示。在一定的固定相和操作條件下，任何一種物質都有一確定的保留值，這樣就可用作定性參數。

死時間 tM ——指不被固定相吸附或溶解的氣體(如空氣、甲烷)從進樣開始到柱后出現濃度最大

值時所需的時間。顯然，死時間正比于色譜柱的空隙體積。

保留時間tR——指被測組分從進樣開始到柱后出現濃度最大值時所需的時間。

調整保留時間 tR' ——指扣除死時間后的保留時間，即 tR'=tR－tM

死體積 VM ——指色譜柱在填充后固定相顆粒間所留的空間、色譜儀中管路和連接頭間的空間以及檢測器的空間的總和。VM =tMFO

保留體積VR——指從進樣開始到柱后被測組分出現濃度最大值時所通過的載氣體積，即VR =tRFO

調整保留體積VR' ——指扣除死體積后的保留體積，即

VR' =tR'.FO 或 VR' =VR－VM

同樣，V'R 與載氣流速無關。死體積反映了柱和儀器系統的幾何特性，它與被測物的性質無關，故保留體積值中扣除死體積后將更合理地反映被測組分的保留特性。

相對保留值r21——指某組分 2 的調整保留值與另一組分 1 的調整保留值之比：

得越好，r21=1時，兩組分不能被分離。

區域寬度——色譜峰區域寬度是色譜流出曲線中一個重要的參數。從色譜分離角度著眼，希望區域寬度越窄越好。通常度量色譜峰區域寬度有三種方法：

（1）標準偏差σ 即0.607倍峰高處色譜峰寬度的一半。

（2）半峰寬度Y 1/2又稱半寬度或區域寬度，即峰高為一半處的寬度，它與標準偏差的關系為：

相對r21亦可用來表示固定相(色譜柱)的選擇性。值越大，相鄰兩組分的t'R相差越大，分離（3）峰底寬度Y自色譜峰兩側的轉折點所作切線在基線上的截距，如圖 2-2中的 IJ所示。它與標準偏差的關系為：Y=4σ保留值r21——指某組分2的調整保留值與另一組分1的調整保留值之比：

第二節 氣相色譜分析理論基礎

一、氣相色譜分析的基本原理

1.氣-固色譜分析：固定相是一種具有多孔及較大表面積的吸附劑顆粒。試樣由載氣攜帶進入柱子時，立即被吸附劑所吸附。載氣不斷流過吸附劑時，吸附著的被測組分又被洗脫下來。這種洗脫下來的現象稱為脫附。脫附的組分隨著載氣繼續前進時，又可被前面的吸附劑所吸附。隨著載氣的流動，被測組分在吸附劑表面進行反復的物理吸附、脫附過程。由于被測物質中各個組分的性質不同，它們在吸附劑上的吸附能力就不一樣，較難被吸附的組分就容易被脫附，較快地移向前面。容易被吸附的組分就不易被脫附，向前移動得慢些。經過一定時間，即通過一定量的載氣后，試樣中的各個組分就彼此分離而先后流出色譜柱。

2.氣-液色譜分析：固定相是在化學惰性的固體微粒(此固體是用來支持固定液的，稱為擔體)表面，涂上一層高沸點有機化合物的液膜。這種高沸點有機化合物稱為固定液。在氣—液色譜柱內，被測物質中各組分的分離是基于各組分在固定液中溶解度的不同。當載氣攜帶被測物質進入色譜柱，和固定液接觸時，氣相中的被測組分就溶解到固定液中去。載氣連續進入色譜柱，溶解在固定液中的被測組分會從固定液中揮發到氣相中去。隨著載氣的流動，揮發到氣相中的被測組分分子又會溶解在前面的固定液中。這樣反復多次溶解、揮發、再溶解、再揮發。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，停留在柱中的時間長些，往前移動得就慢些。而溶解度小的組分，往前移動得快些，停留在柱中的時間就短些。經過一定時間后，各組分就彼此分離。

3.分配系數：在一定溫度下組分在兩相之間分配達到平衡時的濃度比稱為分配系數K。

K=(組分在固定相中的濃度)/(組分在流動相中的濃度)=CS/CM

一定溫度下，各物質在兩相之間的分配系數是不同的。氣相色譜分析的分離原理是基于不同物質在兩相間具有不同的分配系數，兩相作相對運動時，試樣中的各組分就在兩相中進行反復多次的分配，使原來分配系數只有微小差異的各組分產生很大的分離效果，從而各組分彼此分離開來。

4．分配比（容量因子）：以κ表示，是指在一定溫度、壓力下，在兩相間達到分配平衡時，組分在兩相中的質量比：k=ms/mM

5．分配比 к 與分配系數 K 的關系：

由式可見：

（1）分配系數是組分在兩相中濃度之比，分配比則是組分在兩相中分配總量之比。它們都與組分及固定相的熱力學性質有關，并隨柱溫、柱壓的變化而變化。

（2）分配系數只決定于組分和兩相性質，與兩相體積無關。分配比不僅決定于組分和兩相性質，且與相比有關，亦即組分的分配比隨固定相的量而改變。

（3）對于一給定色譜體系(分配體系)，組分的分離最終決定于組分在每相中的相對量，而不是相對濃度，因此分配比是衡量色譜柱對組分保留能力的參數。

（4）組分在柱內的線速度US將小于u，則兩速度之比稱為滯留因子 RS ：

RS=uS/u

二、色譜分離基本理論

1.塔板理論

塔板理論假定：

（1）在一小段間隔內，氣相組成與液相組成很快達到分配平衡。用塔板高度 H 表示；

(2)載氣進入色譜柱，不是連續的而是脈動式的，每次進氣為一個板體積；

(3)試樣開始時都因在第0號塔板上，且試樣沿柱方向的擴散可略而不計；

(4)分配系數在各塔板上是常數。

為簡單起見，設色譜柱由5 塊塔板 [n=5]，n為柱子的理論塔板數，并以r表示塔板編號，r等于0，1，2，----，n-1，某組分的分配比k=1，則根據上述假定，在色譜分離過程中該組分的分布可計算如下：

開始時，若有單位質量，即 m=1(1mg 或1ug)的該組分加到第0號塔板上，分配達平衡后，由于K =1，即ms = mm , 故 ms = mm = 0.5。

當一個板體積(1ΔV)的載氣以脈動形式進入0號板時，就將氣相中含 有 部分組分的載氣頂到1號板上，此時0號板液相中ms部分組分及1號板氣相中的 mm 部分組分，將各自在兩相間重新分配，故0號板上所含組分總量為0.5，其中氣液兩相各為0.25；而1號板上所含 總量同樣為0.5，氣液兩相亦各為0.25。

以后每當一個新的板體積載氣以脈動式進入色譜柱時，上述過程就重復一次，如下所示：

由流出曲線圖可以看出，組分從具有5塊塔板的柱中沖洗出來的最大濃度是在n為8或9時。流出曲線呈峰形但不對稱。這是由于柱子的塔板數太少的緣故。當n>50時，就可以得到對稱的峰形曲線。在氣相色譜中，n 值是很大的，約為103~106，因而這時的流出曲線可趨近于正態分布曲線。

流出曲線上的濃度 C 與時間 t 的關系可表示：

由塔板理論可導出 n 與色譜峰半峰寬度或峰底寬度的關系：

而H=L/n

由式上式可見，色譜峰越窄，塔板數n越多，理論塔板高度H就越小，此時柱效能越高，因而 n或H可作為描述柱效能的一個指標。

由于死時間 tM(或死體積VM)的存在，理論塔板n，理論塔板高度H并不能真實反映色譜分離的好壞。因此提出了將tM除外的有效塔板數n有效和有效塔板高度H有效作為柱效能指標。其計算式為：

有效塔板數和有效塔板高度消除了死時間的影響，因而能較為真實地反映柱效能的好壞。色譜柱的理論塔板數越大，表示組分在色譜柱中達到分配平衡的次數越多，固定相的作用越顯著，因而對分離越有利。但還不能預言并確定各組分是否有被分離的可能，因為分離的可能性決定于試樣混合物在固定相中分配系數的差別，而不是決定于分配次數的多少，因此不應把n有效看作有無實現分離可能的依據，而只能把它看作是在一定條件下柱分離能力發揮的程度的標志。

2．速率理論

1956年荷蘭學者范弟姆特等提出了色譜過程的動力學理論，他們吸收了塔板理念的概念，并把影響塔板高度的動力學因素結合進去，導出了塔板高度H與載氣線速度u的關系：H=A+B/U+Cu

其中A稱為渦流擴散項，B為分子擴散項，C為傳質阻力項。

下面分別討論各項的意義：

(1)渦流擴散項A氣體碰到填充物顆粒時，不斷地改變流動方向，使試樣組分在氣相中形成類似―渦流‖的流動，因而引起色譜的擴張。由于A=2λdp，表明A與填充物的平均顆粒直徑dp的大小和填充的不均勻性λ有關，而與載氣性質、線速度和組分無關，因此使用適當細粒度和顆粒均勻的擔體，并盡量填充均勻，是減少渦流擴散，提高柱效的有效途徑。

(2)分子擴散項B/u由于試樣組分被載氣帶入色譜柱后，是以―塞子‖的形式存在于柱的很小一段空間中，在―塞子‖的前后(縱向)存在著濃差而形成濃度梯度，因此使運動著的分子產生縱向擴散。而 B=2rDg，r是因載體填充在柱內而引起氣體擴散路徑彎曲的因數(彎曲因子)，Dg為組分在氣相中的擴散系數。分子擴散項與Dg的大小成正比，而Dg與組分及載氣的性質有關：相對分子質量大的組分，其Dg小，反比于載氣密度的平方根或載氣相對分子質量的平方根，所以采用相對分子質量較大的載氣(如氮氣)，可使B項降低，Dg隨柱溫增高而增加，但反比于柱壓。彎曲因子r 與填充物有關的因素。

(3)傳質項系數CuC包括氣相傳質阻力系數Cg和液相傳質阻力系數C1兩項。

所謂氣相傳質過程是指試樣組分從移動到相表面的過程，在這一過程中試樣組分將在兩相間進行質量交換，即進行濃度分配。這種過程若進行緩慢，表示氣相傳質阻力大，就引起色譜峰擴張。對于填充柱：

液相傳質過程是指試樣組分從固定相的氣液界面移動到液相內部，并發生質量交換，達到分配平衡，然后以返回氣液界面 的傳質過程。這個過程也需要一定時間，在此時間，組分的其它分子仍隨載氣不斷地向柱口運動，這也造成峰形的擴張。液相傳質阻力系數C1為：

對于填充柱，氣相傳質項數值小，可以忽略。將常數項的關系式代入簡化式得：

由上述討論可見，范弟姆特方程式對于分離條件的選擇具有指導意義。它可以說明，填充均勻程度、擔體粒度、載氣種類、載氣流速、柱溫、固定相液膜厚度等對柱效、峰擴張的影響。

第三節 色譜分離條件的選擇

一、分離度

兩個組分怎樣才算達到完全分離？首先是兩組分的色譜峰之間的距離必須相差足夠大，若兩峰間僅有一定距離，而每一個峰卻很寬，致使彼此重疊，則兩組分仍無法完全分離；第二是峰必須窄。只有同時滿足這兩個條件時，兩組分才能完全分離。

為判斷相鄰兩組分在色譜柱中的分離情況，可用分離度 R 作為色譜柱的分離效能指標。其定義為 相鄰兩組分色譜峰保留值之差與兩個組分色譜峰峰底寬度總和之半的比值：

R值越大，就意味著相鄰兩組分分離得越好。因此，分離度是柱效能、選擇性影響因素的總和，故可用其作為色譜柱的總分離效能指標。

從理論上可以證明，若峰形對稱且滿足于正態分布，則當R=1時，分離程度可達98% ；當R=1.5時，分離程度可達99.7% 因而可用R=1.5來作為相鄰兩峰已完全分開的標志。

當兩組分的色譜峰分離較差，峰底寬度難于測量時，可用半峰寬代替峰底寬度，并用下式表示分離度：

二、色譜分離基本方程式

由分離度基本方程式可看出：

（1）分離度與柱效的關系(柱效因子)分離度與n的平方根成正比。

（2）分離度與容量比的關系(容量因子)，k >10 時，k/(k+1)的改變不大，對R的改進不明顯，反而使分析時間在為延長。因此k值的最佳范圍是1< k <10，在此范圍內，既可得到大的R值，亦可使分析時間在不至于過長。使峰的擴展不會太嚴重對檢測發生影響。

度從 1.0 增加至 1.5，對應于各 α 值所需的有效理論塔板數大致增加一倍。

分離度、柱效和選擇性參數之間的聯系為：

（3）分離度與柱選擇性的關系(選擇因子)，α越大，柱選擇性越好 , 分離效果越好。分離

三、分離操作條件的選擇

1.載氣及其流速的選擇

ss 對一定的色譜柱和試樣，有一個最佳的載氣流速，此時柱效最高，根據下式

H=A+B/u+CU

用在不同流速下的塔板高度H對流速u作圖，得H-u曲線圖。在曲線的最低點，塔板高度 H 最小(H最小)。此時柱效最高。該點所對應的流速即為最佳流速u最佳，及H最小可由式微分求得：

當流速較小時，分子擴散(B項)就成為色譜峰擴張的主要因素，此時應采用相對分子質量較大的載氣(N2，Ar)，使組分在載氣中有較小的擴散系數。而當流速較大時，傳質項(C項)為控制因素，宜

采用相對分子質量較小的載氣(H2，He)，此時組分在載氣中有較大的擴散系數，可減小氣相傳質阻力，提高柱效。

2.柱溫的選擇

柱溫直接影響分離效能和分析速度。首先要考慮到每種固定液都有一定的使用溫度。柱溫不能高于固定液的最高使用溫度，否則固定液揮發流失。

3.固定液的性質和用量

固定液對分離是起決定作用的。一般來說，擔體的表面積越大，固定液用量可以越高，允許的進樣量也就越多。為了改善液相傳質，應使液膜薄一些。固定液液膜薄，柱效能提高，并可縮短分析時間。固定液的配比一般用5：100 到25：100，也有低于5：100的。不同的擔體為要達到較高的柱效能，其固定液的配比往往是不同的。一般來說，擔體的表面積越大，固定液的含量可以越高。

4.擔體的性質和粒度

要求擔體的表面積大，表面孔徑分布均勻。這樣，固定液涂在擔體表面上成為均勻的薄膜，液相傳質就快，柱效就可提高。擔體粒度均勻、細小，也有利于柱效提高。但粒度過小，柱壓降增大，對操作不利。

5.進樣時間和進樣量

進樣必須快，一般在一秒鐘之內。進樣時間過長，會增大峰寬，峰變形。進樣量一般液體0.1-5微升，氣體0.1-10毫升，進樣太多，會使幾個峰疊加，分離不好。

6.氣化溫度

在保證試樣不分解的情況下，適當提高氣化溫度對分離及定量有利。

第四節

固定相及其選擇

一、氣-固色譜固定相

在氣—固色譜法中作為固定相的吸附劑，常用的有非極性的活性炭，弱極性的氧化鋁，強極性的硅膠等。它們對各種氣體吸附能力的強弱不同，因而可根據分析對象選用。一些常用的吸附劑及其一般用途均可從有關手冊中查得。

二、氣—液色譜固定相

1.擔體

擔體(載體)應是一種化學惰性、多孔性的顆粒，它的作用是提供一個大的惰性表面，用以承擔固定液，使固定液以薄膜狀態分布在其表面上。對擔體有以下幾點要求：

（1）表面應是化學惰性的，即表面沒有吸附性或和吸附性很弱，更不能與被測物質起化學反應；

（2）多孔性，即表面積較大，使固定液與試樣的接觸面較大；

（3）熱穩定性好，有一定的機械 強度，不易破碎；

（4）對擔體粒度的要求，一般希望均勻、細小，這樣有利于提高柱效。

氣—液色譜中所用擔體可分為硅藻土型和非硅藻土型兩類。常用的是硅藻土型擔體，它又是可分為紅色擔體和白色擔體兩種。在分析這些試樣時，擔體需加以鈍化處理，以改進擔體孔隙結構，屏蔽活性中心，提高柱效率。處理方法可用酸洗、堿洗、硅烷化等。

2.固定液

A.對固定液的要求

（1）揮發性小，在操作溫度下有較低蒸氣壓，以免流失。

（2）穩定性好，在操作溫度下不發生分解。在操作溫度下呈液體狀態。

（3）對試樣各組分有適當的溶解能力，否則被載氣帶走而起不到分配作用。

（4）具有高的選擇性，即對沸點相同或相近的不同物質有盡可能高的分離能力。

（5）化學穩定性好，不與被測物質起化學反應。

B.固定液的分離特征。

固定液的分離特征是選擇固定液的基礎。固定液的選擇，一般根據―相似相溶‖原理進行，即固定液的性質和被測組分有某些相似性時，其溶解度就大。如果組分與固定液分子性質(極性)相似，固定液和被測組分兩種分子間的作用力就強，被測組分在固定液中的溶解度就大，分配系數就大，也就是說，被測組分在固定液中溶解度或分配系數的大小與被測組分和固定液兩種分子之間相互作用的大小有關。

分子間的作用力包括靜電力、誘導力、色散力、和氫鍵力等。

固定液的極性可以采用相對極性P來表示。規定強極性的固定液β , β'氧二丙腈 的相對極性 P=100，非極性的固定液角鯊烷的相對極性P=0，然后用一對物質正丁烷-丁二烯或環己烷-苯進行試驗，分別測定這一對試驗物質在β , β'氧二丙腈，角鯊烷及欲測極性固定液的色譜柱上的調整保留值，然后計算欲測固定液的相對極性Px

這樣測得的各種固定液的相對極性均在 0-100 之間，為了便于在選擇固定液時參考，又將其分為五級，每20為一級，P在0～+1間為非極性固定液，+1～+2為弱極性固定液，+3為中等極性固定液，+4～+5為強極性固定液，非極性亦可用―氯化銀電極作為內參比電極。

二、pH測定原理

當玻璃電極浸入被測溶液時，玻璃膜處于內部溶液 和待測溶液之間，這時跨越玻璃膜產生一電位差ΔEM（這種電位差稱為膜電位），它與氫離子活度之間的關系符合能斯特公式：

三、電池組成在一定條件下電動勢與溶液的pH之間呈直線關系，其斜率為2.303RT/F，25℃時為0.05916V，即溶液pH變化一個單位時，電動勢將改變59.16mV(25℃)。這就是以電位法測定pH的依據。

第四節

離子選擇性電極與膜電位

一、離子選擇性電極

離子選擇性電極是一種以電位法測量溶液中某些特定離子活度的指示電極。PH玻璃電極，就是具有氫離子專屬性的典型離子選擇性電極。

用離子選擇性電極測定有關離子，一般都是基于內部溶液與外部溶液之間產生的電位差，即所謂膜電位。

二、膜電位的形成

以玻璃電極為例，玻璃電極浸入水溶液中時，形成一層很薄（10-4~10-5mm）的溶脹的硅酸層（水化層）。若膜的內、外側水化層與溶液間的界面電位分別為E內及E試，則膜電位ΔEM應為：

第五節

離子選擇性電極的選擇性

理想的離子選擇性電極是只對特定的一種離子產生電位響應。事實上，電極不僅對一種離子有

響應，與欲測離子共存的某些離子也能影響電極的膜電位。

荷，則考慮了干擾離子的膜電位的通式為：

Ki,j為干擾離子j對欲測離子i的選擇性系數。可理解為在其它條件相同時提供相同電位的欲測離子的活度ai和干擾離子活度aj的比值：

－

設i為某離子選擇性電極的欲測離子，j為共存的干擾離子，nj及ni分別為i離子及j離子的電

例如Ki,j=102(ni=nj=1)，意味著aj一百倍于ai時，j離子所提供的電位才等于i離子所提供的電位。顯然,Ki,j愈小愈好。選擇性系數愈小，說明j離子對i離子的干擾愈小,亦即此電極對欲測離子的選擇性愈好。

選擇性系數可以估量某種干擾離子對測定造成的誤差，根據Ki,j的定義，在估量測定的誤差時可用下式計算：

第六節

離子選擇性電極的種類和性能

離子選擇性電極分類：

(1)原電極

⒈ 晶體(膜電極)a.均相膜電極 b.非均相膜電極 ⒉ 非晶體(膜)電極 a.剛性基質電極 b.活動載體電極

（2）敏化電極

⒈ 氣敏電極 ⒉ 酶(底物)電極

一、晶體(膜)電極

這類電極的薄膜一般是由難溶鹽經過加壓或拉制成單、多晶或混晶的活性膜。晶體膜又可分為均相膜和非均相膜兩類。均相膜電極的敏感膜由一種或幾種化合物的均勻混合物的晶體構成，而非均相膜則除了電活性物質外，還加入某種惰性材料，其中電活性物質對膜電極的功能起決定性作用。如氟電極，將氟化鑭單晶封在塑料管的一端，管內裝 0.1mol/LnaF-0.1mol/LNaCl溶液(內部溶液)，以Ag-AgCl電極作為內參比電極，即構成氟電極，氟化鑭單晶可移動離子是F-，所以電極電位反映試液中F活度：

硫化銀膜電極是另一常用的晶體膜電極，將AgS晶體粉末置于模具中，加壓力使之形成一堅實的薄片裝成電極。晶體中可移動離子是Ag+，所以膜電位對Ag+敏感。

二、非晶體(膜)-剛性基質電極

如表 4-1 列出陽離子玻璃電極的玻璃膜組成及性能。

三、活動載體電極(液膜電極)

此類電極是用浸有某種液體離子交換劑的惰性多孔膜作電極膜制成。

四、敏化電極

包括氣敏電極、酶電極等。

氣敏電極是基于界面化學反應的敏化電極。它是一種化學電池，由一對電極，即離子選擇性電極(指示電極)與參比電極組成。這一對電極組裝在一個套管內，管中盛電解質溶液，管的底部緊靠選擇性電極敏感膜，裝有透氣膜，使電解與外部試液隔開。試液中待測組分氣體擴散通過透氣膜，進入離子電極的敏感膜與透氣膜之間的極薄層內，使液層內某一能由離子電極測出組分的量。

酶電極也是一種基于界面反應敏化的離子電極。此處的界面反應是酶催化的反應。

五、離子敏場效應晶體管

ISFET 是在金屬氧化物-半導體場效應晶體(MOSFET)基礎上構成的，它既具有離子選擇電極對敏感離子響應的特性，又保留場效應晶體管的性能。

第七節

測定離子活度的方法

用離子選擇性電極測定離子活度時也是將它浸入待測溶液而與參比電極組成一電池，并測量其電動勢。對于各種離子選擇性電極，電池電動勢如下公式：

動勢可測定欲測離子的活度。?

標準曲線法

將離子選擇性電極與參比電極插入一系列活(濃)度已確知的標準溶液，測出相應的電動勢。然后以測得的E值對相應的lgai(lgci)值繪制標準曲線(校正曲線)。在同樣條件下測出對應于欲測溶液的E值，即可從標準曲線 上查出欲測溶液中的離子活(濃)度。要求測定的是濃度，而離子選擇性電極根據能斯特公式測量的則是活度。

在實際工作中，加入―離子強度調節劑‖來控制離子強度。? 標準加入法

設某一未知溶液待測離子濃度為cx，其體積為V0，測得電動勢為E1，E1與cx 應符合如下關系：

式中x1是游離的（即未絡合）離子的分數。

然后加入小體積VS(約為試樣體積的1/100)待測待測離子的標準溶液，然后再測量其電動勢E2，于是得：

工作電池的電動勢在一定實驗條件下與欲測離子的活度的對數值呈直線關系。因此通過測量電

第八節

影響測定的因素

? 溫度 ? 電動勢的測量 ? 干擾離子 ? 溶液的 pH ? 被測離子的濃度 ? 響應時間 ? 遲滯效應

第九節

電位滴定法

電位滴定法是一種用電位法確定終點的滴定方法。進行電位滴定時，在待測溶液中插入一個指示電極，并與一參比電極組成一個工作電池。隨著滴定劑的加入，由于發生化學反應，待測離子或與之有關的離子的濃度不斷變化，指示電極電位也發生相應的變化。而在化學計量點附近發生電位的突躍，因此，測量電池電動勢的變化，就能確定滴定終點。由此可見，電位滴定與電位測定法不同，它是以測量電位的變化情況為基礎的。

滴定終點的確定方法通常有下列三種方法。現討論幾種確定終點的方法。1.E—V 曲線法

用加入滴定劑的體積（V）作橫坐標，電動勢讀數（E）作縱坐標，繪制 E-V 曲線，曲線上的轉折點即為化學計量點。

2．繪(Δ E/ΔV)–V 曲線法

Δ E/ΔV 值對 V 作圖，可得一呈現尖峰狀極大的曲線，尖峰所對應的 V 值即為滴定終點。

3．二級微商法

二級微商 Δ2E/ΔV2 =0 時就是終點。計算方法如下：

對應于 24.30mL：

第十節

電位滴定法的應用和指示電極的選擇

1．酸堿滴定：pH 玻璃電極作指示電極，甘汞電極作參比電極 2．氧化還原滴定：鉑電極作指示電極，以甘汞電極作參比電極 3．沉淀滴定：根據不同沉淀反應采用不同指示電極。4．絡合滴定：指示電極用鉑電極、參比電極用甘汞電極。

第五章 極譜分析法

基本要點：

1.了解極譜分析法的基本原理； 2.掌握極譜定量依據-擴散電流方程式； 3.理解極譜干擾電流及其消除方法； 4.掌握半波電位及其極譜波方程式； 5．了解新極譜法的原理和應用。

第一節

極譜分析概述

一、極譜分析的基本裝置

極譜分析是一種在特殊條件下進行的電解過程。裝置如圖5-1所示。

以滴汞電極為陰極，飽和甘汞為陽極進行電解，當C點在分壓電阻（R）上自左向右逐漸和均勻移動時，工作電池E施加給兩極上的電壓逐漸增大。在此過程中C點的每一個位置都可以從電流表A和電壓表V上測得相應的電流i和電壓V值。從而可繪制成i-V曲線（圖5-2），此曲線呈階梯形式，稱為極譜波。最后可根據極譜波對被測物質進行分析。

二、極譜波

極譜波可分為如下幾部分：

① 殘余電流部分 ② 電流上升部分 ③ 極限電流部分

在排除了其他電流的影響以后，極限電流減去殘余電流后的值，稱為極限擴散電流，簡稱擴散電流（用id表示）。id與被測物（Cd2+）的濃度成正比，它是極譜定量分析的基礎。當電流等于極限電流的一半時相應的滴汞電極電位，稱為半波電位（用E1/2表示）。不同的物質具有不同的半波電位，這是極譜定性分析的根據。

三、極譜過程的特殊性

1．電極的特殊性

電極的特殊性表現在極譜分析是用一個通常是面積很小的滴汞電極，另一個通常是面積很大的飽和甘汞電極(而一般電解分析使用二個面積大的電極)。極化電極也可以是其他的固體微電極，但通常情況下，均使用滴汞電極，因為它有如下優點：

① 汞滴的不斷下滴，電極表面吸附雜質少，表面經常保持新鮮，測定的數據重現性好；

② 氫在汞上的超電位比較大；

③ 許多金屬可以和汞形成汞齊；

④ 汞易提純。缺點是：

① 汞易揮發且有毒；

② 汞能被氧化；

③ 汞滴電極上殘余電流大，限制了測定靈敏度。

2．電解條件的特殊性

電解條件的特殊性表現在極譜分析是溶液保持靜止并且使用了大量的電解質。溶液保持靜止，則對流切向運動可忽略不計；加入大量電解質，則可消除離子的電遷移運動。

第二節

極譜定量分析

一、尤考維奇方程式

此式為瞬時電流擴散公式。表示滴汞電極的擴散電流（id）t隨時間而增加，也就是隨著汞滴表面積的增長而作周期性的變化。當 t=0 時，（id）t =0；t= τ(滴汞周期，即汞滴從開始生長到滴下所需的時間)時，（id）t為最大用（id）t最大表示：

擴散電流隨時間而變化，但由于汞滴周期性地下落，擴散電流周期性地重復變化。通常在極譜分析中使用長周期的檢流計。它記錄的是平均電流，因此可以用每一滴汞滴在整個成長過程中所流過電量的庫侖數除以滴汞周期來表示：

式中：（id）平均----平均極限擴散電流（μA）；

n----電極反應中的電子轉移數;

D----電極上起反應物質在溶液中的擴散系數（cm2 /s）;

m----汞流速度（mg/s）;

τ----滴汞周期（s）;

c----被測物質的濃度（mmol/l）;

式（3）被稱為尤考維奇方程式，該式定量的闡明了極限擴散電流與濃度的關系。各項因素不變時，可合并為一個常數 K(K=605nD1/2m2/3τ1/6，稱為尤考維奇常數)則在一定濃度范圍內，擴散電流與被測物質濃度成正比：

二、影響擴散電流的因素

1．毛細管特性

m 與τ稱為毛細管特性，m2/3τ1/6這個數為毛細管常數。該常數除了與毛細管的內徑等因素有關外，還與汞柱壓力有關。所以，在一定實驗條件下，擴散電流也與汞柱高度的平方根成正比。

2．滴汞電極電位

滴汞電極電位的改變對滴汞周期τ的影響較為顯著。因為不同電位時汞同溶液間的表面張力不同

3．溫度

實驗證明，室溫時，溫度每升高一攝氏度，將使擴散電流約增加1.3%，所以，在極譜法中要求溫度固定。

4．溶液組分

擴散系數與溶液的黏度有關，黏度越大，物質的擴散系數越小，因此擴散電流也隨之減小。溶液組分不同其黏度也不同，對擴散電流的影響也隨之不同。

三、定量分析法

擴散電流的大小在極譜圖上通常用波高來表示：

h=Kc

(1）

? 波高的測定

?平行線法

? 三切線法

? 定量分析方法

（1）直接比較法：

將濃度為Cs的標準溶液及濃度為Cx的未知溶液在相同的實驗條件下，分別作出極譜圖，測得其波高。由式：

hs =KCs

hx =KCx

兩式相除得： cx =hxcs/h s

由上式可求物質濃度。

(2)工作曲線法

配制一系列含有不同濃度的被測離子的標準溶液，在相同實驗條件下作極譜圖，測得波高。以波高為縱坐標，濃度為橫坐標作圖，可得一直線。然后在上述條件下測定未知溶液的波高，從標準曲線上查得溶液的濃度。

(3)標準加入法

取一定體積為Vx(單位為mL)的未知溶液，設其濃度為Cx，作出極譜圖。然后加入濃度Cs的標準溶液Vs（單位為mL），再在相同條件下作出極譜圖。分別測量加入前、后的波高為 h、H。

第三節 干擾電流及其消除方法

一、殘余電流

在進行極譜分析時，外加電壓雖未達到被測物質的分解電壓，但仍有微小的電流通過電解池，這種電流稱為殘余電流。殘余電流（i r）有以下兩部分組成：

（1）電解電流(if)：電解電流是由于溶液中微量的易被還原的雜質在滴汞電極上還原時所產生的。

（2）電容電流（ic）

電容電流來源于滴汞電極同溶液界面上雙電層的充電過程。

在測定擴散電流時，對殘余電流一般采用作圖的方法加以扣除。

二、遷移電流

遷移電流是指主體溶液中的離子，受靜電引力的作用達到電極表面，在電極上還原而產生的電流。消除遷移電流的方法是在溶液中加入大量支持電解質。

三、極譜極大

極譜極大也稱為畸峰，是極譜波中的一種異常或特殊現象。它是指在電解開始后，電流隨電位的增加而迅速增大的一個極大值，然后再下降到正常的擴散電流值，這種使極譜波上形成的一個突起的異常峰即稱極譜極大。

極大可用表面活性劑來抑制，抑制極大的表面活性劑稱為極大抑制劑，常用的極大抑制劑有明膠，聚乙烯醇及某些有機染料等。

四、氧波

溶解在溶液中的氧，能在滴汞電極上發生電極反應而產生極譜波，稱為氧波。

第一個氧波的半波電位約為-0.2V(vs SCE), 第二個氧波的半波電位約為-0.8V(vs SCE)(圖10-8曲線2)。兩個還原波占據了從0～-1.2V的整個電位區間，這正是大多數金屬離子還原的電位范圍。氧將重疊在被測物質的極譜波上而干擾測定。

除氧的方法有以下幾種：

① 在溶液中通入惰性氣體如：N2、H2或CO2。從而消除氧波。N2或H2可用于任何溶液，而CO2只能用于酸性溶液。

② 在中性或堿性溶液中，可加入亞硫酸鈉除氧：

③ 在強酸性溶液中，加入Na2CO3而生成大量CO2氣體以驅氧。④ 在弱酸性溶液中，利用抗壞血酸除氧效果也很好。

五、氫波，疊波和前波

1．氫波

溶液中的氫離子在滴汞電極上還原而產生的極譜波，稱為氫波。如果被測物質的極譜波與氫波近似，則氫波對測定會有干擾。

2．疊波

兩種物質的半波電位如果相差不大（小于 0.2V），那末這兩種物質的極譜波就會重疊起來，這種情況稱為疊波。

3．前波

當溶液中存在著一種較待測物質的半波電位為正且濃度很大（其量大于被測物質的10倍）的物質時，由于該種物質的擴散電流很大，故掩蓋了待測物質的波，這種干擾成為前波。

六、底液及其選擇

1．底液的組成

(1)支持電解質（以消除遷移電流）；(2)極大抑制劑（以消除極大）；(3)除氧劑（以消除氧波）；(4)其它有關試劑，如用以控制溶液酸度，改善波形的緩沖劑，絡合劑等等。

2．底液的選擇

選擇底液的原則：

（1）使極譜波的波形較好，也就是使極譜波的波形較陡，波的上下都有良好的平臺，最好是可逆的極譜波。

（2）干擾少。

（3）成本低，操作簡便。

（4）最好能同時測定幾種元素。

第四節 極譜波的半波電位及其它影響因素

一.、可逆波與不可逆波

1．可逆波

電極反應的速度較快，比電活性物質從溶液向電極表面擴散的速度來得快。極譜波上任何一點的電流都受擴散速度所控制，電極反應的進行不表現出明顯的超電位，在任一電位下，電極表面迅速達到平衡，能斯特公式完全適用。可逆極譜波的波形一般很好。

2．不可逆波

電極反應的速度相對于電活性物質從溶液向電極表面擴散的速度來說要慢得多。溶液中電活性物質與電極間電子交換過程比較慢。要是電活性物質在電極反應，產生電流，就需要一定的活化能，也就是要增加額外的電壓，表現出明顯的超電位。因此，不能簡單的應用能斯特方程式。不可逆極譜波的波形較差，延伸較長。

在極譜分析中，由于不可逆波的波形延伸很長，不便于測量，且易受其它極譜波的干擾，對分析不利。實際工作中常利用合適的絡合劑，使不可逆波變為可逆波或近似于可逆波。

二、極譜波方程式

極譜波的電流與滴汞電極電位之間的數學表達式稱為極譜波方程式。不同的反應類型具有不同的極譜波方程式。簡單金屬離子的極譜波方程式如下：

Ede = E1/2 +(RT/nF)ln(id-i)/i

(7)

式（7）為滴汞電極電位Ede與電流i之間的關系式，稱為還原波方程式。

三、半波電位的測定和極譜波的對數分析

半波電位可根據極譜波方程式用作圖法求得，以lg[i/(id-i)]為縱坐標，Ede為橫坐標作圖可得一直線。在此直線上，當lg[i/(id-i)]=0時一點的電位即為半波電位。

從半波電位方程式可以看出，這種對數作圖法所得直線的斜率為n/0.059。根據對數圖（對數分析曲線），不但可以準確測量半波電位，而且可求得電極反應中的電子轉移數n。另外，還可用來判別極譜波的可逆性。

四、半波電位的特性及其影響因素

1．半波電位的特性

① 當溫度和支持電解質濃度一定時，則半波電位數值一定，而與在電極上進行反應的離子濃度無關。圖5-6可以看出半波電位值與其濃度無關。

② 半波電位的數值與所用儀器（如毛細管，檢流計）的性能無關。③ 半波電位與共存的其它反應離子無關。2.半波電位的影響因素（1）支持電解質的種類

（2）溶液的酸度（3）溫度（4）絡合物的形成

（5）半波電位與標準電極電位的關系 ① E1/2與E0基本相等 ② E1/2較E0為正 ③ E1/2較E0為負

第五節 極譜分析法的應用

極譜分析是一種快速的微量分析方法。它的應用范圍很廣，即可用于無機物質的分析也可用于有機物質的分析，只要被測物質可以在滴汞電極上發生氧化還原反應，就能用極譜分析法進行直接或間接測定。

純金屬礦石以及合金材料中雜質元素的測定用極譜法也很方便。許多有機化合物，其中包括醛類、酮類、醌類、不飽和酸類、硝基和亞硝基化合物、偶氮與重氮化合物、鹵化物及維生素等均可用該法測定。

此外，極譜法測定許多絡合物的組成和穩定常數，而且是研究化學反應的機理及動力學的一個很有用的方法。

第六章

電解分析法和庫侖分析法

基本要點：

1.熟悉法拉第電解定律； 2.掌握控制電位電解的基本原理； 3.理解控制電位庫侖分析方法；

4.掌握恒電流庫侖滴定的方法原理及應用。

電解分析法包括兩方面的內容：

1．利用外加電源電解試液后，直接稱量在電極上析出的被測物質的重（質）量來進行分析，稱為電重量分析法。

2．將電解的方法用于元素的分離，稱為電解分離法。

庫倫分析法是利用外加電源電解試液，測量電解完全時所消耗的電量，并根據所消耗的電量來測量被測物質的含量。

第一節

電解分析的基本原理

一、電解現象

電解是一個借外部電源的作用來實現化學反應向著非自發方向進行的過程。電解池的陰極為負極，它與外界電源的負極相連；陽極為正極，它與外界電源的正極相連。

例如：在CuSO4溶液侵入兩個鉑電極，通過導線分別與電池的正極和負極相聯。如果兩極之間有足夠的電壓，那末在兩電極上就有電極反應發生。

陽極上有氧氣放出，陰極上有金屬銅析出。通過稱量電極上析出金屬銅的重量來進行分析，這就是電重量法。

二、分解電壓與超電壓

分解電壓可以定義為:被電解的物質在兩電極上產生迅速的和連續不斷的電極反應時所需的最小的外加電壓。從理論上講，對于可逆過程來說，分解電壓在數值上等于它本身所構成的原電池的電動勢，這個電動勢稱為反電動勢。反電動勢與分解電壓數值相等，符號相反。反電動勢阻止電解作用的進行，只有當外加電壓達到能克服此反電動勢時，電解才能進行。實際分解電壓并不等于（而是大于）反電動勢，這首先是由于存在超電壓之故。

超電位（以符號η來表示）是指使電解已十分顯著的速度進行時，外加電壓超過可逆電池電動勢的值。超電壓包括陽極超電位和陰極超電位。對于電極來說，實際電位與它的可逆

電位之間的偏差稱為超電位。在電解分析中，超電位是電化學極化和濃差極化引起的，前者與電極過程的不可逆性有關。后者與離子到達電極表面的速度有關。超電位是電極極化的度量。超電位的大小與很多因素有關，主要有以下幾方面：

1．電極的種類及其表面狀態； 2．析出物的形態； 3．電流密度； 4．溫度； 5．機械攪拌。

三、電解方程式

在電解過程中，外加電壓(V),反電動勢(E反)，電解電流(i)及電解池內阻(R)之間的關系可表示如下：

壓，以硫酸銅溶液為例，該電解池所需的外加電壓為：

V = E反 + η+ iR = 0.91+0.72+0.05 =1.68V

四、兩種電解過程

能斯特方程式有兩方面的含義：

1．對于一定的氧化還原體系（即E一定），電極表面氧化態與還原態活度的比率決定電極電位。

2．對于一定的氧化還原體系（即E一定），電極電位決定電極表面氧化態與還原態活度的比率。

究竟哪一個起主導作用，這要看具體的電解過程。電解過程有兩種：控制電流電解過程和控制電位電解過程。在控制電流電解過程中，外加電壓一般較大，保證電極上總有化學反應不斷發生，電流強度基本保持不變。在控制電位電解過程中，調節外加電壓，工作電極的電位控制在某一定數值或某一小范圍內，使被測離子在電極上析出，其它離子留在溶液中。

第二節

電解分析法

一、.控制電流電解分析法

1．儀器裝置

2．控制電流電解過程中的電位—時間曲線

電解過程中陰極電位與時間的關系曲線。

電解一開始，陰極電位立即從較正的電位向負的方向變化，到電位達到Fe3+的還原電位時，陰

電解方程式是電化學分析法的基本定律之一。通過（1）可以計算出溶液電解所需的合理外加電

極電位符合能斯特方程式：

3．應用

表6-2 用控制電流電解分析法測定的常見元素

控制電流電解法一般只適用于溶液中只含一種金屬離子的情況。如果溶液中存在兩種或兩種以上的金屬離子，且其還原電位相差不大，就不能用該法分離測定，所以選擇性不高是該法的最大缺點。但這種方法可以分離電動序中氫以前和氫以后的金屬。

二、控制陰極電位電解分析法

在控制陰極電位電解分析法中，調節外加電壓是工作電極的電位控制在一定范圍內或某一電位值，使被測離子在工作電極上析出，而其它離子還留在溶液中，從而達到分離和測定元素的目的。

1．裝置（圖6-4）

2．陰極電位的選擇

需要控制的電位值，通常是通過比較在分析實驗條件下共存離子的i-E曲線而確定的。從圖中可以看出，要使甲離子還原，陰極電位須負于a，但要防止乙離子析出，陰極電位又須正與b，因此，陰極電位控制在a與b之間就可使甲離子定量析出而乙離子仍留在溶液中。

3．控制電位電解過程中電流與時間的關系

在控制電位電解過程中，由于被測金屬離子在陰極上不斷還原析出，所以電流隨時間的增長而減小，最后達到恒定的最小值。

由曲線圖可知，電解電流隨時間的增長以負指數關系衰減。陰極電位雖然不變，但外加電壓卻隨時間下降。因此，在控制陰極電位電解過程中，需要不斷的降低外加電壓，同時電解電流也隨時間而逐漸減小。當電流趨于零時，說明電解已經完全。

4．應用

控制陰極電位電解法的最大特點是它的選擇性好，所以它的用途較控制電流電解法廣泛。只要陰極電位選擇得當，可以使共存金屬離子依次先后在陰極上分別析出，實現分離或分別定量測定。

第三節

電重量分析的實驗條件

一、影響金屬析出性質的因素

1．.電流密度的影響 2．攪拌和加熱的影響 3．酸度的影響 4．絡合劑的影響

二、陰極干擾反應及其消除方法

溶解氧或氯的影響

陽極上的再氧化

Pt 陽極的溶解

第四節 庫侖分析法基礎

一、法拉第定律

法拉第定律包括兩方面內容：

1．電流通過電解質溶液時，物質在電極上析出的質量與通過電解池的電量成正比，即與電流密度和通過電流的時間的乘積成正比。這是法拉第第一定律。

m ∝ Q

m ∝ i.t;Q = i.t

2．相同的電量通過各種不同的電解質溶液時，在電極上所獲得的各種產物的質量與它們的摩爾質量成正比。這是法拉第第二定律。

合并法拉第第一，第二定律可以得到

m = MB.i.t /F

式中，MB為電解產物的摩爾質量。MB /F 相當于通過1庫倫電量使物質在電極上析出的質量。

二、電流效率

由法拉第電解定律可知，當物質以100%的電流效率進行電解反應時，那麼就可以通過測量進行電解反應所消耗的電量(庫倫數)，求得電極上起反應的物質的量。所謂100%的電流效率，指電解時電極上只發生主反應，不發生副反應。

影響電流效率的主要因素有：

溶劑的電極反應。

電解質中的雜質在電極上的反應

溶液中可溶性氣體的電極反應

電極自身的反應

電解產物的再反應

第五節

控制電位庫侖分析法

原理和裝置

控制電位庫侖分析用控制電極電位的方法進行電解，并用庫侖計或作圖法來測定電解時所消耗的電量，由此計算出電極上起反應的被測物質的量。

測量電量的方法：

庫侖計——氫氧氣體庫侖計的構造，它由一支帶有活塞和兩個鉑電極的玻管同一支刻度管相連接，管中充以0.5mol/LK2SO4溶液。當有電流流過時，鉑陰極上析出氫氣，鉑陽極上析出氧氣，從右邊管中電解前后液面差就可讀出氫氧氣體的總體積。在標準狀況下，每庫侖電量析出0.1739mL氫氧混合氣體。根據法拉第定律，即可得到被測物質的量。

第六節 控制電流庫侖分析法

一、基本原理和裝置

1．.控制電流庫侖分析基本原理

廣義上說，控制電流庫侖分析是指以恒定電流進行電解，測量電解完全時所消耗的時間，再由法拉第定律計算分析結果的分析方法。它可按下述兩種類型進行：

(1)被測定物質直接在電極上起反應；

(2)在試液中加入大量物質，使此物質經電解反應后產生一種試劑，然后此試劑與被測物起反應。一般都按第二種類型進行。

這種方法是在試液中加入適當的輔助劑后，以一定強度的恒定電流進行電解，由電極反應產生一種―滴定劑‖。該滴定劑與被測物質發生定量反應。當被測物質作用完后，用適當的方法指示終點并立即停止電解。由電解進行的時間t(s)及電流強度I(A)，可按法拉第定律計算被測物的量

2．儀器裝置（圖6-6）

二、指示終點的方法

1．.化學指示劑法

普通容量分析中所用的化學指示劑，均可用于庫侖滴定法中。例如，肼的測定，電解液中有肼和大量KBr，加入MO為指示劑，電極反應為：

電極上產生的Br2與溶液中的肼起反應： NH2-NH2 + 2Br2 = N2 + 4HBr 過量的Br2使指示劑退色，指示終點，停止電解。2．電位法

利用庫侖滴定法測定溶液中酸的濃度時，用玻璃電極和甘汞電極為檢測終點電極，用pH計指示終點。此時用Pt電極為工作電極，銀陽極為輔助電極。電極上的反應為：

由工作電極發生的反應使溶液中OH-產生了富余，作為滴定劑，使溶液中的酸度發生變化，用pH計上pH的突躍指示終點。3．死停終點法

通常是在指示終點用的兩只鉑電極上加一小的恒電壓，當達到終點時，由于試液中存在一對可逆電對（或原來一對可逆電對消失），此時鉑指示電極的電流迅速發生變化，則表示終點到達。

三、庫侖滴定的應用及特點

凡是與電解所產生的試劑能迅速而定量地反應的任何物質，均可用庫侖滴定法測定。

庫侖滴定具有下列特點：

（1）不需要基準物質。

（2）不需要標準溶液。

（3）靈敏度高，適于微量和痕量分析。

（4）易于實現自動化和數字化，便于遙控分析。

第七章 原子發射光譜分析

基本要點：

1.了解原子發射光譜分析的基本原理；

2.掌握各種激發光源的特點及光源的選擇；

3.理解光譜儀的基本組成和作用；

4.掌握光譜定性分析方法及操作過程；

5．掌握光譜內標法定量分析的基本原理和方法。

第一節 光學分析法概要

1．定義：光學分析法主要根據物質發射、吸收電磁輻射以及物質與電磁輻射的相互作用來進行分析的。

2．電磁波譜：

射線 5～140pm

X射線 10－3～10nm

光學區 10～1000μm

其中：遠紫外區 10～200nm

近紫外區 200～380nm

可見區 380～780nm

近紅外區 0.78～2.5μm

中紅外區 2.5～50μm

遠紅外區 50～1000μm

微波 0.1mm～1m

無線電波 >1m

3．光學分析法分類

（1）光譜分析方法：

基于測量輻射的波長及強度。這些光譜是由于物質的原子或分子的特定能級的躍遷所產生的，根據其特征光譜的波長可進行定性分析；而光譜的強度與物質的含量有關，可進行定量分析。根據輻射能量傳遞的方式，光譜方法又可分為發射光譜、吸收光譜、熒光光譜、拉曼光譜等等。

（2）非光譜分析法：

不涉及光譜的測定，即不涉及能級的躍遷，而主要是利用電磁輻射與物質的相互作用。引起電磁輻射在方向上的改變或物理性質的變化，而利用這些改變可以進行分析。

第二節

原子發射光譜分析的基本原理

一、原子光譜的產生

原子發射光譜分析是根據原子所發射的光譜來測定物質的化學組分的。不同物質由不同元素的原子所組成，而原子都包含著一個結構緊密的原子核，核外圍繞著不斷運動的電子。每個電子處于一定的能級上，具有一定的能量。在正常的情況下，原子處于穩定狀態，它的能量是最低的，這種狀態稱為基態。但當原子受到能量(如熱能、電能等)的作用時，原子由于與高速運動的的氣態粒子和電子相互碰撞而獲得了能量，使原子中外層的電子從基態躍遷到更高的能級上，處在這種狀態的原子稱激發態。電子從基態躍遷至激發態所需的能量稱為激發電位，當外加的能量足夠大時，原子中的電子脫離原子核的束縛力，使原子成為離子，這種過程稱為電離。離子中的外層電子也能被激發，其所需的能量即為相應離子的激發電位。處于激發態的原子是十分不穩定的，在極短的時間內便躍遷至基態或其它較低的能級上。當原子從較高能級躍遷到基態或其它較低的能級的過程中，將釋放出多余的能量，這種能量是以一定波長的電磁波的形式輻射出去的。

E2,E1分別為高能級、低能級的能量，h為普朗克(Planck)常數；v 及λ分別為所發射電磁波的頻率及波長，c為光在真空中的速度。

每一條所發射的譜線的波長，取決于躍遷前后兩個能級之差。由于原子的能級很多，原子在被激發后，其外層電子可有不同的躍遷，但這些躍遷應遵循一定的規則(即―光譜選律‖)，因此對特定元素的原子可產生一系列不同波長的特征光譜線，這些譜線按一定的順序排列，并保持一定的強度比例。

光譜分析就是從識別這些元素的特征光譜來鑒別元素的存在(定性分析)，而這些光譜線的強度又與試樣中該元素的含量有關，因此又可利用這些譜線的強度來測定元素的含量(定量分析)。

二、發射光譜分析的過程

1．試樣在能量的作用下轉變成氣態原子，并使氣態原子的外層電子激發至高能態。當從較高的能級躍遷到較低的能級時，原子將釋放出多余的能量而發射出特征譜線。

2．所產生的輻射經過攝譜儀器進行色散分光，按波長順序記錄在感光板上，就可呈現出有規則的譜線條，即光譜圖。

3．根據所得光譜圖進行定性鑒定或定量分析。

第三節

光譜分析儀器

進行光譜分析的儀器設備主要由光源、分光系統(光譜儀)及觀測系統三部分組成。

一、光源

（一）光源的作用

首先，把試樣中的組分蒸發離解為氣態原子，然后使這些氣態原子激發，使之產生特征光譜。因此光源的主要作用是對試樣的蒸發和激發提供所需的能量。

（二）常用光源類型

1．直流電弧

利用直流電作為激發能源。常用電壓為150～380V，電流為5—30A。可變電阻(稱作鎮流電阻)用以穩定和調節電流的大小，電感(有鐵心)用來減小電流的波動。G為放電間隙。這種光源的弧焰溫度與電極和試樣的性質有關，一般可達4000—7000K，可使70種以上的元素激發，所產生的譜線主要是原子譜線。其主要優點是分析的絕對靈敏度高，背景小，適宜于進行定性分析及低含量雜質的測定，但因弧光游移不定，再現性差，電極頭溫度比較高，所以這種光源不宜用于定量分析及低熔點元素的分析。

2．交流電弧

高壓電弧工作電壓達2000～4000V，可以利用高電壓把弧隙擊穿而燃燒，低壓交流電弧工作電壓一般為110～220V，必須采用高頻引燃裝置引燃，交流電弧發生器的典型電路如圖7-2所示。

由于交流電弧的電弧電流有脈沖性，它的電流密度比在直流電弧中要大，弧溫較高(略高于4000～7000K)，所以在獲得的光譜中，出現的離子線要比在直流電弧中稍多些。這種光源的最大優點是穩定性比直流電弧高，操作簡便安全，因而廣泛應用于光譜定性、定量分析，但靈敏度較差些。

3.高壓火花

這種光源的特點是放電的 穩定性好，電弧放電的瞬間溫度可高達10000K以上，適用于定量分析及難激發元素的測定。由于激發能量大，所產生的譜線主要是離子線，又稱為火花線。但電極頭溫度較低，因而試樣的蒸發能力較差，較適合于分析低熔點的試樣。缺點是靈敏度較差，背景大，不宜作痕量元素分析。

4．電感耦合高頻等離子體焰炬

這是當前發射光譜分析中發展迅速、極受重視的一種新型光源。ICP—AES具有靈敏度高，檢測限低,精密度好(相對標準偏差一般為0.5%～2%)，工作曲線線性范圍寬，因此同一份試液可用于從宏量至痕量元素的分析，試樣中基體和共存元素的干擾小，甚至可以用一條工作曲線測定不同基體的試樣同一元素。這就為光電直讀式光譜儀了提供了一個理想的光源。

二、光譜儀(攝譜儀)

（一）作用將光源發射的電磁波分解為按一定次序排列的光譜。

（二）類型

1．棱鏡攝譜儀

(1)組成：棱鏡攝譜儀主要由照明系統、準光系統、色散系統(棱鏡)及投影系統(暗箱)四部分組成。

(2)棱鏡攝譜儀的光學特性：

色散率——是把不同波長的光分散開的能力，通常以倒數線色散率來表示：dλ/dl，即譜片上每一毫米的距離內相應波長數(單位為nm)。

分辨率——是指攝譜儀的光學系統能夠正確分辨出緊鄰兩條譜線的能力。用兩條可以分辨開的光譜 波長的平均值λ與其波長差Δλ之比值來表示，即R=λ/Δλ。

棱鏡攝譜儀的理論分辨率R 0 可用下式表示：

R 0 =mt·dn/dλ

（2）

集光本領——是指攝譜儀的光學系統傳遞輻射的能力，2．光柵攝譜儀

光柵攝譜儀應用光柵作為色散元件，利用光的衍射現象進行分光。光柵攝譜儀比棱鏡攝譜儀有

更高的分辨率，且色散率基本上與波長無關，它更適用于一些含復雜譜線的元素如稀土元素、鈾、釷等試樣的分析。

三、觀測設備

1．光譜投影儀（映譜儀）

在進行光譜定性分析及觀察譜片時需用此設備。一般放大倍數為20倍左右。

2．測微光度計（黑度計）

用來測量感光板上所記錄的譜線黑度，主要用于光譜定量分析。

黑度S則定義為：

第四節

光譜定性分析

一、基本概念

通過檢查譜片上有無特征譜線的出現來確定該元素是否存在，稱為光譜定性分析。在分析一種元素時，一般只要檢測到該元素的少數幾條靈敏線或―最后線‖，就可確定該元素存在。所謂‖靈敏線―是指各種元素譜線中最容易激發或激發電位較低的譜線。靈敏線又可稱為―最后線‖。由激發態直接躍遷至基態時所輻射的譜線稱為共振線。由較低能級的激發態（第一激發態）直接躍基態時所輻射的譜線稱為第一共振線，一般也是元素的最靈敏線。在實際定性分析中。是根據靈敏線或最后線來檢測元素的，因此這些譜線又可稱為分析線。

二、光譜定性分析的方法

1．比較法

即將試樣與已知的鑒定元素的化合物在相同的條件下并列攝譜，然后將所得光譜圖進行比較，經確定某些元素是否存在。

2．鐵光譜比較法：

用鐵的光譜來進行比較。將試樣和純鐵并列攝譜。因為鐵的光譜譜線較多，在我們常用 的鐵光譜的210.0—660.0nm波長范圍內，大約有4600條譜線，其中每條譜線的波長，都已作了精確的測定，載于譜線表內。所以用鐵的光譜線作為波長的標尺是很適宜的。一般就將各個元素的分析線按波長位置標插在鐵光譜圖的相應位置上，預先制備了―元素標準光譜圖‖。

在進行定性分析時，只要在映譜儀上觀察所得譜片，使元素標準光譜圖上的鐵光譜譜線與譜片上攝取的鐵譜線相重合，如果試樣中未知元素的譜線與標準光譜圖中已標明的某元素譜線出現的位置相重合，則該元素就有存在的可能。

三、光譜定性分析的操作過程

1．試樣處理

2．攝譜

3．檢查譜線

第五節

光譜定量分析

一、光譜定量基本公式

根據被測試樣光譜中欲測元素的譜線強度來確定元素濃度。

I=acb

(4)

這是光譜定量分析依據的基本公式。對式（4）取對數得：

lgI=b·lgc＋lga(5)

以lgI對lgc作圖，所得曲線在一定濃度范圍內為一直線

實際光譜分析中，常采用內標法。內標法的原理如下： 在被測元素的譜線中選一條線作為分析線，在基體元素（或定量加入的其它元素）的譜線中選一條與分析線相近的譜線作為內標線（或稱比較線），這兩條譜線組成所謂分析線對。分析線與內標線的絕對強度的比值稱為相對強度。內標法就是借測量分析線對的相對強度來進行定量分析的。內標法的基本公式：

以lgR對lgc所作的曲線即為相應的工作曲線，其形狀與圖7相同。只要測出譜線的相對強度R，便可從相應的工作曲線上求得試樣中欲測元素的含量。對內標元素和分析線對的選擇應考慮以下幾點：

(1)原來試樣內應不含或僅含有極少量所加內標元素。亦可選用此基體元素作為內標元素。

(2)要選擇激發電位相同或接近的分析線對。

(3)兩條譜線的波長應盡可能接近。

(4)所選線對的強度不應相差過大。

(5)所選用的譜線應不受其它元素譜線的干擾，也應不是自吸收嚴重的譜線。

(6)內標元素與分析元素的揮發率應相近。

二、乳劑特性曲線，內標法基本關系式

乳劑特性曲線通常以黑度值S為縱坐標，曝光量的對數lgH為橫坐標作圖（圖7-8）。

此曲線AB部分為曝光不足部分，CD部分為曝光過度部分，BC部分為曝光正常部分。其

斜率為r,則：

r = tgα(7)

γ稱為感光板的反襯度，表示當曝光量改變時，黑度變化的快慢。截距為lgHi，Hi稱為乳劑的惰延量。感光析的靈敏度取決于Hi的大小，Hi愈大，愈不靈敏。橫軸上的投影（bc線段）稱為乳劑的展度，表示特性曲線直線部分的曝光量對數的范圍。對于正常曝光部分，S與lgH之間的關系最簡單，可用直線方程表示：

S = tgα(lgH－lgH i)= γ(lgH－lgH i)(8)

γlgH i 為一定值并以i表示，則：

S =γlgH－i(9)

H ≈ t S = γlgI t －I(10)

在光譜定量分析中，分析線及內標線的黑度為：

S1 =γ1lgI1t1 －i1(11)

S2 =γ2lgI2t2 －i2(12)

因為在同一感光板上，曝光時間相等，即t1 =t2，γ1=γ2 =γ，i1 =i2 =i，則分析線對的黑度差ΔS為：

ΔS = S1 －S2 =γ = rlg R(13)

將式(6)代入上式：

ΔS=γlgR=γb 1 lg c ＋γlg A(14)

在一定條件下，分析線對的黑度差與試樣中該組分的含量c的對數成線性關系。

三、光譜定量分析方法－三標準試樣法

實際工作中并不需要求出r，b 1，lgA的值。而是將三個以上的標準試樣和被分析試樣于同一實驗條件下攝取光譜于同一感光板上。由各個標準試樣分析線對的黑度差與校準試樣中欲測成分的c含量的對數繪制工作曲線。

然后由被測試樣光譜中測得分析線對的黑度差，從工作曲線中即可查得試樣中該成分的含量。

第六節

光譜半定量分析

1．譜線呈現法

2．譜線強度比較法

3．均稱線對法

第七節

原子發射光譜分析法的應用

原子發射光譜分析在鑒定金屬元素方面（定性分析）具有較大的優越性，不需分離、多元素同時測定、靈敏、快捷，可鑒定周期表中約70多種元素，長期在鋼鐵工業（爐前快速分析）、地礦等方面發揮重要作用；

在定量分析方面，原子吸收分析有著優越性；

80年代以來，全譜光電直讀等離子體發射光譜儀發展迅速，已成為無機化合物分析的重要儀器。

第八章

原子吸收光譜分析

第一節

原子吸收光譜分析基本原理

一、概述 原子吸收現象：原子蒸氣對其原子共振輻射吸收的現象；1802年被人們發現；1955年以前，一直未用于分析化學，為什么？

澳大利亞物理學家 Walsh A（瓦爾西）發表了著名論文：《原子吸收光譜法在分析化學中的應用》

奠定了原子吸收光譜法的基礎，之后迅速發展。特點：

(1)檢出限低，10-10～10-14 g；(2)準確度高，1%～5%；

(3)選擇性高，一般情況下共存元素不干擾；(4)應用廣，可測定70多個元素（各種樣品中）； 局限性：

難熔元素、非金屬元素測定困難、不能同時多元素

二、原子吸收光譜的產生

1.原子的能級與躍遷

基態?第一激發態，吸收一定頻率的輻射能量。

產生共振吸收線（簡稱共振線）

吸收光譜

激發態?基態

發射出一定頻率的輻射。

產生共振吸收線（也簡稱共振線）

發射光譜

2.元素的特征譜線

（1）各種元素的原子結構和外層電子排布不同

基態?第一激發態：

躍遷吸收能量不同——具有特征性。

（2）各種元素的基態?第一激發態

最易發生，吸收最強，最靈敏線。特征譜線。

（3）利用原子蒸氣對特征譜線的吸收可以進行定量分析

三、譜線的輪廓與譜線變寬

原子結構較分子結構簡單，理論上應產生線狀光譜吸收線。

實際上用特征吸收頻率輻射光照射時，獲得一峰形吸收(具有一定寬度)。

由：It=I0e-Kvb，透射光強度 It和吸收系數及輻射頻率有關。

以Kv與? 作圖： 吸收峰變寬原因：

（1）自然寬度

照射光具有一定的寬度。

（2）溫度變寬（多普勒變寬）ΔVD

多普勒效應：一個運動著的原子發出的光，如果運動方向離開觀察者（接受器），則在觀察者看來，其頻率較靜止原子所發的頻率低，反之，高。

?VD?7.162?10?7?V0T M（3）壓力變寬（勞倫茲變寬，赫魯茲馬克變寬）ΔVL 由于原子相互碰撞使能量發生稍微變化。

勞倫茲變寬：

待測原子和其他原子碰撞。隨原子區壓力增加而增大。

赫魯茲馬克變寬（共振變寬）：

同種原子碰撞。濃度高時起作用，在原子吸收中可忽略（4）自吸變寬

光源空心陰極燈發射的共振線被燈內同種基態原子所吸收產生自吸現象。燈電流越大，自吸現象越嚴重。

（4）場致變寬 外界電場、帶電粒子、離子形成的電場及磁場的作用使譜線變寬的現象；影響較小；

在一般分析條件下ΔVD為主。

四、積分吸收和峰值吸收

1.積分吸收

鎢絲燈光源和氘燈，經分光后，光譜通帶0.2mm。而原子吸收線半寬度：10-3mm。如圖： 若用一般光源照射時，吸收光的強度變化僅為0.5%。靈敏度極差。

理論上：

收輻射的基態原子數N0。

這是一種絕對測量方法，現在的分光裝置無法實現。

(△λ=10-3，若λ取600nm，單色器分辨率R=λ/△λ=6×105)長期以來無法解決的難題！

能否提供共振輻射（銳線光源），測定峰值吸收？

2.銳線光源

在原子吸收分析中需要使用銳線光源，測量譜線的峰值吸收，銳線光源需要滿足的條件：

（1）光源的發射線與吸收線的ν0一致。

（2）發射線的Δν1/2小于吸收線的 Δν1/2。

提供銳線光源的方法：

空心陰極燈

如果將公式左邊求出，即譜線下所圍面積測量出（積分吸收）。即可得到單位體積原子蒸氣中吸

πe2Kvdv?N0f ?mc????3.峰值吸收

采用銳線光源進行測量，則Δνe<Δνa，由圖可見，在輻射線寬度范圍內，Kν可近似認為不變，并近似等于峰值時的吸收系數K0

上式的前提條件：（1）Δνe<Δνa ；

（2）輻射線與吸收線的中心頻率一致。

五、基態原子數與原子化溫度

原子吸收光譜是利用待測元素的原子蒸氣中基態原子與共振線吸收之間的關系來測定的。

需要考慮原子化過程中，原子蒸氣中基態原子與待測元素原子總數之間的定量關系。

熱力學平衡時，兩者符合Boltzmann分布定律：

NjN0?PjP0e?E0?EjkT?PjP0e??EkT?PjP0e?h?kT

上式中Pj和PO分別為激發態和基態的統計權重，激發態原子數Nj與基態原子數No之比較小，<1%。可以用基態原子數代表待測元素的原子總數。公式右邊除溫度T外，都是常數。T一定，比值一定。

六、定量基礎

It?I0e?K??b

第二節

原子吸收光譜儀及主要部件

一、流程

2.原子吸收中的原子發射現象

在原子化過程中，原子受到輻射躍遷到激發態后，處于不穩定狀態，將再躍遷至基態，故既存在原子吸收，也有原子發射。但返回釋放出的能量可能有多種形式，產生的輻射也不在一個方向上，但對測量仍將產生一定干擾。

消除干擾的措施：

將發射的光調制成一定頻率；檢測器只接受該頻率的光信號；

原子化過程發射的非調頻干擾信號不被檢測；

二、光源

1.作用

提供待測元素的特征光譜。獲得較高的靈敏度和準確度。

光源應滿足如下要求；

（1）能發射待測元素的共振線；（2）能發射銳線；

（3）輻射光強度大，穩定性好。2.空心陰極燈： 3.空心陰極燈的原理

施加適當電壓時，電子將從空心陰極內壁流向陽極;與充入的惰性氣體碰撞而使之電離，產生正電荷，其在電場作用下，向陰極內壁猛烈轟擊;使陰極表面的金屬原子濺射出來，濺射出來的金屬原子再與電子、惰性氣體原子及離子發生撞碰而被激發，于是陰極內輝光中便出現了陰極物質和內充惰性氣體的光譜。

用不同待測元素作陰極材料，可制成相應空心陰極燈。

空心陰極燈的輻射強度與燈的工作電流有關。優缺點：

（1）輻射光強度大，穩定，譜線窄，燈容易更換。（2）每測一種元素需更換相應的燈。

三、原子化系統

1.作用

將試樣中離子轉變成原子蒸氣

第五篇：儀器分析課程教案

第十二章 電解分析法和庫侖分析法

一、基本要點：

1.熟悉法拉第電解定律；

2.掌握控制電位電解的基本原理； 3.理解控制電位庫侖分析方法；

4.掌握恒電流庫侖滴定的方法原理及應用。

二、學時安排：4學時

電解分析法包括兩方面的內容：

1．利用外加電源電解試液后，直接稱量在電極上析出的被測物質的重（質）量來進行分析，稱為電重量分析法。2．將電解的方法用于元素的分離，稱為電解分離法。

庫倫分析法是利用外加電源電解試液，測量電解完全時所消耗的電量，并根據所消耗的電量來測量被測物質的含量。

第一節 電解分析的基本原理

一、電解現象

電解是一個借外部電源的作用來實現化學反應向著非自發方 向進行的過程。電解池的陰極為負極，它與外界電源的負極相連；陽極為正極，它與外界電源的

正極相連。

例如：在CuSO4溶液侵入兩個鉑電極，通過導線分別與電池的正極和負極相聯。如果兩極之間有足夠的電壓，那末在兩

電極上就有電極反應發生。

陽極上有氧氣放出，陰極上有金屬銅析出。通過稱量電極上析

出金屬銅的重量來進行分析，這就是電重量法。

二、.分解電壓與超電壓

分解電壓可以定義為:被電解的物質在兩電極上產生迅速 的和連續不斷的電極反應時所需的最小的外加電壓。從理論上 講，對于可逆過程來說，分解電壓在數值上等于它本身所構成的 原電池的電動勢，這個電動勢稱為反電動勢。反電動勢與分解電 壓數值相等，符號相反。反電動勢阻止電解作用的進行，只有當 外加電壓達到能克服此反電動勢時，電解才能進行。實際分解電 壓并不等于（而是大于）反電動勢，這首先是由于存在超電壓之 故。

超電位（以符號η來表示）是指使電解已十分顯著的速度 進行時，外加電壓超過可逆電池電動勢的值。超電壓包括陽極超 電位和陰極超電位。對于電極來說，實際電位與它的可逆

電位之間的偏差稱為超電位。在電解分析中，超電位是電 化學極化和濃差極化引起的，前者與電極過程的不可逆性有關。后者與離子到達電極表面的速度有關。超電位是電極極化的度

量。超電位的大小與很多因素有關，主要有以下幾方面： 1．電極的種類及其表面狀態； 2．析出物的形態； 3．電流 密度； 4．溫度； 5．機械攪拌。

三、電解方程式

在電解過程中，外加電壓(V),反電動勢(E反)，電解電流(i)及電解池內阻(R)之間的關系可表示如下：

電解方程式是電化學分析法的基本定律之一。通過（1）可以計算出溶液電解所需的合理外加電壓，以硫酸銅溶液為例，該電解池所需的外加電壓為：

V = E反 + η+ iR = 0.91+0.72+0.05 =1.68V

四、兩種電解過程

能斯特方程式有兩方面的含義：

1．對于一定的氧化還原體系（即與還原態活度的比率決定電極電位。2．對于一定的氧化還原體系（即極表面氧化態與還原態活度的比率。

究竟哪一個起主導作用，這要看具體的電解過程。電解過 程有兩種：控制電流電解過程和控制電位電解過程。在控制電流 電解過程中，外加電壓一般較大，保證電極上總有化學反應不斷 發生，電流強度基本保持不變。在控制電位電解過程中，調節 外加電壓，工作電極的電位控制在某一定數值或某一小范圍內，使被測離子在電極上析出，其它離子留在溶液中。第二節 電解分析法

一、.控制電流電解分析法 1．儀器裝置

2．控制電流電解過程中的電位—時間曲線

電解過程中陰極電位與時間的關系曲線如圖所示。

一定），電極表面氧化態

一定），電極電位決定電

電解一開始，陰極電位立即從較正的電位向負的方向變化，到電位達到的還原電位時，陰極電位符合能斯特方程式:

3．應用

用控制電流電解分析法測定的常見元素

控制電流電解法一般只適用于溶液中只含一種金屬離子的情況。如果溶液中存在兩種或兩種以上的金屬離子，且其還原電位相差不大，就不能用該法分離測定，所以選擇性不高是該法的最大缺點。但這種方法可以分離電動序中氫以前和氫以后的金屬。

二、控制陰極電位電解分析法

在控制陰極電位電解分析法中，調節外加電壓是工作電極的電位控制在一定范圍內或某一電位值，使被測離子在工作電極上析出，而其它離子還留在溶液中，從而達到分離和測定元素的目的。

1．裝置2．陰極電位的選擇

需要控制的電位值，通常是通過比較在分析實驗條件下共存 離子的i-E曲線而確定的。從圖中可以看出，要使甲離子還原，陰極電位須負于a，但要防止乙離子析出，陰極電位又須正與b，因此，陰極電位控制在a與b之間就可使甲離子定量析出而乙離 子仍留在溶液中。

3．控制電位電解過程中電流與時間的關系

在控制電位電解過程中，由于被測金屬離子在陰極上不斷還 原析出，所以電流隨時間的增長而減小，最后達到恒定的最小值。由曲線圖可知，電解電流隨時間的增長以負指數關系衰減。陰極 電位雖然不變，但外加電壓卻隨時間下降。因此，在控制陰極電 位電解過程中，需要不斷的降低外加電壓，同時電解電流也隨時 間而逐漸減小。當電流趨于零時，說明電解已經完全。4．應用

控制陰極電位電解法的最大特點是它的選擇性好，所以它的 用途較控制電流電解法廣泛。只要陰極電位選擇得當，可以使共 存金屬離子依次先后在陰極上分別析出，實現分離或分別定量測 定。

第三節 電重量分析的實驗條件 一．影響金屬析出性質的因素 1．電流密度的影響 2．攪拌和加熱的影響 3．酸度的影響

4．絡合劑的影響

二、陰極干擾反應及其消除方法 溶解氧或氯的影響 陽極上的再氧化 Pt 陽極的溶解

第四節 庫侖分析法基礎

一、法拉第定律 法拉第定律包括兩方面內容：

1．電流通過電解質溶液時，物質在電極上析出的質量與通過電解池的電量成正比，即與電流密度和通過電流的時間的乘積成正比。這是法拉第第一定律。

m ∝ Q

m ∝ i.t;Q = i.t

2．相同的電量通過各種不同的電解質溶液時，在電極上所獲得的各種產物的質量與它們的摩爾質量成正比。這是法拉第第二定律。合并法拉第第一，第二定律可以得到

m = MB.i.t /F

式中，MB為電解產物的摩爾質量。MB /F 相當于通過1庫倫電量使物質在電極上析出的質量。

二、電流效率

由法拉第電解定律可知，當物質以100%的電流效率進行電解反應時，那麼就可以通過測量進行電解反應所消耗的電量(庫倫數)，求得電極上起反應的物質的量。所謂100%的電流效率，指電解時電極上只發生主反應，不發生副反應。影響電流效率的主要因素有：

溶劑的電極反應。

電解質中的雜質在電極上的反應

溶液中可溶性氣體的電極反應

電極自身的反應

（5）電解產物的再反應

第五節 控制電位庫侖分析法

原理和裝置

控制電位庫侖分析用控制電極電位的方法進行電解，并用庫侖計或作圖法來測定電解時所消耗的電量，由此計算出電極上起反應的被測物質的量。

測量電量的方法：

庫侖計——氫氧氣體庫侖計的構造

它由一支帶有活塞和兩個鉑電極的玻管同一支刻度管相連接，管中充以0.5mol/LK2SO4溶液。當有電流流過時，鉑陰極上析出氫氣，鉑陽極上析出氧氣，從右邊管中電解前后液面差就可讀出氫氧氣體的總體積。在標準狀況下，每庫侖電量析出0.1739mL氫氧混合氣體。根據法拉第定律，即可得到被測物質的量。

第六節 控制電流庫侖分析法

一、基本原理和裝置

1．.控制電流庫侖分析基本原理

廣義上說，控制電流庫侖分析是指以恒定電流進行電解，測量電解完全時所消耗的時間，再由法拉第定律計算分析結果的分析方法。它可按下述兩種類型進行：

(1)被測定物質直接在電極上起反應；

(2)在試液中加入大量物質，使此物質經電解反應后產生一種試劑，然后此試劑與被測物起反應。一般都按第二種類型進行。這種方法是在試液中加入適當的輔助劑后，以一定強度的恒定電流進行電解，由電極反應產生一種“滴定劑”。該滴定劑與被測物質發生定量反應。當被測物質作用完后，用適當的方法指示終點 8 并立即停止電解。由電解進行的時間t(s)及電流強度I(A)，可按法拉第定律計算被測物的量 2．儀器裝置

二、指示終點的方法 1．.化學指示劑法

普通容量分析中所用的化學指示劑，均可用于庫侖滴定法

中。例如，肼的測定，電解液中有肼和大量KBr，加入MO為指示劑，電極反應為：

電極上產生的Br2與溶液中的肼起反應：

NH2-NH2 + 2Br2 = N2 + 4HBr 過量的Br2使指示劑退色，指示終點，停止電解。2．電位法

利用庫侖滴定法測定溶液中酸的濃度時，用玻璃電極和甘汞電極為檢測終點電極，用pH計指示終點。此時用Pt電極為工作電極，銀陽極為輔助電極。電極上的反應為：

由工作電極發生的反應使溶液中OH-產生了富余，作為滴定劑，使溶液中的酸度發生變化，用pH計上pH的突躍指示終點。

3．死停終點法

通常是在指示終點用的兩只鉑電極上加一小的恒電壓，當達到終點時，由于試液中存在一對可逆電對（或原來一對可逆電對消失），此時鉑指示電極的電流迅速發生變化，則表示終點到達。

三、庫侖滴定的應用及特點

凡是與電解所產生的試劑能迅速而定量地反應的任何物質，均可用庫侖滴定法測定。

表：庫侖滴定應用實例

庫侖滴定具有下列特點：

（1）不需要基準物質。

（2）不需要標準溶液。

（3）靈敏度高，適于微量和痕量分析。

（4）易于實現自動化和數字化，便于遙控分析。