光學(xué)儀器分析基本概念和原理

1、光學(xué)儀器分析基本概念和原理1. 原子光譜：原子的核外電子一般處在基態(tài)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)獲取足夠的能量后，就會(huì)從基態(tài)躍遷到 激發(fā)態(tài)，處于激發(fā)態(tài)不穩(wěn)定（壽命小于 10-8 s）,迅速回到基態(tài)時(shí)，就要釋放出多余的能量, 若此能量以光的形式出顯，既得到發(fā)射光譜。原子吸收光譜法 （AAS） 的基本原理是基于物質(zhì)所產(chǎn)生的原子蒸氣對(duì)特定譜線的吸收作用 來(lái)進(jìn)行定量分析。2、激發(fā)電位是指從低能級(jí)到高能級(jí)需要的能量。第一激發(fā)態(tài),又回到基態(tài), 發(fā)射出光譜線,稱(chēng)共振發(fā)射線。 同樣從基態(tài)躍迂至第一激發(fā)態(tài)所產(chǎn)生的吸收譜線稱(chēng)為共振吸收線（簡(jiǎn)稱(chēng)為共振線）,即具有最低激發(fā)電位的譜線。由激發(fā)態(tài)直接躍遷至基態(tài)所輻射的譜線稱(chēng)為共振線。 由較低

2、級(jí)的激發(fā)態(tài) （第一激發(fā)態(tài)） 直接躍遷至基態(tài)的譜線稱(chēng)為第一共振線, 一般也是元素的 最靈敏線。當(dāng)該元素在被測(cè)物質(zhì)里降低到一定含量時(shí),出現(xiàn)的最后一條譜線,這是最后線, 也是最靈敏線。用來(lái)測(cè)量該元素的譜線稱(chēng)分析線。3、實(shí)際分辯率：指攝譜儀的每毫米感光板上所能分辯開(kāi)的譜線的條數(shù)?；蛟诟泄獍迳锨∧?分辨出來(lái)的兩條譜線的距離。理論分辯率R=X / XX為兩譜線的平均值，AX為它們的差值）。4、銳線光產(chǎn)生原理 :在高壓電場(chǎng)下 , 陰極向正極高速飛濺放電 , 與載氣原子碰撞 , 使之電離放 出二次電子 , 而使場(chǎng)內(nèi)正離子和電子增加以維持電流。 載氣離子在電場(chǎng)中大大加速 , 獲得足 夠的能量 , 轟擊陰極表面時(shí)

3、 , 可將被測(cè)元素原子從晶格中轟擊出來(lái) , 即謂濺射 , 濺射出的原子 大量聚集在空心陰極內(nèi) , 與其它粒子碰撞而被激發(fā) , 發(fā)射出相應(yīng)元素的特征譜線 共振譜線。5、化學(xué)計(jì)量火焰 由于燃?xì)馀c助燃?xì)庵扰c化學(xué)計(jì)量反應(yīng)關(guān)系相近,又稱(chēng)為中性火焰,這類(lèi)火焰 , 溫度高、穩(wěn)定、干擾小背景低,適合于許多元素的測(cè)定。6、富燃火焰 指燃?xì)獯笥诨瘜W(xué)元素計(jì)量的火焰。其特點(diǎn)是燃燒不完全,溫度略低于化學(xué)火 焰,具有還原性,適合于易形成難解離氧化物的元素測(cè)定；干擾較多,背景高。7、貧燃火焰 指助燃?xì)獯笥诨瘜W(xué)計(jì)量的火焰, 它的溫度較低, 有較強(qiáng)的氧化性,有利于測(cè)定 易解離,易電離元素 ,如堿金屬。W 要小，干擾線較遠(yuǎn)，8

4、、光譜通帶：W = D S-被測(cè)元素共振吸收線與干擾線近，選用可用大的W，一般單色器色散率一定，僅調(diào)狹縫確定W。9、物理干擾 : 是指試液與標(biāo)準(zhǔn)溶液物理性質(zhì)有差別而產(chǎn)生的干擾。粘度、 表面張力或溶液密度等變化， 影響樣品霧化和氣溶膠到達(dá)火焰的傳遞等會(huì)引起的原子吸收強(qiáng)度的變化。非選擇性干擾。消除方法：配制被測(cè)試樣組成相近溶液，或用標(biāo)準(zhǔn)化加入法。濃度高可用稀釋法。10、化學(xué)干擾 : 化學(xué)干擾是指被測(cè)元原子與共存組分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成穩(wěn)定的化合物，影響 被測(cè)元素原子化。11、電離干擾 :在高溫下原子會(huì)電離使基態(tài)原子數(shù)減少 , 吸收下降 , 稱(chēng)電離干擾 . 消除的方法是 加入過(guò)量消電離劑 , 所謂的消電

5、離劑 , 是電離電位較低的元素 , 加入時(shí) , 產(chǎn)生大量電子 , 抑制被 測(cè)元素電離。12、光譜干擾 :吸收線重疊待測(cè)元素分析線與共存元素的吸收線重疊13、背景干擾 :背景干擾也是光譜干擾，主要指分子吸與光散射造成光譜背景。分子吸收是 指在原子化過(guò)程中生成的分子對(duì)輻射吸收， 分子吸收是帶光譜。 光散射是指原子化過(guò)程中產(chǎn) 生的微小的固體顆粒使光產(chǎn)生散射， 造成透過(guò)光減小，吸收值增加。背景干擾，一般使吸收 值增加。產(chǎn)生正誤差。標(biāo)準(zhǔn)加入法能消除基體干擾，不能消背景干擾。使用時(shí)，注意要扣除背景干擾。14. 習(xí)慣靈敏度： 特征濃度， 是指產(chǎn)生 1%吸收時(shí)， 水溶液中某元素的濃度。 通常用 mg/ml/1

6、% 表示15、質(zhì)譜法是通過(guò)將樣品轉(zhuǎn)化為運(yùn)動(dòng)的氣態(tài)離子并按質(zhì)荷比（M /Z）大小進(jìn)行分離并記錄其信息的分析方法。所得結(jié)果以圖譜表達(dá)，即所謂的質(zhì)譜圖（亦稱(chēng)質(zhì)譜，MassSpectrum）。根據(jù)質(zhì)譜圖提供的信息可以進(jìn)行多種有機(jī)物及無(wú)機(jī)物的定性和定量分析、復(fù)雜化合物的結(jié)構(gòu)分析、樣品中各種同位素比的測(cè)定及固體表面的結(jié)構(gòu)和組成分析等。而在實(shí)際工作中，有時(shí)很難找到相鄰的且峰高相等的兩個(gè)峰，同時(shí)峰谷又為峰高的10。在這種情況下，可任選一單峰，測(cè)其峰高5 %處的峰寬W0.05 ,即可當(dāng)作上式中的此時(shí)分辨率定義 為R = m/W0.05。質(zhì)譜儀的分辨本領(lǐng)由幾個(gè)因素決定：（i）離子通道的半徑；（ii）加速器與收集器

7、狹縫寬度； （ iii ）離子源的性質(zhì)。質(zhì)譜儀的靈敏度有絕對(duì)靈敏度、相對(duì)靈敏度和分析靈敏度等幾種表示方法。絕對(duì)靈敏度是指儀器可以檢測(cè)到的最小樣品量； 相對(duì)靈敏度是指儀器可以同時(shí)檢測(cè)的大組分 與小組分含量之比；分析靈敏度則指輸入儀器的樣品量與儀器輸出的信號(hào)之比。16、質(zhì)量分析器的主要類(lèi)型有：磁分析器、飛行時(shí)間分析器、四極濾質(zhì)器、離子捕獲分析器 和離子回旋共振分析器等。17、分子離子峰 :試樣分子在高能電子撞擊下產(chǎn)生正離子18、分子離子的質(zhì)量對(duì)應(yīng)于中性分子的質(zhì)量， 這對(duì)解釋本知質(zhì)譜十分重要。 幾乎所有的有機(jī) 分子都可以產(chǎn)生可以辨認(rèn)的分子離子峰，有些分子如芳香環(huán)分子可產(chǎn)生較大的分子離子峰， 而高分子

8、量的烴、脂肪醇、醚及胺等則產(chǎn)生較小的分子離子峰。若不考慮同位素的影響，分 子離子應(yīng)該具有最高質(zhì)量。分子中若含有偶數(shù)個(gè)氮原子，則相對(duì)分子質(zhì)量將是偶數(shù)；反之， 將是奇數(shù)。這就是所謂的 “氮律 ”。19、原子熒光光譜法是 1964 年以后發(fā)展起來(lái)的分析方法。原子熒光光譜法是以原子在輻射 能激發(fā)下發(fā)射的熒光強(qiáng)度進(jìn)行定量分析的發(fā)射光譜分析法。 但所用儀器與原子吸收光譜法相 近。原子熒光光譜的產(chǎn)生： 氣態(tài)自由原子吸收特征輻射后躍迂到較高能級(jí)， 然后又躍遷回到基 態(tài)或較低能級(jí)。同時(shí)發(fā)射出與原激發(fā)輻射波長(zhǎng)相同或不同的輻射即原子熒光。 原子熒光為光致發(fā)光，二次發(fā)光，激發(fā)光源停止時(shí)，再發(fā)射過(guò)程立即停止。原子熒光的

9、類(lèi)型 ：原子熒光分為共振熒光，非共振熒光與敏化熒光等三種類(lèi)型。(1) 共振熒光 發(fā)射與原吸收線波長(zhǎng)相同的熒光為共振熒光。(2) 非共振熒光 熒光的波長(zhǎng)與激發(fā)光不同時(shí)，稱(chēng)非共振熒光。 ( i. 直躍線熒光， ii. 階躍線 熒光，iii. anti stores 熒光。i 和 ii 均為 Stores熒光。)(3) 敏化熒光 受激發(fā)的原子與另一種原子碰撞時(shí)，把激發(fā)能傳遞給另一個(gè)原子使其激發(fā)， 后者再?gòu)妮椛湫问饺ゼぐl(fā)而發(fā)射熒光即為敏化熒光。熒光猝滅 受激原子和其他粒子碰撞，把一部分能量變成熱運(yùn)動(dòng)與其他形式的能量，因而 發(fā)生無(wú)輻射的去激發(fā)過(guò)程。20、不動(dòng)的一相，稱(chēng)一為固定相；另一相是攜帶樣品流過(guò)固定

10、相的流動(dòng)體，稱(chēng)為流動(dòng)相。不 被固定相吸附或溶解的物質(zhì)進(jìn)入色譜柱時(shí)，從進(jìn)樣到出現(xiàn)峰極大值所需的時(shí)間稱(chēng)為死時(shí)間。 試樣從進(jìn)樣開(kāi)始到柱后出現(xiàn)峰極大點(diǎn)時(shí)所經(jīng)歷的時(shí)間，稱(chēng)為保留時(shí)間某組份的保留時(shí)間扣除死時(shí)間后稱(chēng)為該組份的調(diào)整保留時(shí)間，即tR = tR-tM死體積可由死時(shí)間與流動(dòng)相體積流速F0 ( L/ min )計(jì)算： VM = tM F0指從進(jìn)樣開(kāi)始到被測(cè)組份在柱后出現(xiàn)濃度極大點(diǎn)時(shí)所通過(guò)的流動(dòng)相體積。保留體積與保留時(shí)間t。的關(guān)系如下：VR = tR F0 -某組份的保留體積扣除死體積后，稱(chēng)該組份的調(diào)整保留體積，即VR = VR- VM某組份 2的調(diào)整保留值與組份 1 的調(diào)整保留值之比，稱(chēng)為相對(duì)保留值

11、(必須注意，相對(duì)保留值絕對(duì)不是兩個(gè)組份保留時(shí)間或保留體積之比 .) 21、從色譜流出曲線上，可以得到許多重要信息：(l)根據(jù)色譜峰的個(gè)數(shù)，可以判斷樣品中所合組份的最少個(gè)數(shù).( 2)根據(jù)色譜峰的保留值 (或位置)，可以進(jìn)行定性分析(3) 根據(jù)色譜峰下的面積或峰高，可以進(jìn)行定量分析( 4)色譜峰的保留值及其區(qū)域?qū)挾?，是評(píng)價(jià)色譜柱分離效能的依據(jù)( 5)色譜峰兩峰間的距離，是評(píng)價(jià)固定相(和流動(dòng)相 )選擇是否合適的依據(jù)22、 色譜分析的目的是將樣品中各組分彼此分離，組分要達(dá)到完全分離， 兩峰間的距離必須 足夠遠(yuǎn)， 兩峰間的距離是由組分在兩相間的分配系數(shù)決定的， 即與色譜過(guò)程的熱力學(xué)性質(zhì)有 關(guān)。但是兩峰間

12、雖有一定距離，如果每個(gè)峰都很寬，以致彼此重疊，還是不能分開(kāi)。這些峰 的寬或窄是由組分在色譜柱中傳質(zhì)和擴(kuò)散行為決定的， 即與色譜過(guò)程的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)有關(guān)。 因 此，要從熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)兩方面來(lái)研究色譜行為。描述這種分配的參數(shù)稱(chēng)為分配系數(shù)見(jiàn)它是指在一定溫度和壓力下，組分在固定相和流動(dòng)相之間分配達(dá)平衡時(shí)的濃度之比值 (K)分配比又稱(chēng)容量因子， 它是指在一定溫度和壓力下， 組分在兩相間分配達(dá)平衡時(shí)， 分配在 固定相和流動(dòng)相中的質(zhì)量比。 (k)k 值越大， 說(shuō)明組分在固定相中的量越多， 相當(dāng)于柱的容量大， 因此又稱(chēng)分配容量或容 量因子。它是衡量色譜柱對(duì)被分離組分保留能力的重要參數(shù)。 k 值也決定于組分及固定相

13、熱 力學(xué)性質(zhì)。它不僅隨柱溫、柱壓變化而變化，而且還與流動(dòng)相及固定相的體積有關(guān)。分配比 k 值可直接從色譜圖測(cè)得。 設(shè)流動(dòng)相在柱內(nèi)的線速度為 u ，組分在柱內(nèi)線速度為 us，由于固定相對(duì)組分有保留作用，所以u(píng)sv u 此兩速度之比稱(chēng)為滯留因子Rs。通過(guò)選擇因子a把實(shí)驗(yàn)測(cè)量值k與熱力學(xué)性質(zhì)的分配系數(shù) K直接聯(lián)系起來(lái)，a對(duì)固定相的選 擇具有實(shí)際意義。如果兩組分的K或k值相等，則 a =1兩個(gè)組分的色譜峰必將重合，說(shuō)明分不開(kāi)。兩組分的 K 或 k 值相差越大，則分離得越好。因此兩組分具有不同的分配系數(shù) 是色譜分離的先決條件。R值越大，表明相鄰兩組分分離越好。一般說(shuō)，當(dāng) Rv1時(shí)，兩峰有部分重疊；當(dāng) R

14、= 1時(shí)，分離程度可達(dá) 98% ;當(dāng)R= 1 5時(shí)，分離程度可達(dá) 99. 7%。通常用R=1.5作為相鄰 兩組分已完全分離的標(biāo)志。23、 氣相色譜檢測(cè)器是把載氣里被分離的各組分的濃度或質(zhì)量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的裝置。目前檢測(cè)器的種類(lèi)多達(dá)數(shù)十種。 根據(jù)檢測(cè)原理的不同， 可將其分為濃度型檢測(cè)器和質(zhì)量型檢測(cè)器兩 種：熱導(dǎo)檢測(cè)器和電子捕獲檢測(cè)器 (濃度型檢測(cè)器 )火焰離子化檢測(cè)器和火焰光度檢測(cè)器(質(zhì)量型檢測(cè)器 )熱導(dǎo)檢測(cè)器 :幾乎對(duì)所有物質(zhì)都有響應(yīng)，通用性好，而且線性范圍寬，價(jià)格便宜，因此是 應(yīng)用最廣，最成熟的一種檢測(cè)器。火焰離子化檢測(cè)器：比熱導(dǎo)檢測(cè)器的靈敏度高約103倍；檢出限低，可達(dá) 10-12gS-1一

15、個(gè)優(yōu)良的檢測(cè)器應(yīng)具以下幾個(gè)性能指標(biāo)：靈敏度高，撿出限低，死體積小，響應(yīng)迅速，線 性范圍寬，穩(wěn)定性好。24、柱溫的選擇 在使最難分離的組分有盡可能好的分離前提下，采取適當(dāng)?shù)偷闹鶞?，但以保留時(shí)間適宜，峰形不拖尾為度。柱溫不能高于固定液的最高使用溫度 進(jìn)樣量的選擇：一般說(shuō)來(lái)，色譜柱越粗、越長(zhǎng)，固定液含量越高，容許進(jìn)樣量越大。25、氣相色譜法分析對(duì)象只限于分析氣體和沸點(diǎn)較低的化合物，它們僅占有機(jī)物總數(shù)的20。對(duì)于占有機(jī)物總數(shù)近80的那些高沸點(diǎn)、熱穩(wěn)定性差、摩爾質(zhì)量大的物質(zhì)，目前主要采用高效液相色譜法進(jìn)行分離和分析。氣相色譜采用流動(dòng)相是惰性氣體， 它對(duì)組分沒(méi)有親和力， 即不產(chǎn)生相互作用力， 僅起運(yùn)載 作

16、用。 而高效液相色譜法中流動(dòng)相可選用不同極性的液體， 選擇余地大， 它對(duì)組分可產(chǎn)生一 定親和力， 并參與固定相對(duì)組分作用的劇烈競(jìng)爭(zhēng)。 因此， 流動(dòng)相對(duì)分離起很大作用，相當(dāng)于 增加了一個(gè)控制和改進(jìn)分離條件的參數(shù)，這為選擇最佳分離條件提供了極大方便。氣相色譜一般都在較高溫度下進(jìn)行的，而高效液相色譜法則經(jīng)?？稍谑覝貤l件下工作。總之，高效液相色譜法是吸取了氣相色譜與經(jīng)典液相色譜優(yōu)點(diǎn)， 并用現(xiàn)代化手段加以改進(jìn)， 因此得到迅猛的發(fā)展。 目前高效液相色譜法已被廣泛應(yīng)用于分析對(duì)生物學(xué)和醫(yī)藥上有重大意 義的大分子物質(zhì)，例如蛋白質(zhì)、核酸、氨基酸、多糖類(lèi)、植物色素、高聚物、染料及藥物等 物質(zhì)的分離和分析。一般可分為

17、 4 個(gè)主要部分：高壓輸液系統(tǒng)，進(jìn)樣系統(tǒng)，分離系統(tǒng)和檢測(cè)系統(tǒng)。液一液分配色譜法（LLPC）液液分配色譜的分離原理基本與液液萃取相同，都是根據(jù)物質(zhì) 在兩種互不相溶的液體中溶解度的不同，具有不同的分配系數(shù)。26化學(xué)鍵合相色譜法（CBPC ）采用化學(xué)鍵合相的液相色譜稱(chēng)為化學(xué)鍵合相色譜法，簡(jiǎn)稱(chēng)鍵 合相色譜。液一固吸附色譜法 （LSAC） 當(dāng)流動(dòng)相通過(guò)固定相（吸附劑）時(shí)，吸附劑表面的活性中心就 要吸附流動(dòng)相分子。同時(shí)，當(dāng)試樣分子（X）被流動(dòng)相帶入柱內(nèi)，只要它們?cè)诠潭ㄏ嘤幸欢ǔ潭鹊谋Ａ艟鸵〈鷶?shù)目相當(dāng)?shù)囊驯晃降牧鲃?dòng)相溶劑分用）于是，在固定相表面發(fā)生競(jìng)爭(zhēng)吸附 ：離子交換色譜法 （ IEC） 離子交換原理和液相色譜技術(shù)的結(jié)合來(lái)測(cè)定溶液中陽(yáng)離子和陰離 子的一種分離分析方法。離子色譜法（ IC ） 離子色譜法是由離子交換色譜法派生出來(lái)的一