《仪器分析》教案5- 分子发光分析法

第一篇：《仪器分析》教案5- 分子发光分析法

第8章

分子发光分析法

8．1教学建议

一、从光谱定性分析和定量分析的依据和方法入手，在了解分子发光分析特点的基础上，介绍分子荧光与磷光光谱分析法的基本原理、仪器结构组成、常规测定方法及应用。

二、在比较分子荧光与磷光光谱分析法的基础上，介绍化学发光分析方法的基本原理及分析特点与应用。

8．2主要概念

一、教学要求：

（一）、掌握分子荧光与磷光光谱分析方法的基本原理；

（二）、掌握荧光与磷光分析仪器的结构组成、常规测定方法及应用；

（三）、掌握化学发光法的基本原理及应用；

二、内容要点精讲 第一节

荧光分析法

一、概述

分子荧光分析法是根据物质的分子荧光光谱进行定性，以荧光强度进行定量的一种分析方法。

荧光分析的特点：

灵敏度高：视不同物质，检测下限在0.1~0.001mg/mL之间。可见比UV-Vis的灵敏度高得多。

选择性好：可同时用激发光谱和荧光发射光谱定性。

结构信息量多：包括物质激发光谱、发射光谱、光强、荧光量子效率、荧光寿命等。应用不广泛：主要是因为能发荧光的物质不具普遍性、增强荧光的方法有限、外界环境对荧光量子效率影响大、干扰测量的因素较多。

二、基本原理

1、分子荧光的产生

处于分子基态单重态中的电子对，其自旋方向相反，当其中一个电子被激发时，通常跃迁至第一激发态单重态轨道上，也可能跃迁至能级更高的单重态上。这种跃迁是符合光谱选律的，如果跃迁至第一激发三重态轨道上，则属于禁阻跃迁。单重态与三重态的区别在于电子自旋方向不同，激发三重态具有较低能级。在单重激发态中，两个电子平行自旋，单重态分子具有抗磁性，其激发态的平均寿命大约为10-8s;而三重态分子具有顺磁性，其激发态的平均寿命为10-4~1s以上(通常用S和T分别表示单重态和三重态)。

处于激发态的电子，通常以辐射跃迁方式或无辐射跃迁方式再回到基态。辐射跃迁主要涉及到荧光、延迟荧光或磷光的发射；无辐射跃迁则是指以热的形式辐射其多余的能量，包括振动弛豫(VR)、内部转移(IR)、系间窜跃(IX)及外部转移(EC)等，各种跃迁方式发生的可能性及程度，与荧光物质本身的结构及激发时的物理和化学环境等因素有关。

2、去活化过程(Deactivation)

处于激发态分子不稳定，通过辐射或非辐射跃迁等去活化过程返回至基态。这些过程包括：

(1)振动弛豫(Vibrational Relaxation, VR)在液相或压力足够高的气相中，处于激发态的分子因碰撞将能量以热的形式传递给周围的分子，从而从高振动能层失活至低振动能层的过程，称为振动弛豫。

(2)内转化(Internal Conversion，IC)

对于具有相同多重度的分子，若较高电子能级的低振动能层与较低电子能级的高振动能层相重叠时，则电子可在重叠的能层之间通过振动耦合产生无辐射跃迁，如S2-S1；T2-T1。

(3)荧光发射

处于第一激发单重态中的电子跃 迁至基态各振动能级时，将得到最大波长为λ3的荧光。注意：基态中也有振动驰豫跃迁。很明显，λ3的波长较激发波长λ1或λ2都长，而且不论电子开始被激发至什么高能级，最终将只发射出波长为λ3的荧光。荧光的产生在10-7-10-9s内完成。

三、荧光与有机化合物的结构

1、跃迁类型

对于大多数荧光物质，首先经历p®p*，然后经过振动弛豫或其他无辐射跃迁，再发生p*®p跃迁而得到荧光。p*®p跃迁常能发出较强的荧光(较大的量子产率)。这是由于p®p*跃迁具有较大的摩尔吸光系数(一般比n®p*大100-1000倍)。

其次，p®p*跃迁的寿命约为10-7—10-9s，比n®p*跃迁的寿命10-5—10-7s要短。在各种跃迁过程的竞争中，它是有利于发射荧光的。此外，在p®p*跃迁过程中，通过系间窜跃至三重态的速率常数也较小(S1®T1能级差较大)，这也有利于荧光的发射。总之，p®p*跃迁是产生荧光的主要跃迁类型。

2、共轭效应

容易实现p®p*激发 的芳香族化合物容易发生荧光，能发生荧光的脂肪族和脂环族化合物极少(仅少数高度共轭体系化合物除外)。此外，增加体系的共轭度，荧光效率一般也将增大。例如：

在多烯结构中，Ph(CH=CH)3 Ph和Ph(CH=CH)2 Ph在苯中的荧光效率分别为0.68和0.28。

共轭效应使荧光增强的原因 ：增大了摩尔吸光系数

3、刚性平面结构

多数具有刚性平面结构的有机分子具有强烈的荧光。因为这种结构可以减少分子的振动，使分子与溶剂或其它溶质分子的相互作用减少，也就减少了碰撞去活的可能性。

4、取代基效应 芳香族化合物苯环上的不同取代基对该化合物的荧光强度和荧光光谱有很大的影响。给电子基团，如-OH、-OR、-CN、-NH2、-NR2等，使荧光增强。因为产生了p-p共轭作用，增强了p电子共轭程度，使最低激发单重态与基态之间的跃迁几率增大。

吸电子基团，如-COOH、-NO、-C=O、卤素等，会减弱甚至会猝灭荧光。

卤素取代基随原子序数的增加而荧光降低。这可能是由所谓“重原子效应”使系间窜跃速率增加所致。在重原子中，能级之间的交叉现象比较严重，因此容易发生自旋轨道的相互作用，增加了由单重态转化为三重态的概率。取代基的空间障碍对荧光也有影响。立体异构现象对荧光强度有显著的影响。

四、金属螯合物的荧光

除过渡元素的顺磁性原子会发生线状荧光光谱外，大多数无机盐类金属离子，在溶液中只能发生无辐射跃迁，因而不产生荧光。但是，在某些情况下，金属螯合物却能产生很强的荧光，并可用于痕量金属元素分析。

1、螯合物中配位体的发光

不少有机化合物虽然具有共轭双键，但由于不是刚性结构，分子处于非同一平面，因而不发生荧光。若这些化合物和金属离子形成螯合物，随着分子的刚性增强，平面结构的增大，常会发生荧光。

如8-羟基喹啉本身有很弱的荧光，但其金属螯合物具有很强的荧光。

2、螯合物中金属离子的特征荧光

这类发光过程通常是螯合物首先通过配位体的p*®p跃迁激发，接着配位体把能量转给金属离子，导致d®d*跃迁和f®f*跃迁，最终发射的是d®d*跃迁和f®f*跃迁光谱。

五、影响荧光强度的因素

1、溶剂对荧光强度的影响

增大溶剂的极性，p®p*跃迁的能量减小，而导致荧光增强，荧光峰红移。但也有相反的情况，例如，苯胺、萘磺酸类化合物在戊醇、丁醇、丙醇、乙醇和甲醇中，随着醇的极性增大，荧光强度减小，荧光峰蓝移。因此荧光光谱的位置和强度与溶剂极性之间的关系，应根据荧光物质与溶剂的不同而异。

如果溶剂和荧光物质形成了化合物，或溶剂使荧光物质的状态改变，则荧光峰位和强度都会发生较大的变化。

2、温度对荧光强度的影响 温度上升使荧光强度下降。其中一个原因是分子的内部能量转化作用。当激发分子接受额外热能时，有可能使激发能转换为基态的振动能量，随后迅速振动弛豫而丧失振动能量。另一个原因是碰撞频率增加，使外转换的去活几率增加。

3、溶液pH值对荧光强度的影响

带有酸性或碱性官能团的大多数芳香族化合物的荧光与溶液的pH有关。

具有酸性或碱性基团的有机物质，在不同pH值时，其结构 可能发生变化，因而荧光强度将发生改变；对无机荧光物质，因pH值会影响其稳定性，因而也可使其荧光强度发生改变。

4、顺磁性物质的存在,使激发单重态的体系间窜越速率增大,因而会使荧光效率降低。

六、溶液荧光猝灭 荧光物质分子与溶剂分子或其它溶质分子的相互作用引起荧光强度降低的现象称为荧光猝灭。能引起荧光强度降低的物质称为猝灭剂。

导致荧光猝灭的主要类型：(1)碰撞猝灭

碰撞猝灭是指处于激发单重态的荧光分子与猝灭剂分子相碰撞，使激发单重态的荧光分子以无辐射跃迁的方式回到基态，产生猝灭作用。(2)静态猝灭(组成化合物的猝灭)由于部分荧光物质分子与猝灭剂分子生成非荧光的配合物而产生的。此过程往往还会引起溶液吸收光谱的改变。

(3)转入三重态的猝灭

分子由于系间的跨越跃迁，由单重态跃迁到三重态。转入三重态的分子在常温下不发光，它们在与其它分子的碰撞中消耗能量而使荧光猝灭。

溶液中的溶解氧对有机化合物的荧光产生猝灭效应是由于三重态基态的氧分子和单重激发态的荧光物质分子碰撞，形成了单重激发态的氧分子和三重态的荧光物质分子，使荧光猝灭。

(4)发生电子转移反应的猝灭

某些猝灭剂分子与荧光物质分子相互作用时，发生了电子转移反应，因而引起荧光猝灭。(5)荧光物质的自猝灭

在浓度较高的荧光物质溶液中，单重激发态的分子在发生荧光之前和未激发的荧光物质分子碰撞而引起的自猝灭。有些荧光物质分子在溶液浓度较高时会形成二聚体或多聚体，使它们的吸收光谱发生变化，也引起溶液荧光强度的降低或消失。

七、胶束增敏荧光

加入临界浓度以上的表面活性剂，如十二烷基硫酸钠。

1、溶液的荧光强度

(1)荧光强度与溶液浓度的关系

荧光强度If正比于吸收的光量Ia与荧光量子产率j。

If =j Ia 式中j为荧光量子效率，又根据Beer定律

Ia = I0-It = I0(1-e-A)I0和It分别是入射光强度和透射光强度。代入上式得 If =j I0(1-10-A)=j I0(1-e-2.3A)整理得：

If =2.3j I0kbc 当入射光强度I0和I一定时，上式为：

If = K c 即荧光强度与荧光物质的浓度成正比，但这种线性关系只有在极稀的溶液中，当A£0.05时才成立。对于较浓溶液，由于猝灭现象和自吸收等原因，使荧光强度和浓度不呈线性关系。

2、荧光激发光谱与发射光谱 任何荧(磷)光都具有两种特征光谱：激发光谱与发射光谱。它们是荧(磷)光定性分析的基础。

(1)激发光谱

改变激发波长，测量在最强荧(磷)光发射波长处的强度变化，以激发波长对荧光强度作图可得到激发光谱。

激发光谱形状与吸收光谱形状完全相似，经校正后二者完全相同！这是因为分子吸收光能的过程就是分子的激发过程。

激发光谱可用于鉴别荧光物质；在定量时，用于选择最适宜的激发波长。

(2)发射光谱

发射光谱即荧光光谱。一定波长和强度的激发波长辐照荧光物质，产生不同波长和强度的荧光，以荧光强度对其波长作图可得荧光发射光谱。

由于不同物质具有不同的特征发射峰，因而使用荧光发射光谱可用于鉴别荧光物质。(3)激发光谱与发射光谱的关系

a 波长比较

与激发(或吸收)波长相比，荧光发射波长更长，即产生所谓Stokes位移。(振动弛豫失活所致)b 形状比较

荧光光谱形状与激发波长无关。尽管分子受激可到达不同能级的激发态，但由于去活化(内转换和振动弛豫)到第一电子激发态的速率或几率很大，好像是分子受激只到达第一激发态一样。

换句话说，不管激发波长如何，电子都是从第一电子激发态的最低振动能层跃迁到基态的各个振动能层。

七、荧光仪器(光源与检测器处于相互垂直的位置)

1、光源： 氙灯、高压汞灯、激光；

2、样品池：石英(低荧光材料)；

3、两个单色器：选择激发光单色器,分离荧光单色器；

4、检测器：光电倍增管。

八、荧光分析法的应用

荧光测定必须在极稀的溶液中才可用于定量测定。标准曲线法测定荧光物质的含量

九、荧光分析法的应用

1、无机化合物的分析

大多数无机离子与溶剂之间的相互作用很强,其激发态多以非辐射跃迁方式返回基态,发荧光者甚少。然而很多无机离子可以与一些有机化合物形成有荧光的络合物,利用这一性质可对其进行荧光测定。能够同金属离子形成荧光络合物的有机试剂绝大多数是芳香族化合物,通常含有两个或两个以上的官能团,能与金属离子形成五元环或六元环的螯合物。由于螯合物的生成,分子的刚性平面结构增大,使原来不发荧光或荧光较弱的化合物转变为强荧光化合物。

2、有机化合物的分析

脂肪族有机化合物的分子结构较为简单,本身能发生荧光的很少,一般需要与某些试剂反应后才能进行荧光分析,如丙三醇与苯胺在浓硫酸介质中反应生成发射蓝色荧光的喹啉，据此可以测定0.1~2µg•mL⁻¹的丙三醇。

芳香族化合物因具有共轭的不饱和体系,多数能发生荧光,可直接用荧光法测定。

第二节

磷光分析

一、概述

磷光分析法是以分子磷光光谱来鉴别有机化合物和进行定量分析的一种方法。

磷光分析法在药物分析,临床分析等领域的应用日益发展。

二、基本原理

1、磷光的产生和磷光强度

磷光是处于激发三重态的分子跃迁返回基态时所产生的辐射。(1)磷光的特点：

① 磷光波长比荧光的长(T1

(2)磷光强度: IP=2.3jPI0kbc 式中IP为磷光强度，jP为磷光效率，I₀ 为激发光的强度，K为磷光物质的摩尔吸收系数，b为试样池的光程，C为磷光物质的浓度。

在一定的条件下，jp、Ip、k、b均为常数，因此上式可写成：

Ip=Kc

2、温度对磷光强度的影响

(1)随着温度降低,分子热运动速率减慢,磷光逐渐增强。(2)低温磷光(液氮)由于磷光寿命长，T1的非辐射跃迁(内转换)几率增加，碰撞失活(振动弛豫)的几率、光化学反应几率都增加，从而降低磷光强度。因此有必要在低温下测量磷光。同时要求溶剂： ①易提纯且在分析波长区无强吸收和发射； ②低温下形成具有足够粘度的透明的刚性玻璃体。

常用的溶剂：

① EPA——乙醇+异戊烷+二乙醚(2+2+5)② IEPA——CH3I+EPA(1+10)。

3、重原子效应

使用含有重原子的溶剂(碘乙烷、溴乙烷)或在磷光物质中引入重原子取代基,都可以提高磷光物质的磷光强度,这种效应称为重原子效应。前者称为外部重原子效应,后者称为内部重原子效应。

机理:重原子的高核电荷使得磷光分子的电子能级交错,容易引起或增强磷光分子的自旋轨道偶合作用,从而使S1→T1的体系间窜跃概率增大,有利于增大磷光效率。

4、室温磷光

低温磷光需低温实验装置且受到溶剂选择的限制，1974年后发展了室温磷光(RTP)。

(1)固体基质：在室温下以固体基质(如纤维素等)吸附磷光体，可增加分子刚性、减少三重态猝灭等非辐射跃迁，从而提高磷光量子效率。

(2)胶束增稳：利用表面活性剂在临界浓度形成具多相性的胶束，改变磷光体的微环境、增加定向约束力，从而减小内转换和碰撞等去活化的几率，提高三重态的稳定性。

利用胶束增稳、重原子效应和溶液除氧是该法的三要素。

5、敏化磷光：其过程可以简单表示为：

6、磷光发射

从单重态到三重态分子间发生系间跨跃跃迁后，再经振动弛豫回到三重态最低振动能层，最后，在10-4-10s内跃迁到基态的各振动能层所产生的辐射。

三、磷光仪器

在荧光仪样品池上增加磷光配件：低温杜瓦瓶和斩光片。如右图所示。

斩光片的作用是利用其分子受激所产生的荧光与磷光的寿命不同获取磷光辐射。第三节

化学发光分析法

一、概述

某些物质在进行化学反应时，由于吸收了反应时产生的化学能，而使反应产物分子激发至激发态，受激分子由激发态回到基态时，便发出一定波长的光。这种吸收化学能使分子发光的过程称为化学发光。利用化学发光反应而建立起来的分析方法称为化学发光分析法。化学发光也发生于生命体系，这种发光称为生物发光。

二、化学发光分析的基本原理

化学发光是吸收化学反应过程产生的化学能，而使反应产物分子激发所发射的光。任何一个化学发光反应都应包括化学激发和发光两个步骤，必须满足如下条件：(1)化学反应必须提供足够的激发能，激发能主要来源于反应焓。

(2)要有有利的化学反应历程，使化学反应的能量至少能被一种物质所接受并生成激发态。

(3)激发态能释放光子或能够转移它的能量给另一个分子，而使该分子激发，然后以辐射光子的形式回到基态。

三、化学发光效率和发光强度

化学发光反应效率jCL，又称化学发光的总量子产率。它决定于生成激发态产物分子的化学激发效率jce和激发态分子的发射效率jem。定义为：

jcl =发射光子的分子数 /参加反应的分子数 =jce·jem 化学反应的发光效率、光辐射的能量大小以及光谱范围，完全由参加反应物质的化学反应所决定。每个化学发光反应都有其特征的化学发光光谱及不同的化学发光效率。化学发光反应的发光强度Icl以单位时间内发射的光子数表示。它与化学发光反应的速率有关，而反应速率又与反应分子浓度有关。即

Icl(t)=jcl· dc/dt=Kc 式中 Icl(t)表示t时刻的化学发光强度，是与分析物有关的化学发光效率dc/dt是分析物参加反应的速率。

四、化学发光反应类型

1、直接化学发光和间接化学发光

直接发光是被测物作为反应物直接参加化学发光反应，生成电子激发态产物分子，此初始激发态能辐射光子。

A + B® C* + D C*® C + hn 式中A或B是被测物，通过反应生成电子激发态产物C*，当C*跃迁回基态时，辐射光子。

间接发光是被测物A或B，通过化学反应生成初始激发态产物C*，C*不直接发光，而是将其能量转移给F，使F跃迁回基态，产生发光。

A + B® C* + D C*+F® F* + E F*® F + hn 式中C*为能量给予体，而F为能量接受体

2、气相化学发光和液相化学发光 按反应体系的状态分类，如化学发光反应在气相中进行称为气相化学发光；在液相或固相中进行称为液相或固相化学发光；在两个不同相中进行则称为异相化学发光。(1)气相化学发光

主要有O3、NO、S的化学发光反应，可用于监测空气中的O3、NO、SO2、H2S、CO、NO2等。

臭氧与乙烯的化学发光反应； 一氧化氮与臭氧的化学发光反应。

(2)液相化学发光

用于此类化学发光分析的发光物质有鲁米诺、光泽碱、洛粉碱等。例如，利用发光物质鲁米诺，可测定痕量的H2O2以及Cu、Mn、Co、V、Fe、Cr、Ce等金属离子。

五、化学发光的测量装置

化学发光分析法的测量仪器主要包括 样品室、光检测器、放大器和信号输出装置。化学发光反应在样品室中进行，样品和试剂混合的方式有不连续取样体系，加样是间歇的。将试剂先加到光电倍增管前面的反应池内，然后用进样器加入分析物。另一种方法是连续流动体系，反应试剂和分析物是定时在样品池中汇合反应，且在载流推动下向前移动，被检测的光信号只是整个发光动力学曲线的一部分，而以峰高进行定量测量。

1、分立取样式仪器

2、流动注射式仪器

六、化学发光分析的应用

1、广泛应用于大气中O3、NO、NO2、H2O、SO2、CO等组分的检测。

2、鲁米诺—H2O2体系

三、重点、难点

（一）重点内容

1、分子荧光与磷光光谱分析方法的基本原理；

2、荧光与磷光分析常规测定方法及应用；

3、化学发光法的基本原理及应用；

（二）难点

荧光、磷光与分子结构的关系，荧光、磷光的猝灭机理，化学发光类型。

8．3 例题 例3．1 容器中有4.4 g CO2，14 g N2，12.8g O52，总压为2.026×10Pa，求各组分的分压。

分析：题意中给出了三种气体的质量和总压强，可以直接求得各组的摩尔数，利用道尔顿分压定律求得。本题涉及本章一个重要的知识点。解：混合气体中各物质的摩尔数为：

nCO24.4g/44(gmol1)0.1mol

nN214g/28(gmol1)0.5mol

n1O212.8g/32(gmol)0.4mol

由道尔顿分压定律，可求得： pCO2pnCO2toln2.026×1050.1CO2nN2nO20.10.52.0261040.4Pa

pnN20.5N2ptoln2.026×1051.013104Pa

CO2nN2nO20.10.50.4pnO20.4O2ptoln2.026×105CO2nN2nO20.10.50.48.104104Pa

【评注】本题给定条件明了、直接，解题思路清晰。

例3．2有一高压气瓶，容积为30 dm3，能承受2.6×107Pa，问在293K时可装入多少千克O2而不致发生危险？

分析：这是一个应用实例，已知体积，压强，温度，可以直接利用式（1.1）理想气体状态方程求出氧气的质量。

解：

pVnRTmMRTmPVM2.61070.030.032

RT8.31429310.25Kg

【评注】本题给定条件明了、直接，解题思路清晰。

例3．3 水的汽化热为40 kJ·mol-1，求298K时水的饱和蒸汽压。

分析：由题可知，水的蒸发热即汽化热，温度从298K至沸腾状态373K，大气压强已知，因此可以由克劳修斯-克拉贝龙方程（式2.15）求得水在298K时的饱和蒸汽压。

解：lgp1vHm11p22.303RT T21lg1013254000011p22.3038.314298373

求得：P2=3945Pa 8．4习题精选详解（题号）2.1.某气体在293K与9.97×104Pa时占有体积1.910-1dm3

其质量为0.132g，试求这种气体的相对分子质量，它可能是何种气体? 解：该题为理想气体状态方程的运用，将理想气体状态方程进行变量变换，即将物质的量变换为摩尔质量即可。

2.2.一敞口烧瓶在280K时所盛的气体，需加热到什么温度时，才能使其三分之一逸出? 解 该题为理想气体状态方程的应用，由题意可知，一敞口烧瓶即在相同压力下，两种气体状态参数的相关性（采用理想气体状态方程关联）进行计算。

2-3.温度下，将1.013×105Pa的N3332dm和0.506 5Pa的O23 dm放入6 dm的真空容器中，求O2和N2的分压及混合气体的总压。

解：本题为理想气体状态方程的应用及总压与分压关系。

2.5.在300K，1.013×105

Pa时，加热一敞口细颈瓶到500K，然后封闭其细颈口，并冷却至原来的温度，求这时瓶内的压强。

解：由题意知，当瓶内温度升为500K时，其气体体积将变为原来的5/3倍，因此瓶内气体的物质的量只占全部气体的3/5，对应的压力为1.013×105Pa降温前瓶内的气体的物质的量不变。

2.6.在273K和1.013×105Pa下，将1.0 dm3洁净干燥的空气缓慢通过H3C-O-CH3液体，在此过程中，液体损失0.0335 g，求此种液体273K时的饱和蒸汽压。解

2.8.在291K和总压为1.013×105

Pa时，2.70 dm3

含饱和水蒸汽的空气，通过CaCl2干燥管，完全吸水后，干燥空气为3.21 g，求291K时水的饱和蒸汽压。解

2.10.在273K时，将同一初压的4.0 dm3 N32和1.0dm3 O2压缩到一个容积为2 dm的真空容器中，混合气体的总压为3.26×105 Pa，试求：

（1）两种气体的初压；

（2）混合气体中各组分气体的分压；（3）各气体的物质的量。解：

2.13．已知乙醚的蒸汽热为25900J·mol-1，它在293K的饱和蒸汽压为7.58×104Pa，试求在308K时的饱和蒸汽压。解

2.15.如图所示是NaCl的一个晶胞，属于这个晶胞的Cl（用表示）和Na+（用

表示）各多少个？

解：

第二篇：仪器分析教案

第三节 高效液相色谱法的主要类型及其分离原理

【教学目标】

1.掌握液-液分配色谱法及化学键合相色谱法的分离原理，分配系数、固定相的类型和特点 2.熟悉高效液相色谱法的主要类型 3.熟悉高效液相色谱法的主要类型

4.了解各类高效液相色谱法的特点及应用 【教学重点】

液-液分配色谱法及化学键合相色谱法；分离原理；分配系数 【教学难点】

分配系数；分配系数与组分流出顺序的关系 【复习题】

1.气相色谱法有哪几种类型？各类气相色谱法的固定相与流动相的类型是什么？ 2.各类气相色谱法的分离原理是什么？ 3.分配系数的定义是什么？意义是什么？

【讲授新课】

与气相色谱一样，液相色谱分离系统也由两相——固定相和流动相组成。液相色谱的固定相可以是固定液、吸附剂、化学键合固定相（或在惰性载体表面涂上一层液膜）、离子交换树脂或多孔性凝胶；流动相是各种溶剂。被分离混合物由流动相液体推动进入色谱柱。根据各组分在固定相及流动相中的吸附能力、分配系数、离子交换作用或分子尺寸大小的差异进行分离。色谱分离的实质是样品分子（以下称溶质）与溶剂（即流动相或洗脱液）以及固定相分子间的作用，作用力的大小，决定色谱过程的保留行为。

根据其分离原理不同，高效液相色谱法可分为几种类型：

一． 液-液分配色谱法及化学键合相色谱法

（一）液-液分配色谱法

1.固定相：将液体固定液涂渍在担体上作为固定相。

流动相：液体。

且要求，流动相液体与固定相液体互不相溶。

2．分离原理：溶解——溶解分配平衡过程（组分溶解在固定相中—组分溶解在流动相中），类似于液液萃取机理。

溶质在两相间进行分配时，在固定液中溶解度较小的组分较难进入固定液，在色谱柱中向前迁移速度较快；在固定液中溶解度较大的组分容易进入固定液，在色谱柱中向前迁移速度较慢，从而达到分离的目的。

3.分配系数：

当样品中的被测定组分在固定相和流动相中达到动态平衡时，可以用分配系数来描述这个分配平衡过程：

其中，（1）分离的顺序决定于分配系数的大小：

固定相对某组分的溶解力大于溶剂对某组分的溶解力，K↑，后流出色谱柱 固定相对某组分的溶解力小于溶剂对某组分的溶解力，K↓，先流出色谱柱

（2）某色谱条件下，两组分分配系数差值为零，则代表两组分在该色谱条件下不能分离。4.分类：

正相液-液色谱法：固定相极性＞流动相极性，极性较小组分先出峰，极性较大组分后出峰 适于分离极性较强的物质

反相液-液色谱法：固定相极性＜流动相极性

极性较大组分先出峰，极性较小组分后出峰 适于分离非极性至中等极性的物质

（二）化学键合相色谱法：

（1）固定相：将固定液通过化学反应共价键合到担体（硅胶）表面作为固定相。

流动相：液体。

（2）分离原理：同液-液分配色谱法。（3）分配系数：同液-液分配色谱法。（4）分类：同液-液分配色谱法。

（三）液-液分配色谱法与化学键合相色谱法的对比

液-液分配色谱法 化学键合相色谱法 与担体结合方式 涂渍 共价键合

柱效对比 较低 较高

固定液是否流失 是 否

能否进行梯度洗脱 否 能

另外，化学键合固定相表面固定液一般多为单分子层，因此无液坑，液层薄，传质速度快；且有载样量大，化学性能稳定，重现性高，色谱柱寿命长等优点。目前已经逐渐取代了传统的液液分配色谱，成为液相色谱法中使用最广泛的方法。

二．液-固吸附色谱法

1.固定相：液固吸附色谱法的固定相是固体吸附剂。吸附剂是一些多孔的固体颗粒物质，在它的表面通常存在吸附中心点，可以有效地从气体或液体中吸附其中某些成分。流动相：液体

2.分离原理：吸附——吸附竞争平衡过程（组分吸附在固定相上—流动相吸附在固定相上）

流动相中的溶质分子X（流动相）被流动相S带入色谱柱后，在随流动相流动的过程中，发生如下交换反应：

其作用机制是被分离组分（溶质分子X）与流动相（溶剂分子S）争夺吸附剂表面吸附活性中心的结果（竞争吸附）。在这个过程中，交换能力较强的溶质分子会竞争得到更多的吸附中心点，从而在色谱柱中移动较慢，从而达到分离的目的。3.分配系数：

其中，（1）分离的顺序决定于分配系数的大小：

吸附剂对某组分的吸附力越强，K↑，后流出色谱柱 吸附剂对某组分的吸附力越弱，K↓，先流出色谱柱

（2）某色谱条件下，两组分分配系数差值为零，则代表两组分在该色谱条件下不能分离。

4.应用：

液固色谱法适用于分离分子量中等，能溶于有机溶剂的非离子性化合物，此外，液固色谱法对于分离具有不同官能团的结构相似的化合物、异构体有较高的选择性。

三．离子交换色谱法

1.固定相：是一种带电荷的官能团的固定基质，称为离子交换剂。为保证交换剂的电中性，基质上还存在带相反电荷的离子，称为反离子。

目前常用的三大类离子交换剂基质：合成树脂、纤维素、硅胶。流动相：具有一定pH和盐浓度的缓冲溶液

2.分离原理：吸附——吸附竞争平衡过程（反离子吸附在固定相上—组分离子吸附在固定相上）

在离子交换过程中，流动相中存在的被分析离子（M+）与树脂上吸附的反离子（Y-）之间发生竞争吸附，可用下列平衡表示：

阳离子交换： 阴离子交换：

被分离样品中不同离子对交换剂具有不同的亲和力，在发生竞争吸附时，不同的样品离子交换反离子的能力也不同。对交换剂亲和力较强的样品离子，交换反离子的能力较强，从而在色谱柱中迁移速度较慢，从而达到分离的目的。3.分配系数：

以阴离子交换平衡过程为例，分配系数：

其中，（1）分离的顺序决定于分配系数的大小：

溶质中某离子与离子交换剂的相互作用越强，K↑，后流出色谱柱 溶质中某离子与离子交换剂的相互作用越弱，K↓，先流出色谱柱

（2）某色谱条件下，两组分分配系数差值为零，则代表两组分在该色谱条件下不能分离。

4.应用：

离子交换色谱法特别适用于分离离子化合物、有机酸和有机碱等能电力的化合物和能与离子基团相互作用的化合物。它不仅广泛地应用于有机物质，而且广泛地应用于生物物质的分离，如氨基酸、核酸、蛋白质等生物分子，还能用于维生素的混合物、食品防腐剂、血清等的分离。5.分类：

阳离子交换色谱和阴离子交换色谱

【小结】

1． 固定相：

液-液分配色谱法 将液体固定液涂渍在担体上作为固定相

化学键合相色谱法 将固定液通过化学反应共价键合到担体（硅胶）表面作为固定相 液-固吸附色谱法 吸附剂 离子交换色谱法 离子交换剂 2．分离原理

液-液分配色谱法 溶解——溶解分配平衡过程（组分溶解在固定相中—组分溶解在流动相中）化学键合相色谱法 溶解——溶解分配平衡过程（组分溶解在固定相中—组分溶解在流动相中）液-固吸附色谱法 吸附——吸附竞争平衡过程（组分吸附在固定相上—流动相吸附在固定相上）离子交换色谱法 吸附——吸附竞争平衡过程（反离子吸附在固定相上—组分离子吸附在固定相上）3．各种色谱法的分配系数表示方法虽各不相同，但分配系数与组分流出顺序的关系均可表述为，组分K↑，后流出色谱柱；组分K↓，先流出色谱柱。

【作业】

课后习题 2、6、9。

第九节 高效液相色谱法在食品检测中的应用

【教学目标】

1.了解高效液相色谱法在食品检测中的具体应用实例

2.能够通过实例系统地了解之前所学关于高效液相色谱法的具体内容 3.了解食品高效液相色谱法前处理知识 【教学重点】

外标法定量的运用 【教学难点】

不同定量方法的运用 【复习题】

1.液相色谱法的主要定量方法包括哪几种？

【讲授新课】

5.动物源食品呋喃唑酮残留量的测定

呋喃唑酮（痢特灵）是一种抗菌效果非常好的广谱抗生素药物，曾被广泛应用于家禽、家畜、水产品中的疾病预防和治疗。近年的研究表明，呋喃唑酮及其代谢物具有致基因突变和致癌性。美国1993年禁止呋喃唑酮作为兽药，欧盟将其列为违禁药品，我国农业部第235号公告中也规定动物性食品中呋喃唑酮检出限为不得检出。

（一）原理：反相色谱法

（二）色谱条件：

固定相：C18柱

流动相：乙腈—磷酸溶液 检测器：Uv-vis检测器 检测波长：367nm 流速：1.0ml/min 进样量：20ul

（三）测定方法： 1．试样前处理：

固体试料破碎→混合→初分离→浓缩→再分离→过滤→供试样液

2．测定方法（外标法）：

（1）标准对照品溶液的配制与测定：精密称取呋喃唑酮标准对照品适量，配制成一定浓度的溶液Cs。在上述色谱条件下得到色谱流出曲线，呋喃唑酮的保留时间在4.5min附近，得到呋喃唑酮峰的峰面积As。

（2）样品溶液测定：试样溶液在上述色谱条件下分离得到试样的色谱流出曲线，得到试样中呋喃唑酮的峰面积Ax。

（3）外标法计算：利用下式即可计算的出样品中的呋喃唑酮含量

二．高效液相色谱测定保健食品中的黄芪甲苷

黄芪是多年生草本豆科植物，药用历史悠久、广泛。皂苷是黄芪中的主要有效成分之一，而黄芪皂苷以黄芪甲苷为主。黄芪甲苷具有增强机体免疫力、抗氧化、促进细胞生长，抑制内毒素等作用。所以在一些保健食品中，黄芪甲苷作为功能性添加剂成分有添加。例如，蜂胶黄芪软胶囊、虫草鸡精口服液。

（一）原理：反相色谱法

（二）色谱条件：

固定相：C18柱 流动相：乙腈—水

检测器：二极管阵列检测器 检测波长：227nm 流速0.8ml/min 进样量：10ul

（三）测定方法（外标法峰面积标准曲线法）： 1．试样前处理：

虫草鸡精口服液试样→浓缩→定容→过柱（大孔吸附树脂）→浓缩→过滤→供试样液 2．测定方法：

（1）标准对照品溶液的配制与测定：精密称取黄芪甲苷标准对照品适量，配制为浓度从低到高的一系列溶液C1……C5（5.0，10.0，20.0，40.0，50.0μg/mL）。在上述色谱条件下依次得到相应色谱流出曲线，并得到峰面积A1……A5。

（2）标准曲线的绘制：以峰面积A对浓度进行线性回归，得线性回归方程，即为标准曲线。

（3）样品溶液测定：在标准曲线的线性范围内，加载供试样液，得到样品色谱流出曲线，测量其中黄芪甲苷对应峰的峰面积。

将样品黄芪甲苷峰的峰面积带入线性回归方程，利用标准曲线法即可算出样品中的黄芪甲苷含量。

三．高效液相色谱法同时进行测定食品中安赛蜜、糖精、苯甲酸、山梨酸和咖啡因

食品添加剂若使用不当，添加过量，就会对人体产生毒副作用。

（一）原理：反相色谱法

（二）色谱条件：

固定相：C18柱

流动相：甲醇—柠檬酸铵 检测器：Uv-vis检测器 检测波长215nm 流速1.0ml/min 进样量20μL 柱温40℃

（三）测定方法： 1．试样前处理：

（1）乳状液体样品（果奶、冰淇淋等）：

试样→沉淀蛋白质→过滤、脱气→供试样液

（2）澄清液体样品（汽水、可乐等）：

试样→脱气→稀释→过滤→供试样液

（3）固状样品（肉制品、酱脆菜等）：

试样→捣碎→加入溶剂→沉淀蛋白质→过滤、脱气→供试样液

2．测定方法（外标法峰高标准曲线法）：

（1）标准溶液配制：使用流动相配制安赛蜜、糖精钠、苯甲酸、山梨酸、咖啡因标准溶液（1mg/mL），将各标准液按照安赛蜜、糖精钠、苯甲酸、山梨酸、咖啡因比例依次为5.0、4.0、5.0、5.0、5.0μg/mL混合，得到混合标准溶液。将混合标准溶液用水稀释成6个浓度C1……C6

（2）确定成分峰位置：首先用各自的标准溶液稀释，在色谱条件下进行分析，定性确定每个峰对应的成分。

（3）标准曲线：在上述色谱条件下，6个浓度的混合标准溶液分别得到相应色谱流出曲线，并得到峰高h1……h6。以峰高h对含量进行线性回归，得各种标准物质的线性回归方程，即为标准曲线。

（4）样品溶液测定：在标准曲线的线性范围内，加载供试样液，得到每种样品的色谱流出曲线，测量其中添加剂对应峰的峰高。

将样品添加剂相关峰的峰高带入线性回归方程，利用标准曲线法即可算出样品中各种添加剂的含量。

四．反相高效液相色谱法测定巧克力中香兰素

香兰素是重要的食用香料之一，是食用调香剂，具有香荚兰豆香气及浓郁的奶香，是食品添加剂行业中不可缺少的重要原料，广泛运用在各种需要增加奶香气息的调香食品中，香兰素是国家允许添加的食品添加剂，按国标添加不会对身体造成伤害。但大剂量食用可导致头痛、恶心、呕吐、呼吸困难，甚至损伤肝肾等。

（一）原理：反相色谱法

（二）色谱条件：

固定相：C18柱 流动相：甲醇—水 检测器：Uv-vis检测器 检测波长：280nm 流速：1.0ml/min 进样量：10μL 柱温：35℃

（三）测定方法： 1．试样前处理：

巧克力样品→加水加温溶解→定容→离心取上层清液→过滤→供试样液

2．测定方法：

外标法峰面积标准曲线法定量

参见实验二．高效液相色谱测定保健食品中的黄芪甲苷中的标准曲线测定方法

【小结】

1．样品预处理：根据样品状态不同采用不同的预处理方法，再利用相似相溶粗提取要测的成分。2．分析实例中用的是反相色谱，其固定相为十八烷基硅烷键合硅胶，极性小于流动相（乙腈-水；乙腈-磷酸盐；甲醇-水；甲醇-柠檬酸）。且分析的样品都是弱极性、中等极性的样品。3．含量测定：外标法（标准曲线法、峰面积法、峰高法）

【作业】

课后题 10。

第三篇：仪器分析教案

仪器分析教案：

遵义师范学院 敖克厚

一、仪器分析要求

仪器分析实验是仪器分析课程的重要组成部分，通过实验可使学生更好的理解和掌握理论教学中所介绍的各种分析仪器的原理，正确掌握各种常用仪器的结构及基本操作技能，针对不同的分析对象，会正确选择适当的仪器分析方法，包括确定分析仪器﹑试剂﹑分析条件﹑分析步骤﹑获得实验数据及正确进行数据处理等。通过实验可培养学生综合应用各种仪器分析方法解决相应环境监测对象的能力。

二、实验须知

1、实验者应准备一本编有页码的实验记录本，不能使用单页纸或活页本。

2、写预习报告： 实验前，应充分预习实验的方法和原理、实验步骤、仪器使用等内容。在实验记录本上，拟订好实验的操作步骤，预先记录实验必要的常数及计算公式。还应事先划好记录数据的表格，以便有条理且不遗漏地记录数据。

3、实验应紧张有序地进行。实验过程中应认真观察思考，如实地记录数据和实验现象，忠实地、完整地记录实验过程、测量数据及有关资料。记录的原始数据不得随意涂改。如果需废弃某些记录的数据，则可在其上划一道线。

4、还要始终保持实验场所的清洁、整齐和安静。每个学生都应遵守实验室规则，养成良好的实验习惯。药品、试剂、电、水、气体等都应节约使用，并重视实验室安全。实验室中的仪器不能随意摆弄，以防损坏或发生其他事故。

5、实验完成后，应及时写出实验报告。报告应包括：

①实验题目、完成日期、姓名、合作者

②实验目的、简要原理、所用仪器、试剂及主要实验步骤

③实验数据及计算结果，实验的讨论

④原始实验数据记录 ⑤解答实验思考题

报告中所列的实验数据和结论，应组织得有条理，合乎逻辑，还应表达得简明正确，并附上应有的图表。

二、实验数据及分析结果的表达

1.列表法

列表法表达数据，具有直观、简明的特点。实验的原始数据一般均以此方法记录。

列表需标明表名。表名应简明，但又要完整地表达表中数据的含义。此外，还应说明获得数据的有关条件。表格的纵列一般为实验号，而横列为测量因素。记录数据应符合有效数字的规定，并使数字的小数点对齐，便于数据的比较分析。一般使用三线表法记录数据。

一、列表法

列表法是以表格形式表示数据。其优点是列入的数据是原始数据，可以清晰地看出数据的过程，亦便于日后对计算结果进行检查和复核；可以同时列出多个参数的设置，便于同 时考察多个变量之间的关系。当数据很多时，列表占用篇幅过大，显得累赘。用列表法表示数据时，需要注意规范化：

(1)选择适合的表格形式，在现在的科技文献中，通常采用三线制表格，而不采用网格式表。

(2)简明准确地标注表名，表名标注于表的上方。当表名不足以充分说明表中数据含义时，可以在表的下方加标注。

(3)表的第一行为表头，表头要清楚标明表内数据的名称和单位。名称尽量用符号表示。同一列数据单位相同时，将单位标注于该列数据的表头，各数据后不再加写单位。单位的写法采用斜线制。

(4)在列数据时，特别是数据很多时，每隔一定量的数据留一空行。上下数据的相应位数要对齐，各数据要按照一定的顺序排列。

2.图解法

图解法可以使测量数据间的关系表达得更为直观。在许多测量仪器中使用记录仪记录获得测量图形，利用图形可以直接地或间接求的分析结果。

⑴利用变量间的定量关系图形求得未知物含量

定量分析中的标准曲线，就是将自变量浓度为横坐标，应变量即各测定方法相应的物理量为纵坐标，绘制标准曲线。对于欲求的未知物浓度，可以由它测得的相应物理量值从标准曲线上查得。

⑵通过曲线外推法求值

分析化学测量中常用间接方法求测量值。如对未知试样可以通过连续加入标准溶液，测得相应方法的物理量变化，用外推作图法求得结果。

3求函数的极值或转折点

○ 3 实验常需要确定变量之间的极大、极小、转折等，通过图形表达后，可迅速求得其值。

如光谱吸收曲线中，峰值波长及它的摩尔吸光系数的求得；滴定分析中，通过滴定曲线上的转折点求得滴定终点等。

⑷图解微分法和图解积分法

如利用图解微分法来确定电位滴定的终点，在气相色谱法中，利用图解积分法求色谱峰面积。

3.作图方法

作图的方法和技术将影响图解结果，现将标绘时的要点介绍如下：

⑴标绘工具及图纸

绘图工具主要有铅笔（1H），透明直尺及曲尺，圆规等。

一般情况下，均选用直角坐标纸。如果一个坐标是测量值的对数，则可用单对数坐标纸，如直接电位法中，电位与浓度的曲线绘制。如果两个坐标都是测量值的对数，则要用双对数坐标纸。

⑵坐标标度的选择

①以自变量为横坐标，应变量为纵坐标。

②选择合适的坐标标绘变量，使测量结果尽可能绘得一条直线，便于绘制和应用。

③绘出的直线或近乎直线的曲线，应使它安置在接近坐标的45角。

④标的标度。第一，应使测量值在坐标上的位置方便易读。如坐标轴上各线间距表示数量1、2、4或5是适宜的，但应避免使用3、6、7或9等数字。第二，应能表达全部有效数字，图上读出各物理量的精密度应与测量的精密度一致。第三，坐标的起始点不一定是零。可用低于最低测量值的某一整数作起点，高于最高测量值的某一整数作终点，以充分利用坐标纸，但各个测量值的坐标精密度不超过1-2个最小分度。

⑶图纸的标绘

①各坐标轴应标明该轴的变量名称及单位，并在纵轴的 左面及横轴的下面，每隔一定距离标明变量的数值，即分度值，但不要将实验数据写在轴旁。标记分度值的有效数字一般应与测量数据相同。

②标绘数据时，可用符号代表点，如用“⊙”，其中心点代表测得的数据值，圆点的大小应与测量的精密度相当。若在一张图纸上绘几条曲线，则每组数据应选用不同的符号代表，如+、×、等，但在一张图纸上不宜标绘过多。当两个变量的精密度相差较大时，代表点可用矩形符号或变相矩形符号。

③会线时，如果两个量成线性关系，按点的分布情况作一直线，所绘的直线应与各点接近，但不必通过所有点，因为直线表示代表点的平均变动情况。在绘制曲线时，也应按此原则。如果毫无理由的将个别点远离曲线，这样所绘的曲线是不正确的，一般讲，曲线上不应有突然弯曲和不连续的地方，但如果这种情况确实超出了测量值的误差范围，则不能忽视。如光谱吸收曲线上的突然弯曲显示了峰肩的存在。

曲线的具体绘法，先用淡铅笔手绘一条曲线，再用曲线板依曲线逐段凑合描光滑，并注意各段描线的衔接，使整条曲线连续。⑷图名和说明

绘好图后应注上图名，测量的主要条件，最后标写姓名、日期。

4.分析结果的数值表示

报告分析结果时，必须给出多次分析结果的平均值以及它的精密度。注意数值所表示的准确度与测量工具、分析 方法的精密度相一致。报告的数据应遵守有效数字规则。

重复测量试样，平均值应报告出有效数字的可疑数。例：三次重复测量结果为11.32、11.35、11.32，内中11.3为确定数，第四位为可疑数，其平均值应报告11.33。若三次结果为11.42、11.35、11.22，则小数点后一位就为可疑数，其平均值应报11.3。

当测量值遵守正态分布规律时，其平均值为最可信赖值和最佳值，它的精密度优于个别测量值，故在计算不少于四个测量值的平均值时，平均值的有效数字位数可增加一位。

一项测定完成后，仅报告平均值是不够的，还应报告这一平均值的偏差。在多数场合下，偏差值只取一位有效数字。只有在多次测量时，取两位有效数字，且最多只能取两位。然后用置信区间来表达平均值的可靠性更可取。

二、仪器分析实验中的数据处理知识：

1、曲线拟合

在仪器分析中，绝大多数情况下都是相对测量，需用校正曲线进行定量建立校正曲线，就是基于使偏差平方和达到极小的最小二乘法原理，回归分析： 因变量：仪器响应值，自变量：被测定样品的已知值。

原理：最小二乘法，对若干个对应的数据（x1,y1），（x2,y2），（xn,yn），用函数进行拟合。从作图的角度说，就是根据平面上一组离散点，选择适当的连续曲线近似地拟合这一组离散点，以尽可能完善到表示仪器响应值和被测定量的之间的关系。这种基于最小二乘法原理研究因变量与自变量之间的相关关系的方法，称为回归分析。

用回归分析建立仪器分析校正曲线，因变量是仪器响应值，是具有概率分布的随机变量，自变量是被测定量（浓度），为无概率分布的固定变量。所建立的校正曲线，描述了因变量与自变量之间的相关关系，并可根据各自变量的取值对因变量进行预报和控制。

bn xiyixiyi

nxi2xi2a ybx相关系数

用最小二乘法原理拟合回归方程，其斜率和截距分别为：所拟合的回归方程及建立的曲线在统计上是否有意义，可用相关系数进行检验。相关系数r是表征变量之间相关 7 程度的一个参数，若γ大于相关系数表中的临界值r0.05，f，表示所建立的回归方程和回归线是有意义的；反之，γ若小于r0.05，f，则表示所建立的回归方程和回归线没有意义。r的绝对值在0至1的范围内变动，r值越大，表示变量之间相关的程度越密切。当y随x增大而增大，称为y与x为正相关，为正值；当y随x增大而减少，称y与x为负相关，r为负值。

表1

相关系数表临界值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：仪器分析绪论教案

第一章 绪论

一.教学内容 1． 2． 3． 仪器分析的产生与发展概况 仪器分析的分类与特点 仪器分析的发展趋势

二．重点与难点

1.仪器分析与化学分析的联系和区别 2.仪器分析的分类依据与各类特点 3.仪器分析的发展趋势 三．学时安排学时

一、课程简介

仪器分析法是以测量物质的物理性质为基础的分析方法。这类方法通常需要使用较特殊的仪器，故得名“仪器分析”。随着科学技术的发展，分析化学在方法和实验技术方面都发生了深刻的变化，特别是新的仪器分析方法不断出现，且其应用日益广泛，从而使仪器分析在分析化学中所占的比重不断增长，并成为化学工作者所必需掌握的基础知识和基本技能。

仪器分析是化学类专业必修的基础课之一。通过本课程的学习

1.要求学生掌握常用仪器分析方法的原理 和仪器的简单结构； 2.要求学生初步具有根据分析的目的，结合学到的各种仪器分析方法的特点、应用范围，选择适宜的分析方法的能力。分析化学—化学分析、仪器分析

分析化学是研究物质的组成、状态和结构的科学，它包括化学分析和仪器分析两大部分。

化学分析是指利用化学反应和它的计量关系来确定被测物质的组成和含量的一类分析方法。测定时需使用化学试剂、天平和一些玻璃器皿。

仪器分析是以物质的物理和物理化学性质为基础建立起来的一种分析方法，测定时，常常需要使用比较复杂的仪器。

仪器分析的产生为分析化学带来革命性的变化，仪器分析是分析化学的发展方向。

仪器分析的特点（与化学分析比较）

1.灵敏度高，检出限量可降低。如样品用量由化学分析的mL、mg级降低到仪器分析的g、L级，甚至更低。适合于微量、痕量和超痕量成分的测定。

2.选择性好。很多的仪器分析方法可以通过选择或调整测定的条件，使共存的组分测定时，相互间不产生干扰。3.操作简便，分析速度快，容易实现自动化。仪器分析的特点（与化学分析比较）

4.相对误差较大。化学分析一般可用于常量和高含量成分分析，准确度较高，误差小于千分之几。多数仪器分析相对误差较大，一般为5%，不适用于常量和高含量成分分析。5.需要价格比较昂贵的专用仪器。

仪器分析与化学分析的区别不是绝对的，仪器分析是在化学分析基础上的发展。

不少仪器分析方法的原理，涉及到有关化学分析的基本理论；不少仪器分析方法，还必须与试样处理、分离及掩蔽等化学分析手段相结合，才能完成 分析的全过程。

仪器分析有时还需要采用化学富集的方法提高灵敏度； 有些仪器分析方法，如分光光度分析法，由于涉及大量的有机试剂和配合物化学等理论，所以在不少书籍中，把它列入化学分析。应该指出，仪器分析本身不是一门独立的学科，而是多种仪器方法的组合。可是这些仪器方法在化学学科中极其重要。它们已不单纯地应用于分析的目的，而是广泛地应用于研究和解决各种化学理论和实际问题。因此，将它们称为 “化学分析中的仪器方法 ”更为确切。

二、仪器分析方法的分类

三、发展中的仪器分析

1.20世纪40~50年代兴起的材料科学，60 ~70年代发展起来的环 3 境科学都促进了分析化学学科的发展。80年代以来，生命科学的发展也促进分析化学一次巨大的发展。仪器分析是分析化学的重要组成部分，也随之不断发展，不断地更新自己，为科学技术提供更准确、更灵敏、专

一、快速、简便的分析方法。

2.如生命科学研究的进展，需要对多肽、蛋白质、核酸等生物大分子进行分析，对生物药物分析，对超微量生物活性物质，如单个细胞内神经传递物质的分析以及对生物活体进行分析。

3.信息时代的到来，给仪器分析带来了新的发展。信息科学主要是信息的采集和处理。

4.计算机与分析仪器的结合，出现了分析仪器的智能化，加快了数据处理的速度。它使许多以往难以完成的任务，如实验室的自动化，图谱的快速检索，复杂的数学统计可轻而易举得于完成。信息的采集和变换主要依赖于各类的传感器。这又带动仪器分析中传感器的发展，出现了光导纤维的化学传感器和各种生物传感器。5.联用分析技术已成为当前仪器分析的重要发展方向。将几种方法结合起来，特别是分离方法（如色谱法）和检测方法（红外光谱法、质谱法、核磁共振波谱法、原子吸收光谱法等）的结合，汇集了各自的优点，弥补了各自的不足，可以更好地完成试样的分析任务。

联用分析技术：

1.气相色谱—质谱法（GC—MS）

2.气相色谱—质谱法—质谱法（GC—MS—MS）

3.气相色谱—原子发射光谱法（GC—AED）

4.液相色谱—质谱法（HPLC—MS）

四、仪器分析方法的优点是：

1.操作简便而快速，对于含量很低（如质量分数为 10-8 或 10-9

数量级）的组分，则更具独特之处。

2.被测组分的浓度变化或物理性质变化能转变成某种电学参数（如 电阻﹑电导 ﹑电位 ﹑ 电容﹑电流等），故易于实现自动化和连 接电子计算机。因此，仪器分析具有简便 ﹑ 快速﹑灵敏﹑易于实 现自动化等特点。对于结构分析，仪器分析法 也是极为重要和必 不可少的工具。生产的发展和科学的进步，不仅对分析化学在提 高准确度 ﹑灵敏度和分析速度等方面提出更高的要求，而且还不 断提出更多的新、课题。一个重要的方面是要求分析化学能提供更 多﹑更复杂的信息。

课时分配

光学分析法（33学时）

1.绪论（1学时）；

2.光学分析法导论（2学时）3.原子发射光谱法（5学时）

4.原子吸收光谱法和原子荧光光谱法（6学时）5.紫外—可见分光光度法（5学时）6.红外光谱法（3学时）

7.分子发光分析法（5学时）

8.核磁共振波谱法（3学时）

9.质谱法（3学时）电学分析法（17学时）

1.电分析化学导论（3学时）

2.电位分析法（4学时）

3.电解和库仑分析法（4学时）

4.伏安和极谱分析法（6学时）色谱分析法（14学时）

1.色谱分析导论（4学时）

2.气相色谱法（5学时）

3.液相色谱法（5学时）

*其他仪器分析方法简介：（2学时）

参考书

仪器分析

（武汉大学）（教材）

仪器分析教程

北京大学化学系

仪器分析教学组（主要参考书）

分析化学（仪器分析部分）仪器分析原理

方惠群等 参考书（学术期刊）国内

1.分析化学

2.高等学校化学学报

3.光谱学与光谱分析 国外

1.Analytical

Chemistry

2.Analyst

林树昌等

（北京师范大学）（南京大学）6

第五篇：仪器分析课程教案

第十二章 电解分析法和库仑分析法

一、基本要点：

1.熟悉法拉第电解定律；

2.掌握控制电位电解的基本原理； 3.理解控制电位库仑分析方法；

4.掌握恒电流库仑滴定的方法原理及应用。

二、学时安排：4学时

电解分析法包括两方面的内容：

1．利用外加电源电解试液后，直接称量在电极上析出的被测物质的重（质）量来进行分析，称为电重量分析法。2．将电解的方法用于元素的分离，称为电解分离法。

库伦分析法是利用外加电源电解试液，测量电解完全时所消耗的电量，并根据所消耗的电量来测量被测物质的含量。

第一节 电解分析的基本原理

一、电解现象

电解是一个借外部电源的作用来实现化学反应向着非自发方 向进行的过程。电解池的阴极为负极，它与外界电源的负极相连；阳极为正极，它与外界电源的

正极相连。

例如：在CuSO4溶液侵入两个铂电极，通过导线分别与电池的正极和负极相联。如果两极之间有足够的电压，那末在两

电极上就有电极反应发生。

阳极上有氧气放出，阴极上有金属铜析出。通过称量电极上析

出金属铜的重量来进行分析，这就是电重量法。

二、.分解电压与超电压

分解电压可以定义为:被电解的物质在两电极上产生迅速 的和连续不断的电极反应时所需的最小的外加电压。从理论上 讲，对于可逆过程来说，分解电压在数值上等于它本身所构成的 原电池的电动势，这个电动势称为反电动势。反电动势与分解电 压数值相等，符号相反。反电动势阻止电解作用的进行，只有当 外加电压达到能克服此反电动势时，电解才能进行。实际分解电 压并不等于（而是大于）反电动势，这首先是由于存在超电压之 故。

超电位（以符号η来表示）是指使电解已十分显著的速度 进行时，外加电压超过可逆电池电动势的值。超电压包括阳极超 电位和阴极超电位。对于电极来说，实际电位与它的可逆

电位之间的偏差称为超电位。在电解分析中，超电位是电 化学极化和浓差极化引起的，前者与电极过程的不可逆性有关。后者与离子到达电极表面的速度有关。超电位是电极极化的度

量。超电位的大小与很多因素有关，主要有以下几方面： 1．电极的种类及其表面状态； 2．析出物的形态； 3．电流 密度； 4．温度； 5．机械搅拌。

三、电解方程式

在电解过程中，外加电压(V),反电动势(E反)，电解电流(i)及电解池内阻(R)之间的关系可表示如下：

电解方程式是电化学分析法的基本定律之一。通过（1）可以计算出溶液电解所需的合理外加电压，以硫酸铜溶液为例，该电解池所需的外加电压为：

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

四、两种电解过程

能斯特方程式有两方面的含义：

1．对于一定的氧化还原体系（即与还原态活度的比率决定电极电位。2．对于一定的氧化还原体系（即极表面氧化态与还原态活度的比率。

究竟哪一个起主导作用，这要看具体的电解过程。电解过 程有两种：控制电流电解过程和控制电位电解过程。在控制电流 电解过程中，外加电压一般较大，保证电极上总有化学反应不断 发生，电流强度基本保持不变。在控制电位电解过程中，调节 外加电压，工作电极的电位控制在某一定数值或某一小范围内，使被测离子在电极上析出，其它离子留在溶液中。第二节 电解分析法

一、.控制电流电解分析法 1．仪器装置

2．控制电流电解过程中的电位—时间曲线

电解过程中阴极电位与时间的关系曲线如图所示。

一定），电极表面氧化态

一定），电极电位决定电

电解一开始，阴极电位立即从较正的电位向负的方向变化，到电位达到的还原电位时，阴极电位符合能斯特方程式:

3．应用

用控制电流电解分析法测定的常见元素

控制电流电解法一般只适用于溶液中只含一种金属离子的情况。如果溶液中存在两种或两种以上的金属离子，且其还原电位相差不大，就不能用该法分离测定，所以选择性不高是该法的最大缺点。但这种方法可以分离电动序中氢以前和氢以后的金属。

二、控制阴极电位电解分析法

在控制阴极电位电解分析法中，调节外加电压是工作电极的电位控制在一定范围内或某一电位值，使被测离子在工作电极上析出，而其它离子还留在溶液中，从而达到分离和测定元素的目的。

1．装置2．阴极电位的选择

需要控制的电位值，通常是通过比较在分析实验条件下共存 离子的i-E曲线而确定的。从图中可以看出，要使甲离子还原，阴极电位须负于a，但要防止乙离子析出，阴极电位又须正与b，因此，阴极电位控制在a与b之间就可使甲离子定量析出而乙离 子仍留在溶液中。

3．控制电位电解过程中电流与时间的关系

在控制电位电解过程中，由于被测金属离子在阴极上不断还 原析出，所以电流随时间的增长而减小，最后达到恒定的最小值。由曲线图可知，电解电流随时间的增长以负指数关系衰减。阴极 电位虽然不变，但外加电压却随时间下降。因此，在控制阴极电 位电解过程中，需要不断的降低外加电压，同时电解电流也随时 间而逐渐减小。当电流趋于零时，说明电解已经完全。4．应用

控制阴极电位电解法的最大特点是它的选择性好，所以它的 用途较控制电流电解法广泛。只要阴极电位选择得当，可以使共 存金属离子依次先后在阴极上分别析出，实现分离或分别定量测 定。

第三节 电重量分析的实验条件 一．影响金属析出性质的因素 1．电流密度的影响 2．搅拌和加热的影响 3．酸度的影响

4．络合剂的影响

二、阴极干扰反应及其消除方法 溶解氧或氯的影响 阳极上的再氧化 Pt 阳极的溶解

第四节 库仑分析法基础

一、法拉第定律 法拉第定律包括两方面内容：

1．电流通过电解质溶液时，物质在电极上析出的质量与通过电解池的电量成正比，即与电流密度和通过电流的时间的乘积成正比。这是法拉第第一定律。

m ∝ Q

m ∝ i.t;Q = i.t

2．相同的电量通过各种不同的电解质溶液时，在电极上所获得的各种产物的质量与它们的摩尔质量成正比。这是法拉第第二定律。合并法拉第第一，第二定律可以得到

m = MB.i.t /F

式中，MB为电解产物的摩尔质量。MB /F 相当于通过1库伦电量使物质在电极上析出的质量。

二、电流效率

由法拉第电解定律可知，当物质以100%的电流效率进行电解反应时，那麽就可以通过测量进行电解反应所消耗的电量(库伦数)，求得电极上起反应的物质的量。所谓100%的电流效率，指电解时电极上只发生主反应，不发生副反应。影响电流效率的主要因素有：

溶剂的电极反应。

电解质中的杂质在电极上的反应

溶液中可溶性气体的电极反应

电极自身的反应

（5）电解产物的再反应

第五节 控制电位库仑分析法

原理和装置

控制电位库仑分析用控制电极电位的方法进行电解，并用库仑计或作图法来测定电解时所消耗的电量，由此计算出电极上起反应的被测物质的量。

测量电量的方法：

库仑计——氢氧气体库仑计的构造

它由一支带有活塞和两个铂电极的玻管同一支刻度管相连接，管中充以0.5mol/LK2SO4溶液。当有电流流过时，铂阴极上析出氢气，铂阳极上析出氧气，从右边管中电解前后液面差就可读出氢氧气体的总体积。在标准状况下，每库仑电量析出0.1739mL氢氧混合气体。根据法拉第定律，即可得到被测物质的量。

第六节 控制电流库仑分析法

一、基本原理和装置

1．.控制电流库仑分析基本原理

广义上说，控制电流库仑分析是指以恒定电流进行电解，测量电解完全时所消耗的时间，再由法拉第定律计算分析结果的分析方法。它可按下述两种类型进行：

(1)被测定物质直接在电极上起反应；

(2)在试液中加入大量物质，使此物质经电解反应后产生一种试剂，然后此试剂与被测物起反应。一般都按第二种类型进行。这种方法是在试液中加入适当的辅助剂后，以一定强度的恒定电流进行电解，由电极反应产生一种“滴定剂”。该滴定剂与被测物质发生定量反应。当被测物质作用完后，用适当的方法指示终点 8 并立即停止电解。由电解进行的时间t(s)及电流强度I(A)，可按法拉第定律计算被测物的量 2．仪器装置

二、指示终点的方法 1．.化学指示剂法

普通容量分析中所用的化学指示剂，均可用于库仑滴定法

中。例如，肼的测定，电解液中有肼和大量KBr，加入MO为指示剂，电极反应为：

电极上产生的Br2与溶液中的肼起反应：

NH2-NH2 + 2Br2 = N2 + 4HBr 过量的Br2使指示剂退色，指示终点，停止电解。2．电位法

利用库仑滴定法测定溶液中酸的浓度时，用玻璃电极和甘汞电极为检测终点电极，用pH计指示终点。此时用Pt电极为工作电极，银阳极为辅助电极。电极上的反应为：

由工作电极发生的反应使溶液中OH-产生了富余，作为滴定剂，使溶液中的酸度发生变化，用pH计上pH的突跃指示终点。

3．死停终点法

通常是在指示终点用的两只铂电极上加一小的恒电压，当达到终点时，由于试液中存在一对可逆电对（或原来一对可逆电对消失），此时铂指示电极的电流迅速发生变化，则表示终点到达。

三、库仑滴定的应用及特点

凡是与电解所产生的试剂能迅速而定量地反应的任何物质，均可用库仑滴定法测定。

表：库仑滴定应用实例

库仑滴定具有下列特点：

（1）不需要基准物质。

（2）不需要标准溶液。

（3）灵敏度高，适于微量和痕量分析。

（4）易于实现自动化和数字化，便于遥控分析。