现代仪器分析-荧光分析教案2011（写写帮整理）

第一篇：现代仪器分析-荧光分析教案2011（写写帮整理）

山 东 中 医 药 大 学

教

案

首

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教研室主任：吕青涛 授

课

人：吕青涛

研究生(部)2011 年级 中药 专业 班 2011 年 9 月 20日

题

目:

荧光分析法

教学目的与要求:

（1）掌握分子荧光、磷光和化学发光的产生机理；掌握激发光谱和发射光谱特征。

（2）掌握荧光与分子结构的关系以及溶液的荧光（磷光）强度影响因素。

（3）熟悉荧光（磷光）分析法的特点及定量测定方法。（4）了解磷光分析法的类型。

（5）熟悉荧光、磷光和化学发光分析仪器的结构。

内容与时间分配:

①

荧光分析原理：120min； ②

荧光仪器：20min； ③

分析方法：40min； ④

磷光分析简介：20min；

重点与难点:

1、荧光的产生；

2、荧光光谱与激发光谱；

3、荧光与分子结构

4、影响因素

5、分析方法

教具准备:

PPT

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文

荧光分析法（fluorometry）

灵敏度高，紫外－可见法10g/ml 待测物质：分子荧光

原子荧光 激发光： 紫外可见荧光

红外可见荧光

X－射线荧光

1、基本原理

利用目一波长得光照射试样，使试样吸收这一辐射，然后再发射出波长相同或较长得光，若这-9种再发射约在10秒内发生，称为荧光，利用荧光得强度和特性对物质进行定性、定量分析，称为荧光分析法。

当分子轨道中电子吸收光子跃迁，若电子跃迁后，处于自旋方向相反得状态，则总自旋量子数S＝0，体系的多重性M=2S+1，既为激发态的单线态（此分子在磁场中不产生能级裂分）

若电子跃迁后，处于自旋方向相同的状态，则总自旋量子数S=1/2+1/2=1,体系的多重性M=2S+1=3,即为三线态（在磁场中，三线态的电子能级产生裂分，一条线可分裂成三条线。三线态的能量较相应单线态的能量低）。

[电子由单单跃迁，所需E1

紫外－可见光照射物质，基态分子不断跃迁到激发态，则分子的紫外吸收应逐渐减小至消失，但事实上物质分子能够连续吸收紫外－可见光，说明存在一条或多条从分子激发态往基态的途径。

①振动弛豫：无辐射跃迁，只在同一电子能级内进行。

激发态分子由于分子间碰撞或分子与晶格间的相互作用，以热的形式损失掉部分能量，从振动能级的较高能级下降。

既激发态不同振动能级间的能量释放，这部分能量以热的形式释放，而不是以光辐射的形式发出，故振动弛豫属于无辐射跃迁。

②荧光发射

电子由激发态的最低振动能级回迁到基态，释放出能量，发射的光为荧光。由于已损失了部分能量，所以荧光的波长<原照射的紫外光波长。③内部能量转换：非辐射过程

激发态分子将激发态能转变为热能，回到基态。

第二电子激发态S2的的振动能级与第一电子激发态的高振能级的ΔE较小，甚至重叠，所以，他们之间的内部能量转换很容易发生，速度很快。

因此，分子无论在哪一个激发单线态都能通过内部能量转换到达低一级激发态的最高振动能级；然后通过振动弛豫回到起最低振动能级；最终回到基态的最低振动能级。这一过程成为内部卒灭。大多数物质的内部卒灭过程很快，所以无荧光发出。

④内部能量转换

激发态分子通过碰撞将能量转移给其他分子，直接回到基态，导致外部卒灭。例：溶剂中含荧光卒灭剂或温度较高时，易产生外部卒灭。⑤体系间交叉跃迁

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电子由激发单线的最低振动能级激发三线态的最高振动 多数分子：体系间交叉跃迁时禁阻的。

极少数分子可以（如含溴、碘等重原子）因为其自旋轨道的强偶合作用，电子自旋可以逆转方向，时体系跨越容易。

⑥磷光发射

电子通过振动弛豫从激发态三线态的最高振动最低，然后发出光发射跃迁至基态的各个振动能级，这种光辐射称磷光发射。

激发三线态最低振动能级低于……单线态…… 所以磷光辐射能量<荧光 磷光辐射波长>荧光 荧光法不普及：

室温下难呈现①体系间跨越几率小

②体系间跨越后，又一改体系间跨跃回到激发单线态荧光 ③分子间碰撞，溶剂间作用，各种卒灭效应。所以，磷光法：液氮冷冻条件下激发。⑦延迟荧光

分子在激发三线态的振动基态可以存活一定时间，所以需时较长。

2、激发光谱与荧光光谱

荧光时分子受激发射光谱，所以有两个特征光谱：激发光谱 发射光谱（1）激发光谱：以激发光波长为横坐标 荧光强度为纵坐标 荧光强度随激发光波长的变化

（2）荧光光谱：以荧光的发射波长为横坐标 荧光的发光强度为纵坐标

荧光物质的λex,man和λem,max是鉴定的依据，也是定量的依据，（3）特点：

（4）紫外光谱：紫外光的吸收度

荧光物质的激发光谱

两者相似，因吸收了紫外线才能发射荧光 ①激发光谱与紫外吸收相似，但不完全重叠 ②荧光光谱与激发光谱相比在长波长处

荧光光谱的吸收峰只有一个，且与激发光波长无关。③激发光谱与荧光光谱呈镜像关系，例蒽的激发光谱与荧光光谱（在高分辨的荧光光谱图上）

*激发光谱 a峰：分子基态S0→S2

* b峰：分子基态S0→Si的（V0、V1、V2、V3、V41、2、……为不同的能级）b0峰相当于b0的跃迁线

b1峰相当于b1的跃迁线

荧光光谱：C峰：分子从第一电子激发态的振动能级基态跃迁至电子基态的不同振动能级而形成C0峰→C0跃迁线

C1峰→C1的跃迁线

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3、荧光与分子结构的关系

(1)产生过程:(2)分子吸收光子，由基态→第一电子激发态或第二激发态 →通过无辐射跃迁回到第一激发态的最低振动能级 →跃迁到基态的各振动能级 →发出荧光

→通过无辐射跃迁回到基态的最低振动能级（2）产生荧光的必要条件

×分子①吸收光能量（紫外－可见吸收强），产生跃迁。（n→л跃迁ε弱，所以引起的荧光极弱）②吸收后必须具有较高的荧光效率，才能产生荧光

物质分子不是吸收荧光紫外光量子，即能够发射一个荧光量子。物质发射荧光的量子数与所吸收的激发态量子数的比值，称为荧光效率或荧光量子产率 фf＝发出荧光的量子数/吸收激发光的量子数（3）荧光强度与分子结构的关系（内部因素）①长共軛结构

×л→л跃迁产生强K带紫外吸收。

Л电子共軛越长，λex和λen将长移。F、фf将增大 ②分子的刚性结构和共平面效应

分子的刚性结构和共平面效应增大，фf增大，且λem长移。例： ③取代基

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

b、减弱分子的л电子共軛程度，фf减小，甚至荧光卒灭的基团 ―COOH,―NO2,―C=O,―NO,―SH,―NHCONH3,―F,―Cl，―I,-Br等 c、对分子的л电子共軛作用小，对荧光影响不明显。

+―R,―SO3H,―NH3等

4、影响荧光强度的外部因素

（1）温度：温度增大，фf小，碰撞几率大，分子运动速度增大，无辐射跃迁增大，（2）溶剂：a,极性大，фf大。红移 所以极性溶剂中，ΔEл→л×减小。b、粘度大，фf大，粘度小，分子碰撞几率增大，所以фf小

（3）PH值的影响：对弱酸和弱碱的荧光物质影响大。PH值不同，离子电离结构不同。如：

（4）荧光熄灭剂：使фf减小或荧光强度与浓度不呈线性关系。

常见的熄灭剂有：卤素离子、重金属离子，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；产生无荧光的配合物；I、Br溶解O2使易发生体系跨越至三线态；（5）散射光干扰

a、容器表面：方形影响小，原形影响大。

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可通过调整狭缝减小散射。

b、丁达尔散射：胶体颗粒产生的散射可尽量除去胶体颗粒；脱气 c、瑞利散射：瑞利光波长＝激发光波长

分子吸收光子后，由基态较低振能级→较高能级，并在极短的时间内返回原来的能级，释放出与激发光相同波长的光线。

d、拉曼散射

分子吸收光子，基态较低振动能级→较高能级→回到稍高或稍低与原能级的振动能级。拉曼光波长激发光波长 可通过减小狭缝 加强滤光片

选择激发波长来减小拉曼光的干扰。（6）氢键的影响

与溶剂或其它溶液分子产生氢键，对荧光光谱和荧光强度有显著的影响（7）表示活性剂的影响 增溶、增稳、表面活性剂浓度增大→胶束→对荧光分子有遮蔽作用。→减小分子碰撞几率→保护激发单线态荧光分子→提高фf（8）自卒灭

荧光物质浓度过大，>1g/l产生的荧光含被分子吸收。使荧光强度减小，发生浓度卒灭

5、荧光强度与浓度的关系（1）定量关系F（I0-It）F:荧光强度。（I0-It）：被吸收的光强度 即F=（I0-It）.K′

K′常数，取决于фf根据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!] 当Ecl0.05时，即稀溶液 F=K´I02.3Elc=KC 所以，浓度低时，F与C成线性关系。（2）灵敏度高

可通过放大检测信号，增加激发光强度，通过灵敏度。而吸收光谱：A＝-lgIt/I0 It/I0为比值，无法放大（3）定性、定量分析 ①定性分析：

依据激发光谱中地峰位鉴定物质。

注意：影响因素多，测到地只是表观光谱图，须校正。一般用对照品对照 ②定量分析

方法：工作曲线法

比例法（标准曲线过原点）Fs-F0=KCs F样-F0=KC样 F0:空白溶液荧光强度

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多组分测定：与紫外分光光度法定量分析用 6荧光分光光度计（1）主要部件 ①激发光源：

疝灯（多用）:连续光源

汞灯：发射线光谱，产生不连续地一定波长地光 另外：氘灯、卤钨灯等

②单色器：激发单色器（光源与样品之间）

发射单色器(样品与监测器之间)荧光计：虑光片

荧光分光光度计：光栅作色散元件 ③吸收池：石英

④检测器：光电倍增管

光电二极管阵列检测器：迅速、瞬时测定荧光光谱（2）类型

荧光计

荧光分光光度计

（3）校正

（4）①波长校正

用汞灯地标准谱线对单色器地波长刻度进行校正

②灵敏度：影响因素较多

a光源强度稳定度单色器地性能 b波长、狭缝

c空白溶液、拉曼散射、激发光、杂质荧光 常用：硫酸奎宁溶液作为标准溶液进行校正 ③ 光谱校正

双光束荧光分光光度计，参比光束抵消光学误差 7荧光分析新技术

（1）激发荧光分析：

光源:激光、波长纯，强度大 检测灵敏度高，样品量<1ul-16最小可测10g 测量生化样品、气体样品及有机化合物中地自由基（2）同步荧光分析 灵敏度高

在荧光物质地激发光谱和发射光谱中选择适宜地波长差值Δλ，同时扫描荧光发射波长和激发波长，得同步荧光光谱。Fsp(λem,λex)=KCFexFem(3)胶束增溶增敏荧光分析 加入增溶增敏试剂，如

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

表面活性剂在临界胶束浓度时，相差疏水基向里，亲水基向外得具有一定大小内腔得胶束，增溶、增敏

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其用于荧光分析，不仅提高了灵敏度、选择性且可在分子水平模拟生物体系细胞膜结构。对药物在体内的分布和作用机理进行研究。（4）反相胶束增敏荧光分析法 形成亲水基向里，疏水基向外的微囊

今年来在膜的模拟化学、蛋白质液－液萃取，胶束催化，超细纳米材料制备，有毒物质降解、医药、化工等领域有重要应用。（5）时间分辨荧光分析

根据分子荧光寿命不同，在激发与检测之间间隔一定时间，使不同分子达到分别检测，从而可以消除共存组分的干扰。

将其用于免疫分析，“时间分辨荧光免疫分析仪“技术研究新进展。标记免疫分析与临床，1995，vol2(1),54-57(6)三维荧光光谱分析

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小

结：

思考题：本章学习了荧光分析法的原理、特点、仪器、方法及应用，重点应掌握：（1）掌握分子荧光、磷光和化学发光的产生机理；掌握激发光谱和发射光谱特征。

（2）掌握荧光与分子结构的关系以及溶液的荧光（磷光）强度影响因素。

（3）熟悉荧光（磷光）分析法的特点及定量测定方法。（4）了解磷光分析法的类型。

（5）熟悉荧光、磷光和化学发光分析仪器的结构。

（略）

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：仪器分析电子教案

《仪器分析》课程教案

第一章 引 言

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。

二、仪器分析方法的分类

三、仪器分析的特点及发展趋势

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。

现代科学技术发展的特点是学科之间的相互交叉﹑渗透，各种新技术的引人﹑应用等，促进了学科的发展，使之不断开拓新领域﹑新方法。如电感耦合等离子体发射光谱﹑傅立叶变换红外光谱﹑傅立叶变换核磁共振波谱﹑激光拉曼光谱﹑激光光声光谱等。另外试样的复杂性﹑测量难度﹑要

求信息量及响应速度在不断提高，这就需要将几种方法结合起来，组成连用分析技术，可以取长补短，起到方法间的协同作用，从而提高方法的灵敏度﹑准确度及对复杂混合物的分辨能力，同时还可获得两种手段各自单独使用时所不具备的某些功能，因而连用分析技术以成为当前仪器分析方法的主要方向之一。计算机技术对仪器分析的发展影响极大。在分析工作者的指令控制下，仪器自动处于优化的操作条件完成整个分析过程，进行数据采集﹑处理﹑计算等，直至动态CRT显示和最终曲线报表。现在由于计算机性能价格比的大幅度提高，已开始采用功能完善的pc计算机，随着硬件和软件的平行发展，分析仪器将更为智能化﹑高效﹑多用途。

仪器分析方法的局限性： 除了方法本身的一些原因外，还有一个共同点，就是他们的准确度不够高，相对误差通常在百分之几左右，有的甚至更差。这样的准确度对低含量组分的分析已能完全满足要求，但对常量组分的分析，就不能达到高的准确度此外，在进行仪器分析之前，时常要用化学方法对试样进行预处理；同时，需要以标准物进行校准，而很多标准物需要用化学分析方法来标定。因此化学方法和仪器方法是相辅相成的。在使用时应根据具体情况，取长补短，互相配合。

四、学习内容及时间安排

色谱分析法：气相色谱法（8学时）﹑高效夜相色谱法（4学时）；电化学分析法：电位分析法（4学时）﹑极谱分析法（4学时）﹑库仑分析法（4学时）；光学分析法：原子发射光谱法（6学时）﹑原子吸收光谱法（6学时）﹑紫外吸收光谱法（4学时）﹑红外吸收光谱法（4学时）；核磁共振波谱法（4学时）；质谱分析法（4学时）。

第二章 气相色谱分析

基本要点：

1.了解色谱法的分类；

2.掌握色谱分析的基本原理；

3.理解柱效率的物理意义及其计算方法；

4.理解速率理论方程对色谱分离的指导意义。

5.掌握分离度的计算及影响分离度的重要色谱参数

第一节 气相色谱分析概述

色谱法是一种分离技术。它以其具有高分离效能、高检测性能、分析时间快速而成为现代仪器分析方法中应用最广泛的一种方法。它的分离原理是，使混合物中各组分在两相间进行分配，其中一相是不动的，称为固定相，另一相是携带混合物流过此固定相的流体，称为流动相。

一、色谱法分类：

按流动相的物态，色谱法可分为气相色谱法(流动相为气体)和液相色谱法(流动相为液体)；再按固定相的物态，又可分为气固色谱法(固定相为固体吸附剂)、气液色谱法(固定相为涂在固体上或毛细管壁上的液体)、液固色谱法和液液色谱法等。

按固定相使用的形式，可分为柱色谱法(固定相装在色谱柱中)、纸色谱法(滤纸为固定相)和薄层色谱法(将吸附剂粉末制成薄层作固定相)等。

按分离过程的机制，可分为吸附色谱法(利用吸附剂表面对不同组分的物理吸附性能的差异进行分离)、分配色谱法(利用不同组分在两相中有不同的分配来进行分离)、离子交换色谱法(利用离子交换原理)和排阻色谱法(利用多孔性物质对不同大小分子的排阻作用)等。

二、气相色谱分析

气相色谱法是利用气体作为流动相的一种色谱法。在此法中，载气(是不与被测物作用，用来载送试样的惰性气体，如氢、氮等)载着欲分离的试样通过色谱柱中的固定相，使试样中各组分分离，然后分别检测。其简单流程如图 2-1 所示。

三、气相色谱仪组成

Ⅰ.载气系统;Ⅱ.进样系统;Ⅲ.色谱柱和柱箱；Ⅳ.检测系统；Ⅴ.记录系统。

四、色谱术语

基线——当色谱柱后没有组分进入检测器时，在实验操作条件下，反映检测器系统噪声随时间变化的线称为基线，稳定的基线是一条直线。如图 2-2 中所示的直线

基线漂移—— 指基线随时间定向的缓慢变化。

基线噪声——指由各种因素所引起的基线起伏。

保留值——表示试样中各组分在色谱柱中的滞留时间的数值。通常用时间或用将组分带出色谱柱所需载气的体积来表示。在一定的固定相和操作条件下，任何一种物质都有一确定的保留值，这样就可用作定性参数。

死时间 tM ——指不被固定相吸附或溶解的气体(如空气、甲烷)从进样开始到柱后出现浓度最大

值时所需的时间。显然，死时间正比于色谱柱的空隙体积。

保留时间tR——指被测组分从进样开始到柱后出现浓度最大值时所需的时间。

调整保留时间 tR' ——指扣除死时间后的保留时间，即 tR'=tR－tM

死体积 VM ——指色谱柱在填充后固定相颗粒间所留的空间、色谱仪中管路和连接头间的空间以及检测器的空间的总和。VM =tMFO

保留体积VR——指从进样开始到柱后被测组分出现浓度最大值时所通过的载气体积，即VR =tRFO

调整保留体积VR' ——指扣除死体积后的保留体积，即

VR' =tR'.FO 或 VR' =VR－VM

同样，V'R 与载气流速无关。死体积反映了柱和仪器系统的几何特性，它与被测物的性质无关，故保留体积值中扣除死体积后将更合理地反映被测组分的保留特性。

相对保留值r21——指某组分 2 的调整保留值与另一组分 1 的调整保留值之比：

得越好，r21=1时，两组分不能被分离。

区域宽度——色谱峰区域宽度是色谱流出曲线中一个重要的参数。从色谱分离角度着眼，希望区域宽度越窄越好。通常度量色谱峰区域宽度有三种方法：

（1）标准偏差σ 即0.607倍峰高处色谱峰宽度的一半。

（2）半峰宽度Y 1/2又称半宽度或区域宽度，即峰高为一半处的宽度，它与标准偏差的关系为：

相对r21亦可用来表示固定相(色谱柱)的选择性。值越大，相邻两组分的t'R相差越大，分离（3）峰底宽度Y自色谱峰两侧的转折点所作切线在基线上的截距，如图 2-2中的 IJ所示。它与标准偏差的关系为：Y=4σ保留值r21——指某组分2的调整保留值与另一组分1的调整保留值之比：

第二节 气相色谱分析理论基础

一、气相色谱分析的基本原理

1.气-固色谱分析：固定相是一种具有多孔及较大表面积的吸附剂颗粒。试样由载气携带进入柱子时，立即被吸附剂所吸附。载气不断流过吸附剂时，吸附着的被测组分又被洗脱下来。这种洗脱下来的现象称为脱附。脱附的组分随着载气继续前进时，又可被前面的吸附剂所吸附。随着载气的流动，被测组分在吸附剂表面进行反复的物理吸附、脱附过程。由于被测物质中各个组分的性质不同，它们在吸附剂上的吸附能力就不一样，较难被吸附的组分就容易被脱附，较快地移向前面。容易被吸附的组分就不易被脱附，向前移动得慢些。经过一定时间，即通过一定量的载气后，试样中的各个组分就彼此分离而先后流出色谱柱。

2.气-液色谱分析：固定相是在化学惰性的固体微粒(此固体是用来支持固定液的，称为担体)表面，涂上一层高沸点有机化合物的液膜。这种高沸点有机化合物称为固定液。在气—液色谱柱内，被测物质中各组分的分离是基于各组分在固定液中溶解度的不同。当载气携带被测物质进入色谱柱，和固定液接触时，气相中的被测组分就溶解到固定液中去。载气连续进入色谱柱，溶解在固定液中的被测组分会从固定液中挥发到气相中去。随着载气的流动，挥发到气相中的被测组分分子又会溶解在前面的固定液中。这样反复多次溶解、挥发、再溶解、再挥发。由于各组分在固定液中溶解能力不同。溶解度大的组分就较难挥发，停留在柱中的时间长些，往前移动得就慢些。而溶解度小的组分，往前移动得快些，停留在柱中的时间就短些。经过一定时间后，各组分就彼此分离。

3.分配系数：在一定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K。

K=(组分在固定相中的浓度)/(组分在流动相中的浓度)=CS/CM

一定温度下，各物质在两相之间的分配系数是不同的。气相色谱分析的分离原理是基于不同物质在两相间具有不同的分配系数，两相作相对运动时，试样中的各组分就在两相中进行反复多次的分配，使原来分配系数只有微小差异的各组分产生很大的分离效果，从而各组分彼此分离开来。

4．分配比（容量因子）：以κ表示，是指在一定温度、压力下，在两相间达到分配平衡时，组分在两相中的质量比：k=ms/mM

5．分配比 к 与分配系数 K 的关系：

由式可见：

（1）分配系数是组分在两相中浓度之比，分配比则是组分在两相中分配总量之比。它们都与组分及固定相的热力学性质有关，并随柱温、柱压的变化而变化。

（2）分配系数只决定于组分和两相性质，与两相体积无关。分配比不仅决定于组分和两相性质，且与相比有关，亦即组分的分配比随固定相的量而改变。

（3）对于一给定色谱体系(分配体系)，组分的分离最终决定于组分在每相中的相对量，而不是相对浓度，因此分配比是衡量色谱柱对组分保留能力的参数。

（4）组分在柱内的线速度US将小于u，则两速度之比称为滞留因子 RS ：

RS=uS/u

二、色谱分离基本理论

1.塔板理论

塔板理论假定：

（1）在一小段间隔内，气相组成与液相组成很快达到分配平衡。用塔板高度 H 表示；

(2)载气进入色谱柱，不是连续的而是脉动式的，每次进气为一个板体积；

(3)试样开始时都因在第0号塔板上，且试样沿柱方向的扩散可略而不计；

(4)分配系数在各塔板上是常数。

为简单起见，设色谱柱由5 块塔板 [n=5]，n为柱子的理论塔板数，并以r表示塔板编号，r等于0，1，2，----，n-1，某组分的分配比k=1，则根据上述假定，在色谱分离过程中该组分的分布可计算如下：

开始时，若有单位质量，即 m=1(1mg 或1ug)的该组分加到第0号塔板上，分配达平衡后，由于K =1，即ms = mm , 故 ms = mm = 0.5。

当一个板体积(1ΔV)的载气以脉动形式进入0号板时，就将气相中含 有 部分组分的载气顶到1号板上，此时0号板液相中ms部分组分及1号板气相中的 mm 部分组分，将各自在两相间重新分配，故0号板上所含组分总量为0.5，其中气液两相各为0.25；而1号板上所含 总量同样为0.5，气液两相亦各为0.25。

以后每当一个新的板体积载气以脉动式进入色谱柱时，上述过程就重复一次，如下所示：

由流出曲线图可以看出，组分从具有5块塔板的柱中冲洗出来的最大浓度是在n为8或9时。流出曲线呈峰形但不对称。这是由于柱子的塔板数太少的缘故。当n>50时，就可以得到对称的峰形曲线。在气相色谱中，n 值是很大的，约为103~106，因而这时的流出曲线可趋近于正态分布曲线。

流出曲线上的浓度 C 与时间 t 的关系可表示：

由塔板理论可导出 n 与色谱峰半峰宽度或峰底宽度的关系：

而H=L/n

由式上式可见，色谱峰越窄，塔板数n越多，理论塔板高度H就越小，此时柱效能越高，因而 n或H可作为描述柱效能的一个指标。

由于死时间 tM(或死体积VM)的存在，理论塔板n，理论塔板高度H并不能真实反映色谱分离的好坏。因此提出了将tM除外的有效塔板数n有效和有效塔板高度H有效作为柱效能指标。其计算式为：

有效塔板数和有效塔板高度消除了死时间的影响，因而能较为真实地反映柱效能的好坏。色谱柱的理论塔板数越大，表示组分在色谱柱中达到分配平衡的次数越多，固定相的作用越显著，因而对分离越有利。但还不能预言并确定各组分是否有被分离的可能，因为分离的可能性决定于试样混合物在固定相中分配系数的差别，而不是决定于分配次数的多少，因此不应把n有效看作有无实现分离可能的依据，而只能把它看作是在一定条件下柱分离能力发挥的程度的标志。

2．速率理论

1956年荷兰学者范弟姆特等提出了色谱过程的动力学理论，他们吸收了塔板理念的概念，并把影响塔板高度的动力学因素结合进去，导出了塔板高度H与载气线速度u的关系：H=A+B/U+Cu

其中A称为涡流扩散项，B为分子扩散项，C为传质阻力项。

下面分别讨论各项的意义：

(1)涡流扩散项A气体碰到填充物颗粒时，不断地改变流动方向，使试样组分在气相中形成类似―涡流‖的流动，因而引起色谱的扩张。由于A=2λdp，表明A与填充物的平均颗粒直径dp的大小和填充的不均匀性λ有关，而与载气性质、线速度和组分无关，因此使用适当细粒度和颗粒均匀的担体，并尽量填充均匀，是减少涡流扩散，提高柱效的有效途径。

(2)分子扩散项B/u由于试样组分被载气带入色谱柱后，是以―塞子‖的形式存在于柱的很小一段空间中，在―塞子‖的前后(纵向)存在着浓差而形成浓度梯度，因此使运动着的分子产生纵向扩散。而 B=2rDg，r是因载体填充在柱内而引起气体扩散路径弯曲的因数(弯曲因子)，Dg为组分在气相中的扩散系数。分子扩散项与Dg的大小成正比，而Dg与组分及载气的性质有关：相对分子质量大的组分，其Dg小，反比于载气密度的平方根或载气相对分子质量的平方根，所以采用相对分子质量较大的载气(如氮气)，可使B项降低，Dg随柱温增高而增加，但反比于柱压。弯曲因子r 与填充物有关的因素。

(3)传质项系数CuC包括气相传质阻力系数Cg和液相传质阻力系数C1两项。

所谓气相传质过程是指试样组分从移动到相表面的过程，在这一过程中试样组分将在两相间进行质量交换，即进行浓度分配。这种过程若进行缓慢，表示气相传质阻力大，就引起色谱峰扩张。对于填充柱：

液相传质过程是指试样组分从固定相的气液界面移动到液相内部，并发生质量交换，达到分配平衡，然后以返回气液界面 的传质过程。这个过程也需要一定时间，在此时间，组分的其它分子仍随载气不断地向柱口运动，这也造成峰形的扩张。液相传质阻力系数C1为：

对于填充柱，气相传质项数值小，可以忽略。将常数项的关系式代入简化式得：

由上述讨论可见，范弟姆特方程式对于分离条件的选择具有指导意义。它可以说明，填充均匀程度、担体粒度、载气种类、载气流速、柱温、固定相液膜厚度等对柱效、峰扩张的影响。

第三节 色谱分离条件的选择

一、分离度

两个组分怎样才算达到完全分离？首先是两组分的色谱峰之间的距离必须相差足够大，若两峰间仅有一定距离，而每一个峰却很宽，致使彼此重叠，则两组分仍无法完全分离；第二是峰必须窄。只有同时满足这两个条件时，两组分才能完全分离。

为判断相邻两组分在色谱柱中的分离情况，可用分离度 R 作为色谱柱的分离效能指标。其定义为 相邻两组分色谱峰保留值之差与两个组分色谱峰峰底宽度总和之半的比值：

R值越大，就意味着相邻两组分分离得越好。因此，分离度是柱效能、选择性影响因素的总和，故可用其作为色谱柱的总分离效能指标。

从理论上可以证明，若峰形对称且满足于正态分布，则当R=1时，分离程度可达98% ；当R=1.5时，分离程度可达99.7% 因而可用R=1.5来作为相邻两峰已完全分开的标志。

当两组分的色谱峰分离较差，峰底宽度难于测量时，可用半峰宽代替峰底宽度，并用下式表示分离度：

二、色谱分离基本方程式

由分离度基本方程式可看出：

（1）分离度与柱效的关系(柱效因子)分离度与n的平方根成正比。

（2）分离度与容量比的关系(容量因子)，k >10 时，k/(k+1)的改变不大，对R的改进不明显，反而使分析时间在为延长。因此k值的最佳范围是1< k <10，在此范围内，既可得到大的R值，亦可使分析时间在不至于过长。使峰的扩展不会太严重对检测发生影响。

度从 1.0 增加至 1.5，对应于各 α 值所需的有效理论塔板数大致增加一倍。

分离度、柱效和选择性参数之间的联系为：

（3）分离度与柱选择性的关系(选择因子)，α越大，柱选择性越好 , 分离效果越好。分离

三、分离操作条件的选择

1.载气及其流速的选择

ss 对一定的色谱柱和试样，有一个最佳的载气流速，此时柱效最高，根据下式

H=A+B/u+CU

用在不同流速下的塔板高度H对流速u作图，得H-u曲线图。在曲线的最低点，塔板高度 H 最小(H最小)。此时柱效最高。该点所对应的流速即为最佳流速u最佳，及H最小可由式微分求得：

当流速较小时，分子扩散(B项)就成为色谱峰扩张的主要因素，此时应采用相对分子质量较大的载气(N2，Ar)，使组分在载气中有较小的扩散系数。而当流速较大时，传质项(C项)为控制因素，宜

采用相对分子质量较小的载气(H2，He)，此时组分在载气中有较大的扩散系数，可减小气相传质阻力，提高柱效。

2.柱温的选择

柱温直接影响分离效能和分析速度。首先要考虑到每种固定液都有一定的使用温度。柱温不能高于固定液的最高使用温度，否则固定液挥发流失。

3.固定液的性质和用量

固定液对分离是起决定作用的。一般来说，担体的表面积越大，固定液用量可以越高，允许的进样量也就越多。为了改善液相传质，应使液膜薄一些。固定液液膜薄，柱效能提高，并可缩短分析时间。固定液的配比一般用5：100 到25：100，也有低于5：100的。不同的担体为要达到较高的柱效能，其固定液的配比往往是不同的。一般来说，担体的表面积越大，固定液的含量可以越高。

4.担体的性质和粒度

要求担体的表面积大，表面孔径分布均匀。这样，固定液涂在担体表面上成为均匀的薄膜，液相传质就快，柱效就可提高。担体粒度均匀、细小，也有利于柱效提高。但粒度过小，柱压降增大，对操作不利。

5.进样时间和进样量

进样必须快，一般在一秒钟之内。进样时间过长，会增大峰宽，峰变形。进样量一般液体0.1-5微升，气体0.1-10毫升，进样太多，会使几个峰叠加，分离不好。

6.气化温度

在保证试样不分解的情况下，适当提高气化温度对分离及定量有利。

第四节

固定相及其选择

一、气-固色谱固定相

在气—固色谱法中作为固定相的吸附剂，常用的有非极性的活性炭，弱极性的氧化铝，强极性的硅胶等。它们对各种气体吸附能力的强弱不同，因而可根据分析对象选用。一些常用的吸附剂及其一般用途均可从有关手册中查得。

二、气—液色谱固定相

1.担体

担体(载体)应是一种化学惰性、多孔性的颗粒，它的作用是提供一个大的惰性表面，用以承担固定液，使固定液以薄膜状态分布在其表面上。对担体有以下几点要求：

（1）表面应是化学惰性的，即表面没有吸附性或和吸附性很弱，更不能与被测物质起化学反应；

（2）多孔性，即表面积较大，使固定液与试样的接触面较大；

（3）热稳定性好，有一定的机械 强度，不易破碎；

（4）对担体粒度的要求，一般希望均匀、细小，这样有利于提高柱效。

气—液色谱中所用担体可分为硅藻土型和非硅藻土型两类。常用的是硅藻土型担体，它又是可分为红色担体和白色担体两种。在分析这些试样时，担体需加以钝化处理，以改进担体孔隙结构，屏蔽活性中心，提高柱效率。处理方法可用酸洗、碱洗、硅烷化等。

2.固定液

A.对固定液的要求

（1）挥发性小，在操作温度下有较低蒸气压，以免流失。

（2）稳定性好，在操作温度下不发生分解。在操作温度下呈液体状态。

（3）对试样各组分有适当的溶解能力，否则被载气带走而起不到分配作用。

（4）具有高的选择性，即对沸点相同或相近的不同物质有尽可能高的分离能力。

（5）化学稳定性好，不与被测物质起化学反应。

B.固定液的分离特征。

固定液的分离特征是选择固定液的基础。固定液的选择，一般根据―相似相溶‖原理进行，即固定液的性质和被测组分有某些相似性时，其溶解度就大。如果组分与固定液分子性质(极性)相似，固定液和被测组分两种分子间的作用力就强，被测组分在固定液中的溶解度就大，分配系数就大，也就是说，被测组分在固定液中溶解度或分配系数的大小与被测组分和固定液两种分子之间相互作用的大小有关。

分子间的作用力包括静电力、诱导力、色散力、和氢键力等。

固定液的极性可以采用相对极性P来表示。规定强极性的固定液β , β'氧二丙腈 的相对极性 P=100，非极性的固定液角鲨烷的相对极性P=0，然后用一对物质正丁烷-丁二烯或环己烷-苯进行试验，分别测定这一对试验物质在β , β'氧二丙腈，角鲨烷及欲测极性固定液的色谱柱上的调整保留值，然后计算欲测固定液的相对极性Px

这样测得的各种固定液的相对极性均在 0-100 之间，为了便于在选择固定液时参考，又将其分为五级，每20为一级，P在0～+1间为非极性固定液，+1～+2为弱极性固定液，+3为中等极性固定液，+4～+5为强极性固定液，非极性亦可用―氯化银电极作为内参比电极。

二、pH测定原理

当玻璃电极浸入被测溶液时，玻璃膜处于内部溶液 和待测溶液之间，这时跨越玻璃膜产生一电位差ΔEM（这种电位差称为膜电位），它与氢离子活度之间的关系符合能斯特公式：

三、电池组成在一定条件下电动势与溶液的pH之间呈直线关系，其斜率为2.303RT/F，25℃时为0.05916V，即溶液pH变化一个单位时，电动势将改变59.16mV(25℃)。这就是以电位法测定pH的依据。

第四节

离子选择性电极与膜电位

一、离子选择性电极

离子选择性电极是一种以电位法测量溶液中某些特定离子活度的指示电极。PH玻璃电极，就是具有氢离子专属性的典型离子选择性电极。

用离子选择性电极测定有关离子，一般都是基于内部溶液与外部溶液之间产生的电位差，即所谓膜电位。

二、膜电位的形成

以玻璃电极为例，玻璃电极浸入水溶液中时，形成一层很薄（10-4~10-5mm）的溶胀的硅酸层（水化层）。若膜的内、外侧水化层与溶液间的界面电位分别为E内及E试，则膜电位ΔEM应为：

第五节

离子选择性电极的选择性

理想的离子选择性电极是只对特定的一种离子产生电位响应。事实上，电极不仅对一种离子有

响应，与欲测离子共存的某些离子也能影响电极的膜电位。

荷，则考虑了干扰离子的膜电位的通式为：

Ki,j为干扰离子j对欲测离子i的选择性系数。可理解为在其它条件相同时提供相同电位的欲测离子的活度ai和干扰离子活度aj的比值：

－

设i为某离子选择性电极的欲测离子，j为共存的干扰离子，nj及ni分别为i离子及j离子的电

例如Ki,j=102(ni=nj=1)，意味着aj一百倍于ai时，j离子所提供的电位才等于i离子所提供的电位。显然,Ki,j愈小愈好。选择性系数愈小，说明j离子对i离子的干扰愈小,亦即此电极对欲测离子的选择性愈好。

选择性系数可以估量某种干扰离子对测定造成的误差，根据Ki,j的定义，在估量测定的误差时可用下式计算：

第六节

离子选择性电极的种类和性能

离子选择性电极分类：

(1)原电极

⒈ 晶体(膜电极)a.均相膜电极 b.非均相膜电极 ⒉ 非晶体(膜)电极 a.刚性基质电极 b.活动载体电极

（2）敏化电极

⒈ 气敏电极 ⒉ 酶(底物)电极

一、晶体(膜)电极

这类电极的薄膜一般是由难溶盐经过加压或拉制成单、多晶或混晶的活性膜。晶体膜又可分为均相膜和非均相膜两类。均相膜电极的敏感膜由一种或几种化合物的均匀混合物的晶体构成，而非均相膜则除了电活性物质外，还加入某种惰性材料，其中电活性物质对膜电极的功能起决定性作用。如氟电极，将氟化镧单晶封在塑料管的一端，管内装 0.1mol/LnaF-0.1mol/LNaCl溶液(内部溶液)，以Ag-AgCl电极作为内参比电极，即构成氟电极，氟化镧单晶可移动离子是F-，所以电极电位反映试液中F活度：

硫化银膜电极是另一常用的晶体膜电极，将AgS晶体粉末置于模具中，加压力使之形成一坚实的薄片装成电极。晶体中可移动离子是Ag+，所以膜电位对Ag+敏感。

二、非晶体(膜)-刚性基质电极

如表 4-1 列出阳离子玻璃电极的玻璃膜组成及性能。

三、活动载体电极(液膜电极)

此类电极是用浸有某种液体离子交换剂的惰性多孔膜作电极膜制成。

四、敏化电极

包括气敏电极、酶电极等。

气敏电极是基于界面化学反应的敏化电极。它是一种化学电池，由一对电极，即离子选择性电极(指示电极)与参比电极组成。这一对电极组装在一个套管内，管中盛电解质溶液，管的底部紧靠选择性电极敏感膜，装有透气膜，使电解与外部试液隔开。试液中待测组分气体扩散通过透气膜，进入离子电极的敏感膜与透气膜之间的极薄层内，使液层内某一能由离子电极测出组分的量。

酶电极也是一种基于界面反应敏化的离子电极。此处的界面反应是酶催化的反应。

五、离子敏场效应晶体管

ISFET 是在金属氧化物-半导体场效应晶体(MOSFET)基础上构成的，它既具有离子选择电极对敏感离子响应的特性，又保留场效应晶体管的性能。

第七节

测定离子活度的方法

用离子选择性电极测定离子活度时也是将它浸入待测溶液而与参比电极组成一电池，并测量其电动势。对于各种离子选择性电极，电池电动势如下公式：

动势可测定欲测离子的活度。•

标准曲线法

将离子选择性电极与参比电极插入一系列活(浓)度已确知的标准溶液，测出相应的电动势。然后以测得的E值对相应的lgai(lgci)值绘制标准曲线(校正曲线)。在同样条件下测出对应于欲测溶液的E值，即可从标准曲线 上查出欲测溶液中的离子活(浓)度。要求测定的是浓度，而离子选择性电极根据能斯特公式测量的则是活度。

在实际工作中，加入―离子强度调节剂‖来控制离子强度。• 标准加入法

设某一未知溶液待测离子浓度为cx，其体积为V0，测得电动势为E1，E1与cx 应符合如下关系：

式中x1是游离的（即未络合）离子的分数。

然后加入小体积VS(约为试样体积的1/100)待测待测离子的标准溶液，然后再测量其电动势E2，于是得：

工作电池的电动势在一定实验条件下与欲测离子的活度的对数值呈直线关系。因此通过测量电

第八节

影响测定的因素

• 温度 • 电动势的测量 • 干扰离子 • 溶液的 pH • 被测离子的浓度 • 响应时间 • 迟滞效应

第九节

电位滴定法

电位滴定法是一种用电位法确定终点的滴定方法。进行电位滴定时，在待测溶液中插入一个指示电极，并与一参比电极组成一个工作电池。随着滴定剂的加入，由于发生化学反应，待测离子或与之有关的离子的浓度不断变化，指示电极电位也发生相应的变化。而在化学计量点附近发生电位的突跃，因此，测量电池电动势的变化，就能确定滴定终点。由此可见，电位滴定与电位测定法不同，它是以测量电位的变化情况为基础的。

滴定终点的确定方法通常有下列三种方法。现讨论几种确定终点的方法。1.E—V 曲线法

用加入滴定剂的体积（V）作横坐标，电动势读数（E）作纵坐标，绘制 E-V 曲线，曲线上的转折点即为化学计量点。

2．绘(Δ E/ΔV)–V 曲线法

Δ E/ΔV 值对 V 作图，可得一呈现尖峰状极大的曲线，尖峰所对应的 V 值即为滴定终点。

3．二级微商法

二级微商 Δ2E/ΔV2 =0 时就是终点。计算方法如下：

对应于 24.30mL：

第十节

电位滴定法的应用和指示电极的选择

1．酸碱滴定：pH 玻璃电极作指示电极，甘汞电极作参比电极 2．氧化还原滴定：铂电极作指示电极，以甘汞电极作参比电极 3．沉淀滴定：根据不同沉淀反应采用不同指示电极。4．络合滴定：指示电极用铂电极、参比电极用甘汞电极。

第五章 极谱分析法

基本要点：

1.了解极谱分析法的基本原理； 2.掌握极谱定量依据-扩散电流方程式； 3.理解极谱干扰电流及其消除方法； 4.掌握半波电位及其极谱波方程式； 5．了解新极谱法的原理和应用。

第一节

极谱分析概述

一、极谱分析的基本装置

极谱分析是一种在特殊条件下进行的电解过程。装置如图5-1所示。

以滴汞电极为阴极，饱和甘汞为阳极进行电解，当C点在分压电阻（R）上自左向右逐渐和均匀移动时，工作电池E施加给两极上的电压逐渐增大。在此过程中C点的每一个位置都可以从电流表A和电压表V上测得相应的电流i和电压V值。从而可绘制成i-V曲线（图5-2），此曲线呈阶梯形式，称为极谱波。最后可根据极谱波对被测物质进行分析。

二、极谱波

极谱波可分为如下几部分：

① 残余电流部分 ② 电流上升部分 ③ 极限电流部分

在排除了其他电流的影响以后，极限电流减去残余电流后的值，称为极限扩散电流，简称扩散电流（用id表示）。id与被测物（Cd2+）的浓度成正比，它是极谱定量分析的基础。当电流等于极限电流的一半时相应的滴汞电极电位，称为半波电位（用E1/2表示）。不同的物质具有不同的半波电位，这是极谱定性分析的根据。

三、极谱过程的特殊性

1．电极的特殊性

电极的特殊性表现在极谱分析是用一个通常是面积很小的滴汞电极，另一个通常是面积很大的饱和甘汞电极(而一般电解分析使用二个面积大的电极)。极化电极也可以是其他的固体微电极，但通常情况下，均使用滴汞电极，因为它有如下优点：

① 汞滴的不断下滴，电极表面吸附杂质少，表面经常保持新鲜，测定的数据重现性好；

② 氢在汞上的超电位比较大；

③ 许多金属可以和汞形成汞齐；

④ 汞易提纯。缺点是：

① 汞易挥发且有毒；

② 汞能被氧化；

③ 汞滴电极上残余电流大，限制了测定灵敏度。

2．电解条件的特殊性

电解条件的特殊性表现在极谱分析是溶液保持静止并且使用了大量的电解质。溶液保持静止，则对流切向运动可忽略不计；加入大量电解质，则可消除离子的电迁移运动。

第二节

极谱定量分析

一、尤考维奇方程式

此式为瞬时电流扩散公式。表示滴汞电极的扩散电流（id）t随时间而增加，也就是随着汞滴表面积的增长而作周期性的变化。当 t=0 时，（id）t =0；t= τ(滴汞周期，即汞滴从开始生长到滴下所需的时间)时，（id）t为最大用（id）t最大表示：

扩散电流随时间而变化，但由于汞滴周期性地下落，扩散电流周期性地重复变化。通常在极谱分析中使用长周期的检流计。它记录的是平均电流，因此可以用每一滴汞滴在整个成长过程中所流过电量的库仑数除以滴汞周期来表示：

式中：（id）平均----平均极限扩散电流（μA）；

n----电极反应中的电子转移数;

D----电极上起反应物质在溶液中的扩散系数（cm2 /s）;

m----汞流速度（mg/s）;

τ----滴汞周期（s）;

c----被测物质的浓度（mmol/l）;

式（3）被称为尤考维奇方程式，该式定量的阐明了极限扩散电流与浓度的关系。各项因素不变时，可合并为一个常数 K(K=605nD1/2m2/3τ1/6，称为尤考维奇常数)则在一定浓度范围内，扩散电流与被测物质浓度成正比：

二、影响扩散电流的因素

1．毛细管特性

m 与τ称为毛细管特性，m2/3τ1/6这个数为毛细管常数。该常数除了与毛细管的内径等因素有关外，还与汞柱压力有关。所以，在一定实验条件下，扩散电流也与汞柱高度的平方根成正比。

2．滴汞电极电位

滴汞电极电位的改变对滴汞周期τ的影响较为显著。因为不同电位时汞同溶液间的表面张力不同

3．温度

实验证明，室温时，温度每升高一摄氏度，将使扩散电流约增加1.3%，所以，在极谱法中要求温度固定。

4．溶液组分

扩散系数与溶液的黏度有关，黏度越大，物质的扩散系数越小，因此扩散电流也随之减小。溶液组分不同其黏度也不同，对扩散电流的影响也随之不同。

三、定量分析法

扩散电流的大小在极谱图上通常用波高来表示：

h=Kc

(1）

• 波高的测定

•平行线法

• 三切线法

• 定量分析方法

（1）直接比较法：

将浓度为Cs的标准溶液及浓度为Cx的未知溶液在相同的实验条件下，分别作出极谱图，测得其波高。由式：

hs =KCs

hx =KCx

两式相除得： cx =hxcs/h s

由上式可求物质浓度。

(2)工作曲线法

配制一系列含有不同浓度的被测离子的标准溶液，在相同实验条件下作极谱图，测得波高。以波高为纵坐标，浓度为横坐标作图，可得一直线。然后在上述条件下测定未知溶液的波高，从标准曲线上查得溶液的浓度。

(3)标准加入法

取一定体积为Vx(单位为mL)的未知溶液，设其浓度为Cx，作出极谱图。然后加入浓度Cs的标准溶液Vs（单位为mL），再在相同条件下作出极谱图。分别测量加入前、后的波高为 h、H。

第三节 干扰电流及其消除方法

一、残余电流

在进行极谱分析时，外加电压虽未达到被测物质的分解电压，但仍有微小的电流通过电解池，这种电流称为残余电流。残余电流（i r）有以下两部分组成：

（1）电解电流(if)：电解电流是由于溶液中微量的易被还原的杂质在滴汞电极上还原时所产生的。

（2）电容电流（ic）

电容电流来源于滴汞电极同溶液界面上双电层的充电过程。

在测定扩散电流时，对残余电流一般采用作图的方法加以扣除。

二、迁移电流

迁移电流是指主体溶液中的离子，受静电引力的作用达到电极表面，在电极上还原而产生的电流。消除迁移电流的方法是在溶液中加入大量支持电解质。

三、极谱极大

极谱极大也称为畸峰，是极谱波中的一种异常或特殊现象。它是指在电解开始后，电流随电位的增加而迅速增大的一个极大值，然后再下降到正常的扩散电流值，这种使极谱波上形成的一个突起的异常峰即称极谱极大。

极大可用表面活性剂来抑制，抑制极大的表面活性剂称为极大抑制剂，常用的极大抑制剂有明胶，聚乙烯醇及某些有机染料等。

四、氧波

溶解在溶液中的氧，能在滴汞电极上发生电极反应而产生极谱波，称为氧波。

第一个氧波的半波电位约为-0.2V(vs SCE), 第二个氧波的半波电位约为-0.8V(vs SCE)(图10-8曲线2)。两个还原波占据了从0～-1.2V的整个电位区间，这正是大多数金属离子还原的电位范围。氧将重叠在被测物质的极谱波上而干扰测定。

除氧的方法有以下几种：

① 在溶液中通入惰性气体如：N2、H2或CO2。从而消除氧波。N2或H2可用于任何溶液，而CO2只能用于酸性溶液。

② 在中性或碱性溶液中，可加入亚硫酸钠除氧：

③ 在强酸性溶液中，加入Na2CO3而生成大量CO2气体以驱氧。④ 在弱酸性溶液中，利用抗坏血酸除氧效果也很好。

五、氢波，叠波和前波

1．氢波

溶液中的氢离子在滴汞电极上还原而产生的极谱波，称为氢波。如果被测物质的极谱波与氢波近似，则氢波对测定会有干扰。

2．叠波

两种物质的半波电位如果相差不大（小于 0.2V），那末这两种物质的极谱波就会重叠起来，这种情况称为叠波。

3．前波

当溶液中存在着一种较待测物质的半波电位为正且浓度很大（其量大于被测物质的10倍）的物质时，由于该种物质的扩散电流很大，故掩盖了待测物质的波，这种干扰成为前波。

六、底液及其选择

1．底液的组成

(1)支持电解质（以消除迁移电流）；(2)极大抑制剂（以消除极大）；(3)除氧剂（以消除氧波）；(4)其它有关试剂，如用以控制溶液酸度，改善波形的缓冲剂，络合剂等等。

2．底液的选择

选择底液的原则：

（1）使极谱波的波形较好，也就是使极谱波的波形较陡，波的上下都有良好的平台，最好是可逆的极谱波。

（2）干扰少。

（3）成本低，操作简便。

（4）最好能同时测定几种元素。

第四节 极谱波的半波电位及其它影响因素

一.、可逆波与不可逆波

1．可逆波

电极反应的速度较快，比电活性物质从溶液向电极表面扩散的速度来得快。极谱波上任何一点的电流都受扩散速度所控制，电极反应的进行不表现出明显的超电位，在任一电位下，电极表面迅速达到平衡，能斯特公式完全适用。可逆极谱波的波形一般很好。

2．不可逆波

电极反应的速度相对于电活性物质从溶液向电极表面扩散的速度来说要慢得多。溶液中电活性物质与电极间电子交换过程比较慢。要是电活性物质在电极反应，产生电流，就需要一定的活化能，也就是要增加额外的电压，表现出明显的超电位。因此，不能简单的应用能斯特方程式。不可逆极谱波的波形较差，延伸较长。

在极谱分析中，由于不可逆波的波形延伸很长，不便于测量，且易受其它极谱波的干扰，对分析不利。实际工作中常利用合适的络合剂，使不可逆波变为可逆波或近似于可逆波。

二、极谱波方程式

极谱波的电流与滴汞电极电位之间的数学表达式称为极谱波方程式。不同的反应类型具有不同的极谱波方程式。简单金属离子的极谱波方程式如下：

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

(7)

式（7）为滴汞电极电位Ede与电流i之间的关系式，称为还原波方程式。

三、半波电位的测定和极谱波的对数分析

半波电位可根据极谱波方程式用作图法求得，以lg[i/(id-i)]为纵坐标，Ede为横坐标作图可得一直线。在此直线上，当lg[i/(id-i)]=0时一点的电位即为半波电位。

从半波电位方程式可以看出，这种对数作图法所得直线的斜率为n/0.059。根据对数图（对数分析曲线），不但可以准确测量半波电位，而且可求得电极反应中的电子转移数n。另外，还可用来判别极谱波的可逆性。

四、半波电位的特性及其影响因素

1．半波电位的特性

① 当温度和支持电解质浓度一定时，则半波电位数值一定，而与在电极上进行反应的离子浓度无关。图5-6可以看出半波电位值与其浓度无关。

② 半波电位的数值与所用仪器（如毛细管，检流计）的性能无关。③ 半波电位与共存的其它反应离子无关。2.半波电位的影响因素（1）支持电解质的种类

（2）溶液的酸度（3）温度（4）络合物的形成

（5）半波电位与标准电极电位的关系 ① E1/2与E0基本相等 ② E1/2较E0为正 ③ E1/2较E0为负

第五节 极谱分析法的应用

极谱分析是一种快速的微量分析方法。它的应用范围很广，即可用于无机物质的分析也可用于有机物质的分析，只要被测物质可以在滴汞电极上发生氧化还原反应，就能用极谱分析法进行直接或间接测定。

纯金属矿石以及合金材料中杂质元素的测定用极谱法也很方便。许多有机化合物，其中包括醛类、酮类、醌类、不饱和酸类、硝基和亚硝基化合物、偶氮与重氮化合物、卤化物及维生素等均可用该法测定。

此外，极谱法测定许多络合物的组成和稳定常数，而且是研究化学反应的机理及动力学的一个很有用的方法。

第六章

电解分析法和库仑分析法

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。

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：

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E一定），电极表面氧化态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E一定），电极电位决定电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。

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Fe3+的还原电位时，阴

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

极电位符合能斯特方程式：

3．应用

表6-2 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（图6-4）

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

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（图6-6）

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。

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。

第七章 原子发射光谱分析

基本要点：

1.了解原子发射光谱分析的基本原理；

2.掌握各种激发光源的特点及光源的选择；

3.理解光谱仪的基本组成和作用；

4.掌握光谱定性分析方法及操作过程；

5．掌握光谱内标法定量分析的基本原理和方法。

第一节 光学分析法概要

1．定义：光学分析法主要根据物质发射、吸收电磁辐射以及物质与电磁辐射的相互作用来进行分析的。

2．电磁波谱：

射线 5～140pm

X射线 10－3～10nm

光学区 10～1000μm

其中：远紫外区 10～200nm

近紫外区 200～380nm

可见区 380～780nm

近红外区 0.78～2.5μm

中红外区 2.5～50μm

远红外区 50～1000μm

微波 0.1mm～1m

无线电波 >1m

3．光学分析法分类

（1）光谱分析方法：

基于测量辐射的波长及强度。这些光谱是由于物质的原子或分子的特定能级的跃迁所产生的，根据其特征光谱的波长可进行定性分析；而光谱的强度与物质的含量有关，可进行定量分析。根据辐射能量传递的方式，光谱方法又可分为发射光谱、吸收光谱、荧光光谱、拉曼光谱等等。

（2）非光谱分析法：

不涉及光谱的测定，即不涉及能级的跃迁，而主要是利用电磁辐射与物质的相互作用。引起电磁辐射在方向上的改变或物理性质的变化，而利用这些改变可以进行分析。

第二节

原子发射光谱分析的基本原理

一、原子光谱的产生

原子发射光谱分析是根据原子所发射的光谱来测定物质的化学组分的。不同物质由不同元素的原子所组成，而原子都包含着一个结构紧密的原子核，核外围绕着不断运动的电子。每个电子处于一定的能级上，具有一定的能量。在正常的情况下，原子处于稳定状态，它的能量是最低的，这种状态称为基态。但当原子受到能量(如热能、电能等)的作用时，原子由于与高速运动的的气态粒子和电子相互碰撞而获得了能量，使原子中外层的电子从基态跃迁到更高的能级上，处在这种状态的原子称激发态。电子从基态跃迁至激发态所需的能量称为激发电位，当外加的能量足够大时，原子中的电子脱离原子核的束缚力，使原子成为离子，这种过程称为电离。离子中的外层电子也能被激发，其所需的能量即为相应离子的激发电位。处于激发态的原子是十分不稳定的，在极短的时间内便跃迁至基态或其它较低的能级上。当原子从较高能级跃迁到基态或其它较低的能级的过程中，将释放出多余的能量，这种能量是以一定波长的电磁波的形式辐射出去的。

E2,E1分别为高能级、低能级的能量，h为普朗克(Planck)常数；v 及λ分别为所发射电磁波的频率及波长，c为光在真空中的速度。

每一条所发射的谱线的波长，取决于跃迁前后两个能级之差。由于原子的能级很多，原子在被激发后，其外层电子可有不同的跃迁，但这些跃迁应遵循一定的规则(即―光谱选律‖)，因此对特定元素的原子可产生一系列不同波长的特征光谱线，这些谱线按一定的顺序排列，并保持一定的强度比例。

光谱分析就是从识别这些元素的特征光谱来鉴别元素的存在(定性分析)，而这些光谱线的强度又与试样中该元素的含量有关，因此又可利用这些谱线的强度来测定元素的含量(定量分析)。

二、发射光谱分析的过程

1．试样在能量的作用下转变成气态原子，并使气态原子的外层电子激发至高能态。当从较高的能级跃迁到较低的能级时，原子将释放出多余的能量而发射出特征谱线。

2．所产生的辐射经过摄谱仪器进行色散分光，按波长顺序记录在感光板上，就可呈现出有规则的谱线条，即光谱图。

3．根据所得光谱图进行定性鉴定或定量分析。

第三节

光谱分析仪器

进行光谱分析的仪器设备主要由光源、分光系统(光谱仪)及观测系统三部分组成。

一、光源

（一）光源的作用

首先，把试样中的组分蒸发离解为气态原子，然后使这些气态原子激发，使之产生特征光谱。因此光源的主要作用是对试样的蒸发和激发提供所需的能量。

（二）常用光源类型

1．直流电弧

利用直流电作为激发能源。常用电压为150～380V，电流为5—30A。可变电阻(称作镇流电阻)用以稳定和调节电流的大小，电感(有铁心)用来减小电流的波动。G为放电间隙。这种光源的弧焰温度与电极和试样的性质有关，一般可达4000—7000K，可使70种以上的元素激发，所产生的谱线主要是原子谱线。其主要优点是分析的绝对灵敏度高，背景小，适宜于进行定性分析及低含量杂质的测定，但因弧光游移不定，再现性差，电极头温度比较高，所以这种光源不宜用于定量分析及低熔点元素的分析。

2．交流电弧

高压电弧工作电压达2000～4000V，可以利用高电压把弧隙击穿而燃烧，低压交流电弧工作电压一般为110～220V，必须采用高频引燃装置引燃，交流电弧发生器的典型电路如图7-2所示。

由于交流电弧的电弧电流有脉冲性，它的电流密度比在直流电弧中要大，弧温较高(略高于4000～7000K)，所以在获得的光谱中，出现的离子线要比在直流电弧中稍多些。这种光源的最大优点是稳定性比直流电弧高，操作简便安全，因而广泛应用于光谱定性、定量分析，但灵敏度较差些。

3.高压火花

这种光源的特点是放电的 稳定性好，电弧放电的瞬间温度可高达10000K以上，适用于定量分析及难激发元素的测定。由于激发能量大，所产生的谱线主要是离子线，又称为火花线。但电极头温度较低，因而试样的蒸发能力较差，较适合于分析低熔点的试样。缺点是灵敏度较差，背景大，不宜作痕量元素分析。

4．电感耦合高频等离子体焰炬

这是当前发射光谱分析中发展迅速、极受重视的一种新型光源。ICP—AES具有灵敏度高，检测限低,精密度好(相对标准偏差一般为0.5%～2%)，工作曲线线性范围宽，因此同一份试液可用于从宏量至痕量元素的分析，试样中基体和共存元素的干扰小，甚至可以用一条工作曲线测定不同基体的试样同一元素。这就为光电直读式光谱仪了提供了一个理想的光源。

二、光谱仪(摄谱仪)

（一）作用将光源发射的电磁波分解为按一定次序排列的光谱。

（二）类型

1．棱镜摄谱仪

(1)组成：棱镜摄谱仪主要由照明系统、准光系统、色散系统(棱镜)及投影系统(暗箱)四部分组成。

(2)棱镜摄谱仪的光学特性：

色散率——是把不同波长的光分散开的能力，通常以倒数线色散率来表示：dλ/dl，即谱片上每一毫米的距离内相应波长数(单位为nm)。

分辨率——是指摄谱仪的光学系统能够正确分辨出紧邻两条谱线的能力。用两条可以分辨开的光谱 波长的平均值λ与其波长差Δλ之比值来表示，即R=λ/Δλ。

棱镜摄谱仪的理论分辨率R 0 可用下式表示：

R 0 =mt·dn/dλ

（2）

集光本领——是指摄谱仪的光学系统传递辐射的能力，2．光栅摄谱仪

光栅摄谱仪应用光栅作为色散元件，利用光的衍射现象进行分光。光栅摄谱仪比棱镜摄谱仪有

更高的分辨率，且色散率基本上与波长无关，它更适用于一些含复杂谱线的元素如稀土元素、铀、钍等试样的分析。

三、观测设备

1．光谱投影仪（映谱仪）

在进行光谱定性分析及观察谱片时需用此设备。一般放大倍数为20倍左右。

2．测微光度计（黑度计）

用来测量感光板上所记录的谱线黑度，主要用于光谱定量分析。

黑度S则定义为：

第四节

光谱定性分析

一、基本概念

通过检查谱片上有无特征谱线的出现来确定该元素是否存在，称为光谱定性分析。在分析一种元素时，一般只要检测到该元素的少数几条灵敏线或―最后线‖，就可确定该元素存在。所谓‖灵敏线―是指各种元素谱线中最容易激发或激发电位较低的谱线。灵敏线又可称为―最后线‖。由激发态直接跃迁至基态时所辐射的谱线称为共振线。由较低能级的激发态（第一激发态）直接跃基态时所辐射的谱线称为第一共振线，一般也是元素的最灵敏线。在实际定性分析中。是根据灵敏线或最后线来检测元素的，因此这些谱线又可称为分析线。

二、光谱定性分析的方法

1．比较法

即将试样与已知的鉴定元素的化合物在相同的条件下并列摄谱，然后将所得光谱图进行比较，经确定某些元素是否存在。

2．铁光谱比较法：

用铁的光谱来进行比较。将试样和纯铁并列摄谱。因为铁的光谱谱线较多，在我们常用 的铁光谱的210.0—660.0nm波长范围内，大约有4600条谱线，其中每条谱线的波长，都已作了精确的测定，载于谱线表内。所以用铁的光谱线作为波长的标尺是很适宜的。一般就将各个元素的分析线按波长位置标插在铁光谱图的相应位置上，预先制备了―元素标准光谱图‖。

在进行定性分析时，只要在映谱仪上观察所得谱片，使元素标准光谱图上的铁光谱谱线与谱片上摄取的铁谱线相重合，如果试样中未知元素的谱线与标准光谱图中已标明的某元素谱线出现的位置相重合，则该元素就有存在的可能。

三、光谱定性分析的操作过程

1．试样处理

2．摄谱

3．检查谱线

第五节

光谱定量分析

一、光谱定量基本公式

根据被测试样光谱中欲测元素的谱线强度来确定元素浓度。

I=acb

(4)

这是光谱定量分析依据的基本公式。对式（4）取对数得：

lgI=b·lgc＋lga(5)

以lgI对lgc作图，所得曲线在一定浓度范围内为一直线

实际光谱分析中，常采用内标法。内标法的原理如下： 在被测元素的谱线中选一条线作为分析线，在基体元素（或定量加入的其它元素）的谱线中选一条与分析线相近的谱线作为内标线（或称比较线），这两条谱线组成所谓分析线对。分析线与内标线的绝对强度的比值称为相对强度。内标法就是借测量分析线对的相对强度来进行定量分析的。内标法的基本公式：

以lgR对lgc所作的曲线即为相应的工作曲线，其形状与图7相同。只要测出谱线的相对强度R，便可从相应的工作曲线上求得试样中欲测元素的含量。对内标元素和分析线对的选择应考虑以下几点：

(1)原来试样内应不含或仅含有极少量所加内标元素。亦可选用此基体元素作为内标元素。

(2)要选择激发电位相同或接近的分析线对。

(3)两条谱线的波长应尽可能接近。

(4)所选线对的强度不应相差过大。

(5)所选用的谱线应不受其它元素谱线的干扰，也应不是自吸收严重的谱线。

(6)内标元素与分析元素的挥发率应相近。

二、乳剂特性曲线，内标法基本关系式

乳剂特性曲线通常以黑度值S为纵坐标，曝光量的对数lgH为横坐标作图（图7-8）。

此曲线AB部分为曝光不足部分，CD部分为曝光过度部分，BC部分为曝光正常部分。其

斜率为r,则：

r = tgα(7)

γ称为感光板的反衬度，表示当曝光量改变时，黑度变化的快慢。截距为lgHi，Hi称为乳剂的惰延量。感光析的灵敏度取决于Hi的大小，Hi愈大，愈不灵敏。横轴上的投影（bc线段）称为乳剂的展度，表示特性曲线直线部分的曝光量对数的范围。对于正常曝光部分，S与lgH之间的关系最简单，可用直线方程表示：

S = tgα(lgH－lgH i)= γ(lgH－lgH i)(8)

γlgH i 为一定值并以i表示，则：

S =γlgH－i(9)

H ≈ t S = γlgI t －I(10)

在光谱定量分析中，分析线及内标线的黑度为：

S1 =γ1lgI1t1 －i1(11)

S2 =γ2lgI2t2 －i2(12)

因为在同一感光板上，曝光时间相等，即t1 =t2，γ1=γ2 =γ，i1 =i2 =i，则分析线对的黑度差ΔS为：

ΔS = S1 －S2 =γ = rlg R(13)

将式(6)代入上式：

ΔS=γlgR=γb 1 lg c ＋γlg A(14)

在一定条件下，分析线对的黑度差与试样中该组分的含量c的对数成线性关系。

三、光谱定量分析方法－三标准试样法

实际工作中并不需要求出r，b 1，lgA的值。而是将三个以上的标准试样和被分析试样于同一实验条件下摄取光谱于同一感光板上。由各个标准试样分析线对的黑度差与校准试样中欲测成分的c含量的对数绘制工作曲线。

然后由被测试样光谱中测得分析线对的黑度差，从工作曲线中即可查得试样中该成分的含量。

第六节

光谱半定量分析

1．谱线呈现法

2．谱线强度比较法

3．均称线对法

第七节

原子发射光谱分析法的应用

原子发射光谱分析在鉴定金属元素方面（定性分析）具有较大的优越性，不需分离、多元素同时测定、灵敏、快捷，可鉴定周期表中约70多种元素，长期在钢铁工业（炉前快速分析）、地矿等方面发挥重要作用；

在定量分析方面，原子吸收分析有着优越性；

80年代以来，全谱光电直读等离子体发射光谱仪发展迅速，已成为无机化合物分析的重要仪器。

第八章

原子吸收光谱分析

第一节

原子吸收光谱分析基本原理

一、概述 原子吸收现象：原子蒸气对其原子共振辐射吸收的现象；1802年被人们发现；1955年以前，一直未用于分析化学，为什么？

澳大利亚物理学家 Walsh A（瓦尔西）发表了著名论文：《原子吸收光谱法在分析化学中的应用》

奠定了原子吸收光谱法的基础，之后迅速发展。特点：

(1)检出限低，10-10～10-14 g；(2)准确度高，1%～5%；

(3)选择性高，一般情况下共存元素不干扰；(4)应用广，可测定70多个元素（各种样品中）； 局限性：

难熔元素、非金属元素测定困难、不能同时多元素

二、原子吸收光谱的产生

1.原子的能级与跃迁

基态第一激发态，吸收一定频率的辐射能量。

产生共振吸收线（简称共振线）

吸收光谱

激发态基态

发射出一定频率的辐射。

产生共振吸收线（也简称共振线）

发射光谱

2.元素的特征谱线

（1）各种元素的原子结构和外层电子排布不同

基态第一激发态：

跃迁吸收能量不同——具有特征性。

（2）各种元素的基态第一激发态

最易发生，吸收最强，最灵敏线。特征谱线。

（3）利用原子蒸气对特征谱线的吸收可以进行定量分析

三、谱线的轮廓与谱线变宽

原子结构较分子结构简单，理论上应产生线状光谱吸收线。

实际上用特征吸收频率辐射光照射时，获得一峰形吸收(具有一定宽度)。

由：It=I0e-Kvb，透射光强度 It和吸收系数及辐射频率有关。

以Kv与 作图： 吸收峰变宽原因：

（1）自然宽度

照射光具有一定的宽度。

（2）温度变宽（多普勒变宽）ΔVD

多普勒效应：一个运动着的原子发出的光，如果运动方向离开观察者（接受器），则在观察者看来，其频率较静止原子所发的频率低，反之，高。

VD7.162107V0T M（3）压力变宽（劳伦兹变宽，赫鲁兹马克变宽）ΔVL 由于原子相互碰撞使能量发生稍微变化。

劳伦兹变宽：

待测原子和其他原子碰撞。随原子区压力增加而增大。

赫鲁兹马克变宽（共振变宽）：

同种原子碰撞。浓度高时起作用，在原子吸收中可忽略（4）自吸变宽

光源空心阴极灯发射的共振线被灯内同种基态原子所吸收产生自吸现象。灯电流越大，自吸现象越严重。

（4）场致变宽 外界电场、带电粒子、离子形成的电场及磁场的作用使谱线变宽的现象；影响较小；

在一般分析条件下ΔVD为主。

四、积分吸收和峰值吸收

1.积分吸收

钨丝灯光源和氘灯，经分光后，光谱通带0.2mm。而原子吸收线半宽度：10-3mm。如图： 若用一般光源照射时，吸收光的强度变化仅为0.5%。灵敏度极差。

理论上：

收辐射的基态原子数N0。

这是一种绝对测量方法，现在的分光装置无法实现。

(△λ=10-3，若λ取600nm，单色器分辨率R=λ/△λ=6×105)长期以来无法解决的难题！

能否提供共振辐射（锐线光源），测定峰值吸收？

2.锐线光源

在原子吸收分析中需要使用锐线光源，测量谱线的峰值吸收，锐线光源需要满足的条件：

（1）光源的发射线与吸收线的ν0一致。

（2）发射线的Δν1/2小于吸收线的 Δν1/2。

提供锐线光源的方法：

空心阴极灯

如果将公式左边求出，即谱线下所围面积测量出（积分吸收）。即可得到单位体积原子蒸气中吸

πe2KvdvN0f mc3.峰值吸收

采用锐线光源进行测量，则Δνe<Δνa，由图可见，在辐射线宽度范围内，Kν可近似认为不变，并近似等于峰值时的吸收系数K0

上式的前提条件：（1）Δνe<Δνa ；

（2）辐射线与吸收线的中心频率一致。

五、基态原子数与原子化温度

原子吸收光谱是利用待测元素的原子蒸气中基态原子与共振线吸收之间的关系来测定的。

需要考虑原子化过程中，原子蒸气中基态原子与待测元素原子总数之间的定量关系。

热力学平衡时，两者符合Boltzmann分布定律：

NjN0PjP0eE0EjkTPjP0eEkTPjP0ehkT

上式中Pj和PO分别为激发态和基态的统计权重，激发态原子数Nj与基态原子数No之比较小，<1%。可以用基态原子数代表待测元素的原子总数。公式右边除温度T外，都是常数。T一定，比值一定。

六、定量基础

ItI0eKb

第二节

原子吸收光谱仪及主要部件

一、流程

2.原子吸收中的原子发射现象

在原子化过程中，原子受到辐射跃迁到激发态后，处于不稳定状态，将再跃迁至基态，故既存在原子吸收，也有原子发射。但返回释放出的能量可能有多种形式，产生的辐射也不在一个方向上，但对测量仍将产生一定干扰。

消除干扰的措施：

将发射的光调制成一定频率；检测器只接受该频率的光信号；

原子化过程发射的非调频干扰信号不被检测；

二、光源

1.作用

提供待测元素的特征光谱。获得较高的灵敏度和准确度。

光源应满足如下要求；

（1）能发射待测元素的共振线；（2）能发射锐线；

（3）辐射光强度大，稳定性好。2.空心阴极灯： 3.空心阴极灯的原理

施加适当电压时，电子将从空心阴极内壁流向阳极;与充入的惰性气体碰撞而使之电离，产生正电荷，其在电场作用下，向阴极内壁猛烈轰击;使阴极表面的金属原子溅射出来，溅射出来的金属原子再与电子、惰性气体原子及离子发生撞碰而被激发，于是阴极内辉光中便出现了阴极物质和内充惰性气体的光谱。

用不同待测元素作阴极材料，可制成相应空心阴极灯。

空心阴极灯的辐射强度与灯的工作电流有关。优缺点：

（1）辐射光强度大，稳定，谱线窄，灯容易更换。（2）每测一种元素需更换相应的灯。

三、原子化系统

1.作用

将试样中离子转变成原子蒸气

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。