蔡青云

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E-mail: qycai0001@hnu.cn

Mon. 综合 215 (7 ， 8 ）

Thus. 综合 204 (5,6)

Principles of Instrumental Analysis

课程实验论文题目 ” 分析化学在： 1. 食品安全； 2. 药物分析； 3. 环境分析与监测； 4. 化妆品等方面的应用”

内容包括：研究背景概述，实验设计等，

研究背景介绍所选择领域目前存在的主要问题（可以是一个具体的问题）和分析化学在该领域的应用（有哪些分析方法可以解决这个问题）。

实验设计包括：题目；原理；仪器和试剂；样品处理（必须有一个实际样品的预处理方法）；实验步骤。如果能够给出目前的国家标准方法，检测范围和需要控制的浓度标准更好。

课程实验论文总字数不少于 1500 字。

Introduction

分析化学是人们用来认识、解剖自然的重要手段之一，是研究获取物质的组成、形态、结构等信息及其相关理论的科学 :

• 20 世纪 40 年代前：分析化学 = 化学分析；• 20 世纪 40 年代后：分析化学 = 化学分析 + 仪器

分析• 仪器分析：通过最佳的物理方法获取尽可能多的

化学信息 • 21 世纪 : 分析化学→ 分析科学

仪器分析的发展

• 20 世纪 40~50 年代兴起的材料科学，• 60 ~70 年代发展起来的环境科学• 80 年代以来，生命科学的发展 , 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。

都促进了分析化学学科的发展。

微型高效自动智能

仪器分析的特点

• 灵敏度高，样品用量少：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。

• 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。

• 操作简便，分析速度快，容易实现自动化。• 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。

• 需要价格比较昂贵的专用仪器。

仪器分析应用领域

社会：体育（兴奋剂）、生活产品质量（鱼新鲜度、食品添加剂、农药残留量）、环境质量（污染实时检测）、法庭化学（ DNA 技术，物证） 化学：新化合物的结构表征；分子层次上的分析方法； 生命科学： DNA 测序；活体检测； 环境科学：环境监测；污染物分析； 材料科学：新材料，结构与性能； 药物：天然药物的有效成分与结构，构效关系研究； 外层空间探索：微型、高效、自动、智能化仪器研制。

仪器分析方法的分类

仪器分析

电化学分析法 光分析法

色谱分析法热分析法

分析仪器联用技术

质谱分析法

通过本课程的学习

1. 要求掌握常用仪器分析方法的原理 和仪器的简单结构；

2. 要求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。

本课程的要求

 

绪 论 1

第一章 电位分析法 3

第二章 伏安法和极谱法 3

第三章 气相色谱法 4

第四章 高效液相色谱法 4

第五章 分子光谱分析法 -UV-Vis 4

第六章 分子发光—荧光和化学发光法 2

第七章 原子吸收光谱分析法 4

第八章 原子发射光谱分析法 4

第九章 核磁共振分析 3

第十章 分子光谱分析法 - 红外 4

第十一章 质谱 4

课程的主要内容

学习方法

抓住主线原理—特点—用途；重点在原理

归纳共性与个性 色谱法：共性：复杂混合物分离分析

个性：流动相 -原理 -对象处理好整体与局部 分析仪器—结构流程—关键部件拓宽知识面

化学 +生物学 +物理学 +电子技术 +计算机+ … ( 综合性学科 )

主要参考文献 • 汪尔康 主编， 21 世纪的分析化学，科学出版社，北

京， 1999• 赵藻藩 等编，仪器分析，高等教育出版社，北京， 1

990 • 武汉大学化学系 编，仪器分析，高等教育出版社，

北京， 2001 • J.D. Ingle ， S.R. Crouch 著，张寒琦，王芬蒂，施

文 译，金钦汉，刘明钟 审校，光谱化学分析，吉林大学出版社，长春， 1996

• 张正奇 主编，分析化学，科学出版社，北京， 2001

Chapter 1 电位分析法电化学分析

通过测定电流、电位、电导、电量等来测定物质组成及含量的分析方法。

特点

• 仪器简单，操作方便 ;

• 直接获得电信号，适合于自动控制和在线分析。

电化学分析法的类别按测量的电化学参数分类 :•电导分析法：测量电导值；•电位分析法：零电流条件下测量指示电极电位；

•电解 ( 电重量 )分析法：测量电解过程电极上析出物重量；

•库仑分析法：测量电解过程中消耗的电量；•伏安分析：电极反应条件下测量电流与电位变化曲线（ I-V 曲线）；

•极谱分析：使用滴汞电极时的伏安分析。

电流法

电化学测量装置

VA

VA

参比电极

工作电极

参比电极

工作电极

对电极

• 参比电极：具有恒定的电位 (S.C.E, Ag/AgCl)

• 指示电极：没有电极反应，无电流通过，指示电位• 工作电极：有电流通过，通常电极上有电化学反应• 对电极（辅助电极），与工作电极配对完成电化学反应

V

指示电极

参比电极

测量恒电位测量 I-V曲线

能斯特方程

dRe

OxOOx/Red lg

0591.0

a

a

n指

对于氧化还原体系： Ox + ne- = Red

dRe

OxOOx/Red ln

a

a

nF

RT指

25C 时：

能斯特方程

对于金属电极（还原态为金属，活度定为 1 ）：

OxOOx/Red lg

0591.0a

n指

浓差电位

对于浓度不相等的两相，其相间电位为：

][

]c[ln

2

1

anF

RTk 膜

25C 时： ][

]c[lg

0591.0

2

1

ank 膜

K+

c2

K+ c1

1-1 电位分析原理

电位分析是在零电流条件下测定两电极 (参比电极、指示电极 ) 间的电位差进行分析的方法。

E = 指 - 参 + 液接电位 E = 指 + K

测量平衡电极电位

V

指示电极

参比电极

Zn ZnSO4

e- Zn2+

e- Zn2+

e- Zn2+

e- Zn2+

e- Zn2+

e- Zn2+

电极电位测量•参比电极：具有恒定的电位；•指示电极：没有电极反应，无电流通过，指示电位

指示电极与膜电位指示电极：电位型传感器 （离子选择电极）• 仅响应溶液中特定离子；• 关键元件：敏感膜（单晶、混晶、液膜、及生物膜等）• 敏感膜：选择性响应特定离子• 膜电位：膜内外被测离子活度不同所产生的电位差：

扩散电位（液接电位）：离子扩散引起Donnan电位：渗透膜（准许特定离子通过）两侧电位

KCl (c2)KCl(c1) +

+

+

+

-

-

-

-K+

C2>C1 Donnan 电位C2C1

K+

K+ K+ K+ K+

K+

K+

K+

K+ K+

扩散电位

膜电位测定

21 EEEE 膜

外参比电极‖被测溶液 ( ai未知 )∣内充溶液 ( ai0 一定 )∣内参比

电极

内外参比电极的电位（ E1 ， E2 ）值固定，内充溶液中离子活度也一定，则电池电动势为：

ianF

RTEE ln

（敏感膜）

V

V

E1 E2E 膜

i00i

0 ln'ln anF

RTE

a

a

nF

RTEE

i

膜ai

ai0

1-2 、指示电极 : 电位型传感器

电位分析中的关键元件是指示电极，

即电位型传感器

怎样获得对特定离子有选择性响应

的电位型传感器？

1 、玻璃膜（非晶体膜）电极

pH玻璃膜电极：响应 H+ ，膜厚约为0.05 mm 。

Ext. soln. Int. soln.

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+ H

+

500 Å 500 Å

Na+

Na+Na

+Na

+

Na+

Na+

Na+

Na+

Na+

Na+

Na+

Na+

Na+

Na+

Na+ Na

+

Na+

Na+

Na+

Na+Na

+

表面的 Na+ 与水中的 H+ 交换，形成水合硅胶

Glass = 22% Na2O, 6% CaO, 72% SiO2

玻璃电极在水溶液中浸泡后生成三层结构：

玻璃膜电位的形成

• 在水化硅胶层，玻璃上的 Na+ 与溶液中 H+ 发生离子交换而产生相界电位；

• 溶液中 H+ 经水化层扩散至干玻璃层，干玻璃层的阳离子向外扩散以补偿溶出的离子，离子的相对移动产生扩散电位。 两者之和构成膜电位。

玻璃电极使用前 , 必须在水溶液中浸泡

Ext. soln. Int. soln.

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+ H

+

500 Å 500 Å

Na+

Na+Na

+Na

+

Na+

Na+

Na+

Na+

Na+

Na+

Na+

Na+

Na+

Na+

Na+ Na

+

Na+

Na+

Na+

Na+Na

+玻璃膜电位

内参比液

水合硅胶层

外部试液a1 a2a1’ a2’

玻璃电极放入待测溶液， 25℃平衡后：

E 内 = k1 + 0.059 lg(a2 / a2’ ）E 外 = k2 + 0.059 lg(a1 / a1’ ）E 膜 = E 外 - E 内 =k2-k1 + 0.059 lg( a1 a2’ / a1’ a2 ）

a1 、 a2 、 a1’ 、 a2’ 表示 H+ 活度； k1 、 k2 则是由玻璃膜外、

内表面性质决定的常数。由于 a1’, a2’, a2皆为常数 （内参比液

中的 H+ 活度 a2 是固定的） , 则 :

E 膜 = K´ + 0.059 lg a1 = K´ - 0.059 pH 试液

特点：膜电位与 pH 成线性关系。 K´ 是由玻璃膜性质决定的常数

• 高选择性 ： 1015倍 Na+ 浓度产生与 H+ 相同的电位；

• 酸差： pH<1 时 , 电位值偏离线性关系，产生误差 ;

•“碱差”或“钠差” : p

H>12 产生误差，主要是Na+参与相界面上的交换所致；采用 Li2O 代替 Na2

O 减少钠差

pH玻璃电极特点

•改变玻璃膜的组成，可制成对其它阳离子响应的玻璃膜电极。

2 、晶体膜电极（氟电极）

敏感膜：掺有 EuF2 的 LaF3 单晶切片：

LaF3 (s) = LaF2+(s) + F–(aq)

内参比电极： Ag-AgCl 电极 (管内 ) ；

内参比溶液： 0.1M NaCl+0.001M NaF

问题： NaCl 和 NaF取什么作用？

(F- 控制膜内表面的电位， Cl-固定内参比电极的电位 )

线性范围： 510-7~0.1 MAg(s)|AgCl(s)|NaCl, NaF (aq)|LaF3 crystal|ext. soln||

F- F- F- F-

F- F- F- F- F- F- F-

原理？

溶液中的 F- 进入 LaF3晶格中的空穴，在晶体膜表面进行交换，由于晶体膜内外 F-

浓度不相等形成膜电位， 25℃时：

原理 :

E 膜 = K - 0.059 lgaF- = K + 0.059 pF

•氟电极需要在 pH5～ 7 之间使用， pH 较高时，溶液中的 OH- 与氟化镧晶体膜中的 F-交换， pH 较低时，溶液中的 F - 生成 HF 或 HF2

- 。

F- F- F- F-

F- F- F- F- F- F- F-

• 对于一定的晶体膜，离子的大小、形状和电荷决定其是否能够进入晶体膜内，故膜电极一般都具有较高的离子选择性。

3 、敏化电极敏化电极是指气敏电极、酶电极、细菌电极及生物电极等。

透气膜：疏水性多孔膜（ Why？）中介液： NaHCO3 + NaCl

（ 1 ）气敏电极 （ CO2 ）pH 玻璃电极作指示电极， CO2 通过透气膜与中介液作用引起 pH 改变： CO2 + H2O = HCO3

– + H+

22 CO0592.0]COlg[0592.0 pEEE constconstcell

那些物质有干扰？

气敏电极一览表

（ 2 ）酶电极

PS E ）酶（

根据底物 S 或产物 P 选择相应指示电极构筑酶电极，如：

CO(NH2 )2 + H2O ──→ 2NH3 + CO2

尿酶

葡萄糖 + O2 + H2O ─────→ 葡萄糖酸 + H2O2

葡萄糖氧化酶

可分别选择氨电极、 CO2电极、氧电极作指示电极

应该选择什么电极做指示电极？

1-3 电位型传感器的性能参数 1 、线性范围和检测下限

• 线性范围 ： AB段对应的检测离子的活度（或浓度）范围。• 检测下限： AB 与 CD延长线的交点M 所对应的活度（或浓

度）• 级差： AB段的斜率， S =2.303 RT/nF表示 , 理论上 25℃时

S = 0.0592 V, 一价离子 S = 0.0296 V, 二价离子 离子电荷数越大，级差越小，测定灵敏度也越低。

• Nernst 相应 -pa 服从 Nernst 方程的相应：

nMlg

0591.0' a

nK

2 、膜电位及其选择性

若测定离子为 i，电荷为 zi ；干扰离子为 j，电荷为 zj 。考虑到共存离子产生的电位，则膜电位的一般式可写成为：

j

i

z

z

)(ln jiji aKanF

RTK膜

KCl(C2)

KCl(C1)

++++++

------

共存的其它离子对膜电位产生有贡献吗 ?

对阳离子，取正号；对负离子，取负号。

阳离子膜 anF

RTK ln

阴离子膜 anF

RTK ln

阳离子：

阴离子：

• Ki j称为电极的选择性系数，表示在相同条件下，

待测离子和干扰离子产生相同电位时待测离子活度αi 与干扰离子活度 αj 的比值 : Ki j = αi /α j

• Ki j值越小 , 表明电极的选择性越高。通常 Ki j << 1 ，

例如： Kij = 0.001 时 , 意味着干扰离子 j 的活度是

待测离子 i 的活度的 1000倍时 , 两者产生相同的电位

j

i

z

z

)(ln jiji aKanF

RTK膜

3 、响应时间和温度系数

响应时间：电极电位值达到稳定值的 95% 所需的时间。温度系数：将能斯特方程式对温度 T 微分可得：

第一项：标准电位温度系数，取决于电极膜的性质，被测离子特性，内参电极和内充液等因素 -电极性质第二项：奈斯特方程中的温度系数项，对一价离子，温度每改变 1℃，校正曲线的斜率改变 0.1984 。仪器中设有温度补偿装置对该项进行校正。第三项：溶液的温度系数项。温度改变导致溶液中的离子活度系数和离子强度改变。

t

a

na

nt

E

t

E ii d

dlg1984.0lg

1984.0

d

d

d

d O

4 、等电位点：温度系数接近零的电位点

实验表明：不同温度所得到的各校正曲线相交于一点（ A

点）。在 A点，电位不随温度改变，温度系数接近零。 A点称为电极的等电位点，对应的溶液浓度（ B点）称等电位浓度。

试样浓度位于等电位浓度附近时，温度引起的测定误差较小。

指示电极参比电极S.C.E Ag/AgCl 电极

搅拌子

电磁搅拌器

电位测量仪1-4 定量分析

测量装置

电极

pH 复合电极 pH 玻璃电极 参比电极 离子电极

测定原理

将离子选择性电极（指示电极）和参比电极插入试液可以组成测定各种离子活度的电池，电池电动势为：

离子选择性电极作正极

能否按上式由测得的电位直接得到离子浓度？

ianF

RTKE lg

303.2阳离子 :

阴离子 : ianF

RTKE lg

303.2

(1) 标准曲线法

用待测离子的纯物质配制一系列不同浓度的标准溶液，加入总离子强度调节缓冲溶液（ Total Ionic Strength Adjustment Buffe

r 简称 TISAB ）保持溶液的离子强度相对稳定，测定各溶液的电位值，并绘制 :

E - lg ci 关系曲线。

只有离子活度系数保持不变时，膜电位才与 log ci呈线性关系。

E

lg ci

为什么要保持溶液的离子强度相对稳定？

总离子强度调节缓冲溶液（ Totle Ionic Strength Adjustment Buffer 简称 TISAB ）

TISAB 由离子强度稳定剂（ NaCl）、缓冲液、掩蔽剂组成，有

如下作用：• 保持较大且相对稳定的离子强度，使活度系数恒定；• 维持溶液在适宜的 pH 范围内，满足离子电极的要求；• 掩蔽干扰离子。

示例：测 F- 使用的 TISAB 组成：1mol/L NaCl ：保持较大且稳定的离子强度，使活度系数恒定；

0.25mol/L HAc + 0.75mol/L NaAc ：维持溶液 pH~5 ；0.001mol/L 柠檬酸钠：掩蔽 Fe3+ 、 Al3+ 等干扰离子。

(2) 标准加入法

取若干份体积相同的试液（ cX ），依次按比例加入不同量的待测物的标准溶液（ cO ），定容后浓度依次为： cX ， cX +cO ， cX +2cO ， cX +3cO ， cX +4 cO ……

分别测得电位： AX ， A1 ， A2 ， A3 ， A4…… 。

以 E 对浓度 lgc做图得一直线，图中 cX点即待测溶液浓度

。

适用于复杂样品；可消除基体干扰

(3) 直接电位法

直接电位法测定 pH

指示电极： pH 玻璃膜电极参比电极：饱和甘汞电极

Ag, AgCl | HCl | 玻璃膜 | 试液溶液 KCl(饱和 ) | Hg2Cl2(固 ), Hg 玻 璃 液 接 甘 汞

电池电动势为：

C)(25 059.0'

)lg303.2

(/HgClHg 22

pHK

aF

RTKEE

EEEE

H液接

液接玻璃甘汞

采用标准 pH 溶液校正常数 K’, 然后可以直接测定试样 pH

标准 pH 溶液 温度 t ℃

0.05M草酸三氢钾

饱 和酒石酸氢钾

0.05M邻 苯二甲酸氢钾

0. 01mol/L 硼 砂

Ca(OH)2

10 1.671 3.996 9.330 13.011 15 1.673 3.996 9.276 12.820

20 1.676 3.998 9.226 12.637

25 1.680 3.559 4.003 9.182 12.460

30 1.684 3.551 4.010 9.142 12.292 35 1.688 3.547 4.019 9.105 12.130

40 1.694 3.547 4.029 9.072 11.975

第 2 章 极谱法与伏安法

• 利用浓差极化现象，根据 I-V 曲线进行分析

•伏安分析法：以测定电解过程中的电流 -电压曲线为基础的电化学分析方法；

•极谱分析法：采用滴汞电极的伏安分析法；

正极 : 还原 ,e.g. Ag+ + e = Ag

负极 : 氧化 ,e.g. Cu = Cu2+ + 2e

2-1 基本原理原电池与电解电池

阴极 : 还原 ,e.g. Cu2+ + 2e = Cu

阳极 : 氧化 ,e.g. Ag = Ag+ + e

1 、电极过程 ( 电解 pH=1,0.1mol/L硫酸铜 )当电压逐渐增加达到一定值后 :阴极 ( 与电源 “ -” 极相连 ) ： Cu2+ + 2e ＝ Cu

阳极 ( 与电源“ +” 极相连 ): 2H2O ＝ O2 + 4H+ +4e

电解反应： 2Cu2+ + 2H2O = 2Cu + O2 + 4H+

原电池反应： 2Cu + O2 + 4H+= 2Cu2+ + 2H2O

外加电压为 0.91V时 ,阴极是否有铜析出 ?

)V( 91.0)Cu/Cu()O/HO(电动势原电

)V(22.1O][H

]][H[Olg

4

059.0229.1)O/HO(

)V(307.0]Culg[2

059.0337.0)Cu/Cu(

222

2

222

22

E：池

2. 理论分解电压与析出电位• 理论分解电压：根据能斯特方程计算，反应进行所需的最小外加电压（ D’点）；

• 实际分解电压 (析出电位 )：实际电解时的电压，其值大于理论分解电压（ D点）；

• 产生差别的原因： 超电位（ η） ( 取正值） 电解回路的电压降（ iR）

•则析出电位为：

超电位使阳极电位更正，阴极电位更负，

超电位是如何产生的呢？

E 外 =( 阳 +η 阳 )-( 阴 -η 阴 )+iR = E 理 +E 超 +iR

3. 电极极化产生超电位的原因： 电极极化

电极极化：电解时，电极上有净电流流过时，电极电位偏离其平衡电位的现象。包括

a) 浓差极化：电流流过电极，表面形成浓度梯度。使正极电位增大，负极电位减小。减小浓差极化的方法：• 减小电流，增加电极面积；• 搅拌，有利于扩散

b) 电化学极化：电荷迁越相界面的放电所需的超电位。

产生的原因：电极反应速度慢，电极上聚集了一定的电荷。

气体的超电位 >>固体

4 极谱分析原理与过程1 、极谱电流：•迁移电流：与电势梯度成正比，支持电解质（ NaCl ）消除迁移电流

•残余电流：决定于残余电活性物质

E

•扩散电流：与浓度梯度成正比 : i = K (c - cs)

•极限扩散电流 id ： cs = 0 ，电解电流决定于扩散速度 :

i = K.c （定量依据）•半波电位 E1/2 ：决定于Mn+

/M, ( 定性依据 )

Cd2+ 的极谱图

• 扩散电流随时间 t1/6

增加，是扩散层厚度和滴汞面积的函数。

• 每一滴汞生长周期性长大和下滴使扩散电流发生周期性变化，极谱波呈锯齿形。

0.5M Cd2+, 1M HCl

1M HCl

极谱波形状

极化电极与去极化电极

•极化电极 : 通过无限小的电流，便引起电极电位发生很大变化的电极，如滴汞电极；

•去极化电极：电极电位不随电流变化的电极（理想电极），如甘汞电极或大面积汞层；

•滴汞电极：电极毛细管口处的汞滴很小，易形成浓差极

化；汞滴不断滴落，使电极表面不断更新，重复

性好；。氢在汞上的超电位较大；无氢干扰金属与汞生成汞齐 , 降低其析出电位 , 碱金属和碱土金属也可分析

(id)t = 708nD1/22/3t1/6c

扩散电流的平均值 (测定的电流 ):

tit

i tdd d)(1

)(t

0平均 = 607nD1/22/3 t 1/6c

(扩散电流方程： Ilkovic公式 )

n 电极反应中转移的电子数； D 扩散系数； t 滴汞周期 (s) ； c 待测物本体浓度； 汞流速度（ mg/s ）；

扩散电流方程： Ilkovic公式

影响扩散电流的因素

Ilkovic公式： (id) 平均 = 607nD1/22/3 t 1/6c

（ 1 ）被测物浓度： i = Kc; 被测物浓度较大时 , 汞滴上析出的金属多，改变汞滴表面性质，影响扩散电流 , 极谱法适用于低浓度试样。

（ 2 ）毛细管特性 : 2/3 t 1/6 定义为毛细管特性常数 k, 正比于毛细管高度 h, t反比于 h ： id = kh1/2 （实验验证是否扩散控制）

（ 3 ）温度：温度系数 ~0.013/C, 温度稳定在 0.5 C范围内，温度引起的误差小于 1%。

（ 4 ）扩散电流常数： n ， D 取决于被测物质的特性， 607nD1/2 定义为扩散电流常数。越大，测定越灵敏。

（ a）微量杂质等所产生的微弱电流

产生的原因：溶剂及试剂中的微量杂质及微量氧等。

消除方法：可通过试剂提纯、预电解、除氧等；

（ b）充电电流（也称电容电流）

影响极谱分析灵敏度的主要因素。

产生的原因：分析过程中由于汞滴不停滴下，汞滴表面积在不断变化，因此充电电流总是存在，较难消除。

充电电流约为 10-7 A 的数量级，相当于 10-5～ 10-6mol/L

的被测物质产生的扩散电流。

残余电流

• 在极谱分析过程中产生的一种特殊现象；

• 极谱电流随电极电位降低而迅速增大到一极大值，然后下降稳定在正常扩散电流值上。

• 极谱极大由汞滴生长过程中表面切向运动导致的对溶液搅动所致

• 加入表面活性剂（动物胶）消除极谱极大

5 、 极谱极大

Mn+ +e = M e-e-

e-

e-e-

e-e-

e-e-

1-空气饱和，出现氧双波2-部分除氧3- 完全除氧

6. 氧波E1/2= -0.05V (vs SCE):

O2＋ 2H ＋＋ 2e＝ H2O2

(O2 + H2O + 2e == H2O2 +2OH-)

E1/2= -0.9V (vs SCE):

H2O2＋ 2H ＋＋ 2e＝ 2H2O

(H2O2 + 2e == 2OH-)

半波电位位于极谱分析中最有用的电位区间 (0~-1.2V)

消除： a) 溶液中通惰性气体如 N2 、 CO2 (CO2仅适于酸性溶液 );

b) 在中性或碱性溶液中加 Na2SO3 ，还原 O2;

c) 在强酸性溶液中加入 Na2CO3 ，放出二氧化碳除去 O2 ； d) 在弱酸性或碱性溶液中加入抗坏血酸。

e) 分析过程中通 N2保护（不是往通 N2 ）。

可逆波：极谱电流完全由扩散控制不可逆波：电极反应速度慢，电极反应成为控制步骤氧化波：电极反应为氧化反应还原波：电极反应为还原反应

2-2. 极谱波类型及极谱波方程

可逆波

不可逆波

可逆氧化波

不可逆氧化波

可逆还原波不可逆还原波

E

i

E

i

极谱波方程式 : 描述极谱波上电流与电位之间关系。（ 1 ）简单金属离子的极谱波方程式： （可逆；受扩散控制；生成汞齐）

Mn+ +ne +Hg = M （ Hg ）（汞齐）

ca 滴汞电极表面上形成的汞齐浓度； cM 可还原离子

在滴汞电极表面的浓度； a ， M 活度系数；

oMMHg

oO ln

ca

c

nF

RTEE aa

极谱波方程

由于汞齐浓度很稀， aHg 不变；则：

oMM

oO ln

c

c

nF

RTEE aa

由扩散电流公式：

)( oMMM ccKi

M

oM

oMM

K

iiccKii d

d

oMMHg

oO ln

ca

c

nF

RTEE aa

MMcKid

根据法拉第定律：还原产物的浓度（汞齐）与通过电解池的电流成正比，析出的金属从表面向汞滴中心扩散，则：

oaa

oaa )0( cKcKi a

oa / Kic

ii

i

nF

RT

K

K

nF

RTEE

da

a

lnln

M

MO

aoa / Kic

oMM

oO ln

c

c

nF

RTEE aa

M

oM K

iic d

在极谱波的中点， i =id / 2 ： 常数

a

a

K

K

nF

RTEE

M

MO2/1 ln

ii

i

nF

RTEE

d ln2/1

ii

i

nEE

d ln

059.0:C25 2/1时

由上式可以计算极谱曲线上每一点的电流与电位值。

i= id /2 时， E=E 1/2 （半波电位），极谱定性的依据。

极谱波方程式

n 059.0

ln 可得转移电子数作图为一直线，由斜率对以n

Eii

i

d

ii

i

nEE

d ln

059.0:C25 2/1时

在 1mol/L KCl底液中，不同浓度的 Cd2+极谱波

由极谱波方程式：

ii

i

nF

RTEE

d ln2/1

不同金属离子具有不同的半波电位，且不随浓度改变，分解电压则随浓度改变 ,故可利用半波电位定性。

当 i=1/2id 时，半波电位

常数

a

a

K

K

nF

RTEE

M

MO2/1 ln

1 极谱定性方法2-3 极谱定性定量方法与应用

•同一离子在不同溶液中，半波电位不同；

•金属络离子比简单金属离子的半波电位要负，稳定常数越大，半波电位越负；

•半波电位接近或重叠的离子，可选用不同底液 ( 加络合剂 )分开；

•极谱分析的半波电位范围较窄（ 2

V ），半波电位定性的实际应用价值不大；

半波电位定性的特点和局限

依据公式： id =K c 可进行定量计算。

极限扩散电流 由极谱图上量出 , 用波高直接进行计算。

波高的测量• 平行线法• 切线法• 矩形法

平行线法

切线法

矩形法

2 、 极谱定量方法

定量分析方法

(1) 比较法 (完全相同条件 )

cs; hs 标准溶液的浓度和波高 ;

(2) 标准曲线法

(3) 标准加入法

XXXS

XSSX

SX

ssXX

sX

hVHVV

hcVc

VV

cVcVKH

Kch

)(

)(

ss

xx c

h

hc

无机分析方面：特别适合于金属、合金、矿物及化学试剂中微量杂质的测定，如金属锌中的微量 Cu 、 Pb 、 Cd 、 Pb 、Cd ；钢铁中的微量 Cu 、 Ni 、 Co 、 Mn 、 Cr ；铝镁合金中的微量 Cu 、 Pb 、 Cd 、 Zn 、 Mn ；矿石中的微量 Cu 、Pb 、 Cd 、 Zn 、 W 、 Mo 、 V 、 Se 、 Te 等的测定。

有机分析方面：醛类、酮类、糖类、醌类、硝基、亚硝基类、偶氮类

在药物和生物化学方面：维生素、抗生素、生物碱

2-4 极谱分析应用

1 、 单扫描极谱

2-5 现代极谱分析技术

在一滴汞上完成一次扫描 (扫描速度：可达 ~250mV/s ，传统极谱 : 200 mV/min)

峰电流 ip c 定量依据

• 滴汞生长的前 5s ( 面积变化大 )不扫描， a~b 段• 后 2s加线性扫描电位，汞滴附近的待测物质瞬

间被还原，产生较大的电流， b~c 段• 快速扫描 , 来不及形成扩散平衡 , 电流下降 , c ~

d 段；•扫描完成，将滴汞敲落保持重现性

单扫描极谱的特点

与经典极谱方法相比：

（ 1 ）速度快

一滴汞上即能形成一条曲线 , 经典极谱需 40~80滴汞；

（ 2 ）检测灵敏度高

峰电流比极限扩散电流大。

n=1 时 , 大 2倍 ; n=2 时 , 大 5倍。

（ 3 ）分辨率高

相邻峰电位差 40 mV 可分辨；

经典极谱法中 E1/2>200 mV才能分辨。

将小振幅（几毫伏到几十毫伏）的低频交流正弦电压（ 5-50 Hz ）叠加到直流极谱的电压上，测量通过电解池的交流电流和电压变化。

通过电解池的电流：

(1) 直流电流

(2) 交流电流

(3) 电容电流

电容隔离直流电流信号 , 交流信号经交流放大器放大后记录。

2 、 交流极谱

交流极谱分析过程与极谱图(1) 在图中 A 点，直流电压叠加交流电压仍达不到被测物质的析出电位。无交流电解电流产生 ;

(2)当直流电压达到被测物质的析出电位后 ,叠加交流电压将产生交流电解电流 ;

(3)在曲线的 B 点 (半波电位 )交流电流的振幅最大 ;

(4)在图中 C 点，叠加交流电压不能使扩散电流产生变化 .

交流极谱产生峰型信号

交流极谱的峰电流方程式与特点对可逆反应 : Ox + ne Red

： 交流电压的角频率 ;

V0 ：交流电压的振幅 ;

特点 :

• 分辨率、灵敏度高于直流极谱；可分辨 40

mV 的峰电位差；• 氧的干扰小 (交流极谱对可逆波灵敏，而氧波为不可逆波 )

cVADRT

Fnip 0

2/12/122

4

•充电电流（电容电流）限制了交流极谱灵敏度的提高；

•电压改变时，电容电流衰减最多

•将交流正弦波改为方波，使用时间开关，利用充电电流随时间很快衰减的特性，在方波出现的后期，记录交流极化电流信号。

灵敏度比交流极谱高 2 个数量级：10-7 - 10-8 mol/L 。

cVADKnip 02/12

3 、方波极谱

峰电流：

记录交流

激发信号

4 、脉冲极谱

•为克服毛细管噪声， Barker于 1960 年提出了脉冲极谱。

•在滴汞电极的生长末期，在直流电压上叠加振幅逐渐增加或

等振幅的脉冲电压；

•在每个脉冲后期记录电解电流；

• 按施加脉冲电压和记录电解电流方式的不同，分为：

常规脉冲极谱 (Normal Pulse Polarography, NPP)

微分脉冲极谱 (Differentiate pulse polarography, DPP )

常规脉冲极谱曲线•每个脉冲后 20ms ，电容电流趋于零：

•汞滴末期记录电解电流；

RC/tsc e

R

Ui

电压扫描方式：恒定电压 +振幅渐次增加矩形脉冲：• 振幅增加速率： 0.1 V/min• 扫描范围： 0~2V• 宽度： 40-60ms

常规脉冲极谱 (NPP)

常规脉冲极谱的灵敏度是直流极谱的 7 倍。

微分脉冲极谱电压扫描方式：

• 线性增加电压 +恒定振幅的矩形脉冲• 振幅恒定于 5~100mV 内某一电压；• 脉冲宽度 40~80ms ）

微分脉冲极谱曲线• 每个汞滴生长末期，在施加脉冲前

20ms （只有电容电流）和脉冲期后 20ms （电容电流 +电解电流）测得的电流相减得到电解电流 i。

• 微分脉冲极谱消除了电容电流，该法的灵敏度最高，检出限可达 10-8M

2-6 、 循环伏安法

三电极系统

扫描电压(V)

时间 /s

原理

•指示电极：悬汞电极、汞膜电极或固体电极，如 Pt 圆盘电极、玻璃碳电极、碳糊电极等

•电压扫描方式：扫描开始时，从起始电压扫描至某一电压后，再反向回扫至起始电压，构成等腰三角形

正向扫描时： O + 2e = R

反向扫描时： R = O + 2e

)25(5.56

/25.28

/25.28

1/

2/1

2/1

CmVn

nE

nE

ii

ca

c

a

pcpa

•从峰电流比与峰电位差可以推断反应是否可逆；•峰电位差与扫描速率无关 ;•循环伏安法用于研究电极反应过程 .

阴极峰电流 ipc, 和阴极峰电位 pc阳极峰电流 ipa, 和阳极峰电位 pa可逆反应：曲线上下对称：

-.4 -.2 0.0 .2 .4 .6 .8 1.0-8

-6

-4

-2

0

2

4abcd

Potential / V (vs. Ag/AgCl)

Cu

rrent / m

A

CV of TiO2\CNT\Pt electrode in: (a) 0.067M phosphate buffer (pH 7.2), (b)2.5 mM H2O2, (c) 5 mM H2O2, (d) 15 mM H2O2 . Scan rate100 mV/s.

H2O2 + 2e + 2H+ = 2H2O

0 100 200 300 400

-1000

-800

-600

-400

-200

0

0.0 0.5 1.0 1.5 2.00

50

100

150

200

250

300

Δi /

μA

[H2O

2] / mM

Cu

rrent / μ

A

Time / s

Current-time curve of TiO2\CNT\Pt electrode (1 mmol/L H2O2/step) in 0.067 mol/L PB (PH=7.2). Working potential of 400mV (vs.Ag/AgCl). Inset: calibration curve of theTiO2\CNT\Pt electrode.

0 200 400 600 800 1000-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

a

b

c

d

Cu

rrent / μ

A

Time / s

Amperometric response for four different electrodes upon subsequent additions of 1 mM glucose solution in 0.067 mM phosphate buffer (Ph 7.2) at 400 mV vs Ag/AgCl (3 M KCl). (a) TiO2\GOx, (b) TiO2\Pt\GOx, (c)TiO2 (CNT)\Pt\GOx, (d) TiO2\CNT\Pt\GOx

过程 被测物质在适当电压下恒电位电解 , 还原沉积在阴极上 ;

施加反向电压 , 使还原沉积在阴极 (此时变阳极 )上的金属离子氧化溶解，形成较大的峰电流 ;

峰电流与被测物质浓度成正比 , 定量依据 ;

灵敏度一般可达 10-8 ～ 10-9 mol/L ； 电流信号呈峰型，可同时测量多种金属离子。

恒电位电解富集与伏安分析相结合的极谱分析技术。

2-7 、 溶出伏安法

仪器 -电化学工作站

德国 ZAHNER Im 系列电化学工作站

江苏江分 MEC-12B 型多功能微机电化学分析仪

思考题1 、测定 pH要不要加总离子强度调节缓冲溶液，为什么？2 、某硝酸根电极对硫酸根的选择系数： K NO ３

-, SO ４2-=4.1×10-5

用此电极在 1.0mol/L硫酸盐介质中测定硝酸根 ,如果要求测量误差不大于 5%, 试计算可以测定的硝酸根的最低活度为多少 ?

思考题 -2

1 、请从原理、特定、优缺点等方面比较交流极谱与方波极谱，他们与传统极谱比有和优势？

2 、常规脉冲极谱与微分脉冲极谱的区别在哪？请从原理和操作上比较脉冲极谱与交流极谱的区别？

3 、什么是毛细管噪声？为什么脉冲极谱能克服毛细管噪声？

4 、阳极溶出伏安法怎样操作的？为什么具有较高的灵敏度

Chapter 3 Gas Chromatograph

Agilent 5973N GC/MS

Principles of Chromatography

• Chroma=“color”; graph=“writing”

• Mikhail Tswett (a Russian botanist) first

separated plant pigments by chromatogra

phy in 1906

• Martin & Synge developed theory of liqu

id-liquid chromatrography; Nobel Prize

(chemistry), 1952

3-1. Introduction

Chromatograph is based on partitioning between two phases:

L (stationary phase) L (mobile phase)

• Partition ratio: K = [L]s/[L]m

• Separation is achieved on the basis of relative affinity of substances for mobile or stationary phase

1 、色谱分类

• 气相色谱：流动相为气体（称为载气）按分离柱不同分为：填充柱色谱和毛细管柱色谱；按固定相的不同分为：气固色谱和气液色谱；

•液相色谱：流动相为液体（也称为淋洗液）按固定相的不同分为：液固色谱和液液色谱。离子交换色谱：液相色谱的一种，以离子交换树脂为固定相，不同 pH值的水溶液为流动相。

按流动相分类：

按分离机理分：

吸附色谱 (液固 )

凝胶色谱 (排斥色谱 )

离子交换色谱

分配色谱 (液液 )

按固定相性质分：

• 柱色谱 : 分为填充柱色谱和毛细管柱色谱，有效的色谱方法，

• 薄层色谱 : 比较简单的色谱方法• 纸色谱：比较简单的色谱方法

Classification of column chromatograph methods

2 、色谱发展• 凝胶色谱法：测聚合物分子量分布。• 超临界流体色谱 : CO2流动相。• 高效毛细管电泳 : 九十年代快速发展、特别适

合生物试样分析分离的高效分析仪器。

3-2. Instrumentation

• Column: 2-50 m coiled stainless steel/glass/Teflon

• Carrier gas: He (common), N2, H2

Pinlet 10-50 psig

F = 25-150 mL/min packed column

F = 1-25 mL/min open tubular column

• Oven: 0-400C ~ average boiling point of sample accurate to <1C

• Detectors: FID, TCD, ECD, (FTIR, MS)

The major parts

1 、 Column

Packed column

• liquid coated silica particles (<100-

300 m diameter) in glass tube

• best for large scale but slow and

inefficient

Capillary/Open Tubular

Capillary/Open Tubular

• wall-coated (WCOT): <1 m thick liquid coating on inside of silica tube

• support-coated (SCOT): 30 m thick coating of liquid-coated support on inside of silica tube

• best for speed and efficiency ( 高效） but only small samples

WCOT SCOT150-400 m

immobilized liquid 1 mSupport particles (diatomaceous earth) 30 m

（ 1 ）固定相

• 气相色谱分离依赖于固定相（Why?)

• 根据被分析样品的极性，按相似相溶原理

选择固定相

• low volatility

• high decomposition temperature

• chemically inert (reversible interactions with solvent)

• chemically attached to support (prevent "bleeding")

• appropriate k' and for good resolution

Many based on polysiloxanes or polyethylene glycol (PE

G):

Immobilized Liquid Stationary Phases:

Some common stationary phase for GC

Non-polar stationary phases best for non-polar analytes non-polar analytes retained preferentiallyPolar stationary phases best for polar analytes polar analytes retained preferentially

（ 2 ） How to chose stationary phase?

（ 3 ）担体

• 比表面积大，孔径分布均匀；• 化学惰性，表面无吸附性或吸附性很弱，与被分离组份不起反应；

• 具有较高的热稳定性和机械强度，不易破碎；• 颗粒大小均匀、适度。一般常用 60~80 目、 80~

100 目。

应满足的条件：

Inert Solid Supports

种类

担体名称 特点及用途 生产厂家

红色硅藻土担体

201红色担体301釉化红色担体

6201红色担体

适用于涂渍非极性固定液分析非极性物质由 201 釉化而成，性能介于红色与白色硅藻土担体之间，适用于分析中等极性物质

上海试剂厂

大连催化剂厂

硅藻土类

白色硅藻土担体

101白色担体101酸洗101硅烷化白色担体102白色担体

适用于涂渍极性固定液分析极性物质催化吸附性小，减小色谱峰拖尾

上海试剂厂

非硅藻土类

高分子微球

玻璃微球

氟担体

由苯乙烯和二乙烯苯共聚而成

经酸碱处理，比表面积 0.02 m2 / g ,可在较高温度下使用，适宜分析高沸点物质。由四氟乙烯聚合而成，比表面积 10.5 m2 /

g

适宜分析强极性物质和腐蚀性物质

上海试剂厂

Packed column

Capillary Column

Same stationary liquid and same temperature. The sample size is 30 times larger in packed column than in capillary column.

Higher column efficiency in capillary column

(4) Comparison of Packed and Capillary Columns

Futures of Capillary tube

• High efficiency (10~100 times that of packed c

olumn)

•无填料，阻力小，柱长大（可达百米），管径小（ ~0.2mm ）

•开口柱，消除了组分在柱中的涡流扩散，色谱峰窄、峰形对称；

•固定液直接涂在管壁上，涂层薄，传质阻力小。

2 、 Carrier Gas

• Mobile phase• Choice depends on

detector used• TCD detector requir

es gas with high thermal conductivity

• Nature of gas does not affect tr

Why?

Direct injection into heated port (>Toven) using microsyringe

(i) 1-20 L for packed column

(ii) 10-3 L for capillary column

Rotary sample valve with sample loop

3 、 Sample injection:

Split injection:

• routine method

• 0.1-1 % sample to column

• remainder to waste

Splitless injection:

• all sample to column

• best for quantitative analysis

• only for trace analysis, low [sample]

On-column injection:

• for samples that decompose above boiling point - no heated injection port

• column at low temperature to condense sample in narrow band

• heating of column starts chromatography

Need

• Sensitive (10-8-10-15 g solute/s)

• Operate at high T (0-400C)

• Stable and reproducible

• Linear response

Desire

• Wide dynamic range

• Fast response

• Simple (reliable)

• Nondestructive

• Uniform response to all analytes

4 、 GC Detectors:

(1) Thermal Conductivity Detector (TCD)

A

Sample blank

R R

池体 : 一般用不锈钢制成 ;

热敏元件： Pt, W, or semiconducting thermistors, 电阻率高、电阻温度系数大 ;

参考臂：通载气，常连接在进样装置之前 ;

测量臂：带分离组分的载气，连接在靠近分离柱出口处。

• Organics cause

temperature rise in

filament whose resistance

depends on the

temperature.

• He, H2 are the generally-

used carrier gases with

much larger (6~10 times)

thermal conductivity than

organic compounds.

Carrier gases used in TCD

• A relatively simple and broadly applicable detector

• Inexpensive, accurate, and nonselective

• Wide dynamic range (105)

• Nondestructive of samples

• Insensitive (10-8 g/s)

• Sensitivity is dependent on the difference between the thermal conductivity of the carrier gas and the analyte

Characteristics

AOrganic compounds pyrolyzed in a H2/air flame, producing ionic intermediates with which electricity can be carried through the flame

（ 2 ） Flame Ionization Detector (FID)

N2H2=11~11.5H2 Air=110

氢焰检测器的原理 在发射极和收集极之间加有 100—300V直流电压构成外电场：(1) 当含碳有机物 CnHm进入火焰时，在 C 层发生裂解

反应产生自由基 ： CnHm ──→ · CH

(2) 自由基在 D 层与激发态原子氧或分子氧反应： · CH + O ──→CHO+ + e

(3) 正离子 CHO+ 与火焰中大量水分子碰撞发生分子离子反应： CHO+ + H2O ──→H3O+ + CO(4) 正离子和电子在外加电场中产生微电流（约 10-6~10-14A ）；微电流大小与被测组分质量 (碳 ) 成正比，质量型检测器

• More complicated (need H2 and air) and expensive(1000 times) than TCD.

• One of the most popular and sensitive (10-13 g/s) detector• Wide dynamic range (107)• Signal depends on number of C atoms in organic analyte

- mass sensitive, not concentration sensitive• Weakly sensitive to carbonyl, amine, alcohol, amine grou

ps• Not sensitive to non-combustibles - H2O, CO2, SO2, NOx

• Destructive of samples• Nonselective

Futures

• Electrons from the emitter (63Ni, 3H adsorbed on Pt or Ti coil) cause ionization of the carrier gas (often N2) and the

production of a burst of electrons.

• In absence of organics, a constant standard current;

• In presence of organics, organic molecules capture electrons and decrease current.

(3) Electron Capture Detector (ECD

• Simple and reliable

• High sensitive (10-15g/s) to electronegative groups (haloge

ns, peroxides, anhydrides, conj. carbonyls, nitriles, ozone

O3, organometallics, sulfur)

• Insensitive to amines, alcohols and hydrocarbons

• Largely non-destructive of samples

• Selective, and nonlinear

• Limited dynamic range (102)

• 多应用于食品及环境中农药残留量的测定

Futures

(4) Flame Photometric Detector

• Measures luminescence of sample

• Useful for sulfur (394 nm) and phosphorus (526 nm)

(5) Important Other Detectors

• Mass spectrometer, FTIR

To pump

from GCTo MS

GC-MS connector

Comparison of GC Detector

TC: thermal conductivity; FID: flame ionization; ECD(T): electron capture (tritium); FID(P): flame ionization, for phosphorus; IR: infrared detector; MS: mass spectral detector ， D: detectivity = N/S

3-3. 色谱理论 /Column Efficiency

• tM or to = migration time for unretained species (dead

time), same rate as mobile phase molecules

• tR = retention time for retained species

• h = peak height

• tw or W = peak width

• Adjusted retention time, tR = tR – tM

• Average rate of the solute: (L:column length)

• Average rate of the mobile phase: u L/tM

Ideally:

• tR independent of volume injected

• produces Gaussian peaks

1 、色谱术语

tRtM

用体积表示的保留值 :

保留体积（ VR ）： VR = tR×F0

F0 为柱出口处的载气流量，单位： m L / min。

死体积（ VM ）： VM = tM ×F0

调整保留体积 (VR＇ ) ： V R＇ = VR － VM

分配系数（ partition factor ） K

组分在固定相和流动相间发生的吸附、脱附，或溶解、挥发的过程叫做分配过程。在一定温度下，组分在两相间分配达到平衡时的浓度（单位： g/mL ）比，称为分配系数，用 K 表示，即：

M

s

c

cK 组分在流动相中的浓度组分在固定相中的浓度

分配系数是色谱分离的依据。

一定温度下，组分的分配系数 K越大，出峰越慢； 试样一定时， K 主要取决于固定相性质； 选择适宜的固定相可改善分离效果； 试样中的各组分具有不同的 K值是分离的基础； 某组分的 K = 0 时，即不被固定相保留，最先流出。

组分在流动相中的浓度组分在固定相中的浓度

K

分配比 (partition radio) k, 或容量因子 (capacity factor)

分配比是指，在一定温度下，组分在两相间分配达到平衡时的质量比：

M

s

m

mk 组分在流动相中的质量组分在固定相中的质量

• 分配系数与分配比都是与组分及固定相的热力学性质有关的常数，随分离柱温度、柱压的改变而变化。

• 分配系数与分配比都是衡量色谱柱对组分保留能力的参数，数值越大，该组分的保留时间越长。

• 分配比可以由实验测得。

Migration rate of analyte A

KA: partition ratio

kA: capacity factor

AA k

uv

1

1

How is k'A related to tR and tM?

• When k’ is 1.0, separation is poor

• When k’ is >30, separation is slow

• When k’ is 2-10, separation is optimum

Capacity Factor and Separation

• Selectivity, = KB / KA = kB / kA = trB / trA ,

larger = better separation

• Resolution:

BA

ARBR

BAs WW

tt

WW

ZR

22

Selectivity and Resolution

t

BA

WB WA

BA

ARBR

BAs WW

tt

WW

ZR

22

2 、 塔板理论Theoretical plates, N L/H• H: height of 1 theoretical plate ；• Both N and H are measures of the ability of a

column or chromatographic medium to separate components in a mixture ；

• Plates are only theoretical ； • column efficiency increases with N

• 柱效越高，所得色谱峰越窄；• 柱效不能表示实际分离效果，当两组分的

分配系数 K相同时，无论柱效多高，都无法分离

Efficient column has small plate height - less zone broadening

Based on the Gaussian distribution, ~96% of the area lies within 2 of the maximum.(68.3% within 1)

H 2/ L (unit in cm)

Experimentally, H and N can be approximated from

the width of the base of the chromatographic peak

N = 16(tR / W)2

3 、 速率理论

1. 速率方程 H = A + B/u + C·u

H ：理论塔板高度， u ：载气的线速度 (cm/s

)

• 减小 A 、 B 、 C三项可提高柱效 ;

• 存在着最佳流速；• A 、 B 、 C三项各与哪些因素有关？

A─涡流扩散项 , B/u —分子扩散项 , C ·u —传质阻力项

C.uC.u

A─涡流扩散项 A = 2λdp dp ：固定相的平均颗粒直径λ ：固定相的填充不均匀因子

固定相颗粒越小 dp↓ ，填充的越均匀， A↓ ， H↓ ，柱效n↑ 。表现在涡流扩散所引起的色谱峰变宽现象减轻，色谱峰较窄。

Flo

w d

irec

tion

B/u — 分子扩散项

B = 2 νDg

ν ：弯曲因子，填充柱色谱， ν<1 。

Dg ：试样组分分子在气相中的扩散系数（ cm2·s-1 ）

存在着浓度差，产生纵向扩散 ;

扩散导致色谱峰变宽， H↑(n↓) ，分离变差 ;

分子扩散项与流速有关，流速↓，滞留时间↑，扩散↑ ;

扩散系数： Dg (∝ M 载气 )-1/2 ； M 载气↑， B值↓。液相可忽

略

k 为容量因子； Dg 、 DL 为扩散系数。

减小担体粒度，选择小分子量的气体作载气，可降低传质阻力。

C ·u — 传质阻力项

传质阻力包括气相传质阻力 Cg 和液相传质阻力 CL即：

C = （ Cg + CL ）

gg D

d

k

kC

2p

2

2

)1(

01.0

L

fL D

d

k

kC

2

2)1(3

2

载气流速与柱效——最佳流速• 载气流速高时：传质阻力项

是影响柱效的主要因素，流速，柱效。

• 载气流速低时：分子扩散项成为影响柱效的主要因素，流速 ,柱效 。

• 流速对柱效的总影响使得存在着一个最佳流速值，即速率方程式中塔板高度对流速的一阶导数有一极小值。

• 以塔板高度 H 对应载气流速 u 作图，曲线最低点的流速即为最佳流速。

C.u

速率理论的要点

•柱效下降的主要原因 : 组分分子在柱内运行的多路径与涡流扩散、 浓度梯度造成的分子扩散 传质阻力使气液两相间的分配平衡不能瞬间达到

•提高柱效 : 选择适当的固定相粒度； 选择适当的载气种类、液膜厚度； 选择适当的载气流速。

4 、 分离度

•塔板理论和速率理论都难以描述难分离物质的实际

分离程度。即柱效为多大时，能够被完全分离。

• 相邻两组份的分离度大小受色谱过程中两种因素的

影响：

保留值之差─色谱过程的热力学因素；

区域宽度（峰宽）─色谱过程的动力学因素。

Separation Performance

A: Poor resolution due to low

column efficiency

B: Good resolution due to high

column efficiency

C: Good resolution due to high

column selectivity (high k)

D: Poor resolution due to low

capacity factor despite adequate

column efficiency and selectivity

A

B

C

D

1 、固定相的选择：气－液色谱，根据“相似相溶”的原则

分离非极性组分时：选用非极性固定相。各组分按沸点顺序，低沸点组分先出峰。

分离极性组分时：选用极性固定液。各组分按极性大小顺序，极性小的先出峰。

分离非极性和极性的（或易被极化的）混合物 : 选用极性固定液。此时，非极性组分先出峰，极性的（或易被极化的）组分后出峰。

醇、胺、水等强极性和能形成氢键的化合物 : 选择极性或氢键性的固定液。

3-4 气相色谱操作条件的选择

2 、 固定液配比（涂渍量）的选择

配比：固定液在担体上的涂渍量，一般指的是固定液与

担体的百分比，配比通常在 5%～ 25% 之间

配比越低，担体上形成的液膜越薄，传质阻力越小，柱

效越高，分析速度也越快。

配比较低时，固定相的负载量低，允许的进样量较小。

分析工作中通常倾向于使用较低的配比。

3 、柱温的确定

柱温应控制在固定液的最高使用温度（超过该温度固定液易流失）和最低使用温度（低于此温度固定液以固体形式存在）范围之内。

柱温一般选择在接近或略低于组分平均沸点时的温度

组分复杂，沸程宽的试样，采用程序升温

4 、分流比调节

毛细管柱内径很细，因而：• 柱容量小，载气流量小，进样量小。需采用分流技术；• 分流后，柱后流出的试样组分量少、流速慢。

解决方法：• 灵敏度高的氢焰检测器，• 采用尾吹技术。

分流比 R ：放空的试样量与进入毛细管柱的试样量之比。

R = 50 ： 1~500 ： 1

For multiple components, conditions rarely optimum for all components

3-5 General Elution Problem:

怎么解决？

在分离过程中改变条件 -程序升温

Chapter 4 High performance liquid chromatography （ HPLC ）

GC：• 适于能气化、热稳定性好、沸点较

低的样品；• 对高沸点、挥发性差、热稳定性差、离子型、无机化合物、高聚物样品，及大多数生化样品不可检测

HPLC：• 适于溶解后能制成溶液的样品（包括有机介质溶液），不受

样品挥发性和热稳定性的限制，对分子量大、难气化、热稳定性差的生化样品及高分子和离子型样品均可检测

• 特点：高压、高效、高速 高沸点、热不稳定有机及生化试样的高效分离分析方法。

4-1. HPLC Equipment

检测器

高压输液泵

进样装置

高效分离柱

梯度淋洗装置

1 、高压输液泵压力： 150～ 350×105 Pa

为了获得高柱效而使用粒度很小的固定相（ <10m ），液体的流动相高速通过时，将产生很高的压力，因此高压、高速是高效液相色谱的特点之一。应具有压力平稳、脉冲小、流量稳定可调、耐腐蚀等特性

2 、 梯度淋洗装置

外梯度 :

利用两台高压输液泵，将两种不同极性的溶剂按一定的比例送入梯度混合室，混合后进入色谱柱。

内梯度 :

一台高压泵 , 通过比例调节阀，将两种或多种不同极性的溶剂按一定的比例抽入高压泵中混合。

流路中为高压力工作状态

3 、 进样装置Mobile phase supplySample inlet

To column

耐高压的六通阀进样装置

4 、 高效分离柱

柱体为直型不锈钢管，内径 1～ 6 mm ，柱长 5～40 cm 。发展趋势是减小填料粒度和柱径以提高柱效。

5 、液相色谱检测器• UV Absorption• IR Absorption• Fluorescence• Refractive Index• Electrochemical• Mass Spectroscopy

Bulk property detectors - measure property of mobile phase (refractive index, dielectric constant, density)

Solute property detectors - measure property of solute not present in mobile phase (UV absorbance, fluorescence, IR absorbance)

紫外检测器应用广，对大部分有机化合物有响应。

灵敏度、线形范围高；流通池小 ( 8μL ）；对流动相的流速和温度不敏感；波长可选，易于操作。

Refractive Index Detection (示差折光检测器 )

•除紫外检测器之外应用最多的检测器

• 连续检测参比池和样品池中流动相之间的折光指数差值。

差值与浓度呈正比；

• 通 用型检 测 器 （每种物 质 具 有 不同的折光指数）；

• 灵敏度低 (0. 1 mg/mL) 、对温度敏感、不能用于梯度洗脱。

Fluorescence Detection (荧光检测器 )

• 高灵敏度（ 0.01 ng/mL ）、高选择性；

• 对多环芳烃，维生素 B 、黄曲霉素、卟啉类化合物、农药、药物、氨基酸、甾类化合物等有响应；

• 激光诱导荧光 (LIF) Laser In

duced Fluorescence• 体积小，适合毛细管柱

电学和电化学检测器：安培检测器电导检测器库仑检测器介电常数检测器极谱检测器

基于热学性质的检测器：光声检测器热透镜和光热偏转检测器

与其他大型仪器联用：质谱检测器（液相色谱与质谱联用）核磁检测器 (液相色谱与核磁的联用）

以上均为光学检测器，此外还有

几种常见检测器之间的性能比较检测器 紫外 荧光 示差 安培

测量参数 吸光度 荧光强度 折射率 电流检测能力 (g/

ml)10-9~10-10 10-10 10-7 10-10

线性动态范围

104 102~104 103~104 104~105

噪音( 测量参数单位 )

1×104 － 10-7~10-8 10-9

能否用于梯度洗脱

能 能 不能 有限的

对温度的依赖性

小 小 大 中

对流量的依赖性

没有 没有 有 有

4-2 基本原理与主要分离类型

• Adsorption (liquid-solid)

• Partition

• Ion exchange

• Size exclusion or gel

基本原理：组分在固定相吸附剂上的吸附与解吸；

适用于分离相对分子质量中等的油溶性试样，对具有官能

团的化合物和异构体有较高选择性；

缺点：非线形等温吸附常引起峰的拖尾；

固定相：固体吸附剂，如硅胶、氧化铝、分子筛等，多孔型和薄壳型；粒度： 5-10m流动相：各种不同极性的一元或多元溶剂

1. 液 -固吸附色谱

环境中有机氯农药残留量分析

固定相：薄壳型硅胶 (37 ～ 50m)

流动相：正己烷 流 速： 1.5 mL/min

色谱柱： 50cm2.5mm( 内径 )

检测器：差示折光检测器

可对水果、蔬菜中的农药残留量进行分析。

Separation of Isomers

• Packing: 10 m alumina

• Column: 15cm by 2.4mm

• Mobile phase: 40% CH2Cl2 in hexane

• Flow rate: 100 mL/hr

• Sample size: 1 g of each isomer

• Detector: 254 nm ultraviolet absorption

2. 液 -液分配色谱

基本原理：组分在固定相和流动相上的分配适应对象：mw<3000 的分析物

固定相：早期涂渍固定液，固定液流失，较少采用；化学键合固定相：（将各种不同基团通过化学反应键合到硅胶（担体）表面的游离羟基上固定相与流动相均为液体（互不相溶）流动相：对于极性固定液，采用非极性流动相（正相色谱 n

ormal phase ），反之，流动相的极性大于固定液的极性（反相 reverse phase ）。正相与反相的出峰顺序相反

化学键合固定相

化学键合固定相 : 目前应用最广、性能最佳的固定相； a. 硅氧碳键型： ≡ Si—O—C

b. 硅氧硅碳键型：≡ Si—O—Si — C

稳定，耐水、耐光、耐有机溶剂，应用最广； c. 硅碳键型： ≡ Si—C

d. 硅氮键型： ≡ Si—N

C-18柱（反相柱）

化学键合固定相的特点

（ 1 ）传质快，表面无深凹陷，比一般液体固定相传质快；（ 2 ）寿命长，化学键合，无固定液流失，耐流动相冲击； 耐水、耐光、耐有机溶剂，稳定； （ 4 ）选择性好，可键合不同官能团，提高选择性；（ 5 ）有利于梯度洗脱；

存在着双重分离机制：(键合基团的覆盖率决定分离机理 )

高覆盖率：分配为主；低覆盖率：吸附为主；

正相色谱——固定液极性 > 流动相极性（ NLLC ） 极性小的组分先出柱，极性大的组分后出柱 适于分离极性组分

反相色谱——固定液极性 < 流动相极性（ RLLC ） 极性大的组分先出柱，极性小的组分后出柱 适于分离非极性组分

Normal phase HPLC: nonpolar solvent/polar column

Reversed phase HPLC: polar solvent/nonpolar column

Normal- (polar column) versus Reversed Phase (nonpolar) elution:

high polarity solvent, high polarity solutes elute first

固定相：十八烷基硅烷化键合相 流动相： 20%甲醇 -水 ～ 100%甲醇 线性梯度淋洗， 2%/min

流 速： 1mL/min

柱 温： 50 ºC

柱 压： 70 104 Pa

检测器：紫外检测器

稠环芳烃的分析

3. 离子交换色谱

固定相：阴离子离子交换树脂或阳离子离子交换树脂；流动相：阴离子离子交换树脂作固定相，采用酸性水溶液；阳离子离子交换树脂作固定相，采用碱性水溶液；基本原理：组分在固定相上发生的反复离子交换反应；组分与离子交换剂之间亲和力的大小与离子半径、电荷、存在形式等有关。亲和力大，保留时间长；阳离子交换： R—SO3H +M+ = R—SO3 M + H +

阴离子交换： R—NR4OH +X- = R—NR4 X + OH-

应用：离子及可离解的化合物，氨基酸、核酸等。

抑制型：抑制柱型、连续抑制型•分离柱中离子交换树脂的交换

容量通常在 0.01 ～ 0.05 毫摩尔 / 克干树脂。

非抑制型 :

•当进一步降低分离柱中树脂的交换容量 (0.007～ 0.07毫摩尔 / 克干树脂 ), 使用低浓度、低电离度的有机弱酸及弱酸盐作淋洗液，如苯甲酸、苯甲酸盐等。检测器可直接与分离柱相连，不需抑制柱。

离子色谱柱

低交换容量

离子交换色谱分离键合固定相

薄壳键合型；微粒硅胶键合型（键合离子交换基团）树脂类别：阳离子交换树脂（强酸性、弱酸性）R—SO3H +M+ = R—SO3 M + H +

阴离子交换树脂（强碱性、弱碱性）R—NR4OH +X- = R—NR4 X + OH-

• -SO3–, strong cation exchanger

• -CO2–, weak cation exchanger

• -NH3+, weak anion exchanger

• -NR3+), strong anion exchanger

离子色谱连续抑制装置图

离子色谱的应用阴离子分析 : • 双柱；薄壳型阴离子交换树脂分离柱 (3×250mm),• 流动相： 0.003mol·L-1 NaHCO3 / 0.0024 mol·L-1 Na2CO3 ，流量 138 mL/hr 。• 七种阴离子在 20 分钟内基本上得到完全分离，各组分含量在 3～ 50 ppm 。

固定相：凝胶 (porous silica or polymer particles, 40-2500 Å)

分析对象： large mw compounds - proteins and polymers

原理：• 按分子大小分离。小分子可以扩散到凝胶空隙，由其中通过，

出峰最慢；中等分子只能通过部分凝胶空隙，中速通过；而大分子被排斥在外，出峰最快；溶剂分子小，故在最后出峰。

• 全部在死体积前出峰；• 可对相对分子质量在 100-105 范围内的化合物按质量分离

4. 尺寸排斥色谱（ gel filtration, gel permation, gel exclusion chromatography ）

Separation of proteins/

peptides, sugars,

determination of

polymer molecular

weight distribution

4-3 液相色谱分离条件选择• 流速• 固定相• 分离柱• 流动相

1. 流速 流速大于 0.5 cm/s 时 ,

H～ u曲线是一段斜率不大的直线。降低流速，柱效提高不是很大。但在实际操作中，流量仍是一个调整分离度和出峰时间的重要可选择参数。

2. 固定相及分离柱 气相色谱中的固定液原则上都可以用于液相色谱，其选用原则与气相色谱一样。但在高效液相色谱中，分离柱的制备是一项技术要求非常高的工作，一般很少自行制备。

3 、流动相• 液相色谱流动相又称为：淋洗液，洗脱剂。流动相组成改变

，极性改变，可显著改变组分分离状况；• 极性固定液常采用非极性流动相，即正相液液色谱法，极性

柱也称正相柱；• 若流动相的极性大于固定液的极性，则称为反相液液色谱，

非极性柱也称为反相柱。组分在两种类型分离柱上的出峰顺序相反。

• 常用溶剂：己烷、 CCl4 、甲苯、乙酸乙酯、乙醇、乙腈、水

• 采用二元或多元组合溶剂作为流动相可以灵活调节流动相的极性

常用溶剂的极性顺序： 水 ( 最大 ) > 甲酰胺 > 乙腈 > 甲醇 > 乙醇 > 丙醇 >

丙酮 > 二氧六环 > 四氢呋喃 > 甲乙酮 > 正丁醇 > 乙酸乙酯 > 乙醚 > 异丙醚 > 二氯甲烷 > 氯仿 > 溴乙烷 > 苯 > 四氯化碳 > 二硫化碳 > 环己烷 > 己烷 > 煤油 ( 最小 )

选择流动相时应注意的几个问题

（ 1 ）尽量使用高纯度试剂作流动相，防止微量杂质长期累积损坏色谱柱和使检测器噪声增加。

（ 2 ）避免流动相与固定相发生作用而使柱效下降或损坏柱子。如使固定液溶解流失；酸性溶剂破坏氧化铝固定相等。

（ 3 ）试样在流动相中应有适宜的溶解度，防止产生沉淀并在柱中沉积。

（ 4 ）流动相同时还应满足检测器的要求。当使用紫外检测器时，流动相不应有紫外吸收。

4 、影响分离的其它因素 在高效液相色谱中 , 液体的扩散系数仅为气体的万分之一，则速率方程中的分子扩散项 B/U 较小，可以忽略不计，即： H = A + C u

故液相色谱 H-u曲线与气相色谱的形状不同，如图所示。液体的黏度比气体大一百倍，密度为气体的一千倍，故降低传质阻力是提高柱效主要途径。

由速率方程，降低固定相粒度可提高柱效。

液相色谱中，增加柱温来改善传质的效果不明显，一般恒温操作。

改变淋洗液组成、极性是改善分离的最直接的因素。

The General Elution Problem Solvent polarity (composition) continuously varied or stepped

Solvent composition ischanged during elutionto decrease capacityfactor

4-4 色谱定性分析

1 、利用纯物质定性

利用保留值定性：通过对比试样中具有与纯物质相同保留值的色谱峰，来确定试样中是否含有该物质及在色谱图中的位置。不适用于不同仪器上获得的数据之间的对比。Wise to verify tr on several different stationary phases

利用加入法定性：将纯物质加入到试样中，观察各组分色谱峰的相对变化。

2 、利用文献保留值定性（利用相对保留值 r21 定性）

相对保留值 r21仅与柱温和固定液性质有关。在色谱手册中都列有各种物质在不同固定液上的保留数据，可以用来进行定性鉴定。

3 、与其他分析仪器联用的定性方法

小型化的台式色质谱联用仪（ GC-MS； LC-MS）

色谱 -红外光谱仪联用仪；

组分的结构鉴定

Sample

Sample

58905890

1.0 1.0 DEG/DEG/MINMIN

HEWLETTHEWLETTPACKARDPACKARD

HEWLETHEWLETTTPACKARPACKARDD

5972A5972AMass Mass

SelectivSelective e DetectoDetectorr

DD CCBBAA

AABBCCDD

Gas Chromatograph (GC)

Mass Spectrometer (MS)

Separation

Identification

BB

AA CC DD

4-5 色谱定量分析

• Compare unknowns to standards– External standards (use same compound and analyte)– Internal standards (use chemically similar derivative of analyt

e with similar tR)

• Peak height– assumes similar peak widths– convenient, but ±5-10% accuracy common

• Peak areas– more reliable, but inconvenient– HW, or computer integration of peaks– 1% relative error achievable

峰面积的测量

（ 1 ）峰高（ h ）乘半峰宽（ Y 1/2 ）法：近似将色谱峰当作等腰三角形。此法算出的面积是实际峰面积的 0.94倍：

A = 1.064 h·Y1/2

（ 2 ）自动积分和微机处理法

常用的几种定量方法

特点及要求：

归一化法简便、准确；

进样量的准确性和操作条件的变动对测定结果影响不大；

仅适用于试样中所有组分全出峰的情况。

100)(

100%

1

'

'

21

n

iii

ii

n

ii

Af

Af

mmm

mc

归一化

外标法，也称为标准曲线法

特点及要求： 外标法不使用校正因子，准确性较高， 操作条件变化对结果准确性影响较大。 对进样量的准确性控制要求较高，适用于大批量试样的快速分析。

内标法 内标物要满足以下要求：（ a ）试样中不含有该物质；（ b ）与被测组分性质比较接近；（ c ）不与试样发生化学反应；（ d ）出峰位置应位于被测组分附近，且无组分峰影响。试样配制：准确称取一定量的试样 W ，加入一定量内标物 mS

计算式：

Ss

iisi

Ss

ii

s

i

Af

Afmm

Af

Af

m

m'

'

'

'

;

100100100% '

''

'

Ss

iiiSs

iii

ii Af

Af

W

m

W

Af

Afm

W

mc

内标法特点

(a) 内标法的准确性较高，操作条件和进样量的稍

许变动对定量结果的影响不大。

(b) 每个试样的分析，都要进行两次称量，不适合

大批量试样的快速分析。

(c) 若将内标法中的试样取样量和内标物加入量固

定，则：

常数S

ii A

Ac %

色谱作业1 、常用于评价色谱分离条件选择得是否适宜的物理量是什么？请分析下面现象产生的可能原因并给出解决办法 : a) 两组分的保留值小并且很接近（气相）b）两组分的保留值适中但是很接近 （液液正相分配色谱）c) 两组分的保留值适中但是峰太宽相互重叠（气相）

2 、气相色谱常用的检测器有哪些，各有何特点？当采用热导池检测器测定有机化合物时应该采用什么载气

3 、从分离原理、特点、适用对象讨论液 -液，液 -固，离子交换，及凝胶色谱