仪器分析实验 - 总论

仪器分析实验-总论 污染控制与资源化研究国家重点实验室袁园

提纲 • 仪器分析在环境领域中的重要作用 • 环境样品预处理技术 • 实验室注意事项及课程安排

1、仪器分析在环境领域中的重要作用

开始从事研究工作的人必须首先学习仪器的使用方法开始从事研究工作的人必须首先学习仪器的使用方法 • 仪器分析在环境研究领域中起着非常重要的作用

仪器分析在环境研究领域中的重要作用 • 重金属的测定: • （1）比色法-分光光度计 • （2）原子吸收光谱法 • （3）ICP-电感耦合等离子体光谱仪

仪器分析在环境研究领域中的重要作用 • 有机物的测定：常规、经典法：COD测定-分光光度计热稳定物质，分子量小于300、沸点低于300℃的有机物：气相色谱法热不稳定物质的有机物：液相色谱法

仪器分析在环境研究领域中的重要作用 • 了解物质的分子结构： • ——红外吸收光谱法 • X射线衍射仪 • 物质发生相变、化学变化： • ——热分析

2、环境样品的预处理技术

2、环境样品的预处理技术 • 环境分析的质量保证 • 环境样品前处理技术

（1）环境分析的质量保证 • ① 环境样品的采集、保存及选取环节 • ②分析方法选取环节 • ③环境样品的前处理环节 • ④样品的分析测试环节 • ⑤分析数据处理环节

（1）环境分析的质量保证 ① 环境样品的采集、保存选取环节样品的代表性－COD、样品的有效性－溶解氧、余氯、挥发性有机物环境样品的保存－器皿、稳定剂的选择

②分析方法的选取环节 • 1、国标或2、 • 2、EPA方法或1 • 3、其他标准方法 • 4、新研究方法需用国标法（EPA）对比结果

（1）环境分析的质量保证 • ③环境样品的前处理环节 • 选择好一个合适的前处理方法，等于完成分析工作的一半 • （1）空白样品 • （2）标准样品 • （3）回收率

（1）环境分析的质量保证 • ④样品的分析测试环节 • （1）准确度 • （2）精确度 • （3）检出限、测定限（定量限） • （4）测定线性范围

（1）准确度　对应的英文为accruacy。 • 测定结果与真实值之间的接近程度。 • 准确度决定于系统误差和偶然误差，表示测量结果的正确性。 • 指在一定实验条件下多次测定的平均值与真值相符合的程度，以误差来表示。它用来表示系统误差的大小。在实际工作中，通常用标准物质或标准方法进行对照试验，在无标准物质或标准方法时，常用加入被测定组分的纯物质进行回收试验来估计和确定准确度。在误差较小时，也可通过多次平行测定的平均值作为真值μ的估计值。测定精密度好，是保证获得良好准确度的先决条件，一般说来，测定精密度不好，就不可能有良好的准确度。对于一个理想的分析方法与分析结果，既要求有好的精密度，又要求有好的准确度。 • 　　测量准确度指测量结果与被测量真值之间一致的程度；测量仪器的准确度指测量仪器给出接近于真值的响应的能。准确度只是一个定性概念而无定量表达。测量误差的绝对值大，其准确度低。但准确度不等于误差。准确度只有诸如：高、低；大、小；合格与不合格等类表述。对于测量仪器的准确度，则还有级别或等别的表述。用量值给出准确度是错误的，例如：准确度为0.5毫克，这里0.5毫克是什么是不明确的。。

（2）精确度（也常简称精度）精确度是指使用同种备用样品进行重复测定所得到的结果之间的重现性。 • 测量的准确度高，是指系统误差较小，这时测量数据的平均值偏离真值较少，但数据分散的情况，即偶然误差的大小不明确。 • 　　测量精确度（也常简称精度）高，是指偶然误差与系统误差都比较小，这时测量数据比较集中在真值附近。 • 　　虽然精确度高可说明准确度高，但精确的结果也可能是不准确的。例如，使用1mg/L的标准溶液进行测定时得到的结果是1mg/L，则该结果是相当准确的。如果测得的三个结果分别为1.73mg/L,1.74mg/L和1.75mg/L，虽然它们的精确度高，但却是不准确的。

（3）检出限、测定限（定量限） • 国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）1997年通过，1998年发表的《分析术语纲要》（IUPAC Compendium of Analytical Nomenclature）中规定：检出限（detection limit）以浓度（或质量）表示，是指由特定的分析步骤能够合理地检测出的最小分析信号xL求得的最低浓度cL（或质量qL）”。

测定限determination limit是定量分析方法实际可能测定的某组分的下限。与检出限不同，测定限不仅受到测定噪声限制，而且还受到空白背景绝对水平的限制，只有当分析信号比噪声和空白背景大到一定程度时才能可靠地分辨与检测出来。噪声和空白背景越高，实际能测定的浓度就越高，说明高的噪声和空白背景值会使测定限变坏。 IUPAC1997年通过的《分析术语纲要》中，测定限（determination limit，limit of determination）改称为定量限（quantification limit, 18.4.3.7）或最小定量值（minimum quantifiable value ) 检出限是指产生一个能可靠地被检出的分析信号所需要的某元素的最小浓度或含量，而测定限则是指定量分析实际可以达到的极限。

仪器的检出限： 3倍空白值（n≥11或20）的标准偏差相对应的浓度或质量 • 方法的检测下限或方法的定量限 • （quantification limit）：10倍空白值（n≥11或20）的标准偏差相对应的浓度或质量

（4）测定线性范围 • 响应值Y（吸光度或强度值）与浓度或质量成正比 • 线性范围的确定可用作图法(响应值Y／浓度C)或计算回归方程(Y＝a+bC)来研究建立。 • 相关系数(r)表示标准曲线的线性度、并控制r≥0.99

（1）环境分析的质量保证 • ⑤ 分析数据处理环节 • 数据处理： • Ⅰ 有效数字 • Ⅱ 误差计算

（2）环境样品前处理技术 • 选择好一个合适的前处理方法，等于完成分析工作的一半 • 准则： • 1、最大限度分离测定干扰物, 富集待测物 • 2、回收率80％以上 • 3、前处理步骤尽可能少 • 4、成本尽可能低 • 5、对人体及环境影响尽可能小

（2）环境样品前处理技术 • Ⅰ、有机物测定的前处理方法 • Ⅱ、金属元素测定的前处理方法

Ⅰ、有机物测定的前处理方法

Ⅰ、有机物测定的前处理方法 • 土壤（固体样品）水样气样 • ①顶空技术 ②溶液萃取 ③热脱附仪 • ④微波萃取 ⑤吹扫捕集 • ⑥ 索氏提取仪 ⑦固相萃取 • 固相微萃取 • ⑧GPC仪

Ⅰ、有机物测定的前处理方法 • 土壤（固体样品） • 顶空技术 • 溶液萃取 GPC仪(凝胶渗透色谱) • 微波萃取 • 索氏提取仪

Ⅰ、有机物测定的前处理方法 • 顶空技术

Ⅰ、有机物测定的前处理方法 • 液液萃取 • ①、萃取剂的选择 • ② 、试剂空白与样品空白 • ③ 、干扰物的去除－破乳、大分子的去除

Ⅰ、有机物测定的前处理方法 • 微波萃取－EPA3546方法 • 微波加热萃取法：1984 and 1986先驱者Ganzler, Bati 和Valko发表了第一篇有关微波萃取的文章。 “蚕豆中嘧啶核苷、嘧啶葡糖苷的萃取和特性流体色谱分析” “微波萃取,色谱分析中新的样品准备方法” Ganzler的研究表明：在“食物中天然油的萃取”和“土壤中残留农药的萃取”中，微波萃取速率加快，并比传统 Soxhlet方法具有更高的产率。美国国家环保署 • （United States Enviromnetal Protection Agency，U.S.EPA)认证了微波萃取－3546方法。

Ⅰ、有机物测定的前处理方法 • 微波萃取

Ⅰ、有机物测定的前处理方法 • 索氏提取仪 • 新一代全新设计的全自动索氏浸提系统，快速, 减少了溶剂和水的用量，整个过程是在安全、密闭良好的系统下进行。

S O X T E C A V A N T I

自动索氏提取仪演示

Ⅰ、有机物测定的前处理方法 • 吹扫捕集－GC/MS测定挥发性有机物 • ①、测定自来水中的三卤甲烷 • ②、测定地面水中的挥发性有机物

Ⅰ、样品的前处理方法 • 固相萃取(固相微萃取)－作用： • 1 去除杂质，使分析物在仪器分析时没有干扰。 • 2 浓缩分析物，提高检测灵敏度。 • 3 使用时方便快捷，节约溶剂，不会出现液液分配时的乳状液。可以多组分同时分析，易于实现自动化。 • 4 大大的减少溶剂的使用量。减少环境的污染。 • 5 可以很容易的为分析需要转换溶剂。 • 6 很高的吸附效率，好的回收率和重现性。 • 与传统的样品前处理技术比较，SPE有经济、高效、快捷、重现性好等优点。

Ⅰ、样品的前处理方法 • 固相萃取 • 最常见的SPE柱的结构如下所示： • 萃取柱由三部分组成：A 柱管 B筛板 C 吸附剂。 • 样品入口 • 筛板 • 吸附剂 • 筛板 • 样品出口

Ⅰ、样品前处理方法——固相萃取 • 加载样品 • 这一步骤的目的就是将分析物全部吸附在吸附剂上。将样品加载到小柱之前，对于不同的吸附剂可能需要其它的前处理步骤来配合，例如匀质、离心、减压浓缩等，将样品的溶解液体换成有利于吸附剂保留分析物的溶液。对于离子交换吸附剂在加载样品之前可能要调节样品溶解液的PH值，使离子交换吸附剂对分析物有更好的保留。 • 样品加载的第二个目的是尽量的使更少的杂质吸附在SPE吸附剂上。需要调解一下样品加载液的有机相比例或水溶液加载液的离子强度，使吸附剂对分析物有最好的选择性。

样品前处理方法——固相萃取 • 洗净杂质 • 使用淋洗液将在吸附剂上保留较弱的杂质洗下去，最好的淋洗条件是杂质被全部洗脱，只有分析物保留在吸附剂上。对于反相吸附剂来说，淋洗液应该是含有一定比例有机溶剂（乙腈或甲醇）的水溶液，对于正相吸附剂来说，淋洗液应该是含有一定比例的极性有机溶剂的非极性溶剂。对于离子交换吸附剂来说，淋洗液应该含有弱的或中等强度的离子水溶液。需要注意的是，不能将分析物洗脱，否则回收率较低且不稳定。 • 合适的淋洗液体积大概是100mg吸附剂使用1ml淋洗液，精确的体积需要在实验中尝试。

样品前处理方法——固相萃取 • 洗脱分析物 • 最后需要使用洗脱能力更强的溶液将分析物从吸附剂上洗脱。洗脱液常常是各种混合液，目的是破坏吸附剂和分析物之间的作用力。例如，对于非极性的吸附剂使用甲醇、乙腈作为洗脱液时，经常要在甲醇或乙腈中加一定量的酸，目的是提高极性物质的回收率。在正相吸附剂洗脱时也需要加入酸来增加或稳定极性分析物的回收率。在离子交换吸附剂的洗脱溶液中，需要在强离子的水溶液中加入一定量的有机溶剂来增加洗脱能力。洗脱液的量应该进尽量的少，以提高检测灵敏度。一般情况是0.3ml的淋洗液洗脱100mg的吸附剂。 • 应该注意的是在最后一步的洗脱，流速应该慢，这样有利于获得稳定的回收率。

（2）环境样品前处理技术－有机物测定的前处理方法（2）环境样品前处理技术－有机物测定的前处理方法 • 固相萃取（1）（基体：硅胶，氧化铝，聚合物）。

（2）环境样品前处理技术－有机物测定的前处理方法（2）环境样品前处理技术－有机物测定的前处理方法 • 固相萃取（2）

（2）环境样品前处理技术－有机物测定的前处理方法（2）环境样品前处理技术－有机物测定的前处理方法 • 选择吸附剂 • 重要依据： • 1、样品的组成。 • 2、分析物的化学性质－分析物的极性、溶解性和带电性。 • 3、各种吸附剂的物化性质分析。 • 极性或水溶液的样品一般选择非极性吸附剂。 • 非极性有机溶剂的样品一般选择极性的吸附剂。 • 低离子强度的溶液一般选择离子交换吸附剂。

（2）环境样品前处理技术－有机物测定的前处理方法（2）环境样品前处理技术－有机物测定的前处理方法 • 固相萃取－方法开发的例子（1） • 1、水样品中的PCB‘s（多氯联苯） • PCB‘s（多氯联苯）：非极性化合物。 • 介质：水相介质，强极性。 • 吸附剂： C18。 • C18是一个好的选择，因为分析物是非极性的，介质是强极性的，样品种的干扰物的量也变得不重要了。另外，加入甲醇到水中，即改进PCB‘s的溶解性，也有利于保持吸附剂湿润环境。

（2）环境样品前处理技术－有机物测定的前处理方法（2）环境样品前处理技术－有机物测定的前处理方法 • 萃取步骤： • 吸附剂预洗—正己烷，吹干5min； • 吸附剂活化—甲醇，水。 • 样品处理-加入2ml的甲醇到200ml的水样品中，通过吸附剂后，吹干20min ； • 分析物洗脱—正己烷。 • 分析物分析—GC，电子捕获检测器。

（2）环境样品前处理技术－有机物测定的前处理方法（2）环境样品前处理技术－有机物测定的前处理方法 • 固相萃取－方法开发的例子（2） • 2、水样品中多环芳烃PAH's • 多环芳烃PAH‘s：非极性化合物。 • 介质：水相介质，强极性。 • 吸附剂： Amino(NH2)柱－硅胶上键合丙氨基 • 这个步骤与PCB's提取步骤很相似，不同是用TCTFE代替正己烷洗脱，用NH2吸附剂除去样品中极性干扰物。这一步在PCB分析中不需要，因为分析所用的是选择性检测器。在PAH分析中，所用检测器为非选择性的（FID或UV），这些干扰物可检测出，因此在吸附剂上必须除去。

（2）环境样品前处理技术－有机物测定的前处理方法（2）环境样品前处理技术－有机物测定的前处理方法 • 萃取步骤 • 吸附剂预洗—CH2Cl2/TCTFE（1，1，1三氯三氟乙烷）， • CH2CL2/TCTFE=1：1 ,吹干5min; • 吸附剂条件—甲醇，水。 • 样品处理—加2ml甲醇到200ml样品水中，通过吸附剂,吹干25min; • 分析物洗脱—TCTFE。 • 分析物分析—GC-FID或HPLC-UV 254nm.。

（2）环境样品前处理技术－有机物测定的前处理方法（2）环境样品前处理技术－有机物测定的前处理方法气样 (3)热脱附仪

Ⅱ、金属元素测定的前处理方法 • 金属元素测定的前处理方法 • (1)电热酸溶样品 • (2)微波消解 • 土壤（固体样品）水样气样

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