光學儀器分析

光學儀器分析的基本概念和原理。其中包括： 原子吸收光譜法（AAS）；質譜法（Mass Spectrum）；原子螢光光譜法；色譜分析法；液一液分配色譜法（LLPC）（含6種方法）；光學儀器分析信息化方案等。

基本介紹

• 中文名：光學儀器分析
• 原理： 原子吸收光譜法
• 隸屬：機械儀器
• 方案：光學儀器分析信息化方案

原理原子吸收光譜法（AAS）

原子吸收光譜法（AAS）的基本原理，是基於物質所產生的原子蒸氣對特定譜線的吸收作用來進行定量分析。

原子光譜

原子的核外電子一般處在基態運動，當獲取足夠的能量後，就會從基態躍遷到激發態，處於激發態不穩定（壽命小於10－8 s），迅速回到基態時，就要釋放出多餘的能量，若此能量以光的形式出現，即得到發射光譜。

元素分析線

激發電位是指從低能級到高能級需要的能量。第一激發態，又回到基態，發射出光譜線，稱共振發射線。同樣從基態躍遷至第一激發態所產生的吸收譜線稱為共振吸收線（簡稱為共振線），即具有最低激發電位的譜線。由激發態直接躍遷至基態所輻射的譜線稱為共振線。由較低級的激發態（第一激發態）直接躍遷至基態的譜線稱為第一共振線，一般也是元素的最靈敏線。當該元素在被測物質里降低到一定含量時，出現的最後一條譜線，這是最後線，也是最靈敏線。用來測量該元素的譜線稱分析線。

實際解析度

指攝譜儀的每毫米感光板上所能分辨開的譜線的條數。或在感光板上恰能分辨出來的兩條譜線的距離。

理論解析度R=λ/Δλ?λ為兩譜線的平均值，Δλ為它們的差值?。

銳線光產生原理

在高壓電場下陰極向正極高速飛濺放電,與載氣原子碰撞,使之電離放出二次電子而使場內正離子和電子增加以維持電流。載氣離子在電場中大大加速獲得足夠的能量轟擊陰極表面時可將被測元素原子從晶格中轟擊出來即謂濺射,濺射出的原子大量聚集在空心陰極內與其它粒子碰撞而被激發發射出相應元素的特徵譜線——共振譜線。

化學計量火焰

由於燃氣與助燃氣之比與化學計量反應關係相近，又稱為中性火焰 ，這類火焰? 溫度高、穩定、干擾小背景低，適合於許多元素的測定。

富燃火焰

指燃氣大於化學元素計量的火焰。其特點是燃燒不完全，溫度略低於化學火焰，具有還原性，適合於易形成難解離氧化物的元素測定；干擾較多，背景高。

貧燃火焰

指助燃氣大於化學計量的火焰，它的溫度較低，有較強的氧化性，有利於測定易解離，易電離元素?如鹼金屬。

光譜通帶

W=D·S被測元素共振吸收線與干擾線近，選用W要小，干擾線較遠，可用大的W，一般單色器色散率一定，僅調狹縫確定W。

物理干擾

是指試液與標準溶液物理性質有差別而產生的干擾。粘度、表面張力或溶液密度等變化，影響樣品霧化和氣溶膠到達火焰的傳遞等會引起的原子吸收強度的變化。非選擇性干擾。消除方法：配製被測試樣組成相近溶液，或用標準化加入法。濃度高可用稀釋法。

化學干擾

化學干擾是指被測元原子與共存組分發生化學反應生成穩定的化合物，影響被測元素原子化。

電離干擾

在高溫下原子會電離使基態原子數減少? 吸收下降? 稱電離干擾。消除的方法是加入過量消電離劑? 所謂的消電離劑? 是電離電位較低的元素? 加入時? 產生大量電子? 抑制被測元素電離。

光譜干擾

吸收線重疊待測元素分析線與共存元素的吸收線重疊。

背景干擾：

背景干擾也是光譜干擾，主要指分子吸與光散射造成光譜背景。分子吸收是指在原子化過程中生成的分子對輻射吸收，分子吸收是帶光譜。光散射是指原子化過程中產生的微小的固體顆粒使光產生散射，造成透過光減小，吸收值增加。背景干擾，一般使吸收值增加。產生正誤差。

標準加入法能消除基體干擾，不能消除背景干擾。使用時，注意要扣除背景干擾。

習慣靈敏度

特徵濃度，是指產生1%吸收時，水溶液中某元素的濃度通（常用mg/ml/1%表示）。

質譜法（MS）

質譜法是通過將樣品轉化為運動的氣態離子並按質荷比?M/Z?大小進行分離並記錄其信息的分析方法。所得結果以圖譜表達，即所謂的質譜圖（亦稱質譜，Mass Spectrum）。根據質譜圖提供的信息可以進行多種有機物及無機物的定性和定量分析、複雜化合物的結構分析、樣品中各種同位素比的測定及固體表面的結構和組成分析等。而在實際工作中，有時很難找到相鄰的且峰高相等的兩個峰，同時峰谷又為峰高的10%。在這種情況下，可任選一單峰，測其峰高5%處的峰寬W0．05，即可當作上式中的Δm，此時解析度定義R=m/W0．05 。質譜儀的分辨本領由幾個因素決定：（Ⅰ）離子通道的半徑；?Ⅱ）加速器與收集器狹縫寬度；（Ⅲ）離子源的性質。

質譜儀的靈敏度有絕對靈敏度、相對靈敏度和分析靈敏度等幾種表示方法。

絕對靈敏度是指儀器可以檢測到的最小樣品量；相對靈敏度是指儀器可以同時檢測的大組分與小組分含量之比；分析靈敏度則指輸入儀器的樣品量與儀器輸出的信號之比。

質量分析器的主要類型

磁分析器、飛行時間分析器、四極濾質器、離子捕獲分析器和離子迴旋共振分析器等。

分子離子峰

試樣分子在高能電子撞擊下產生正離子。

“氮律”

分子離子的質量對應於中性分子的質量，這對解釋本質譜十分重要。幾乎所有的有機分子都可以產生可以辨認的分子離子峰，有些分子如芳香環分子可產生較大的分子離子峰，而高分子量的烴、脂肪醇、醚及胺等則產生較小的分子離子峰。若不考慮同位素的影響，分子離子應該具有最高質量。分子中若含有偶數個氮原子，則相對分子質量將是偶數；反之，將是奇數。這就是所謂的“氮律”。

原子螢光光譜法

原子螢光光譜法是1964年以後發展起來的分析方法。原子螢光光譜法是以原子在輻射能激發下發射的螢光強度進行定量分析的發射光譜分析法。但所用儀器與原子吸收光譜法相近。

原子螢光光譜的產生：氣態自由原子吸收特徵輻射後躍遷到較高能級，然後又躍遷回到基態或較低能級。同時發射出與原激發輻射波長相同或不同的輻射即原子螢光。

原子螢光為光致發光，二次發光，激發光源停止時，再發射過程立即停止。

原子螢光的類型：原子螢光分為共振螢光、非共振螢光與敏化螢光等三種類型。

（1）共振螢光 發射與原吸收線波長相同的螢光為共振螢光。

（2）非共振螢光 螢光的波長與激發光不同時，稱非共振螢光。 ? Ⅰ． 直躍線螢光，Ⅱ． 階躍線螢光，Ⅲ． anti—stores螢光。Ⅰ和Ⅱ均為Stores螢光。）

（3）敏化螢光 受激發的原子與另一種原子碰撞時，把激發能傳遞給另一個原子使其激發，後者再從輻射形式去激發而發射螢光即為敏化螢光。

螢光猝滅受激原子和其他粒子碰撞，把一部分能量變成熱運動與其他形式的能量，因而發生無輻射的去激發過程。

色譜法

不動的一相，稱為固定相；另一相是攜帶樣品流過固定相的流動體，稱為流動相。不被固定相吸附或溶解的物質進入色譜柱時，從進樣到出現峰極大值所需的時間稱為死時間。試樣從進樣開始到柱後出現峰極大點時所經歷的時間，稱為保留時間。

某組份的保留時間扣除死時間後稱為該組份的調整保留時間，即tR′=tR－tM。

死體積可由死時間與流動相體積流速F0（L/min）計算： VM=tM·F0。

指從進樣開始到被測組份在柱後出現濃度極大點時所通過的流動相體積。保留體積與保留時間tR的關係如下：

VR=tR·F0

某組份的保留體積扣除死體積後，稱該組份的調整保留體積，即VR′=VR－VM。

某組份2的調整保留值與組份1的調整保留值之比，稱為相對保留值?必須注意，相對保留值絕對不是兩個組份保留時間或保留體積之比?。

色譜曲線

從色譜流出曲線上，可以得到許多重要信息：

（l）根據色譜峰的個數，可以判斷樣品中所合組份的最少個數。

（2）根據色譜峰的保留值?或位置），可以進行定性分析。

（3）根據色譜峰下的面積或峰高，可以進行定量分析。

（4）色譜峰的保留值及其區域寬度，是評價色譜柱分離效能的依據。

（5）色譜峰兩峰間的距離，是評價固定相?和流動相?選擇是否合適的依據。

色譜分析

色譜分析的目的是將樣品中各組分彼此分離，組分要達到完全分離，兩峰間的距離必須足夠遠，兩峰間的距離是由組分在兩相間的分配係數決定的，即與色譜過程的熱力學性質有關。但是兩峰間雖有一定距離，如果每個峰都很寬，以致彼此重疊，還是不能分開。這些峰的寬或窄是由組分在色譜柱中傳質和擴散行為決定的，即與色譜過程的動力學性質有關。因此，要從熱力學和動力學兩方面來研究色譜行為。

描述這種分配的參數稱為分配係數見它是指在一定溫度和壓力下，組分在固定相和流動相之間分配達平衡時的濃度之比值?K?。

分配比又稱容量因子，它是指在一定溫度和壓力下，組分在兩相間分配達平衡時，分配在固定相和流動相中的質量比?k?。

k值越大，說明組分在固定相中的量越多，相當於柱的容量大，因此又稱分配容量或容量因子。它是衡量色譜柱對被分離組分保留能力的重要參數。k值也決定於組分及固定相熱力學性質。它不僅隨柱溫、柱壓變化而變化，而且還與流動相及固定相的體積有關。

分配比k值可直接從色譜圖測得。設流動相在柱內的線速度為u，組分在柱內線速度為us，由於固定相對組分有保留作用，所以us<u．此兩速度之比稱為滯留因子Rs。

通過選擇因子α把實驗測量值k與熱力學性質的分配係數K直接聯繫起來，α對固定相的選擇具有實際意義。如果兩組分的K或k值相等，則α=1，兩個組分的色譜峰必將重合，說明分不開。兩組分的K或k值相差越大，則分離得越好。因此兩組分具有不同的分配係數是色譜分離的先決條件。

R值越大，表明相鄰兩組分分離越好。一般說，當R<1時，兩峰有部分重疊；當R=1時，分離程度可達98%；當R=1．5時，分離程度可達99．7%。通常用R=1．5作為相鄰兩組分已完全分離的標誌。

氣相色譜檢測器

氣相色譜檢測器是把載氣里被分離的各組分的濃度或質量轉換成電信號的裝置。檢測器的種類多達數十種。根據檢測原理的不同，可將其分為濃度型檢測器和質量型檢測器兩種：熱導檢測器和電子捕獲檢測器?濃度型檢測器?火焰離子化檢測器和火焰光度檢測器?質量型檢測器?。

熱導檢測器?幾乎對所有物質都有回響，通用性好，而且線性範圍寬，價格便宜，因此是套用最廣，最成熟的一種檢測器。

火焰離子化檢測器?比熱導檢測器的靈敏度高約103倍，檢出限低，可達10－12g·S－1。

一個優良的檢測器應具以下幾個性能指標：靈敏度高、檢出限低、死體積小、回響迅速、線性範圍寬、穩定性好。

柱溫的選擇

在使最難分離的組分有儘可能好的分離前提下，採取適當低的柱溫，但以保留時間適宜，峰形不拖尾為度。

柱溫不能高於固定液的最高使用溫度。

進樣量的選擇：一般說來，色譜柱越粗、越長固定液含量越高，容許進樣量越大。

色譜法套用

氣相色譜法分析對象只限於分析氣體和沸點較低的化合物，它們僅占有機物總數的20%。對於占有機物總數近80%的那些高沸點、熱穩定性差、摩爾質量大的物質，目前主要採用高效液相色譜法進行分離和分析。

氣相色譜採用流動相是惰性氣體，它對組分沒有親和力，即不產生相互作用力，僅起運載作用。而高效液相色譜法中流動相可選用不同極性的液體，選擇餘地大，它對組分可產生一定親和力，並參與固定相對組分作用的劇烈競爭。因此，流動相對分離起很大作用，相當於增加了一個控制和改進分離條件的參數，這為選擇最佳分離條件提供了極大方便。

氣相色譜一般都在較高溫度下進行的，而高效液相色譜法則經常可在室溫條件下工作。

總之，高效液相色譜法是吸取了氣相色譜與經典液相色譜優點，並用現代化手段加以改進，因此得到迅猛的發展。目前高效液相色譜法已被廣泛套用於分析對生物學和醫藥上有重大意義的大分子物質，例如蛋白質、核酸、胺基酸、多糖類、植物色素、高聚物、染料及藥物等物質的分離和分析。

液一液分配色譜法（LLPC）

液一液分配色譜法（LLPC）液液分配色譜的分離原理基本與液液萃取相同，都是根據物質在兩種互不相溶的液體中溶解度的不同，具有不同的分配係數。

化學鍵合相色譜法（CBPC）

採用化學鍵合相的液相色譜稱為化學鍵合相色譜法，簡稱鍵合相色譜。

液一固吸附色譜法（LSAC）

當流動相通過固定相（吸附劑）時，吸附劑表面的活性中心就要吸附流動相分子。同時，當試樣分子（X）被流動相帶入柱內，只要它們在固定相有一定程度的保留就要取代數目相當的已被吸附的流動相溶劑分用。於是，在固定相表面發生競爭吸附?

離子交換色譜法（IEC）

離子交換原理和液相色譜技術的結合來測定溶液中陽離子和陰離子的一種分離分析方法。

離子色譜法（IC）

離子色譜法是由離子交換色譜法派生出來的一種分離方法。通過分離柱後的樣品再經過抑制柱，使具有高背景電導的流動相轉變成低背景電導的流動相，從而用電導檢測器可直接檢測各種離子的含量。

離子對色譜法（IPC）

離子對色譜法是將一種（或數種）與溶質離子電荷相反的離子（稱對離子或反離子）加到流動相或固定相中，使其與溶質離子結合形成離子對，從而控制溶質離子保留行為的一種色譜法。

尺寸排阻色譜法（SEC）

基於試樣分子的尺寸和形狀不同來實現分離的。體積大的分子不能滲透到孔穴中去而被排阻，較早地被淋洗出來；中等體積的分子部分滲透；小分子可完全滲透入內，最後洗出色譜柱。