Transcript 仪器分析-袁园20140225(1).

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
2014年2月25日
报告提纲
一、实验室概况
二、重点实验室大型仪器简介
三、仪器分析在环境领域中的重要作用
四、环境样品预处理技术
五、实验室注意事项及课程安排
一、实验室概况
名称：污染控制与资源化研究国家重点实验室
依托单位：同济大学、南京大学
发展历程： 1989年获国家计委批准
1991年开始建设
1995年正式对外开放
2000年、2005年、2010年三次评估良好实验室
2015年将参加第四次评估
实验室主任：张伟贤 国家特聘专家（千人计划）
学术委员会主任：郝吉明院士（清华大学）
一、实验室概况
污染控制与资源化研究
国家重点实验室
环境科学
环境工程
3个国家重点学科
2个省市重点学科
7个博士点、3个博士后流动站
市政工程
一、实验室概况
总体定位:
围绕国家重大需求，瞄准学科前沿，立足长
三角，发展污染控制与资源化理论与技术，构建
“基础研究—技术研发—工程应用”的知识技术
创新链，为我国环境污染控制和资源循环利用提
供科学和技术支撑
应用基础研究
二、重点实验室大型仪器简介
现有大型仪器设备分类
•
•
•
•
•
光谱类仪器
色谱类仪器
质谱类仪器
表征类仪器
样品前处理设备
二、重点实验室大型仪器简介
-光谱类仪器
 原子吸收光谱仪
 石墨炉法用于水、土
壤、矿物、食品、石油、
化工产品的金属元素含量
分析，检测限达ppb级
 火焰法能检测元素周
期表中大部分金属元素，
检测限在ppm级
•Perkin-elmer AA-600
•Perkin-elmer AA-400
• 电感耦合等离子发射光谱仪
 用于水、土壤、矿物、
食品、石油、化工产品
的金属元素和部分非金
属元素含量分析，其检
测限为 ppb～ppm 级
•Agilent 720ES
•Perkin Elmer，Optima 2100DV
• 无需预热，即开即用
• 动态波长校正
• 光学分辨率
<0.003nm(200nm)
• 耐高盐、耐酸腐蚀
• 全谱直读
•荧光光谱仪
•荧光光谱广泛应用于生
物化学、生理医学和临床
医学等研究工作中。
•HORIBA MAX
•激光粒度分析仪
•Mastersizer 3000
•适用于干湿样品的测定，量程宽
达0.01至3500微米而无需更换投镜
；
•应用于材料工程、食品工程、制
药工程、石油化工、环境保护领域
 采用多通道吹扫和Tenax捕集 •汞、甲基汞二位一体分析仪
技术，将烷基汞进行吹扫、
富集、解析、裂解还原，冷
原子荧光检测；采用二级双
通道金汞齐捕集和吹扫技术
，将总汞进行吹扫、富集和
•Brooks Rand Lab
脱附，冷原子荧光检测
•红外光谱仪
•Nicolet 5700
• 红外光谱分析主要应用于染织
工业、环境科学、生物学、材
料科学、高分子化学、催化、
煤结构研究、石油工业、生物
医学、生物化学、药学、无机
和配位化学基础研究、半导体
材料、日用化工等研究领域
色谱类仪器
•气相色谱仪
气相色谱应用于石油和石油
化工分析、环境分析、食品
分析、药物和临床分析、农
药残留物分析、精细化工分
析、聚合物分析、合成工业
•Trace GC ECD
、方法研究、质量监控、过
程分析 •液相色谱仪
•液相色谱具有高分辨率、
高灵敏度、速度快、色谱柱
可反复利用，流出组分易收
集等优点，因而被广泛应用
到生物化学、食品分析、医
药研究、环境分析、无机分
•Agilent 1200
析等各种领域
 世界第一台0.4 mm 毛细管离子色谱
系统，兼容2 mm（微孔）以及4mm（
标准）体系。
 集生物液相、氨基酸分析、糖分析、
反相液相色谱等功能于一身的离子色
谱，可完成糖类、氨基酸、抗生素、
小分子药物、核酸以及蛋白质、多肽
等的分离测定
•凝胶色谱仪
•离子色谱仪
•Thermo ICS 5000
• 凝胶色谱主要用于高聚物的相对分子
质量分级分析以及相对分子质量分布
测试。广泛应用于生物化学、分子生
物学、生物工程学、分子免疫学以及
医学等领域。
•Shimadz LC 20d
质谱类仪器
•可用于 洁净水、天然水、土壤、沉积
物、矿物、食品、石油、
•化工产品等环境样品的金属元素和部
分非金属元素的痕量分析，
•其检测限为ppt 级；液相模块串联实
现部分金属元素形态分析
•液相色谱-电感耦合等离
子体发射质谱仪
•Agilent HPLC1200-ICPMS 7700
•液质联用仪
•HPLC-MS在分子水平上可以进行蛋白质、多肽
、核酸的分子量确认在生化分析、天然产物分
析、药物和保健食品分析以及环境污染物分析
等许多领域得到了广泛的应用。
•Thermo TSQ Quantum
气质联用仪
气质联用仪被广泛应用于复杂组分的分
离与鉴定，其具有GC的高分辨率和质谱的
高灵敏度，是生物样品中药物与代谢物定
性定量的有效工具。
高通量快速分析、可靠的定量性能、优
异的灵敏度、石油化工、农用化学品、环
境分析食品安全、环境监测(农残药残)、
医药制药、法医学。
•Thermo TSQ XLS
•Shimadzu QP
2010 SE
•Thermo Trace
DSQ
•Agilent 7890 A/
5975C
稳定同位素质谱仪MAT253
（2013年底安装完成）
•仪器主要用于测定固体及液体样品中C,H,N,S,O各元素的同位素比值，
通过稳定同位素比值质谱仪与预处理设备联用技术实现以极高的灵敏度
和精密度对固态、溶解态和气态生源要素同位素组分进行定性和定量分
析。可广泛应用于环境科学研究，植物生理生化研究、土壤与植物营养
研究、植物保护研究、水稻、花卉、农产品等作物的改良研究、草地的
氮素循环研究等方面，另外在分析测试领域，食品、农药残留、兴奋剂
、海洛因的检测中，稳定性同位素技术具有独特的作用。在地质学、地
球化学、古生物学、生态学等研究中也有着广泛的应用
•X-射线粉末衍射仪
表征类仪器
•可测试粉末、薄膜、纳米材料、块体材料
。能够获得详细的化学组成、制造材料的晶
体结构。判断物质是否为晶体、是何种晶体
、物质的晶型、计算物质结构的应力、定量
计算混合物质的比例、计算物质晶体结构数
据
•Bruker D8Advance
•综合热分析仪
•Q600 SDT
•热重分析法可以研究晶体•高精度热重分析仪
性质的变化 ，如熔化、蒸
发、升华和吸附等物理现
象；研究物质的脱水 、解
离、氧化、还原等化学现
象；定量性强，能准确地
测量物质的质量变化及变
•Discovery TGA
化的速率
•表征类仪器-电镜
•Cs-STEM
•（球差校正扫描透射电镜）
•2014年安装调试
•FE-SEM
•(高分辨-场发射扫描电镜)
•2014年安装调试
总有机碳分析仪
•TOC表示污水中总有机碳的含量，也是表征水体
受有机物污染程度的一个指标用TOC、TOD法所测
定的理论值准确度高，是对水质各指标测定中不
可缺少的方法。
•Shimadzu采用差减法测定TOC;同时测TC/TN，也
可 单 独 测 TN; 适 用 于 较 高 浓 度 水 样 （
TOC/TN:10ppm-200ppm）Elementar采用加和法;适
用于低浓度水样（TOC：1ppm-20ppm）;可以同时 •Elementar Liqui
测定TC/TN，但不能单独测定TN
•Shimadzu V-CPN
•ZETA电位仪
•Zeta电位的主要用途之一就是研究胶体
与电解质的相互作用。Zeta电位的测量
使我们能够详细了解分散机理，它对静电
分散控制至关重要。对于酿造、陶瓷、制
药、药品、矿物处理和水处理等各个行业
，Zeta电位是极其重要的参数。
•Zetasizer Nano ZS 90
•元素分析仪可同时对有机固体、高挥发性和
敏感性物质中C、H、N、S、O元素的含量进行
定量分析测定, 在研究有机材料及有机化合物
的元素组成等方面具有重要作用。广泛应用于
化学和药物学、石油化工及合成材料等领域。
•元素分析仪
•Elementar Vario EL III
•微波消解仪
•Milestone ETHOS
样品前处理仪器
•用于工业，农业，环保，卫生检验，冶
金，地质，医药，化工等部门各种试样
的消解；特别适用于用原子吸收仪、
ICP-发射光谱仪、原子荧光仪、ICP-质
谱仪、以及阳极溶出仪等对各种试样中
的微量、痕量及超痕量元素的准确测定
•凝胶渗透色谱净化技术能够在LC
、GC或GC/MS等分析之前使样品中 •凝胶渗透色谱净化系统
的目标分析物于产生干扰的共提物
自动分离，从有机物样品中除去硫
和高分子化合物，这些样品包括食
品、生物组织、谷物、植物和环境
样品等
•J2 Scientific PrepLinc
重点实验室网站：
http://envirolab.tongji.edu.cn/
三、仪器分析在环境领域中的重要作用
三、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
仪器分析在环境研究领域中起着非常重要的作用
三、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）
（4）ICP-MS（电感耦合等离子体-质谱联用仪）
三、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
四、环境样品的预处理技术
四、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）平行样品
（3）标准样品
（4）回收率
（1）环境分析的质量保证
④ 样品的分析测试环节
a、准确度
b、精确度
c、检出限、测定限（定量限）
d、测定线性范围
a、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
a、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
c、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。
检测限：
1、仪器的检测下限：信号与噪声比来表示
2、方法的检测下限：用低浓度曲线外推法
3、样品的检测下限：3倍空白值（n≥11或20）
的标准偏差相对应的浓度或质量（当空白为零
时，样品的检测下限等于方法的检测下限）
d、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
固体样品（土壤等），液体样品（水样等）， 气样
①顶空技术
④微波萃取
⑥ 索氏提取仪
⑧GPC仪
②溶液萃取
⑤吹扫捕集
⑦固相萃取
固相微萃取
③热脱附仪
Ⅰ、有机物测定的前处理方法
固体样品（土壤等）
顶空技术
溶液萃取
微波萃取
索氏提取仪
GPC仪(凝胶渗透色谱)
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
溶液萃取
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
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
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
液体样品（水样）
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，不会出现溶液分配
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B

吸附剂C

筛板B

样品出口
（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。
全自动固相萃取仪
（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
固体样品（土壤等）， 液体样品（水样等）
(1)电热酸溶样品
(2)微波消解
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：
100ml水样，放200ml烧杯内，加5ml硝酸，在电
热板加热至10ml，稍冷，加5ml硝酸和1ml高氯
酸（如不能加高氯酸，用过氧化氢代替），蒸至
近干，加（1+1）3ml硝酸溶解残渣，冷却后，用
水定容至100ml
Ⅱ、金属元素测定的前处理方法
(2)微波消解
Ⅱ、金属元素测定的前处理方法
微波消解
查找适宜的微波消解方法。
样品杯中加入一定量（准确称重或称量）样品，
按方法定量加入酸，将温度传感器放在有样品、
消解酸的合适杯位内，样品杯的排列要注意平衡
Ⅱ、金属元素测定的前处理方法
(3)气体样品
气体样品要吸收在吸收液内或滤膜上，
然后再处理后测定
4 实验室注意事项及课程安排
（1）进入实验室注意事项
①进入实验室的同学，首先要通过安全考试，提交
合格证；使用仪器需填写仪器使用登记表
②使用仪器前需查询资料，学习仪器使用方法并与
主管仪器的老师讨论测试方法
③使用仪器需提前预约登记具体使用仪器的时间
进入实验室注意事项
④ 进入实验室要填写实验室日志，使用仪器时需要填写使
用记录
⑤ 保持实验室整洁。实验时做到桌面、地面、水槽、仪器
四净
⑥ 实验结束后需严格按操作规程关仪器
⑦ 离开实验室时，整理实验室台面，最后检查电、水、
煤，空调，关灯、锁门
进入实验室注意事项
⑧法定节假日实验室不对外，特殊情况除外
⑨法定节假日仅对特殊人群开发：经实验室考核合
格者，且有不能放置的样品，经本人提前提出申
请，实验室同意后方可使用
3 实验室注意事项
（2）进入实验室安全注意事项
① 挥发性有毒、有害物质需在通风柜内操作；
② 废酸、废碱、废有机物需倒入专用器皿，不能
直接倒入下水道。特别是有机废液。
③ 不能戴着防护手套到处走动、触碰无关物品。
④能通过钢瓶颜色识别气体：灰色——氦气；绿色
——氢气；黑色——氮气；蓝色——氧气。使用
气体前需确认使用气体
⑤使用Milipore超纯水机（特殊用途：液相色谱；
离子色谱；痕量金属元素）注意事项：先观察供
水桶内是否有水，供水桶内有水才可取用。
（2）进入实验室安全注意事项
氢气瓶使用注意事项
①室内必须通风良好，保证空气中氢气最高含量不超过1％（体积比）。
②建筑物顶部或外墙的上部设气窗或排气孔。排气孔应朝向安全地带，室
内换气次数每小时不得少于三次，局部通风每小时换气次数不得少于
七次。
③ 设有固定气瓶的支架。
④使用气瓶，禁止敲击、碰撞；气瓶不得靠近热源；夏季应防止曝晒。
⑤必须使用专用的减压器，开启气瓶时，操作者应站在阀口的侧后方，
动作要轻缓。
⑥阀门或减压器泄漏时，不得继续使用；阀门损坏时，严禁在瓶内有压
力的情况下更换阀门。
（2）进入实验室安全注意事项
试剂或异物进入眼内
一般情况都要用大量水洗涤，急救后送医院。
①酸：用大量水洗涤，再用1%碳酸氢钠溶液洗。
②碱：用大量水洗涤，再用1%硼酸溶液洗。
③玻璃：用镊子移去碎玻璃或在盆中用水洗，切勿
用手揉动。
实验室课安排
1、光谱实验
第3周(3月11日)：火焰-原子吸收法测定水中铜的含量(明净楼224)
第5、7周（ 3月25日、4月8日） ：ICP光谱仪分析水中常见重金属(明净
楼224)直接
第9周（ 4月22日）：汞分析仪测定环境样品中的汞(明净楼225)
第11周（ 5月6日）：溴化钾压片法测定固体样品的红外光谱(明净楼3楼)
第13周（5月20日）液体样品的红外光谱测定(明净楼3楼)
第15、17周（ 6月3日、6月17日）：： ICP-MS联用仪分析水中痕量重
金属(明净楼222）
第18 周（ 6月24日)：考试
实验室课安排
2、色谱实验
第3周（ 3月11日） ： GC-FID极性柱测定挥发性有机酸 (明净楼218)
第5周（3月25日） ： GC-TCD填充柱测定CH4，CO2等永久性气体(明净楼
218)
第7周（ 4月8日）： GC-MS测定 VOC（苯系物类）明净楼（218)
第9周（ 4月22日）：GC-MS测定多环芳烃类 (明净楼218)
第11周（ 5月6日）：IC测定无机阴离子(明净楼319)
第13周（5月20日）：IC测定阳离子(明净楼319)
第15周（ 6月3日）：HPLC-UV测定酚类化合物 (明净楼318)
第17周（ 6月17日）： HPLC-DAD测定苯类化合物 (明净楼318)
第18 周（ 6月24日） ：考试
实验课要求
1、预习报告要求：
写仪器预习报告，每个实验前交。（光谱5份；
色谱4份）
实验目的、基本原理、仪器与试剂、所用仪器的
主要组件，实验步骤、实验操作规程和应注意的
事项，特别是安全事项
实验课要求
2、实验：详细记录实验过程、结果
3、 实验报告：实验目的、基本原理、仪器与试
剂、实验步骤、实验数据记录、结果与讨论
4、考试：笔试（60%）+实验报告（40%）
2、上课时间：
单周二下午5-8节（下午13:00开始）
单周三下午5-8节（下午13:30-16:30）开放
实验
谢
谢！
污染控制与资源化研究国家重点实验室
2014年2月25日