職業衛生評價與檢測第四章化學物質的實驗室分析技術周倩如重慶市疾病預防控制中心

2014-5-13離子選擇性電極法離子選擇性電極法也稱直接電位法，是利用膜電位把被測離子的活度表現為電極電位值，通過測定電極電位值來確定溶液中離子濃度的方法。離子選擇電極的結構一般都是由敏感膜、內參比電極和內參比溶液組成。并且膜材料和內參比液中均含有與待測離子相同的離子，其中膜電位的產生機理是基于電極膜和溶液界面的離子交換作用。離子選擇性電極法測量裝置示意圖2023/2/4當電極置于溶液中，在電極膜和溶液界面將發生離子交換及擴散作用，這就改變了兩相界面原有的電荷分布，因而形成了雙電層，產生了膜電位。由于內參比電極電位固定，內參比溶液的有關離子活度恒定，所以離子選擇電極電位只隨溶液中待測離子的活度變化而變化，并且兩者關系符合能斯特方程。離子選擇電極電位不能直接測出，通常是以離子選擇性電極為指示電極，飽和甘汞電極作為參比電極，插入被測溶液中構成原電池，然后通過測量原電池電動勢來求得被測離子的活度（或濃度）。在一定條件下原電池的電動勢與被測離子活度的對數呈線性關系，通過測量原電池電動勢，便可對被測離子進行定量測定。2023/2/4離子選擇性電極法空氣中氟化氫和氟化物用浸漬玻璃纖維濾紙采集，洗脫后，用離子選擇電極測定氟離子的含量。樣品處理：將采過樣的濾紙放入塑料燒杯中，加入16ml

鹽酸溶液和2ml水；用玻璃棒將濾紙搗碎，放入1

根鐵芯塑料套攪拌子，于磁力攪拌器上攪拌3—5min，將濾紙打成漿狀。供測定。若樣品液中待測物的濃度超過測定范圍，可用鹽酸溶液稀釋后測定，計算時乘以稀釋倍數。樣品測定：用測定標準系列的操作條件測定樣品溶液和樣品空白對照溶液。測得的樣品電位值減去空白對照的電位值后，由標準曲線得氟的含量（μg）。處理后，向標準系列各杯加入1.3ml氨水溶液和2—3滴指示劑，在攪拌下用鹽酸溶液和氨水溶液調節溶液呈藍綠色。加5ml總離子強度緩沖液，插入氟電極及飽和甘汞電極，繼續攪拌4—5min，停止后，測量溶液的電位（mV）值。再攪拌1—2min，停止后，再測量電位值（mv）。如此操作直至讀數不變為止。2023/2/4氟化氫和氟化物的離子選擇電極法注意事項終點判斷：讀數不變不是指到儀器的顯示數值不變為止，而是根據IUPAC（國際純粹與應用化學聯合會）推薦響應時間定義，電位變化≤1mV/min時可認為響應達到平衡。重要的是，在標準液與樣液測量中，應按完全一樣的方式進行。氟電極的檢測線性范圍為為10-1-10-6mol/l，磷酸根、乙酸根、鹵素離子、硝酸根離子、硫酸根離子和碳酸氫根離子均不干擾測定。Fe3+、Al3+、Be2+、Th4+等可與F-絡合，使結果偏低。pH的影響：pH<5時，F-可與H+發生配位反應，使F-濃度降低，因此檢測結果變低。當pH＞8時，OH-對電極的響應，將嚴重影響測定結果，使分析結果偏高。最佳檢測pH為5—6。2023/2/4氟化氫和氟化物的離子選擇電極法注意事項TISAB的作用：

掩蔽劑(通過絡合反應掩蔽金屬離子的干擾)離子強度調節劑(維持測試溶液的高離子強度狀態)pH緩沖液(保證pH在5~6的范圍內）甘汞電極的使用：甘汞電極的內溶液使用的是飽和氯化鉀，作用是消除液接電位。試劑純度的影響。氟電極有使用壽命，機械損傷、膜受到化學腐蝕均可影響其壽命。在正常情況下，氟電極的壽命為1—2年。2023/2/4氟化氫和氟化物的離子選擇電極法什么叫色譜法？色譜法也稱色層法或層析法，是一種物理化學分析方法，它利用混合物中各物質在兩相間分配系數的差別，當溶質在兩相間做相對移動時，各物質在兩相間進行多次分配，從而使各組分得到分離。以氣體為流動相的色譜法叫氣相色譜法（GC），它利用物質的沸點、極性及吸附性質的差異來實現混合物的分離。2023/2/4氣相色譜法氣相色譜分類：用固體吸附劑作固定相的叫氣固色譜。氣固色譜屬于吸附色譜，它是利用吸附劑表面對不同組分吸附性能差異進行分離。用液體（涂在固體擔體上或毛細管壁上）作固定相的叫氣液色譜。氣液色譜屬于分配色譜，它是利用不同組分在兩相中分配系數不同進行分離。實際工作中，氣液色譜的使用更廣泛。氣相色譜法的優點：分離效能高，選擇性高，樣品用量少，靈敏度高，應用范圍廣，分析操作簡單快速。氣相色譜法的缺點：定性能力差。2023/2/4氣相色譜法氣相色譜法的工作過程：待測物樣品(氣體或液體）注入到色譜柱頂端，由載氣攜帶著通過色譜柱中固定相，使樣品中各組分分離，然后分別進入檢測器。檢測器信號由電腦接收并處理，得到色譜圖，通過對色譜圖的處理，進而對樣品中組分進行定性和定量分析。2023/2/4氣相色譜法氣相色譜分離原理：是利用試樣中各組份在流動相和固定相間的分配系數不同，組份在兩相間進行反復多次分配，由于固定相對各組份的吸附或溶解能力不同，因此各組份在色譜柱中的運行速度就不同，經過一定的柱長后，便彼此分離，所以分配系數的差異是所有色譜分離的實質性原因。2023/2/4氣相色譜法氣相色譜圖的一些基本術語2023/2/4氣相色譜法氣相色譜儀的構成：氣相色譜儀基本結構通常由氣路系統（載氣、氣體純化器，減壓閥）、進樣系統（進樣器、氣化室）、分離系統（色譜柱）、控溫系統、檢測系統（檢測器）、數據處理系統等組成。2023/2/4氣相色譜法氣路系統分離系統檢測和數據處理系統進樣系統溫控系統載氣進樣口柱溫箱檢測器數據處理流量控制器氣路系統：氣源：作為氣相色譜載氣的氣體，要求要化學穩定性好；純度高；價格便宜并易取得；能適合于所用的檢測器。常用的載氣有氫氣、氮氣、氬氣、氦氣、二氧化碳氣等等。氣體凈化。氣流控制：載氣的流速不僅對色譜柱分離效率有重大影響，并且還決定分析所需要的時間。流速快，分析時間短；流速慢，分析時間增長。檢測時，一般都有一個最佳流速，可以使柱子的分離效果最好。在實際工作中為了加快分析速度，選擇的流速往往稍高于最佳流速，但不影響分離。氣瓶的顏色：氮氣空氣—黑色、氫氣—綠色、氦氣—灰色2023/2/4氣相色譜法-氣路系統進樣系統：作用是進樣和使樣品氣化。在儀器上就表現為進樣器和進樣口。通常，載氣的流量控制也是在進樣口完成的。進樣器：分為手動進樣和自動進樣。進樣口：使樣品瞬間氣化而不分解。2023/2/4氣相色譜法-氣路系統玻璃棉的作用：進樣襯管中填有玻璃棉，其作用是過濾樣品中的雜質和增大比表面積，以達到幫助樣品氣化的作用。如果不使用玻璃棉，儀器的重現性將受到影響。但玻璃棉不宜填得太多，過多的玻璃棉可能會造成二次進樣，甚至峰分叉。2023/2/4氣相色譜法-氣路系統氣相色譜法不適用于沸點高于450℃的難揮發物質和熱不穩定的物質。進樣體積的選擇。進樣量過小可能會不能達到儀器的靈敏度；進樣量過大峰會展寬，分離度會變小。在液體進樣時還應考慮溶劑的氣化體積。（下圖為各種不同溶劑進樣1μL的汽化體積(進樣口溫度250℃，載氣壓力140kPa）2023/2/4氣相色譜法-氣路系統異辛烷正已烷甲苯乙酸乙酯丙酮二氯甲烷二硫化碳乙腈甲醇水110uL140μL170μL185μL245μL285μL300μL350μL450μL1010μL分離系統由色譜柱組成，它是色譜儀的核心部件，其作用是分離樣品。分為填充柱和毛細管柱。填充柱由不銹鋼或玻璃材料制成，內裝固定相，一般內徑為2—4mm，長1—3m。毛細管柱又叫空心柱，分為涂壁，多孔層和涂載體空心柱。涂壁空心柱是將固定液均勻地涂在內徑0.l—0.5mm的毛細管內壁而成，毛細管材料可以是不銹鋼，玻璃或石英。現在使用最廣泛的是石英毛細管柱。

2023/2/4氣相色譜法-分離系統色譜柱長的選擇：分辨率與柱長的平方根成正比。在其他條件不變的情況下為取得加倍的分辨率需有4倍的柱長。較短的柱子適于較簡單的樣品,尤其是由那些在結構、極性和揮發性上相差較大的組分組成的樣品。但色譜柱越長，分析時間越長，分析效率降低。柱內徑的選擇：

柱徑直接影響柱子的效率、保留特性和樣品容量。小口徑柱比大口徑柱有更高柱效，但柱容量更小。液膜厚度的選擇：液膜厚度影響柱子的保留特性和柱容量。厚度增加，保留也增加。薄液膜適合高沸點的化合物分析，厚液膜適合低沸點的化合物分析。固定相的選擇：不同的固定相對不同的分析物的影響不同，根據相似相溶原理，性質越相近，固定相對其的流動阻力越大，其保留時間越長．色譜柱就是通過這個原理將不同性質的混合物相互分開的。2023/2/4氣相色譜法-分離系統色譜柱的維護：老化柱子

溶劑清洗

除掉柱入口污染的部分

2023/2/4氣相色譜法-分離系統進樣口溫度:

考慮樣品中各組分的沸點，設定溫度使樣品瞬間汽化。色譜柱溫度:柱溫不得高于固定液的最高使用溫度，否則固定液會因揮發而流失。在保持較好分離度的前提下，對最難分離的物質應盡可能再用較高柱溫，但以保留時間適宜、峰型不拖尾為度。柱溫升高，柱效升高，但如果柱溫過高，會影響柱子的分離度。但柱溫太低，會使峰形變寬、柱效下降、并延長了分析時間。柱溫的選擇還須從試樣沸點和固定液配比綜合考慮。柱溫一般選擇在接近或略低于組分平均沸點時的溫度。對于組分復雜、沸程寬的試樣，采用程序升溫的方法，使低沸點和高沸點樣品都能達到良好的分離。檢測器溫度:

防止檢測器污染，一般比色譜柱溫度高20-30℃。DET.T≥INJ.T≥COL.T+20℃2023/2/4氣相色譜法-溫控系統氫火焰離子化檢測器：

以氫氣和空氣燃燒的火焰作為能源，含碳有機物在火焰中燃燒產生離子化介質和電子，在火焰燃燒處和收集極（電極）上加一電壓，帶電粒子被收集極吸引和捕獲形成離子流，根據離子流產生的電信號強度，檢測被色譜柱分離出的組分。

離子數目正比于碳原子數目(C-H鍵)。

一些官能團如羰基(CO=)、羥基(－OH）、鹵素（－X）、胺（NH4+）則很少或根本不會離子化。對無機氣體如H2O,CO2,SO2,和NOx不靈敏。

檢測器溫度應比柱溫箱設定的最高溫度高30C，且大于150C以防止水凝結在檢測器上。2023/2/4氣相色譜法-檢測系統電子捕獲檢測器

電子捕獲檢測器內有一個放射源（Ni63放射源）作為負極，還有一正極。兩極間加適當電壓。當載氣(N2)進入檢測器時，受放射源不斷放出β粒子射線的輻照發生電離，生成的正離子和電子分別向負極和正極移動，形成恒定的基流。

含有電負性元素的樣品進入檢測器后，就會捕獲慢速低能量電子而生成穩定的負離子。

生成的負離子又與大量存在于周圍的載氣正離子復合。結果導致基流下降，形成負峰。經過轉換處理，形成色譜峰。ECD檢測器對鹵素、過氧化物、醌類金屬有機物及硝基化合物非常靈敏。而對胺類、醇類及碳氫化合物不靈敏。靈敏度高，檢測限可達10-14g/ml，但線性范圍較窄。

使用注意事項：忌水、忌氧，忌使用含氯物質作為溶劑（如氯仿）。

2023/2/4氣相色譜法-檢測系統保留時間定性在一定的色譜系統和操作條件下，每種物質都有一定的保留時間，如果在相同色譜條件下，未知物的保留時間與標準物質相同，則可初步認為它們為同一物質。用不同檢測方法定性同一樣品可以采用多種檢測方法檢測，如果待測組分和標準物在不同的檢測器上有相同的響應行為，則可初步判斷兩者是同一種物質。

與其他儀器聯用定性將具有定性能力的分析儀器如質譜（MS）、紅外（IR）、原子吸收光譜（AAS）、原子發射光譜（AES和ICP-MS）等儀器作為色譜儀的檢測器即可獲得比較準確的定性信息。

注：時間帶的運用！2023/2/4氣相色譜法-定性方法色譜定量分析的依據是被測物質的量與它在色譜圖上的峰面積（或峰高）成正比。因為峰高比峰面積更容易受分析條件波動的影響，且峰高標準曲線的線性范圍也較峰面積的窄，因此，通常情況是采用峰面積進行定量分析。職業病危害因素檢測檢驗定量分析一般采用標準曲線法。標準曲線法，亦稱外標法。首先用純物質配制一系列不同濃度的標準試樣，在一定的色譜條件下準確定量進樣，測量峰面積（或峰高），繪制標準曲線。

進行樣品測定時，要在與繪制標準曲線完全相同的色譜條件下準確進樣，根據所得的峰面積（或峰高），從曲線查出被測組分的含量。外標法不使用校正因子，準確性較高，操作條件變化對結果準確性影響較大。對進樣量的準確性控制要求較高，適用于大批量試樣的快速分析。2023/2/4氣相色譜法-定量方法原理：用活性炭管采集工作場所空氣中的苯，用二硫化碳解吸，經色譜柱分離，氫焰離子化檢測器檢測，以保留時間定性，峰高或峰面積定量。樣品處理：將采過樣的前后段活性炭分別放入容積解析瓶中，各加入1.0mL二硫化碳，塞緊管塞，振搖1min，解析30min。解析液供測定。注意事項：二硫化碳的純度。標準溶液的配制。2023/2/4氣相色譜法-苯的溶劑解吸法高效液相色譜法（HPLC）是在經典液相色譜基礎上，引入了氣相色譜的理論，在技術上采用了高壓泵、高效固定相和高靈敏度檢測器的新型分離分析技術。分離原理與氣相色譜法類似，都是根據不同組分在兩相間的分配系數不同進行分離。高效液相色譜的流動相是液體，因此適用于高沸點、大分子、強極性和熱穩定差的化合物分離。高效液相色譜法的優點：分離效能高、選擇性好、分析速度快、靈敏度高、重復性好、應用范圍廣。高效液相色譜法的局限性：有機試劑成本高，毒性大；

缺少通用型檢測器；不能替代中低、壓柱色譜法。2023/2/4高效液相色譜法根據固定相的不同，液相色譜分為液固色譜、液液色譜和鍵合相色譜。應用最廣的是以硅膠為填料的液固色譜和以微硅膠為基質的鍵合相色譜。根據固定相的形式，液相色譜法可以分為柱色譜法、紙色譜法及薄層色譜法。按吸附力可分為吸附色譜、分配色譜、離子交換色譜、體積排阻色譜和親和色譜。2023/2/4高效液相色譜法高效液相色譜儀由高壓輸液系統、進樣系統、分離系統、檢測系統和色譜數據處理系統（色譜工作站）五個基本部分和相關輔助部件構成。2023/2/4高效液相色譜法高壓輸液系統由儲液罐、脫氣裝置、高壓輸液泵、過濾器、梯度洗脫裝置等組成。進樣系統：隔膜式注射進樣器和六通閥進樣。分離系統：色譜柱、柱溫箱和連接管。2023/2/4高效液相色譜法色譜柱由柱管、填料、密封圈、過濾板、柱頭等組成。應特別注意柱頭規格及無死體積連接的特性。2023/2/4高效液相色譜法—色譜柱色譜柱的使用注意點：避免柱壓過高（根據不同的柱子要求不同）。柱溫在40℃左右,一般不超過50℃。色譜柱的方向性。一般ODS柱流動相PH使用范圍為2—7.5。避免壓力和溫度的急劇變化及任何機械震動。應逐漸改變溶劑的組成，特別是反相色譜，不應直接從有機溶劑改變為全部是水，反之亦然。樣品進樣前必須經過微孔膜過濾。經常用強溶劑沖洗色譜柱，清除保留在柱內的雜質。如果用緩沖溶液作為流動相，分析結束時必須先用純水沖洗10分鐘，再用甲醇-水沖洗，絕不能讓緩沖溶夜留在柱子中過夜。使用保護柱可延長柱子壽命。保護柱應經常更換。2023/2/4高效液相色譜法—色譜柱柱溫箱的作用：控制溫度，保證分析結果重現性。升高溫度，降低了流動相的黏度，降低柱壓，保證色譜系統的穩定性。2023/2/4高效液相色譜法—柱溫箱檢測器是HPLC儀的三大關鍵部件之一。其作用是把洗脫液中組分定量轉變為電信號。紫外可見檢測器：

原理：基于被分析組分對特定波長紫外光的選擇性吸收

優點：1）對溫度和流速變化不敏感

2）可用于梯度分析

缺點：僅適用于測定有紫外吸收的物質熒光檢測器：

原理：基于被分析組分發射的熒光強度進行檢測

優點：1）靈敏度極高，是最靈敏的檢測器之一

2）選擇性好

3）對溫度和流速不敏感，可用于梯度洗脫

缺點：僅適用于測定可產生熒光的物質2023/2/4高效液相色譜法—檢測器在選擇溶劑時，溶劑的極性是選擇的重要依據。正相液-液分配分離：先選中等極性溶劑，若組分的保留時間太短，降低溶劑極性，反之增加。也可在低極性溶劑中，逐漸增加其中的極性溶劑，使保留時間縮短。常用溶劑的極性順序：水(最大)>甲酰胺>乙腈>甲醇>乙醇>丙醇>丙酮>二氧六環>四氫呋喃>甲乙酮>正丁醇>乙酸乙酯>乙醚>異丙醚>二氯甲烷>氯仿>溴乙烷>苯>四氯化碳>二硫化碳>環己烷>己烷>煤油(最小)2023/2/4高效液相色譜法—流動相流動相使用的注意事項使用的溶劑必須是HPLC級別的，水最好是18.2MΩ的超純水。使用前應使用0.45μm或更小孔徑濾膜過濾，目的是除去溶劑中的微小顆粒，避免堵塞色譜柱，尤其在使用無機鹽配制的緩沖液時。脫氣，目的是除去流動相中因溶解或混合而產生的氣泡。使用了緩沖鹽的流動相應當天配制。2023/2/4高效液相色譜法—流動相原理：空氣中五氯酚用微孔濾膜與乙二醇吸收液串聯采樣，經C18色譜柱分離,紫外檢測器檢測，以保留時間定性，峰高或峰面積定量。樣品檢測：將采樣后的吸收液搖勻，吸收液定量轉移至具塞試管中，用甲醇洗滌吸收管及微孔濾膜，并定容至10.0mL，搖勻，供測定。2023/2/4酚類化合物的五氯酚及其鈉鹽的高效液相色譜法離子色譜法（IC）是利用色譜技術測定水溶液中帶正電荷或負電荷的離子態物質的方法，屬高效液相色譜法的一種。根據分離機理不同，離子色譜（IC）可分為離子交換色譜（HPIC）、離子排斥色譜（HPIEC）和離子對色譜（MPIC）三種。離子色譜法的優點：分析過程快速、方便靈敏度高選擇性好可同時分析多種離子化合物運行費用非常低，無需特殊試劑分離柱的穩定性好，容量高2023/2/4離子色譜法分離方式選擇：首先應了解待測化合物的分子結構和性質以及樣品的基體情況，如無機還是有機離子，離子的電荷數，是酸還是堿，親水還是疏水，是否為表面活性化合物等。待測離子的疏水性和水合能是決定選用何種分離方式的主要因素。水合能高和疏水性弱的離子，如Cl-或K+，最好用離子交換分離。水合能低和疏水性強的離子，如高氯酸（ClO4-）或四丁基銨，最好用親水性強的