主题:【资料】化学分析样品制备(86讲 待续)

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化学分析样品制备(23)

        第一章  样品制备的基础知识(23)


  1.6.3. 基体的控制

基体的加标
    在样品测定中基体对测量的准确度和精密度起着重要的作用,而在样品处理阶段很受基体性质的影响。基体的加标就是考察基体对样品制备和分析的影响,基体的加标是往样品中加入一定量的已知组分,这些组分类似于被分析样品,但在原始的样品中没有这些组分,然后分析加标基体样品,用以评估基体对分析的影响,要确定的一个重要问题是:对大多数被分析物的萃取回收率和添加基体的回收率不能低于 70% 。基体加标可用来接受或拒绝一个方法,例如,用加速溶剂萃取土壤中的氯代酚,然后用 GC-MS 进行分析,氘代苯用于基体的加标,氘代苯并不存在于原始的样品中,但是它却可以很容易地用 GC-MS 进行鉴定,同时,氘代苯具有十分类似于被分析物的物理和化学性质。基体加标常常不能在分析中同时进行,而要分别进行操作,或者用和样品相同的基体,或者用类似于样品的基体进行实验。       
    在上述的例子中,可往干净的土壤中加入常规的氯代酚,然后测定其回收率,但是要很小心地选择被加标的基体,例如,从沙子里很容易萃取出各种被分析物,但是要从粘土图壤中萃取被分析物要用几年的时间。在土壤中的有机物会和基体有另外的结合力,所以从被标记的基体中萃取被分析物,要比从实际样品容易的多,可以定量地萃取出来被分析物,而对实际样品的萃取回收率要抵的多,这一情况对基体敏感的方法尤为严重,例如超临界萃取。

代用加标物
代用加标物用于有机分析,用以确定分析方法是否出了问题,代用加标物是一组化合物,其性质类似于样品,在样品制备过程中也具有类似的性能,例如在 GC/MS分析中氘代同系物是理想的代用加标物,它们和被分析物十分类似,但有不会存在于原始的样品中。可把代用加标物加到样品、标样、空白和基体加标物中,可以对每次分析计算代用加标物的回收率,用异乎寻常的高或低的回收率来表示存在问题,像样品被污染或出现仪器故障。例如,认为一组要分析的汽油样品在吹扫捕集中被污染,就把氘代甲苯作为代用加标物加到样品、标样、和空白中,检查每一个样品中的氘代甲苯的回收率,如果在哪一个样品中出现异乎寻常的高或低回收率,就抛弃这一个分析结果。
(资料来源:“Sample Preparation Techniques in Analytical Chemistry“,Editor J. D. WINEFORDNER,2003)
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化学分析样品制备(24)

第一章  样品制备的基础知识(24)


1.6.4. 污染的控制

    许多测量过程很容易受到污染,在获取样品、制备样品、或分析中都有可能受到污染,在收集样品的现场、在样品转移、样品储存中都会被污染,在分析前样品表面会受到污染,或者仪器本身被污染。表 1.5 列出通常会出现的污染源。

表 1.5  样品的污染源


在痕迹量分析中污染是一个很大的问题,浓度越低污染对分析的影响越大,取样设备本身就可能是污染源,污染可能来自结构材料或不正确的净化方法,例如,聚合物的添加剂可能会从样品瓶沥取出来,有机溶剂可能会把容器表面上的物质溶解下来,如样品瓶盖的衬里。也可能是前一次样品的携留物,比方说,取样设备中分析物的浓度为 1 ppm 水平,携留 0.1% 就意味对下一个 ppb 样品带来 100% 的误差。在实验室样品制备和分析的任何一个阶段都会使样品被污染,污染物可能来自容器、试剂或环境本身。通常,避免手处理样品并减少处理步骤会减少被污染的可能。在样品制备过程中包括许多手动的步骤,就会导致样品被污染。污染源也可能来自仪器本身,例如,前一次分析的化合物残留在仪器中,就会造成下一次样品的污染。

(资料来源:“Sample Preparation Techniques in Analytical Chemistry“,Editor J. D. WINEFORDNER,2003)
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化学分析样品制备(25)

第一章  样品制备的基础知识(25)


1.6.4. 污染的控制

空白试验

    空白用于评价在测量过程中任何阶段被污染的程度,也可以用于校正不可避免污染的相关常数。空白是一种样品,它不含有任何分析无物(或者其含量可以忽略),空白要尽可能近似于样品的基体,依照测量的过程和目的不同,使用不同类型的空白,在表 1-6 中列出一些常见的空白。实验室和现场的空白样品需要包括所有可能的污染源,这里我们着重讨论样品制备有关的重要空白样品。

表 1-6 空白的类型


系统或仪器的空白
    这一空白是考察仪器被污染的情况,也是在没有样品注入时仪器的响应值,当背景信号恒定并可以测量时,通常认为做零信号处理,分析仪器一般是这样的。但也可以用于样品处理的仪器。

(资料来源:“Sample Preparation Techniques in Analytical Chemistry“,Editor J. D. WINEFORDNER,2003
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化学分析样品制备(26)

        第一章  样品制备的基础知识(26)


系统或仪器的空白
    这一空白是考察仪器被污染的情况,也是在没有样品注入时仪器的响应值,当背景信号恒定并可以测量时,通常认为做零信号处理,分析仪器一般是这样的。但也可以用于样品处理的仪器。
    仪器空白也可以看做是仪器的记忆效应,或由于前一次样品的携留所引起。当前一次进行高浓度样品检测后,立刻进行低浓度样品分析时,这一空白值就会十分显著,当有冷冻预浓缩步骤时这一问题犹为严重。例如,利用吹扫捕集方法分析挥发性有机物时,一些组分会留在吸附阱中,或留在仪器的冷阱中。所以在两个样品之间要进行去离子水的空白样品实验。对任何仪器进行这一空白实验是很重要的,因为留在仪器里的前次分析的组分,只有在进行下一次分析时才会出现。

溶剂/试剂空白

溶剂/试剂空白是检验用于样品制备的溶剂和试剂的可用性,有时进行空白校准或作为试剂测定零点设定值,例如,在原子光谱或分子光谱中,把用于样品制备的溶剂和试剂作为零点设定值。

方法空白

方法空白是通过样品制备和分析的全部步骤来进行的,就像真实样品那样进行分析,从样品制备的角度讲这一点非常重要,在真实样品测定中使用相同的溶剂和试剂,例如,测定土壤中的金属时,干净的土壤样品可以作为方法的空白样品,把他进行和真实样品一样的萃取、浓缩和各个分析步骤,方法空白是考察样品制备和分析过程中可能被污染的情况,污染可能发生在试剂、玻璃器皿、或者实验室环境上,

其他类型的空白

    用于情况的需要,要说明的是空白只是鉴定污染的影响,他们看成是对存在各种误差的估计,把空白用于校准污染是很少见的。常见的是空白值超过某一预定值就会舍弃这一分析数据,进行重复分析,并在必要时重新进行样品制备。实验室的标准操作步骤(SOPs)为了控制污染,应当鉴定必要的空白值。

(资料来源:“Sample Preparation Techniques in Analytical Chemistry“,Editor J. D. WINEFORDNER,2003)
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化学分析样品制备(27)
第二章 萃取原理和从液体中萃取半挥发性有机物(1)


2.1. 萃取原理

    本章着重于讨论三种广泛使用的从液体中萃取半挥发性有机物的方法:

(1) 液-液萃取(LEE)
(2) 固相萃取(SPE)
(3) 固相微萃取(SPME)
 
    其他方法选择性地用于某些场合,但是这三种方法成为研究和工业分析实验室首选的萃取方法。作为第四种方法就是近年推出的搅拌棒吸附萃取法[stir bar sorptive extraction (SBSE)],这里也进行一些讨论。
    为了理解各种萃取方法,我们首先了解知道各种萃取方法的原理。被分析物的化学性质对萃取有很大的影响,同样用于溶解被分析样品介质的化学性质也对萃取有很大的影响,用于进行萃取的介质(气体、液体、超临界流体或固体)对样品的分离有很大的影响。
在所有相关于溶质的性质中,有五种化学性质是理解萃取理论的基础:
(1)    蒸汽压
(2)    溶解度
(3)    分子质量
(4)    疏水性
(5)    酸电离度
    这些主要性质决定化学品在人体中的传递;决定化学品在空气-水-土壤环境之间的传递;以及分析萃取过程中在不混溶相之间的传递。
    溶解的化学组分 X 从液相 A 中萃取或分离是这样进行的,把 X 的溶液与第二相 B 接触,液相 A 和相 B 互相不混溶,相 B 可以是固体、液体、气体、或超临界流体,组分 X 在两个互不溶解的相间进行分配,在分析物分配到两相以后,把萃取出来的分析物从相 B 中释放出来,再进行下一步的萃取或进行仪器分析。
    让我们用根据化学平衡理论来描述这一可逆的分配过程。
                        XA= XB                  (2·1)
平衡常数的表示可用 Nernst 分配定律:
                      KD=[X]B/[X]A              (2·2)
式中括号表示在各个相中物质 A 的浓度(或者对非理想溶液中表示 X 的活度),习惯上式中 是物质萃取到 B 相中的浓度。平衡常数与达到平衡的速度无关。
    分析工作者的作用是优化萃取条件,使平衡极大地向方程式(2·1)右面进行,从而让 KD 数值增大,提高从 A 到 B 的萃取效率。反之,如果 KD 数值小,物质 X 从 A 相转到 B 相的量就少,如果 KD =1,那么 A 相和 B 相的量就一样。
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化学分析样品制备(28)
第二章 萃取原理和从液体中萃取半挥发性有机物(2)


(2.1. 萃取原理)

亨利定律常数

    有一种萃取方法从溶液中萃取被分析物,它基于溶质可以从水挥发到空气中,可以有一个参数用来估算这种挥发性,这样就避免在实验室了用尝试的办法获得其挥发性的大小。一个溶质 X 的挥发性或从溶液中的逃逸倾向(逸度)可以用亨利定律常数来估算:

                  H’=KD=[X]G/[X]L                (2.3)
式中 H’是亨利定律常数
    KD  是分配比
    [X]G  是溶质在气相中的浓度
    [X]L 是溶质在液相中的浓度

    亨利定律常数越大,溶质从溶液中挥发到气相里的倾向性越大,测定平衡后气相液相中溶质 X 的浓度,按照公式(2.3)可以估算亨利定律常数,实际上只要测定某一相中 X 的浓度就可以,第二相中 X 的浓度可以从质量平衡来计算得到。对低浓度中性化合物,亨利定律常数可以用蒸汽压 PVP 和溶解度 S 的比例来估算,考虑到分子质量以摩尔浓度来表示。

              H= PVP/S                    (2.4)

式中 PVP 的单位是大气压, 的单位是摩尔/立方米,所以H 的单位是大气压·立方米/摩尔(atm·m3/mol)
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化学分析样品制备(29)

第二章 萃取原理和从液体中萃取半挥发性有机物(3)


(2.1. 萃取原理)(请回顾一下上一讲)

蒸汽压

    一个液体或固体的蒸汽压 Pvp ,是在给定的温度下化合物的蒸汽(气体)与纯的凝聚液体或固态平衡情况下的压力,蒸汽压与温度有关,随温度的增加而增加,化学品的蒸汽压是按照分子间相互作用力大小的程度而变化着,分子间相互作用力越大其蒸汽压就越小。不要把蒸汽压和亨利定律常数相混淆,蒸汽压是指纯物质蒸发到大气中的挥发性。而亨利定律常数是指化合物从它的溶液中蒸发到空气中的挥发性。蒸汽压可用于亨利定律常数的估算(公式2.4)。

                          溶解度

    溶解度也用来估算亨利定律常数(公式2.4),溶解度是一个化学品在一定温度下可以溶解于另外一个液体中的最大量,溶解度可以用实验方法测定,也可以从化合物的分子结构来估计它的溶解度。
亨利定律常数(H)可以用蒸汽压和溶解度之比来计算(公式2.4),也可以用下式反转到无因次亨利定律常数。是
           
          H’= Pvp(MW)/0.062ST                    (2.5)

式中Pvp是蒸汽压,单位为 mm Hg 柱,MW 是分子质量,S 化合物在水的溶解度,以 mg/L表示,T 是凯氏温度,0.062 是适当的通用气体常数。

(资料来源:“Sample Preparation Techniques in Analytical Chemistry“,Editor J. D. WINEFORDNER,2003)
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化学分析样品制备(30)
第二章 萃取原理和从液体中萃取半挥发性有机物(4)


(2.1. 萃取原理)(请回顾一下上一讲)

    为了分析的目的,常常把有机化合物从液体挥发到气相倾向的类别分为三类,高、中、低,并按照亨利定律的公式(2.4),来估算挥发性需要考虑蒸汽压和有机溶质的溶解度,Ney
  • 把蒸汽压分为:
    *    低蒸汽压 1×10-6 mm Hg
    *    中蒸汽压  在  1×10-6 mm Hg——1×10-2 mm Hg 之间
    *    高蒸汽压  1×10-2 mm Hg
    (R. E. Ney, A Practical Guide to Chemical Fate and Transport in the Environment, Van Nostrand Reinhold, New York, 1990,
    pp. 10, 13, 18, 32.)

    而把化合物在水中的溶解度也划分为三类:
    *    低溶解度  低于1×10-5 (10 ppm)
    *    中等溶解度在  1×10-5 到1×10-3 (10 ppm 到 1000 ppm)之间
    *    高溶解度大于  1×10-3 (1000 ppm)

      但是在Ney 的方法中,对浓度的表示是ppm(百万分之一),没有考虑分子质量,因而没有考虑化学品的等同性或分子特性。
    把公式(2.4)重排,得到:
                      PVP= H S                  (2.6)

    在这一线性关系中,可以绘制成如图 2.1 的蒸汽压力(Y 轴)对溶解度(X 轴)的曲线,其斜率就代表亨利定律常数


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    化学分析样品制备(31)
    第二章 萃取原理和从液体中萃取半挥发性有机物(5)


    (2.1. 萃取原理)(请回顾一下上一讲)

        上一讲提出公式(2.6)和图 2.1  在蒸汽压对溶解度的图中的亨利定律常数(点画线)
                    PVP= H S                  (2.6)



    从图 2.1可以看出有机物的蒸汽压低、溶解度高其溶液的挥发性差,反之有机物的蒸汽压高、溶解度小其溶液的挥发性就高,除此之外的化合物(具有不同蒸汽压和溶解度)具有中等程度的挥发性。
    从公式(2.6)可以看出亨利定律常数(H)是一个比值,即蒸汽压比溶解度,对低蒸汽压、低溶解度,中等蒸汽压、中等溶解度,或高蒸汽压、高溶解度的溶液,可能具有近似相同的挥发性。

      亨利定律常数可以依据溶液中溶质的挥发性,来确定使用哪一种萃取方法,如果被分析物(溶质)的亨利定律常数低于溶剂的亨利定律常数,此溶质相对于溶剂是非挥发性的,那么当溶剂蒸发时溶质就会浓缩富集。如果被分析物(溶质)的亨利定律常数大于溶剂的亨利定律常数,此溶质相对于溶剂是半非挥发性的,把这一溶液暴露在空气中,溶质的浓度就会降低,因为溶质比溶剂挥发的快。Mackay 等人提出一个水溶液中有机物的蒸汽压和溶解度对画图见后一讲的(图 2.2)(文献1,2)。

    1. D. Mackay and T. K. Yuen, Water Pollut. Res. J. Can., 15(2), 83 (1980).
    2. R. G. Thomas, Volatilization from water, in W. J. Lyman, W. F. Reehl, and
    D. H. Rosenblatt, eds., Handbook of Chemical Property Estimation Methods:
    Environmental Behavior of Organic Compounds, McGraw-Hill, New York,1982, p. 15-1.

    (资料来源:“Sample Preparation Techniques in Analytical Chemistry“,Editor J. D. WINEFORDNER,2003)
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    化学分析样品制备(32)
    第二章 萃取原理和从液体中萃取半挥发性有机物(6)


    (2.1. 萃取原理)(请回顾一下上一讲)

        上一讲提到 Mackay 等人提出一个水溶液中有机物的蒸汽压和溶解度对画图(见图 2.2)。


    挥发性和亨利定律常数之间的关系如下:
    不挥发性:对与 H < 3×10-7 atm·m3/mol 的物质,其挥发性很小(即在15℃时的水);
    半挥发性:3×10-7 < H <10-5 atm·m3/mol 的物质,其挥发性较低;
    挥发性:10-5 < H <10-3 atm·m3/mol 之间的物质其挥发性较高:
    高挥发性:H >10-3 atm·m3/mol 之间的物质其挥发性很高

    (资料来源:“Sample Preparation Techniques in Analytical Chemistry“,Editor J. D. WINEFORDNER,2003)
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