现代环境测试技术实验讲义

现代环境测试技术实验讲义

周家斌

武汉理工大学资源与环境工程学院

实验一气相色谱－质谱（GC-MS）法

测定多环芳烃含量

一、实验目的：

1．了解GC-MS仪的基本构造，熟悉工作站软件的使用；

2．了解运用GC-MS仪分析样品的基本过程，掌握利用质谱标准图库检索和特征离子裂解原理进行色谱峰定性，以及内标法进行定量的分析方法。

二、实验原理：

一台质谱仪的分析系统一般由四个部分组成：进样系统按电离方式的需要，将样品无分馏地送入离子源的适当部位。离子源是用来使样品分子或原子电离生成离子的装置，除了使样品电离外，离子源还必须使生成的离子会聚成有一定能量和几何形状的离子束后引出。质量分析器是利用电磁场(包括磁场、磁场与电场组合、高频电场、高频脉冲电场等)的作用将来自离子源的离子束中不同质荷比的离子按空间位置、时间先后或运动轨道稳定与否等形式分离的装置。检测器是用来接收、检测和记录被分离后的离子信号的装置。样品由进样装置导入离子源，在离子源中被电离成正离子或负离子,离子按质荷比大小由质量分析器分离后，被检测系统接收并记录而获的质谱图。

质谱分析是先将物质离子化，按离子的质荷比分离，然后测量各种离子谱峰的强度而实现分析目的的一种分析方法。本实验使用的质谱检测器采用电子电离源（EI），它的灯丝能发射出能量为70ev的电子束。从毛细管色谱柱流出的气体样品进入检测器后，被电子电离，生成的分子碎片经加速器加速后进入四极杆质量分析器进行分析。质量是物质的固有特征之一，不同的物质有不同的质量谱——质谱，利用这一性质，可以进行定性分析；谱峰强度也与它代表的化合物含量有关，利用这一点，可以进行定量分析。

三、仪器和试剂：

Agilent 6890－5973N 型色谱质谱仪（美国安捷伦科技有限公司），配置HP-5MS弹性石英毛细柱（30m×0.25mm×0.25um）；10 ul微量注射器；针式

过滤器（有机相）。

本实验分离分析的是10种多环芳烃混合物（菲、蒽、荧蒽、芘、苯并[a]蒽、屈、苯并[b]荧蒽、苯并[k]荧蒽、苯并[e]芘、苯并[a]芘），溶剂为二氯甲烷（色谱纯）。

四、实验步骤：

1．以二氯甲烷为溶剂，配制合适浓度的多环芳烃混合溶液；

2．使用0.45μm的有机相微孔膜过滤器将混合溶液过滤至样品瓶中；

3．GC-MS参数设定：

色谱条件：载气为纯度99.999%的氦气，进样室与传输线均恒温300℃；程序升温：65℃恒温10min 后，以速率10℃/min 升至300℃，恒温20min；载气流速：N2，0.5ml·min-1；进样量：1μl；不分流进样。

质谱条件：EI 模式，电子能量70eV。离子化电流：300Μa，倍增器电压：1100V。全扫描质量范围为35～500amu，扫描周期为1.6s。

4．设置样品信息及数据文件保存路径后，按下“Start run”键，待“Pre-run”结束，系统提示可以进样时，使用10μl进样针准确吸取1μl样品溶液（不能有气泡）。将进样针插入进样口底部，快速推出溶液并迅速按下色谱仪操作面板上的“start”按钮，分析开始。

5．对得到的总离子流色谱图（TIC），在不同保留时间处双击鼠标右键得相应的质谱图，在质谱库中检索后，根据匹配度、置信度可确定各峰的归属。根据质量色谱图、特征碎片离子、计算机联机的标准谱库检索，来对化合物作定性分析，定量分析用内标法。

五、实验结果与讨论：

1．显示并打印样品的总离子流色谱图(TIC)，并学会应用选择离子色谱图（SIM）和标准谱库检索，给出色谱峰定性结果（含质谱检索结果、物质名称、保留时间）。

2．给出某一保留时间处菲、荧蒽和苯并[a]芘的质谱图，分析它们主要产生了哪些离子峰。根据质谱电离过程中分子碎裂的机理，写出这3种多环芳烃的分子碎裂过程。

3．运用化学工作站软件对10种多环芳烃和内标物（芘-d10）进行峰面积积

分，以内标法定量每个多环芳烃化合物的含量。已知芘-d10的浓度为0.45mg/l。

六、思考题

1．GC-MS适用于分析哪些样品，请举例说明；并简述其主要优点。

2．与外标法相比，内标法定量有什么优势？用内标法可以克服哪些因素造成的误差？内标物的选择有什么具体要求？

实验二高效液相色谱法（HPLC）

测定正十六烷酸含量

一、实验目的：

1．理解高效液相色谱(HPLC)的原理与应用；

2．掌握用保留值定性及用标准曲线法进行定量的方法。

二、实验原理：

高效液相色谱法(HPLC)是由经典液相色谱（柱层析、纸层析、薄层层析）发展起来的，采用高压液体作流动相并采用了新型固定相和连续自动检测系统，从而大大提高了理论塔板数，具有快速、高效等特点。它克服了气相色谱法要求样品挥发性大、热稳定性好的局限，特别适用于大分子量的高分子化合物及离子型化合物的分离与分析。HPLC按分离原理可分为吸附色谱、键合相色谱、离子交换色谱和凝胶排组色谱。

在以上四种分离方式中，反相键合相色谱应用最广，因为它采用醇-水或腈-水系作流动相。纯水易得廉价，它的紫外吸收极小。在纯水中添加各种物质可改变流动相的选择性。使用最广泛的反相键合相是十八烷基键合相，即让十八烷基（C18H37—）键合到硅胶表面，这种键合相又称ODS(Octadecylsily) 键合相。

本次实验采用反相液相色谱柱进行分离，以二极管阵列检测器进行检测，以正十六烷酸nC16

标准系列溶液的色谱峰面积对其浓度做工作曲线，再根据样品：0

中的正十六烷酸的峰面积，由工作曲线算出其浓度。

三、仪器与试剂：

仪器：Agilent 1100 HPLC (美国Agilent公司)，HP工作站，ODS柱，5μL 定量环，50ul微量注射器。

试剂：1．甲醇（色谱纯），二次蒸馏水

2．正十六烷酸标准储备溶液

四、实验步骤：

1．按操作指南开启仪器, 使Agilent 1100 HPLC色谱仪正常工作，色谱条件为：

柱温：25℃；流动相：甲醇：水=80：20；流动相流量：1.0ml/min；检测波长：210nm，进样量：50 l。

2．正十六烷酸标准系列溶液配制：将标准贮备液依次用纯水稀释，分别配制成浓度为0.4、0.8、2、4、8、20mg/L的标准系列溶液。

4．绘制工作曲线：待液相色谱仪基线平直后，分别注入正十六烷酸标准系列溶液，并记下峰面积和保留时间。

5．样品测定：分别注入样品溶液，根据保留时间确定样品中正十六烷酸色谱峰的位置，记下正十六烷酸色谱峰面积。

6．实验结束后，按要求关好仪器。

五、实验结果与讨论：

1．根据正十六烷酸标准溶液的色谱图，绘制正十六烷酸峰面积A（mVs）与其浓度(mg/L)的标准曲线。

2．根据样品中正十六烷酸色谱峰的峰面积，由标准曲线计算样品中正十六烷酸含量。

六、思考题

1．用标准曲线法定量的优缺点是什么？

2．为什么改变流动相配比可以改变分离状况？

附:

Agilent 1100高效液相色谱操作步骤：

一、开机

1、开机前准备：流动相使用前必须过0.45um的滤膜（有机相的流动相必须为色谱纯；水相必须用新鲜注射用水，不能使用超过3天的注射用水，以防止长菌或长藻类）；把流动相放入溶剂瓶中。A瓶：为水相B瓶：为有机相。

2、打开电脑，选Win 2000，进入Win 2000界面。

3、双击CAG Boodp server图标，放大CAG Boodp server小图标，出现窗口，5min 内打开液相各部件电源开关，等待1100广播信息后，表示通讯成功连接，关闭

CAG Boodp serve窗口。

4、双击online图标，仪器自检，进入工作站。

该页面主要由以下几部分组成：

——最上方为命令栏，依次为File，Run Control，Instrumen…等；

——命令栏下方为快捷操作图标，如多个样品连续进行分析、单个样品进样分析、调用文件保存文件……等；

——中部为工作站各部件的工作流程示意图；依次为进样器-输液泵-柱温箱-检测器-数据处理-报告；

——中下部为动态监测信号；

——右下部为色谱工作参数：进样体积、流速、分析停止时间、流动相比例、柱温、检测波长等。

5、从“View”菜单中选择“Method and control”画面。

二、编辑参数及方法

1、开始编辑完整方法：

从“Method”菜单中选择“New method”，出现DEF-LC.M，从“Method”菜单中选择“Edit entire method”，选择方法信息、仪器参数及收集参数、数据分析参数和运行时间表等各项，单击OK，进入下一画面。

2、方法信息：

在“Method Comments”中加入方法的信息，如方法的用途等。单击OK，进入下一画面。

3、泵参数设定：

进入“Setup pump”画面，在“Flow”处输入流量，如1ml/min；在“Solvent B”处输入有机相的比例如70.0，（A=100-B），也可在Insert 一行“Timetable”，编辑梯度；输入保留时间；在“Pressure Limits Max”处输入柱子的最大耐高压，以保护柱子。单击OK，进入下一画面。

4、DAD检测器参数设定：

进入“DAD signals”画面，输入样品波长及其带宽、参比波长及其带宽（参比波长带宽默认值为100nm）；选择Stoptime：as Pupm；

在“Spectrum”中输入采集光谱方式“store”：选All；如只进行正常检测，则可选None；范围Range：可选范围为190~950nm；步长Step可选2.0nm；

阀值：选择需要的灯；

Peak width（Response time）即响应值应尽可能接近要测的窄峰峰宽，可选“2s”或4s；

Slit-：狭窄缝，光谱分辨率高；宽时，噪音低。可选4nm

单击OK，进入下一画面。

5、进入“Signal Details”画面，单击OK，进入下一画面。

6、进入“Edit Integration Events”（编辑积分结果）画面，单击OK，进入下一画面。

7、进入“Specify report”（积分参数）画面，单击OK，进入下一画面。

8、进入“Instrument curves”画面，单击OK，进入下一画面。

9、进入“Run Time checklist”（运行时间表）画面，选择“Date Acquistition”和“Standard Date Analsis”，单击OK，完成参数设定，回到工作站画面。

10、单击“Method”菜单，选中“Save method as”，输入文件名，单击OK。（路径：e\HPCHEM\1\methods\***）

注：如果调用一个方法，则在“Method”菜单，选中“Load method”，选方法名，单击OK。

11、从菜单“View”中选择“Online signal”，选中Window 1 ，然后单击Change 钮，将所要绘图的信号移到右边的框中，点OK。（如同时检测二个信号，则重复11，选中Window 2）。

三、运行样品

1、单击泵（Pump）图标下面的小瓶图标，输入溶剂的实际体积和瓶体积，并且选停泵体积。单击OK。

2、手动打开Purge阀：逆时针转2~3圈。

3、单击泵（Pump）图标，出现参数设定菜单，单击Setup pump选项，进入泵编辑画面。设Flow：5ml/min，单击OK。

4、开泵：直接点Pump图标下面的泵开关小图标，或单击Pump图标，出现参数设定菜单，单击Pump contrlo选项，选中On，单击OK。

5、系统开始排液（Purge），直到管线内（由溶剂瓶到泵入口）无气泡为止，切换通道继续排液，直到所有通道无气泡为止。（每个管线内液体约20ml，在5ml/min的流速下，均需4~5min才能排完）

6、单击泵（Pump）图标，出现参数设定菜单，单击Setup pump选项，进入泵编辑画面。把Flow改为0.5~1.0ml/min，单击OK。

7、等待流速降下来后，关闭排液阀。

8、待压力稳定后，从“Instrument”菜单中选择“System on”或单击GUI图标的On图标启动系统。开始走基线，并可选择观察信号。

注：仪器运行过程，画面颜色由灰色转变成黄色或绿色，当各部件都达到所设参数时，画面均变为绿色，左上角红色的“not ready”变为绿色“ready”，表明可以进行分析。（此时如果要终止仪器的运行，可单击流程图右下角的“off”，再单击“Yes”，关闭输液泵和检测器氘灯）。

9、单击最大化按钮，将online Plot窗口放大。待基线平稳后，点信号窗口的“Banlance”，调至零点。

10、等仪器Ready ，从“Runcontrol”菜单中选择F5或“Run method”。

11、编辑样品信息：

从“Run control”菜单中选择“Sample into”选项，选择“Sample Info…..”，即打开了样品信息页面，输入操作者（Operator Name）、数据存贮通道（Subdirectory）、样品名（Sample Name）、进样瓶号（Vial）、浓缩因子（Multipline）、稀释因子（Dilution）、，“Data file”中选择“Prefix”，在Prefix框中输入批号或日期等，在Counter框中输入计算器的起始位，仪器会自动命名。（样品量（Sample Amount）、内标量（ISID Amount）可不选，Location只对自动进样器有用，不填则走空白，检查干扰峰的来源。）

单击OK。

12、进样分析：

进样阀扳到Load位置，插入注射器，注样品，进样后扳动阀至Inject位置。13、进样分析结束，点Close键退出样品分析。

（注意：检测完尽量要关DAD的灯，以保持灯的寿命。单击DAD图标，出现参数设定菜单，单击control ，选择关灯。）

四、数据分析方法编辑（可在offline下操作）

1、从“View”菜单中选“Date analysis”进入数据分析画面。该页面最上方为命令栏，依次为File ，Graphics，Integration……等。命令栏下为快捷操作图标，如积分、校正、色谱图、单一色谱图调用、多色谱图调用、调用方法、保存等。

2、从“File”菜单中选“Load signal”，或单击快捷操作的“单一色谱图调用”图标，选择色谱图文件名，单击“ＯＫ”，画面中即出现所调用的色谱图。

3、做图谱优化，从“Graphics”菜单中选择“Signal options”选项。从Ranges 中选择Auao scale及合适的显示时间，单击OK，或选择“Use Ranges”调整。反复进行，直到图的比例合适为止。

4、积分

（1）先调用所要分析的色谱图，从“Integration”中选择“Auto integrate”，从“Integration”中选择“Integration Results”，此时仪器将内置的积分参数给出积分结果。如积分结果不理想，再从“Integration”菜单中选择“Integration Events”选项，或单击快捷操作的“编辑/设定积分表”图标，此时，在屏幕下方左侧出现积分参数表，右侧为积分结果，在积分参数表中按实际的要求输入修改的参数，如斜率（Slope sensitivity）、峰宽（Peak width）、最小峰面积（Area reject）、最低峰高（Height reject）等。

（2）从“Integration”中选择“Integrate”选项或单击快捷操作的“对现有色谱图积分”图标，仪器即按照新设定的积分参数重新积分。

（3）若积分结果不理想，则修改相应的积分参数，直到满意为止。

（4）完成后，单击左边的“ˇ”图标，将积分参数存入方法。

5、打印报告：

（1）从“Report”菜单中选择“Specify report”选项，或单击最右侧快捷操作的“定义报告及打印格式”（右下角带叉的报告画面）图标，进入打印画面。（2）根据实际要求选择报告的格式和输出形式等。可在“Calculate”右则的黑三角中选“Percent”（面积百分比），其它项不变。（如“Destination”项下选择“Screen”；“Based On”选“Area”；“Sorted By”选“Signal”；“Repirt Style”选“Short”；选择“Add chromatogram Output（打印色谱图）”；选择“With Calibrated Peaks”；选择“Portrait”；可根据需要选择“Size”）。

（3）单击OK。

（4）选择快捷操作的“报告预览”图标，可预览报告的全貌。从“Report”菜单中，选择“Print Report”，则报告打印到屏幕上，如想输出到打字机上，则单击“Print”，即可进行报告的打印。最后，单击“close”退出此操作页面。

6、定量分析

如果需要进行标准曲线制备，可按此项进行操作。

（1）一级校正表的建立：

在“Data Analysis”界面下，调用最低浓度的色谱图，在“栏“Calibration”下，选择“Ｎew Calibration Table”，选择“Automatic Setup Level”，并设校正级数为“1”，单击“ＯＫ”。在画下方左侧出现校正表，右侧为校正图。在画面左下侧的校正表中选择所要的色谱峰，输入校正级数、化学物名称及浓度，如果采用内标法，需对内标峰进行标记。单击ＯＫ，工作站提示是否删除0浓度行，单击Yes 。

（2）二级校正表的建立：

调用第二个色谱图，在命令栏“Calibration”下，选择“Add Level”，设为“2”，单击“ＯＫ”，在画面左下侧的校正表中输入校正级数、化学物名称及样品浓度。（如需对校正表中的某些数据进行重新修正，可调用新的图谱，在命令栏“Calibration”下，选择“Recalibration”，并在校正表中输入校正级数，样品浓度。）此时，校正表右侧自动绘制各组分的标准曲线，并进行线性回归。单击校正表中的“Print”，可进行打印。

五、关机

1、关机前，用过缓冲盐溶液必须先用100%的水冲洗系统（打开排液阀，调流速为5ml/min，冲洗约5 min，然后调流速为1ml/min，待流速降下来后，关闭排液阀，再冲洗冲洗约20 min）；然后用甲醇同法清洗20min，然后关泵。

注意：此方法适用于反相色谱柱，而正相色谱柱应用适当的溶剂冲洗。

2、清洗进样器：

将进样器扳至Load的位置，用专用的注射器装约10ml适当溶剂冲洗进样器。当使用缓冲溶液时，要用水冲洗进样口，同时扳动进样阀数次，每次数毫升。

3、退出化学工作站，及其它窗口，关闭计算机（用shut down）。

4、关掉Agilent 1100电源开关。

实验三 原子吸收法测定水中的重金属离子—铜

一 目的和要求

1 巩固加深理解所学理论，掌握原子吸收光谱工作曲线法进行定量分析的方法。

2 学会金属材料样品的制备及处理技术

二 基本原理

铜是原子吸收分析经常和最容易测定的元素，在稍贫然空气——乙炔火焰中测定是干扰很少，测定时以铜标准系列溶液为横坐标；以对应吸光度为纵坐标，绘制工作曲线为一通过原点的直线，根据在相同条件下测的试样溶液的吸光度在工作曲线上即可求出试液铜的浓度；进而可计算出原样中的铜含量。

在原子吸收中，为了减小试液与标准之间的差异而引起的误差；或为了消除某些化学和电离干扰均可以采用标准加入法。例如，用原子吸收法测定镀镍溶液中微量铜时，由于溶液中盐的浓度很高，若用标准曲线法，由于试液与标液之间的差异，将使测定结果偏低，这是由于喷雾高浓盐时，雾化效率较低，因而吸收值降低。为了消除这种影响，可采用标准加入法。

分别吸取10mL 镀液于4个50mL 容量瓶中，于0、1、2、3号容量瓶中分别加入0、1、2、3 μl/mL 的Cu 2+用蒸馏水稀释至刻度。在相同条件下测量同一元素的吸光度，绘图，由图中查得试液中铜的含量。这种方法亦称“直接外推法”。 也可以用计算方法求得试液中待测元素的浓度。

设试样中待测元素的浓度为Cx ，测得其吸光度为Ax ，试样溶液中加入的标准溶液浓度Co ，在此溶液中待测元素的总浓度Cx+Co ；测得其吸光度为Ao ，根据比尔定律

Ax=KCx

Ao=K （Co+Cx ）

将上面两式相比

Co Ax Ao Ax Cx -=

标准加入法也可以用来检验分析结果的可靠性

三 仪器与试剂

1 仪器 ZENNIT700P 型原子吸收光谱仪、空压机、铜空心阴极灯、移液管

（50ml）、容量瓶（100ml）

2 试剂盐酸（优级纯）（1+1）、硝酸（优级纯）（1+1）、铜标液（1000ppm）、样品主元素溶液

四实验步骤

1 样品处理

准确称取0.5~1克样品加入10ml（1+1）HCl或者10ml(1+1)HNO

3

，加热溶解，定容100ml容量瓶中，同时处理空白。

2 标准系列配制

先配100μg/ml过渡液，在接取过渡液1 2 3 4ml于容量瓶中，加入相应量金属材料主元素与各容量瓶中，并加入与样品相应的酸定容至刻度

3 测定

①按仪器软件步骤开启仪器，灯烧15-30分钟开空压机，压力P =2.5㎏/cm2,开乙炔P=0.5㎏/cm2

②点火点火后喷去离子水烧5分钟至信号稳定。完后按顺序进空白1 2 3 4号标准系列作曲线待吸光度信号降下后进样品测试。如过线可稀释

4测定完毕后，喷去离子水5分钟再关闭乙炔，空压机及软件程序及主机

五数据处理

一侧的标准系列吸光的值为纵坐标，浓度为横坐标绘制工作曲线。根据试

液吸光度在工作曲线上求试液的铜含量C

x

，然后按下式求出金属材料中铜的百分含量

C U %=(C

x

×100×f)/(w×106)

其中f为稀释倍数（1000倍）

六问题讨论

1 工作曲线法定量分析有什么优点，在哪些情况下最宜采用该法。 2为什么要在标准系列中加入金属材料主元素及酸度匹配。