物证仪器分析技术

第六章物证仪器分析技术物证仪器分析方法包括：色谱法、原子光谱法、分子光谱法、X射线分析法、中子活化分析法、质谱法、核磁共振波谱法和仪器联用分析方法等。

第一节色谱法一、色谱法概述（一）色谱法的概念：色谱法是一种分离技术。

它是利用物质在固定相（固体或液体）与流动相（气体或液体）之间分配、吸附、渗透、交换等能力的不同，通过多次分配、吸附、渗透和交换，最终达到分离的一类分析方法。

（二）色谱法的分离原理：使混合物中各组分在两相间进行分配，其中一相是不动的，称为固定相；另一相是携带混合物流过此固定相的流体，称为流动相。

当流动相中所含混合物经过固定相时，就会与固定相发生作用。

由于各组分在性质和结构上的差异，与固定相发生作用的大小、强弱也有差异。

在外部同一推动力作用下，不同组分在固定相中的滞留时间有长有短，从而按先后不同的次序从固定相中流出。

（三）色谱法的分类：1．按流动相的物态分类：（1）气相色谱法（流动相为气体）；（2）液相色谱法（流动相为液体）。

2．按固定相的物态分类：（1）气固色谱法（固定相为固体吸附剂）；（2）气液色谱法（固定相为涂在固体担体上或毛细管壁上的液体）；（3）液固色谱法；（4）液液色谱法。

3．按固定相使用的形式分类：（1）柱色谱法（固定想装在色谱柱中）；（2）纸色谱法（滤纸为固定相）；（3）薄层色谱法（将吸附剂粉末制成薄层做固定相）。

4．按分离机制分类：（1）吸附色谱法（利用吸附剂表面对不同组分的物理吸附性能的差异进行分离）；（2）分配色谱法（利用不同组分在两相中有不同的分配系数来进行分离）；（3）离子交换色谱法（利用离子交换原理进行分离）；（4）排阻色谱法（利用多孔性物质对不同大小分子的排阻作用不同进行分离）。

二、薄层色谱法（一）薄层色谱法的概念薄层色谱法又称薄层层析法（TLC法），是一种在薄层板上进行的分离分析的方法。

薄层板是把硅胶、键合相硅胶、氧化铝、纤维素、聚酰胺、葡萄糖、离子交换树脂等固定相，分别涂布或喷涂在玻璃板、金属板、玻璃纤维板等载体上制作而成。

若在固定相中加入荧光化合物，则可制成荧光薄层板。

最常用的薄层板是硅胶薄层板及其荧光薄层板。

（二）薄层色谱法的具体操作方法：1、点样。

点样点称为原点。

2、展开。

当展开剂在毛细作用下渗过薄层板时，样品中的各组分也随着展开剂上升。

不同的组分与固定相的作用大小不同，使得在同样的时间内各组分上升的距离不同，从而将各组分分离开来。

3、比较检验。

样品展开后各组分得到不同程度的分离，形成一系列斑点。

可在自然光和紫外灯下观察比较未知样品与已知样品的斑点颜色、位置及荧光。

如在光照条件下无法看清斑点颜色，可在薄层板上喷一层显色剂。

4、计算比移值。

在薄层分析中，各组分在薄层板上移动的距离和展开剂上升距离的比值，称为该组分在相同的色谱条件下，与已知样品比较斑点的颜色、位置、荧光及比移值，可进行定性分析。

可进一步做质谱、红外光谱分析加以验证。

（四）薄层色谱法定量依据利用薄层扫描仪来测定斑点成分的含量。

薄层扫描仪由光源、单色器、检测器、扫描装置和计算机等组成。

其通过线性或锯齿扫描，能对薄层板进行反射和透射吸光度的测量及荧光测量，也可测定斑点的紫外——可见反射吸收光谱，得到色谱图。

通过测算峰高和峰面积，完成定量分析。

（五）薄层色谱法的优缺点优点：1、适用面广，能分离分析各种类型的化合物；2、可同时进行多种样品的比对分析；3、分析灵敏度较高；4、设备简单，操作方便。

缺点：1、定性分析的可靠性不够；2、与质谱、红外光谱直接联用的难度大，其接口装置处在研制阶段，尚未成熟；3、定量分析需借助薄层扫描仪，才能提高精密度，减小误差。

（六）薄层色谱法在物证技术学中的应用是一种常规检验方法。

1、用于毒物、毒品、爆炸残留物的现场分析和初步检验；2、能鉴别墨水、圆珠笔油、打字色带、印油印泥、油墨、有色纤维、高沸点矿物油和植物油的生产厂家及牌号，在一定条件下，亦可鉴别批号；3、应用薄层扫描仪，通过检测字迹原位吸收光谱峰的强度比和薄层色谱峰的相对强度，与已知的对照样品比较，能确定钢笔、圆珠笔等字迹的相对书写时间。

三、气相色谱法（一）气相色谱法的概念气相色谱法（GC法）是采用气体作为流动相的一种色谱法，其所用的仪器称为气相色谱仪。

（气固、气液）（二）气相色谱仪的结构气相色谱仪由载气系统（包括气源、气体净化、气体流量调节系统等）、进样系统（包括进样器、气化室等）、色谱柱（包括色谱柱和恒温控制装置等）、检测系统（包括检测器、温度控制系统等）、记录系统（包括放大器、记录仪、计算机等）组成。

1、高压钢瓶：内装有做为流动相的载气。

对载气的要求是不与被测物起化学反应，通常选用惰性气体或化学性质不活跃的气体如氢、氮、二氧化碳、氩、氖等作为载气。

2、进样器：是试样进入仪器的场所。

气体试样可直接进入，由载气携带进入色谱柱；如为液体试样，可由进样器中的气化室将其瞬间气化为气体。

一般用注射器或进样阀进样。

3、色谱柱：有两种类型，一种是内装固定相的，称为填充柱。

另一种色谱柱称为毛细管色谱柱。

（1）填充柱：通常是用金属（铜或不锈钢）或玻璃制成的内径2—6毫米、长0.5—10米的U形或螺旋形的管子，柱内填充固定相。

（2）毛细管柱：通常为不锈钢或玻璃制成的内径为0.1——0.5毫米、长50——300米的盘成螺旋状的毛细管柱。

4、恒温箱：柱温是一个重要的操作变数，直接影响分离效能和分析速度。

5、检测器：检测器是检知和测定试样组成及各组分含量的部件，它能将经色谱柱分离后的各组分按其特性及含量转换为相应的电讯号。

6、记录仪：检测器检测到的讯号，通过记录仪的记录，可得到气相色谱图。

（三）气相色谱法的定性依据气相色谱法定性的依据是保留值。

保留值是表示试样中各组分在色谱柱中的滞留时间的数值，通常用时间或用将组分带出色谱柱所需载气的体积来表示。

在一定的固定相和操作条件下，任何一种物质都有一确定的保留值。

但由于不同的化合物在相同的色谱条件下往往具有近似或甚至完全相同的保留值，因此，气相色谱的定性分析结果，不能单独作为定性证据，需要进一步进行与质谱、红外光谱等的联用分析，这样才能既充分发挥气相色谱的高效分离能力，又充分利用质谱、光谱的高鉴别能力。

（四）气相色谱法的定量依据在一定的操作条件下，分析组分i的重量Wi或其在载气中的浓度与检测器的响应讯号（色谱图中表现为峰面积Ai或峰高）成正比，可写作：Wi=fi·Ai上式中的fi是一个比例常数，称为定量校正因子。

从上式可以看出，气相色谱定量分析的关键是准确测量峰面积及准确求出定量校正因子。

目前常用的定量计算方法有归一化法、内标法、内标标准曲线法、外标法等，可以利用积分仪或计算机进行记录和计算。

（五）气相色谱法的优缺点优点：1．分离效率高，分析速度快，能在很短时间内分离分析含有几十种、甚至上百种组分的混合物；2．灵敏度高，检测限（指检测器恰能产生与噪声相鉴别的讯号时，在单位体积或时间内需进入检测器的物质量）可达10⁻⁹克/毫升——10⁻¹⁵克/毫升；3．定量分析的精密度好，误差小；4．操作比较简便；5．能与质谱、红外光谱直接联用。

缺点：定性分析结果不可靠；不能分析熔点较高、难挥发、热不稳定的化合物。

目前能用气相色谱分析的化合物，仅占现有化合物总数的20%左右。

为了克服上述局限，一方面可应用衍生化技术，通过化学反应，把含羟基、羧基等官能团的化合物转变成较易挥发的醚、酯等衍生物。

另一方面，可采用裂解色谱，利用热丝、居里点、管式炉、激光等裂解器，通过恒定温度下的瞬时加热，使高聚物和大分子化合物热分解，变成一系列挥发性小分子化合物，再用气相色谱进行分析。

（六）气相色谱法在物证技术学中的应用1、检测存在于人体组织、体液、毛发中的毒物、毒品及其它滥用药物；2、检验燃烧及爆炸的残留物；3、测定三个月内圆珠笔字迹的相对书写时间等；4、利用裂解色谱能鉴别涂料、纤维、粘合剂、塑料、橡胶、润滑油及植物油等的种类、产地、生产厂家和牌号，在一定条件下能区分批号。

四、高效液相色谱法（一）高效液相色谱法的概念液相色谱法是指流动相为液体的色谱技术。

高效液相色谱法（HPLC法）是在经典的液体柱色谱基础之上，引入气相色谱法理论，采用高压泵、高效固定相、高灵敏度检测器等技术，全部工作通过仪器来完成的一种色谱方法。

（二）高效液相色谱仪的结构高效液相色谱仪主要由高压输液系统、进样器、色谱柱、检测器、记录仪和计算机等组成。

1、高压泵高压泵是用来输送高效液相色谱的流动相（载液）的。

高效液相色谱的色谱柱很细（1毫米——6毫米），填充剂的粒度小，阻力很大。

为了达到快速、高效的分离，必须有很高的柱前压力，一般要求达到150千克/厘米²——200千克/厘米²。

2、梯度洗提装置所谓梯度洗提，就是载液中含有两种（或更多）的不同极性的溶剂，在分离过程中按一定的程序连续改变载液中溶剂的配比和极性，通过载液中极性的变化来改变被分离组分的分离因素，以提高分离效果。

应用梯度洗提，可使分离时间缩短，分辨能力增加，提高最小检测量和定量分析的精度。

3、色谱柱高效色谱柱一般用不锈钢制成，柱子的形状多采用直形柱。

常用的分析柱内径为1毫米——6毫米，柱长一般为50厘米，微型柱的内径多为0.05毫米——1毫米。

4、检测器高效液相色谱法经常使用的检测器是单波长和多波长紫外可见检测器，能检测在紫外及可见波段有吸收的化合物，检出限可达10⁻⁹克/毫升。

（三）高效液相色谱法的类型高效液相色谱法可分为以下几种类型：（4类）1、液——液色谱法（也称液——液分配色谱法）流动相与固定相之间应互不相溶，两者之间有一个明显的分界面。

试样溶于流动相后，在色谱柱内经过分界面进入固定相中，由于试样组分在固定相和流动相之间的相对溶解度存在差异，使溶质在两相间达到分配。

2、液——固色谱法（也称液——固吸附色谱法）它是根据物质吸附作用的不同来进行分离的。

吸附剂对其吸附性强的组分，其保留值就大。

3、离子交换色谱法离子交换色谱法是基于离子交换树脂上可电离的离子与流动相中具有相同电荷的溶质离子进行可逆交换，依据这些离子对交换剂具有不同的亲和力而将它们分离开来。

离子交换色谱法的固定相通常有两种类型：（1）薄膜型交换树脂：以薄壳玻珠为担体，在其表面涂上约1%的离子交换树脂而成。

（2）离子交换键合固定相：是用化学反应将离子交换基团结合在惰性但体表面。

4、空间排阻色谱法：（也称凝胶渗透色谱法或凝胶过滤色谱法）空间排阻色谱法以凝胶（凝胶是含有大量液体如水的柔软而富于弹性的物质，是一种经过交联而具有立体网状结构的多聚体）作为固定相，液体作为流动相。

凝胶内具有一定大小的孔穴，其孔径一般为几百至几千埃。

试样进入色谱柱后，随流动相在凝胶外部间隙以及凝胶孔穴旁流过，体积大的分子不能渗透到凝胶孔穴里去而受到排阻，较早地被冲洗出来。