现代环境监测技术
东华大学环境科学与工程学院
本课程主要内容
第一章 概述
第二章 原子吸收分光光度法
第三章 原子荧光光谱法
第四章 荧光及磷光光谱法
第五章 化学发光监测技术
第六章 色谱分析法理论基础
第七章 气相色谱分析法
第八章 高效液相色谱分析法
第
一
章
概
述
环境监测新技术开发
环境监测技术现状与对策
环境监测的 内容 与 类型
环境监测技术意义和作用
§ 1 环境监测技术意义和作用
1.1 环境监测技术意义
环境监测技术是环境污染控制的眼睛，是环境管理的
,耳目, 和, 哨兵,,是研究环境质量变化趋势的重要手段，
是环境保护的基础。
※ 环境监测为环境管理服务要求遵循一定的原则
1.2 环境监测技术的作用
及时准确、全面地反映环境质量和污染源现状及发展趋
势，为环境管理、规划和污染防治提供依据。
※ 当前环境监测的基本任务
当前环境监测的基本任务,
? 为实施强化环境管理的八项制度做好技术监督和技
术支持工作 。
?强化污染源监督监测工作 。
?切实加强全国环境监测网络建设, 完善环境监测技术
体系 。
?加速以报告制度为核心的信息管理与传递系统建设 。
?巩固检测队伍, 提高监测技术水平 。
?进一步完善监测技术质量保证体系 。
? 坚持科技领先，做好监测科研，全面提高监测工作
质量。
环境监测为环境管理服务应遵循的原则,
① 及时性,
解决及时性：一是建立一个高效能的监测网络, 理顺环
境监测的组织关系；二是建立完善的数据报告制度, 有一个
十分流畅的信息通道, 做到纵横有序, 传递自如；三是有一
个能满足管理要求的数据加工处理能力；四是有一个规范化
的监测成果表达形式 。
② 针对性,即着重抓好环境要素和污染源监视性监测 。
③ 准确性,一是数据准确, 二是结论准确 。
④ 科学性, 一是监测数据和资料的科学性, 二是综合分析数
据资料方法的科学性, 三是关于环境问题结论的科学性 。
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§ 2 环境监测的内容与类型
2.1监测内容,
以监测的介质（或环境要素）为对象,分为：空气
污染监测，水质污染监测，土壤、固弃物，生物，生态，
噪声震动，放射性，电磁辐射监测等。
※ 选择监测项目应遵循如下原则,
① 对污染物的自然性, 化学活性, 毒性, 扩散性, 持久
性, 生物可分解性和积累性等全面分析, 从中选出影响
面广, 持续时间长, 不易或不能被微生物所分解而且能
使动植物发生病变的物质作为日常例行的监测项目 。 对
某些有特殊目的或特殊情况的监测工作, 则要根据具体
情况和需要选择要监测的项目 。
② 需要监测的项目, 必须有可靠的检测手段 。
③ 监测结果所得数据, 要有可比较的标准或能做出正确
的解释和判断 。
2.2环境监测的类型
2.2.1监视性监测
常规或例行监测
⑴ 环境质量监测 （ 空气, 水, 噪声 ）
⑵ 污染源监督监测
2.2.2 特定目的性监测
又叫应急监测或特例监测
⑴ 污染事故监测； ⑵ 纠纷仲裁监测；
⑶ 考核验证监测； ⑷ 咨询服务监测
2.2.3 研究性监测
属于高层次, 高水平, 技术比较复杂的一种监测 。
包括,⑴ 标法研制监测； ⑵ 污染规律研究检测；
⑶ 背景调查监测； ⑷ 综评研究监测
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§ 3 环境监测技术现状与对策
3.1 建立监测方法体系，确立监测技术能力
首先是通过分析方法的研究, 筛选出能在全国推广
的较成熟和先进的方法；将选出的方法经多个实验室验
证, 形成统一的方法 。
分析方法的研究和筛选原则是,
⑴ 应有良好的准确性, 精密性； ⑵ 应有良好的灵
敏度； ⑶ 方法所用仪器, 试剂易得, 便于推广；
⑷ 要尽量采用国内外新技术, 新方法 。
3.2 加强监测仪器设备管理, 完善仪器设备配置
3.3 开展监测质量保证, 加强技术培训
建立环境监测质量保证体系；开展计量认证工作；
加强技术人员的培训与考核；不断提高科学监测水平；
完善监测网络, 实现监测信息网络化管理 。 Back
第二章 原子吸收分光光度法
? 2.1 基本原理
? 2.2 原子吸收分光光度计
? 2.3 测定条件的选择
? 2.4 定量分析方法
? 2.5 灵敏度及检出极限
? 2.6 原子吸收光谱法在环境监测中的应用
第三章 原子荧光光谱法
? 3.1 概述
? 3.2 原理
? 3.3 原子荧光光谱仪
? 3.4 定量分析方法及应用
第四章 荧光及磷光光谱法
? 4.1 原理
? 4.2 荧光光谱仪
? 4.3 荧光分析方法
? 4.4 荧光光谱法在环境监测中的 应用
? 4.5 磷光分析法
第五章 化学发光监测技术
? 5.1 原理
? 5.2 化学发光反应的 类型
? 5.3 化学发光监测 仪器
第六章 色谱分析法理论基础
6.1 色谱法理论基础
? 色谱法的基本原理、分类及流程
? 色谱图及色谱基本参数
? 色谱法基本理论
6.2 分离条件的选择
? 色谱柱
? 担体
? 固定液及配比
? 柱温
? 载气及流速
? 进样
第七章 气相色谱分析法
? 7.1 气相色谱仪
? 7.2 定性分析法
? 保留值定性
? 加已知物增峰法
? 7.3 定量分析法
? 峰面积的测量
? 定量校正因子
? 定量方法
第八章 高效液相色谱分析法
? 8.1 高效液相色谱仪
? 高压输液系统
? 进样系统
? 色谱柱
? 检测系统
? 附属系统
第二章 原子吸收分光光度法
2.1 原子吸收分光光度法基本原理
?原子吸收分光光度法是基于空心阴极灯发射出
的待测元素的特征谱线，通过试样蒸气，被蒸
气中待测元素的基态原子所吸收，由特征谱线
被吸收的程度，来测定试样中待测元素含量的
方法。 包括以下四点,
(1) 基态原子的产生
在进行原子吸收分析时，首先应使待测元素由化合物
状态变成基态原子，使其原子化。原子化方法有：化学法、
火焰法、电热法等。
(2) 共振线与吸收线
其核外电子排布处于最低能级、最稳定的原子称 基态
原子 。基态原子的最外层电子因受外界能量激发而跃迁到
较高能级上，便使原子处于 激发态,处于激发态的原子很
不稳定，在短时间内（约 10-3s），跃迁到较高能级的电子
又返回到低能级状态，同时释放一定的能量。
原子受外界能量激发，其最外层电子可能跃迁到不同
能级，因而可能有不同的激发态。
电子由基态到第一激发态跃迁吸收谱线称共振吸收线。
共振线是元素所有谱线中最灵敏的谱线，原子吸收分析就
是利用处于基态的待测原子蒸气，对从光源发射出的待测
元素的共振线的吸收而进行定量分析。
(3) 积分吸收与峰值吸收
原子蒸气所吸收的全部能量称 积分吸收 。在实际测量中，
因吸收谱线的宽度非常窄，需分辨率很高的分光仪，所以积
分吸收不能准确地测得。
通过测定峰值吸收系数来计算待测元素的方法称为 峰值
吸收法 。
实现测量中心吸收系数的条件是,a.入射光线的中心频
率与吸收谱线的中心频率严格相同； b.入射光线的半宽度远
小于吸收谱线的半宽度。因此，必须使用一个与待测元素相
同的元素制成的锐线光源。
实验证实：峰值吸收系数 K0在一定条件下，与单位体积
原子蒸气中吸收辐射的原子数成正比。
(4) 火焰中的基态原子浓度与定量分析依据
对于原子吸收值的测量, 在实际工作中, 是以一定光强
的单色光 I0通过原子蒸气, 然后测出被吸收后的光强 I,吸
收过程符合朗伯 — 比耳定律, 即,
式中,K为吸收系数, N为自由原子总数 （ 近似于基态原子数
N0）,L为吸收层厚度 。
吸光度
试样中待测元素的浓度与火焰中基态原子的浓度成正比 。
所以在一定的浓度范围内和一定的火焰宽度, 吸光度与试样
中待测元素浓度的关系可表示为,
该式就是原子吸光光谱法定量分析的依据。
LKNIIA 00 4 3 4 3.0lg ??
KNLeII ?? 0
CKA '?
2.2 原子吸收分光光度计
? 原子吸收分光光度计的组成,
由 光源, 原子化系统, 光学系统, 检测系统 及放大数据处
理系统五个主要组成部分。
其示意图如下,
放大器 数据处理
稳压电源
单色器
光源
分光系统
高压电源
检测器
检测系统
原子化系统
废液
燃气
助燃气
试液
（ 1）光源
辐射带测元素的共振线，作为原子吸收分析的入射光
为了能够测出峰值吸收，获得较高的准确度及灵敏度，所
使用的光源必须满足以下条件,
① 光源要能发射待测元素的共振线, 而且强度要足够大；
②发射的谱线的半宽度要窄（是锐线光），应小于吸收线
的半宽度，以保证测定的灵敏度和峰值吸收的测量；
③辐射光的强度要稳定，而且背景发射要小。
光源类型,
① 空心阴极灯； ② 无极放电灯； ③ 蒸气放电灯 。
应用最广泛的是空心阴极灯
（ 2） 原子化系统
作用,是将试样中的待测元素由化合物状态转变为基
态原子蒸气 。 入射光在这里被基态原子吸收, 因此, 它可
视为, 吸收池, 。
主要有两大类,火焰与非火焰原子化器 。
① 火焰原子化器,由雾化器, 预混合室和燃烧器组成 。
雾化器将试液雾化, 然后经预混合室的作用, 进一步
细化雾滴, 并使之与燃料气均匀混合后进入火焰, 利用火
焰的热能将试样气化并进而解离成基态原子 。
② 无火焰原子化器,是利用电热, 阴极溅射, 等离子体或
激光等方法使试样中待测元素形成基态原子 。 目前, 广泛
应用的非火焰原子化器是石墨炉 。 此法的优点是取样量少,
（ 固体只需几毫克, 液体仅用几微升 ） ；其绝对灵敏度比
火焰法高几个数量级, 可达 10-12g（ 相对灵敏度提高 2～ 3个
数量级 ） ；但其精密度仅达 2～ 5%,比火焰法差 。
石墨炉原子化器由电源, 炉体, 石墨管三部分组成 。
⑶ 分光系统
原子吸收光谱法应用的波长范围, 一般是紫外, 可见
光区 。 常用的单色器为光栅 。
单色器的作用,主要是将光源（如空心阴极灯）发射
的待测元素的共振线与其它发射线分开。
由于采用空心阴极灯作光源, 发射的谱线大多为共振
线, 故比一般光源发射的光谱简单 。
光谱通带, 即 仪器出射狭缝所能通过的谱线宽度,
式中,W— 光谱通带 （ ?)； D— 倒线色散率 （ ?/mm)； S— 狭
缝宽度 （ mm)。
在两相邻干扰线间距离小时, 光谱通带要小, 反之, 光
谱通带可增大 。
当单色器的色散率一定时, 应选择合适的狭缝宽度来
达到谱线既不干扰, 吸收又处于最大值的最佳工作条件 。
SDW ??
(4)检测系统
作用,将单色器分出的光信号进行光电转换 。
广泛使用光电倍增管作检测器 。 光电倍增管输出的光电
流, 与入射光强度和光电倍增管的增益 （ 即光电倍增管放大
倍数的对数 ） 成正比 。 而增益取决于打拿极的性质, 个数和
加在打拿极之间的电压 。 通过改变所加的电压, 可以在较广
的范围内改变输出电流 。 产生的电流可经负载电阻尺而变成
电压讯号 。
(5)放大及数据处理系统
? 放大器：一般采用同步检波放大器和相敏放大器来放大讯号 。
? 数据处理：讯号经放大器放大后，得到的只是透光度读数。
必须进行对数转换，然后由指示仪表表示。 而现在的仪器
几乎都是用自动记录测量数据，数据显示测量数据和计算机
处理数据，直读分析结果。
2.3 测定条件的选择
（ 1）分析线的选择
选用元素的共振线作为分析线，共振线往往也是元素
最灵敏的谱线，可使测定具有较好的灵敏度。但实际工作
中并非都选用共振线，例如分析高浓度试样时，为了保持
工作曲线的线性范围，选次灵敏线作为分析线是有利的。
显然，对于低含量组分的测定，应尽可能选择最灵敏的谱
线作分析线。
（ 2）光谱区带的选择
（ 3） 空心阴极灯工作电流的选择
（ 4） 燃烧器高度的选择
（ 5） 火焰高度的选择
（ 6）光电倍增管负高压的选择
2.4 定量分析方法
（ 1）标准曲线法
绘制 A-C工作曲线（见下图）
A x
A
C x C
a.标准曲线弯曲现象的解释；
b.控制试样校正；
c.应控制吸光度在 0.05-0.8之间；
d.标液浓度必须在吸光度与原子浓度或直线关
系所得范围内；
e.仪器操作条件（光源，喷雾，火焰，通带，
检测等）在整个分析过程中应保持恒定。
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（ 2）标准加入法
包括复加入法和 单加入法
a.复加入法
取若干（不少于 4份）体积相同的试样溶液，从第二份开
始依次递增地加入不同等分量的待测元素的标准溶液（如分
别加入 10μ g,20μ g,30μ g）。然后用蒸馏水稀释至相同
体积后摇匀。在相同的实验条件下依次测得各溶液的吸光度
为 AX,A1,A2, A3。以吸光度 A为纵坐标，以加入标准溶液
的浓度（或体积，绝对含量）为横坐标，作出 A-C曲线，外
延曲线与横坐标相交于一点，此点与原点的距离，即为所测
试样溶液中，待测元素的含量（ 工作曲线如下 ）,
(3)间接分析法
可用间接分析的方法测定某些非金属元素和有机化合物 。
CC x 2 4 6
b.单加入法
取两份同体积的试液, 于其中一份加入已知量的待测元
素, 其量最好与试样含量相近 。 稀释至一定体积后分别测吸
光度 。 按下式进行计算,
式中,C—— 试样中被测元素浓度； S—— 试样中加入标
准的浓度； Ai—— 试样吸光度； A—— 试样加标后的吸光度
推导得,
使用标准加入法应注意,
① 只适用于浓度与吸光度成直线关系的范围；
② 加入第一份标液浓度，应与试样的浓度接近；
③ 该法只能消除基体干扰，不能消除背景吸收等的影响。
AiAA SC
ii
???
i
ii AASAC ??
2.5 灵敏度及检出极限
（ 1） 灵敏度
a.百分灵敏度
把能产生 1%吸收 （ 或 0.0044吸光度 ） 时, 被测元素在
溶液中的浓度 （ μ g/mL）,称为百分灵敏度或相对灵敏度 。
用 μ g/mL.1%或 10-6/1%表示 。
百分灵敏度的测定, 是必须测出 1%吸收时的浓度,
式中,C— 被测溶液的浓度 ; A— 该溶液的吸光度。
b.绝对灵敏度
能产生 1%吸收 （ 或 0.0044吸光度 ） 时, 被测元素在水
溶液中的质量, 常用 ?g/1%或 10-12g/1%（ 1?g=10-12g） 。
灵敏度通常可以看作是试液浓度测定的下限 。 最适宜的试
液浓度, 应选在灵敏度的 15~100倍的范围内 。
A
CS 004.0? ug/(mL?1%)
（ 2） 检出极限 （ DL）
a.相对检出极限
在火焰原子吸收分析中, 把能产生二倍标准偏差时, 某
元素在水溶液中的浓度, 定为相对检出极限, 用 μ g/mL或
ppm表示 。
DL=C?2σ /A
式中,C— 待测元素在水溶液中的浓度； A— 该溶液的吸光度；
σ — 标准偏差 。
b.绝对检出极限
在石墨炉原子吸收光谱分析中, 把能产生二倍标准偏差
读数时, 待测元素的质量称绝对检出极限 。 常用 Pg或 g 表示 。
检出极限不仅与仪器的灵敏度有关, 而且与仪器的稳定
性有关 。 既有高灵敏度又有低噪音水平的仪器才能运用于微
量组分的测定 。
2.6 原子吸收光谱法在环境监测中的应用
? 金属污染物的测定：可测定的元素有 60-70种，目
前测定水和废水中的主要金属元素有,Ag,Cd,
Cr,Cu,Fe,Mn,Ni,Pb,Sb,Zn,Be,Hg,K,
Na,Ca,Mg 等。
(1)Cu,Pb,Zn,Cd的测定（ GB7475-87）；
(2)Ca,Mg的测定 ；
(3)水质、硫酸盐的测定（ GB13196-91）；
(4)大气尘粒中金属元素的测定；
(5)大气降水中 Na,K的测定, 原子吸收分光光度法,
GB13580.12-92；
(6)GB13580.13-93大气降水中 Ca,Mg的测定, 原子吸收分
光光度法；
(7)GB/T15263-94环境空气中铅的测定, 火焰原子吸收分
光光度法 。
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第三章 原子荧光光谱法
3.1 概述
原子荧光光谱从机理来看应属于 发射光谱 分析，但所
用仪器及操作技术与原子吸收光谱法相近。
主要优点, ①灵敏度较高； ②谱线较简单；
③可同时进行多元素测定； ④线形范围宽。
3.2 原理
当气态基态原子被具有特征波长的共振线光束照射后，
此原子的外层电子吸收辐射能，从基态或低能态跃迁到高
能态，大约在 10-8S内又跃回基态或低能态，同时发射出与
照射光相同或不同波长的光。这种现象称为原子荧光。各
种元素都有特定的原子荧光光谱，故可用于定性分析；而
根据原子荧光的强度，进行定量分析，但目前这种方法主
要用于痕量元素的定量分析。（本节还要掌握 跃迁类型,
荧光强度, 量子效率和荧光猝灭 ）
3.2.1 跃迁类型
原子荧光有两大类型：共振荧光和非共振荧光。
荧光线的波长与激发光的波长相同时称为共振荧光。
不同时称为 非共振荧光 。在非共振荧光中，荧光线波长
大于激发光波长的称为斯托克斯荧光，小于激发光波长
的称为反斯托克斯托克斯荧光。目前，原子荧光的种类
已达到 14种之多。但在分析应用中的主要有 共振荧光,
直跃线荧光, 阶跃线荧光, 阶跃激发荧光 及 敏化荧光 等
（ 如下图所示 ）,
E 0
E 0E 0
E 0
E 0
E 1
E 1
E 1
E 2
E 2 E 2
A
A
A
A
F F
F
F
(a) 共振
(b) 直跃
(c) 阶跃
(d) 带有热能转换的直跃
(1)共振荧光
是气态基态原子吸收共振线后发射出与吸收共振线相同
波长的光。由于共振跃迁几率比其它跃迁几率大得多，因此
共振荧光的强度最大。
(2)直跃线荧光
直跃线荧光是非共振荧光，特点是吸收和发射过程中的
高能级相同。即原子从基态激发至高能态，但不从高能态跃
回到至基态，而是跃迁至能量高于基态的亚稳态。
(3)阶跃线荧光
受光照射激发后的原子，在发射荧光前，由于碰撞而损
失部分能量后，再跃至基态，并发射出荧光。很明显，产生
这种荧光的高能级不同，低能级相同。
(4)阶跃激发荧光 被光照射激发后的原子，通过热激发至更高
的能级，然后跃至低能级，并发射出荧光，这种荧光称阶跃
激发荧光。
(5)敏化荧光
敏化荧光产生的机理是首先激发某种原子（ A），使成
为激发态原子（ A*），当激发态原子（ A*）与另一种原子
（ B）相碰撞时，将能量转移给 B原子（待测元素），使 B原
子激发而产生激发态原子（ B*），然后（ B*）原子在活化而
发射出原子荧光。如下所示,
(6)非共振荧光
特别是直跃线荧光在分析上很有用处。因为非共振荧光
的波长与激发态不同，容易消除其影响。测量那些低能
级不是基态的非共振荧光线，还可以克服自吸的影响。
A* A+ h
A*+B A+ B*
B* B+ h
3.2.2 荧光强度
假设激发光源是稳定的, 则照射到原子蒸汽上的某频率
入射光强度可近似看成一常量 I0,则原子吸收的辐射强度可
用下式表示,
式中,Ia为被吸收的辐射强度,I0为单位面积上接受的光源
强度,A为受光源照射在检测系统中观察到的有效面积,l
为吸收光程长,N为单位长度内的基态原子数,ε 为峰值吸
收系数。
在实际工作中, 原子荧光强度与待测原子浓度成正比 。
]1[ /0 Na eAII ????
3.2.3 量子效率（ Ф）
量子效率表示原子受激发跃迁过程的可能程度 。 对于荧
光的发射来说, 其量子效率 Ф 表示荧光光子数与吸收激发光
的光子数之比 。 荧光量子效率一般小于 1。
3.2.4 荧光猝灭
在原子荧光发射过程中，一部分能量变成热运动或其它
形式的能量而损失。这是由于受激原子与其它粒子碰撞所引
起的能量损失，称为荧光猝灭，可表示为,
式中,A*为受激原子,B为其它粒子，△ H为热能。
实验表明：不同气体引起的荧光猝灭效应不同，惰性气
体氩、氦的猝灭截面比 N2,O2,CO2等气体小的多。因此，实
际工作中要注意原子蒸汽中能引起荧光猝灭的气体的种类及
其浓度，通常用氩气来稀释火焰，可减少猝灭现象。
A* + B A + B + △ H
3.3 仪器
? 原子荧光光度计
分类,非色散型和色散型两类 （结构示意图如下）
原子荧光光度计与原子吸收光度计的相同点,
组件上如原子化器（火焰和石墨炉），都是用切光 器
及交流放大器来消除原子化器中直流发射讯号的干扰；
检测器也均为光电倍增管等。
两种仪器的区别,
在原子荧光光度计中，需要采用高强度光源 ；在光
路中，为了检测荧光讯号，避免待测元素本身发射的谱线，
故要求光源、原子化器和检测器处于直角状态，而在原子
吸收光度计中，则要求三者处于一条直线上；非色散原子
荧光光度计采用日盲光电倍增管，它的光阴极是有 Cs-Te
材料做成的，对 1600-2800A波长的辐射有很高的灵敏度，
对大于 3200A波长则不灵敏。
单色器 检测器
火焰
加光器
非色散型原子荧光仪示意图
3.4 定量分析方法及应用
3.4.1 分析方法
F∝C, 采用标准曲线法进行定量分析 。
3.4.2 应用实例
已应用于石油产品, 燃料, 化工, 地球化学, 水质,
生物, 同位素分析中 。 应用示例
原子荧光光谱法分析实例
试 样 测 量 元 素 含量 相对标准偏差 /%
湖水 Ca Mg Co Cu Fe
Mn Ni Zn
纯水 Ca Mg Ag Ni Mn 0.01- 1.58-4.82
0.001μg/mL
粗柴油 Ni 0.04μg/mL 5-7
肥料 Cu Fe Zn Mn Ca Mg 5.46-122.5ppm 1.0-2.0
面粉 Hg 0.6ng
血清 Cu Zn 0.03-0.06μg/mL <5
尿 Pb 5μg/mL
低合金铜 Si 0.7μg/mL
电解铜 Zn 0.0003%
镍基合金 As Bi Pb Se Te 1 ppm Back
第四章 荧光及磷光光谱法
4.1 原理
4.1.1 荧光和磷光的产生
4.1.2 激发光谱、荧光和磷光光谱
4.1.3 荧光的 影响因素
4.1.4 荧光强度
4.1.1 荧光和磷光的产生
& 分子荧光 是指分子在辐射能 （ 紫外, 可见光, 红外光
等 ） 的照射下, 电子跃迁至单重激发态, 并以无辐射驰豫方
式回到第一单重激发态的最低振动能级, 由此再跃回基态或
基态中的其它振动能级时所发出的光 。
& 分子磷光 是指处于第一最低单重激发态的分子以无辐
射驰豫方式进入第一最低三重激发态, 再由三重激发态跃迁
回至基态而发出的光 。
& 单重态 (S)与三重态 (T)的区别在于：电子自旋方向不
同, 且后者的能级稍低一些 （ 见示意图 ） 。 单重激发态电子
的自旋方向仍然和处于基态轨道的电子配对, 且单重态分子
具有抗磁性 ；三重激发态中, 两个电子平行自旋 。
基态单重态 激发单重态 激发三重态
单重态及三重态激发示意图
& 处于激发态的电子，通常以辐射跃迁方式或无辐射跃
迁方式再回到基态。辐射跃迁主要涉及到荧光、延迟荧光或
磷光的发射；无辐射跃迁则是指热的形式辐射其多余的能量，
包括振动驰豫（ VR），内部转移（ IR），系间窜跃（ IX）及
外部转移（ EX）等。各种跃迁方式发生的可能性及程度，与
荧光物质本身的结构及激发时的物理和化学环境等因素有关。
激发能量的传递途径 如图所示 。
传递途径
荧光 返迟荧光 磷光 振动弛豫 内转移
外转移 系间穿跃
辐射跃迁 无辐射跃迁
激发态能量传递途径
& 结合荧光和磷光的产生过程, 进一步说明各种能量传递
方式 （ 荧光发射, 磷光发射, 振动驰豫, 内部转移, 系间
窜跃, 外部转移 ） 在其中所起的作用 。
设处于基态单重态的电子吸收波长为 的辐射之后，
分别激发至第二单重态 S2和第一单重态 S1,如图所示 。
S 2
S 0
S 1
内转移
外转移
系间窜跃
吸光 ? ? 吸光 ? ? 荧光 ?
?
磷光
振动弛豫 系间窜跃 外转移
内转移
T 1
荧光、磷光能级图
① 振动驰豫
指在同一电子能级中，电子由高振动能级转至低振动能
级，而将多余的能量一热的形式发出。发生振动驰豫的时间
为 10-12s。
②内转移
当两个电子能级非常靠近以致其振动能级有重叠时，常
发生电子由高能级以无辐射跃迁方式转移至低能级。
③荧光发射
处于第一激发单重态中的电子跃迁回至基态各振动能级
时，将得到最大波长为 λ 3的荧光。荧光的产生在 10-6～ 10-9s
内完成。注意基态中也有振动驰豫跃迁。
④ 系间窜跃
指不同多重态间的无辐射跃迁。这是产生延迟荧光的机
理。例如 S1→T 1就是一种系间窜跃。通常，发生系间窜越时，
电子由 S1的较低震动能级转移至 T1的较高振动能级处。有时
也可能发生 T1→S 1，然后由 S1发生荧光。这是产生延迟荧光
的机理。
⑤磷光发射
电子由第一激发单重态的最低振动能级，有可能以系间
窜跃方式转到第一激发三重态，再经过振动驰豫，转至其最
低振动能级，由此激发态跃回至基态时，便发射磷光。这个
跃迁过程（ T1→S 0）是自旋禁阻的，其发光速率较慢，约为
10-4～ 100s。因此，这种跃迁所发射的光，在光照停止后，
仍可持续一段时间
⑥外转移
指激发分子与溶剂分子或其它溶质分子的相互作用及能
量转移，使荧光或磷光强度减弱甚至消失。这一现象称为
,熄灭, 或, 猝灭, 。
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4.1.2 激发光谱、荧光和磷光光谱
荧光和磷光均为光致发光，因此必须选择合适的激发
光波长。这可根据它们的激发光谱曲线来确定。绘制激发
光谱时，固定测量波长为荧光（或磷光）最大发射波长，
然后改变激发光波长，根据所测得的荧光强度与激发光波
长的关系，即得到激发光谱曲线。
在激发光谱的最大波长处，处于激发态的分子数目是
最多的，这可说明所吸收的光能量也是最多的，自然能产
生最强的荧光。如果固定激发光波长为其最大激发波长处，
然后测定不同波长时所发射的荧光或磷光强度，即可得到
荧光或磷光光谱曲线（参见 萘的激发光谱、荧光和磷光发
射光谱曲线图 ）。
在荧光和磷光的产生过程中，因存在多种形式的无辐
射跃迁而损失了部分能量，故它们的最大发射波长都向长
波长方向转移；尤其磷光波长的移动较多，而且它的强度
也相对较弱 。
200 300 400 500
相
对
强
度
?? nm
A F
萘的激发光谱、荧光和磷光光谱
4.1.3 荧光的影响因素
荧光的影响因素包括,量子产率、荧光与有机化合物结
构的关系、金属鳌合物的荧光,溶剂的影响、荧光的淬灭 。
& 量子产率
量子产率（ Φ）通常用下式表示,
也叫荧光效率。
荧光的量子产率，与荧光产生时涉及的辐射和无辐射跃
迁过程的速率常数有关。若用数学表达式表达这些关系，既
式中,Kf为荧光发射过程的速率常数, 主要取决于化学
结构 ； 为其它过程的速率常数的总和, 主要取决于化学环境，
同时也与化学结构有关。
激发分子总数
发射荧光的分子数??
??? if f kk k?
& 荧光与有机化合物结构的关系
①跃迁类型
因跃迁具有较大的摩尔吸收系数且寿命较短，故此过
程常能发生较强的荧光；另外各种跃迁过程的竞争也有利
于荧光的发射。
②共轭效应
容易实现 Л → Л * 激发 的芳香族化合物易发生荧光。
增加分子体系的共轭度，也就是增大荧光物质的摩尔吸收
系数，可使荧光增强,
③刚性结构和共平面效应
荧光物质的刚性和共平面性增加，可使分子与溶剂或
其它溶质分子的相互作用减小，从而有利于荧光的发射。
④取代基效应
芳香族化合物具有不同取代基时，其荧光强度和荧光
光谱都有很大的不同。一般，给电子基团如,-OH,-NH2、
-OCH3,-NR2等增强荧光；而吸电子基团如 -NO2,-COOH等
减弱荧光。
& 金属鳌合物的荧光
除过渡元素的顺磁性原子会发生线状荧光光谱外, 大多
数无机盐金属离子是不能产生荧光的 。 但有些情况下, 金属
鳌合物却能产生很强的荧光, 并可用于痕量金属离子的测定 。
① 鳌合物中配对体的发光
不少有机化合物具有共轭双键, 但因不是刚性结构, 分
子处于同一平面, 因而不发生荧光 。 若这些化合物和金属离
子形成鳌合物, 随着分子的刚性增强, 平面结构增大, 常会
发生荧光 。 一般说来, 能产生这类荧光的金属离子具有硬酸
型结构, 如 Be,Mg,Al,ZR,Th等 。
② 鳌合物中金属离子的特征荧光
通常是鳌合物先通过配位体电子跃迁而被激发, 接着配
位体把能量转移给金属离子, 导致金属离子发射特征荧光 。
& 溶剂的影响
增大溶剂的极性, 将使 n→ Л * 跃迁的能量增大, Л → Л *
跃迁的能量降低, 从而导致荧光增强 。
& 荧光的淬灭
荧光分子与溶剂分子或其它溶质分子的相互作用引起
荧光强度降低的现象称为荧光淬灭 。 这些引起荧光强度降低
的物质称为淬灭剂 。
引起荧光淬灭的原因包括,
① 碰撞淬灭 （ 主要原因 ）,指单重激发态的荧光分子与淬灭剂
发生碰撞后, 使激发态分子以无辐射跃迁方式回到基态, 因
而产生淬灭作用 。
② 能量转移,产生于淬灭剂与处于激发单重态的荧光分子作用
后, 发生能量转移, 使淬灭剂得到激发 。
③ 氧的淬灭作用：顺磁性的氧分子与处于单重激发态的荧光物
质分子相互作用, 促进形成顺磁性的三重态荧光分子, 即加
速系间窜跃所致 。
④ 自熄灭和自吸收：当荧光物质浓度较大时, 常会发生自熄灭
现象, 使荧光强度降低 。
4.1.4 荧光强度
发射的荧光光强 IF应正比于该系统吸收的激发光的
光强, 即,
式中,I0是入射光强度, I是通过厚度为 b的介质后的
光强 。 常数 K′ 取决于荧光效率 。
根据比耳定律,
当 I0一定时, 经过一定转换, 可写为,
在低浓度时, 荧光强度与物质的浓度呈线性关系 。
当高浓度时, 由于自熄灭和自吸收等原因, 使荧光
强度与分子浓度不呈线性关系, 而发生直线弯曲现象 。
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)( 0' IIKI F ??
bcII ??? 10
0
KCI F ?
4.2 荧光光谱仪（荧光光度计）
? 荧光分析使用的仪器可分为, 目视、光电、分光三
种类型。
? 荧光光度计的组成,通常均由 光源, 单色器 （滤光片
或光栅）、液槽及 检测器 组成 。
? 重点掌握荧光光度计的 工作原理 和 仪器结构图
光源
第一单色器
样品池 第二单色器 检测器
放大器和
记录器
I 0
F
I
荧光光谱仪示意图
? 荧光光度计的工作原理,
由光源发出的光, 经第一单色器 （ 激发光单色器 ） 后,
得到所需要的激发光波长 。 通过样品池后, 由于一部分
光线被荧光物质所吸收, 故其透射强度减为 I。 荧光物质
被激发后, 将向四面八方发射荧光, 但为了消除入射光
及散射光的影响, 荧光的测量应在与激发光成直角的方
向上进行 。 仪器中的第二单色器称为荧光单色器 。 它的
作用是消除溶液中可能共存的其它光线的干扰, 以获得
所需要的荧光 。 荧光作用于检测器上, 得到相应的电讯
号, 经放大后, 再用适当的记录器纪录 。
4.2.1 光源
应具有强度大、适用波长范围宽两个特点。常用光源
有高压汞灯和氙弧灯。前者的平均寿命约为 1500～ 3000h，
荧光分析中常用的是 365,405,436nm三条谱线；后者是
连续光源，发射光束强度大，可用于 200～ 700nm波长范围。
在 300～ 400nm波段内，光谱强度几乎相等。
4.2.2 滤光片和分光器
用滤光片为单色器时，以干涉滤光片的性能最好。它
具有半宽度窄，透射率高，经得起强光源的长期照射等优
点。
较精密的荧光光度计均用分光器作单色器 。 目前, 分
光器多采用光栅 。
4.2.3 检测器
简易的荧光剂可采用目视或硒光电池检测。但一般较精
密的荧光光度计均采用光电倍增管或光电子计数器检测。
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4.3 荧光分析方法
4.3.1 分析方法
多采用标准曲线法, 即以已知量的标准物质经过和试
样同样的处理后, 配成一系列的标准溶液, 测定这些溶液
的荧光强度后, 用荧光强度对标准溶液浓度绘制标准曲线,
然后根据试样溶液的荧光强度, 在标准曲线上求出试样中
荧光物质的含量 。
4.3.2 荧光分析法的灵敏度
荧光法的灵敏度比分光光度法高 2～ 4个数量级。这是
由于在分光光度法中，被检测的讯号为 A=lgI0/I，即当试
样浓度很低时，检测器所检测的是两个较大的讯号（ I0及
I）的微小差别，这是难以达到准确测量的。然而在荧光
光度法中，被检测的是叠加在很小背景值上的荧光强度，
从理论上讲，它是容易进行高灵敏、高准确测量的。在荧
光光度法中，一般情况下，多采用相对灵敏度来表示。
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4.4 荧光光谱法在环境监测中的应用
※ 大气 SO2中的测定
※ 空气中苯并 （ α ） 芘的测定
※ 水环境中苯并 (α )芘 [BaP]的测定
※ 水质中硒的测定 — 2,3二氨基萘荧光
※ 大气 SO2中的测定
紫外荧光法测定大气中的 SO2,具有选择性好, 不消耗化
学试剂, 适用于连续自动监测等特点, 用波长 190～ 230nm紫
外光照射大气样品, 则 SO2吸收紫外光被激发至激发态, 发射
荧光强度和 SO2浓度成正比, 用光电倍增管及电子测量系统测
量荧光强度, 即可得大气中 SO2的浓度 （ SO2检测仪示意图 ） 。
※ 空气中苯并 （ α ） 芘的测定
? 乙酰化滤纸层析 — 荧光分光光度法
? 醋酸纤维素薄层层析 — 荧光分光光度法
1
2
5
10
4
3
6
8
9
7
11
1,光源 2,透 镜 3,反 应室 4,透 镜 5,激 发光滤光片 6,发 射光滤光片
7,光电倍增管 8,放 大器 9,指 示表 1 0,抽气泵 1 1,气样
SO2荧光监测仪示意图
※ 水环境中苯并 (α )芘 [BaP]的测定
苯并 (α )芘是一种有代表性的强致癌物质，被列为
环境污染致癌物质监测工作中的常规项目之一。
水中的 苯并 (α )芘主要 采用 层析 — 荧光分光光度法
（ GB11895-89） 测定，将水中多环芳烃及环己烷可溶物
经环己烷萃取（水样必须充分摇匀），萃取液用无水硫
酸钠脱水、浓缩，然后经乙酰化滤纸分离。分离后的
B(a)P用荧光分光光度计测定。
※ 水质中硒的测定 — 2,3二氨基萘荧光
（ GB11902-89）
4.5 磷光分析法
4.5.1 原理
4.5.2 磷光分析仪器
4.5.3 分析方法
4.5.4 在环境监测中的应用
4.5.1 原理
? 磷光发射
电子由基态单重态激发至第一激发三重态的几率很小,
但由第一激发单重态的最低震动能级，有可能以系间蹿跃
方式转至第一激发三重态，再经振动弛豫，转至其最低振
动能级，由此激发态跃回到基态时，便发射磷光。
? 增强磷光的措施
由于磷光的产生很容易受其它辐射或无辐射跃迁的
干扰而使磷光强度减弱，甚至完全消失。因此，为了获取
较强的磷光，可采用下列一些措施,
①增加试样的刚性 ；②固体磷光法 ；
③分子缔合物的形成；④重原子效应；
⑤敏化磷光
此外，与间接荧光法一样，也可以利用磷光猝灭的效
应，用间接磷光法测定某些物质。
4.5.2 磷光分析仪器
磷光仪与荧光仪相似，主要有光源、激发光单色器、
液槽、发射光单色器、检测器等组成。
磷光计与荧光计的主要区别,
? 液槽,为了能在低温下测定磷光，盛试样溶液的石英液槽
需放置在盛液氮的石英杜瓦瓶内。
? 斩波片,
因发生磷光的物质常伴有荧光产生，为了区别磷光和
荧光，在其激发光单色器和液槽之间以及液槽和发射光单
色器之间各装一个可调节为同相或异相的斩波片，并由一
个同步电动机带动。同相时，磷光和荧光一起进入发射光
单色器，测到的是磷光和荧光的总光强。当调节为异相时，
激发光被遮断。此时测到的仅为寿命较长的磷光。利用斩
波片，不仅可分别测出荧光和磷光，而且可通过调节两个
斩波光的转速，测出不同寿命的磷光。这种具有时间分辨
功能的装置，是磷光光度计的一个特点。
4.5.3 分析方法
一般多采用标准曲线法, 即用已知量的
标准物质, 经过和试样同样的处理后, 配成
一系列的标准溶液 。 测定这些物质的磷光强
度后, 以磷光强度对标准溶液浓度绘制标准
曲线, 然后根据试样溶液的磷光强度, 在标
准曲线上求出试样中的待测物质的含量 。
4.5.4 在环境监测中的应用
? 稠环芳烃和石油产物的分析
固体表面室温磷光分析法已作为稠环芳烃和杂环化合
物的快速灵敏分析手段 。
? 农药, 生物碱和植物生长激素的分析
低温磷光法已用于分析 DDT等 52种农药, 烟碱, 降烟
碱和新烟碱等三种生物健以及 2,4-D 和萘乙酸等 17种植物
生长激素 。 方法的检测限约为 0.01μg/mL。
? 药物分析和临床分析
磷光分析已广泛地用于生物体液中痕量药物的分析 。
此外, 磷光分析技术已应用于细胞生物学和生物化学
的研究领域 。
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第五章 化学发光监测技术
5.1 化学发光的原理
化学发光 （ chemiluminescence） 不是由光, 热
或电能而是由化学反应激发物质所产生的光辐射 。
基于化学反应所提供的足够的能量, 使其中一种反
应产物的分子的电子被激发, 形成激发态分子, 当
它们以激发态跃回基态时, 就发出一定波长的光,
这一过程可用反应式表示如下,
A + B C* + D C* C+ hυ
5.1.1 产生化学发光反应
应具备一定的 条件
※ 产生化学发光反应，应具备下述条件,
? 化学反应必须能释放出足够的能量，以引起电子技法
通常，只有那些反应速度相当快的放热反应，其 -
Δ H介于 170~300 KJ/mol之间，才能在可见光范围内观察
到化学发光现象。许多氧化还原反应所提供的能量与此相
当，因此大多数化学发光反应为氧化还原反应。
? 要有 有利的化学反应历程，以使产生的能量用于不断地产
生激发态分子；
? 激发态 分子跃回基态时，要释放出光子，而不是以热的形
式消耗能量。
5.1.2 化学发光效率 ΦCL
式中,Φr 指生成激发态产物分子的化学效率,
Φf 指 发态分子的发光效率
其中,
frCL ??? ?? 参加反应的分子数
发射光子数
参加反应分子数
激发态分子数?
r? 激发态分子数 产生光子数?f?
5.1.3 化学发光反应的发光强度
以单位时间内发射的光子效率表示，等于单位时间内起
了反应的被测定的反应物 A的浓度的变化（以微分表示）与
化学发光效率 Φ CL的乘积，即,
通常，在发光分析中，与发光试剂相比，被分析物的浓
度要小很多，故发光剂浓度可认为是一常数，因此发光反应
可视为拟一级反应。
在发光分析过程中，还要考虑如溶液混合后的传递过程，
发光反应本身的动力学因素时间等 的影响。
t
ACLCL ddCtI ?? ?)(
5.2 化学发光反应的类型
5.2.1 气相化学发光
? 臭氧的化学发光反应
? 氮氧化物的化学发光反应
? 氧原子化学发光反应
? 火焰化学发光
5.2.2 液相化学发光
? 鲁米诺化学发光体系
? 吖啶及其衍生物的化学发光反应
※ 气相化学发光
主要有 O3,NO和 S的化学发光反应，可用于监测空气中的
O3,NO,NO2,H2S,SO2和 CO等。
? 臭氧的化学发光反应
臭氧可与 40余种有机化合物产生化学发光反应，其中以
与罗丹明 B的反应最为灵敏，可用于测定大气中的微量臭氧。
臭氧与罗丹明 B-没食子酸的乙醇溶液产生化学发光反应的
过程可表示如下 （ A*是没食子酸与 O3 反应所产生的受激中
间体, B是最终的氧化产物 ）
没食子酸 + O3 A* +O2
罗丹明 B + A* 罗丹明 B* + B
罗丹明 B* 罗丹明 B + hυ
? 氮氧化物的化学发光反应
一氧化氮与 O3气相化学发光反应有较大的化学发光效率,
其反应机理如下,
NO + O3 NO2* + O2 NO2 + hυ
灵敏度可达 1ppb,测定范围 0.01~10000ppm。
测定空气中的 NO2时，可先将 NO2还愿为 NO，测得 NO的总
量后，从总量中减去原试样中的 NO的含量，即为 NO2的含量。
? 氧原子化学发光反应
气相中的 SO2,NO,NO2,及 CO等能与氧原子产生化学发
光反应, 如,
① SO2 + O + O SO2* + O2 SO2 + hυ
最大波长为 200nm,测定灵敏度为 1ppb。
③ CO + O CO2* CO2 + hυ
发射光谱范围为 300~500nm,测定灵敏度为 1ppb。 发光反
应中所需要的氧原子源, 一般是由 O3在 1000℃ 的石英管仲分
解为 O和 O2而获得的 。
? 火焰化学发光
① 一氧化氮
NO在富氢火焰中燃烧时产生很强的火焰化学发光反应，
其机理为,
H + NO H NO* H NO* H NO + hυ
光谱的波长范围为,660~770nm,最大发射波长为 690nm。
NO2在富氢火焰中能迅速还原为 NO,即,H + NO2
NO + OH
② 挥发性硫化物
当挥发性硫化物如 SO2,H2S, CH3SH及 CH3SCH3等在富
氢火焰中燃烧时，产生很强的蓝色化学发光。
例如 SO2,其化学发光反应机理如下,
SO2 + 2H2 S +2H2O S +S S*2
S*2 S2 + hυ
※ 液相化学发光
液相化学发光反应在 痕量分析 中十分重要 。 常用于
化学发光分析的发光物质有鲁米诺, 光泽精, 洛粉碱,
没食子酸, 过氧苯酸盐, 硅氧烯和芳香族游离基离子等 。
? 鲁米诺化学发光体系
? 吖 啶及其衍生物的化学发光反应
5.3 化学发光监测仪器
? 仪器组成, 一般由进样系统、光电转换系统、信号放大系
统、信号处理系统和数据显示处理系统五部分组成。
? 仪器结构示意图
? 化学发光 NOX监测仪
以 O3为 反应剂的 NOX监测仪可以测定大气中 NO,NO2及其
总浓度。我国生产的这种仪器有 GSH-202型,BF-8840型等。
工作原理 如图所示 。
进样系统 光电转换系统或检测器 信号放大 信号处理及数据显示
高压电源
光收集器
样品池
样品室
光学快门
化学发光检测仪示意图
? 化学发光 NOX监测仪的工作原理
气路分为两部分, 一是 O3发生气路, 即氧气经电磁阀,
膜片阀, 流量计进入 O3发生器, 在紫外光照射或无声放电等
作用下, 产生数百 ppm的 O3送入反应室 。 二是气样经尘埃过
滤器进入转换器, 将 NO2转换成 NO,再通过三通电磁阀, 流
量计到达反应室 。 气样中的 NO与 O3在反应室中发生化学发光
反应, 产生的光量子经反应室端面上的滤光片获得特征波长
光射到光电倍增管上, 将光信号转换成与气样中 NO2浓度成
正比的电信号, 经放大和信号处理后, 送入指示, 记录仪表
显示和记录测定结果 。 反应后的气体由泵抽出排放 。 还可以
通过三通电磁阀抽入零气校正的零点 （ 可用示意图表示如
下 ） 。
1
2 3
4 5
11
12 13 14
1615
21
201918
O 2
6
7 8
9
10
17
气样
零气
1,18,尘埃过滤器 2.NO 2 → N O转 换器 3,7,电磁阀 4,6,19,针形阀 5,9 流 量计
8,膜片阀 10,O 3 发生器 11,反应室及滤光片 12,光电信增管 1 3,放大器 14,指示表
1 5,高压电源 16,稳压电源 17,零气处理装置 20,三通管 21,抽气泵
化学发光 NOX监测仪工作原理 Back
第六章 色谱法理论基础
6.1 色谱法的基本原理
俄国植物学家茨维特（ Tsweett）最早创造了色谱，并
于 1906年他将吸附原理分离植物色素的方法命名为色谱法
（ chromatography)。
Tsweett色谱分离的基本原理是,
使混合物中各组分在两相（固定相和流动相）间进行
分配，当流动相中所含混合物经过固定相时，就会与固定
相发生相互作用，由于各组分在性质和结构上的差异，不
同组分在固定相中滞留时间有长有短，从而按先后不同的
次序从固定相中流出。
? 色谱法分类,
(1)吸附色谱：利用组分在吸附剂表面上的被吸附的强弱不
同而分离。
(2)分配色谱：利用组分在固定相中溶解度不同而分离 。
(3)交换色谱：利用离子与离子交换剂的亲和性不同而分离
(4)排阻色谱：利用分子的大小不同在固定相中渗透压不同
而分离的方法 。
按固定相外型分为：填充柱色谱，毛细管色谱等；
按动力学方式分为：冲洗法、顶替法、吹集法等。
6.1.1 色谱图及基本参数
?色谱图
定义, 色谱柱流出物通过检测器系统时所产生的响应信
号对时间或栽气流出体积的曲线图 。
作用,是色谱基本参数的源流，而色谱基本参数又是用
来观察色谱行为和研究色谱理论的重要标度。
① 利用色谱峰位置（特性保留值）进行定性；
② 根据色谱峰高或峰面积进行定量；
③ 根据峰不同的位置及其峰宽变化状态, 可对色谱柱
的分离性能进行评价；
④ 根据色谱图的表征来判断色谱操作条件的优劣 。
?色谱基本参数
基线, 死时间 （ tM）,死体积 （ VM）,保留时间 （ tr）、
调整保留时间, 保留体积 （ Vr）,调整保留体积, 相对保留
值, 峰高 （ h）, 半峰宽 （ W1/2）, 峰底宽度 （ Wb）,标
准偏差 （ σ ）, 分配系数 (K), 分配比 （ k）
? 基线
色谱柱中没有待测组分流出时，记录笔画出的线，成为
基线，稳定条件下，基线应为一直线。基线反映监测器噪声
随时间变化。另外,有各种偶然因素，如固定相挥发，外界
电信号干扰等引起基线的起伏，成为噪声。有些因素引起基
线漂移，会给定量分析带来误差。所以，基线反映了系统的
重要特性。
? 死时间 （ tM）
不被固定相滞留的组分（溶剂等）通过色谱柱所需时间。
是从进样开始到非滞留分的峰顶对应的时间。因实际测量时
包括了组分经过柱前后连接管道所需的时间，所以它要大于
上定义的死时间。
? 死体积（ VM）
自不被固定相吸附或溶解的气体进入色谱柱至出现色谱
峰最高点时所通过的载气气体的体积。
? 保留时间（ tR）
自组分进入色谱柱至出现色谱峰最高点时所用的时间。
以分作为单位（ retention time）。
? 调整保留时间
扣除死时间后的实际保留时间 。
校正保留时间：用压力梯度校正因子修正的保留时间 。
净保留时间：用压力梯度校正因子修正的调整保留时间 。
? 保留体积（ Vr）
自某组分进入色谱柱至出现色谱峰最高显示所通过的载
气体积称为保留体积。
? 调整保留体积
某组分的保留体积扣除死体积后的保留体积。
? 相对保留值
在相同操作条件下某组分的校正保留值与另一组分（参
比组分）校正保留值的比值成为相对保留值。
? 峰高（ h）
从色谱峰顶到基线的垂直距离。
? 半峰宽（ W1/2）
色谱峰高一半处的宽 GH.。
? 峰底宽度 （ Wb）
从色谱峰两侧拐点作切线，这两根切线与基线交点之间
的距离。
? 标准偏差（ σ ）
当色谱峰呈正态分布时，曲线两侧拐点之间距离的一半，
即峰高 0.607倍处的宽度之半。
? 分配系数 (K)
在平衡状态时, 组分在固定液与流动相中的浓度之比
（ Partition confficient） 。
用
表示, 浓度单位为 g/ml 。
分配系数 K由组分的性质和固定相的性质决定, 与两
相体积无关 。 若流动相为液态, 还与流动相的性质有关 。
如二组分 K相同, 则峰重合；差别越大峰相离的越远 。
m
sCCK ?
? 分配比（ k）
亦称容量比，在一定温度和压力下，两相平衡时，组
分在两相中的分配量，即组分在固定相和流动相中的重量
比。
即,
另，组分在两相中的分配比等于组分在液相中停留时
间与在气相中停留时间之比，即
故 k 值可从实验分析的色谱图中求出。
分配比越大组分停留在固定相中的分子数越多，保留
时间越长。
qPk ?
M
R
M
R VVttk '' ??
分配系数与分配比之间的关系,
Vg---气相在柱中所占的体积；
Vl---液相在柱中所占的体积。
一个组分的 K值为其调整保留时间与死时间的比值，即,
所以,K值可以看作色谱柱对组分保留能力的参数。 K
值越大，保留时间越长。
L
g
gV
qL
VP VVkK ??
M
MRt ttK ??
6.1.2 色谱法基本理论
A,B两组分沿色谱柱移动时，不同位置处得浓度 轮廓图 。
图中 KA > K B,因此,A组分在移动过程中滞后。随着
两组分在色谱中移动距离的增加，两峰间的距离逐渐变大，
同时每一组分的浓度轮廓（即区域宽度）也慢慢变宽。
若要使 A,B两组分完全分离,必须满足以下三点,
浓
度 A
B
A
B
K A >K B
沿柱移动的距离 L
若要使 A,B两组分完全分离,必须满足以下三点,
第一，两组分的分配系数必须有差异；
第二，区域拓宽的速率应小于区域分离的速度；
第三，在保证快速率分离的前提下，提供足够长的分
离柱。
前两点是完成分离的必要条件。作为一个色谱理论，
它不仅应说明组分在色谱中移动的速率，而且应说明组分
在移动过程中引起区域扩宽的各种因素。 塔板理论 和 速率
理论 均为色谱过程中分配系数恒定为前提，故称为线性色
谱理论。速率理论对色谱分离条件的选择具有实际指导意
义。
?塔板理论
塔板模型将一根色谱柱视为一个精馏塔，即色谱柱是由
一系列连续的相等的水平塔板组成。每一快塔板的高度用 H
表示，称为塔板高度，简称板高。
塔板理论假设,
在每一快塔板上，溶质在两相间很快达到分配平衡，然
后随着流动相按一个一个塔板的方式向前转移。对一根长为
L的色谱柱，溶质平衡的次数应为,
n为理论塔板数。与精馏塔一样，色谱柱的柱数随理论
塔板数 n的增加而增加，随板高 H的增加而减小。
塔板理论指出,
HLn?
? 塔板理论指出,
第一，当溶质在柱中的平衡次数，即理论塔板数 n > 50
时，可得到基本对称的峰形曲线。在色谱柱中,n值一般是
很大的，因而这时的流出曲线可趋近于正态分布曲线；
第二, 当样品进入色谱柱后, 只要各组分在两相间的分
配系数有微小差异, 经过反复多次的分配平衡后, 仍可获得
良好的分离；
第三, n与半峰宽及峰底宽的关系为,
式中, tr与 y1/2应采用同一单位 （ 时间或长度单位 ） 表示 。
由以上两式可知：在 tr一定时, 如果色谱峰越窄, 则说明 n
越大, H越小, 柱效能 越高 。
22 )(16)(54.5
2/1
'
Y
tn R
Y
t R ??
? 柱效（ H有效 ）
在实际工作中, 常用有效塔板数 n有效数表示柱效 。 即,
柱效是判断色谱柱好坏的一个尺度, 但还不完全；判断色
谱柱好坏的另一个尺度是分离效率 （ 分离度 ）,相邻两峰的保
留时间之差与其各自半峰宽之和的比值 。 即,
可见, 两时间保留时间差越大, 两峰相距越远；两峰越窄,
R越大 。 相邻两组分分离就越好 。 一般认为 R≥1.5时, 两个组
分就可以完全分离 。
R和 n有效的关系用数学式表示为,
22
2/1
' )(16)(54.5
Y
t
Y
tn RR ??
有效
)2(2/1)1(2/1
)1()2(
YY
ttR RR
?
??
)1(16
1,3
1,22
?? r
rRn
有效
6.1.3 速率理论
1956年，荷兰学者范第姆特（ Van Deemter）等人指出
了反映决定塔板高度的条件，提出了色谱过程的动力学理
论速率理论，并同时考虑影响板高的动力学因素，指出填
充柱的柱效受分子扩散、传质阻力、载气流速等因素的控
制，从而较好地解释了影响板高的各种因素。
速率理论指出：普峰扩宽受三个动力学因素控制，即
涡流扩散项, 分子扩散项, 传质阻力项 。用板高方程表示
为,
式中,ū 是流动相的平均线速,A,B,C为常数，分别
代表涡流扩散项系数，分子扩散项系数，传质阻力项系数。
?
??? uC
u
BAH
(1) 涡流扩散（ A）项
式中, λ 为填充不规则因子 （ 由柱中固定相颗粒不均匀
性所决定 ） ； d为固定相颗粒粒径 。
由上式可见,使用粒度细和颗粒均匀的填料, 是减少涡
流扩散和提高柱效的有效途径 。
在填充柱色谱中, 流动相通过填充物的不规则空隙时,
其流动方向不断改变, 形成紊乱的类似, 涡流, 的流动 。
dA ?2?
(2) 分子扩散项（纵向扩散项 ）
纵向扩散是组分进入色谱柱后，由于柱中存在浓度梯度，
使组分由高浓度向低浓度扩散引起的，其扩散方向与载气
运动方向一致，是沿着纵向扩散。
式中,γ —— 弯曲因子（反映柱中流路弯曲的情况） ;
Dg —— 组分分子在气相中的扩散系数； ? —— 载气的平
均线速度。
一般 情况下,γ =0.5～ 0.7，而在空心柱中，扩散不受
障碍 γ ＝ 1； Dg受组分及载气性质、柱温的影响，与组分
在载气中扩散系数 及 载气分子量的平方根成正比 ； ?与组
分在柱中停留时间有关, 停留时间越长,?越小,色谱峰
扩展越严重。
因此，为了减小纵向扩散项（ B/ū），可采用较高的载
气流速，使用相对分子量较大的载气 (如 N2 ),控制较低的
柱温。
?
? ? urDuB g /2
(3) 传质阻力项
? 气相传质阻力项（ Cgū）
式中,k—— 分配比； ū—— 载气的平均线速度； dp ——
填充物的平均直经； DG —— 组分分子在气相中的扩散系数。
由上式可知：气相传质阻力与固定相粒度平方成正比，
与组分在气相中的扩散系数成反比。为了降低由气相传质阻
力所形成的塔板高度分量，可选用小颗粒固定相及分子量小
的气体作载气。
g
p
g D
ud
k
kuC
?
?
???
2
2
2
)1(
01.0
? 液相传质阻力项（ Clu）
式中,k—— 分配比； ū—— 载气的平均线速度； Dl ——
组分分子在液相的扩散系数； df—— 液膜厚度。
由上式可知：液相传质与固定相液膜厚度成正比，与组
分分子在液相的扩散系数成反比。因此，使用低固体液含量
以降低液膜厚度，加快组分在固定液中的扩散，可缩小液相
传质阻力所形成的塔板高的分量。
注, 在高效液相色谱中，液相传质阻力项是影响板高 H
的主要因素。
??
??? uD
d
k
kuC
l
f
l
2
2 )1(3
2
6.2 分离条件的选择
6.2.1 色谱柱
柱形、内径、柱长直接影响柱效，要选择适当。
柱长一般选用 0.6～ 6m。为达到最佳分离效果，最小柱
径应与进样量相匹配。填充柱内径一般为 2～ 6nm，制备柱为
0.9～ 10cm。使用高灵敏检测器，进样量大大减少，可采用
较小的柱径，使柱效提高，最合适的内径为 2mm。在程序升
温中，小颗粒的温度易迅速达到平衡，亦有利于快速分析。
6.2.2 担体
担体应为化学惰性、多空性、孔径分布均匀的颗粒涂漆
固定液后，得到的一层均匀的薄膜，以降低 df项。
担体粒度应适当，对较长的柱子多用 60～ 80目担体，对
较短的柱子用 80～ 100目担体。
6.2.3 固定液及配比
分离气体及低沸点组分可采用液 /担比为 10％～ 25％配
比，其他组分采用 5～ 20％配比为宜。
6.2.4 柱温
? 对于气体及气态烃等低沸点组分，柱温可在室温或 50℃ 以下，
固定液配比在 15％～ 25％；
? 对于沸点为 100～ 200℃ 的混合物，柱温可稍低于其中高沸点
组分的沸点，固定液配比 10％～ 15％；
? 对于沸点为 200～ 300℃ 的混合物，柱温可稍低于各组分的沸
点，即在 150～ 200℃ 。因在较低柱温下分析高沸点组分，故
固定液配比要低，一般为 5％～ 10％；
? 对于沸点在 300～ 400℃ 的高沸点混合物，可在 200～ 250℃ 柱
温下，使用小于 3％的固定液配比；
? 对于沸程宽的多组分混合物，可使用程序升温法。即在分析
过程中，按一定速度提高柱温。
6.2.5 载气及流速
选择载气首先要考虑它是否适合所用检测器 。 若检测器
对载气无特殊要求, 选择分子量大的载气 （ N2或 Ar等 ） 可以
使速率方程的 （ B=2γ Dg） 的影响减小, 从而提高柱效 。 但
是载气流速较高时, 应选用分子量小的气体作为载气 。
载气流速 （ u） 与塔板高 （ H） 存在如下关系,
式中, A为涡流扩散项 （ 截距 ）, 与 u无关；
纵向扩散 B/u为双曲线与其渐近线之间的垂直距离；
而渐近线与截距之间的距离为气相传质阻力与液相传质
阻力 （ Cg + Cl） u对 H的作用 。
由上式可知, 纵向扩散与气相传质阻力项均与组分在载
气中的扩散系数 Dg有关, 而 Dg随载气分子量的加大而减小 。
uCCudrduCCuBAH lgglg )(22)( ???????? ?
6.2.5 进样
进样量与气化温度，柱容量及仪器的线性响应范围等因
素有关。
? 进样量要适当，此时，分配系数 K保持一个常数，所得色谱
峰形对称，在一定操作条件下保留值恒定。若进样量太大，
峰形不对称程度增加且保留值也发生变化；若太小，会因检
测器灵敏度不够而不能检出。另外，进样量的大小直接关系
到谱带的初始宽度，初始宽度越大，经过柱内外展宽后，进
入检测器的最终带宽也就越大，越不容易分离。
? 进样量应控制在能瞬间气化，达到规定分离度要求和线性响
应的允许范围之内。填充柱淋洗法的瞬间进样量为液态，一
般为 0.01～ 10μ l ；气体样品一般为 0.1～ 10μ l为宜。
? 进样操作要迅速，使样品在汽化室中立刻全部汽化成蒸汽，
被载气带入色谱柱；进样缓慢会造成峰形扩能，不利于分离
? 进样器读数要准确 。 Back
第七章 气相色谱分析法
7.1 气相色谱仪
组成, 气路系统, 电路系统, 分离系统, 检测系统 等部分
组成 （ 结构示意图如下 ）,
? 气路系统
? 净化器：用来提高载气纯度的装置 。 净化剂主要有活性炭,
硅胶和分子筛, 105催化剂, 分别用来除去烃类杂质, 水份,
氧气；
? 稳压阀：用于调节气体流量和稳定流程中的气体压力；
? 稳流阀：为了更好地稳定气体流速；
? 流量计：一般用转子流量计来计量气体流量；
? 压力表：用于指示色谱柱前载气压力 Pi；
? 六通阀：一种常用的气体样品进样装置；
? 气化器：把注入的液态样品在瞬间气化 。
气化器应满足以下要求,
① 进样方便, 密封性好；
② 热容量大, 以便气化时温度无明显下降 ；
③ 无催化活性：在气化器内衬以石英玻璃管, 可以使汽化室
不具催化活性； ④ 死角小 。
? 电路系统
气相色谱仪的电路系统组成：电源, 温度控制器,
微电流放大器及记录仪等 。
根据处理系统, 程序升温和程序变流的控制器 。
基本要求：结构简单, 使用方便, 性能稳定, 响应
迅速等 。
? 分离系统
色谱柱是色谱分离的核心部件，色谱柱的选择和制备是
色谱分析的关键。
气相色谱有气固和气液两种色谱柱。目前应用最多的是
气液色谱。
? 气固色谱
柱内固定相为吸附剂，分离常温下的气体及气态烃类时，
用气液色谱有一定的困难，常用吸附剂作固定相。常用的吸
附剂有：活性炭、分子筛、硅胶、氧化铝等 。
? 气液色谱
气液色谱的固定相是担体（固体颗粒）涂渍着固定液，
固定液在室温下呈液体状态。
担体可分为硅藻土型和非硅藻土型两大类。硅藻土担体
在目前使用最普遍。
? 检测系统
检测系统部件中主要是监测器，它是反映柱后流出组分
变化的装置。载气携带组分进入检测器时，它根据组分与载
气的物理性质上的差异产生相应的电讯号。
检测器应具备的性能：灵敏度高，稳定性好，死体积小，
线性范围宽，检测限低等特性。
按响应特性检测器可分为,
①浓度型检测器
测量的是载气中组分浓度瞬间的变化，响应值取决于载
气中组分的浓度，如热导检测器，电子捕获监测器等。
②质量型检测器
测量的是载气携带的组分进入检测器的速度变化，即检
测器的响应取决于单位时间组分进入检测器的质量。如氢烟
检测器，火焰光度检测器等。
Back
7.2 定性分析法
常用的定性方法主要有以下几种,
（ 1）保留值定性,
在固定相及操作条件下恒定时，每种组分都有恒定保留
值，可作为定性依据。
① 绝对保留值法：又分为保留时间法和保留体积法，此法
必须严格控制在柱长、柱温、固定液配比及载气流等因素一
致的情况下操作。
② 相对保留值法：在某一固定相及柱温下，分别测组分及
基准物（或标准） S的校正保留值，求出其相对保留值，即
可定性比较，文献中能查到某些组分的相对保留值。
（ 2）加已知物增峰法
先将未知物的色谱峰作出，然后在未知样品中加入一种
已知的纯物质在相同实验条件下又得一色谱图。峰高增加的
组分即可能为这种已知物。
7.3 定量分析方法
7.3.1 峰面积的测量
（ 1）对称峰面积的测量
? 峰高 乘半峰宽法,
实际的峰面积应乘以校正系数 1.065，即,
该法 不适宜对窄峰、不对称峰和分离不完全、重叠较重
的色谱峰定量。
? 峰高乘保留时间法, 在一定操作条件下，同系数的半峰宽与
保留时间成正比。即,
（ 2） 不对称峰面积的测量
? 峰高乘平均峰宽法,
? 剪纸称重法
2/1YhA ??
2/10 6 5.1 YhA ???
RtbhYhA ????? 2/1
)(21 85.05.0 YYhA ???
7.3.2 定量校正因子
为了使峰面积 （ 或峰高 ） 正确的反映出物质的含量, 就
要对峰面积 （ 或峰高 ） 进行校正, 因而引入, 定量校正因子
（ m1)”
式中, Ai为单位面积所代表的物质的量, fi为绝对校正因子 。
绝对校正因子,
相对校正因子,
式中,Ai,As 分别为组分或标准物质的峰面积 ;mi,ms分别为
组分或标准物质的量 （ 用质量或摩尔质量表示 ） 。
iii Afm ??
i
i
i A
mf ?
is
si
s
s
i
i
s
i
i Am
Am
A
m
A
m
f
ff ???'
相对校正因子也可换算为相对响应值 （ Si） 。 当单位相
同时, 相对响应值为相对校正因子的倒数, 即,
相对校正因子和相对响应值与试样, 标准物质及检测器
类型有关, 与操作条件, 柱温, 载气流速, 固定液性质无关 。
'
' 1
w
w fS ?'
' 1
m
m fS ?
7.3.3 定量方法
常用定量方法：归一化法、内标法、外标法、标准加入法。
? 归一化法,
可用式
表示，若用 fm/，测得组分的摩尔百分含量，如用 f/w,则是质量
百分数； Ci—— 组分 i的百分含量（％）； Ai—— 组分 i的峰面积。
当样品中各组分的 fi/很相近 （ 如同系物中沸点接近相同 ）,
则上式可简化为,
若色谱峰形对称, 窄长, 操作条件稳定, 使各组分色谱峰的
半峰宽不发生变化, 也可用峰高代替峰面积进行归一化法定量,
即
%100
1
'
'
?
?
??
?
?
n
i
ii
ii
i
Af
AfC
%100
1
??
?
?
n
i
i
i
i
A
AC
%100
1
''
''
?
?
?
?
?
n
i
ii
ii
i
hf
hfC
? 内标法
当试样中所有组分不能全部出峰，或只要测定试样中某
几个组分时，可采用此法。
将一定量的纯物质作为内标物加到准确称取的待测样中，
根据待测组分和内标物的峰面积来计算被测组分的含量。内
标物应是待测试样中不存在的纯物质，加入的量应接近待测
组分的量，同时要求内标物的色谱峰应位于待测组分色谱峰
附近或几个待测组分色谱峰的中间。
内标标准曲线法,因内标法每次分析时，都要准确称
取试样和内标物质，较费事，不适用于快速控制分析。采用
内标标准曲线法进行定量测定可避免这些麻烦。
内标法的要求,内标物必须是待测试样中不存在的，但
其结构或官能团与组分要相似，内标物与样品互溶，内标峰
应与试样中的各组分的峰分开，并尽量接近欲分析的组分，
二者的加入量即浓度相近，在分析条件下内标物不与样品发
生反应。
内标物法的缺点,在试样中增加了一个内标物，常常给
分离造成一定的困难。
? 外标法
方法步骤,取纯物质配成一系列不同浓度的标准溶液，
然后分别取一定体积，注入色谱仪，测出峰面积，作峰面积
（或峰高）和浓度的标准曲线。然后在相同条件下注入等量
（固定量进样）待测样，测出该试样的峰面积（或峰高），
由上述标准曲线查出待测组分的含量。
当待测样品组分浓度变化不大时，可不作标准曲线，用
单点校正法，即配制一个和被测组分含量十分接近的标准样
CS，取相同量的标准液和待测液分别注入色谱仪，测得相应
的 AS和 Ai。由待测组分和标准样的峰面积（或峰高）比，可
求得待测组分的含量。
外标法的优缺点,此法方便简单，勿需校正因子，但要
求操作条件要稳定，进样重复性高，否则误差较大。
见内标标准曲线 和 外标标准曲线 图
C i %
组分 1
组分 2
内标标准曲线法
A i /As
C i %
组分 1
组分 2
外标标准曲线法
组分 3
? 标准加入法
标准加入法类似于内标法，区别在于内标物是样品某一
组分。而内标法中的内标物应是样品原来没有的物质。凡是
找不到适当内标物，或是色谱图容纳不下内标物的峰的情况
下，就可用标准加入法。
具体步骤是, 先分离样品得一色谱图，在待测样品中加
入一定量该组分，测得加标后得峰面积。由响应值增量△ A
计算出该组分在样品中的浓度。
可表示为,
式中,m△,mi—— 分别为加标量及取样量 (g);
△ A,Ai—— 分别为两峰面积 。
优缺点,标准加入法适用于样品组分复杂的情况，其
缺点是，由于进样两次，分离较费时，二次进样误差加倍。
Back
%100???? ?
i
i
i m
m
A
AC
第八章 高效液相色谱分析法
8.1 高效液相色谱仪
主要组成,高压输液系统, 进样系统,分离系统和 检测
系统 （如图示）。另外还有一些附属装置。
? 工作过程
高压泵将贮液罐的溶剂经进样器送入色谱柱中，然后从
检测器的出口流出。当欲分离样品从进样器进入时，流经进
样器的流动相将其带入色谱柱中进行分离，然后依先后顺序
进入检测器。记录仪将进入检测器的信号记录下来，得到液
相色谱图。
? 高压输液系统
由储液罐、高压输液泵、过滤器、压力脉动阻力器等组
成，核心部件是高压输液泵。
高压泵按其操作原理可分为恒流泵和恒压泵。恒流泵的
特点是在一定的操作条件下，输出的流量保持恒定，而与色
谱柱等引起的阻力变化无关。恒压泵与恒流泵不同，它能保
持输出压力恒定，而流量则随色谱系统阻力的变化而变化。
气动放大泵就是一种恒压泵。由于这类高压泵输液流速随色
谱系统的阻力而变化，导致保留时间的重现性差，所以目前
在分析上已较少使用。
? 进样系统
常用的进样方式有三种：直接注射进样、停留进样和高
压六通阀进样。直接注射进样的优点是操作简便，并可获得
较高的检效，但这种方法不能承受高压。停留进样是在高压
泵停止供液，体系压力下降的情况下，将样品直接加到柱头。
这种进样方式操作不便，重现性差，仅在不得已时才采用。
高压六通阀进样的优点是进样量的可变范围大，耐高压，易
于自动化；缺点是容易造成谱峰柱前扩宽。
? 色谱柱
在高效液相色谱中，色谱柱一般采用优质不锈钢管制作。
近年来，由于高效微型填料（ 3-10um）的普遍应用，考虑
管壁效应对柱效的影响，故一般采用管径粗（ 4-5mm），长
度短（ 10-50cm）的色谱柱。
柱的填充一般采用匀浆法。具体操作是先将填料配成悬
浮液，在高压泵的作用下快速将其压入装有洗脱液的色谱柱
内，经冲洗后，即可备用。
? 检测系统
? 检测器应具有灵敏度高、燥声低、线性范围宽、响应快、死
体积小等特点外，还应对温度和流速的变化不敏感。
? 有两种基本类型的检测器：一类是溶质性检测器。它仅对被
分离组分的物理或物理化学特性有响应，如紫外荧光，电化
学检测器等。另一类是总体检测器，它对试样和洗脱液总的
物理或物理化学特性有响应，如示差析光，介电常数检测器
等 。
谢谢！
东华大学环境科学与工程学院
本课程主要内容
第一章 概述
第二章 原子吸收分光光度法
第三章 原子荧光光谱法
第四章 荧光及磷光光谱法
第五章 化学发光监测技术
第六章 色谱分析法理论基础
第七章 气相色谱分析法
第八章 高效液相色谱分析法
第
一
章
概
述
环境监测新技术开发
环境监测技术现状与对策
环境监测的 内容 与 类型
环境监测技术意义和作用
§ 1 环境监测技术意义和作用
1.1 环境监测技术意义
环境监测技术是环境污染控制的眼睛，是环境管理的
,耳目, 和, 哨兵,,是研究环境质量变化趋势的重要手段，
是环境保护的基础。
※ 环境监测为环境管理服务要求遵循一定的原则
1.2 环境监测技术的作用
及时准确、全面地反映环境质量和污染源现状及发展趋
势，为环境管理、规划和污染防治提供依据。
※ 当前环境监测的基本任务
当前环境监测的基本任务,
? 为实施强化环境管理的八项制度做好技术监督和技
术支持工作 。
?强化污染源监督监测工作 。
?切实加强全国环境监测网络建设, 完善环境监测技术
体系 。
?加速以报告制度为核心的信息管理与传递系统建设 。
?巩固检测队伍, 提高监测技术水平 。
?进一步完善监测技术质量保证体系 。
? 坚持科技领先，做好监测科研，全面提高监测工作
质量。
环境监测为环境管理服务应遵循的原则,
① 及时性,
解决及时性：一是建立一个高效能的监测网络, 理顺环
境监测的组织关系；二是建立完善的数据报告制度, 有一个
十分流畅的信息通道, 做到纵横有序, 传递自如；三是有一
个能满足管理要求的数据加工处理能力；四是有一个规范化
的监测成果表达形式 。
② 针对性,即着重抓好环境要素和污染源监视性监测 。
③ 准确性,一是数据准确, 二是结论准确 。
④ 科学性, 一是监测数据和资料的科学性, 二是综合分析数
据资料方法的科学性, 三是关于环境问题结论的科学性 。
Back
§ 2 环境监测的内容与类型
2.1监测内容,
以监测的介质（或环境要素）为对象,分为：空气
污染监测，水质污染监测，土壤、固弃物，生物，生态，
噪声震动，放射性，电磁辐射监测等。
※ 选择监测项目应遵循如下原则,
① 对污染物的自然性, 化学活性, 毒性, 扩散性, 持久
性, 生物可分解性和积累性等全面分析, 从中选出影响
面广, 持续时间长, 不易或不能被微生物所分解而且能
使动植物发生病变的物质作为日常例行的监测项目 。 对
某些有特殊目的或特殊情况的监测工作, 则要根据具体
情况和需要选择要监测的项目 。
② 需要监测的项目, 必须有可靠的检测手段 。
③ 监测结果所得数据, 要有可比较的标准或能做出正确
的解释和判断 。
2.2环境监测的类型
2.2.1监视性监测
常规或例行监测
⑴ 环境质量监测 （ 空气, 水, 噪声 ）
⑵ 污染源监督监测
2.2.2 特定目的性监测
又叫应急监测或特例监测
⑴ 污染事故监测； ⑵ 纠纷仲裁监测；
⑶ 考核验证监测； ⑷ 咨询服务监测
2.2.3 研究性监测
属于高层次, 高水平, 技术比较复杂的一种监测 。
包括,⑴ 标法研制监测； ⑵ 污染规律研究检测；
⑶ 背景调查监测； ⑷ 综评研究监测
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§ 3 环境监测技术现状与对策
3.1 建立监测方法体系，确立监测技术能力
首先是通过分析方法的研究, 筛选出能在全国推广
的较成熟和先进的方法；将选出的方法经多个实验室验
证, 形成统一的方法 。
分析方法的研究和筛选原则是,
⑴ 应有良好的准确性, 精密性； ⑵ 应有良好的灵
敏度； ⑶ 方法所用仪器, 试剂易得, 便于推广；
⑷ 要尽量采用国内外新技术, 新方法 。
3.2 加强监测仪器设备管理, 完善仪器设备配置
3.3 开展监测质量保证, 加强技术培训
建立环境监测质量保证体系；开展计量认证工作；
加强技术人员的培训与考核；不断提高科学监测水平；
完善监测网络, 实现监测信息网络化管理 。 Back
第二章 原子吸收分光光度法
? 2.1 基本原理
? 2.2 原子吸收分光光度计
? 2.3 测定条件的选择
? 2.4 定量分析方法
? 2.5 灵敏度及检出极限
? 2.6 原子吸收光谱法在环境监测中的应用
第三章 原子荧光光谱法
? 3.1 概述
? 3.2 原理
? 3.3 原子荧光光谱仪
? 3.4 定量分析方法及应用
第四章 荧光及磷光光谱法
? 4.1 原理
? 4.2 荧光光谱仪
? 4.3 荧光分析方法
? 4.4 荧光光谱法在环境监测中的 应用
? 4.5 磷光分析法
第五章 化学发光监测技术
? 5.1 原理
? 5.2 化学发光反应的 类型
? 5.3 化学发光监测 仪器
第六章 色谱分析法理论基础
6.1 色谱法理论基础
? 色谱法的基本原理、分类及流程
? 色谱图及色谱基本参数
? 色谱法基本理论
6.2 分离条件的选择
? 色谱柱
? 担体
? 固定液及配比
? 柱温
? 载气及流速
? 进样
第七章 气相色谱分析法
? 7.1 气相色谱仪
? 7.2 定性分析法
? 保留值定性
? 加已知物增峰法
? 7.3 定量分析法
? 峰面积的测量
? 定量校正因子
? 定量方法
第八章 高效液相色谱分析法
? 8.1 高效液相色谱仪
? 高压输液系统
? 进样系统
? 色谱柱
? 检测系统
? 附属系统
第二章 原子吸收分光光度法
2.1 原子吸收分光光度法基本原理
?原子吸收分光光度法是基于空心阴极灯发射出
的待测元素的特征谱线，通过试样蒸气，被蒸
气中待测元素的基态原子所吸收，由特征谱线
被吸收的程度，来测定试样中待测元素含量的
方法。 包括以下四点,
(1) 基态原子的产生
在进行原子吸收分析时，首先应使待测元素由化合物
状态变成基态原子，使其原子化。原子化方法有：化学法、
火焰法、电热法等。
(2) 共振线与吸收线
其核外电子排布处于最低能级、最稳定的原子称 基态
原子 。基态原子的最外层电子因受外界能量激发而跃迁到
较高能级上，便使原子处于 激发态,处于激发态的原子很
不稳定，在短时间内（约 10-3s），跃迁到较高能级的电子
又返回到低能级状态，同时释放一定的能量。
原子受外界能量激发，其最外层电子可能跃迁到不同
能级，因而可能有不同的激发态。
电子由基态到第一激发态跃迁吸收谱线称共振吸收线。
共振线是元素所有谱线中最灵敏的谱线，原子吸收分析就
是利用处于基态的待测原子蒸气，对从光源发射出的待测
元素的共振线的吸收而进行定量分析。
(3) 积分吸收与峰值吸收
原子蒸气所吸收的全部能量称 积分吸收 。在实际测量中，
因吸收谱线的宽度非常窄，需分辨率很高的分光仪，所以积
分吸收不能准确地测得。
通过测定峰值吸收系数来计算待测元素的方法称为 峰值
吸收法 。
实现测量中心吸收系数的条件是,a.入射光线的中心频
率与吸收谱线的中心频率严格相同； b.入射光线的半宽度远
小于吸收谱线的半宽度。因此，必须使用一个与待测元素相
同的元素制成的锐线光源。
实验证实：峰值吸收系数 K0在一定条件下，与单位体积
原子蒸气中吸收辐射的原子数成正比。
(4) 火焰中的基态原子浓度与定量分析依据
对于原子吸收值的测量, 在实际工作中, 是以一定光强
的单色光 I0通过原子蒸气, 然后测出被吸收后的光强 I,吸
收过程符合朗伯 — 比耳定律, 即,
式中,K为吸收系数, N为自由原子总数 （ 近似于基态原子数
N0）,L为吸收层厚度 。
吸光度
试样中待测元素的浓度与火焰中基态原子的浓度成正比 。
所以在一定的浓度范围内和一定的火焰宽度, 吸光度与试样
中待测元素浓度的关系可表示为,
该式就是原子吸光光谱法定量分析的依据。
LKNIIA 00 4 3 4 3.0lg ??
KNLeII ?? 0
CKA '?
2.2 原子吸收分光光度计
? 原子吸收分光光度计的组成,
由 光源, 原子化系统, 光学系统, 检测系统 及放大数据处
理系统五个主要组成部分。
其示意图如下,
放大器 数据处理
稳压电源
单色器
光源
分光系统
高压电源
检测器
检测系统
原子化系统
废液
燃气
助燃气
试液
（ 1）光源
辐射带测元素的共振线，作为原子吸收分析的入射光
为了能够测出峰值吸收，获得较高的准确度及灵敏度，所
使用的光源必须满足以下条件,
① 光源要能发射待测元素的共振线, 而且强度要足够大；
②发射的谱线的半宽度要窄（是锐线光），应小于吸收线
的半宽度，以保证测定的灵敏度和峰值吸收的测量；
③辐射光的强度要稳定，而且背景发射要小。
光源类型,
① 空心阴极灯； ② 无极放电灯； ③ 蒸气放电灯 。
应用最广泛的是空心阴极灯
（ 2） 原子化系统
作用,是将试样中的待测元素由化合物状态转变为基
态原子蒸气 。 入射光在这里被基态原子吸收, 因此, 它可
视为, 吸收池, 。
主要有两大类,火焰与非火焰原子化器 。
① 火焰原子化器,由雾化器, 预混合室和燃烧器组成 。
雾化器将试液雾化, 然后经预混合室的作用, 进一步
细化雾滴, 并使之与燃料气均匀混合后进入火焰, 利用火
焰的热能将试样气化并进而解离成基态原子 。
② 无火焰原子化器,是利用电热, 阴极溅射, 等离子体或
激光等方法使试样中待测元素形成基态原子 。 目前, 广泛
应用的非火焰原子化器是石墨炉 。 此法的优点是取样量少,
（ 固体只需几毫克, 液体仅用几微升 ） ；其绝对灵敏度比
火焰法高几个数量级, 可达 10-12g（ 相对灵敏度提高 2～ 3个
数量级 ） ；但其精密度仅达 2～ 5%,比火焰法差 。
石墨炉原子化器由电源, 炉体, 石墨管三部分组成 。
⑶ 分光系统
原子吸收光谱法应用的波长范围, 一般是紫外, 可见
光区 。 常用的单色器为光栅 。
单色器的作用,主要是将光源（如空心阴极灯）发射
的待测元素的共振线与其它发射线分开。
由于采用空心阴极灯作光源, 发射的谱线大多为共振
线, 故比一般光源发射的光谱简单 。
光谱通带, 即 仪器出射狭缝所能通过的谱线宽度,
式中,W— 光谱通带 （ ?)； D— 倒线色散率 （ ?/mm)； S— 狭
缝宽度 （ mm)。
在两相邻干扰线间距离小时, 光谱通带要小, 反之, 光
谱通带可增大 。
当单色器的色散率一定时, 应选择合适的狭缝宽度来
达到谱线既不干扰, 吸收又处于最大值的最佳工作条件 。
SDW ??
(4)检测系统
作用,将单色器分出的光信号进行光电转换 。
广泛使用光电倍增管作检测器 。 光电倍增管输出的光电
流, 与入射光强度和光电倍增管的增益 （ 即光电倍增管放大
倍数的对数 ） 成正比 。 而增益取决于打拿极的性质, 个数和
加在打拿极之间的电压 。 通过改变所加的电压, 可以在较广
的范围内改变输出电流 。 产生的电流可经负载电阻尺而变成
电压讯号 。
(5)放大及数据处理系统
? 放大器：一般采用同步检波放大器和相敏放大器来放大讯号 。
? 数据处理：讯号经放大器放大后，得到的只是透光度读数。
必须进行对数转换，然后由指示仪表表示。 而现在的仪器
几乎都是用自动记录测量数据，数据显示测量数据和计算机
处理数据，直读分析结果。
2.3 测定条件的选择
（ 1）分析线的选择
选用元素的共振线作为分析线，共振线往往也是元素
最灵敏的谱线，可使测定具有较好的灵敏度。但实际工作
中并非都选用共振线，例如分析高浓度试样时，为了保持
工作曲线的线性范围，选次灵敏线作为分析线是有利的。
显然，对于低含量组分的测定，应尽可能选择最灵敏的谱
线作分析线。
（ 2）光谱区带的选择
（ 3） 空心阴极灯工作电流的选择
（ 4） 燃烧器高度的选择
（ 5） 火焰高度的选择
（ 6）光电倍增管负高压的选择
2.4 定量分析方法
（ 1）标准曲线法
绘制 A-C工作曲线（见下图）
A x
A
C x C
a.标准曲线弯曲现象的解释；
b.控制试样校正；
c.应控制吸光度在 0.05-0.8之间；
d.标液浓度必须在吸光度与原子浓度或直线关
系所得范围内；
e.仪器操作条件（光源，喷雾，火焰，通带，
检测等）在整个分析过程中应保持恒定。
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（ 2）标准加入法
包括复加入法和 单加入法
a.复加入法
取若干（不少于 4份）体积相同的试样溶液，从第二份开
始依次递增地加入不同等分量的待测元素的标准溶液（如分
别加入 10μ g,20μ g,30μ g）。然后用蒸馏水稀释至相同
体积后摇匀。在相同的实验条件下依次测得各溶液的吸光度
为 AX,A1,A2, A3。以吸光度 A为纵坐标，以加入标准溶液
的浓度（或体积，绝对含量）为横坐标，作出 A-C曲线，外
延曲线与横坐标相交于一点，此点与原点的距离，即为所测
试样溶液中，待测元素的含量（ 工作曲线如下 ）,
(3)间接分析法
可用间接分析的方法测定某些非金属元素和有机化合物 。
CC x 2 4 6
b.单加入法
取两份同体积的试液, 于其中一份加入已知量的待测元
素, 其量最好与试样含量相近 。 稀释至一定体积后分别测吸
光度 。 按下式进行计算,
式中,C—— 试样中被测元素浓度； S—— 试样中加入标
准的浓度； Ai—— 试样吸光度； A—— 试样加标后的吸光度
推导得,
使用标准加入法应注意,
① 只适用于浓度与吸光度成直线关系的范围；
② 加入第一份标液浓度，应与试样的浓度接近；
③ 该法只能消除基体干扰，不能消除背景吸收等的影响。
AiAA SC
ii
???
i
ii AASAC ??
2.5 灵敏度及检出极限
（ 1） 灵敏度
a.百分灵敏度
把能产生 1%吸收 （ 或 0.0044吸光度 ） 时, 被测元素在
溶液中的浓度 （ μ g/mL）,称为百分灵敏度或相对灵敏度 。
用 μ g/mL.1%或 10-6/1%表示 。
百分灵敏度的测定, 是必须测出 1%吸收时的浓度,
式中,C— 被测溶液的浓度 ; A— 该溶液的吸光度。
b.绝对灵敏度
能产生 1%吸收 （ 或 0.0044吸光度 ） 时, 被测元素在水
溶液中的质量, 常用 ?g/1%或 10-12g/1%（ 1?g=10-12g） 。
灵敏度通常可以看作是试液浓度测定的下限 。 最适宜的试
液浓度, 应选在灵敏度的 15~100倍的范围内 。
A
CS 004.0? ug/(mL?1%)
（ 2） 检出极限 （ DL）
a.相对检出极限
在火焰原子吸收分析中, 把能产生二倍标准偏差时, 某
元素在水溶液中的浓度, 定为相对检出极限, 用 μ g/mL或
ppm表示 。
DL=C?2σ /A
式中,C— 待测元素在水溶液中的浓度； A— 该溶液的吸光度；
σ — 标准偏差 。
b.绝对检出极限
在石墨炉原子吸收光谱分析中, 把能产生二倍标准偏差
读数时, 待测元素的质量称绝对检出极限 。 常用 Pg或 g 表示 。
检出极限不仅与仪器的灵敏度有关, 而且与仪器的稳定
性有关 。 既有高灵敏度又有低噪音水平的仪器才能运用于微
量组分的测定 。
2.6 原子吸收光谱法在环境监测中的应用
? 金属污染物的测定：可测定的元素有 60-70种，目
前测定水和废水中的主要金属元素有,Ag,Cd,
Cr,Cu,Fe,Mn,Ni,Pb,Sb,Zn,Be,Hg,K,
Na,Ca,Mg 等。
(1)Cu,Pb,Zn,Cd的测定（ GB7475-87）；
(2)Ca,Mg的测定 ；
(3)水质、硫酸盐的测定（ GB13196-91）；
(4)大气尘粒中金属元素的测定；
(5)大气降水中 Na,K的测定, 原子吸收分光光度法,
GB13580.12-92；
(6)GB13580.13-93大气降水中 Ca,Mg的测定, 原子吸收分
光光度法；
(7)GB/T15263-94环境空气中铅的测定, 火焰原子吸收分
光光度法 。
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第三章 原子荧光光谱法
3.1 概述
原子荧光光谱从机理来看应属于 发射光谱 分析，但所
用仪器及操作技术与原子吸收光谱法相近。
主要优点, ①灵敏度较高； ②谱线较简单；
③可同时进行多元素测定； ④线形范围宽。
3.2 原理
当气态基态原子被具有特征波长的共振线光束照射后，
此原子的外层电子吸收辐射能，从基态或低能态跃迁到高
能态，大约在 10-8S内又跃回基态或低能态，同时发射出与
照射光相同或不同波长的光。这种现象称为原子荧光。各
种元素都有特定的原子荧光光谱，故可用于定性分析；而
根据原子荧光的强度，进行定量分析，但目前这种方法主
要用于痕量元素的定量分析。（本节还要掌握 跃迁类型,
荧光强度, 量子效率和荧光猝灭 ）
3.2.1 跃迁类型
原子荧光有两大类型：共振荧光和非共振荧光。
荧光线的波长与激发光的波长相同时称为共振荧光。
不同时称为 非共振荧光 。在非共振荧光中，荧光线波长
大于激发光波长的称为斯托克斯荧光，小于激发光波长
的称为反斯托克斯托克斯荧光。目前，原子荧光的种类
已达到 14种之多。但在分析应用中的主要有 共振荧光,
直跃线荧光, 阶跃线荧光, 阶跃激发荧光 及 敏化荧光 等
（ 如下图所示 ）,
E 0
E 0E 0
E 0
E 0
E 1
E 1
E 1
E 2
E 2 E 2
A
A
A
A
F F
F
F
(a) 共振
(b) 直跃
(c) 阶跃
(d) 带有热能转换的直跃
(1)共振荧光
是气态基态原子吸收共振线后发射出与吸收共振线相同
波长的光。由于共振跃迁几率比其它跃迁几率大得多，因此
共振荧光的强度最大。
(2)直跃线荧光
直跃线荧光是非共振荧光，特点是吸收和发射过程中的
高能级相同。即原子从基态激发至高能态，但不从高能态跃
回到至基态，而是跃迁至能量高于基态的亚稳态。
(3)阶跃线荧光
受光照射激发后的原子，在发射荧光前，由于碰撞而损
失部分能量后，再跃至基态，并发射出荧光。很明显，产生
这种荧光的高能级不同，低能级相同。
(4)阶跃激发荧光 被光照射激发后的原子，通过热激发至更高
的能级，然后跃至低能级，并发射出荧光，这种荧光称阶跃
激发荧光。
(5)敏化荧光
敏化荧光产生的机理是首先激发某种原子（ A），使成
为激发态原子（ A*），当激发态原子（ A*）与另一种原子
（ B）相碰撞时，将能量转移给 B原子（待测元素），使 B原
子激发而产生激发态原子（ B*），然后（ B*）原子在活化而
发射出原子荧光。如下所示,
(6)非共振荧光
特别是直跃线荧光在分析上很有用处。因为非共振荧光
的波长与激发态不同，容易消除其影响。测量那些低能
级不是基态的非共振荧光线，还可以克服自吸的影响。
A* A+ h
A*+B A+ B*
B* B+ h
3.2.2 荧光强度
假设激发光源是稳定的, 则照射到原子蒸汽上的某频率
入射光强度可近似看成一常量 I0,则原子吸收的辐射强度可
用下式表示,
式中,Ia为被吸收的辐射强度,I0为单位面积上接受的光源
强度,A为受光源照射在检测系统中观察到的有效面积,l
为吸收光程长,N为单位长度内的基态原子数,ε 为峰值吸
收系数。
在实际工作中, 原子荧光强度与待测原子浓度成正比 。
]1[ /0 Na eAII ????
3.2.3 量子效率（ Ф）
量子效率表示原子受激发跃迁过程的可能程度 。 对于荧
光的发射来说, 其量子效率 Ф 表示荧光光子数与吸收激发光
的光子数之比 。 荧光量子效率一般小于 1。
3.2.4 荧光猝灭
在原子荧光发射过程中，一部分能量变成热运动或其它
形式的能量而损失。这是由于受激原子与其它粒子碰撞所引
起的能量损失，称为荧光猝灭，可表示为,
式中,A*为受激原子,B为其它粒子，△ H为热能。
实验表明：不同气体引起的荧光猝灭效应不同，惰性气
体氩、氦的猝灭截面比 N2,O2,CO2等气体小的多。因此，实
际工作中要注意原子蒸汽中能引起荧光猝灭的气体的种类及
其浓度，通常用氩气来稀释火焰，可减少猝灭现象。
A* + B A + B + △ H
3.3 仪器
? 原子荧光光度计
分类,非色散型和色散型两类 （结构示意图如下）
原子荧光光度计与原子吸收光度计的相同点,
组件上如原子化器（火焰和石墨炉），都是用切光 器
及交流放大器来消除原子化器中直流发射讯号的干扰；
检测器也均为光电倍增管等。
两种仪器的区别,
在原子荧光光度计中，需要采用高强度光源 ；在光
路中，为了检测荧光讯号，避免待测元素本身发射的谱线，
故要求光源、原子化器和检测器处于直角状态，而在原子
吸收光度计中，则要求三者处于一条直线上；非色散原子
荧光光度计采用日盲光电倍增管，它的光阴极是有 Cs-Te
材料做成的，对 1600-2800A波长的辐射有很高的灵敏度，
对大于 3200A波长则不灵敏。
单色器 检测器
火焰
加光器
非色散型原子荧光仪示意图
3.4 定量分析方法及应用
3.4.1 分析方法
F∝C, 采用标准曲线法进行定量分析 。
3.4.2 应用实例
已应用于石油产品, 燃料, 化工, 地球化学, 水质,
生物, 同位素分析中 。 应用示例
原子荧光光谱法分析实例
试 样 测 量 元 素 含量 相对标准偏差 /%
湖水 Ca Mg Co Cu Fe
Mn Ni Zn
纯水 Ca Mg Ag Ni Mn 0.01- 1.58-4.82
0.001μg/mL
粗柴油 Ni 0.04μg/mL 5-7
肥料 Cu Fe Zn Mn Ca Mg 5.46-122.5ppm 1.0-2.0
面粉 Hg 0.6ng
血清 Cu Zn 0.03-0.06μg/mL <5
尿 Pb 5μg/mL
低合金铜 Si 0.7μg/mL
电解铜 Zn 0.0003%
镍基合金 As Bi Pb Se Te 1 ppm Back
第四章 荧光及磷光光谱法
4.1 原理
4.1.1 荧光和磷光的产生
4.1.2 激发光谱、荧光和磷光光谱
4.1.3 荧光的 影响因素
4.1.4 荧光强度
4.1.1 荧光和磷光的产生
& 分子荧光 是指分子在辐射能 （ 紫外, 可见光, 红外光
等 ） 的照射下, 电子跃迁至单重激发态, 并以无辐射驰豫方
式回到第一单重激发态的最低振动能级, 由此再跃回基态或
基态中的其它振动能级时所发出的光 。
& 分子磷光 是指处于第一最低单重激发态的分子以无辐
射驰豫方式进入第一最低三重激发态, 再由三重激发态跃迁
回至基态而发出的光 。
& 单重态 (S)与三重态 (T)的区别在于：电子自旋方向不
同, 且后者的能级稍低一些 （ 见示意图 ） 。 单重激发态电子
的自旋方向仍然和处于基态轨道的电子配对, 且单重态分子
具有抗磁性 ；三重激发态中, 两个电子平行自旋 。
基态单重态 激发单重态 激发三重态
单重态及三重态激发示意图
& 处于激发态的电子，通常以辐射跃迁方式或无辐射跃
迁方式再回到基态。辐射跃迁主要涉及到荧光、延迟荧光或
磷光的发射；无辐射跃迁则是指热的形式辐射其多余的能量，
包括振动驰豫（ VR），内部转移（ IR），系间窜跃（ IX）及
外部转移（ EX）等。各种跃迁方式发生的可能性及程度，与
荧光物质本身的结构及激发时的物理和化学环境等因素有关。
激发能量的传递途径 如图所示 。
传递途径
荧光 返迟荧光 磷光 振动弛豫 内转移
外转移 系间穿跃
辐射跃迁 无辐射跃迁
激发态能量传递途径
& 结合荧光和磷光的产生过程, 进一步说明各种能量传递
方式 （ 荧光发射, 磷光发射, 振动驰豫, 内部转移, 系间
窜跃, 外部转移 ） 在其中所起的作用 。
设处于基态单重态的电子吸收波长为 的辐射之后，
分别激发至第二单重态 S2和第一单重态 S1,如图所示 。
S 2
S 0
S 1
内转移
外转移
系间窜跃
吸光 ? ? 吸光 ? ? 荧光 ?
?
磷光
振动弛豫 系间窜跃 外转移
内转移
T 1
荧光、磷光能级图
① 振动驰豫
指在同一电子能级中，电子由高振动能级转至低振动能
级，而将多余的能量一热的形式发出。发生振动驰豫的时间
为 10-12s。
②内转移
当两个电子能级非常靠近以致其振动能级有重叠时，常
发生电子由高能级以无辐射跃迁方式转移至低能级。
③荧光发射
处于第一激发单重态中的电子跃迁回至基态各振动能级
时，将得到最大波长为 λ 3的荧光。荧光的产生在 10-6～ 10-9s
内完成。注意基态中也有振动驰豫跃迁。
④ 系间窜跃
指不同多重态间的无辐射跃迁。这是产生延迟荧光的机
理。例如 S1→T 1就是一种系间窜跃。通常，发生系间窜越时，
电子由 S1的较低震动能级转移至 T1的较高振动能级处。有时
也可能发生 T1→S 1，然后由 S1发生荧光。这是产生延迟荧光
的机理。
⑤磷光发射
电子由第一激发单重态的最低振动能级，有可能以系间
窜跃方式转到第一激发三重态，再经过振动驰豫，转至其最
低振动能级，由此激发态跃回至基态时，便发射磷光。这个
跃迁过程（ T1→S 0）是自旋禁阻的，其发光速率较慢，约为
10-4～ 100s。因此，这种跃迁所发射的光，在光照停止后，
仍可持续一段时间
⑥外转移
指激发分子与溶剂分子或其它溶质分子的相互作用及能
量转移，使荧光或磷光强度减弱甚至消失。这一现象称为
,熄灭, 或, 猝灭, 。
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4.1.2 激发光谱、荧光和磷光光谱
荧光和磷光均为光致发光，因此必须选择合适的激发
光波长。这可根据它们的激发光谱曲线来确定。绘制激发
光谱时，固定测量波长为荧光（或磷光）最大发射波长，
然后改变激发光波长，根据所测得的荧光强度与激发光波
长的关系，即得到激发光谱曲线。
在激发光谱的最大波长处，处于激发态的分子数目是
最多的，这可说明所吸收的光能量也是最多的，自然能产
生最强的荧光。如果固定激发光波长为其最大激发波长处，
然后测定不同波长时所发射的荧光或磷光强度，即可得到
荧光或磷光光谱曲线（参见 萘的激发光谱、荧光和磷光发
射光谱曲线图 ）。
在荧光和磷光的产生过程中，因存在多种形式的无辐
射跃迁而损失了部分能量，故它们的最大发射波长都向长
波长方向转移；尤其磷光波长的移动较多，而且它的强度
也相对较弱 。
200 300 400 500
相
对
强
度
?? nm
A F
萘的激发光谱、荧光和磷光光谱
4.1.3 荧光的影响因素
荧光的影响因素包括,量子产率、荧光与有机化合物结
构的关系、金属鳌合物的荧光,溶剂的影响、荧光的淬灭 。
& 量子产率
量子产率（ Φ）通常用下式表示,
也叫荧光效率。
荧光的量子产率，与荧光产生时涉及的辐射和无辐射跃
迁过程的速率常数有关。若用数学表达式表达这些关系，既
式中,Kf为荧光发射过程的速率常数, 主要取决于化学
结构 ； 为其它过程的速率常数的总和, 主要取决于化学环境，
同时也与化学结构有关。
激发分子总数
发射荧光的分子数??
??? if f kk k?
& 荧光与有机化合物结构的关系
①跃迁类型
因跃迁具有较大的摩尔吸收系数且寿命较短，故此过
程常能发生较强的荧光；另外各种跃迁过程的竞争也有利
于荧光的发射。
②共轭效应
容易实现 Л → Л * 激发 的芳香族化合物易发生荧光。
增加分子体系的共轭度，也就是增大荧光物质的摩尔吸收
系数，可使荧光增强,
③刚性结构和共平面效应
荧光物质的刚性和共平面性增加，可使分子与溶剂或
其它溶质分子的相互作用减小，从而有利于荧光的发射。
④取代基效应
芳香族化合物具有不同取代基时，其荧光强度和荧光
光谱都有很大的不同。一般，给电子基团如,-OH,-NH2、
-OCH3,-NR2等增强荧光；而吸电子基团如 -NO2,-COOH等
减弱荧光。
& 金属鳌合物的荧光
除过渡元素的顺磁性原子会发生线状荧光光谱外, 大多
数无机盐金属离子是不能产生荧光的 。 但有些情况下, 金属
鳌合物却能产生很强的荧光, 并可用于痕量金属离子的测定 。
① 鳌合物中配对体的发光
不少有机化合物具有共轭双键, 但因不是刚性结构, 分
子处于同一平面, 因而不发生荧光 。 若这些化合物和金属离
子形成鳌合物, 随着分子的刚性增强, 平面结构增大, 常会
发生荧光 。 一般说来, 能产生这类荧光的金属离子具有硬酸
型结构, 如 Be,Mg,Al,ZR,Th等 。
② 鳌合物中金属离子的特征荧光
通常是鳌合物先通过配位体电子跃迁而被激发, 接着配
位体把能量转移给金属离子, 导致金属离子发射特征荧光 。
& 溶剂的影响
增大溶剂的极性, 将使 n→ Л * 跃迁的能量增大, Л → Л *
跃迁的能量降低, 从而导致荧光增强 。
& 荧光的淬灭
荧光分子与溶剂分子或其它溶质分子的相互作用引起
荧光强度降低的现象称为荧光淬灭 。 这些引起荧光强度降低
的物质称为淬灭剂 。
引起荧光淬灭的原因包括,
① 碰撞淬灭 （ 主要原因 ）,指单重激发态的荧光分子与淬灭剂
发生碰撞后, 使激发态分子以无辐射跃迁方式回到基态, 因
而产生淬灭作用 。
② 能量转移,产生于淬灭剂与处于激发单重态的荧光分子作用
后, 发生能量转移, 使淬灭剂得到激发 。
③ 氧的淬灭作用：顺磁性的氧分子与处于单重激发态的荧光物
质分子相互作用, 促进形成顺磁性的三重态荧光分子, 即加
速系间窜跃所致 。
④ 自熄灭和自吸收：当荧光物质浓度较大时, 常会发生自熄灭
现象, 使荧光强度降低 。
4.1.4 荧光强度
发射的荧光光强 IF应正比于该系统吸收的激发光的
光强, 即,
式中,I0是入射光强度, I是通过厚度为 b的介质后的
光强 。 常数 K′ 取决于荧光效率 。
根据比耳定律,
当 I0一定时, 经过一定转换, 可写为,
在低浓度时, 荧光强度与物质的浓度呈线性关系 。
当高浓度时, 由于自熄灭和自吸收等原因, 使荧光
强度与分子浓度不呈线性关系, 而发生直线弯曲现象 。
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)( 0' IIKI F ??
bcII ??? 10
0
KCI F ?
4.2 荧光光谱仪（荧光光度计）
? 荧光分析使用的仪器可分为, 目视、光电、分光三
种类型。
? 荧光光度计的组成,通常均由 光源, 单色器 （滤光片
或光栅）、液槽及 检测器 组成 。
? 重点掌握荧光光度计的 工作原理 和 仪器结构图
光源
第一单色器
样品池 第二单色器 检测器
放大器和
记录器
I 0
F
I
荧光光谱仪示意图
? 荧光光度计的工作原理,
由光源发出的光, 经第一单色器 （ 激发光单色器 ） 后,
得到所需要的激发光波长 。 通过样品池后, 由于一部分
光线被荧光物质所吸收, 故其透射强度减为 I。 荧光物质
被激发后, 将向四面八方发射荧光, 但为了消除入射光
及散射光的影响, 荧光的测量应在与激发光成直角的方
向上进行 。 仪器中的第二单色器称为荧光单色器 。 它的
作用是消除溶液中可能共存的其它光线的干扰, 以获得
所需要的荧光 。 荧光作用于检测器上, 得到相应的电讯
号, 经放大后, 再用适当的记录器纪录 。
4.2.1 光源
应具有强度大、适用波长范围宽两个特点。常用光源
有高压汞灯和氙弧灯。前者的平均寿命约为 1500～ 3000h，
荧光分析中常用的是 365,405,436nm三条谱线；后者是
连续光源，发射光束强度大，可用于 200～ 700nm波长范围。
在 300～ 400nm波段内，光谱强度几乎相等。
4.2.2 滤光片和分光器
用滤光片为单色器时，以干涉滤光片的性能最好。它
具有半宽度窄，透射率高，经得起强光源的长期照射等优
点。
较精密的荧光光度计均用分光器作单色器 。 目前, 分
光器多采用光栅 。
4.2.3 检测器
简易的荧光剂可采用目视或硒光电池检测。但一般较精
密的荧光光度计均采用光电倍增管或光电子计数器检测。
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4.3 荧光分析方法
4.3.1 分析方法
多采用标准曲线法, 即以已知量的标准物质经过和试
样同样的处理后, 配成一系列的标准溶液, 测定这些溶液
的荧光强度后, 用荧光强度对标准溶液浓度绘制标准曲线,
然后根据试样溶液的荧光强度, 在标准曲线上求出试样中
荧光物质的含量 。
4.3.2 荧光分析法的灵敏度
荧光法的灵敏度比分光光度法高 2～ 4个数量级。这是
由于在分光光度法中，被检测的讯号为 A=lgI0/I，即当试
样浓度很低时，检测器所检测的是两个较大的讯号（ I0及
I）的微小差别，这是难以达到准确测量的。然而在荧光
光度法中，被检测的是叠加在很小背景值上的荧光强度，
从理论上讲，它是容易进行高灵敏、高准确测量的。在荧
光光度法中，一般情况下，多采用相对灵敏度来表示。
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4.4 荧光光谱法在环境监测中的应用
※ 大气 SO2中的测定
※ 空气中苯并 （ α ） 芘的测定
※ 水环境中苯并 (α )芘 [BaP]的测定
※ 水质中硒的测定 — 2,3二氨基萘荧光
※ 大气 SO2中的测定
紫外荧光法测定大气中的 SO2,具有选择性好, 不消耗化
学试剂, 适用于连续自动监测等特点, 用波长 190～ 230nm紫
外光照射大气样品, 则 SO2吸收紫外光被激发至激发态, 发射
荧光强度和 SO2浓度成正比, 用光电倍增管及电子测量系统测
量荧光强度, 即可得大气中 SO2的浓度 （ SO2检测仪示意图 ） 。
※ 空气中苯并 （ α ） 芘的测定
? 乙酰化滤纸层析 — 荧光分光光度法
? 醋酸纤维素薄层层析 — 荧光分光光度法
1
2
5
10
4
3
6
8
9
7
11
1,光源 2,透 镜 3,反 应室 4,透 镜 5,激 发光滤光片 6,发 射光滤光片
7,光电倍增管 8,放 大器 9,指 示表 1 0,抽气泵 1 1,气样
SO2荧光监测仪示意图
※ 水环境中苯并 (α )芘 [BaP]的测定
苯并 (α )芘是一种有代表性的强致癌物质，被列为
环境污染致癌物质监测工作中的常规项目之一。
水中的 苯并 (α )芘主要 采用 层析 — 荧光分光光度法
（ GB11895-89） 测定，将水中多环芳烃及环己烷可溶物
经环己烷萃取（水样必须充分摇匀），萃取液用无水硫
酸钠脱水、浓缩，然后经乙酰化滤纸分离。分离后的
B(a)P用荧光分光光度计测定。
※ 水质中硒的测定 — 2,3二氨基萘荧光
（ GB11902-89）
4.5 磷光分析法
4.5.1 原理
4.5.2 磷光分析仪器
4.5.3 分析方法
4.5.4 在环境监测中的应用
4.5.1 原理
? 磷光发射
电子由基态单重态激发至第一激发三重态的几率很小,
但由第一激发单重态的最低震动能级，有可能以系间蹿跃
方式转至第一激发三重态，再经振动弛豫，转至其最低振
动能级，由此激发态跃回到基态时，便发射磷光。
? 增强磷光的措施
由于磷光的产生很容易受其它辐射或无辐射跃迁的
干扰而使磷光强度减弱，甚至完全消失。因此，为了获取
较强的磷光，可采用下列一些措施,
①增加试样的刚性 ；②固体磷光法 ；
③分子缔合物的形成；④重原子效应；
⑤敏化磷光
此外，与间接荧光法一样，也可以利用磷光猝灭的效
应，用间接磷光法测定某些物质。
4.5.2 磷光分析仪器
磷光仪与荧光仪相似，主要有光源、激发光单色器、
液槽、发射光单色器、检测器等组成。
磷光计与荧光计的主要区别,
? 液槽,为了能在低温下测定磷光，盛试样溶液的石英液槽
需放置在盛液氮的石英杜瓦瓶内。
? 斩波片,
因发生磷光的物质常伴有荧光产生，为了区别磷光和
荧光，在其激发光单色器和液槽之间以及液槽和发射光单
色器之间各装一个可调节为同相或异相的斩波片，并由一
个同步电动机带动。同相时，磷光和荧光一起进入发射光
单色器，测到的是磷光和荧光的总光强。当调节为异相时，
激发光被遮断。此时测到的仅为寿命较长的磷光。利用斩
波片，不仅可分别测出荧光和磷光，而且可通过调节两个
斩波光的转速，测出不同寿命的磷光。这种具有时间分辨
功能的装置，是磷光光度计的一个特点。
4.5.3 分析方法
一般多采用标准曲线法, 即用已知量的
标准物质, 经过和试样同样的处理后, 配成
一系列的标准溶液 。 测定这些物质的磷光强
度后, 以磷光强度对标准溶液浓度绘制标准
曲线, 然后根据试样溶液的磷光强度, 在标
准曲线上求出试样中的待测物质的含量 。
4.5.4 在环境监测中的应用
? 稠环芳烃和石油产物的分析
固体表面室温磷光分析法已作为稠环芳烃和杂环化合
物的快速灵敏分析手段 。
? 农药, 生物碱和植物生长激素的分析
低温磷光法已用于分析 DDT等 52种农药, 烟碱, 降烟
碱和新烟碱等三种生物健以及 2,4-D 和萘乙酸等 17种植物
生长激素 。 方法的检测限约为 0.01μg/mL。
? 药物分析和临床分析
磷光分析已广泛地用于生物体液中痕量药物的分析 。
此外, 磷光分析技术已应用于细胞生物学和生物化学
的研究领域 。
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第五章 化学发光监测技术
5.1 化学发光的原理
化学发光 （ chemiluminescence） 不是由光, 热
或电能而是由化学反应激发物质所产生的光辐射 。
基于化学反应所提供的足够的能量, 使其中一种反
应产物的分子的电子被激发, 形成激发态分子, 当
它们以激发态跃回基态时, 就发出一定波长的光,
这一过程可用反应式表示如下,
A + B C* + D C* C+ hυ
5.1.1 产生化学发光反应
应具备一定的 条件
※ 产生化学发光反应，应具备下述条件,
? 化学反应必须能释放出足够的能量，以引起电子技法
通常，只有那些反应速度相当快的放热反应，其 -
Δ H介于 170~300 KJ/mol之间，才能在可见光范围内观察
到化学发光现象。许多氧化还原反应所提供的能量与此相
当，因此大多数化学发光反应为氧化还原反应。
? 要有 有利的化学反应历程，以使产生的能量用于不断地产
生激发态分子；
? 激发态 分子跃回基态时，要释放出光子，而不是以热的形
式消耗能量。
5.1.2 化学发光效率 ΦCL
式中,Φr 指生成激发态产物分子的化学效率,
Φf 指 发态分子的发光效率
其中,
frCL ??? ?? 参加反应的分子数
发射光子数
参加反应分子数
激发态分子数?
r? 激发态分子数 产生光子数?f?
5.1.3 化学发光反应的发光强度
以单位时间内发射的光子效率表示，等于单位时间内起
了反应的被测定的反应物 A的浓度的变化（以微分表示）与
化学发光效率 Φ CL的乘积，即,
通常，在发光分析中，与发光试剂相比，被分析物的浓
度要小很多，故发光剂浓度可认为是一常数，因此发光反应
可视为拟一级反应。
在发光分析过程中，还要考虑如溶液混合后的传递过程，
发光反应本身的动力学因素时间等 的影响。
t
ACLCL ddCtI ?? ?)(
5.2 化学发光反应的类型
5.2.1 气相化学发光
? 臭氧的化学发光反应
? 氮氧化物的化学发光反应
? 氧原子化学发光反应
? 火焰化学发光
5.2.2 液相化学发光
? 鲁米诺化学发光体系
? 吖啶及其衍生物的化学发光反应
※ 气相化学发光
主要有 O3,NO和 S的化学发光反应，可用于监测空气中的
O3,NO,NO2,H2S,SO2和 CO等。
? 臭氧的化学发光反应
臭氧可与 40余种有机化合物产生化学发光反应，其中以
与罗丹明 B的反应最为灵敏，可用于测定大气中的微量臭氧。
臭氧与罗丹明 B-没食子酸的乙醇溶液产生化学发光反应的
过程可表示如下 （ A*是没食子酸与 O3 反应所产生的受激中
间体, B是最终的氧化产物 ）
没食子酸 + O3 A* +O2
罗丹明 B + A* 罗丹明 B* + B
罗丹明 B* 罗丹明 B + hυ
? 氮氧化物的化学发光反应
一氧化氮与 O3气相化学发光反应有较大的化学发光效率,
其反应机理如下,
NO + O3 NO2* + O2 NO2 + hυ
灵敏度可达 1ppb,测定范围 0.01~10000ppm。
测定空气中的 NO2时，可先将 NO2还愿为 NO，测得 NO的总
量后，从总量中减去原试样中的 NO的含量，即为 NO2的含量。
? 氧原子化学发光反应
气相中的 SO2,NO,NO2,及 CO等能与氧原子产生化学发
光反应, 如,
① SO2 + O + O SO2* + O2 SO2 + hυ
最大波长为 200nm,测定灵敏度为 1ppb。
③ CO + O CO2* CO2 + hυ
发射光谱范围为 300~500nm,测定灵敏度为 1ppb。 发光反
应中所需要的氧原子源, 一般是由 O3在 1000℃ 的石英管仲分
解为 O和 O2而获得的 。
? 火焰化学发光
① 一氧化氮
NO在富氢火焰中燃烧时产生很强的火焰化学发光反应，
其机理为,
H + NO H NO* H NO* H NO + hυ
光谱的波长范围为,660~770nm,最大发射波长为 690nm。
NO2在富氢火焰中能迅速还原为 NO,即,H + NO2
NO + OH
② 挥发性硫化物
当挥发性硫化物如 SO2,H2S, CH3SH及 CH3SCH3等在富
氢火焰中燃烧时，产生很强的蓝色化学发光。
例如 SO2,其化学发光反应机理如下,
SO2 + 2H2 S +2H2O S +S S*2
S*2 S2 + hυ
※ 液相化学发光
液相化学发光反应在 痕量分析 中十分重要 。 常用于
化学发光分析的发光物质有鲁米诺, 光泽精, 洛粉碱,
没食子酸, 过氧苯酸盐, 硅氧烯和芳香族游离基离子等 。
? 鲁米诺化学发光体系
? 吖 啶及其衍生物的化学发光反应
5.3 化学发光监测仪器
? 仪器组成, 一般由进样系统、光电转换系统、信号放大系
统、信号处理系统和数据显示处理系统五部分组成。
? 仪器结构示意图
? 化学发光 NOX监测仪
以 O3为 反应剂的 NOX监测仪可以测定大气中 NO,NO2及其
总浓度。我国生产的这种仪器有 GSH-202型,BF-8840型等。
工作原理 如图所示 。
进样系统 光电转换系统或检测器 信号放大 信号处理及数据显示
高压电源
光收集器
样品池
样品室
光学快门
化学发光检测仪示意图
? 化学发光 NOX监测仪的工作原理
气路分为两部分, 一是 O3发生气路, 即氧气经电磁阀,
膜片阀, 流量计进入 O3发生器, 在紫外光照射或无声放电等
作用下, 产生数百 ppm的 O3送入反应室 。 二是气样经尘埃过
滤器进入转换器, 将 NO2转换成 NO,再通过三通电磁阀, 流
量计到达反应室 。 气样中的 NO与 O3在反应室中发生化学发光
反应, 产生的光量子经反应室端面上的滤光片获得特征波长
光射到光电倍增管上, 将光信号转换成与气样中 NO2浓度成
正比的电信号, 经放大和信号处理后, 送入指示, 记录仪表
显示和记录测定结果 。 反应后的气体由泵抽出排放 。 还可以
通过三通电磁阀抽入零气校正的零点 （ 可用示意图表示如
下 ） 。
1
2 3
4 5
11
12 13 14
1615
21
201918
O 2
6
7 8
9
10
17
气样
零气
1,18,尘埃过滤器 2.NO 2 → N O转 换器 3,7,电磁阀 4,6,19,针形阀 5,9 流 量计
8,膜片阀 10,O 3 发生器 11,反应室及滤光片 12,光电信增管 1 3,放大器 14,指示表
1 5,高压电源 16,稳压电源 17,零气处理装置 20,三通管 21,抽气泵
化学发光 NOX监测仪工作原理 Back
第六章 色谱法理论基础
6.1 色谱法的基本原理
俄国植物学家茨维特（ Tsweett）最早创造了色谱，并
于 1906年他将吸附原理分离植物色素的方法命名为色谱法
（ chromatography)。
Tsweett色谱分离的基本原理是,
使混合物中各组分在两相（固定相和流动相）间进行
分配，当流动相中所含混合物经过固定相时，就会与固定
相发生相互作用，由于各组分在性质和结构上的差异，不
同组分在固定相中滞留时间有长有短，从而按先后不同的
次序从固定相中流出。
? 色谱法分类,
(1)吸附色谱：利用组分在吸附剂表面上的被吸附的强弱不
同而分离。
(2)分配色谱：利用组分在固定相中溶解度不同而分离 。
(3)交换色谱：利用离子与离子交换剂的亲和性不同而分离
(4)排阻色谱：利用分子的大小不同在固定相中渗透压不同
而分离的方法 。
按固定相外型分为：填充柱色谱，毛细管色谱等；
按动力学方式分为：冲洗法、顶替法、吹集法等。
6.1.1 色谱图及基本参数
?色谱图
定义, 色谱柱流出物通过检测器系统时所产生的响应信
号对时间或栽气流出体积的曲线图 。
作用,是色谱基本参数的源流，而色谱基本参数又是用
来观察色谱行为和研究色谱理论的重要标度。
① 利用色谱峰位置（特性保留值）进行定性；
② 根据色谱峰高或峰面积进行定量；
③ 根据峰不同的位置及其峰宽变化状态, 可对色谱柱
的分离性能进行评价；
④ 根据色谱图的表征来判断色谱操作条件的优劣 。
?色谱基本参数
基线, 死时间 （ tM）,死体积 （ VM）,保留时间 （ tr）、
调整保留时间, 保留体积 （ Vr）,调整保留体积, 相对保留
值, 峰高 （ h）, 半峰宽 （ W1/2）, 峰底宽度 （ Wb）,标
准偏差 （ σ ）, 分配系数 (K), 分配比 （ k）
? 基线
色谱柱中没有待测组分流出时，记录笔画出的线，成为
基线，稳定条件下，基线应为一直线。基线反映监测器噪声
随时间变化。另外,有各种偶然因素，如固定相挥发，外界
电信号干扰等引起基线的起伏，成为噪声。有些因素引起基
线漂移，会给定量分析带来误差。所以，基线反映了系统的
重要特性。
? 死时间 （ tM）
不被固定相滞留的组分（溶剂等）通过色谱柱所需时间。
是从进样开始到非滞留分的峰顶对应的时间。因实际测量时
包括了组分经过柱前后连接管道所需的时间，所以它要大于
上定义的死时间。
? 死体积（ VM）
自不被固定相吸附或溶解的气体进入色谱柱至出现色谱
峰最高点时所通过的载气气体的体积。
? 保留时间（ tR）
自组分进入色谱柱至出现色谱峰最高点时所用的时间。
以分作为单位（ retention time）。
? 调整保留时间
扣除死时间后的实际保留时间 。
校正保留时间：用压力梯度校正因子修正的保留时间 。
净保留时间：用压力梯度校正因子修正的调整保留时间 。
? 保留体积（ Vr）
自某组分进入色谱柱至出现色谱峰最高显示所通过的载
气体积称为保留体积。
? 调整保留体积
某组分的保留体积扣除死体积后的保留体积。
? 相对保留值
在相同操作条件下某组分的校正保留值与另一组分（参
比组分）校正保留值的比值成为相对保留值。
? 峰高（ h）
从色谱峰顶到基线的垂直距离。
? 半峰宽（ W1/2）
色谱峰高一半处的宽 GH.。
? 峰底宽度 （ Wb）
从色谱峰两侧拐点作切线，这两根切线与基线交点之间
的距离。
? 标准偏差（ σ ）
当色谱峰呈正态分布时，曲线两侧拐点之间距离的一半，
即峰高 0.607倍处的宽度之半。
? 分配系数 (K)
在平衡状态时, 组分在固定液与流动相中的浓度之比
（ Partition confficient） 。
用
表示, 浓度单位为 g/ml 。
分配系数 K由组分的性质和固定相的性质决定, 与两
相体积无关 。 若流动相为液态, 还与流动相的性质有关 。
如二组分 K相同, 则峰重合；差别越大峰相离的越远 。
m
sCCK ?
? 分配比（ k）
亦称容量比，在一定温度和压力下，两相平衡时，组
分在两相中的分配量，即组分在固定相和流动相中的重量
比。
即,
另，组分在两相中的分配比等于组分在液相中停留时
间与在气相中停留时间之比，即
故 k 值可从实验分析的色谱图中求出。
分配比越大组分停留在固定相中的分子数越多，保留
时间越长。
qPk ?
M
R
M
R VVttk '' ??
分配系数与分配比之间的关系,
Vg---气相在柱中所占的体积；
Vl---液相在柱中所占的体积。
一个组分的 K值为其调整保留时间与死时间的比值，即,
所以,K值可以看作色谱柱对组分保留能力的参数。 K
值越大，保留时间越长。
L
g
gV
qL
VP VVkK ??
M
MRt ttK ??
6.1.2 色谱法基本理论
A,B两组分沿色谱柱移动时，不同位置处得浓度 轮廓图 。
图中 KA > K B,因此,A组分在移动过程中滞后。随着
两组分在色谱中移动距离的增加，两峰间的距离逐渐变大，
同时每一组分的浓度轮廓（即区域宽度）也慢慢变宽。
若要使 A,B两组分完全分离,必须满足以下三点,
浓
度 A
B
A
B
K A >K B
沿柱移动的距离 L
若要使 A,B两组分完全分离,必须满足以下三点,
第一，两组分的分配系数必须有差异；
第二，区域拓宽的速率应小于区域分离的速度；
第三，在保证快速率分离的前提下，提供足够长的分
离柱。
前两点是完成分离的必要条件。作为一个色谱理论，
它不仅应说明组分在色谱中移动的速率，而且应说明组分
在移动过程中引起区域扩宽的各种因素。 塔板理论 和 速率
理论 均为色谱过程中分配系数恒定为前提，故称为线性色
谱理论。速率理论对色谱分离条件的选择具有实际指导意
义。
?塔板理论
塔板模型将一根色谱柱视为一个精馏塔，即色谱柱是由
一系列连续的相等的水平塔板组成。每一快塔板的高度用 H
表示，称为塔板高度，简称板高。
塔板理论假设,
在每一快塔板上，溶质在两相间很快达到分配平衡，然
后随着流动相按一个一个塔板的方式向前转移。对一根长为
L的色谱柱，溶质平衡的次数应为,
n为理论塔板数。与精馏塔一样，色谱柱的柱数随理论
塔板数 n的增加而增加，随板高 H的增加而减小。
塔板理论指出,
HLn?
? 塔板理论指出,
第一，当溶质在柱中的平衡次数，即理论塔板数 n > 50
时，可得到基本对称的峰形曲线。在色谱柱中,n值一般是
很大的，因而这时的流出曲线可趋近于正态分布曲线；
第二, 当样品进入色谱柱后, 只要各组分在两相间的分
配系数有微小差异, 经过反复多次的分配平衡后, 仍可获得
良好的分离；
第三, n与半峰宽及峰底宽的关系为,
式中, tr与 y1/2应采用同一单位 （ 时间或长度单位 ） 表示 。
由以上两式可知：在 tr一定时, 如果色谱峰越窄, 则说明 n
越大, H越小, 柱效能 越高 。
22 )(16)(54.5
2/1
'
Y
tn R
Y
t R ??
? 柱效（ H有效 ）
在实际工作中, 常用有效塔板数 n有效数表示柱效 。 即,
柱效是判断色谱柱好坏的一个尺度, 但还不完全；判断色
谱柱好坏的另一个尺度是分离效率 （ 分离度 ）,相邻两峰的保
留时间之差与其各自半峰宽之和的比值 。 即,
可见, 两时间保留时间差越大, 两峰相距越远；两峰越窄,
R越大 。 相邻两组分分离就越好 。 一般认为 R≥1.5时, 两个组
分就可以完全分离 。
R和 n有效的关系用数学式表示为,
22
2/1
' )(16)(54.5
Y
t
Y
tn RR ??
有效
)2(2/1)1(2/1
)1()2(
YY
ttR RR
?
??
)1(16
1,3
1,22
?? r
rRn
有效
6.1.3 速率理论
1956年，荷兰学者范第姆特（ Van Deemter）等人指出
了反映决定塔板高度的条件，提出了色谱过程的动力学理
论速率理论，并同时考虑影响板高的动力学因素，指出填
充柱的柱效受分子扩散、传质阻力、载气流速等因素的控
制，从而较好地解释了影响板高的各种因素。
速率理论指出：普峰扩宽受三个动力学因素控制，即
涡流扩散项, 分子扩散项, 传质阻力项 。用板高方程表示
为,
式中,ū 是流动相的平均线速,A,B,C为常数，分别
代表涡流扩散项系数，分子扩散项系数，传质阻力项系数。
?
??? uC
u
BAH
(1) 涡流扩散（ A）项
式中, λ 为填充不规则因子 （ 由柱中固定相颗粒不均匀
性所决定 ） ； d为固定相颗粒粒径 。
由上式可见,使用粒度细和颗粒均匀的填料, 是减少涡
流扩散和提高柱效的有效途径 。
在填充柱色谱中, 流动相通过填充物的不规则空隙时,
其流动方向不断改变, 形成紊乱的类似, 涡流, 的流动 。
dA ?2?
(2) 分子扩散项（纵向扩散项 ）
纵向扩散是组分进入色谱柱后，由于柱中存在浓度梯度，
使组分由高浓度向低浓度扩散引起的，其扩散方向与载气
运动方向一致，是沿着纵向扩散。
式中,γ —— 弯曲因子（反映柱中流路弯曲的情况） ;
Dg —— 组分分子在气相中的扩散系数； ? —— 载气的平
均线速度。
一般 情况下,γ =0.5～ 0.7，而在空心柱中，扩散不受
障碍 γ ＝ 1； Dg受组分及载气性质、柱温的影响，与组分
在载气中扩散系数 及 载气分子量的平方根成正比 ； ?与组
分在柱中停留时间有关, 停留时间越长,?越小,色谱峰
扩展越严重。
因此，为了减小纵向扩散项（ B/ū），可采用较高的载
气流速，使用相对分子量较大的载气 (如 N2 ),控制较低的
柱温。
?
? ? urDuB g /2
(3) 传质阻力项
? 气相传质阻力项（ Cgū）
式中,k—— 分配比； ū—— 载气的平均线速度； dp ——
填充物的平均直经； DG —— 组分分子在气相中的扩散系数。
由上式可知：气相传质阻力与固定相粒度平方成正比，
与组分在气相中的扩散系数成反比。为了降低由气相传质阻
力所形成的塔板高度分量，可选用小颗粒固定相及分子量小
的气体作载气。
g
p
g D
ud
k
kuC
?
?
???
2
2
2
)1(
01.0
? 液相传质阻力项（ Clu）
式中,k—— 分配比； ū—— 载气的平均线速度； Dl ——
组分分子在液相的扩散系数； df—— 液膜厚度。
由上式可知：液相传质与固定相液膜厚度成正比，与组
分分子在液相的扩散系数成反比。因此，使用低固体液含量
以降低液膜厚度，加快组分在固定液中的扩散，可缩小液相
传质阻力所形成的塔板高的分量。
注, 在高效液相色谱中，液相传质阻力项是影响板高 H
的主要因素。
??
??? uD
d
k
kuC
l
f
l
2
2 )1(3
2
6.2 分离条件的选择
6.2.1 色谱柱
柱形、内径、柱长直接影响柱效，要选择适当。
柱长一般选用 0.6～ 6m。为达到最佳分离效果，最小柱
径应与进样量相匹配。填充柱内径一般为 2～ 6nm，制备柱为
0.9～ 10cm。使用高灵敏检测器，进样量大大减少，可采用
较小的柱径，使柱效提高，最合适的内径为 2mm。在程序升
温中，小颗粒的温度易迅速达到平衡，亦有利于快速分析。
6.2.2 担体
担体应为化学惰性、多空性、孔径分布均匀的颗粒涂漆
固定液后，得到的一层均匀的薄膜，以降低 df项。
担体粒度应适当，对较长的柱子多用 60～ 80目担体，对
较短的柱子用 80～ 100目担体。
6.2.3 固定液及配比
分离气体及低沸点组分可采用液 /担比为 10％～ 25％配
比，其他组分采用 5～ 20％配比为宜。
6.2.4 柱温
? 对于气体及气态烃等低沸点组分，柱温可在室温或 50℃ 以下，
固定液配比在 15％～ 25％；
? 对于沸点为 100～ 200℃ 的混合物，柱温可稍低于其中高沸点
组分的沸点，固定液配比 10％～ 15％；
? 对于沸点为 200～ 300℃ 的混合物，柱温可稍低于各组分的沸
点，即在 150～ 200℃ 。因在较低柱温下分析高沸点组分，故
固定液配比要低，一般为 5％～ 10％；
? 对于沸点在 300～ 400℃ 的高沸点混合物，可在 200～ 250℃ 柱
温下，使用小于 3％的固定液配比；
? 对于沸程宽的多组分混合物，可使用程序升温法。即在分析
过程中，按一定速度提高柱温。
6.2.5 载气及流速
选择载气首先要考虑它是否适合所用检测器 。 若检测器
对载气无特殊要求, 选择分子量大的载气 （ N2或 Ar等 ） 可以
使速率方程的 （ B=2γ Dg） 的影响减小, 从而提高柱效 。 但
是载气流速较高时, 应选用分子量小的气体作为载气 。
载气流速 （ u） 与塔板高 （ H） 存在如下关系,
式中, A为涡流扩散项 （ 截距 ）, 与 u无关；
纵向扩散 B/u为双曲线与其渐近线之间的垂直距离；
而渐近线与截距之间的距离为气相传质阻力与液相传质
阻力 （ Cg + Cl） u对 H的作用 。
由上式可知, 纵向扩散与气相传质阻力项均与组分在载
气中的扩散系数 Dg有关, 而 Dg随载气分子量的加大而减小 。
uCCudrduCCuBAH lgglg )(22)( ???????? ?
6.2.5 进样
进样量与气化温度，柱容量及仪器的线性响应范围等因
素有关。
? 进样量要适当，此时，分配系数 K保持一个常数，所得色谱
峰形对称，在一定操作条件下保留值恒定。若进样量太大，
峰形不对称程度增加且保留值也发生变化；若太小，会因检
测器灵敏度不够而不能检出。另外，进样量的大小直接关系
到谱带的初始宽度，初始宽度越大，经过柱内外展宽后，进
入检测器的最终带宽也就越大，越不容易分离。
? 进样量应控制在能瞬间气化，达到规定分离度要求和线性响
应的允许范围之内。填充柱淋洗法的瞬间进样量为液态，一
般为 0.01～ 10μ l ；气体样品一般为 0.1～ 10μ l为宜。
? 进样操作要迅速，使样品在汽化室中立刻全部汽化成蒸汽，
被载气带入色谱柱；进样缓慢会造成峰形扩能，不利于分离
? 进样器读数要准确 。 Back
第七章 气相色谱分析法
7.1 气相色谱仪
组成, 气路系统, 电路系统, 分离系统, 检测系统 等部分
组成 （ 结构示意图如下 ）,
? 气路系统
? 净化器：用来提高载气纯度的装置 。 净化剂主要有活性炭,
硅胶和分子筛, 105催化剂, 分别用来除去烃类杂质, 水份,
氧气；
? 稳压阀：用于调节气体流量和稳定流程中的气体压力；
? 稳流阀：为了更好地稳定气体流速；
? 流量计：一般用转子流量计来计量气体流量；
? 压力表：用于指示色谱柱前载气压力 Pi；
? 六通阀：一种常用的气体样品进样装置；
? 气化器：把注入的液态样品在瞬间气化 。
气化器应满足以下要求,
① 进样方便, 密封性好；
② 热容量大, 以便气化时温度无明显下降 ；
③ 无催化活性：在气化器内衬以石英玻璃管, 可以使汽化室
不具催化活性； ④ 死角小 。
? 电路系统
气相色谱仪的电路系统组成：电源, 温度控制器,
微电流放大器及记录仪等 。
根据处理系统, 程序升温和程序变流的控制器 。
基本要求：结构简单, 使用方便, 性能稳定, 响应
迅速等 。
? 分离系统
色谱柱是色谱分离的核心部件，色谱柱的选择和制备是
色谱分析的关键。
气相色谱有气固和气液两种色谱柱。目前应用最多的是
气液色谱。
? 气固色谱
柱内固定相为吸附剂，分离常温下的气体及气态烃类时，
用气液色谱有一定的困难，常用吸附剂作固定相。常用的吸
附剂有：活性炭、分子筛、硅胶、氧化铝等 。
? 气液色谱
气液色谱的固定相是担体（固体颗粒）涂渍着固定液，
固定液在室温下呈液体状态。
担体可分为硅藻土型和非硅藻土型两大类。硅藻土担体
在目前使用最普遍。
? 检测系统
检测系统部件中主要是监测器，它是反映柱后流出组分
变化的装置。载气携带组分进入检测器时，它根据组分与载
气的物理性质上的差异产生相应的电讯号。
检测器应具备的性能：灵敏度高，稳定性好，死体积小，
线性范围宽，检测限低等特性。
按响应特性检测器可分为,
①浓度型检测器
测量的是载气中组分浓度瞬间的变化，响应值取决于载
气中组分的浓度，如热导检测器，电子捕获监测器等。
②质量型检测器
测量的是载气携带的组分进入检测器的速度变化，即检
测器的响应取决于单位时间组分进入检测器的质量。如氢烟
检测器，火焰光度检测器等。
Back
7.2 定性分析法
常用的定性方法主要有以下几种,
（ 1）保留值定性,
在固定相及操作条件下恒定时，每种组分都有恒定保留
值，可作为定性依据。
① 绝对保留值法：又分为保留时间法和保留体积法，此法
必须严格控制在柱长、柱温、固定液配比及载气流等因素一
致的情况下操作。
② 相对保留值法：在某一固定相及柱温下，分别测组分及
基准物（或标准） S的校正保留值，求出其相对保留值，即
可定性比较，文献中能查到某些组分的相对保留值。
（ 2）加已知物增峰法
先将未知物的色谱峰作出，然后在未知样品中加入一种
已知的纯物质在相同实验条件下又得一色谱图。峰高增加的
组分即可能为这种已知物。
7.3 定量分析方法
7.3.1 峰面积的测量
（ 1）对称峰面积的测量
? 峰高 乘半峰宽法,
实际的峰面积应乘以校正系数 1.065，即,
该法 不适宜对窄峰、不对称峰和分离不完全、重叠较重
的色谱峰定量。
? 峰高乘保留时间法, 在一定操作条件下，同系数的半峰宽与
保留时间成正比。即,
（ 2） 不对称峰面积的测量
? 峰高乘平均峰宽法,
? 剪纸称重法
2/1YhA ??
2/10 6 5.1 YhA ???
RtbhYhA ????? 2/1
)(21 85.05.0 YYhA ???
7.3.2 定量校正因子
为了使峰面积 （ 或峰高 ） 正确的反映出物质的含量, 就
要对峰面积 （ 或峰高 ） 进行校正, 因而引入, 定量校正因子
（ m1)”
式中, Ai为单位面积所代表的物质的量, fi为绝对校正因子 。
绝对校正因子,
相对校正因子,
式中,Ai,As 分别为组分或标准物质的峰面积 ;mi,ms分别为
组分或标准物质的量 （ 用质量或摩尔质量表示 ） 。
iii Afm ??
i
i
i A
mf ?
is
si
s
s
i
i
s
i
i Am
Am
A
m
A
m
f
ff ???'
相对校正因子也可换算为相对响应值 （ Si） 。 当单位相
同时, 相对响应值为相对校正因子的倒数, 即,
相对校正因子和相对响应值与试样, 标准物质及检测器
类型有关, 与操作条件, 柱温, 载气流速, 固定液性质无关 。
'
' 1
w
w fS ?'
' 1
m
m fS ?
7.3.3 定量方法
常用定量方法：归一化法、内标法、外标法、标准加入法。
? 归一化法,
可用式
表示，若用 fm/，测得组分的摩尔百分含量，如用 f/w,则是质量
百分数； Ci—— 组分 i的百分含量（％）； Ai—— 组分 i的峰面积。
当样品中各组分的 fi/很相近 （ 如同系物中沸点接近相同 ）,
则上式可简化为,
若色谱峰形对称, 窄长, 操作条件稳定, 使各组分色谱峰的
半峰宽不发生变化, 也可用峰高代替峰面积进行归一化法定量,
即
%100
1
'
'
?
?
??
?
?
n
i
ii
ii
i
Af
AfC
%100
1
??
?
?
n
i
i
i
i
A
AC
%100
1
''
''
?
?
?
?
?
n
i
ii
ii
i
hf
hfC
? 内标法
当试样中所有组分不能全部出峰，或只要测定试样中某
几个组分时，可采用此法。
将一定量的纯物质作为内标物加到准确称取的待测样中，
根据待测组分和内标物的峰面积来计算被测组分的含量。内
标物应是待测试样中不存在的纯物质，加入的量应接近待测
组分的量，同时要求内标物的色谱峰应位于待测组分色谱峰
附近或几个待测组分色谱峰的中间。
内标标准曲线法,因内标法每次分析时，都要准确称
取试样和内标物质，较费事，不适用于快速控制分析。采用
内标标准曲线法进行定量测定可避免这些麻烦。
内标法的要求,内标物必须是待测试样中不存在的，但
其结构或官能团与组分要相似，内标物与样品互溶，内标峰
应与试样中的各组分的峰分开，并尽量接近欲分析的组分，
二者的加入量即浓度相近，在分析条件下内标物不与样品发
生反应。
内标物法的缺点,在试样中增加了一个内标物，常常给
分离造成一定的困难。
? 外标法
方法步骤,取纯物质配成一系列不同浓度的标准溶液，
然后分别取一定体积，注入色谱仪，测出峰面积，作峰面积
（或峰高）和浓度的标准曲线。然后在相同条件下注入等量
（固定量进样）待测样，测出该试样的峰面积（或峰高），
由上述标准曲线查出待测组分的含量。
当待测样品组分浓度变化不大时，可不作标准曲线，用
单点校正法，即配制一个和被测组分含量十分接近的标准样
CS，取相同量的标准液和待测液分别注入色谱仪，测得相应
的 AS和 Ai。由待测组分和标准样的峰面积（或峰高）比，可
求得待测组分的含量。
外标法的优缺点,此法方便简单，勿需校正因子，但要
求操作条件要稳定，进样重复性高，否则误差较大。
见内标标准曲线 和 外标标准曲线 图
C i %
组分 1
组分 2
内标标准曲线法
A i /As
C i %
组分 1
组分 2
外标标准曲线法
组分 3
? 标准加入法
标准加入法类似于内标法，区别在于内标物是样品某一
组分。而内标法中的内标物应是样品原来没有的物质。凡是
找不到适当内标物，或是色谱图容纳不下内标物的峰的情况
下，就可用标准加入法。
具体步骤是, 先分离样品得一色谱图，在待测样品中加
入一定量该组分，测得加标后得峰面积。由响应值增量△ A
计算出该组分在样品中的浓度。
可表示为,
式中,m△,mi—— 分别为加标量及取样量 (g);
△ A,Ai—— 分别为两峰面积 。
优缺点,标准加入法适用于样品组分复杂的情况，其
缺点是，由于进样两次，分离较费时，二次进样误差加倍。
Back
%100???? ?
i
i
i m
m
A
AC
第八章 高效液相色谱分析法
8.1 高效液相色谱仪
主要组成,高压输液系统, 进样系统,分离系统和 检测
系统 （如图示）。另外还有一些附属装置。
? 工作过程
高压泵将贮液罐的溶剂经进样器送入色谱柱中，然后从
检测器的出口流出。当欲分离样品从进样器进入时，流经进
样器的流动相将其带入色谱柱中进行分离，然后依先后顺序
进入检测器。记录仪将进入检测器的信号记录下来，得到液
相色谱图。
? 高压输液系统
由储液罐、高压输液泵、过滤器、压力脉动阻力器等组
成，核心部件是高压输液泵。
高压泵按其操作原理可分为恒流泵和恒压泵。恒流泵的
特点是在一定的操作条件下，输出的流量保持恒定，而与色
谱柱等引起的阻力变化无关。恒压泵与恒流泵不同，它能保
持输出压力恒定，而流量则随色谱系统阻力的变化而变化。
气动放大泵就是一种恒压泵。由于这类高压泵输液流速随色
谱系统的阻力而变化，导致保留时间的重现性差，所以目前
在分析上已较少使用。
? 进样系统
常用的进样方式有三种：直接注射进样、停留进样和高
压六通阀进样。直接注射进样的优点是操作简便，并可获得
较高的检效，但这种方法不能承受高压。停留进样是在高压
泵停止供液，体系压力下降的情况下，将样品直接加到柱头。
这种进样方式操作不便，重现性差，仅在不得已时才采用。
高压六通阀进样的优点是进样量的可变范围大，耐高压，易
于自动化；缺点是容易造成谱峰柱前扩宽。
? 色谱柱
在高效液相色谱中，色谱柱一般采用优质不锈钢管制作。
近年来，由于高效微型填料（ 3-10um）的普遍应用，考虑
管壁效应对柱效的影响，故一般采用管径粗（ 4-5mm），长
度短（ 10-50cm）的色谱柱。
柱的填充一般采用匀浆法。具体操作是先将填料配成悬
浮液，在高压泵的作用下快速将其压入装有洗脱液的色谱柱
内，经冲洗后，即可备用。
? 检测系统
? 检测器应具有灵敏度高、燥声低、线性范围宽、响应快、死
体积小等特点外，还应对温度和流速的变化不敏感。
? 有两种基本类型的检测器：一类是溶质性检测器。它仅对被
分离组分的物理或物理化学特性有响应，如紫外荧光，电化
学检测器等。另一类是总体检测器，它对试样和洗脱液总的
物理或物理化学特性有响应，如示差析光，介电常数检测器
等 。
谢谢！
