核磁,元素分析仪

元素分析仪

1.仪器简介

元素分析仪作为一种实验室常规仪器，可同时对有机的固体、高挥发性和敏感性物质中C、H、N、S、元素的含量进行定量分析测定, 在研究有机材料及有机化合物的元素组成等方面具有重要作用。可广泛应用于化学和药物学产品，如精细化工产品、药物、肥料、石油化工产品碳、氢、氧、氮元素含量，从而揭示化合物性质变化，得到有用信息，是科学研究的有效手段。

元素分析仪是用示差热导法，又称自积分热导法。鉴定有机物中存在元素和测定其含量的分析。例如在石油地质—地球化学中，主要分析、研究C、H、O、N、S等元素组成，其中特别是C、H、O元素的相对含量尤为重要。采用元素分析仪，可同时测出C、H元素，而O、S、N元素则需分别测定：工作模式有七种，分别是：CHNS, CHN, CNS, CN, N, S, O.

测定有机化合物中的元素时，通常包括三个步骤：试样的分解、干扰元素的消除及在分解产物中测定元素的含量。分解有机物的方法，可分为干法分解和湿法分解两类。干法分解是使有机化合物在适当的条件下燃烧分解，而湿法分解则为酸煮分解，经分解有机化合物中的待测元素转化为简单的无机化合物或单质。分解产物可采用化学分析法或物理、物理化学分析方法进行测定，根据测定方法的不同，在测定前需对分解产物进行干扰元素的消除。

2.仪器原理

动态闪烧-色谱分离法，通俗的叫法是杜马斯燃烧法。样品经过粉碎研磨后，通过锡囊或银囊包裹，经自动进样器进入燃烧反应管中，待测样品在高温条件下，通过一定量的氧气助燃，燃烧后的样品以氦气为载气，将燃烧气体带过燃烧管和还原管，二管内分别装有氧化剂和还原铜，并填充银丝以去除干扰物质（如卤素等），经过进一步催化氧化还原过程，其中的有机元素碳C、氢H、氮N、硫S和氧O, 全部转化为各种可检测气体如CO2, H2O, N2与SO2。混合气体在载气的推动下，进入分离检测单元，分离单元采用色谱法原理，利用气相色谱柱，将被测样品的混合组份CO2, H2O, N2与SO2载入到色谱柱中。由于这些组份在色谱柱中流出的时间不同（即不同的保留时间），从而使混合组份按照N,C H,S的顺序被分离，被分离出的单组份气体，通过热导检测器分析测量，不同组份的气体在热导检测器中的导热系数不同，从而使仪器针对不同组份产生出不同的读取数值，并通过与标准样品比对分析达到定量分析的目的。整个过程根据样品性质的不同和检测元素种类的不同通常可以在5-10分钟内完成。根据样品类型和用

户的应用领域，又可以分为多种模式。也可以扩展连接同位素比质谱仪使用，确定OH和NC同位素组成。

3.仪器

3.操作流程

4. 注意事项

(1) 在一定的燃烧条件下，只适用于对可控制燃烧的大小尺寸样品中的元素含量进行分析。明确禁止对腐蚀性化学品、酸碱溶液，溶剂、爆炸物或可产生爆炸性气体的物质进行测试，这将对仪器产生破坏和对操作人员造成伤害。有可能对于一些特定物质进行检测，如含氟、磷酸盐或样品含有重金属，会影响到分析结果或仪器部件的使用寿命的样品。

(2) 氧气的不足会降低催化氧化剂和还原剂的性能，从而也减少了它们的有效性和使用寿命。没有燃烧的样品物质仍然留在灰份管内，并将影响到下一个样品的测试分析结果。

(3) 如果电源电压中断超过15分钟，必须对仪器进行检漏。这是由于通风中断，不能散热，有可能造成炉室中的O型圈的损坏，必要时应更换。

(4) 测量样品要求：固体样品15mg 以上，液体样品2ml 以上。

(5) 将样品纯化，除水，去除溶剂；固体样品尽量研细。

5.应用

(1) 节能减排：燃料、煤、油品成分分析；

(2) 环境监控：混合肥料、废弃物、软泥、淤泥、矿泥、煤泥、沉淀物、肥料、杀虫剂和木料、固液垃圾。

(3) 地质材料：海洋和河流沉积物、土壤、岩石和矿物。

(4) 农业产品：植物和叶子、木料、食物、乳制品（如牛奶）。

(5) 化学和药物产品：精细化工产品、药物产品、爆炸物、催化剂、有机金属化合物、聚合物、合成橡胶、皮革、纤维材料和纺织产品。

(6) 石油化工和能源：煤炭、石墨、焦碳、原油、燃料油、石油、汽油添加剂、润滑油、油品添加剂。

(7) 物理性质：水泥、陶瓷、玻璃纤维、轮胎、燃料、色素、建筑材料、绝缘材料。

核磁共振

1.基本概念

在磁场的激励下，一些具有磁性的原子核存在不同的能级，如果此时外加一个能量，使其恰好等于相邻两个能级之差，则该核就可能吸收能量（称为共振吸收），从低能态跃迁到高能态，而所吸收的能量级就相当于射频频率范围内的电磁波。因此，所谓核磁共振就是研究磁性原子核对射频能的吸收。核磁共振波谱学是光谱学的一个分支，其共振频率在射频波段，相应的跃迁是核自旋在核塞曼能级上的跃迁。

利用核磁共振光谱进行结构测定，定性与定量分析的方法称为核磁共振波谱法。简称NMR。在有机化合物中，经常研究的是1H和13C的共振吸收谱，重点介绍H核共振的原理及应用。

2.基本原理

核磁共振是在电磁波的作用下，原子核在外磁场中的磁能级之间的共振跃迁现象。因此，要产生核磁共振，首先原子核必须具用磁性。

(1) 原子核的自旋

由于原子核是带电荷的粒子，若有自旋现象，即产生磁矩。物理学的研究

证明，各种不同的原子核，自旋的情况不同，原子核自旋的情况可用自旋量子数I 表征。（表1 所示）

自旋量子数等于零的原子核没有自旋现象，因而没有磁矩，不产生共振吸收谱，故不能用核磁共振来研究。

自旋量子数等于1或大于1的原子核电荷分布不均匀。它们的共振吸收常会产生复杂情况，目前在核磁共振研究上应用还很少。

自旋量子数等于1/2的原子核有1H，19F，31P，13C等，这些核可当作一个电荷均匀分布的球体，并像陀螺一样地自旋，故有磁矩形成。这些核特别适用于核磁共振实验。前面三种原子在自然界的丰度接近100%，核磁共振容易测定。尤其是氢核（质子），不但易于测定，而且它又是组成有机化合物的主要元素之一，因此对于氢核核磁共振谱的测定，在有机分析中十分重要。

(2)自旋核在外加磁场中的取向数和能级。

自旋量子数I为1/2的原子核（如氢核），可当作为电荷均匀分布的球体。当氢核围绕着它的自旋轴转动时就产生磁场。由于氢核带正电，转动时产生的磁场方向可由右手螺旋定则确定，如图1所示。

图1 图2

把自旋核放在场强为B0的磁场中,由于磁矩μ与磁场相互作用,核磁矩相对外加磁场有不同的取向,共有2I+1个,各取向可用磁量子数m表示。I=1/2的氢核只有两种取向：与外磁场平行，能量较低，m=+1/2；与外磁场方向相反, 能量较高, m= -1/2，如图2所示。两种取向间的能级差，可用ΔE来表示：

△E=-μB0/I

由于I=1/2，故ΔE = 2μB0