m仪器分析01 - 副本

1、INSTRUMENTAL ANALYSIS材材料料科科学学M能能量量科科学学E信信息息科科学学 I现代科学humanWORLD 化学分析 C C分析化学 仪器分析 InstrumentInstrument 仪器分析（instrumental analysis）： 用精密分析仪器精密分析仪器测量物质的某些物理或物理化学性质以确定其化学组成、含量及化学结构的一类分析方法，又称为物理和物理化学分析法。物理分析法物理分析法 (physical analysis)：根据被测物质的某种物理性质与组分的关系，不经化学反应直接进行定性或定量分析的方法。如：光谱分析等。物理化学分析法物理化学分析法 (physi

2、cal-chemical analysis)：根据被测物质在化学变化中的某种物理性质与组分之间的关系，进行定性或定量分析的方法。如电位分析法等。 方法分类方法分类 主要分析方法主要分析方法 被测物理性质被测物理性质 光谱分析光谱分析 发射光谱分析、火焰光度分析发射光谱分析、火焰光度分析 辐射的发射 分子发光分析法分子发光分析法、放射分析法放射分析法 紫外紫外-可见分光光度法可见分光光度法 辐射的吸收 原子吸收分光光度法原子吸收分光光度法 红外光谱法、核磁共振波谱法红外光谱法、核磁共振波谱法 浊度法、拉曼光谱法浊度法、拉曼光谱法 辐射的散射 折射法、干涉法折射法、干涉法 辐射的折射 X-射线衍射

3、法、电子衍射法射线衍射法、电子衍射法 辐射的衍射 圆二色谱法圆二色谱法 辐射偏振方向的旋转 电化学分析电化学分析 电位法电位法 电极电位 电导法电导法 电导 极谱法极谱法、溶出伏安法溶出伏安法 电流-电压色谱分析色谱分析 气相色谱法气相色谱法、液相色谱法液相色谱法 薄层色谱法薄层色谱法 两相间的分配热分析热分析 热导法、差热分析法热导法、差热分析法 热性质质量分析质量分析 质谱法质谱法 质荷比仪器分析方法分类根据用以测量的物质性质物质性质，仪器分析方法主要分为以下几类:发射海盗号探测器首次登陆火星“海盗号”的气相色谱分析仪(GCMS) 进行的土壤加热分析发现过氧化物的大量存在让火星的土壤变得异

4、常 否决了生命物质的存在。 NASA十项最重要太空任务 ，离不开仪器分析的帮助。发射哈勃太空望远镜清晰度是地面天文望远镜的10倍以上，1.6万公里以外的一只萤火虫发现黑洞存在的证据，探测到恒星和星系的早期形成过程，观测到距离地球130亿光年的古老星系 钱德拉X射线天文卫星极高的空间分辨率和谱分辨率，X射线天文学从测光时代进入了光谱时代。在星暴星系M82中发现了中等质量黑洞的证据、发现伽玛射线暴GRB 991216中的X射线、观测到了银河系中心超大质量黑洞等。 对微观世界的认识、了解和研究同样离不开仪器分析的帮助。人的眼睛不能直接观察到比10-4m更小的物体或物质的结构细节光学显微镜使人类的视觉

5、得以延伸，人们可以观察到像细菌、细胞那样小的物体，但由于光波的衍射效应，使得光学显微镜的分辨率只能达到10-7m扫描电子显微镜（SEM）的分辨率为10-9m，高分辨透射电子显微镜（HTEM）和扫描透射电子显微镜STEM）可以达到原子级的分辨率(0.1 nm) 人类第一次能够实时观察单个原子在物质表面的排列状态与表面电子行为有关的物化性质。与其他表面分析技术相比，STM具有如下独特的优点： 1.具有原子级高分辨率，STM 在平行于样品表面方向上的分辨率分别可达 0I nm 和 001 nm，即可以分辨出单个原子 中国科学院化学所的科技人员利用纳米加工技术在石墨表面通过搬迁碳原子而绘制出的世界上最

6、小的中国地图 2. 可实时得到实空间中样品表面的三维图像，可用于具有周期性或不具备周期性的表面结构的研究，这种可实时观察的性能可用于表面扩散等动态过程的研究 3. 可以观察单个原子层的局部表面结构，而不是对体相或整个表面的平均性质，因而可直接观察到表面缺陷。表面重构、表面吸附体的形态和位置，以及由吸附体引起的表面重构等 硅111面77原子重构象 为了得到表面清洁的硅片单质材料，要对硅片进行高温加热和退火处理，在加热和退火处理的过程中硅表面的原子进行重新组合，结构发生较大变化，这就是所谓的重构。4. 可在真空、大气、常温等不同环境下工作，样品甚至可浸在水和其他溶液中 不需要特别的制样技术并且探测

7、过程对样品无损伤这些特点特别适用于研究生物样品和在不同实验条件下对样品表面的评价，例如对于多相催化机理、电化学反应过程中电极表面变化的监测等。 液体中观察原子图象 上图所示的是在电解液中得到的硫酸根离子吸附在铜单晶(111)表面的STM图象。图中硫酸根离子吸附状态的一级和二级结构清晰可见。 5. 配合扫描隧道谱（STS）可以得到有关表面电子结构的信息，例如表面不同层次的态密度。表面电子阱、电荷密度波、表面势垒的变化和能隙结构等 6. 利用STM针尖，可实现对原子和分子的移动和操纵，这为纳米科技的全面发展奠定了基础 1990年，IBM公司的科学家展示了一项令世人瞠目结舌的成果，他们在金属镍表面用

8、35个惰性气体氙原子组成“IBM”三个英文字母。 仪器分析主要优点：仪器分析主要优点： 1、 灵敏度极高灵敏度极高 2 、选择性好，适于复杂组分试样的分析选择性好，适于复杂组分试样的分析 3 、分析迅速，适于批量试样的分析分析迅速，适于批量试样的分析 4、 适于微量、超痕量组分的测定；适于微量、超痕量组分的测定； 5、 能进行无损分析；能进行无损分析； 5 、组合能力和组合能力和适应性强适应性强，能在线分析；，能在线分析； 6 、数据的采集和处理数据的采集和处理易于自动化和智能化。易于自动化和智能化。生物仪器分析研讨1. 由班长和学习委员负责联系同学或自由组合分组，每个研讨小组由 5-8名成员

9、组成，分组后选出小组长，由班长汇总报给我。2. 小组各成员独自从网上或图书馆找到至少一篇涉及生物仪器分析研究论文（中文或英文），相互分析比较，选取最合适的一篇做为小组共同研讨课题。（注意：1.相关研究背景知识、研究现状及研究创新之处。2. 使用的仪器，试剂及操作方法。3.文献给出的结果与分析讨论，以及你并运用所学的相关理论，解释相应分析讨论。4. 根据所学知识，找出至少一项文献中不足及有待改进之处。）3. 小组制作精美PPT，准备相应演讲稿，用5-10分钟时间，由推举小组代表对小组研讨对象、方法、结果分析、优缺点等内容进行讲解。4. 讲解结束后，根据同学和老师提出的问题或改进意见，修订后将相关

10、PPT及相应原始文献发到公用邮公用邮 箱箱1。5. 每位同学认真分析后，给每一小组打出研讨成绩，发到我的邮箱我的邮箱2 。汇总平均成绩即为该研讨小组每位成员的研讨成绩。注 1 psw: hd123456789 2 河南大学生命科学学院河南大学生命科学学院 C103-104 洪军洪军茨维特实验示意图 色谱法色谱法(chromatography)：以试样：以试样组分在固定相和组分在固定相和流动相间的流动相间的溶解、吸附、分配、离子交换或其他亲溶解、吸附、分配、离子交换或其他亲和作用的差异为依据和作用的差异为依据而建立起来的各种分离分析方分离分析方法法称色谱法。色谱柱：进行色谱分离用的细长管。固定相

11、：（stationary phase） 管内保持固 定、起分离作用定、起分离作用的填充物。流动相：（mobile phase）流经固定相的空隙 或表面的冲洗剂冲洗剂。按固定相的几何形式分类： 1.柱色谱法， 2.纸色谱法， 3.薄层色谱法按两相所处的状态分类 气相色谱法液相色谱法气气-固固色谱法液液-固固色谱法气气-液液色谱法 液液-液液色谱法国产气相色谱仪色谱-质谱联用仪1.高压钢瓶2.减压阀3. 载气净化干燥管4. 稳流阀5. 流量计6. 压力表7. 进样器8. 色谱柱9. 检测器10. 色谱工作站图1 、色谱过程 图2、 色谱图ABKAKB 色谱图 试样中各组分经色谱柱分离后，按先后次序

12、经过检测器时，检测器就将流动相中各组分浓度变化转变为相各组分浓度变化转变为相应的电信号应的电信号，由记录仪所记录下的信号信号时间曲线时间曲线或信号信号流动相体积曲线流动相体积曲线，称为色谱流出曲线色谱流出曲线，基线：基线： 在操作条件下，仅有纯流动相纯流动相进入检测器时的流出曲线。a a、标准偏差 0.607倍峰高处色谱宽度的一半b、标准偏差峰宽 W0.607h=2 c、半高峰宽 Wh/2=2(2ln2)1/2=2.35 峰高一半处的宽度d 、峰底宽 WD = 4 1) 保留时间：从进样至被测组分出现浓度最大值时所需时间tR。 2) 保留体积 ：从进样至被测组分出现最大浓度时流动相通过的体积，

13、VR。 死时间：死时间： 不被固定相滞留的组分，从进样至出现浓度最大值时所需的时间称为死时间(dead time)，tM。死体积死体积: 不被固定相滞留的组分，从进样至出现浓度最大值时流动相通过的体积称为死体积(dead volume) ，VM。（F0为柱尾载气体积流量） VM = tM F 01) 调整保留时间：扣除死时间后的保留时间。 tR?= tR tM) 调整保留体积：扣除死体积后的保留体积。 VR ? = VR VM 或 VR ? = tR ? F0相对保留值（相对保留值（relative retention） 在相同的操作条件下，待测组分与参比组分的调整保留值之比，用ri，s 表示

14、)()()()(sRiRsRiRsiVVttr ，（distribution coefficient） 在一定温度和压力下，组分在固定相和流动相间达到分配平衡时的浓度比值，用K表示。 。2、容量因子容量因子（capacity factor） 在一定温度和压力下，组分在固定相和流动相之间分配达到平衡时的质量比，称为容量因子，也称分配比，用k表示。 msccK mmssVcVck cs、cm分别为组分在固定相和流动相的浓度(g/ml)；V m为色谱柱中流动相的体积，近似等于死体积， Vs为色谱柱中固定相的体积。和分配比之间的关系和分配比之间的关系分配系数分配系数K 与柱中固定相和流动相的体积无关，

15、与柱中固定相和流动相的体积无关，而取决于组分及两相的性质，并随柱温、柱而取决于组分及两相的性质，并随柱温、柱压变化而变化。压变化而变化。 容量因子容量因子k 决定于组分及固定相的热力学性决定于组分及固定相的热力学性质，随柱温、柱压的变化而变化，还与流动质，随柱温、柱压的变化而变化，还与流动相及固定相的体积有关。相及固定相的体积有关。理论上可以推导出：1KVVKkMS MRMRVVttk Phaseratio(相比，):VM / VS,反映各种色谱柱柱型及其结构特征填充柱（填充柱（Packing column）: 635 毛细管柱（毛细管柱（Capillary column）: 501500MS

16、RVKVV色谱过程的基本方程式：色谱过程的基本方程式：MsMMRVVKtktt )1 ()1 (kVVKtttMMsMR kttMR SMRKVkVV kVVMR Martin and Synge 1941） 塔板理论认为，一根柱子可以分为n段，在每段内组分在两相间很快达到平衡，把每一段称为一块理论塔板。设柱长为L，理论塔板高度为H，则 H = L / n式中n为理论塔板数。总结塔板理论前提假设：1.每段间隔内，气相平均组成与液相平均组成迅速达到分配平衡。2.载气进入色谱柱不是连续的，而是脉动式的，每次进气为一个板体积。3.试样开始时都加在0号塔板上，并且试样沿色谱柱方向的扩散可忽略。4.分配系数在各塔板上是常数。 色谱柱塔板数n=5某一组分分配比k=1单位质量m=1以载气板体积数为横坐标，柱出口浓度为纵坐标，作出组分流出曲线图当n值很大时（103-106），流出曲线趋近于正态分布，流出曲线上浓度 c 与时间 t 关系为：222)(02Rttecc理论塔板数（n）可根据色谱图上所测得