第10章仪器分析法概述ppt课件

1、第第10章章 仪器分析法概述仪器分析法概述 Overview of Instrument Analysis第第10章章 仪器分析法概述仪器分析法概述n仪器分析法：采用较为特殊或复杂的仪器设备，仪器分析法：采用较为特殊或复杂的仪器设备，通过测量物质的某些物理或物理化学性质参数或通过测量物质的某些物理或物理化学性质参数或变化来确定其化学组成、成分含量或结构的分析变化来确定其化学组成、成分含量或结构的分析方法。化学反应不是必须条件。方法。化学反应不是必须条件。n化学法：使用天平和玻璃器皿，基于化学反应平化学法：使用天平和玻璃器皿，基于化学反应平衡基础上的分析方法。衡基础上的分析方法。10-1 仪器分

2、析法分类仪器分析法分类n凡能表征物质的所有物理或物理化学性质均可作为分析该凡能表征物质的所有物理或物理化学性质均可作为分析该物质的依据，根据物质产生的可测信号不同，可把仪器分物质的依据，根据物质产生的可测信号不同，可把仪器分析法分为以下几类：析法分为以下几类：n光学分析法光学分析法n电分析化学法电分析化学法n色谱分析法分离分析法）色谱分析法分离分析法）n其他仪器分析法质谱法、热分析法、放射化学分析法、其他仪器分析法质谱法、热分析法、放射化学分析法、动力学方法等）动力学方法等）10-1-1 光学分析法光学分析法1）n光电磁辐射）：是一种以极大的速度通过空间，不要任光电磁辐射）：是一种以极大的速度

3、通过空间，不要任何物质作为传播媒介的能量，具有波粒二象性。何物质作为传播媒介的能量，具有波粒二象性。表表1 电磁波的波长范围电磁波的波长范围波谱区波谱区 射线射线 射线射线紫外线紫外线可见光可见光红外线红外线无线电波无线电波波长波长nm0.0050.005-1010-400400-800800-106106-1014表表2 光学光谱区光学光谱区波谱区波谱区远紫外远紫外近紫外近紫外可见区可见区近红外近红外中红外中红外远红外波远红外波波长波长10-200nm200-400nm400-800nm800nm-2.5 m2.5-50 m50-1000 m /hcE10-1-1 光学分析法光学分析法2）n

4、光学分析法：根据物质发射光或光与物质相互作用而建立光学分析法：根据物质发射光或光与物质相互作用而建立起来的一类分析化学方法。可分为非光谱法和光谱法。起来的一类分析化学方法。可分为非光谱法和光谱法。n非光谱法：如折射法，浊度法，旋光法等。其特点是物质非光谱法：如折射法，浊度法，旋光法等。其特点是物质与电磁辐射的作用不涉及物质内部能级的跃迁，但辐射的与电磁辐射的作用不涉及物质内部能级的跃迁，但辐射的某些性质：折射、散射、偏振等性质发生变化。某些性质：折射、散射、偏振等性质发生变化。n光谱法：基于物质与电磁辐射作用时，由于物质内部量子光谱法：基于物质与电磁辐射作用时，由于物质内部量子化的能级之间发生

5、跃迁产生的发射、吸收和散射现象而进化的能级之间发生跃迁产生的发射、吸收和散射现象而进行分析的方法，如发射光谱法、吸收光谱法、拉曼散射光行分析的方法，如发射光谱法、吸收光谱法、拉曼散射光谱法等。谱法等。10-1-1 光学分析法光学分析法3）特性特性仪器方法仪器方法说明说明光发射光发射发射光谱法、荧光发射光谱法、荧光/磷光、化学发光磷光、化学发光光由待测物产生光由待测物产生光吸收光吸收分光光度分光光度、声光光谱、核磁、声光光谱、核磁/电子自旋共振电子自旋共振光与待测物作用光与待测物作用后发生变化后发生变化光散射光散射浊度法、拉曼光谱浊度法、拉曼光谱光折射光折射折光分析、干涉法折光分析、干涉法光衍射

6、光衍射X-射线和电子衍射光谱射线和电子衍射光谱光偏转光偏转旋光分析、旋光性色散分析、园二色性光谱旋光分析、旋光性色散分析、园二色性光谱10-1-2 电化学分析法电化学分析法电极电极电电化化学学工工作作站站待待测测试试液液化化学学电电池池电电化化学学信信号号电位电位电荷电荷电导电导电位电位电流电流-10-1-3 色谱分析法色谱分析法分离方法分离方法检测手段检测手段色谱法：色谱法： 利用利用外力外力使含有样品（多个使含有样品（多个组分）的组分）的流动相流动相通过与流动相互不相通过与流动相互不相溶的溶的固定相固定相表面。样品中各组份与两表面。样品中各组份与两相发生相发生不同程度的作用不同程度的作用而

7、使其流动速而使其流动速率产生差异，通过固定长度的固定相率产生差异，通过固定长度的固定相所用的时间不同，从而实现分离。所用的时间不同，从而实现分离。流动相流动相作用模式作用模式光、电、光、电、质谱等质谱等气相色谱气相色谱吸附吸附分配分配液相色谱液相色谱吸附吸附分配分配静电静电筛分筛分亲和亲和电泳：电泳：同一电场强度下不同组分荷质比不同产生的差速迁移同一电场强度下不同组分荷质比不同产生的差速迁移超临界超临界电色谱电色谱10-2 分析仪器的组成分析仪器的组成1）n分析仪器的基本结构单元分析仪器的基本结构单元信号信号发生器发生器检测器检测器信号信号处理器处理器分析分析信号信号输入输入信号信号表头表头记

8、录仪记录仪数字显示仪数字显示仪或计算机处理或计算机处理输出输出信号信号读读出出装装置置工作站数据处理及仪器控制）工作站数据处理及仪器控制）将信号发生器得到的信号转化为电信号将信号发生器得到的信号转化为电信号10-2 分析仪器的组成分析仪器的组成2）n分析仪器的类型分析仪器的类型n通用型（通用型（）n仪器设计的物理化学根底：光谱仪、色仪器设计的物理化学根底：光谱仪、色谱仪、电化学分析仪等谱仪、电化学分析仪等n分析对象：分子原子分析仪器、分离分分析对象：分子原子分析仪器、分离分析仪器、联用仪器等析仪器、联用仪器等n专用型：指不同应用学科领域测定某些特定对象专用型：指不同应用学科领域测定某些特定对象

9、或项目的分析仪器，如大气监测仪、水质分析仪、或项目的分析仪器，如大气监测仪、水质分析仪、酶联免疫分析仪、工业生产流程自动控制的过程酶联免疫分析仪、工业生产流程自动控制的过程分析仪器等分析仪器等10-3 仪器分析法的特点仪器分析法的特点试样用量少试样用量少mL、mg L、 g ）；方法灵敏度高，检出限低）；方法灵敏度高，检出限低10-6 g 10-12 g ），适于微量、痕量、超痕量成分的测定），适于微量、痕量、超痕量成分的测定选择性较化学分析好选择性较化学分析好操作简便，分析速度快，易于实现自动化操作简便，分析速度快，易于实现自动化可实现复杂混合物成分分离、鉴定或结构测定可实现复杂混合物成分分

10、离、鉴定或结构测定可实现物质非破坏性分析及表面、微区、形态等分析但通常情况下，可实现物质非破坏性分析及表面、微区、形态等分析但通常情况下，样品前处理亦是仪器分析法中最关键的步骤）样品前处理亦是仪器分析法中最关键的步骤）相对误差较大测定高含量组分准确度较化学法低，但在不断提高）相对误差较大测定高含量组分准确度较化学法低，但在不断提高）需要比较昂贵的专用仪器需要比较昂贵的专用仪器10-4 仪器分析的发展趋势仪器分析的发展趋势n小型化集成化芯片）、多功能化联用技术和高稳定、高小型化集成化芯片）、多功能化联用技术和高稳定、高灵敏度检测是仪器分析发展的最高境界。灵敏度检测是仪器分析发展的最高境界。n目前

11、分析化学界尚未解决的主要问题目前分析化学界尚未解决的主要问题n单分子单细胞测量技术单分子单细胞测量技术n微型化技术微型化技术n复杂体系分析复杂体系分析生物芯片生物芯片便携式光度计便携式光度计小型化质谱仪小型化质谱仪10-5 仪器分析中的定量方法仪器分析中的定量方法n仪器分析中信号与组分含量的关系仪器分析中信号与组分含量的关系ckS a （很多情况下等于（很多情况下等于0）非常数，随测定条件或仪器不同而不同！非常数，随测定条件或仪器不同而不同！需用标准物质进行确定！需用标准物质进行确定！10-5-1 比较法单标对照法）比较法单标对照法）试样试样标样标样试样试样试样试样ckS 标样标样标样标样ck

12、S 标样标样标样标样试样试样试样试样c/SSc 使用前提：使用前提：标样与试样浓度接近标样与试样浓度接近试样中干扰成分少基体简单）试样中干扰成分少基体简单）10-5-2 标准曲线法标准曲线法 采用相同的处理方式配制一系列已知浓度采用相同的处理方式配制一系列已知浓度c1c2cn标准溶液标准溶液和待测试样和待测试样cx），并保证），并保证c1cxcn； 在相同的条件下分别测定相应的信号在相同的条件下分别测定相应的信号S1、S2Sn和和Sx； 建立浓度建立浓度c1、c2cn和信号和信号S1、S2Sn的线性关系；的线性关系； 由由Sx和所得线性关系求出和所得线性关系求出cx； 由由cx求出原始试样的含

13、量。求出原始试样的含量。最常用，但试样基体复杂时误差较大最常用，但试样基体复杂时误差较大40cx0.0520S0.00.20.40.60.81.01.230cxS坐标纸直接绘出曲线坐标纸直接绘出曲线最小二乘法可获得曲线方程）最小二乘法可获得曲线方程）做图软件做图软件origin、Exel等兼备上述两者）等兼备上述两者）例：分光光度法测定水中微量铁的步骤与数据如下，计算试样中微量的例：分光光度法测定水中微量铁的步骤与数据如下，计算试样中微量的含量。含量。系列标准溶液系列标准溶液空白溶液空白溶液待测液待测液容量瓶（容量瓶（50 mL）编号）编号0 123456100 mg L-1 Fe2+溶液溶液

14、/mL00.30.60.91.21.55.010盐酸羟胺水溶液盐酸羟胺水溶液 /mL1111111混匀后放置混匀后放置3-5 min0.2邻菲啰啉溶液邻菲啰啉溶液/mL1.51.51.51.51.51.51.5pH4.6的的HAc-NaCl缓冲液缓冲液5555555定容至定容至50mL，放置，放置10 min后于后于510 nm处测定处测定A仪器响应仪器响应A（吸光度）（吸光度）0.1120.2270.3280.4680.5730.428解：解：cFe/mgL-10.61.21.82.43.0A0.1120.2270.3280.4680.573当然也可以用所加标准溶液的体积或者所含标准物质的质

15、量对信号作图当然也可以用所加标准溶液的体积或者所含标准物质的质量对信号作图绘制标准曲线绘制标准曲线0.00.51.01.52.02.53.00.00.10.20.30.40.50.6AcFe/( g/mL)拟合方程：拟合方程：A=0.191cFe相关系数：相关系数：r=0.999计算结果计算结果1Lmg 4 .2200. 500.50191. 0428. 0c 待待测测标准加入法标准加入法 将一系列已知量的待测物标准物质分别加入到几等份试样待测将一系列已知量的待测物标准物质分别加入到几等份试样待测样品中，配制成浓度为样品中，配制成浓度为cx+0）、（）、（cx+ c1）、（）、（cx+ c2）

16、、（）、（cx+ c3），且具有相同基体组成的标准系列；，且具有相同基体组成的标准系列； 在相同条件测得相应信号在相同条件测得相应信号S0、S1、S2 以浓度以浓度0、c1、c2 与信号与信号S0、S1、S2作图，将直线外推至与作图，将直线外推至与浓度轴相交，即可求得试样中待测物质的浓度浓度轴相交，即可求得试样中待测物质的浓度cx试样基体比较复杂时采用试样基体比较复杂时采用该法可消除试样基体对测定的影响，但操作该法可消除试样基体对测定的影响，但操作比较繁琐，仅在样品数量较少时采用。有时比较繁琐，仅在样品数量较少时采用。有时也可仅加标一次，直接利用公式计算结果。也可仅加标一次，直接利用公式计算结

17、果。1c2c3c自学内容自学内容n能熟练使用能熟练使用origin或或Exel绘制校正曲线绘制校正曲线nOrigin7.5版及简单使用说明已经发到公共信箱版及简单使用说明已经发到公共信箱1-6 分析仪器的性能表征分析仪器的性能表征n分析仪器的性能指标分析仪器的性能指标性能性能表征表征分析对象分析对象精密度精密度标准偏差、相对标准偏差标准偏差、相对标准偏差准确度准确度绝对误差、相对误差绝对误差、相对误差灵敏度灵敏度校正灵敏度、分析灵敏度校正灵敏度、分析灵敏度检出限检出限空白空白+3倍空白标准偏差倍空白标准偏差线性（动态）范围线性（动态）范围可以分析的浓度范围可以分析的浓度范围选择性选择性选择性系

18、数等选择性系数等其它原则：分析速度；分析难度和方便性；对操作者的技能要求；仪其它原则：分析速度；分析难度和方便性；对操作者的技能要求；仪器维护及实用性；分析测试费用等器维护及实用性；分析测试费用等10-6-1 灵敏度灵敏度1）n指待测组分浓度或量改变时所引起仪器信号的改变，指待测组分浓度或量改变时所引起仪器信号的改变，反映了仪器或方法识别微小浓度或含量变化的能力，该值反映了仪器或方法识别微小浓度或含量变化的能力，该值越大，仪器或方法的灵敏度越高。越大，仪器或方法的灵敏度越高。nInternational Union of Pure & Applied Chemists，即，即IUPAC

19、推荐使用推荐使用“校正灵敏度或者校正灵敏度或者“校正曲线斜率作校正曲线斜率作为衡量灵敏度高低的标准。为衡量灵敏度高低的标准。10-6-1 灵敏度灵敏度2） 仪器校正灵敏度与所选标准物和测定条件有关仪器校正灵敏度与所选标准物和测定条件有关 有些仪器方法有习惯使用的表示方式有些仪器方法有习惯使用的表示方式010203040506000.10.20.30.40.50.6ScS2=k2c+Sblank-2S1=k1c+Sblank-1k1，k2分别为两条校正曲分别为两条校正曲线的斜率，即灵敏度。线的斜率，即灵敏度。未考虑测定重现性影响！未考虑测定重现性影响！10-6-2 检出限检出限DL）（）（1）n

20、仪器信号的组成仪器信号的组成本底本底空白空白试样试样SSSS 本底本底试样试样SSS 本底信号：没有试样时，仪器所产生的信号本底信号：没有试样时，仪器所产生的信号 不可以消除，但是可以通过仪器的改善或适当的数据处理而减小，不可以消除，但是可以通过仪器的改善或适当的数据处理而减小，影响检出限的主要因素之一影响检出限的主要因素之一空白信号：试样中无待测组分时，仪器所产生的信号干扰组分的）空白信号：试样中无待测组分时，仪器所产生的信号干扰组分的） 理论上可以通过选择适当前处理方式或参比试剂予以消除理论上可以通过选择适当前处理方式或参比试剂予以消除10-6-2 检出限检出限2）测定次数，测定次数，nS

21、：表示本底信号的大小：表示本底信号的大小仪器信号仪器信号S ，表明有一定概率含有待测组分，其产生的信号为：，表明有一定概率含有待测组分，其产生的信号为：bS bS令令 ，则可用，则可用 表示待测组分的信号大小。表示待测组分的信号大小。K值越大值越大 ，表示含有待测组分的概率就越高表示含有待测组分的概率就越高 （通常概率取（通常概率取95%，K=3）。此时仪器）。此时仪器响应信号响应信号 ；分析物的含量为；分析物的含量为 bs：本底信号的标准差：本底信号的标准差表示其波动性表示其波动性bSS bsK bbs/SSK bbs3SS ks3kSSbb 灵敏度灵敏度10-6-2 检出限检出限3）n检出

22、限：指在已知置信水平通常为检出限：指在已知置信水平通常为95%）下，可以）下，可以检测到的待测物的最小浓度质量）。检测到的待测物的最小浓度质量）。ks3ksK)m(cbbDLDL sb：为本底信号的标准偏差，可用空白：为本底信号的标准偏差，可用空白或近空白待测组分含量很低试样信或近空白待测组分含量很低试样信号的标准偏差代替；号的标准偏差代替；k：为校正曲线斜率：为校正曲线斜率检出限仅表示仪器或方法可能检到的最低浓度或质量），实际定量检出限仅表示仪器或方法可能检到的最低浓度或质量），实际定量分析中为了获得较为可靠的结果，定量下限设定为分析中为了获得较为可靠的结果，定量下限设定为k/s10LOQb

23、 检出限的测定检出限的测定 测定空白样品或近空白样品信号测定空白样品或近空白样品信号20-30次，求其平均值次，求其平均值 及其标及其标准偏差准偏差 sb，则可分辨的最小信号，则可分辨的最小信号 通过校正曲线的斜率通过校正曲线的斜率k，将最小待测物信号，将最小待测物信号SDL转化为浓度值转化为浓度值cDL或质量值或质量值mDL），即），即bSbbDLs3SS ks3kSS)m(cbbDLDLDL 测量信号的标准偏差测量信号的标准偏差s与所用试样浓度有关，检出限测定时应用与所用试样浓度有关，检出限测定时应用空白或尽可能稀的溶液。空白或尽可能稀的溶液。例：已知某元素在某仪器上的响应为例：已知某元素

24、在某仪器上的响应为S=kc，采用，采用0.0500 mgL-1近近空白该元素的标准液，在该仪器上连续测定空白该元素的标准液，在该仪器上连续测定10次，所得信号如下表，次，所得信号如下表，试计算该仪器对该元素的的检测限。试计算该仪器对该元素的的检测限。测定次数测定次数12345S0.1650.1700.1660.1650.168测定次数测定次数678910S0.1670.1680.1660.1700.167解：解：167. 0S 0018. 0sb1mgL 34. 30500. 0/167. 0c/Sk13bDLLmg 106 . 134. 3/0018. 03k/s3c10-6-3 线性范围线

25、性范围linear range ）线性范围线性范围C DL浓度，浓度，c响响应应信信号号SBlanKs10LOQ LOL100LOQ/LOL线性范围越大越好，通常应在线性范围越大越好，通常应在2个数量级以上个数量级以上UV-Vis总结总结1） UV-Vis特指分子对特指分子对200800 nm区间内电磁辐射吸收而产生的光谱法，区间内电磁辐射吸收而产生的光谱法，所涉及的是分子外层电子的能级跃迁但也伴随着振动和转动能级的所涉及的是分子外层电子的能级跃迁但也伴随着振动和转动能级的跃迁，因此吸收曲线的轮廓较宽，故称之为带状光谱，这是相对原子跃迁，因此吸收曲线的轮廓较宽，故称之为带状光谱，这是相对原子的

26、线状光谱而言的）的线状光谱而言的） 光谱的表征：光谱的表征：A-曲线曲线 定量：定量： 定性：定性： max吸收强度吸收强度）、吸收峰个数、相对强度、谱图形状等）、吸收峰个数、相对强度、谱图形状等T1lgIIlgAt0 clkcA 通常选择通常选择max处处仅能反映官能团信息，定性能力弱仅能反映官能团信息，定性能力弱常用来研究分子间相互作用作用后常用来研究分子间相互作用作用后max、等发生变化）等发生变化）UV-Vis总结总结2） 有机化合物有机化合物UV-Vis光谱类型：光谱类型：、n、 、 n 电荷转移分子内氧化还原）电荷转移分子内氧化还原） 无机化合物无机化合物UV-Vis类型：电荷转移

27、、配位体场类型：电荷转移、配位体场 常用术语：生色团、助色团、增色、减色、红移、蓝移、常用术语：生色团、助色团、增色、减色、红移、蓝移、K带、带、R带带 影响因素：共轭红移、增色）、空间效应位阻大、蓝移）、影响因素：共轭红移、增色）、空间效应位阻大、蓝移）、pH、溶剂溶剂化效应；极性增大：溶剂溶剂化效应；极性增大： 红移红移 、 n 蓝移蓝移 ） 可见光的互补：溶液的颜色与吸收光颜色互补；滤光片颜色与透过光可见光的互补：溶液的颜色与吸收光颜色互补；滤光片颜色与透过光颜色相同。颜色相同。UV-Vis总结总结3）nUV-Vis仪器仪器n基本结构基本结构n常见类型：单光束、双光束、双波长；多通道仪常