仪器分析-绪论

仪器分析--绪论第一页，共54页。教材与参考书一、教材：1课件内容为准2刘密新等，《仪器分析》（第2版），清华大学出版社，2002二、参考书1武汉大学主编，《分析化学》下册，第五版，高等教育出版社,20072李克安主编，分析化学教程，北京大学出版社，20053DouglasA.Skoogetal.,PrinciplesofInstrumentalAnalysis,6thedition,ThomsonBrooks

,20072第二页，共54页。教学进度第1周绪论第2周紫外-可见吸收光谱（UV-vis）p96-137第3周紫外-可见吸收光谱（UV-vis）第4周红外光谱法（IR）p138-169第5周红外光谱法（IR）第6周气相色谱法第7周高效液相色谱法（HPLC）p257-298第8周期中考试第9周核磁共振波谱法（NMR）p170-216第10周公共假日（五一）第11周核磁共振波谱法第12周质谱法（MS）p299-347第13周质谱法第14周原子发射光谱法（OES）p41-73第15周原子吸收光谱法（AAS）p74-95第16周总复习3第三页，共54页。学习要求1.课堂要求手机处于关机或静音状态，不拨打接听电话或发送短信息；2.作业要求作业布置后下一周上课时交3.答疑电邮答疑；邮件或电话预约口头答疑；考前集中答疑4.考核方式与成绩评定作业成绩：20%期中考试（半开卷，带A4纸一页）：30%期末考试（半开卷，带A4纸一页）：50%4第四页，共54页。绪论1Introduction2ChemicalAnalysisandInstrumentalAnalysis3Classification4FigureofMerit5HowtoLearn6Application7PositionInChemistryResearch8CurrentTrends9HomeWork5第五页，共54页。1Introduction“仪器分析”课程概况“仪器分析”是化学相关学科的专业基础课，是生命科学、材料科学和环境科学研究的基础，是测量物质成分（组成）、含量、结构、表面和界面等物理化学特性的理论和实验方法。课程目标

培养分析仪器的熟练应用者和创新型研究人才：掌握常用仪器分析方法原理及应用，熟悉仪器结构具备选择适宜仪器分析方法的能力学习创新型思维模式6第六页，共54页。1IntroductionPrefaceof“PrinciplesofInstrumentalAnalysis”Physicalscientists,biologicalscientists,andengineershaveanimpressivearrayofpowerfulandeleganttoolsforgatheringqualitativeandquantitativeinformationaboutthecompositionandstructureofmatter.Studentsofchemistry,biochemistry,physics,geology,health-relatedsciences,engineering,andenvironmentalsciencesmustdevelopanunderstandingofthesetoolsandhowtheyareusedtosolveanalyticalproblems.7第七页，共54页。分析化学发现、创造新物质，探求物质的本质化学是物理学，生物学，矿物学，地球，天文研究的方法化学：1Introduction8第八页，共54页。什么是“分析化学”“分析化学”是获取物质的化学信息，研究物质的组成、含量、结构及状态的科学。如何获取物质的“化学信息”化学与如下科学结合，采用其方法和手段获取物质的“质”和“量”的资料，从而得到相关化学信息：

数学物理学生物学医学计算机科学2ChemicalAnalysisandInstrumentalAnalysis9第九页，共54页。“仪器分析”是分析化学的重要部分分析化学仪器分析化学分析定性分析定量分析重量法容量法酸碱、配位、氧化还原、沉淀、电位滴定“仪器分析”是以物质的物理或物理化学性质为基础的一类分析方法，其特征是以仪器作为分析测量的主要手段。由于这类方法依据了物质的物理或物理化学性质，因此，亦曾被称作物理或物理化学分析法。2ChemicalAnalysisandInstrumentalAnalysis10第十页，共54页。化学分析与仪器分析方法比较化学分析：常量组分分析（>1%），准确度高（Er=0.1-0.2%）。依据化学反应，使用玻璃仪器。仪器分析：微量组分分析（<1%），灵敏度高，Er=1-5%。依据物理或物理化学性质，使用特殊仪器。2ChemicalAnalysisandInstrumentalAnalysis11第十一页，共54页。3Classification仪器分析法分类一、根据研究对象分类

1.有机分析

2.无机分析二、根据分析任务分类

1.定性分析

2.定量分析

3.结构解析三、根据样品用量分类

1.常量分析

2.半微量分析

3.微量分析12第十二页，共54页。3Classification按被分析物质含量划分：常量成分分析（>1%）微量成分分析（1%-10-6）痕量成分分析（<10-6）超痕量成分分析（10-9）按取样量划分：常量样品分析（>10mg,>1mL）微量样品分析（0.1-10mg,0.01-1mL）超微量样品分析（<0.1mg,<0.01mL）按被分析物质的状态划分：成分分析表面与界面分析价态分析微区分析结构分析剥层分析ppm,ppb,ppt13第十三页，共54页。3Classification按原理、方法分类仪器分析光(波)谱分析法电化学分析法色谱分析法质谱分析法分析仪器联用技术热分析法14第十四页，共54页。3Classification光(波)谱分析法原子光谱法分子光谱法其它波谱法原子发射光谱法原子吸收光谱法X射线荧光与X射线衍射分析紫外-可见分子吸收光谱分析红外分子吸收光谱法拉曼光谱法分子荧光与磷光光谱法化学发光光谱法核磁共振与顺磁共振波谱法X射线光电子能谱和俄歇电子能谱15第十五页，共54页。光谱分析法以物质的光学性质(发射、吸收、散射等)为基础，依据物质的能量变化而建立起来的一类分析方法3Classification16第十六页，共54页。3ClassificationA.光谱分析法

1.紫外－可见分光光度法UV-VIS2.红外光谱法IR辐射的吸收3.原子吸收光谱法AAS4.核磁共振波谱分析NMR5.顺磁共振波谱分析ESR6.光声光谱法PAS17第十七页，共54页。3ClassificationA.光谱分析法

辐射的散射7.拉曼光谱法辐射的旋转8.旋光色散法

9.园二色性法辐射的衍射10.X射线和电子衍射分析18第十八页，共54页。3ClassificationA.光谱分析法

11.X射线荧光分析

12.原子发射光谱分析

辐射的发射13.电子探针分析

14.电子能谱分析

15.荧光分析和磷光分析

16.化学发光和生物发光分析19第十九页，共54页。3ClassificationB.

电化学分析法以物质的电化学性质为基础的一类分析方法。如电位、电流、电导、电量等电化学性质。电化学分析法电导分析法电位分析法(pH与离子选择电极)电流分析法(库仑分析和电重量法)伏安分析法(极谱和溶出伏安法)20第二十页，共54页。3ClassificationC.色谱分析法以物质在互不相溶的两相中分配系数的差异而建立起来的一类分析方法。如气-固、气-液、液-固、液-液等两相分离法毛细管电动色谱法色谱分离法电泳分离法气相色谱法液相色谱法超临界流体色谱法毛细管电泳法21第二十一页，共54页。3ClassificationD.其他分析方法

25.质谱法MS26.热重量分析法TG27.差热分析法DTA28.示差扫描量热法DSC29.放射化学分析

30.动力学方法质谱法给待测物以能量使之电离成带电碎片，按质荷比的大小排列得到质谱图，对物质的质量进行分析的方法。22第二十二页，共54页。4FigureofMerit仪器分析的主要性能指标

准确度Accuracy

精密度Precision

灵敏度Sensitivity

检测限LimitofDetection

线性范围LinearRange

选择性Selectivity23第二十三页，共54页。4FigureofMerit仪器分析的主要性能指标

准确度Accuracy绝对误差（absoluteerror）相对误差（relativeerror）

测定值与真值相符合的程度公认真值：原子量、纯物质中各元素的理论含量、标样的标准值等24第二十四页，共54页。4FigureofMerit仪器分析的主要性能指标

精密度Precision精密度表示平行测定结果互相靠近的程度。一般用相对标准偏差（变动系数）表示。25第二十五页，共54页。4FigureofMerit仪器分析的主要性能指标

灵敏度，工作曲线的线性范围及检测限26第二十六页，共54页。4FigureofMerit仪器分析的主要性能指标

灵敏度，工作曲线的线性范围及检测限信号噪声工作曲线浓度27第二十七页，共54页。5HowtoLearn仪器分析的学习方法抓住主线：原理、特点、用途；重点在原理归纳共性和个性：以色谱为例，共性：复杂混合物分离分析个性：流动相不同，原理差异，对象不同处理好整体与局部：分析仪器——结构流程——关键部件拓宽知识面：化学+物理+电子技术+计算机（综合学科）28第二十八页，共54页。6Application现代仪器分析的应用领域环境科学材料科学能源科学生命科学信息科学空间科学纳米科学29第二十九页，共54页。6Application社会：体育兴奋剂检测、生活产品质量监控（农残、食品添加剂检测、水产品新鲜度）、环境质量监控（污染实时监测）、法庭化学（DNA技术，物证）化学：新化合物的结构表征、分子层次的分析方法生命科学：DNA测序，活体检测，药物的有效成分、结构及构效关系环境科学：环境检测、污染物分析材料科学：新材料的结构与性能空间科学：微型、高效、自动、智能化仪器研究30第三十页，共54页。例：（1）STM(ScanningTunnelMicroscope)IBM某研究所，1986年诺贝尔物理学奖

可研究物质表面的原子结构及形貌。可在纳米尺度探测表面。分辨率高：横向0.1nm，纵向0.01nm（2）CE(CapillaryElectrophoresis)完成了人类基因组计划，实现人类基因测序拉开了后基因时代序幕7PositionInChemistryResearch（3）DNA双螺旋结构的确证从生物组织、DNA、双螺旋结构，到遗传机理的阐明，仪器分析起了关键作用31第三十一页，共54页。BDNAARNAZDNA

核酸双螺旋结构X-光衍射技术32第三十二页，共54页。Nucleobasesin

SingleStrandDNA

andRNAAC5’3’5’3’GTACGUDNARNA33第三十三页，共54页。3.4nm0.34nm1nmStructureofB-DNAMajorgrooveMinorgroove・ComplimentaryDNAstrandsmaketheright-handedhelicalduplexwhichshowschirality.・B-DNAisabiologicallymostcommonformandhas

10basepairsperturn.・Basesstacked1/3nmapart・Sugar/phosphatebackbonesareoutside(hydrophilic).主溝副溝積重構造oxygenphosphorusnitrogencarbonhydrogen外側親水的内側疎水的34第三十四页，共54页。35第三十五页，共54页。2002年度诺贝尔化学奖J.B.Fenn,K.Wuthrich,KoiichiTanaka（田中耕一）MALDI-MSMatrixAssistedLaserDesporptionIonization–MassSpectrometry(介质支撑激光解吸离子化质谱)LD:laserdesorption

学术贡献：以往方法：生物大分子的结构解析及其方法研究样品分子直接吸收激光，热稳定性差的蛋白质在离子化时分解。故不适用于热稳定性差的蛋白质分析7PositionInChemistryResearch36第三十六页，共54页。MALDI-MS的原理样品分子不直接气化离子化，介质试剂气化时样品分子被带入气相，与离子化的试剂之间产生质子、电子的授受而离子化将样品分子均匀分散在大量激光吸收率高的试剂中，以脉冲激光照射样品表面。37第三十七页，共54页。获Nobel奖的冠醚的发现过程17PositionInChemistryResearch38第三十八页，共54页。获Nobel奖的冠醚的发现过程27PositionInChemistryResearch39第三十九页，共54页。获Nobel奖的冠醚的发现过程37PositionInChemistryResearch40第四十页，共54页。获Nobel奖的冠醚的发现过程47PositionInChemistryResearch41第四十一页，共54页。C.J.Pedersen:J.Am.Chem.Soc.,89,7017(1967)

冠醚化学

D.J.Cram:Science,183,803(1974)

主客体化学J.M.Lehn:PureAppl.Chem.,50,871(1978)

超分子化学冠醚的发现主客体化学超分子化学7PositionInChemistryResearch42第四十二页，共54页。Rotaxanes:JACS,2006,2JACS,2006,7其它超分子举例43第四十三页，共54页。8CurrentTrends1)化学分析到仪器分析2)常量分析到微量分析3)总体分析到表面、局部和深度分析静态到动态分析5)新的分析法(获得“质”的信息)

6)新的解析法7)状态解析到物质体系的诊断44第四十四页，共54页。碳的同素异型体45第四十五页，共54页。更高的灵敏度/更低的检测限更好的选择性/更少的基体干扰更高的准确度/更好的精密度更快的分析速度更高的自动化程度更完善的多分析物同时检测能力更完善可信的形态分析更小的样品量，微损或无损分析原位（insitu）、活体内（invivo）、实时分析（realtime）更多的应用范围（遥测；极端或特殊环境中的分析）高分辨成像8CurrentTrends常量分析到微量分析46第四十六页，共54页。8CurrentTrends常量分析到微量分析单细胞中的离子、分子检测

单细胞：大小约1-10m，是

远距离检测：

火星岩石的X射线荧光分析

江河湖海等天然水中化学成分的现场分析（insitu）

47第四十七页，共54页。超微粒、分子簇(cluster)、中介相(mesophase)、层间物质的测定等扫描隧道显微镜(STM):原子层次俄歇电子