仪器分析绪论

仪器分析绪论第一页，共66页。推荐几本参考书1、朱明华主编.仪器分析（第三版）.北京：高等教育出版社，20002、方惠群，于俊生，史坚编著.仪器分析.北京：科学出版社，2002.23、徐秉玖.仪器分析.北京：北京医科大学出版社，2003.8第二页，共66页。推荐几个仪器分析有关的网站中国生物论坛

仪器信息网——仪器论坛分析仪器论坛中国色谱网第三页，共66页。本课程的教学要求本课程是食品与生物工程专业的限选课之一。通过本课程的学习要达到以下目的：1、要求学生掌握常用仪器分析方法的原理和仪器的简单结构；2、初步具有根据分析的目的，结合学到的各种仪器分析方法的特点、应用范围，选择适宜的分析方法的能力；3、了解分析仪器发展的新动向。第四页，共66页。本课程的主要内容1、绪论部分2、光谱分析导论3、紫外可见分光光度法4、原子吸收分光光度法5、原子发射和原子荧光光谱法6、红外光谱法7、色谱法导论8、气相色谱法9、高效液相色谱法10、核磁共振波谱法11、质谱法第五页，共66页。绪论内容1、分析化学与仪器分析的关系2、仪器分析与化学分析的关系3、仪器分析的概念4、仪器分析方法的种类5、分析仪器的组成6、仪器分析的一般过程7、仪器分析的发展第六页，共66页。本章学习目的与要求1、掌握仪器分析的概念、分类以及仪器分析的一般过程；2、了解现代仪器分析的特点和发展。第七页，共66页。•分析化学：研究获得物质化学组成，结构信息，分析方法及相关理论的科学。化学分析:利用化学反应和它的计量关系来确定被测物质的组成和含量的一类分析方法。仪器分析：以物质的物理和物理化学性质（光、电、热等）为基础建立起来的一种分析方法。第八页，共66页。电化学分析法电导分析法电位分析法（pH与离子选择性电极）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）分离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毛细管电动色谱法第九页，共66页。按被分析物质的含量划分，分为三类按被分析物质的状态划分，分为三类表面分析微区分析剥层分析常量分析（>0.01%)痕量分析(0.01-0.00001%)超痕量分析(<0.00001%)成分分析状态分析结构分析常量分析（>10mg,>1ml)微量分析(0.1-10mg,0.01-1ml)超微量分析(<0.1mg,<0.01ml)按取样量划分，分为三类第十页，共66页。分析化学化学分析仪器分析酸碱滴定配位滴定氧化还原滴定沉淀滴定电化学分析光化学分析色谱分析波谱分析重量分析滴定分析电导、电位、电解、库仑极谱、伏安发射、吸收，荧光、光度气相、液相、离子、超临界、薄层、毛细管电泳红外、核磁、质谱第十一页，共66页。二、分析化学研究的两个方面分析化学分析方法分析对象举例：（1）—矿石和水分析的发展使分析化学从容量分析过渡到光谱分析（2）—原子能科学的发展带动了离子交换分离法的发展（3）—复杂物质分析的需求使仪器分析向智能化发展（二恶英分析）第十二页，共66页。人类社会的发展给分析化学带来了越来越多的难题，也为分析化学的发展提供了越来越多的机会和发展空间，要适应社会发展的需要，分析化学家必须综合数学的、物理的、生物的、计算机的以及精密仪器制造的最新科学成果来丰富分析化学学科，因此，分析化学，特别是仪器分析已经成为一门综合性边缘科学。

——分析化学已经走出化学！——分析化学正在发展成一门信息科学！第十三页，共66页。与分析仪器发明相关的诺贝尔奖获得者1901 Rontgenetal 首次发现X射线存在1907 Michelsonetal 首次制造精密光谱仪器1922 Astonetal 发明质谱测定同位素1923 Pregletal 发明有机物微量分析1930 Ramanetal 发现拉曼效应1944 Rabietal 用共振方法记录原子核磁性1948 Tiseliusetal用电泳法发现血浆蛋白性质1952 Blochetal 发展核磁共振精细测量法1952 Martinetal 发明分配色谱1959 Heyrovskyetal 发明极谱法1981 Siegbahnetal 发明高分辨电子光谱法1981 Bloembergenetal发展激光光谱学1991 Ernstetal对高分辨核磁共振方法发展第十四页，共66页。分析化学的发展和仪器分析的产生分析化学经历了三次重大变革：第一次：16世纪天平的出现使分析化学有了科学的内涵；20世纪初物理化学溶液理论的发展，建立了溶液中四大反应平衡理论（包括酸碱、配合、氧化还原和沉淀）。分析化学引入了物理化学的概念，形成了自己的理论基础。分析化学从此由一门技术变成一门科学。第十五页，共66页。分析化学的发展和仪器分析的产生第二次变革：在上个世纪40年代，二战前后。由于物理学和电子技术的发展被引入到分析化学中，出现了由经典的化学分析发展到仪器分析的新时期，这一时期的重大科学发现为新的仪器分析方法的建立和发展奠定了基础。例如：1、BlochF和PurcellEM发明了核磁共振，获得1952年的诺贝尔物理奖；2、MartinAJP和SyngeRLM开创气相色谱分析法，获1952年诺贝尔化学奖；3、HeyrovskyJ开创极谱分析法，获1959年诺贝尔化学奖。第十六页，共66页。分析化学的发展和仪器分析的产生第三次变革：70年代末开始，以计算机为主要标志的信息时代的来临，给科学技术的发展带来了巨大的冲击。计算机的应用可使操作和数据处理快速、准去与简便化，出现了分析仪器的智能化。计算机又促进数理理论渗入分析化学，出现了化学计量学，它是利用数学和统计学的方法设计或选择最佳测量条件，并从分析测量中获取最大程度的化学信息。第十七页，共66页。分析化学、化学分析、仪器分析分析化学是研究物质的组成、状态和结构的科学，它包括化学分析和仪器分析两大部分。化学分析是指利用化学反应和它的计量关系来确定被测物质的组成和含量的一类分析方法。测定时需使用化学试剂、天平和一些玻璃器皿。第十八页，共66页。1.分析化学是做什么的？分析化学是研究物质的化学组成的！这句话可展开为：1）

What?定性分析(qualitativeanalysis):目标物质的原子、分子或功能基团组成信息；2）

Howmuch?定量分析(quantitativeanalysis):目标物质的数量信息。第十九页，共66页。2.分析化学分类从分析化学的发展历史来看，分析化学分为两类：经典分析以及仪器分析，后者比前者晚100多年！经典分析化学分离：沉淀、萃取、蒸馏等分离方法；定性方法：加入各种试剂，测量待测物（analyte,targetspecies）的颜色、沸熔点、气味、光学性质（拆射、反射、衍射等）以及在不同溶剂中的溶解特性。定量方法：重量法、滴定（容量）法

第二十页，共66页。分析化学、化学分析、仪器分析仪器分析是以物质的物理和物理化学性质为基础建立起来的一种分析方法，测定时，常常需要使用比较复杂的仪器。仪器分析的产生为分析化学带来革命性的变化，仪器分析是分析化学的发展方向。第二十一页，共66页。仪器分析化学分离：色谱技术和毛细管电泳技术开始取代沉淀、萃取、蒸馏等分离方法；定性定量方法：利用物质原子、分子、离子等的特性，如电导、电位、光吸收和发射、质荷比、荧光等；评论：经典分析方法多适于常量分析！尽管此法仍有广泛应用，但随时间的推移，尤其是随着大量的、新的仪器分析方法的出现，该法将走向没落！思考：仪器分析方法所利用的许多物理现象的发现有一个多世纪了，可为什么其应用却远远滞后？

第二十二页，共66页。仪器分析的特点(与化学分析相比)1、灵敏度高，检出限量可降低。如样品用量由化学分析的mL、mg级降低到仪器分析的g、L级，甚至更低。适合于微量、痕量和超痕量成分的测定。2、选择性好。很多的仪器分析方法可以通过选择或调整测定的条件，使共存的组分测定时，相互间不产生干扰。第二十三页，共66页。仪器分析的特点(与化学分析相比)3、操作简便，分析速度快，容易实现自动化。4、相对误差较大。化学分析一般可用于常量和高含量成分分析，准确度较高，误差小于千分之几。多数仪器分析相对误差较大，一般为5%，不适用于常量和高含量成分分析。5、需要价格比较昂贵的专用仪器。第二十四页，共66页。仪器分析与化学分析的关系(1)仪器分析与化学分析的区别不是绝对的，仪器分析是在化学分析基础上的发展。不少仪器分析方法的原理，涉及到有关化学分析的基本理论；不少仪器分析方法，还必须与试样处理、分离及掩蔽等化学分析手段相结合，才能完成分析的全过程。第二十五页，共66页。仪器分析与化学分析的关系(2)仪器分析有时还需要采用化学富集的方法提高灵敏度；有些仪器分析方法，如分光光度分析法，由于涉及大量的有机试剂和配合物化学等理论，所以在不少书籍中，把它列入化学分析。第二十六页，共66页。仪器分析与化学分析的关系(3)应该指出，仪器分析本身不是一门独立的学科，而是多种仪器方法的组合。可是这些仪器方法在化学学科中极其重要。它们已不单纯地应用于分析的目的，而是广泛地应用于研究和解决各种化学理论和实际问题。因此，将它们称为“化学分析中的仪器方法”更为确切。第二十七页，共66页。仪器分析法的概念仪器分析法是以物质的物理或物理化学性质为基础，探求这些性质在分析过程中所产生的分析信号与物质的内在关系，进而对待测物进行定性、定量及结构分析及动态分析的一类测定方法。第二十八页，共66页。仪器分析方法的种类(1)依据分析原理，分为：1、光学分析法：利用待测组分的光学性质（如光的发射、吸收、散射、衍射、偏振等）进行分析测定的一种仪器分析方法。其理论基础是物理光学、几何光学和量子力学）。光学分析法通常分为光谱法和非光谱法。光谱法分为吸收光谱（分子吸收光谱、原子吸收光谱等）、发射光谱（分子发光分析、原子荧光分析）以及散射光谱（拉曼光谱分析法）；非光谱法有比浊法、旋光法、折光分析法等。第二十九页，共66页。仪器分析方法的种类(2)2、电化学分析法：电化学分析法是利用待测组分的电化学性质进行分析测定的一类仪器分析法，其理论基础是电化学和化学热力学。主要有：电导分析法、电位分析法、电解分析（库仑分析）和伏安分析法等。第三十页，共66页。仪器分析方法的种类(3)3、色谱分析法：这是一种物理化学分离分析法，是利用样品中性质相近的组分在两相中的分配、吸附、离子交换、排斥渗透等性能方面的差异，先利用分配柱（也称色谱柱）进行分离，后利用检测器按分离顺序进行测定的一种仪器分析方法。色谱分析法主要有：GC、HPLC、薄层色谱法（TLC）和离子色谱法（IC），还有最近发展起来的超临界流体色谱（SFC）和毛细管电泳（CE）。第三十一页，共66页。仪器分析方法的种类(4)4、其他分析方法：有的利用热学、力学和声学以及动力学等性质进行测定的仪器分析方法。质谱法：利用带电离子核质比不同进行测定；分析式超速离心法：利用惯性的差异进行离心分离，然后再由光学式检测器进行检测。电泳法：利用液体中带电微粒在外加电场作用下具有不同的迁移速率，从而进行分离、分析的方法。第三十二页，共66页。分析仪器的组成(1)一般来说，分析仪器的自动化程度越高仪器越复杂。然而不管分析仪器如何复杂，它们一般是由信号发生器、检测器、信号处理器和读出装置4部分组成，如下图：第三十三页，共66页。分析仪器的组成(2)第三十四页，共66页。常见分析仪器的基本组成第三十五页，共66页。仪器分析的一般过程1、样品的预处理2、共存组分的分离3、待测组分信号的产生4、信号的转换和放大5、信号的检测6、加工处理和显示7、分析结果的计算8、打印和分析质量评价第三十六页，共66页。仪器分析质量1、分析质量控制（AQC）：是在分析实施的过程中进行的，它把分析过程与质量检查有机融为一体，及时反馈信息，找出影响质量的因素，进快采取相应措施。2、分析质量保证（AQA）：是由一个系统组成，该系统能向政府部门、质量监督机构和有关业务单位委托人保证实验室所产生的结果达到了一定的质量。第三十七页，共66页。发展中的仪器分析(1)1、20世纪40~50年代兴起的材料科学，60~70年代发展起来的环境科学都促进了分析化学学科的发展。80年代以来，生命科学的发展也促进分析化学一次巨大的发展。仪器分析是分析化学的重要组成部分，也随之不断发展，不断地更新自己，为科学技术提供更准确、更灵敏、专一、快速、简便的分析方法。第三十八页，共66页。发展中的仪器分析(2)2、生命科学研究的进展，需要对多肽、蛋白质、核酸等生物大分子进行分析，对生物药物分析，对超微量生物活性物质，如单个细胞内神经传递物质的分析以及对生物活体进行分析。3、信息时代的到来，给仪器分析带来了新的发展。信息科学主要是信息的采集和处理。第三十九页，共66页。发展中的仪器分析(3)4、计算机与分析仪器的结合，出现了分析仪器的智能化，加快了数据处理的速度。它使许多以往难以完成的任务，如实验室的自动化，图谱的快速检索，复杂的数学统计可轻而易举得于完成。信息的采集和变换主要依赖于各类的传感器。这又带动仪器分析中传感器的发展，出现了光导纤维的化学传感器和各种生物传感器。第四十页，共66页。发展中的仪器分析(4)5、联用分析技术已成为当前仪器分析的重要发展方向。将几种方法结合起来，特别是分离方法（如色谱法）和检测方法（红外光谱法、质谱法、核磁共振波谱法、原子吸收光谱法等）的结合，汇集了各自的优点，弥补了各自的不足，可以更好地完成试样的分析任务。第四十一页，共66页。发展中的仪器分析(5)6、联用分析技术：1.气相色谱—质谱法（GC—MS）2.气相色谱—质谱法—质谱法（GC—MS—MS）3.气相色谱—原子发射光谱法（GC—AED）4.液相色谱—质谱法（HPLC—MS）第四十二页，共66页。第四十三页，共66页。必须注意：1）

从经典分析到以上众多仪器分析中选择一个合适方法并不容易；2）

大多仪器分析灵敏度较高，但不是所有仪器分析的灵敏度都比经典方法高；3）

仪器分析对多元素或化合物分析具更高的选择性，但经典分析中的重量或容量分析的选择性比仪器分析法要好；4）

从准确性、方便性和耗时上看，不能绝对地讲哪种方法更好。第四十四页，共66页。第四十五页，共66页。必须注意：1）

从经典分析到以上众多仪器分析中选择一个合适方法并不容易；2）

大多仪器分析灵敏度较高，但不是所有仪器分析的灵敏度都比经典方法高；3）

仪器分析对多元素或化合物分析具更高的选择性，但经典分析中的重量或容量分析的选择性比仪器分析法要好；4）

从准确性、方便性和耗时上看，不能绝对地讲哪种方法更好。第四十六页，共66页。3.仪器性能及其表征问题：如何判断哪种仪器分析方法可用于解决某个分析问题呢？

基于以上问题，你必须了解该仪器的性能，或者说，该仪器到底可作什么分析！第四十七页，共66页。第四十八页，共66页。1）精密度（Precision）使用同一方法或步骤进行多次重复测量所得分析数据之间符合的程度。标准偏差(Absolutestandarddeviation)，s平均标准偏差(Standarddeviationofmean,sm)相对标准偏差(Relativestandarddeviation,RSD)l

变异系数(Coefficientofvariance,CV)方差(Variance):s2第四十九页，共66页。2)误差（Bias）测量值的总体平均值x与“真值”接近的程度。即

通过多次测量已知浓度或含量的物质（称为标准物质），得到总体平均值与标准物质含量（真实值）比较。在建立新的分析方法时，对标准物质的测量可找出误差的来源！并通过空白分析和仪器校正来消除误差。第五十页，共66页。3）灵敏度（Sensitivity）反映了仪器或方法识别微小浓度或含量变化的能力，也就是说，当浓度或含量有微小变化时，仪器或方法均可以觉察出来。影响灵敏度的因素有二：l

校正曲线的斜率；l

分析的重现性或精密度。

InternationalUnionofPure&AppliedChemists，即IUPAC推荐使用“校正灵敏度”或者“校正曲线斜率”作为衡量灵敏度高低的标准。第五十一页，共66页。010203040506000.10.20.30.40.50.6ScS2=k2c+Sblank-2S1=k1c+Sblank-1仪器和方法的灵敏度描述

k1,k2分别为两条校正曲线的斜率，即灵敏度。但未考虑测定重现性影响！第五十二页，共66页。因此，有人建议以“分析灵敏度(AnalyticalSensitivity)”表示，即

优点：当仪器信号放大时，k值增加，灵敏度提高；但此时s也相应增加，从而一定程度地保证了灵敏度恒定；缺点：s与浓度有关，即灵敏度随浓度而变化！

第五十三页，共66页。4）检测限（Detectionlimit,DL）检测限：在已知置信水平，可以检测到的待测物的最小质量或浓度。它和分析信号（Singnal）与空白信号的波动（噪音,Noise）有关，或者说与信噪比（S/N）有关。

只有当有用的信号大于噪音信号时，仪器才有可能识别有用信号，如下图所示。第五十四页，共66页。sb测定次数，nSSDL=Sb+k1sb仪器噪音及方法检出限

K1=3时，可以认为仪器检出的最小信号值SDL可能性为95%第五十五页，共66页。检出限如何计算呢？测定空白样品(或浓度接近空白值）20-30次，求其平均值Sb及其标准偏差sb，则可分辨的最小信号SDL=Sb+k1sb通过校正曲线的斜率k，将最小待测物信号SDL转化为浓度值CDL，即经统计学的t和z检验，当k1=3时，大多数情况下，当检测结果的置信度为95%。因此上式可转换为：第五十六页，共66页。5）信噪比（singnal-to-noiseratio,S/N）任何测量值均由两部分组成：信号及噪音。其中信号反映了待测物的信息，是我们所关心的，而噪音是不可避免的，它降低分析的准确度和精密度、提高检出限，是我们不希望的。多数情况下，N是恒定的，与S大小无关。当测量信号较小时，测量的相对误差将增加。因此用信噪比S/N是恒量仪器性能和分析方法好坏最为有效的指标！

当S/N<2~3时，分析信号将很测定。第五十七页，共66页。噪声的来源化学噪声：分析体系中难以控制的一些化学因素。比如,化学反应中温度和压力等参数的变化和波动；相对湿度导致样品含水量的不同；粉状固体粒度不均；光敏材料产生的光密度不均；实验室烟尘与样品或试剂作用的随机性；等等。第五十八页，共66页。仪器噪声仪器的光(电)源、输入(出)转换器、信号处理单元等都是仪器噪声的来源。所用仪器的每个部分都可产生不同类别的噪声。通常将仪器噪声分为4类：

热噪声（Thermal,orJohnson,noise）：属于白噪音(whitenoise)，由元器件中电子或电荷受热激发所产生的噪音信号。由于荷电粒子受激的随机性和周期性，因而会导致电荷的不均一，进而使读出的信号发生波动。只有在绝对零度时，该噪音才会消失。

当电阻R，T，则N。(如UV-Visible二极管阵列检测器在77K时，其噪音下降一半左右；此外，减少带宽，可降低噪音，但同时也会延长响应时间，并降低测定的可靠性。

第五十九页，共66页。

散粒噪声（Shotnoise）它是由电子或其它荷电粒子通过界面（如PN结，光电池或真空管的阴阳极之间）时所产生的噪音，亦属白噪音。闪变噪声（Flickernoise）闪变噪声存在十分普遍，其大小与频率成反比，尤其在低频时（<100Hz），其对测定的影响更大。有时也称之为1/f噪声。产生该噪声的机制还不很清楚。采用绕线电阻或金属膜式电阻代替含碳型电阻可显著降低该类噪声。

第六十页，共66页。

环境噪声（Environmentaln