儀器緒論課件

儀器分析InstrumentalAnalysis2023/2/10分析化學的定義分析化學是研究并應用確定物質(zhì)的化學組成、測量各組成的含量、表征物質(zhì)的化學結(jié)構(gòu)、形態(tài)、能態(tài)并在時空范疇跟蹤其變化的各種分析方法及其相關(guān)理論的一門科學。

分析化學是化學中的信息科學；2023/2/10確定物質(zhì)的化學組成——定性分析

測量各組成的含量——定量分析

表征物質(zhì)的化學結(jié)構(gòu)、構(gòu)象、形態(tài)、能態(tài)——結(jié)構(gòu)分析、構(gòu)象分析，形態(tài)分析、能態(tài)分析

表征物質(zhì)組成、含量、結(jié)構(gòu)、形態(tài)、能態(tài)的動力學特征——動態(tài)分析例如：茶葉中有哪些微量元素？茶葉中咖啡堿的含量？咖啡堿的化學結(jié)構(gòu)？微量元素的形態(tài)？化學成分的空間分布？在不同的生長階段，茶葉中的營養(yǎng)成分的變化？例如：生物大分子結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系？分析化學的任務2023/2/10一、儀器分析與化學分析20世紀40年代前：分析化學=化學分析；越來越多的問題化學分析不能解決：快速、實時檢測方法？痕量分析方法？結(jié)構(gòu)確定？2023/2/10

20世紀40年代后：儀器分析的大發(fā)展時期，確立了儀器分析的地位；原因：（1）物理學+電子技術(shù)+精密儀器制造技術(shù)的發(fā)展；（2）社會發(fā)展的迫切需要（發(fā)展動力，連續(xù)化大生產(chǎn)的迫切需要）；分析化學=化學分析+儀器分析；

2023/2/10化學分析法chemicalanalysis待測物Analyte+試劑Reagent

產(chǎn)物Product重量分析法gravimetry容量分析法（滴定分析法）volumetry（titrimetry）以物質(zhì)的化學反應為基礎(chǔ)建立起來的分析方法2023/2/10儀器分析法instrumentalanalysis

依據(jù)物質(zhì)的物理性質(zhì)及物理化學性質(zhì)建立起來的分析方法，通常使用特殊的儀器。光學分析法spectralanalysis

電化學分析法electroanalysis

色譜分離分析法chromatography

等等例：分光光度法測定微量鐵（物理化學方法，physicochemicalmethod）。

332+桔紅色max鄰二氮菲2023/2/10儀器分析法例：KMO4對光有吸收，可用分光光度法直接測定其濃度（依據(jù)物理性質(zhì)，物理方法，Physicalmethod）。2023/2/10定量的方式比較化學分析法——絕對定量（根據(jù)樣品的量、反應產(chǎn)物的量或所消耗試劑的量及反應的化學計量關(guān)系，通過計算得待測組分的量。）儀器分析法——相對定量（標準工作曲線）No.標樣濃度g/L吸收值15.000.045210.00.093320.00.140430.00.175540.00.2366試樣0.2002023/2/10儀器分析（VS.化學分析）的特點靈敏度高，檢出限低。常用于微量、痕量、和超痕量組分的測定。取樣量少。常用于微量分析和痕量分析選擇性好。操作簡便，分析速度快，易于自動化。應用范圍廣。無損分析、微區(qū)分析、在線分析、活體分析等準確度一般不如化學分析。相對誤差在1-5％。儀器較復雜，價格昂貴2023/2/10按試樣用量和操作規(guī)模分

常量分析半微量分析微量分析痕量分析S>0.1g,V>10mLS0.01~0.1g,V1~10ｍLS0.1~10mg,V0.01~1mLS<0.1mg,V<0.01mL按被分析組分含量高低分

常量組分分析>1％

微量組分分析0.01％~1％

痕量組分分析

<0.01％2023/2/10分析化學的發(fā)展人類有科技就有化學，化學從分析化學開始波義耳(Boyle)

的元素學說的建立（1661）《懷疑派化學》推翻了煉金術(shù)的四元素說（水、火、土、氣）和醫(yī)藥派的三元素說（硫、汞、鹽）拉瓦錫(Lavoisier)的定量分析（1756）“燃燒氧化學說”20世紀分析化學的三次大變革四大平衡理論：從技術(shù)發(fā)展成科學物理與電子學的發(fā)展：從經(jīng)典分析化學發(fā)展為現(xiàn)代分析化學計算機應用：使分析化學向一門信息科學轉(zhuǎn)化2023/2/10分析化學化學分析法（常量分析）重量分析法滴定分析法儀器分析法（微量分析）光學分析法電化學分析法色譜分析法其他儀器分析法二、儀器分析分類2023/2/10電化學分析方法的分類classificationofelectrochemicalanalysis電化學分析法電位分析法電解分析法庫侖分析法極譜與伏安分析法電導分析法2023/2/10色譜分析方法的分類classificationofchromatographicanalysis色譜分析法氣相色譜法薄層色譜法液相色譜法激光色譜法電色譜法超臨界色譜法2023/2/10其他分析方法的分類classificationofelectrochemicalanalysis其他分析法質(zhì)譜分析法電子能譜技術(shù)熱分析法顯微分析技術(shù)2023/2/102023/2/102023/2/10恐怖襲擊不法污染排放室內(nèi)裝修污染，食品安全情況。。。。2023/2/102005年11月13日，吉林省林省吉化公司雙苯廠發(fā)生爆炸。11月20日7點在吉林境內(nèi)的第二松花江匯入黑龍江省境內(nèi)第一個監(jiān)測斷面開始檢出苯超標，表明污染帶前鋒已到達黑龍江省。11月20日16點，肇源斷面硝基苯也開始超標。21日9點硝基苯超標達到29.1倍，較高濃度污染帶約80公里，流經(jīng)持續(xù)時間為40小時左右。據(jù)最新監(jiān)測結(jié)果報告，距四方臺哈爾濱市取水口73公里三家里斷面23日4時監(jiān)測，硝基苯超標為28.56倍。

突發(fā)污染吉化11·13事件2023/2/10蘇丹紅I（SudanI）的化學名稱為1-苯基偶氮-2-萘酚(1-phenylazo-2-naphthalenol)，分子結(jié)構(gòu)式為C6H5=NC10H6OH，分子量248.28；蘇丹紅II（SudanII）化學名稱為1-[(2,4-二甲基苯)偶氮]-2-萘酚(1-[(2,4-dimethylphenyl)azo]-2-naphthalenol)；蘇丹紅III（SudanIII）化學名稱為1-{[4-(苯基偶氮)苯基]偶氮}-2-萘酚(1-{[4-(phenylazo)phenyl]azo]-2-naphthalenol)；蘇丹紅IV（SudanIV）化學名稱1-{{2-甲基-4-[(2-甲基苯)偶氮]苯基}偶氮}-2-萘酚(1-{{2-methyl-4-[(2-methylphenyl)azo]phenyl}azo]-2-naphthalenol)。2023/2/10孔雀石綠事件孔雀石綠是一種帶有金屬光澤的綠色結(jié)晶體，又名堿性綠、嚴基塊綠、孔雀綠，其既是殺真菌劑，又是染料，易溶于水，溶液呈藍綠色；溶于甲醇、乙醇和戊醇。長期以來，漁民都用它來預防魚的水霉病、鰓霉病、小瓜蟲病等，而且為了使鱗受損的魚延長生命，在運輸過程中和存放池內(nèi)，也常使用孔雀石。

科研結(jié)果表明：孔雀石綠在魚內(nèi)殘留時間太長，且其具有高毒素、高殘留和致癌、致畸、致突變等副作用。鑒于此，許多國家均將孔雀石綠列為水產(chǎn)養(yǎng)殖禁用藥物。2023/2/10四、儀器分析的發(fā)展方向：微型高效自動智能2023/2/10傳統(tǒng)分析方法MovingAnalysis2023/2/10光纖化學傳感檢測形式光纖化學傳感器特點：原位、在線2023/2/10AFM(AtomForceMicroscopy)-原子力顯微鏡2023/2/10四方堆積六方堆積SEM(scanningelectroMicroscopy)掃描電子顯微鏡)2023/2/10生物芯片(biochip)2023/2/10芯片實驗室Labonchip2023/2/10微通道代替試管、燒杯、其它玻璃容器2023/2/10原位活體分析(in-situandin-viroanalysis)2023/2/10五、儀器分析過程了解樣品性質(zhì)，確定分析目標合理取樣與采取適當?shù)姆绞酱鎯悠愤x擇分析技術(shù)，建立分析流程樣品前處理（分離、提純、制備）執(zhí)行分析（儀器分析），獲取數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果表達、解釋2023/2/101、對樣品來源、用途等商品信息的了解—取樣要注意廠家、商標、批號、包裝、貯存條件等信息（確保來源可靠、有代表性）；對樣品的用途、應用性能的了解，可得出一些重要的結(jié)構(gòu)成分信息2、對樣品的一般性質(zhì)的考察測定（1）樣品的外觀審查——顏色、嗅味、形貌、密度、硬度等性質(zhì)與其組成密切相關(guān)。2023/2/10（2）溶解性能檢驗——溶解性可給出重要結(jié)構(gòu)信息。作為樣品分組預分離的溶劑常有：

A、乙醚—非極性與中等極性化合物的最佳溶劑（前者溶于乙醚、苯、正己烷；后者溶于乙醚、醇）

B、乙醇-水體系—是含羥基、羧基、磺酸基和季銨鹽等基團的強極性化合物的最好溶劑

C、5%的氫氧化鈉溶液—是含羧酸、磺酸、酚及烯醇、硫醇等的良好溶劑

D、5%的鹽酸溶液—用于含氮的堿性物的提取

——注意加入的酸堿的破壞作用（如酯水解）2023/2/10（3）燃燒性能實驗當樣品量充分時，燃燒實驗（火焰顏色、氣味、殘余物狀態(tài)等）可給出一些有用的結(jié)構(gòu)信息（但由于填料使之有局限性）3、樣品的預處理不同的樣品和分析方法，預處理方法不同（1）無機組分的預處理（較簡單）2023/2/10（2）微量有機組分的富集與提取

—如固體中微量組分常用索式提??；液體中微量組分常用樹脂富集。（3）非均一體系樣品的預處理

—一般不宜直接分析：氣-液-固體系—先用吸附、冷凝或吸收等方法富集氣體和易揮發(fā)液體組分后，再預處理；液-固混合體系—可用萃取、蒸餾、過濾等分開兩相固體混合體系—用機械分離、溶劑抽提將部分組分選擇性分離；

——得均一體系后，可按沸點分離、按溶劑溶解性分離、或按吸附差異分組分離。2023/2/104、分離與純化

——由于樣品組成復雜，分析儀器要求不一，因此所要求的分離純化方法與操作差異較大，一般，常用的方法為色譜法：

（1）常壓柱色譜法（2）薄層色譜法（TLC）（3）高效液相色譜法（4）凝膠色譜法（5）氣相色譜法2023/2/105、純度鑒定

——是非常重要的實驗程序，對未知組分的鑒定較困難（了解信息少），但可遵循如下程序：（1）樣品外觀（顏色、晶形等）審察與物理常數(shù)測定（2）元素分析（有機物）（3）色譜法（不同色譜條件均為單峰—色譜純）（4）有機光譜分析鑒定（紫外可見光譜、紅外光譜、核、磁共振波譜法、有機質(zhì)譜法等）2023/2/106、元素的組成分析與分子結(jié)構(gòu)分析

——分析的核心：提供各組分中原子種類、原子在分子中的狀態(tài)、分子的結(jié)構(gòu)、及各元素和分子的含量等信息。（1）元素的組成分析

——最主要手段是原子光譜法；有機化合物中的C、H、O、N等也有儀器，而其中的雜原子分析可用原子光譜法。2023/2/10（2）原子在分子中的狀態(tài)分析

——狀態(tài)如價態(tài)、相態(tài)及彼此的結(jié)合形態(tài)等的分析，在某些科技領(lǐng)域有重要意義；常用的測定方法有電子能譜法、X-射線衍射法、紅外光譜法、離子色譜法等。（3）有機分子的結(jié)構(gòu)分析

——最有效的方法仍是“四大譜”，即紫外可

見光譜、紅外光譜、核磁共振譜和有機質(zhì)譜等（見對比表）。2023/2/107、推測結(jié)構(gòu)的確認盡管推測出最可能的結(jié)構(gòu)，但還可能有錯，因為：（1）分離的純度如不夠好，將得出某些錯誤信息；（2）所用儀器方法的局限，所得到的信息不夠完整、不夠準確；（3）分析經(jīng)驗水平不同，也可能出錯。確認的方法——合成標樣，進行類似分析；或查找標準數(shù)據(jù)、標準圖，作全面比較。2023/2/108、樣品中各組分的定量分析無機組分的定量分析—如ICP-AES法等有機組分的定量分析—如多種波譜法和色譜法等，注意：定量分析在完成結(jié)構(gòu)分析（或定性）之后，才可選合適的方法，有時還要合成標樣或純品，制作標準曲線后，才可完成定量分析。）2023/2/109、非均一體系樣品中各組分的分布分析

——對樣品在空間分布的不同層次，如微區(qū)、表面、斷層的的分析，在材料科學中非常重要。常用的方法有：（1）整體分析

——結(jié)果反映樣品中各組分的平均含量（不能對物質(zhì)性能作全面正確的表征）2023/2/10（2）微區(qū)分析microareaanalysis——對直徑在100um以下樣品的顆粒的分析。方法是采用高能量的粒子束，如電子、離子、光波等，經(jīng)聚焦照射到樣品的微小區(qū)域，以獲取原子、分子等的結(jié)構(gòu)成分信息（因此又稱微束分析—microbeamanalysis，微探針分析—microprobeanalysis）2023/2/10（3）表面分析

——指樣品表面深度為范圍內(nèi)的成分與結(jié)構(gòu)信息分析，如表面污染物分析、材料表面變質(zhì)分析、表面化學處理研究、催化劑制備工藝、催化劑活性、中毒原因分析等。研究方法主要有：電子能譜法紅外光譜法拉曼光譜法等2023/2/10六、儀器分析方法的評價指標線性范圍（linearrange）標準曲線：被測物質(zhì)的濃度或含量與儀器響應信號的關(guān)系曲線。線性范圍：標準曲線的直線部分所對應的被測物質(zhì)濃度（或含量）的范圍。相關(guān)系數(shù)：表征被測物質(zhì)濃度（或含量）x與其響應信號值y之間線性關(guān)系好壞程度的一個統(tǒng)計參數(shù)。r越接近1，y與x之間的線性關(guān)系越好。r＝0，不具有線性。2023/2/10線性范圍濃度，c響應信號S2023/2/102.靈敏度（sensitivity）物質(zhì)單位濃度或單位質(zhì)量的變化引起響應信號值變化的程度。SS=dx/dc或S＝dx/dm靈敏度是標準曲線的斜率。2023/2/10010203040506000.10.20.30.40.50.6ScS2=k2c+Sblank-2S1=k1c+Sblank-1儀器和方法的靈敏度描述

k1,k2分別為兩條標準曲線的斜率，即靈敏度。2023/2/103.精密度（precision)精密度：使用同一種方法，對同一試樣進行多次測定所得測定結(jié)果的一致程度。同一分析人員在同一條件下測定結(jié)果的精密度稱重復性(Repeatability)。不同實驗室所得結(jié)果的精密度稱再現(xiàn)性(reproducibility)。儀器分析中常用測定結(jié)果的相對標準偏差（RSD）來表示。2023/2/104、準確度(accuracy)試樣含量的測定值與試樣含量的真實值（或標準值）相符合的程度。準確度常用相對誤差來兩度，準確度是分析過程中系統(tǒng)誤差和隨機誤差的綜合反映，它決定了分析結(jié)果的可靠程度。2023/2/105.檢出限(limitofdetection)檢測限：在已知置信水平，可以檢測到的待測物的最小質(zhì)量或濃度。它和分析信號（Singnal）與空白信號的波動（噪音,Noise）有關(guān)，或者說與信噪比（S/N）有關(guān)。S0——空白試樣的標準偏差（n=11），S——標準工作曲線的靈敏度，k