儀器分析-緒論課件

1、儀器分析,2016-2017秋季學期 園藝，生物工程專業(yè),課程簡介 儀器分析的分類 儀器分析的一般步驟 重大突破與發(fā)明 儀器分析的應(yīng)用領(lǐng)域 發(fā)展趨勢,第1章 緒 論,第1章 緒 論,儀器分析課程是生命科學、材料科學和環(huán)境科學研究中所抽象出的一門測量物質(zhì)成分、含量、結(jié)構(gòu)、表面等物理化學特性的基礎(chǔ)理論和實驗課程。 儀器分析課程（理論或?qū)嶒灒┰谖倚５拈_設(shè)對象包括本科化學、化工、材料、環(huán)境、生物和農(nóng)學等系因此本課程是一門覆蓋面較廣的課程。,一、儀器分析課程簡介,課程簡介,Principles of Instrumental Analysis 32學時，2學分，1-16周 考核方式：平時作業(yè)+期末考試

2、參考教材：儀器分析，現(xiàn)代儀器分析,重量法 容量法（酸堿、絡(luò)合、氧化-還原、沉淀等滴定法）,理論基礎(chǔ)：分析化學 儀器分析是以物質(zhì)的物理或物理化學性質(zhì)作為基礎(chǔ)的一類分析方法，它的顯著特征是以儀器作為分析測量的主要手段。,儀器分析是分析化學的一個重要部分：,分類（按原理）,1、光譜分析儀器 2、色譜分析儀器 3、質(zhì)譜分析儀器 4、電化學分析儀器 5、其它,光（波）譜 分析法,原子光譜法 分子光譜法 其它波譜法,原子發(fā)射光譜法 原子吸收光譜法 原子熒光光譜法,紫外-可見吸收光譜法 紅外吸收光譜法 分子熒光與磷光光譜法 化學發(fā)光光譜法 拉曼光譜法,核磁共振與順磁共振波譜法 X-射線光電子能譜與俄歇電子能

3、譜 X射線熒光與X射線衍射分析,不同離子的 紫外-可見譜圖研究,紅外分光光度計的應(yīng)用,燕窩的品質(zhì)鑒別,不同圓珠筆油墨的二維相關(guān)紅外研究,樣品1,樣品2,電化學分析法,電導分析法 電位分析法（pH與離子選擇性電極） 電流分析法（庫侖分析和電重量法） 伏安分析法（極譜和溶出伏安法）,分離法,色譜分離法 電泳分離法,氣相色譜法 液相色譜法 超臨界流體色譜法,毛細管電泳法 毛細管電動色譜法,時間,檢測器,色譜柱,樣品注入口,樣品注入,AB,AB | 一B,B | B,A | 一,B | B,A | 一,B | B,峰 A,峰 B,色譜的工作原理,氣相色譜分析 植物油中的脂肪酸,蛋白質(zhì)凝膠電泳,按被分析

4、物質(zhì)的含量劃分，分為三類,按被分析物質(zhì)的狀態(tài)劃分，分為：,表面與界面分析 微區(qū)分析 剝層分析,常量成分分析 （ 0.01 %) 痕量成分分析 (0.01- 0.00001%) 超痕量成分分析( 0.00001%),成分分析 價態(tài)分析 結(jié)構(gòu)分析,常量樣品分析 （ 10 mg, 1 ml) 微量樣品分析 (0.1- 10 mg, 0.01-1 ml) 超微量樣品分析( 0.1 mg, 0.01 ml),按取樣量劃分，分為三類,第一章緒論2 學時 第二章原子發(fā)射光譜4 第三章原子吸收光譜4 第四章紫外-可見分子吸收法4 第五章紅外吸收光譜法2 第六章電化學分析法 2 第七章氣相色譜分析法4 第八章液

5、相色譜法4 第九章質(zhì)譜分析法 2 第十章其它分析方法 4,二、儀器分析的發(fā)展歷史,第1章 緒 論,理論基礎(chǔ)：分析化學,儀器分析的產(chǎn)生,1、生產(chǎn)發(fā)展提出迫切需要解決的問題 2、問題的解決有待于理論與技術(shù)的提高 3、一項新技術(shù)的產(chǎn)生總是以理論作為基礎(chǔ),什么是儀器分析 一般的說，儀器分析是指采用比較復雜或特殊的儀器設(shè)備，通過測量物質(zhì)的某些物理或物理化學性質(zhì)的參數(shù)及其變化來獲取物質(zhì)的化學組成、成分含量及化學結(jié)構(gòu)等信息的一類方法。,儀器分析的三次巨大變革 分析天平的發(fā)明（19世紀20年代） 溶液理論的建立（四大平衡） 這是第一次革命,第二次巨大變革,第二次世界大戰(zhàn)前后的科學技術(shù) 物理學和電子技術(shù)的發(fā)展為

6、儀器分析奠定了基礎(chǔ) 1941年，Martin and Synge 氣相色譜法，獲1952年諾貝爾化學獎。 1952年，Bloch and Purcell 核磁共振測定，獲諾貝爾物理獎。,第三次變革,計算機的發(fā)明 尤其微型計算的發(fā)展，給儀器分析帶來 全新的革命。,2002年諾貝爾化學獎 授予三位分析儀器領(lǐng)域的學者,美國John B. Fenn 日本田中耕一質(zhì)譜法 研究蛋白質(zhì) 瑞士Kurt Wuthrich生物分子的三維結(jié)構(gòu),2003 年諾貝爾醫(yī)學獎 授予核磁共振成像領(lǐng)域的科學家,1901Rontgen et al首次發(fā)現(xiàn)X射線存在 1907Michelson et al首次制造精密光譜儀器 19

7、22Aston et al發(fā)明質(zhì)譜測定同位素 1923Pregl et al發(fā)明有機物微量分析 1930Raman et al發(fā)現(xiàn)拉曼效應(yīng) 1944Rabi et al用共振方法記錄原子核磁性 1948Tiselius et al用電泳法發(fā)現(xiàn)血漿蛋白性質(zhì) 1952Bloch et al發(fā)展核磁共振精細測量法 1952Martin et al發(fā)明分配色譜 1959Heyrovsky et al發(fā)明極譜法 1981Siegbahn et al發(fā)明高分辨電子光譜法 1981Bloembergen et al發(fā)展激光光譜學 1991Ernst 對高分辨核磁共振方法發(fā)展,與分析儀器發(fā)明相關(guān)的諾貝爾獎獲得

8、者,二惡英事件,1999年5月27日 比利時首次公布雞肉和雞蛋含 超量致癌物二惡英以后,首先是 法國、德國、荷蘭等下令禁止出售 從比利時進口的雞肉、雞蛋和其它 相關(guān)食品.,經(jīng)調(diào)查,發(fā)生此次污染事件是 由于比國?？怂固? Verkest )飼料公司3個飼料生產(chǎn)廠生產(chǎn)的動物性飼料(脂肪)受到嚴重污染造成的, 為此受影響的肉雞生產(chǎn)廠家多達 445家,豬場746家,奶牛場393家，直接經(jīng)濟損失高達 3.55 億歐元，如果加上與此關(guān)聯(lián)的食品工業(yè)，損失超過10 億歐元。,二惡英(dioxin),停留在機體脂肪組織內(nèi),機體對其代謝非常緩慢,消除半衰期為8年。二惡英的毒性極大,比氰化鉀還要毒50-100倍，砒

9、霜的900倍。 抑制免疫系統(tǒng),導致對感染和癌癥的抵抗力下降,類似于艾滋病毒,因此有“化學艾滋病毒”之稱,二惡英是目前已知具有最強致癌作用的物質(zhì)。,目前檢測二惡英的方法主要是氣質(zhì)聯(lián) 用。檢測1個樣品大約需要10天到4周,費 用也非常昂貴,大約需要花費800-1000美 元。 中國獸醫(yī)雜志 1999年 (第 25卷 )第 7期,三聚氰胺毒奶粉事件,2008.9 有媒體爆出，國內(nèi)多家生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)的奶粉中檢出三聚氰胺，會造成嬰幼兒腎結(jié)石。 隨后，國家質(zhì)檢總局發(fā)布消息，三鹿、伊利、蒙牛、雅士利等22家奶粉中檢出三聚氰胺，其中三鹿奶粉含量最高。,牛奶，奶粉的主要營養(yǎng)成分：脂肪，蛋白質(zhì) （100 mL 2.

10、95g）,凱氏定氮法 食品工業(yè)上普遍采用、被定為國家標準。,蛋白精,人類基因組計劃,Jianzhong Zhang, a fellow University of Alberta scientist, together with Dr. Dovichi were the ones who developed the DNA sequencer that played a critical role in the breakthrough of gene-mapping by the Human Genome project.,儀器分析應(yīng)用領(lǐng)域,社會：體育（興奮劑）、生活產(chǎn)品質(zhì)量（魚新鮮度、食品

11、添加劑、農(nóng)藥殘留量）、環(huán)境質(zhì)量（污染實時檢測）、法庭化學（DNA技術(shù)，物證） 化學：新化合物的結(jié)構(gòu)表征； 生命科學：DNA測序；活體檢測； 環(huán)境科學：環(huán)境監(jiān)測；污染物分析； 材料科學：新材料，結(jié)構(gòu)與性能； 藥物：天然藥物的有效成分與結(jié)構(gòu)，構(gòu)效關(guān)系研究；,儀器分析的特點,1. 靈敏度高，檢出限低。 2. 選擇性好。 3. 操作簡便,分析速度快,易于實現(xiàn)自動化。 4. 相對誤差一般較大。 5. 價格一般來說比較昂貴。,三、分析儀器的基本結(jié)構(gòu)單元,現(xiàn)代分析儀器品種繁多，型號多變，結(jié)構(gòu)各異，計算機應(yīng)用和智能化程度等差別很大。 儀器一般都包括如圖所示的四個基本結(jié)構(gòu)單元或系統(tǒng)，且每個單元都與計算機控制有關(guān)

12、。,3.1 試樣系統(tǒng),功能：分析試樣的引進或放置。 可包括功能：試樣物理、化學狀態(tài)改變、成分分離等。 要求：試樣性質(zhì)不得改變。 不同儀器的試樣系統(tǒng)差別很大，甚至有些沒有試樣系統(tǒng)（在線分析儀器）。,3.2 能源,功能：提供與被分析物或系統(tǒng)發(fā)生作用的探測能源。 類型包括：電磁輻射、場、電能、機械能、核能等。 例：光分析儀器的光源，X射線衍射儀的X光管等。,3.3 信息發(fā)生器,信息發(fā)生器,檢測器,轉(zhuǎn)換器,傳感器,3.3 信息發(fā)生器,檢測器：通常是一個機械、電或化學裝置，在外能作用下，基于檢測物質(zhì)的物理、化學性質(zhì)產(chǎn)生檢測信息或信號，如電信號、發(fā)射電磁波、核輻射、電子流、熱能、壓力、粒子或分子等。 作用

13、：整個儀器的接收裝置，指示或記錄物理或化學量，分析物或系統(tǒng)環(huán)境中存在的某個變量或它的變化。如：UV檢測器。,3.3 信息發(fā)生器,轉(zhuǎn)換器：將非電信號轉(zhuǎn)換成電信號或相反的特殊裝置。 如：光電倍增管、光電二極管、光電池、熱敏電阻、熱電堆等。,光電倍增管實物圖,光信號,電信號,3.3 信息發(fā)生器,轉(zhuǎn)換器：一類能連續(xù)、可逆地監(jiān)測特殊化學成分的分析裝置或器件，能將某些化學成分感應(yīng)轉(zhuǎn)變成電信號。 如：玻璃電極、光纖傳感器等。,3.4 信息處理單元,功能：信號或信息接收及處理。 包括：信號的放大、衰減、相加、差減、積分、微分、數(shù)字化、變換、存儲等。,模量信號,數(shù)字信號處理,數(shù)字信號,模數(shù)變換,3.5 信息顯示

14、單元,功能：將電信號或信息轉(zhuǎn)變成人們能直接觀察和理解的信息， 包括：表頭、記錄儀、示波器、顯示器、打印機等 。 通常，這種信號轉(zhuǎn)換采用陰極射線管阿拉伯數(shù)字或圖形輸出，在有些情況下，可直接給出分析物組分和相對濃度等。,例1原子吸收光譜儀器的產(chǎn)生,基于光吸收原理的分析儀器的設(shè)計,暗線是由于大氣層中的原子對太陽光選擇性吸收的結(jié)果：,E,基態(tài),第一激發(fā)態(tài),熱能,空心陰極燈,火焰,單色器,光電管,原子吸收光譜儀器的設(shè)計原理,四、 分析儀器的性能指標,為了評價分析儀器的性能，需要一定的性能參數(shù)與指標。 根據(jù)這些參數(shù)可對同一類型的不同型號儀器進行比較， 作為購置儀器、考察儀器工作狀況的依據(jù);亦可對不同類型

15、儀器進行比較，預測其用途。,4.1 精密度(precision),同一分析儀器的同一方法多次測定所得到數(shù)據(jù)間的一致程度，是表征隨機誤差大小的指標，即重現(xiàn)性。 按國際純粹與應(yīng)用化學聯(lián)合會(IUPAC)規(guī)定，用相對標準差dr ，表示精密度(也記為RSD%):,絕對標準偏差,平均值,4.2 靈敏度(sensitivity),區(qū)別具有微小濃度差異分析物能力的度量，所測的最小量越小，該儀器的靈敏度就越高。 靈敏度決定于校準曲線的斜率和儀器設(shè)備的重現(xiàn)性或精密度。 根據(jù)IUPAC規(guī)定，靈敏度用校準靈敏度表示(calibration sensitivity) 。 儀器校準靈敏度隨選用的標準物和測定條件不同，測

16、定的靈敏度不一致。給出靈敏度數(shù)據(jù)時，一般應(yīng)提供測定條件和樣品。,S= mc+Sb1,4.3 檢出限(detection limit),又稱檢測下限或最低檢出量等，定義為一定置信水平下檢出分析物或組分的最小量或最小濃度。 它取決于分析物產(chǎn)生信號與本底空白信號波動或噪聲統(tǒng)計平均值之比。 最小可鑒別的分析信號Sm至少應(yīng)等于空白信號平均值Sbla加k倍空白信號標淮差sbl之和:,最小檢測信號,4.3 檢出限(detection limit),測定Sm的實驗方法是通過一定時間內(nèi)2030次空白測定，統(tǒng)計處理得到Sbla和sbl，然后，按檢出限定義可得最低檢測濃度Cm或最低檢測量Qm: 靈敏度愈高，檢出限愈

17、低。 靈敏度指分析信號隨組分含量變化的大小，與儀器信號放大倍數(shù)有關(guān)；而檢出限與空白信號波動或儀器噪聲有關(guān)，具有明確統(tǒng)計含義。,或,4.4 動態(tài)范圍(dynamic range),定量測定最低濃度(LOQ)擴展到校準曲線偏離線性響應(yīng)(LOL)的濃度范圍。 定量測定下限一般取等于10倍空白重復測定標淮差，或10sbl。這點相對標淮差約30%，隨濃度增加而迅速降低。檢測上限，相對標準差是100%。,4.5 選擇性、響應(yīng)速度,選擇性是指避免試樣中含有其他組分干擾組分測定的程度。 沒有一個分析方法能完全避免其他組分干擾，因而降低干擾是分析常需要的步驟。 響應(yīng)速度是指儀器對檢測信號的反應(yīng)速度，定義為儀器達

18、到信號總變化量一定百分數(shù)所需的時間。,五、分析儀器的發(fā)展趨勢,第1章 緒 論,分析儀器是人們感覺器官的延伸 分析儀器的微型化和智能化,分析儀器的大眾化、個性化和日用品化，貴重儀器的網(wǎng)絡(luò)化 分析儀器的主要應(yīng)用領(lǐng)域正向著生物醫(yī)學領(lǐng)域轉(zhuǎn)移,單原子分子測量技術(shù) 微型化技術(shù) 復雜體系分析,尚未解決的問題,著名的儀器公司,我國分析儀器經(jīng)過半個世紀的努力，取得了不少成績，兩彈一星的成功，就是我國科學家在儀器研制方面具有很高水平的最好說明。中國科學家聰明、勤奮、愛祖國、愛科學，數(shù)十年如一日默默奉獻者大有人在。但是，另一方面我們又不能不遺憾地看到，直到最近，國產(chǎn)儀器所占市場的份額仍只有15左右，出口創(chuàng)匯甚微，具

19、有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的分析儀器很少。高檔儀器則幾乎完全被外國壟斷。迄今我國分析儀器與國外的差距還很大，而且還有擴大的趨勢。,我們要努力??！,儀器分析學習方法給語,清楚明了方法原理，弄懂記著基本概念。 知曉分清儀器裝置，著重熟悉關(guān)鍵部件。 理解方法理論公式，熟練使用重點公式。, 武漢大學 王長發(fā),課程簡介 儀器分析的分類 儀器分析的一般步驟 重大突破與發(fā)明 儀器分析的應(yīng)用領(lǐng)域 發(fā)展趨勢,第1章 緒 論,第1章 緒 論,計算方法,面積歸一化法 校正面積歸一化法 外標法 內(nèi)標法,計算方法（一）,面積百分率法（面積歸一） 各組分濃度以面積百分率表示，該結(jié)果可以確認大概的濃度，但有誤差。 校正面積百分率法

20、（校正面積歸一） 用重量響應(yīng)因子對峰面積進行修正，用該法測定的濃度比前者準確，但前提是樣品中所有組分都出峰，否則也有誤差存在。 這兩種方法應(yīng)用的必須條件是： 1.樣品中所有組分都出峰； 2.所有峰面積計算必須準確。,面積百分率法,不需要標準樣品。 樣品中的所有組份必需被檢出。 所有成份的相對靈敏度必需一樣。 - 測量時需知道大致的濃度。（不能作精確的定量）,未知樣,組分 A,峰面積,1000,2000,500,1000,總面積:4500,+,+,=,+,校正面積百分率法,標準樣品中所有的成份的濃度必需已知。樣品的所有的成份必需被檢出。 每個成份的濃度都要被相對靈敏度修正。 -主要用于高壓鋼瓶中氣體或石油樣品等的分析,標樣 (等量組分混合),峰面積,1000,1500,1000,500,+,+,+,組分A的濃度為,未知樣,組分A,峰面積,1000,2000,500,1000,校正后的總面積:2417,+,+,=,+,相對靈敏度,2,3,2,1,:,:,:,相對靈敏度,2,3,2,1,3.外標法 該法是應(yīng)用最廣泛的方法之一，其誤差來源主要是進樣誤差，因此，分析前一定要做面積重復性（即