1、儀器分析 Instrumental Analysis,第一章 緒 論, 什么是儀器分析? 它與化學(xué)分析有何區(qū)別? 儀器分析和化學(xué)分析的關(guān)系是什么? 儀器分析法的分類? 儀器分析有什么特點和局限性? 儀器分析發(fā)展的趨勢是什么?,分析化學(xué)是研究物質(zhì)組成、含量和化學(xué)結(jié)構(gòu)的方法及其有關(guān)理論的一門學(xué)科。 1） What ? 定性分析(qualitative analysis): 研究目標(biāo)物質(zhì)的原子、分子或功能基團(tuán)的組成信息。 2） How much ? 定量分析(quantitative analysis): 研究目標(biāo)物質(zhì)的數(shù)量信息。 3） How about ? 結(jié)構(gòu)分析(structural ana

2、lysis): 研究目標(biāo)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)信息。,分析化學(xué)的分類,按分析方法分類 化學(xué)分析： 重量分析， 容量分析（各種滴定分析） 儀器分析： 光化學(xué)分析， 電化學(xué)分析， 色譜分析， 其它儀器分析法,分析化學(xué)的發(fā)展和儀器分析的產(chǎn)生,什么是儀器分析？ 一般的說，儀器分析是指采用比較復(fù)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(xué)性質(zhì)的參數(shù)及其變化來獲取物質(zhì)的化學(xué)組成、成分含量及化學(xué)結(jié)構(gòu)等信息的一類方法。 這些方法一般都有獨立的方法原理及理論基礎(chǔ)。,分析化學(xué)的歷史發(fā)展概況,分析化學(xué)的三次巨大變革 分析天平的發(fā)明 溶液理論的建立（四大平衡建立） 分析化學(xué)由一門操作技術(shù)變成一門科學(xué)，以化學(xué)分析為主。 這

3、是第一次革命,第二次巨大變革,第二次世界大戰(zhàn)前后 一系列重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)，物理學(xué)和電子技術(shù)的發(fā)展為儀器分析大發(fā)展奠定了基礎(chǔ) 但當(dāng)時自動化程度較低 核磁共振（NMR），Bloch F, Purcell E M. 極譜，Heyrovsky J. 氣相色譜，Martin A T P , Synge R L M,第三次變革,指當(dāng)前階段，分析化學(xué)處在巨大的變革時期。尤其微型計算機(jī)的發(fā)展，給儀器分析帶來全新的革命。 分析化學(xué)發(fā)展的特點，其一，向高靈敏度、高選擇性、自動化、智能化、信息化和微型化方向發(fā)展；其二，各類分析方法的聯(lián)合應(yīng)用；其三，建立原位、在體、實時、在線的動態(tài)分析檢測方法，無損探測方法以及多元多參數(shù)

4、的檢測監(jiān)視方法，并研制出相應(yīng)的分析儀器。當(dāng)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和參與，以及分析化學(xué)自身的發(fā)展，已使分析化學(xué)發(fā)展成為一門多學(xué)科為基礎(chǔ)的綜合性科學(xué)。,儀器分析與化學(xué)分析關(guān)系,儀器分析本身不是一門獨立的學(xué)科，而是多種儀器方法的組合。可是這些儀器方法在化學(xué)學(xué)科中極其重要。它們已不單純地應(yīng)用于分析的目的，而是廣泛地應(yīng)用于研究和解決各種化學(xué)理論和實際問題。因此，將它們稱為“化學(xué)分析中的儀器方法”更為確切。,儀器分析的分類,儀器分析,電化學(xué)分析法,光分析法,色譜分析法,熱分析法,分析儀器聯(lián)用技術(shù),質(zhì)譜分析法,1. 光分析方法,光分析法,原子吸收法,紅外光譜法,原子發(fā)射法,核磁共振法,熒光光譜法,紫外可見法,#

5、定性分析和定量分析依據(jù) 定性：波長定量：光強(qiáng),1. 光分析法,# 光譜儀器框圖 光源 被測物質(zhì) 單色儀 信號接收 數(shù)據(jù)處理,# 有機(jī)四大譜 質(zhì)譜、核磁共振、紅外、紫外-可見 特別指出，質(zhì)譜儀被列為光譜儀器，實為以質(zhì)荷比為分析基礎(chǔ)的儀器。,有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)鑒定 與有機(jī)波譜學(xué),結(jié)構(gòu)鑒定:,紫外可見光譜 (UV-VIS); 紅外（拉曼）光譜 (IR，Raman); 質(zhì)譜 (MS); 核磁共振譜 (NMR); X射線衍射; 折射率; 電導(dǎo)率; 熔點; ,UV -VIS ; IR(Raman); MS; NMR,有機(jī)波譜學(xué)：,結(jié)構(gòu)鑒定發(fā)展歷史,三十年代,UV,四十年代,IR,五十年代,NMR MS, 官能

6、團(tuán),一般文獻(xiàn)給出的數(shù)據(jù)：,NMR: 詳細(xì) MS: 分子量 IR: 主要官能團(tuán) 一般無UV數(shù)據(jù),2. 電分析化學(xué)方法,電化學(xué)分析法,電位分析法,電解分析法,電泳分析法,庫侖分析法,極譜與伏安分析法,電導(dǎo)分析法,3. 色譜分析法,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,離子色譜法,超臨界色譜法,4. 其它儀器分析方法 質(zhì)譜， 熱分析， 放射分析,其他分析法,質(zhì)譜分析法,放射分析,熱分析法,聯(lián)用技術(shù), 聯(lián)用技術(shù), 分離儀器-特效檢測器的聯(lián)用 色譜-質(zhì)譜聯(lián)用：GC-MS、LC-MS 色譜-紅外光譜聯(lián)用：GC-FTIR 色譜-原子光譜聯(lián)用：LC-AAS 自動化系統(tǒng)與分離、檢測系統(tǒng)聯(lián)用

7、 自動進(jìn)樣器 流動注射分析儀,方法分類 主要分析方法 被測物理性質(zhì) 光譜分析 發(fā)射光譜分析、火焰光度分析 輻射的發(fā)射 分子發(fā)光分析法、放射分析法 紫外-可見分光光度法 輻射的吸收 原子吸收分光光度法 紅外光譜法、核磁共振波譜法 比濁法、拉曼光譜法 輻射的散射 折射法、干涉法 輻射的折射 X-射線衍射法、電子衍射法 輻射的衍射 圓二色譜法 輻射偏振方向的旋轉(zhuǎn) 電化學(xué)分析 電位法 電極電位 電導(dǎo)法 電導(dǎo) 極譜法、溶出伏安法 電流-電壓 色譜分析 氣相色譜法、液相色譜法 薄層色譜法 兩相間的分配 熱分析 熱導(dǎo)法、差熱分析法 熱性質(zhì) 質(zhì)量分析 質(zhì)譜法 質(zhì)荷比,儀器分析方法分類,根據(jù)用以測量的物質(zhì)性質(zhì)，

8、儀器分析方法主要分為以下幾類:,儀器分析的特點,靈敏度高, 檢出限低 效率高：可以一次分析樣品中多種元素信息 選擇性好 4. 能進(jìn)行無損分析 5. 適于微量、超痕量物質(zhì)的測定,問題： 如何判斷哪種儀器分析方法可用于解決某個分析問題呢？ 你必須了解該儀器的原理和應(yīng)用，或者說，了解該儀器的適用性、靈敏度和準(zhǔn)確度，才能在解決某個具體問題時作出合理的選擇！,定量分析方法的評價指標(biāo),儀器性能及其表征,其它原則：,1）精密度（Precision） 使用同一方法或步驟進(jìn)行多次重復(fù)測量所得分析數(shù)據(jù)之間符合的程度。,標(biāo)準(zhǔn)偏差(Absolute standard deviation)，s,相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(Relat

9、ive standard deviation, RSD),通過多次測量已知濃度或含量的物質(zhì)（稱為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)），得到總體平均值與標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)含量（真實值）比較。 在建立新的分析方法時，對標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的測量可找出誤差的來源！并通過空白分析和儀器校正來消除誤差。,2) 準(zhǔn)確度 測量值的總體平均值x與“真值”接近的程度。即,反映了儀器或方法識別微小濃度或含量變化的能力，即當(dāng)濃度或含量有微小變化時，儀器或方法均可以覺察出來。 影響靈敏度的因素有二： 校正曲線的斜率 分析的重現(xiàn)性或精密度。,3）靈敏度（Sensitivity）,檢出限：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（Signal）

10、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)。 只有當(dāng)有用的信號大于噪音信號時，儀器才有可能識別有用信號，如下圖所示。,4）檢出限（Detection limit, DL）,檢出限如何計算呢？,能產(chǎn)生凈響應(yīng)信號為 的被測物質(zhì)的濃度或質(zhì)量就是方法對該物質(zhì)的檢出限：,S靈敏度 （被測組分的質(zhì)量或濃度改變一個單位時分析信號的變化量）,1、靈敏度與檢出限的區(qū)別 靈敏度：分析信號隨組分含量變化的大小。 直接依賴檢測器的放大倍數(shù) 檢出限：定量分析方法可能檢測的最低量或最低濃度 直接與測定噪聲有關(guān)；有明確的統(tǒng)計意義 2、靈敏度越高，精密度越好，檢出限越低。,注意：,具體做法：

11、 1 準(zhǔn)確配制已知待測物濃度的系列: 0(空白)， c1，c2，c3，c4.； 2 通過儀器分別測量以上各待測物的響應(yīng)值S0，S1，S2，S3，S4及待測物的響應(yīng)值Sx； 3 以濃度c對響應(yīng)信號與S作圖得到標(biāo)準(zhǔn)曲線，然 后通過測得的Sx從下圖中求得cx；或者通過最小二乘法獲得其線性方程再直接進(jìn)行計算。,5） 標(biāo)準(zhǔn)曲線, 您所分析的物質(zhì)是元素？化合物？有機(jī)物？化合物 結(jié)構(gòu)剖析？ 您對分析結(jié)果的準(zhǔn)確度要求如何？ 您的樣品量是多少？ 您樣品中待測物濃度大小范圍是多少？ 可能對待測物產(chǎn)生干擾的組份是什么？ 樣品基體的物理或化學(xué)性質(zhì)如何？ 您有多少樣品，要測定多少目標(biāo)物？,選擇分析方法的幾種考慮,儀器分

12、析方法用于成分分析有一定的局限性,1、準(zhǔn)確度不夠高 不適于常量和高含量成分的測定。多數(shù)的儀器分析方法的相對誤差較大，例如，發(fā)射光譜法的相對誤差為520。 2、一般都需要以標(biāo)準(zhǔn)物進(jìn)行校準(zhǔn) 而這些標(biāo)準(zhǔn)樣品的成分多半需要化學(xué)分析方法來確定。而且在進(jìn)行復(fù)雜物質(zhì)的分析時，往往不是用一種方法而是綜合應(yīng)用幾種分析方法。 3、常要用化學(xué)方法對試樣進(jìn)行預(yù)處理 4、儀器價格比較昂貴，特別是大型和復(fù)雜的精密儀器很難普及。,化學(xué)分析方法和儀器分析方法是相輔相成的,儀器分析發(fā)展的趨勢,儀器分析逐漸成為分析化學(xué)的主要組成部分。 1、具有簡便、快速、靈敏的特點，易于實現(xiàn)自動化。 2、聯(lián)用分析技術(shù)已成為當(dāng)前儀器分析方法的主要

13、發(fā)展方向之一。 3、在物質(zhì)的結(jié)構(gòu)分析、狀態(tài)、價態(tài)分析，表面及微區(qū)分析中的應(yīng)用愈加廣泛。 4、在生物醫(yī)學(xué)的研究及各種工業(yè)流程的監(jiān)控或檢測中發(fā)揮重大的作用。,儀器分析發(fā)展趨勢展望,科學(xué)儀器的創(chuàng)新是知識創(chuàng)新和技術(shù)創(chuàng)新的重要內(nèi)容。發(fā)展科學(xué)儀器應(yīng)當(dāng)視為國家戰(zhàn)略。分析儀器是科學(xué)儀器的重要組成部分。分析儀器本身將不斷微型化、智能化但人類向時間和空間的兩個極限挑戰(zhàn)所需的高級精密儀器也不容忽視。生命過程、生產(chǎn)、科研和社會活動大量需要的將是在線、非侵入、非損壞、原位、實時、多維分析儀器。,分析儀器的微型化和智能化,隨著分子計算機(jī)、DNA計算機(jī)、光子計算機(jī)、量子計算機(jī)等的不斷推出，計算機(jī)也將越來越微型化。計算機(jī)（電

14、腦）與人腦的結(jié)合將不再是一個夢、帶有植入式電腦的人的智能將大大超過不帶電腦的“自然人”。,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,隨著經(jīng)濟(jì)全球化和全球網(wǎng)絡(luò)化，大型實驗室的數(shù)量將減少，但其資源（特別是其精密貴重儀器）將得到更充分的發(fā)揮。因為它可以面向全世界為所有“網(wǎng)民”服務(wù)，實際上，現(xiàn)在就已有人在建立利用全球主要實驗室資源的“網(wǎng)絡(luò)實驗室”了。,建立和發(fā)展虛擬儀器概念,利用現(xiàn)有的計算機(jī)，加上適當(dāng)設(shè)計的儀器硬件和專門的應(yīng)用軟件，構(gòu)成虛擬儀器，使其既具有傳統(tǒng)儀器的基本功能、又能由用戶根據(jù)自己的需求變化隨時定義，實現(xiàn)多種多樣的應(yīng)用要求.虛擬儀器不但靈活可變、功能強(qiáng)大，而且作用方便，便于技術(shù)

15、升級更新，價格也低廉（尤其儀器系統(tǒng)的使用維護(hù)費用低）。 “軟件就是儀器”預(yù)示了全新的分析儀器科技和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展潮流，將會迅速改變世界分析儀器行業(yè)面貌的！,分析儀器的主要應(yīng)用領(lǐng)域正向著生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域轉(zhuǎn)移,分析儀器在保障人類健康生活、監(jiān)控病人病情、預(yù)防災(zāi)害發(fā)生等方面也都起著重大的作用。 沒有新型DNA分析儀的進(jìn)一步發(fā)展，人類也很難在防病、治病特別是在防治癌癥和各種遺傳病方面對現(xiàn)有基因圖譜加以利用。,新近重大突破和發(fā)明,飛秒光譜法 原子吸收的重大突破 多道毛細(xì)管電泳,飛秒相干光譜法Femtosecond spectroscopy,Ahmed H. Zewail 教授1946年出生于埃及?，F(xiàn)為加州理工學(xué)院

16、化學(xué)物理系和物理系教授。 1999年Ahmed H. Zewail 教授被授予諾貝爾化學(xué)獎，表彰他在飛秒化學(xué)領(lǐng)域的杰出貢獻(xiàn)。采用超短脈沖激光以飛秒的時間尺度實時觀察分子運動并目擊分子的誕生， 給化學(xué)和相關(guān)學(xué)科帶來了革命性的變化。,Ahmed.H.Zewail 1999年化學(xué)Nobel獎得者,連 續(xù) 光 源 原 子 吸 收 光 譜 儀,2004 年4 月，德國耶拿分析儀器股份公司（Analytik Jena AG）成功地設(shè)計和生產(chǎn)出了連續(xù)光源原子吸收光譜儀ContrAA ，世界第一臺商品化連續(xù)光源原子吸收誕生了！,高聚焦短弧氙燈,可滿足全波長(189900 nm)所有元素的原子吸收測定需求,連續(xù)

17、光源原子吸收儀(ContrAA,德國),多毛細(xì)管電泳裝置示意圖,June 15, 2010 Volume 82, Issue 12 Pages 4653-5396 IF 5.2,List of Reviews 1. Atomic Spectroscopy: A Review 2. Capillary Electrophoresis 3. Chemometrics 4. Chiral Separations: Fundamental Review 2010 5. Electrochemical Sensors 6. Environmental Mass Spectrometry: Emergin

18、g Contaminants and Current Issues 7. Gas Chromatography 8. Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry 9. Mass Spectrometry of Synthetic Polymers,10. Latest Developments in Micro Total Analysis Systems 11. Latest Developments in Microfluidic Cell Biology and Analysis Systems 12. Molecular Fluoresce

19、nce, Phosphorescence, and Chemiluminescence Spectrometry 13. Planar Chromatography 14. Modern Extraction Techniques 15. Solid State NMR Spectroscopy 16. Supercritical Fluid Chromatography 17. Thermal Analysis 18. X-ray Spectrometry,三鹿事件：三聚氰胺檢測方法匯總,氣相色譜-質(zhì)譜法測定動物食品中的三聚氰胺 超高效液相色譜_電噴霧串聯(lián)質(zhì)譜法測定飼料中殘留的三聚氰胺 反相高效液相色譜法測定飼料中三聚氰胺的含量 高效液相色譜-二極管陣列法測定高蛋白食品中的三聚氰胺 高效液相色譜法(HPLC)測定飼料中三聚氰胺的含量 高效液相色譜-四極桿質(zhì)譜聯(lián)用測定飼料中三聚氰胺含量 固相萃取與高效液相色譜聯(lián)用測定寵物食品中三聚氰胺 液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜法測定飼料中三聚氰胺殘留,氣相色譜-質(zhì)譜法測定牛奶中的8種環(huán)境雌激素和內(nèi)源性