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生物仪器分析原理与方法第一章 绪论 生物仪器分析原理与方法 生命科学学院微生物学教研室 杨继红 YJH 生物仪器分析原理与方法第一章 绪论 生物分析仪器原理与方法教学介绍 一、教学内容 二、授课方式 三、学习参考资料 四、考试及成绩计算 YJH 生物仪器分析原理与方法第一章 绪论 一、教学内容 绪论 第1章 PCR及荧光定量PCR 第2章 凝胶成像设备 第3章 近红外成像设备 第4章 紫外交联仪和杂交炉 第5章 电转化仪和电融合仪 第6章 洗板机和酶标仪 第7章 离心机和离心技术 第8章 荧光显微镜技术 第9章 分光光度计 第10章 气相色谱 第11章 液相色谱 第12章 IKTA纯化系统 第13章 双向电泳 第14章 变性梯度凝胶电泳 第15章 毛细管电泳 第16章 超净工作台与生物 安全柜 YJH 生物仪器分析原理与方法第一章 绪论 二、授课方式 l 课堂教学 n讲授内容以教材为主 ； n授课采用PowerPoint课件； n课堂提问、小测验、期末考试（闭卷）； n仪器操作 l 课外辅导 n个别交谈 n电话 nE-mail YJH 生物仪器分析原理与方法第一章 绪论 三、学习参考资料 l 现代生物科学仪器分析入门，徐金森主编，化学工业出版社 ，2004。 l 现代生物化学与分子生物学仪器与设备， 雷东风编著， 科学出版社，2006。 l 生命科学仪器使用技术教程， 滕利荣，孟庆繁主编，科学出 版社，2008。 l 离心分离，金绿松，林元喜主编，化学工业出版社，2008。 l 生物化学仪器分析与实验技术 ，周先碗，胡晓倩编，化学工 业出版社，2003。 l 现代仪器分析在生物医学研究中的应用，钱小红，谢剑炜主 编，化学工业出版社。 l 生物化学仪器分析基础，曹成喜主编，化学工业出版社， 2008。 YJH 生物仪器分析原理与方法第一章 绪论 四、考试及成绩计算 l 考试：闭卷或开卷 n期末考试：时间在课程结束后 l 成绩计算 总成绩 = 期末70% + 平时30% l 平时成绩 n考勤 n平时小测验： n提问：当面提问、网上提问，科学问题 YJH 生物仪器分析原理与方法第一章 绪论 绪 论 一、科学仪器的重要作用 二、仪器分析简介 三、定量分析方法的评价指标 四、痕量分析与微量分析 五、生物学仪器简述 YJH 生物仪器分析原理与方法第一章 绪论 l 科学仪器是科学研究取得突破性、革命性进展 的先决条件。 以交通工具的发展变化为例 横向改进（从车体入手， 运输能力产生量的改进） 马车 纵向 飞跃 （从 动力 入手 ，运 输能 力产 生质 的飞 跃） YJH 生物仪器分析原理与方法第一章 绪论 一、科学仪器的重要作用 l 科学技术是第一生产力，科学仪器是第一生产力的三 要素之一，在科学技术创新事业以及在促进社会生产力 的发展中起着带头作用、主导作用，是发展社会生产力 的排头兵。 科学仪器对科技创新、国民经济发展、国防建设和 小康社会建设都具有重要的支撑和推动作用。 科技部副部长刘燕华 从科学实验的精密测试分析，到人体健康、食品、 环境的诊断探测，从航空、航天、海洋与各种极端条件 的探测，到院子、分子、纳米等围观水平的测试，从武 器装备到反恐、国家安全领域等，都离不开科学仪器的 应用。 中国科学院杜祥琬副院长 YJH 生物仪器分析原理与方法第一章 绪论 1、科学仪器促进科学技术的发展 l 科学上的发现和技术上的发明是从对事物的观 察开始的： l 对事物的精细观察就要借助于科学仪器，特别 是在自然科学和工业生产领域更是如此。在对事 物的观察、测试基础上经过分析推导，形成认识 。到这一阶段还只能是假说、学说。 l 实践是检验真理的唯一标准，只有在经过测试 和考核，才能真正形成科学，所以说在科学发展 的哪一阶段都离不开测试。 l 国家中长期科学技术发展规划指出，仪器仪表 和测试是“新技术革命“的先导和基础。 YJH 生物仪器分析原理与方法第一章 绪论 1、科学仪器促进科学技术的发展 科学是从测量开始的，没有测量就没有科学，至少 是没有精确的科学、真正的科学。 化学家、计量学家门德列耶夫 仪器是认识世界的工具；科学是用斗量禾的学问。 用斗去量禾就对事物有了深入的了解、精确的了解，就 形成科学。 我国“两弹一星”元勋王大珩院士 Nothing begets good science like development of a good instrument（发展一种好的仪器对于一门好科学的贡献超 过了任何其他事情）。 英国著名科学家H.Pavy 现代科学的进步越来越依靠仪器的发展。 1991年诺贝尔化学奖得主R.R.Ernst YJH 生物仪器分析原理与方法第一章 绪论 1、科学仪器促进科学技术的发展 New directions in science are launched by new tools much more than by new concepts. The effect of a concept- driven revolution is to explain old things in new ways. The effect of a tool-driven revolution is to discover new things that have to be explained（由新工具开创的科学新方向远 比由新概念开创的科学新方向要多得多。由概念驱动的 革命的影响是用新概念去阐明旧事物。而由工具驱动的 革命的影响是去发现需要阐明的新事物 ） 美国能源部杰出科学家R. F. Hirsch博士 YJH 生物仪器分析原理与方法第一章 绪论 1、科学仪器促进科学技术的发展 l 科学发展史一再证明，许多重要的科学分支的 确立和发展归功于重要的科学仪器装置的研制成 功。 l 极谱仪的发明产生了极谱学，色谱仪的发明产 生了色谱学，光谱仪的发明产生了光谱学，质谱 仪的发明产生了质谱学，没有哈勃望远镜就难以 进行天体科学的研究，天体科学上的许多重大发 现都是依靠哈勃望远镜的观测而得到的。扫描隧 道显微镜的发明对纳米科技的兴起和发展可以说 起到决定性作用 YJH 生物仪器分析原理与方法第一章 绪论 哈勃望远镜的发明揭开了 人类对星系研究的序幕 电子显微镜的发明彻底解决了 微观研究领域放大率不足的问题 科学的进步在很大程度是被科学仪器的发明所推动的。 l 科学仪器是开展科学研究和实现发明创造的必 要手段。 YJH 生物仪器分析原理与方法第一章 绪论 1、科学仪器促进科学技术的发展 l 据统计，20世纪授予的诺贝尔奖项目中，物理 学科项目的68.4、化学学科项目的74.6%、生物 医学学科项目的90都直接与实验有关或本身就 是实验项目，这些实验都是借助各种先进仪器完 成的。 l 从20世纪初到现在，诺贝尔奖颁发给仪器发明 、发展与相关的实验项目达27项之多。 YJH 生物仪器分析原理与方法第一章 绪论YJH 生物仪器分析原理与方法第一章 绪论 2、科学仪器是经济发展的推动力倍增器 l 美国商务部在1992年公布过调查结果：美国仪 器仪表产业的产值只占美国社会总产值的4， 而由于仪器仪表事业的发展拉动的相关经济部门 的产值达到社会总产值的66！ l 仅仅在美国，每天就用各种分析仪器完成2.5亿 次分析检测工作，美国每年仅用于分析测试的费 用就高达500亿美元！ YJH 生物仪器分析原理与方法第一章 绪论 3、科学仪器是可持续发展的保证和指路标 l 20世纪后期，由于科学仪器科技和产业（主要 是分析仪器）的发展，人类突然感觉到了环境污 染对人类社会和经济可持续发展的重大意义和严 重影响。发觉了大气层臭氧空洞的产生、发展及 其危害以及厄尔尼诺现象、温室效应、热带雨林 破坏等等生态平衡问题的产生、发展及其危害 发现和监测所有这一切危及人类社会和经济 可持续发展甚至人类本身生育、遗传、疾病、生 存基础的大问题，都是直接依靠现代分析检测科 技和现代科学仪器（分析仪器）的发展和广泛应 用。 YJH 生物仪器分析原理与方法第一章 绪论 4、科学仪器是打破贸易壁垒的强有力工具 l 我国已加入WTO，世界各国关税壁垒这一老武 器已被种种“技术壁垒”、“绿色壁垒”所取代，“农 药残留指标”、“重金属元素指标”、“抗生素残留” 等理由使我国传统大宗出口禽蛋肉产品、粮食及 食品，甚至蔬菜、蜂蜜、茶叶屡屡被欧、美、日 等国市场拒之门外，除了种种或明或暗的政治、 经济原因，重要的原因之一是我国现代分析检测 技术和高灵敏度分析仪器水平落后！ YJH 生物仪器分析原理与方法第一章 绪论 5、科学仪器是确保国家安全的利剑 l 近年来超级霸权国家横行世界的国际政治态势 发展，也有分析检测（包括控制）科技和仪器发 展基础和水平的因素。依仗其精确检测、控制技 术和仪器鹤立鸡群的高度发展水平，超级霸权主 义者到处挥舞其“灵巧炸弹”、“精确打击”、“反导 系统”，在“零伤亡战争”的庇护下横行全球。 YJH 生物仪器分析原理与方法第一章 绪论 6、科学仪器是打击犯罪的有力手段 l 弥漫全球的贩毒、吸毒恶浪、假冒伪劣产品、 金融欺诈等等已成为当今国际社会的毒瘤，也急 需更先进的检毒侦查技术和仪器、快速可靠的质 检技术和相应的分析检测仪器。 YJH 生物仪器分析原理与方法第一章 绪论 7、科学仪器是开展生命科学研究的支撑 l 医学正在经历一个由经验、技艺变为科学的过程，要 把医学由经验、技艺变为科学，要依靠仪器仪表，要依 靠测试。仪器与测试技术是了解人体和生物生命机理和 探测疾患的主要手段。没有良好的测试手段，包括各种 植入人体内部的传感器，是不可能洞察人体和生物的奥 秘的。 l 对于祖国传统医学中医学、中草药更是如此。中医学 、中草药积累了多少代人的心血和经验，是人类宝贵的 文化遗产。中医学关于将人作为一个整体的见地，有关 如经络、针灸、号脉等的学说与实践都是非常珍贵的， 但也存在怎样将它们由经验、技艺变为科学并进一步深 化、扩大的问题，而所有这一切都靠测试，靠仪器仪表 。 YJH 生物仪器分析原理与方法第一章 绪论 X射线衍射技术促进DNA双螺旋结构发现 YJH 生物仪器分析原理与方法第一章 绪论 X射线衍射技术促进DNA双螺旋结构发现 YJH 生物仪器分析原理与方法第一章 绪论 PCR技术使基因克隆简便易行 l Mullis在1983年春天的一个周五晚上，他开车 带着女友前往乡间的小屋度周末。在蜿蜒的乡间 公路上开着车，一段DNA反复复制的景像，在他 的脑海里冒了出来。 YJH 生物仪器分析原理与方法第一章 绪论 l 东南大学附属中大医院的毛曦 教授从事发育生物学教学、科研二十余 年，在国内外的资料上从未看到过脑干 细胞诱导分化出的神经细胞末梢突出物 的形貌，世界各类文献上该细胞末梢突 出物的示图均是手工绘制的。 分析测试中心电镜室王克宇同志为毛教授观测到了大鼠神经细胞末梢突 出物的形貌。毛教授非常欣喜，称这是一项重大发现，是世界上第一张 该细胞的形貌照片，对细胞、神经学等方面的研究有重大意义，他们不 久将发表具有这一重大突破的成果，在世界范围公开该细胞形貌照片。 YJH 生物仪器分析原理与方法第一章 绪论 科学仪器使人类基因组计划提速 l 人类基因组计划与曼哈顿原子弹计划、阿波罗 登月计划并称科学史上三大计划。 l 人类基因组由大约30亿碱基对组成，分布在23 对染色体上，大约含6万多个基因。 人类基因组测序方法及其效率 测序方法 年代 测序方式 所需时间 所需经费 常规凝胶电泳法 1990 手工 15年 30亿美元 毛细管电泳法 2001 自动 3年 3亿美元 微流控芯片 2005 自动 100天 50万美元 YJH 生物仪器分析原理与方法第一章 绪论 第二节 仪器分析简介 一 仪器分析和分析化学 1、什么是仪器分析？ l 仪器分析是指采用比较复杂或特殊的仪器设备 ，通过测量物质的某些物理或物理化学性质的参 数及其变化来获取物质的化学组成、成分含量及 化学结构等信息的一类方法。 n这些方法一般都有独立的方法原理及理论基础 。 YJH 生物仪器分析原理与方法第一章 绪论 2、分析化学化学分析、仪器分析 l 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。 n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。 n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。 u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。 YJH 生物仪器分析原理与方法第一章 绪论 3、仪器分析的特点（与化学分析比较） l 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。 l 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 。 l 操作简便，分析速度快，容易实现自动化。 l 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。 l 需要价格比较昂贵的专用仪器。 YJH 生物仪器分析原理与方法第一章 绪论 表1.1 常量分析、半微量和微量分析 YJH 生物仪器分析原理与方法第一章 绪论 4、仪器分析与化学分析关系 l 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。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。 l 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。 YJH 生物仪器分析原理与方法第一章 绪论 二 仪器分析的方法 1、光学分析法 l 凡是以电磁辐射为测量信号的分析方法均为光 学分析法。可分为光谱法和非光谱法。 l 光谱法则是以光的吸收，发射和拉曼散射等作 用而建立的光谱方法。这类方法比较多，是主要 的光分析方法。 l 非光谱法是指那些不以光的波长为特征的信号 ，仅通过测量电磁幅射的某些基本性质（反射， 折射，干涉，衍射，偏振等）。 YJH 生物仪器分析原理与方法第一章 绪论 2、电分析化学方法 l 电化学分析法是根据物质在溶液中的电化学性 质建立的一类分析方法。以电讯号作为计量关系 的一类方法，主要有五大类: n电导法 n电位法 n电解法 n库仑法 n伏安法 n极谱法 YJH 生物仪器分析原理与方法第一章 绪论 3、色谱法 l 色谱法是以物质在两相(流动相和固定相)中分 配比的差异而进行分离和分析的方法。 主要 有： n气相色谱法 n液相色谱法 YJH 生物仪器分析原理与方法第一章 绪论 4、其它仪器分析方法 质谱： l 根据物质带电粒子的质荷比在电磁场作用下进 行定性、定量和结构分析的方法。 热分析： l 依据物质的质量、体积、热导、反应热等性质 与温度之间的动态关系来进行分析的方法是热差 分析法。 放射分析： l 依据物质的放射性辐射来进行分析的方法同位 素稀释法，中子活化分析法。 YJH 生物仪器分析原理与方法第一章 绪论 三、仪器分析的发展概况 l 仪器分析的三次巨大变革 n第一次变革：20世纪初，分析天平的发明,借助 于物理化学溶液溶液理论的发展（四大平衡的建立 ）。 n第二次变革： 20世纪40年代以后，物理电子的 发展，各种仪器分析方法相继建立。 n第三次变革：现在现代科学技术和生产的发展 ，计算机的使用，尤其微型计算机的发展，给仪器 分析带来全新的革命。 YJH 生物仪器分析原理与方法第一章 绪论 20世纪4050年代兴起的材料科学，6070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。 如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 。 1. 仪器分析的发展 YJH 生物仪器分析原理与方法第一章 绪论 信息时代的到来，给仪器分析带来了新的发展。 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。 YJH 生物仪器分析原理与方法第一章 绪论 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。 联用分析技术： 气相色谱质谱法（GCMS） 气相色谱质谱法质谱法（GCMSMS） 气相色谱原子发射光谱法（GCAED） 液相色谱质谱法（HPLCMS） YJH 生物仪器分析原理与方法第一章 绪论 2. 前景展望 (1)生命科学研究对分析化学提出高的要求 活体分析，单细胞分析，基因分析，及药物的检 测等 (2)环境监测及控制 自动化 智能化 微型化 YJH 生物仪器分析原理与方法第一章 绪论 四 怎样学习仪器分析 1.理论与实际相结合 2.掌握仪器的使用、原理、特殊性 YJH 生物仪器分析原理与方法第一章 绪论 一、标准曲线 标准曲线是被测物质的浓度或含量与仪器响应信 号的关系曲线。 线性范围 标准曲线的直线部分所对应的被测物 质浓度（或含量）的范围。 特点：选择分析方法应有较宽的线性范围。 第二节 定量分析方法的评价指标 YJH 生物仪器分析原理与方法第一章 绪论 标准曲线的绘制 标准曲线是依据标准系列(或含量)和其相应的 响应信号测量值来绘制的。 一元线性回归法 y = a + bx b 为回归系数即斜率 a 为截距 YJH 生物仪器分析原理与方法第一章 绪论 相关系数r 在分析化学上，相关系数是用来表征被测物质的 浓度（或含量）x与其响应信号值y之间线性关系好坏 程度的一个统计参数。 当|r|=1时，y与x之间存在着严格的线形关系。 |r|越接近1,则y与x 之间的线形关系就越好。 YJH 生物仪器分析原理与方法第一章 绪论 二、灵敏度 物质单位浓度或单位质量的变化引起响应信号值变化 的程度，称为方法的灵敏度，用 S 表示。 灵敏度也就是标准曲线的斜率，斜率越大，方法的 灵敏度就越高。 YJH 生物仪器分析原理与方法第一章 绪论 三、精密度 精密度是指使用同一方法，对同一试样进行多次 测定所得测定结果的一致程度。 精密度常用测定结果得标准偏差 s 或相对标准偏差 （sr）量度。 YJH 生物仪器分析原理与方法第一章 绪论 四、准确度 试样含量的测定值与试样含量的真实值(或标准值) 相符合的程度称为准确度。准确度常用相对误差量度。 Er= x 100 % 五、检出限 某一方法在给定的置信水平上可以检出被测物质的 最小质量，称为这种方法对该物质的检出限，以浓度表 示的称为相对检出限，以质量表示的称为绝对检出限。 YJH 生物仪器分析原理与方法第一章 绪论 对于光学分析法，可以与空白信号区别的最小信号 XL由下式确定： 式中： 为 白信号的平均值；sb为空白信号