仪器分析（武汉大学）01绪论课件

仪 器 分 析,授课教师:戚琦 授课班级:09化本 学时数: 48学时 授课时间:每周二、周四上午第三、四节，至第十二周结束课程 学习要求：1、按时上课，不迟到不早退。 2、上课时请同学们不要说闲话，造成对老师授课时的干扰。请不要做与本课程无关的杂事。 3、做好相关的预习、复习工作。上课时作好笔记，课后做好老师布置的作业。,如何学习仪器分析,1.掌握方法的基本原理，了解方法可提供的信息 2.了解仪器的结构、工作原理和方框图 3.掌握分析步骤和数据处理方法 4.反复阅读教本，独立完成作业,第一章 绪 论 Introduction,第一节 分析化学发展和仪器分析的地位 经典分析化学,Analytical chemistry is a scientific discipline that develops and applies methods, instruments and strategies to obtain information on the composition and nature of matter in space and time. .,研究物质化学组成，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。,分析化学的地位,据统计，在已经颁布的所有诺贝尔物理、化学奖中，有四分之一的项目和分析化学直接有关。,国际：36国家，1075个分析化学机构；美国20万化学家，4万多从事分析化学，3000多所大学，270多所有分析化学专业。有的国家大学单独设系。 中国：10个国家级分析测试中心，12个部级测试中心，21个省市测试中心，137个国家级产品质量监督检验中心，300多个进出口商品检验室，8千多个环境监测机构，数十万庞大的分析队伍。,分析科学,中药复杂体系,大气海洋环境,医药食品安全保障,生命过程研究,国家安全,基础理论研究,现代分析科学发展前沿,Fundamental and Application Oriented,技术发展Problem Oriented,GLP Lab,现场实验室,便携式 分析仪器,集成系统,发展创新仪器,食品安全和毒品等, 仪器分析的产生,什么是仪器分析？ 一般的说，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。 这些方法一般都有独立的方法原理及理论基础。,仪器分析的产生是科学技术发展的需要、必然，也是科学技术发展的结晶。, 仪器分析的特点,.灵敏度高,检出限低 3.分析速度快，效率高，可以一次分析样品中多种元素信息； 3.选择性好； 3.4 准确度相对较低，相对误差较大 3.5一般仪器价格较贵，维修使用成本较高 800MHz NMR120万美元。,表1 各种仪器分析方法的灵敏度,4 仪器分析的历史发展概况,仪器分析的三次巨大变革 4.1 第一次变革 4.1.1 16世纪分析天平的发明,分析化学具有了科学的内涵；,4.1.2 20世纪初，依据溶液中四大反应平衡理论，形成分析化学的理论基础。分析化学由一门操作技术变成一门科学； 特点：20世纪40年代前，化学分析占主导地位，仪器分析种类少和精度低；,20世纪40年代后，仪器分析的大发展时期。 第二次世界大战前后，分析化学从以化学分析为主的经典分析化学，发展到以仪器分析为主的现代分析化学； 特点：化学分析与仪器分析并重,仪器分析自动化程度低； （1）Bloch F 和Purcell E M；建立了核磁共振测定方法；诺贝尔化学奖1952年； （2）Martin A J P 和Synge R L M；建立了气相色谱分析法；诺贝尔化学奖1952年； （3）Heyrovsky J，建立极谱分析法，诺贝尔化学奖1959年,4.2 第二次巨大变革,4.3 第三次变革,从20世纪70年代末至今 特点：分析仪器的智能化，加快了数据处理的速度，即高效率、微观化、微量化和自动化是现代分析化学的特色。,目前高水平、高尖端的实验研究结果均是建立在高精度的仪器分析方法的基础上的。 据日本读卖新闻2003年8月日报道，文部科学省申请亿美元的政府预算，开发世界尖端的分析计算测量仪器，以促使更多诺贝尔奖级的科研成果诞生。 日本文部科学省通过专家研讨机构，选定了对尖端分析计算测量仪器要求高、有望出现重大科研成果的三个领域，分别是：生命科学，纳米技术、材料和信息通信，以及环境科技。,仪器分析应用领域,社会：体育（兴奋剂）、生活产品质量（鱼新鲜度、食品添加剂、农药残留量）、环境质量（污染实时检测）、法庭化学（DNA技术，物证） 化学：新化合物的结构表征；分子层次上的分析方法； 生命科学：DNA测序；活体检测； 环境科学：环境监测；污染物分析； 材料科学：新材料，结构与性能； 药物：天然药物的有效成分与结构，构效关系研究； 外层空间探索：微型、高效、自动、智能化仪器研制。,恐怖袭击,不法污染排放,室内装修污染，食品安全情况。,据监测，20日7时，在吉林界内的第二松花江汇入我省界第一个监测断面即肇源断面开始检出苯超标，表明污染带前锋已达我省。20日16时肇源断面硝基苯也开始超标，21日9时，硝基苯超标29.1倍，较高浓度污染带约80公里，流经持续时间为40小时左右。另据松辽委21日函报，19日21时污染团进入省界缓冲区，苯超标2.5倍，硝基苯超标103.6倍。目前污染带已通过肇源断面，正在向下游移动。据最新监测结果报告，距四方台哈尔滨市取水口73公里的三家子断面，23日4时监测硝基苯超标28.56倍。,突发污染,海洋污染与赤潮,建 莲,甘 草,丹 参,枸 杞,苏丹红I（Sudan I）的化学名称为1-苯基偶氮-2-萘酚(1- phenylazo-2- naphthalenol)，分子结构式为C6H5=NC10H6OH，分子量248.28； 苏丹红II（Sudan II）化学名称为1-(2,4-二甲基苯)偶氮-2-萘酚(1-(2,4-dimethylphenyl)azo-2-naphthalenol)；苏丹红III（Sudan III）化学名称为1-4-(苯基偶氮)苯基 偶氮-2-萘酚(1-4-(phenylazo)phenylazo-2-naphthalenol)； 苏丹红IV（Sudan IV）化学名称1-2-甲基-4-(2-甲基苯)偶氮苯基偶氮-2-萘酚(1-2-methyl-4-(2-methylphenyl)azophenylazo-2-naphthalenol)。,海洋浮标与微型实验室,原位、在线、实时、多维、微区,天、空、面、底立体检测,原位在线无人值守,战争与战场现场快速测试,体液、单细胞分析,5 仪器分析发展趋势展望,分析仪器的发展是现代科学、经济和社会发展的重要基础和推动力之一。 分析仪器的主要应用领域正向生物医学领域转移分析仪器本身将不断微型化、智能化但人类向时间和空间的两个极限挑战所需的高级精密仪器也不容忽视生命过程、生产、科研和社会活动大量需要的将是在线、非侵入、非损坏、原位、实时、多维分析仪器。,5.1分析仪器是人们感觉器官的延伸,5.2分析仪器的微型化和智能化,随着分子计算机、DNA计算机、光子计算机、量子计算机等的不断推出，计算机也将越来越微型化。 计算机（电脑）与人脑的结合将不再是一个梦、带有植入式电脑的人的智能将大大超过不带电脑的“自然人”。,5.3分析仪器的大众化、个性化和日用品化，贵重仪器的网络化,随着经济全球化和全球网络化，大型实验室的数量将减少，但其资源（特别是其精密贵重仪器）将得到更充分的发挥。因为它可以面向全世界为所有“网民”服务. 实际上，现在就已有人在建立利用全球主要实验室资源的“网络实验室”了。,5.4建立和发展虚拟仪器概念,利用现有的计算机，加上适当设计的仪器硬件和专门的应用软件，构成虚拟仪器，使其既具有传统仪器的基本功能、又能由用户根据自己的需求变化随时定义，实现多种多样的应用要求.虚拟仪器不但灵活可变、功能强大，而且作用方便，便于技术升级更新，价格也低廉（尤其仪器系统的使用维护费用低）。,5.5 分析仪器的主要应用领域正向着生物医学领域转移,分析仪器在保障人类健康生活、监控病人病情、预防灾害发生等方面起着重大的作用。 没有新型DNA分析仪的进一步发展，人类也很难在防病、治病特别是在防治癌症和各种遗传病方面对现有基因图谱加以利用。,2008年美籍华裔钱永健因在荧光蛋白研究领域的成果而获得诺贝尔化学奖.他的父亲钱学榘是美国波音公司的工程师,舅舅是麻省理工学院的的工程学教授,堂叔是中国导弹之父钱学森,哥哥钱永佑是神经生物学家美国科学院院士斯坦福大学教授.堂兄钱永刚是中国解放军某研究所高级工程师,上海交通大学兼职教授. 钱永健1952年出生,后进入哈佛大学学习,20岁获得化学和物 理学士学位并前往剑桥大学深造,1977年获得生理学博士学位.1981年到加州大学伯克利分校任教授.目前他将实验室搬至加州大学圣地亚哥分校,任药理学教授和化学与生物化学教授. 钱永健利用其在化学与生物学方面的天分找到了让绿色荧光蛋 白更亮更持久发光的办法.它所发出的荧光就象一盏明灯,帮助研究人员发现生命体在分子层面和细胞层面的诸多反应.,第二节 仪器分析方法的类型,仪器分析,电化学分析法,光分析法,色谱分析法,热分析法,分析仪器联用技术,质谱分析法,1 光学分析法,光分析法,原子吸收法,红外法,原子发射法,核磁法,荧光法,紫外可见法,光学分析法 某能量作用于待测物质后测定其产生的辐射讯号或引起的某些变化的分析方法。 1.非光谱法-指那些不以光的波长为特征、讯号，仅通过测量电磁辐射的某些基本性质（反射、折射等）的变化的分析方法。如：干涉法、折射法、散射法、旋光法、衍射法等。 2.光谱法-以光的吸收、发射和拉曼散射等作用建立起来的光分析法。通过检测光谱的波长和强度来进行分析。 如：AAS,AES,AFS,UVS,IR,NMR等。,2. 电分析化学方法,电化学分析法,电位分析法,电解分析法,电泳分析法,库仑分析法,极谱与伏安分析法,电导分析法,根据物质在溶液中的电化学性质及其变化来进行分析的方法.,3. 色谱分析法,色谱分析法,气相色谱法,薄层色谱法,液相色谱法,激光色谱法,电色谱法,超临界色谱法,根据混合物各组分在互不相溶的两相（固定相、流动相）中的吸附能力，分配系数或其亲和作用性能的差异来进行分离和测定的方法。,4. 其它仪器分析方法 质谱， 热分析， 放射分析,其他分析法,质谱分析法,联用技术,热分析法,放射分析,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,紫外、红外、核磁、质谱,第三节 分析仪器,信号发生器：产生可以反映待测物存在及浓度的信号装置，多半为离子或化合物自身。 检测器： 光电转换器 电位计 信号处理：运算放大 输出： 记录仪、计算机,1 分析仪器的基本结构单元,我院目前装备的部分分析仪器,雅典奥运会兴奋剂检测中心,中国兴奋剂检测中心拥有符合国际奥委会要求的现代化检测仪器设备，曾被确定为2000年悉尼奥运会的备用实验室， 在过去的10多年中，每年都有实验室因未能通过复试而被降级或取消资格。,由于科学技术的进步，进行兴奋剂检测的技术难度很大、要求极高。要查出1毫升尿液中含有的2纳克（1纳克等于十亿分之一克）兴奋剂，就相当于在5个标准游泳池（50米*25米）的水量中放入一小勺糖，然后随意抽取一小瓶进行化验。,YN-CL型农药残毒仪 有机磷和氨基甲酸酯类农药残毒快速检测,便携式多成份烟气分析仪(测量排烟温度、烟气中的O2、CO、SO2、NO、NO2、微压（P）等参数),Nicolet 红外光谱仪,HP高压液相色谱仪,日立F-4500荧光分光光度计 (Fluorescence Spectrophotometry),日本Jascoo公司荧光分光光度计,日本岛津公司的原子吸收 （Atomic Absorption Spectrometry）,Perkin-Elemer的原子吸收 （Atomic Absorption Spectrometry）,Perkin-Elemer ICP AA-100B,核磁共振仪,2 分析仪器的性能指标,2.1 标准曲线-又称工作曲线。 如吸光光度法，首先在一定条件下配制一系列具有不同已知浓度吸光物质的标准溶液，然后在确定的波长和光程等条件下，分别测量溶液的吸光度，绘制A-c曲线，从而得到一条通过原点的直线，即标准曲线。 当需要对某未知液的浓度cx进行测定时，只需要在相同条件下测得未知液的吸光度Ax，就可由cx=Ax/b计算得出或直接在标准曲线上查得cx。,在实际操作中，应注意调整cx的大小，使其对应的Ax处于标准曲线的直线范围（线性范围）之内。,2.2 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。 S=dy/dc或dy/dm 式中：dc和dm分别为被测物质的浓度和质量的变化量，dy为响应信号的变化量。 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。,2.3 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的标准偏差s或相对标准偏差sr量度. 同一分析人员在同一条件下测定结果的精密度称为重复性； 不同实验室所得测定结果的精密度称为再现性.,2.4 准确度,试样含量的测定值与试样含