现代仪器分析-工程硕士课件

现代仪器分析分析化学概论

Analyticalchemistryisascientificdisciplinethatdevelopsandappliesmethods,instrumentsandstrategiestoobtaininformationonthecompositionandnatureofmatterinspaceandtime.

研究物质化学组成、结构信息、分析方法及相关理论的科学。分析化学定义：分析化学是研究分析方法的科学或学科，是一门人们赖以获得物质组成、结构和形态的信息的科学。分析化学包含：

定性分析（qualitativeanalysis）:测定样品中原子、分子或官能团的信息（种类、相互之间的连接方式和空间排列方式）；定量分析（quantitativeanalysis）:测定各成分的含量。分析化学研究问题物质中有哪些元素和（或）基团（定性分析）；每种成分的数量或物质纯度如何（定量分析）；物质中原子彼此如何联结而成分子和在空间如何排列（结构和立体分析）。分析化学目标、任务鉴定物质的化学组成（元素、离子、官能团、或化合物）、测定物质的有关组分的含量；确定物质的结构（化学结构、晶体结构、空间分布）和存在形态（价态、配位态、结晶态）及其与物质性质之间的关系等。

分析化学的地位分析化学应用领域在地质普查、矿产勘探、冶金、化学工业、能源、农业、医药、临床化验、环境保护、商品检验、考古分析、法医刑侦鉴定等领域有广泛的应用。分析化学三要素理论对象（问题）方法生产科学技术

获取信息和进行表征的方法很多，按方法分类，大体上分为两类：

分析方法化学分析

仪器分析定性分析定量分析光谱分析法电化学分析法分离法重量法容量法（酸碱、络合、氧化-还原、沉淀等滴定法）2022/12/14光谱分析法原子发射光谱法原子吸收光谱法原子荧光光谱法原子光谱法分子光谱法其它波谱法紫外-可见吸收光谱法红外吸收光谱法分子荧光与磷光光谱法化学发光光谱法拉曼光谱法核磁共振波谱法质谱法、X射线法2022/12/1415电化学分析法电导分析法电位分析法（pH与离子选择性电极）电流分析法（库仑分析）伏安分析法（极谱和溶出伏安法）分离法色谱分离法电泳分离法气相色谱法液相色谱法超临界流体色谱法毛细管电泳法毛细管电动色谱法2022/12/1416按被分析物质的含量划分:按被分析物质的状态划分：表面分析微区分析剥层分析常量分析（>0.01%)痕量分析(0.01-0.00001%)超痕量分析(<0.00001%)成分分析状态分析结构分析常量分析（>10mg,>1ml)微量分析(0.1-10mg,0.01-1ml)超微量分析(<0.1mg,<0.01ml)按取样量划分:2022/12/14172022/12/14

分析化学的发展1.分析对象无机物分析生物活性物质分析2.分析对象的数量级3.分析自动化程度常量微量痕量分子水平手工操作仪器自动全自动智能化仪器有机物分析技术发展ProblemOriented“优良实验室规范”实验室（GLPLab）现场实验室便携式分析仪器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？

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。

仪器分析是利用各种学科的基本原理，采用电学、光学、精密仪器制造、真空、计算机等先进技术探知物质化学特性的分析方法。

仪器分析是体现学科交叉、科学与技术高度结合的一个综合性极强的科技分支。

仪器分析的分析对象一般是半微量(0.01-0.1g)、微量(0.1-10mg)、超微量(<0.1mg)组分的分析，灵敏度高；

化学分析一般是半微量(0.01-0.1g)、常量(>0.1g)组分的分析，准确度高。各种仪器分析方法的灵敏度3、低浓度下分析准确度较高：含量较低范围内的杂质测定，相对误差低达1%～10%。4、快速：如发射光谱分析法在1min内可同时测定水中48个元素。2、取样量少：化学分析法需用10-1～10-4g；仪器分析试样常在10-2～10-8g。5、可进行无损分析：有时可在不破坏试样的情况下进行测定，适于考古、文物等特殊领域的分析。有的方法还能进行表面或微区分析，或试样可回收。6、能进行多信息或特殊功能的分析：有时可同时作定性、定量分析，或同时测定材料的组分比和原子的价态。9、操作较简便：省去了繁琐的化学操作过程。随自动化、程序化程度的提高操作将更趋于简化。10、缺点：仪器设备较复杂，价格较昂贵。仪器分析的发展概况仪器分析的三次巨大变革：第一次变革16世纪分析天平的发明，分析化学具有了科学的内涵；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、精度低；第二次巨大变革

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；

BlochF和PurcellEM：建立了核磁共振测定方法

（诺贝尔化学奖，1952年）MartinAJP和SyngeRLM：建立了气相色谱分析法

（诺贝尔化学奖，1952年）HeyrovskyJ：建立了极谱分析法

（诺贝尔化学奖，1959年）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。

2008年美籍华裔科学家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。钱永健基于化学与生物学的理论基础，找到了让绿色荧光蛋白更亮更持久发光的办法，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。1952-2016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基础上的。据日本《读卖新闻》2003年8月19日报道，文部科学省申请１亿美元的政府预算，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几个领域：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）、法庭证据（DNA技术，物证）等化学：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。恐怖袭击室内装修污染，食品安全情况。。。

2001年5月20日，吉林界内的第二松花江汇入黑龙江省界第一个监测断面（肇源断面），检出苯、硝基苯严重超标。突发污染海洋污染与赤潮苏丹红：1-苯基偶氮-2-萘酚“三聚氰胺奶粉”事件1,3,5-三嗪-2,4,6-三氨毒性：长期摄入会造成生殖、泌尿系的统损害，膀胱、肾部结石假蛋白凯氏定氮法每100g牛奶中添加0.1g三聚氰胺，理论上可提高0.625%蛋白质。涉案商品：三鹿奶粉，光明牛奶

检测仪器—气相色谱-质谱联用仪（GC-MS）、高效液相色谱仪（HPLC）等

食品安全快速检测纳米TiO2光解催化剂固相微萃取探头固相微萃取装置病害肉快速检测传统分析方法MovingAnalysis光纤化学传感检测形式光纤化学传感器特点：原位、在线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、单细胞分析仪器分析方法的类型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仪器分析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分子光谱原子光谱非光谱法：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。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，IR，NMR等。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电分析化学方法

根据物质在溶液中的电化学性质及其变化进行分析的方法。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进行分离和测定。其它仪器分析方法

①质谱②热分析③放射分析其它分析法质谱分析法联用技术热分析法放射分析仪器分析方法发射光谱法：依据物质被激发发光而形成的光谱来分析其化学成分。使用不同的激发源而有不同名称的光谱法。如用高频电感耦合等离子体（ICP）作激发源，称高频电感耦合等离子体发射光谱法；如用激光作光源，称激光探针显微分析。原子吸收光谱法：基于待测元素的特征光谱被蒸气中待测元素的气态原子所吸收，而测量谱线强度减弱程度（吸收度）求出样品中待测元素含量。

应用较广的有火焰原子吸收法。原子荧光分光光度法：通过测量待测元素的原子蒸气在辐射能激发下所产生的荧光发射强度来测定待测元素。红外吸收光谱法：主要用于鉴定有机化合物的组成，确定化学基团及定量分析。傅里叶变换红外光谱法：光信号以干涉图形式输入计算机进行傅里叶变换的数学处理，具有信噪比大、灵敏度高等特点。紫外可见分光光度法：适用于低含量组分测定，还可以进行多组分混合物的分析。核磁共振波谱法：利用有机分子的质子共振鉴定有机化合物和多组分混合物的组分。电子自旋共振法：以磁场对离子、分子或原子所含未成对电子的作用所引起的磁能级分裂为基础的分析方法。拉曼光谱法：可测定分子结构，使用可调激光器的拉曼光谱仪用于微量分析，也可用于无机物和单晶的结构分析。电子探针微区分析：可用于微粒矿物岩石分析，金属材料中元素的分布，各种物相中元素的分配。离子探针微区分析：微区直径约1～5微米，深度约几十埃，可进行扫描分析，几乎可分析所有的元素。电子能谱法：是测定电子结合能的一种方法，它是研究表面化学的有力工具，并可用于除H和He以外任何元素的定性分析。俄歇电子能谱法：应用于分析无机及有机试样的组成、价态及结构，一般为无损分析。穆斯堡尔谱法：所探测的对象是单个的原子核，可用于研究材料中的杂质原子和空位对材料性能的影响。质谱分析：具有高鉴别及检测能力，可以分析所有元素。火花源质谱适于测定痕量元素。极谱法：是利用阴极（或阳极）极化变化过程作为依据的一种方法。其特点是灵敏度高、试液用量少，可测定浓度极小的物质。离子选择性电极法：是一种使用电位法来测量溶液中某一离子活度的指示电极，能快速、连续、无损地对溶液中的某些离子活度进行选择性地检测。库仑分析法：控制电位库仑分析法和恒电流库仑滴定法。色谱法：是一种分离分析法，利用混合物中各组分在不同的两相中溶解、解析、吸附、脱附或其他亲和作用性能的差异，而互相分离。按流动相的物态，可分为气相色谱法和液相色谱法；按固定相使用形式，可分为柱色谱法、纸色谱法和薄层色谱法。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、计算机分析仪器的基本结构单元主要分析仪器原子吸收光谱法(Atomicabsorptionspectroscopy，AAS)原子发射光谱法(Atomicemissionspectroscopy，AES)原子荧光光谱法(Atomicfluorescencespectroscopy，AFS)X射线衍射光谱仪(X-raydiffraction，XRD)毛细管电泳分析仪(Capillaryelectrophoresis，CE)比色计(Colorimetry)循环伏安法(CyclicVoltammetry，CV)差示扫描量热法(Differentialscanningcalorimetry，DSC)电子顺磁共振仪(Electronparamagneticresonance，EPR)电子自旋共振(Electronspinresonance，ESR)椭圆偏振技术(Ellipsometry)傅里叶变换红外线光谱(FourierTransformInfraredSpectroscopy，FTIR)气相色谱法(Gaschromatography，GC)气相色谱-质谱法(Gaschromatography-massspectrometry，GC-MS)高效液相色谱法(HighPerformanceLiquidChromatography，HPLC)离子探针(Ionprobe，IP)电感耦合等离子体发射光谱(Inductivelycoupledplasma，ICP)离子选择电极(Ionselectiveelectrode，ISE)激光诱导击穿光谱仪(LaserInducedBreakdownSpectroscopy，LIBS)薄层色谱(Thinlayerchromatography，TLC)质谱仪(Massspectrometry，MS)穆斯堡尔谱(Mossbauerspectroscopy)核磁共振(Nuclearmagneticresonance，NMR)拉曼光谱(Ramanspectroscopy)共振增强多光子电离谱(Resonanceenhancedmulti-photonionization，REMPI)X射线荧光光谱仪(X-rayfluorescencespectroscopy，XRF)扫描电子显微镜(Scanningelectronmicroscopy，TEM)透射电子显微镜(Transmissionelectronmicroscopy，TEM)扫描隧道显微镜（Scanningtunelingspectroscopy,STM）原子力显微镜（Atomicforcemicroscopy）各种现代分析仪器Nicolet红外光谱仪HP高效液相色谱仪原子吸收光谱仪极谱仪库仑分析仪紫外可见分光光度计X-射线荧光光谱仪X-射线衍射仪光栅摄谱仪多功能电子能谱仪放大200万倍的铂针状结晶场离子显微照片拉曼光谱仪色谱质谱联用仪质谱仪核磁共振仪液相色谱仪等离子体光谱BAIRDICP2070液-质联用/LC-MS等离子体光谱-质谱联用/ICP-MSCCD光纤光谱仪/CCDDetector90SEM91TEM仪器分析发展趋势展望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。

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”。

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。

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）。

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。仪器分析发展方向快速准确自动灵敏适应特殊分析分析化学发展趋势化学计量学在线分析实时分析原位分析活体分析教育定性传感器固定化接口自动化微型化新原理新技术新仪器分离技术联用技术仪器和计算机其它科技领域生物分析环境分析过程分析表面分析大分子表征化学图象无损分析单细胞分析单分子单聚集体分析生物芯片2022/12/1498分析仪器与计算机分析仪器热、光、电新技术新型材料、电子器件操作分析对象控制信号实施检测数据库信息数据处理方法描述报告结果判断多媒体计算机人工智能专家系统最优化技术自动化技术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FundamentalandApplicationOriented大气、海洋环境由亚特兰大Cerex环境服务机构研制的UVSentry系统能实时、定量检测大气中的有毒化合物与危险品（包括二氧化硫、一氧化氮、苯、汞、甲苯、二甲苯、氨水、甲醛等），检测精度可达ppt级（10-12）。生命过程研究URIT-12血红蛋白分析仪血站及血库：用于献血者的血红蛋白测定，比传统的硫酸铜法测更精确。妇女儿童医院：血红蛋白的测定是判断贫血的一项重要指标，婴幼儿、孕妇、哺乳期妇女需要定期检