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仪器分析及实验仪器分析及实验课程性质课程性质n专业基础课：专业基础课：本课程是生命科学、环境科学和材料科本课程是生命科学、环境科学和材料科学研究中所抽象出的一门测量物质成学研究中所抽象出的一门测量物质成分、含量、结构、表面等物理化学特分、含量、结构、表面等物理化学特性的基础理论和实验课程。性的基础理论和实验课程。教学目的教学目的n课程在强调基础理论的同时，注重与课程在强调基础理论的同时，注重与学科前沿结合。学科前沿结合。n通过本课程的学习，能掌握现代仪器通过本课程的学习，能掌握现代仪器分析方法的基本原理、仪器结构、实分析方法的基本原理、仪器结构、实验方法和技术。验方法和技术。内容内容n绪论绪论n光学分析法光学分析法n电化学分析法电化学分析法n色谱分析法色谱分析法n其他分析方法其他分析方法 绪绪 论论l本章是本章是仪器分析仪器分析课程的介绍。主要课程的介绍。主要是了解是了解化学分析化学分析与与仪器分析仪器分析的联系与区别，仪器分析方法的分类的联系与区别，仪器分析方法的分类和它的发展情况，介绍仪器定量分析和它的发展情况，介绍仪器定量分析方法的评价指标。重点在于对分析方方法的评价指标。重点在于对分析方法进行评价的几项指标。法进行评价的几项指标。一、仪器分析简介一、仪器分析简介（一）（一）仪器分析与化学分析的区别与联系仪器分析与化学分析的区别与联系1 1、联系：、联系：分析化学：分析化学：研究获得物质化学组成，结构信息，研究获得物质化学组成，结构信息，分析方法及相关理论的科学。分析方法及相关理论的科学。2 2、区别：、区别：化学分析化学分析:利用化学反应和它的计量关系来确定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。被测物质的组成和含量的一类分析方法。仪器分析：仪器分析：以物质的物理和物理化学性质（光、以物质的物理和物理化学性质（光、电、热等）为基础建立起来的一种分析方法。电、热等）为基础建立起来的一种分析方法。一、仪器分析简介一、仪器分析简介（一）（一）仪器分析与化学分析的区别与联系仪器分析与化学分析的区别与联系1、两者的区别在于：、两者的区别在于：n检测能力检测能力n样品的需求量样品的需求量n分析效率分析效率n使用的广泛性使用的广泛性n精确度精确度 一、仪器分析简介一、仪器分析简介（一）（一）仪器分析与化学分析的区别与联系仪器分析与化学分析的区别与联系2、仪器分析特点：、仪器分析特点：n1 1）仪器分析用于试样组分的分析具有操作）仪器分析用于试样组分的分析具有操作简便而快速的特点，特别是对于含量低简便而快速的特点，特别是对于含量低（如质量分数为（如质量分数为10-8 或或10-9数量级）的组分数量级）的组分的测定，更是有令人惊叹的独特之处，而的测定，更是有令人惊叹的独特之处，而这样的样品若采用化学方法来解决那是徒这样的样品若采用化学方法来解决那是徒劳的。劳的。灵敏度高灵敏度高n随着科学技术发展，分析化学在方法和实验技术上都在发生着日新月异的变化，特别是仪器分析法吸收了当代科学技术最新成就，不仅强化和改善原有仪器的性能，而且推出很多新的分析测试仪器，为科学研究和生产实际提供更多、更新和更全面的信息，成为现代实验化学的重要支柱。n因此，常用仪器分析的一些基本原理和实验技术是必须要掌握的基础知识和基本技能。n一旦掌握了这些知识和技能，将会迅速而精确地获得物质系统的各种信息，并能充分利用这些信息做出科学的结论。一、仪器分析简介一、仪器分析简介（一）（一）仪器分析与化学分析的区别与联系仪器分析与化学分析的区别与联系2、仪器分析特点：、仪器分析特点：n2 2）另外，绝大多数分析仪器都是将被测组另外，绝大多数分析仪器都是将被测组分的浓度变化或物理性质变化转变成某种分的浓度变化或物理性质变化转变成某种电性能（如电阻、电导、电位、电容、电电性能（如电阻、电导、电位、电容、电流等），因此仪器分析法容易实现自动化流等），因此仪器分析法容易实现自动化和智能化，使人们摆脱繁琐的手工操作。和智能化，使人们摆脱繁琐的手工操作。3）仪器分析除了能完成定性定量分析任务）仪器分析除了能完成定性定量分析任务外，还能提供化学分析法难以胜任的物质外，还能提供化学分析法难以胜任的物质的结构、组分价态、元素在微区的空间分的结构、组分价态、元素在微区的空间分布等诸多信息。布等诸多信息。射线衍射分析法n晶体受射线照射时，其中的原子向四周散射射线.由于晶体具有周期结构，这些散射射线相互干涉的结果，只在某些特定的方向上发生衍射线，这种现象称为射线衍射.各种不同的结晶物质具有不同的晶体结构，其衍射线的方向和相对强度也就各不相同.因此，各种结晶物质具有特定的衍射花样，就象指纹一样各不相同.故可根据多晶的衍射花样来鉴别其化学组成和物相.这是X射线衍射法进行物相定性分析的基础.n由于衍射强度与该物相的含量有关，X射线衍射法也可用于多晶物质的定量分析.根据单晶的衍射花样，可测定晶胞的形状和大小，并由衍射强度数据计算原子的空间位置.此外，该法还可用于测定晶体粒度和单晶取向，以及高聚物的结晶度，长周期，择优取向和点阵畸变等.n对物质中各组成成分的存在的状态、形态、价态进行确定的分析方法物相分析。元素在微区的空间分布元素在微区的空间分布n同步辐射X射线荧光(SRXRF)n例如：n同步辐射X射线荧光(SRXRF)法分析水稻籽粒铁锌的原位微区分布n同步辐射X荧光方法用于鼠脑锌元素分布的研究n采用同步辐射X荧光（SRXRF）探针技术对河北峪耳崖和甘肃大水两地花岗岩中单颗粒磷灰石的化学成分进行了分析。结果显示，磷灰石含有P、Cl、S、K、Ca、Mn、Fe、La、Ce、Nd、Sm、Gd、Yb、Sr、Y、Zr、U、Th等多种元素，峪耳崖磷灰石富含Mn、Fe，大水磷灰石则富含As。峪耳崖花岗岩为S型，大水花岗岩为型，两地磷灰石在稀土元素（REE）含量上具有明显差别：大水磷灰石呈右倾的REE配分模式和明显的轻稀土（LREE）富集；而峪耳崖呈现上凸的REE配分模式和LREE亏损。依据磷灰石的REE配分模式可有效地区分不同类型的花岗岩，以此作为花岗岩岩浆演化的指示。n流体包裹体保留了古地质时期流体的原始组成，为矿物形成提供有价值的物理化学信息，对单个流体包裹体的无损成分分析，成为国际地学领域的重大前沿课题。同步辐射同步辐射X射线荧光射线荧光(SRXRF)微探针以其在微量和微区分析上的优势为这方面的研究提供有力的工具。我们在北京同步辐射装置(BSRF)的3WIA新束线上，用这种微探针开展了单个流体包裹体无损分析的实验研究。用特制的狭缝系统，从能量为3.535kev的同步辐射X射线中得刮1010m2的微束，通过显微对光调整使它入射到选定的大小适当的单个流体包裹体样品上，其所产生的荧光用来确定流体中所含元素的丰度。用NIST612标样，测定了目前实验条件下元素的最小检测限(观测时间为1000秒)，检验了这种方法的可行性。在此基础上，对一组典型有机包裹体样品分别单个作无损成分分析，给出了K、Ti、V、Cr、Kh、Fe、Ni、Cu、Zn、Rb、Sr、Y、Zr和Pb等14种元素的半定量测试结果，并说明这些结果可用来研究包裹体所在储层的沉积环境以及包裹体形成时捕获的油气的母源问题 一、仪器分析简介一、仪器分析简介（一）（一）仪器分析与化学分析的区别与联系仪器分析与化学分析的区别与联系2、仪器分析特点：、仪器分析特点：n4 4）其他特点：样品用量少；易于实现自动其他特点：样品用量少；易于实现自动化与智能化。化与智能化。n能完成很多不能用化学分析法检测分析的能完成很多不能用化学分析法检测分析的有机物：农药残留等。有机物：农药残留等。n如蔬菜中农药残留量低，种类比较多，定如蔬菜中农药残留量低，种类比较多，定性定量困难，所以通常借助仪器性定量困难，所以通常借助仪器气象色谱气象色谱仪。各组分曲线。仪。各组分曲线。一、仪器分析简介一、仪器分析简介（一）（一）仪器分析与化学分析的区别与联系仪器分析与化学分析的区别与联系3、仪器分析局限性：、仪器分析局限性：n1 1）仪器设备复杂、价格高、对维护及环境仪器设备复杂、价格高、对维护及环境要求比较高。要求比较高。n如：如：800MHz NMR120万美元。万美元。一、仪器分析简介一、仪器分析简介（一）（一）仪器分析与化学分析的区别与联系仪器分析与化学分析的区别与联系3、仪器分析局限性：、仪器分析局限性：n1 1）仪器设备复杂、价格高、对维护及环境要求比较高。仪器设备复杂、价格高、对维护及环境要求比较高。如：如：800MHz NMR120万美元。万美元。nNMR（NuclearMagneticResonance）为核磁共振。是磁矩不为零的原子核，在外磁场作用下自旋能级发生蔡曼分裂，共振吸收某一定频率的射频辐射的物理过程。核磁共振波谱学是光谱学的一个分支，其共振频率在射频波段，相应的跃迁是核自旋在核蔡曼能级上的跃迁。n核磁共振适合于液体、固体。如今的高分辨技术，还将核磁用于了半固体及微量样品的研究。核磁谱图已经从过去的一维谱图（1D）发展到如今的二维（2D）、三维（3D）甚至四维（4D）谱图，陈旧的实验方法被放弃，新的实验方法迅速发展，它们将分子结构和分子间的关系表现得更加清晰。n在中国，其应用主要在基础研究方面，企业和商业应用普及率不高，主要原因是产品开发不够、使用成本较高。但在石油化工、医疗诊断方法应用较多。一、仪器分析简介一、仪器分析简介（一）（一）仪器分析与化学分析的区别与联系仪器分析与化学分析的区别与联系3、仪器分析局限性：、仪器分析局限性：n1 1）仪器设备复杂、价格高、对维护及环境要求比仪器设备复杂、价格高、对维护及环境要求比较高。较高。n2）仪器分析是一种相对分析方法，一般需要用已）仪器分析是一种相对分析方法，一般需要用已知组成的标准物质来对照。知组成的标准物质来对照。n3）相对误差比较大，一般不适用于常量和高含量）相对误差比较大，一般不适用于常量和高含量分析。准确度不够高，通常相对误差在百分之几左分析。准确度不够高，通常相对误差在百分之几左右，有的甚至更差。右，有的甚至更差。这样的准确度固然对低含量组分的分析已能完全满足要求，但对常量组分就不能达到象化学分析法所具有的那样高的准确度。因此，在选择方法时，必须考虑这一点。一、仪器分析简介一、仪器分析简介（一）（一）仪器分析与化学分析的区别与联系仪器分析与化学分析的区别与联系3、仪器分析局限性：、仪器分析局限性：n1 1）仪器设备复杂、价格高、对维护及环境要求比仪器设备复杂、价格高、对维护及环境要求比较高。较高。n2）仪器分析是一种相对分析方法，一般需要用已）仪器分析是一种相对分析方法，一般需要用已知组成的标准物质来对照。知组成的标准物质来对照。n3）相对误差比较大，一般不适用于常量和高含量）相对误差比较大，一般不适用于常量和高含量分析。准确度不够高，通常相对误差在百分之几左分析。准确度不够高，通常相对误差在百分之几左右，有的甚至更差。右，有的甚至更差。这样的准确度固然对低含量组分的分析已能完全满足要求，但对常量组分就不能达到象化学分析法所具有的那样高的准确度。因此，在选择方法时，必须考虑这一点。n 因此，正如著名分析化学家梁树权先因此，正如著名分析化学家梁树权先生所说生所说“化学分析和仪器分析同是分化学分析和仪器分析同是分析化学两大支柱，两者唇齿相依，相析化学两大支柱，两者唇齿相依，相辅相承，彼此相得益彰辅相承，彼此相得益彰”。一、仪器分析简介一、仪器分析简介（一）（一）仪器分析与化学分析的区别与联系仪器分析与化学分析的区别与联系 一、仪器分析简介一、仪器分析简介（一）（一）仪器分析与化学分析的区别与联系仪器分析与化学分析的区别与联系4、仪器分析法的应用：、仪器分析法的应用：n1 1）新产品开发研究新产品开发研究n2）引进技术的消化与国产化研究）引进技术的消化与国产化研究n3）商品质量检验）商品质量检验n4）环保中未知污染物的分析研究）环保中未知污染物的分析研究5）法庭科学物证研究）法庭科学物证研究n6）考古学中的应用）考古学中的应用（二）二）仪器分析的基本内容和分类仪器分析的基本内容和分类方法的分类方法的分类被测物理性质被测物理性质相应的分析方法相应的分析方法(部分部分)光学光学分析法分析法辐射的发射辐射的发射原子发射光谱法原子发射光谱法(AES)(AES)辐射的吸收辐射的吸收原子吸收光谱法原子吸收光谱法(AAS),(AAS),红外吸收光谱法红外吸收光谱法(IR),(IR),紫外可见紫外可见吸收光谱法吸收光谱法(UV-VIS),(UV-VIS),核磁共振波谱法核磁共振波谱法(NMR),(NMR),荧光光谱荧光光谱法法(AFS)(AFS)辐射的散射辐射的散射浊度法浊度法,拉曼光谱法拉曼光谱法辐射的衍射辐射的衍射X X射线衍射法射线衍射法,电子衍射法电子衍射法电化学电化学分析法分析法电导电导电导法电导法电流电流电流滴定法电流滴定法电位电位电位分析法电位分析法电量电量库仑分析法库仑分析法电流电流-电压特性电压特性极谱分析法极谱分析法,伏安法伏安法色谱分析法色谱分析法两相间的分配两相间的分配气相色谱法气相色谱法(GC),(GC),高效液相色谱法高效液相色谱法(HPLC),(HPLC),离子色谱法离子色谱法其他分析法其他分析法质荷比质荷比质谱法质谱法光学分析法光学分析法 n以电磁辐射为测量信号的分析方法，以电磁辐射为测量信号的分析方法，包括光谱法和非光谱法包括光谱法和非光谱法 AESn是据每种原子或离子在热或电激发下，是据每种原子或离子在热或电激发下，发射出特征的电磁辐射而进行元素定发射出特征的电磁辐射而进行元素定性和定量分析的方法。性和定量分析的方法。F1）分析对象为大多数金属原子；分析对象为大多数金属原子；F2）物质原子的外层电子受激发射产生物质原子的外层电子受激发射产生特征谱线特征谱线线光谱）；线光谱）；F3）谱线波长谱线波长-定性分析；谱线强度定性分析；谱线强度-定定量分析。量分析。原子吸收光谱法(AAS),nAAS是基于气态的基态原子外层电子对紫外是基于气态的基态原子外层电子对紫外光和可见光的吸收为基础的分析方法。光和可见光的吸收为基础的分析方法。uAAS是基于是基于“基态原子基态原子”选择性选择性吸收光辐射能吸收光辐射能(h)，并使该光辐射强度降低并使该光辐射强度降低而产生的光谱而产生的光谱(共振吸收线共振吸收线)AES是基态原子受到热、电或是基态原子受到热、电或光能的作用，原子从基态跃迁至激发态，然后光能的作用，原子从基态跃迁至激发态，然后再返回到基态时所产生的光谱再返回到基态时所产生的光谱(共振发射线和共振发射线和非共振发射线非共振发射线)。n分析对象为金属元素；通用型方法；难实现分析对象为金属元素；通用型方法；难实现多元素同时测定。多元素同时测定。红外吸收光谱法(IR),n利用物质的分子对红外辐射的吸收利用物质的分子对红外辐射的吸收,得到与得到与分子结构相分子结构相 应的红外光谱图应的红外光谱图,从而来鉴别从而来鉴别分子结构的方法分子结构的方法,称为红称为红 外吸收光谱法外吸收光谱法(infrared absorption spectrometry,原子荧光光谱(AFS)通过测定原子在辐射能作用下发射的荧通过测定原子在辐射能作用下发射的荧光强度进行定量分析的一种发射光谱光强度进行定量分析的一种发射光谱分析方法。因所用仪器与分析方法。因所用仪器与AAS仪器相仪器相近，因而将其放在近，因而将其放在AAS一章中阐述。一章中阐述。核磁共振波谱法X射线射线衍射法衍射法n是一种研究晶体结构的分析方法，而不是直接研究试样内含有元素的种类及含量的方法。当X射线照射晶态结构时，将受到晶体点阵排列的不同原子或分子所衍射。n电子衍射法：分析晶体结构紫外紫外可见分光光度法可见分光光度法n紫外可见吸收光谱法紫外可见吸收光谱法(UV-VIS)(UV-VIS)：分子的紫外可见吸收光谱法是基于分子内电子跃迁产生的吸收光谱进行分析的一种常用的光谱分析法浊度法n可用来测量菌浓度.其原理是发酵罐中的发酵液按照一定的流速进入流通式比色皿中,用500600nm的波长检测发酵液的光密度.然后发酵液再流回发酵罐中.所测的OD值与细胞浓度成正比.拉曼光谱法 n拉曼光谱法是研究化合物分子受光照射后所产生的散射，散射光与入射光能级差和化合物振动频率、转动频率的关系的分析方法。电化学分析：通过测量组成的电化学电池待测物溶通过测量组成的电化学电池待测物溶液所产生的一些电特性而进行的分析。液所产生的一些电特性而进行的分析。n分类：分类：按测量参数分按测量参数分-电位、电重量法、库电位、电重量法、库仑法、伏安法、电导；仑法、伏安法、电导；色谱分析法色谱分析法n色谱分离基本原理：色谱分离基本原理：使用外力使含有样品的流动相（气体、液体使用外力使含有样品的流动相（气体、液体或超临界流体）通过一固定于柱或平板上、或超临界流体）通过一固定于柱或平板上、与流动相互不相溶的固定相表面。样品中各与流动相互不相溶的固定相表面。样品中各组份在两相中进行不同程度的作用。与固定组份在两相中进行不同程度的作用。与固定相作用强的组份随流动相流出的速度慢，反相作用强的组份随流动相流出的速度慢，反之，与固定相作用弱的组份随流动相流出的之，与固定相作用弱的组份随流动相流出的速度快。由于流出的速度的差异，使得混合速度快。由于流出的速度的差异，使得混合组份最终形成各个单组份的组份最终形成各个单组份的“带带(band)”或或“区区(zone)”，对依次流出的各个单组份物质可，对依次流出的各个单组份物质可分别进行定性、定量分析。分别进行定性、定量分析。质谱法质谱法n质谱法(MassSpectrometry,MS)，即用电场和磁场将运动的离子（带电荷的原子、分子或分子碎片）按它们的质荷比分离后进行检测的方法。测出了离子的准确质量，就可以确定离子的化合物组成。n重点学习：紫外可见分光光度法、红外光谱法、原子吸收分光光度法、电位分析法、库仑分析法、气相色谱法、高效液相色谱法。n简要介绍原子发射光谱法、原子荧光光谱法、离子色谱法、毛细管电泳法、质谱、核磁共振光谱法和多机联用技术等。三仪器分析的发展趋势仪器分析的发展趋势方法创新；进一步提高仪器分析方法的灵敏方法创新；进一步提高仪器分析方法的灵敏 度、选择性和准确度；度、选择性和准确度；分析仪器智能化；分析仪器智能化；3 3新型动态分析检测和非破坏性检测；新型动态分析检测和非破坏性检测；n离线的分析检测不能瞬时、直接、准确地反映生产实际和生命环境的情景实况，不能及时控制生产、生态和生物过程。运用先进的技术和分析原理研究n建立有效而实用的实时、在线和高灵敏度、高选择性的新型动态分析检测和非破坏性检测将是世纪仪器分析发展的主流。目前生物传感器如酶传感器、免疫传感器、DNA传感器、细胞传感器等不断涌现；纳米传感器的出现也为活体分析带来了机遇。三仪器分析的发展趋势仪器分析的发展趋势方法创新；进一步提高仪器分析方法的灵敏方法创新；进一步提高仪器分析方法的灵敏 度、选择性和准确度；度、选择性和准确度；分析仪器智能化；分析仪器智能化；3 3新型动态分析检测和非破坏性检测；新型动态分析检测和非破坏性检测；4 4多种方法的联合使用；多种方法的联合使用；5.5.扩展时空多维信息扩展时空多维信息随着环境科学、宇宙科学、能源科学、生命科学、临床化学、生物随着环境科学、宇宙科学、能源科学、生命科学、临床化学、生物医学等学科的兴起，现代仪器分析的发展已不局限于将待测组分分医学等学科的兴起，现代仪器分析的发展已不局限于将待测组分分离出来进行表征和测量，而且成为一离出来进行表征和测量，而且成为一 门为物质提供尽可能多的化学门为物质提供尽可能多的化学信息的科学。随着人们对客观物质认识的深入，某些过去所不甚熟信息的科学。随着人们对客观物质认识的深入，某些过去所不甚熟悉悉 的领域（如多维、不稳态和边界条件等）也逐渐提到日程上来。的领域（如多维、不稳态和边界条件等）也逐渐提到日程上来。采用现代核磁共振光谱、质谱、红外光谱等分析方法，可提供有机采用现代核磁共振光谱、质谱、红外光谱等分析方法，可提供有机物分子的精细结构、空间排列构型及瞬态变化等信息，为人们对化物分子的精细结构、空间排列构型及瞬态变化等信息，为人们对化 n学反应历程及生命的认识提供了重要基础。学反应历程及生命的认识提供了重要基础。三仪器分析的发展趋势仪器分析的发展趋势方法创新；进一步提高仪器分析方法的灵敏方法创新；进一步提高仪器分析方法的灵敏 度、选择性和准确度；度、选择性和准确度；分析仪器智能化；分析仪器智能化；3 3新型动态分析检测和非破坏性检测；新型动态分析检测和非破坏性检测；4 4多种方法的联合使用；多种方法的联合使用；5.5.扩展时空多维信息扩展时空多维信息快速、准确、自动、灵敏及适应特殊分析快速、准确、自动、灵敏及适应特殊分析42写在最后写在最后成功的基成功的基础在于好的学在于好的学习习惯The foundation of success lies in good habits谢谢聆听学习就是为了达到一定目的而努力去干,是为一个目标去战胜各种困难的过程,这个过程会充满压力、痛苦和挫折LearningIsToAchieveACertainGoalAndWorkHard,IsAProcessToOvercomeVariousDifficultiesForAGoal