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1、分析化学(下)仪 器 分 析,多媒体课件,王 长 发 编 写、制 作,第1章 绪 论 Introduction,1.1 分析化学的发展和仪器分析的地位1.2 仪器分析方法的分类1.3 分析仪器,1.1 分析化学的发展和仪器分析的地位,1.1.1 经典分析化学 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。,1.1.2 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。,1.灵敏度高，检出限低。2.选择性好。3.操作简便,分
2、析速度快,易于实现自动化。4.相对误差一般较大。5.价格一般来说比较昂贵。,1.1.3 仪器分析的特点,1.1.4 分析化学向分析科学发展,分析化学的三次巨大变革分析化学的第一次巨大变革，以分析天平的发明和溶液理论体系的建立（四大平衡的建立）为标志。,分析化学的第二次巨大变革,第二次世界大战前后的科学技术物理学和电子技术的发展为仪器分析奠定了基础 核磁共振（NMR），B loch F，PurcellE M。极谱，Heyrovsky J。气相色谱，Martin A T P，Synge R L M,分析化学的第三次巨大变革,计算机的发明 尤其微型计算的发展，给仪器分析带来 全新的革命。,分析仪器与
3、计算机,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。,仪器分析的发展趋势,科学仪器的创新是知识创新和技术创新的重要内容。发展科学仪器应当视为国家战略。分析仪器是科学仪器的重要组成部分。分析仪器工业是高技术信息产业。分析仪器的发展是现代科学、经济和社会发展的重要基础
4、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。,分析仪器是人们感觉器官的延伸,它所测量或所获取的主要是物质的质和量的信息。以一切可能的（化学的、物理的、生物医学的、数学的等等）方法和技术，利用一切可以利用的物质属性，对一切需要加以表征、鉴别或测定的物质组分（包括无机和有机组分）及其形态、状态（以及能态）、结构、分布（时、空）等进行表征、鉴别和测定，以求对样品所代表的问题有一个基本的了解。这是当今分析科学
5、也是分析仪器发展所面临的任务。,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,由电子测量仪器新发展中出现的虚拟仪器概念已经逐步被更多领域所
6、接受，对实现“柔性”分析检测系统具有明显的推动作用。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）。仪器=AD DA CPU十软件 观念更新应该努力汲取新思想并动手实践。谁醒悟得早、动手得快，谁就会当排头兵占尽天机、抢占市场。“软件就是仪器”预示了全新的分析仪器科技和产业的发展潮流，将会迅速改变世界分析仪器行业面貌的！,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
7、在保障人类健康生活、监控病人病情、预防灾害发生等方面也都起着重大的作用。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。,1.1.6 分析化学发展中的创新成就,分析化学伴随着科学发现和技术创新同步发展，诺贝尔奖亦反映了近100年来分析化学，主要是仪器分析发展中里程碑式科学发明和技术进步。仪器分析发展是多学科相互渗透、交叉发展的结果，这些成就分布在物理、化学等各个领域。,1.2 仪器分析的类型,1.2.1 光学分析方法,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,1.2.2 电分析化学方法,电分析化学法,电
8、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,1.2.3 色谱分析法,质谱，热分析，放射分析,1.2.4 其他仪器分析方法,1.3 分析仪器,分析仪器涉及仪器物理原理、研发、设计、制造和装配等。化学家常根据研究工作需要，实验室条件，利用各种元器件和商品仪器组件、配件，设计、组装各种性能和用途的分析仪器。自组装仪器一般不仅具有机动、灵活、实用、成本低等特点，也是发展新型分析仪器的重要途径。,1.3.1 分析仪器的类型,通用分析仪器,色谱仪,电化学分析仪,质谱仪,热分析仪,核磁共振波谱仪,光谱仪,分离分析仪器,原子分析仪器,联用分析仪器,数据处理仪器,试样预处理仪器,
9、分子分析仪器,1.3.1 分析仪器的类型,专用分析仪器,环境分析仪器,生物医学分析仪器,过程分析仪器,1.3.2 分析仪器的基本结构单元,现代分析仪器品种繁多，型号多变，结构各异，计算机应用和智能化程度等差别很大。仪器一般都包括如图所示的四个基本结构单元或系统，且每个单元都与计算机控制有关。信息发生器和信息处理单元之间有些功能互相重叠。,1.3.2.1 试样系统,功能：分析试样的引进或放置。可包括功能：试样物理、化学状态改变、成分分离等。要求：试样性质不得改变。不同仪器的试样系统差别很大，甚至有些没有试样系统（在线分析仪器）。,1.3.2.2 能源,功能：提供与被分析物或系统发生作用的探测能源
10、。类型包括：电磁辐射、场、电能、机械能、核能等。例：光分析仪器的光源，X射线衍射仪的X光管等。,1.3.2.3 信息发生器,信息发生器,检测器,转换器,传感器,1.3.2.3 信息发生器,检测器：通常是一个机械、电或化学装置，在外能作用下，基于检测物质的物理、化学性质产生检测信息或信号，如电信号、发射电磁波、核辐射、电子流、热能、压力、粒子或分子等。作用：整个仪器的接收装置，指示或记录物理或化学量，分析物或系统环境中存在的某个变量或它的变化。如：UV检测器。,1.3.2.3 信息发生器,转换器：将非电信号转换成电信号或相反的特殊装置。如：光电倍增管、光电二极管、光电池、热敏电阻、热电堆等。,光
11、电倍增管实物图,1.3.2.3 信息发生器,转换器：一类能连续、可逆地监测特殊化学成分的分析装置或器件，能将某些化学成分感应转变成电信号。如：玻璃电极、光纤传感器等。,1.3.2.4 信息处理单元,功能：信号或信息接收及处理。包括：信号的放大、衰减、相加、差减、积分、微分、数字化、变换、存储等。,模量信号,数字信号处理,数字信号,模数变换,1.3.2.5 信息显示单元,功能：将电信号或信息转变成人们能直接观察和理解的信息，包括：表头、记录仪、示波器、显示器、打印机等。通常，这种信号转换采用阴极射线管阿拉伯数字或图形输出，在有些情况下，可直接给出分析物组分和相对浓度等。,1.3.3 分析仪器的性
12、能指标,为了评价分析仪器的性能，需要一定的性能参数与指标。根据这些参数可对同一类型的不同型号仪器进行比较，作为购置仪器、考察仪器工作状况的依据;亦可对不同类型仪器进行比较，预测其用途。,1.3.3.1 精密度(precision),同一分析仪器的同一方法多次测定所得到数据间的一致程度，是表征随机误差大小的指标，即重现性。按国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)规定，用相对标准差dr表示精密度(也记为RSD%):,1.3.3.2 灵敏度(sensitivity),区别具有微小浓度差异分析物能力的度量。灵敏度决定于校准曲线的斜率和仪器设备的重现性或精密度。根据IUPAC规定，灵敏度用校准灵敏度表示
13、(calibration sensitivity)。仪器校准灵敏度随选用的标准物和测定条件不同，测定的灵敏度不一致。给出灵敏度数据时，一般应提供测定条件和样品。,1.3.3.2 灵敏度(sensitivity),人们认为，灵敏度在具有重要价值的数学处理中，需要包括精密度。因而提出分析灵敏度Sa(analytical sensitivity)的定义:式中S仍为校正曲线斜率，ss为测定标淮偏差。分析灵敏度具有的优点是对仪器放大系数相对不敏感。,1.3.3.3 检出限(detection limit),又称检测下限或最低检出量等，定义为一定置信水平下检出分析物或组分的最小量或最小浓度。它取决于分析物
14、产生信号与本底空白信号波动或噪声统计平均值之比。最小可鉴别的分析信号Sm至少应等于空白信号平均值Sbla加k倍空白信号标淮差sbl之和:,1.3.3.3 检出限(detection limit),测定Sm的实验方法是通过一定时间内2030次空白测定，统计处理得到Sbla和sbl，然后，按检出限定义可得最低检测浓度Cm或最低检测量Qm:灵敏度愈高，检出限愈低。灵敏度指分析信号随组分含量变化的大小，与仪器信号放大倍数有关；而检出限与空白信号波动或仪器噪声有关，具有明确统计含义。,或,1.3.3.4 动态范围(dynamic range),定量测定最低浓度(LOQ)扩展到校准曲线偏离线性响应(LOL
15、)的浓度范围。定量测定下限一般取等于10倍空白重复测定标淮差，或10sbl。这点相对标淮差约30%，随浓度增加而迅速降低。检测上限，相对标准差是100%。,1.3.3.5 选择性、响应速度,选择性是指避免试样中含有其他组分干扰组分测定的程度。没有一个分析方法能完全避免其他组分干扰，因而降低干扰是分析常需要的步骤。响应速度是指仪器对检测信号的反应速度，定义为仪器达到信号总变化量一定百分数所需的时间。,分辨率(resolution),仪器鉴别由两相近组分产生信号的能力。不同类型仪器分辨率指标各不相同：光谱仪器指将波长相近两谱线(或谱峰)分开的能力;质谱仪器指分辨两相邻质量组分质谱峰的分辨能力。需要
16、指出的是目前国内外关于各种分析仪器性能及指标尚无统一认识和标准，有些性能含义仍存在一定争议。,1.3.4 分析仪器和方法校正,仪器分析中将分析仪器产生的各种响应信号值转变成被测物质的质或量的过程称为校正，一般包括分析仪器的特征性能指标和定量分析方法校正。各类仪器分析定量方法校正，即建立仪器输出的测定信号与被分析物质浓度或量的关系。最普通的方法是用一组含待测组分量不同的标准试样或基准物质配成浓度不同溶液作出校正曲线。,1.3.4 分析仪器和方法校正,各类仪器定量方法校正，根据标准物不同，一般可分为外标法和内标法两大类。外标法的共同点是所使用的标准物质与被测定物是同一物质;内标法的标准物与被测定物不是同一物质。需要指出，在多组分同时定量测定中，可能结合采用外标法和内标法。个别仪器定量方法校正可能需采用非仪器方法，如化学定量分析校正。,仪器分析学习方法给语,清楚明了方法原理，弄懂记着基本概念。知晓分清仪器装置，着重熟悉关键部件。理解方法理论公式，熟练使用重点公式。,
