现代仪器分析-工程硕士课件.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,现 代 仪 器,分 析,分析化学概论,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,。,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,是研究物质化学组成的分析方法及其理论的一门学科。,分析化学,是关于研究物质的组成、含量、结构和形态等,化学信息,的分析方法及理论的一门科学，是化学的一个重要分支。,分析化学包含：,定性分析,（,qualitative analysis,）,:,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,（,quantitative analysis,）,:,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。,分析化学分类,经典分析,化学分离：,沉淀、萃取、蒸馏等分离方法；,定性方法：,加入各种试剂，测量待测物的颜色、熔沸点、气味、光学性质（折射、反射、衍射等）以及在不同溶剂中的溶解特性。,定量方法：,重量法、滴定（容量）法,分析化学三要素,理论,对象,（问题）,方法,生产,科学,技术,2025/9/17 周三,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,红外、核磁、质谱,以物质的化学反应为基础的分析方法,以物质的物理和物理化学性质为基础的分析方法,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）,2025/9/17 周三,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,2025/9/17 周三,15,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,2025/9/17 周三,16,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,(10 mg,1 ml),微量分析,(0.1-10 mg,0.01-1 ml),超微量分析,(0.1 mg,0.01 ml),按取样量划分,:,2025/9/17 周三,17,2025/9/17 周三,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,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,个国家，,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。,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。,技术发展,Problem Oriented,“优良实验室规范”实验室,（,GLP Lab,）,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,：,利用能直接或间接地表征物质各种特性（如物理、化学、生物性质等）的实验现象，通过探头或传感器、放大器、分析转化器等转变成人可直接感受的已认识的关于物质成分、含量、分布或结构等信息的分析方法。,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,(0.1g),组分的分析，准确度高。,仪器分析主要特点,1,、,灵敏度高,：大多数仪器分析法适用于微量、痕量分析。例如，原子吸收分光光度法测定某些元素的绝对灵敏度可达,10,-14,g,。电子光谱甚至可达,10,-18,g,。,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,-4,g,；仪器分析试样常在,10,-2,10,-8,g,。,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。,7,、,专一性强,：例如，用单晶,X,涉嫌衍射仪可专测晶体结构；用离子选择性电极可测指定离子的浓度等。,8,、,便于遥测、遥控、自动化,：可作实时、在线分析控制生产过程、环境自动监测与控制等。,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；,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）,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）,Heyrovsky J,：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,TiO,2,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,Moving,Analysis,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,质谱 热分析 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,(Atomic absorption spectroscopy,，,AAS),原子发射光谱法,(Atomic emission spectroscopy,，,AES),原子荧光光谱法,(Atomic fluorescence spectroscopy,，,AFS),X,射线衍射光谱仪,(X-ray diffraction,，,XRD),毛细管电泳分析仪,(Capillary electrophoresis,，,CE),比色计,(Colorimetry),循环伏安法,(Cyclic Voltammetry,，,CV),差示扫描量热法,(Differential scanning calorimetry,，,DSC),电子顺磁共振仪,(Electron paramagnetic resonance,，,EPR),电子自旋共振,(Electron spin resonance,，,ESR),椭圆偏振技术,(Ellipsometry),傅里叶变换红外线光谱,(Fourier Transform Infrared Spectroscopy,，,FTIR),气相色谱法,(Gas chromatography,，,GC),气相色谱,-,质谱法,(Gas chromatography-mass spectrometry,，,GC-MS),高效液相色谱法,(High Performance Liquid Chromatography,，,HPLC),离子探针,(Ion probe,，,IP),电感耦合等离子体发射光谱,(Inductively coupled plasma,，,ICP),离子选择电极,(Ion selective electrode,，,ISE),激光诱导击穿光谱仪,(Laser Induced Breakdown Spectroscopy,，,LIBS),薄层色谱,(Thin layer chromatography,，,TLC),质谱仪,(Mass spectrometry,，,MS),穆斯堡尔谱,(Mossbauer spectroscopy),核磁共振,(Nuclear magnetic resonance,，,NMR),拉曼光谱,(Raman spectroscopy),共振增强多光子电离谱,(Resonance enhanced multi-photon ionization,，,REMPI),X,射线荧光光谱仪,(X-ray fluorescence spectroscopy,，,XRF),扫描电子显微镜,(Scanning electron microscopy,，,TEM),透射电子显微镜,(Transmission electron microscopy,，,TEM),扫描隧道显微镜（,Scanning tuneling spectroscopy,STM,）,原子力显微镜（,Atomic force microscopy,）,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,BAIRD ICP 2070,液,-,质联用,/LC-MS,等离子体光谱,-,质谱联用,/ICP-MS,CCD,光纤光谱仪,/CCD Detector,90,SEM,91,TEM,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,2025/9/17 周三,98,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,Fundamental and Application Oriented,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测血红蛋白。,疾控中心的体验中心：,一些厂矿企业的特殊职业人群需要定期体检，血红蛋白的测定是其中一项重要指标。,运动队、体工大队：,血红蛋白测定是运动员最常用的指标，尤其在高原训练、大负荷训练中，通过测定血红蛋白了解运动员的血氧含量，从而及时调整运动量大小。,基础理论研究,微波消解在重金属分析中的应用,食品中的重金属污染主要来源有环境污染、生产引入和器物接触。采用微波消解光谱分析仪器快速分析生活饮用水、罐头食品、瓶装饮料、酱油、醋等物品中的重金属含量。,国家安全,20,世纪,70,年代初期，这种,树桩窃听器,依靠太阳能，在莫斯科附近的森林地带不间断从事窃听。它截获了往来于苏联在该地区的空军基地的通讯信号，将信号发送给一颗卫星，再由卫星将情报转发给美国境内的情报分析中心。,射线检测仪（出入境、机场安检）,采用国际先进数码探测技术，专门用于对人身上隐藏的金属及合金物品的探测防范。它安全性高、适用性强、灵敏度高、探测范围广、抗外界干扰能力强。用户还可根据探测金属的大小、体积、重量等进行设置，以排除硬币、钥匙、首饰、皮带扣等误报警。,医药食品安全保障,在线光纤传感同步吸收,-,荧光光谱仪,利用吸收光谱,/,荧光光谱同步检测流通池，实现了紫外,-,可见吸收光谱和荧光光谱检测为一体的检测仪器。,中药复杂体系,中药为人类的健康做出了巨大贡献。然而中药的成分复杂，有效成分难以确定，现代仪器分析技术为推动中药各方面研究发挥了重要作用。,冬虫夏草是不是包治百病的灵丹？,名贵的冬虫夏草是否真有与其价格相匹配的神奇功效，还是盛名之下其实难副？,冬虫夏草被专家称为与几元一斤的普通蘑菇药用价值无异。天价冬虫夏草能有替代品吗？,冬虫夏草的化学成分和蘑菇十分相近，比如二者都含有真菌多糖，但冬虫夏草中的,虫草菌素（核苷）,等少数微量成分，而蘑菇中并没有。,如果能够确定虫草菌素是冬虫夏草的主要活性成分，那么可以认为蘑菇不能代替冬虫夏草。,现代,仪器分析,学习方法：,1.,掌握方法的,基本原理,2.,了解仪器的,结构,、,工作原理,3.,掌握,分析步骤,和,数据处理,方法,