仪器分析课件.ppt

仪器分析尹洪宗简介：l南开大学分析化学专业博士南开大学分析化学专业博士l教授，化学院副院长。教授，化学院副院长。l主要从事金纳米材料的光谱特性研究、散射光谱研究以及稀主要从事金纳米材料的光谱特性研究、散射光谱研究以及稀土元素配合物及其荧光研究。土元素配合物及其荧光研究。l在在化学学报化学学报、分析化学分析化学、Anal.Lett.、Talanta等刊物发表论文等刊物发表论文30余篇，余篇，SCI收录收录16篇篇l办公室：文理大楼办公室：文理大楼707l电话：电话：8249248lE-mail:课程简介14章质谱分析法13章：液相色谱12章：气相色谱11章：色谱分析导论10章：伏安法和极谱法9章电解分析和库仑分析法7章电分析引论6章原子吸收及原子荧光分析5章：原子发射光谱法4章：分子发光分析2章：紫外-可见分光光度法3章红外和拉曼光谱1章：光学分析引言仪器分析导言8章电位分析与离子选择性电极武汉大学 仪器分析北京大学 仪器分析北京大学 李克安 分析化学教程汪尔康 21世纪的分析化学主要参考数目：第一章第一章仪器分析仪器分析绪论绪论本章提要：本章提要：1.分析化学的任务；分析化学的任务；2.仪器分析的发展；仪器分析的发展；3.3.分析化学分类分析化学分类4.4.仪器分析与化学分析的关系仪器分析与化学分析的关系5.5.仪器性能及其表征；仪器性能及其表征；6.6.仪器分析校正方法；仪器分析校正方法；7.7.仪器分析方法的选择仪器分析方法的选择；8.8.如何学习仪器分析？如何学习仪器分析？1.分析化学是做什么的？分析化学是做什么的？分分析析化化学学是是研研究究物物质质化化学学组组成成的的分分析析方方法法及其理论的一门学科！这句话可展开为：及其理论的一门学科！这句话可展开为：1）What?定定 性性 分分 析析(qualitativeanalysis):测测定定样样品品中中原原子子、分分子子或或官官能能团团的的信信息息（种种类类、相相互互之之间间的的连连接接方方式式和和空空间排列方式）；间排列方式）；2）Howmuch?定定量量分分析析(quantitativeanalysis):测定各成分的含量。测定各成分的含量。2分析化学的发展分析化学的发展十六世纪：天平十六世纪：天平第一次：二十世纪初第一次：二十世纪初四大平衡理论四大平衡理论定量分析定量分析ClassicalAnalyticalChemistry第二次：第二次：二十世纪三、四十年代，二十世纪三、四十年代，二战前后，工业二战前后，工业和技术发展的需要和基础，科学技术进步和技术发展的需要和基础，科学技术进步测量待测物质的一些物化性质：电导、电势、光吸收测量待测物质的一些物化性质：电导、电势、光吸收及发射、荷质比、荧光等并开始应用到定量分析中，及发射、荷质比、荧光等并开始应用到定量分析中，出现仪器分析方法出现仪器分析方法InstrumentalMethodsofAnalysis第四次：第四次：二十世纪七十年末信息时代的到来，给仪器二十世纪七十年末信息时代的到来，给仪器分析带来了新的发展。信息科学主要是信息的采集和分析带来了新的发展。信息科学主要是信息的采集和处理。处理。（1）计算机与分析仪器的结合，出现了分析仪器的智）计算机与分析仪器的结合，出现了分析仪器的智能化，加快了数据处理的速度。能化，加快了数据处理的速度。（2 2）联用分析技术已成为当前仪器分析的重要发展方）联用分析技术已成为当前仪器分析的重要发展方向。向。第三次：第三次：近代微电子技术的发展，促进了高灵敏、高近代微电子技术的发展，促进了高灵敏、高准确度和高自动化程度仪器的发展，如准确度和高自动化程度仪器的发展，如X-射线分析射线分析3.分析化学分类分析化学分类经典分析经典分析化学分离：化学分离：沉淀、萃取、蒸馏等分离方法；沉淀、萃取、蒸馏等分离方法；定性方法：定性方法：加入各种试剂，测量待测物（加入各种试剂，测量待测物（analyte,targetspecies）的颜色、熔沸点、气的颜色、熔沸点、气味、光学性质（拆射、反射、衍射等味、光学性质（拆射、反射、衍射等）以及在不同溶剂中的溶解特性。）以及在不同溶剂中的溶解特性。定量方法：定量方法：重量法、滴定（容量）法重量法、滴定（容量）法 F仪器分析仪器分析仪仪器器分分析析是是以以物物质质的的物物理理和和物物理理化化学学性性质质为为基基础础建建立立起起来来的的一一种种分分析析方方法法，测测定定时时，常常常需要使用比较复杂的仪器。常需要使用比较复杂的仪器。仪器分析的产生为分析化学带来革命性的变化，仪器分析是仪器分析的产生为分析化学带来革命性的变化，仪器分析是分析化学的发展方向分析化学的发展方向4 4、仪器分析和化学分析的关系仪器分析和化学分析的关系（1 1）仪器分析与化学分析的联系）仪器分析与化学分析的联系仪器分析是在化学分析的基础上发展起来的，其仪器分析是在化学分析的基础上发展起来的，其不少原理都涉及到化学分析的基本理论；不少原理都涉及到化学分析的基本理论；仪器分析离不开化学分析，其不少过程需用到分仪器分析离不开化学分析，其不少过程需用到分析化学的理论。析化学的理论。（2 2）仪器分析与化学分析的区别）仪器分析与化学分析的区别 化学分析化学分析仪器分析仪器分析从原理看从原理看根据化学反应计量根据化学反应计量关系关系根据物质的物理或者物理化根据物质的物理或者物理化学性质、参数及变化规律学性质、参数及变化规律从仪器看从仪器看简单玻璃仪器简单玻璃仪器较复杂特殊的仪器较复杂特殊的仪器从操作看从操作看多为手工操作、较多为手工操作、较复杂复杂多为开动仪器开关、操作简多为开动仪器开关、操作简单易自动化单易自动化从试样看从试样看试样量多、破坏性试样量多、破坏性分析分析样品量少、有的为非破坏性样品量少、有的为非破坏性可现场或在线分析可现场或在线分析从应用看从应用看常量的定性、定量常量的定性、定量微量、痕量的组分分析、状微量、痕量的组分分析、状态、结构等分析态、结构等分析（3 3）仪器分析的特点（与化学分析比较）仪器分析的特点（与化学分析比较）灵敏度高，检出限量可降低灵敏度高，检出限量可降低选择性好选择性好操作简便，分析速度快，容易实现自动化操作简便，分析速度快，容易实现自动化准确度相对较低准确度相对较低5%一般仪器价格较贵，维修使用成本较高。一般仪器价格较贵，维修使用成本较高。300MHzNMR300MHzNMR约约220220万元万元,800MHzNMR,800MHzNMR价格价格10001000万元人民币万元人民币效率高：效率高：可以一次分析样品中多种元素信息可以一次分析样品中多种元素信息满足特殊要求满足特殊要求结构分析结构分析 （IRIR结构分析）结构分析）形态和价态分析形态和价态分析 （AsAs的不同形态毒性不同）的不同形态毒性不同）表面与无损分析表面与无损分析文物的分析文物的分析 （1313C C中子活化分析）中子活化分析）金首饰中含金量分析金首饰中含金量分析 （X-raysX-rays荧光分析）荧光分析）遥控和自动分析（火星探测器中带有多种分析装置）遥控和自动分析（火星探测器中带有多种分析装置）1）灵敏度（）灵敏度（Sensitivity）反反映映了了仪仪器器或或方方法法识识别别微微小小浓浓度度或或含含量量变变化化的的能能力力，也也就就是是说说，当当浓浓度度或或含含量量有有微微小小变变化化时时，仪仪器器或或方方法法均均可以觉察出来。可以觉察出来。影响灵敏度的因素有二：影响灵敏度的因素有二：l 校正曲线的斜率；校正曲线的斜率；l 分析的重现性或精密度。分析的重现性或精密度。InternationalUnionofPure&AppliedChemists，即即IUPAC推推荐荐使使用用“校校正正灵灵敏敏度度”或或者者“校校正正曲曲线线斜斜率率”作作为为衡衡量量灵敏度高低的标准。灵敏度高低的标准。5.仪器性能及其表征仪器性能及其表征010203040506000.10.20.30.40.50.6SS2=k2c+Sblank-2S1=k1c+Sblank-1仪器和方法的灵敏度描述仪器和方法的灵敏度描述 K K1 1 ，k k2 2 分别为两条校正曲线的斜率，即校正灵敏度。但未考虑分别为两条校正曲线的斜率，即校正灵敏度。但未考虑测定重现性影响！（灵敏度表示被测组分的质量或者浓度改变一测定重现性影响！（灵敏度表示被测组分的质量或者浓度改变一个单位时分析信号的变化量）个单位时分析信号的变化量）c因因此此，有有人人建建议议以以“分分析析灵灵敏敏度度(AnalyticalSensitivity)”表示，即表示，即优点：优点：当仪器信号放大时，当仪器信号放大时，k 值增加，灵敏度提高；值增加，灵敏度提高；但此时但此时s 也相应增加，从而一定程度地保证了也相应增加，从而一定程度地保证了灵敏度恒定；灵敏度恒定；缺点：缺点：s 与浓度有关，即灵敏度随浓度而变化！与浓度有关，即灵敏度随浓度而变化！2）检测限（）检测限（Detectionlimit,DL）检测限：检测限：在已知置信水平，可以检测到的待测物的最在已知置信水平，可以检测到的待测物的最小质量或浓度。它和分析信号（小质量或浓度。它和分析信号（Signal）与与空白信号的波动（噪音空白信号的波动（噪音,Noise）有关，或者有关，或者说与信噪比（说与信噪比（S/N）有关。有关。只只有有当当有有用用的的信信号号大大于于噪噪音音信信号号时时，仪仪器器才才有有可可能能识识别别有用信号，如下图所示。有用信号，如下图所示。sb测定次数，测定次数，nSSDL=Sb+k1 sb仪器噪音及方法检出限仪器噪音及方法检出限 K1=3时，可以认为仪器检出的最小信号值时，可以认为仪器检出的最小信号值SDL可能性为可能性为95%检出限如何计算呢？检出限如何计算呢？测定空白样品测定空白样品(或浓度接近空白值）或浓度接近空白值）20-30次，求其次，求其平均值平均值Sb及其标准偏差及其标准偏差sb，则可分辨的最小信号则可分辨的最小信号通过校正曲线的斜率通过校正曲线的斜率k，将最小待测物信号将最小待测物信号SDL转化转化为浓度值为浓度值CDL，即，即经经统统计计学学的的t和和F检检验验，当当k1=3时时，大大多多数数情情况况下下，当当检测结果的置信度为检测结果的置信度为95%。上式可转换为：。上式可转换为：灵敏度与检出限的关系灵敏度与检出限的关系密切相关灵敏度越高，检出限值越低含意不同 灵敏度是组分信号随组分含量变化的大小（与检测器的放大倍数有直接依赖关系）检出限是定量分析方法可能检测的最低量或者最低浓度（与测定噪声直接相关联，而且具有明确的统计意义）提高测定精密度，降低噪声，可以改善检出限。任何测量值均由两部分组成：信号及噪音。任何测量值均由两部分组成：信号及噪音。信号（信号（S）：反映了待测物的信息反映了待测物的信息;噪音（噪音（N）：降低分析的灵敏度。降低分析的灵敏度。增增加加噪噪音音，检检测测限限提提高高，灵灵敏敏度度下下降降。多多数数情情况况下下，N恒定，与恒定，与S大小无关。大小无关。较小测量信号，测量的相对误差将增加。较小测量信号，测量的相对误差将增加。3）信噪比（）信噪比（signal-to-noiseratio,S/N）因此信噪比因此信噪比S/N是恒量仪器性能和分析是恒量仪器性能和分析方法好坏最为有效的指标！方法好坏最为有效的指标！当当S/N3时，分析信号将很难测定。时，分析信号将很难测定。化学噪声：化学噪声：分析体系中难以控制的化学因素。分析体系中难以控制的化学因素。化学反应中温度和压力等参数的变化和波动；化学反应中温度和压力等参数的变化和波动；相对湿度导致样品含水量的不同；相对湿度导致样品含水量的不同；粉状固体粒度不均；粉状固体粒度不均；光敏材料产生的光密度不均；光敏材料产生的光密度不均；实验室烟尘与样品或试剂作用的随机性；等等。实验室烟尘与样品或试剂作用的随机性；等等。噪声的来源噪声的来源仪器噪声仪器噪声仪仪器器的的光光(电电)源源、输输入入(出出)转转换换器器、信信号号处处理理单单元元等等都都是是仪仪器器噪噪声声的的来来源源。所所用用仪仪器器的的每每个个部部分分都都可可产产生生不不同同类类别别的的噪噪声声。通通常将仪器噪声分为常将仪器噪声分为4类：类：热噪声（热噪声（Thermal,orJohnson,noise）属属于于白白噪噪音音(whitenoise)，由由元元器器件件中中电电子子或或电电荷荷受受热热激激发发所所产产生生的的噪噪音音信信号号。由由于于荷荷电电粒粒子子受受激激的的随随机机性性和和周周期期性性，因因而而会会导导致致电电荷荷的的不不均均一一，进进而而使使读读出出的的信号发生波动。只有在绝对零度时，该噪音才会消失。信号发生波动。只有在绝对零度时，该噪音才会消失。当当电电阻阻R，T，则则N。(如如UV二二极极管管阵阵列列检检测测器器在在77K时时，其其噪噪音音下下降降一一半半左左右右；此此外外，减减少少带带宽宽，可可降降低低噪噪音音，但但同同时时也也会会延延长长响响应应时时间间，并并降降低低测测定定的的可靠性。可靠性。散粒噪声（散粒噪声（Shotnoise）它它是是由由电电子子或或其其它它荷荷电电粒粒子子通通过过界界面面（如如PN结结，光光电电池池或或真真空空管管的的阴阴阳阳极极之之间间）时时所所产生的噪音，亦属白噪音。产生的噪音，亦属白噪音。闪变噪声（闪变噪声（Flickernoise）闪变噪声存在十分普遍，其大小与频率成闪变噪声存在十分普遍，其大小与频率成反比，尤其在低频时（反比，尤其在低频时（100Hz），），其对测定的其对测定的影响更大。有时也称之为影响更大。有时也称之为1/f噪声。产生该噪声噪声。产生该噪声的机制还不很清楚。采用绕线电阻或金属膜式的机制还不很清楚。采用绕线电阻或金属膜式电阻代替含碳型电阻可显著降低该类噪声。电阻代替含碳型电阻可显著降低该类噪声。环境噪声（环境噪声（Environmentalnoise）环环境境噪噪声声来来自自于于周周围围环环境境的的各各个个方方面面。由由于于仪仪器器的的每每个个部部分分都都可可以以看看作作是是一一个个天天线线，一一种种可可接接收收各各种种辐辐射射的的接接收收器器。而而环环境境中中存存在在在在大大量量的的电电磁磁辐辐射射：交交流流电电线线、收收音音机机、TV台、马达电刷、引擎点火系统等。台、马达电刷、引擎点火系统等。硬件方法硬件方法：接地和屏幕、差分放大器、模拟滤：接地和屏幕、差分放大器、模拟滤波、频率调制方法、断续放大或切波、频率调制方法、断续放大或切光器、闭锁装置放大等光器、闭锁装置放大等软件方法软件方法：总体平均、方脉冲平均、数字滤波等：总体平均、方脉冲平均、数字滤波等其它方法其它方法：噪声数据平滑、谱库比较、谱峰识别：噪声数据平滑、谱库比较、谱峰识别技术技术消除噪声方法消除噪声方法动态范围动态范围CDLLOLLOQ浓度，浓度，c响响应应信信号号S4）动态范围（）动态范围（Dynamicrange）CDL=检测限；检测限；LOQ(limitofquantitation)定量低限定量低限,LOQ=10 sblankLOL=limitoflinearresponse,线性响应高限。线性响应高限。通常的分析方法，其线性动态范围通常的分析方法，其线性动态范围LOL/LOQ至少要达到至少要达到2个数量级。个数量级。5）选择性选择性定义：定义：样品基体中其它组份对待测物的干扰程度样品基体中其它组份对待测物的干扰程度在在分分析析中中，没没有有哪哪种种测测定定不不受受到到诸诸多多因因素素的的干干扰扰，换换句句话话说说，分分析析的的过过程程就就是是消消除除或或减减少少干干扰扰对对测测定定影影响响的过程，也就是提高分析选择性的过程。的过程，也就是提高分析选择性的过程。通通常常用用选选择择性性系系数数来来反反应应仪仪器器或或方方法法的的选选择择性性，但但该应用并不多，只是在该应用并不多，只是在ISE分析中用到选择性系数分析中用到选择性系数 6.仪器分析校正方法仪器分析校正方法所所谓谓校校正正(Calibration)，就就是是将将仪仪器器分分析析产产生生的的各各种种信信号号与与待待测测物物浓浓度度联联系系起起来来的的过过程程。除除重重量量法法和和库库仑仑法法之之外外，所所有有仪仪器器分析方法都要进行分析方法都要进行“校正校正”。校正方法有三：校正方法有三：标准曲线法；标准曲线法；标准加入法；标准加入法；内标法。内标法。1）标标准准曲曲线线法法（Calibration curve，Workingcurve,Analyticalcurve）具体做法分三步：具体做法分三步：准确配制已知浓度的待测物标准系列溶液准确配制已知浓度的待测物标准系列溶液:0(空白空白)，c1，c2，c3，c4.；通过仪器分别测量以上各溶液中待测物的响应值通过仪器分别测量以上各溶液中待测物的响应值S0，S1，S2，S3，S4及样品溶液中待测物的响应值及样品溶液中待测物的响应值Sx；以以响响应应信信号号S对对浓浓度度c作作图图得得到到标标准准曲曲线线，然然后后通通过过测测得得的的Sx从从下下图图中中求求得得cx；或或者者通通过过线线性性回回归归法法获获得得其其线线性方程再将性方程再将Sx代入其方程计算出代入其方程计算出cx。S440cx0.0520浓度，浓度，cSS2S3S10.00.20.40.60.81.01.230Sx标准曲线法的准确性与两个因素有关：标准物浓度配标准曲线法的准确性与两个因素有关：标准物浓度配制的准确性；标准基体与样品基体的一致性。制的准确性；标准基体与样品基体的一致性。2）标准加入法）标准加入法（Standardadditionmethod）具体做法：具体做法：将将一一系系列列已已知知量量待待测测物物分分别别加加入入到到几几等等份份的的样样品品中中，配配制制成成浓浓度度为为(cx+0),(cx+c1),(cx+c2),(cx+c3).和和样样品品有有相同基体的标准系列溶液相同基体的标准系列溶液(加标，加标，spiking)；通通过过仪仪器器分分别别测测量量以以上上系系列列溶溶液液的的响响应应值值S0，S1，S2，S3，S4；以以响响应应信信号号S对对浓浓度度c作作图图，再再将将直直线线外外推推与与浓浓度度轴轴相相交交于于一点一点(下图下图)，求得样品中待测物浓度，求得样品中待测物浓度cx。cx0.00.20.0102030-10浓度，浓度，cSS2S3S4S10.40.60.81.01.2当样品量很少时，可在一份样品中加标，加一次作一次测量，可得到上述当样品量很少时，可在一份样品中加标，加一次作一次测量，可得到上述方法相同的结果；方法相同的结果；当觉得上述过程麻烦时，可只加标一次，分别测量样品和加标样品的仪器当觉得上述过程麻烦时，可只加标一次，分别测量样品和加标样品的仪器响应，再直接通过公式进行计算。响应，再直接通过公式进行计算。优点优点：基体：基体(matrix)相近，或者说基体干扰相同；相近，或者说基体干扰相同；缺点缺点：麻烦，适于小数量的样品分析。：麻烦，适于小数量的样品分析。3）内标法内标法（Internalstandardmethod）该该法法可可以以说说是是上上述述两两种种校校正正曲曲线线的的改改进进。可可用用于于克克服服或或减减少少仪仪器器或或方方法法的的不不足足等等引引起起的的随随机机误误差差或或系系统误差。统误差。具体作法：具体作法：寻寻找找一一种种物物质质或或内内标标物物，该该内内标标物物必必须须是是样样品品中中大大量量存存在在的的或或完完全全不不存存在在的的。然然后后，在在所所有有样样品品、标标准准及及空空白白中中加加入相同量的上述内标物；入相同量的上述内标物；分分别别测测量量样样品品及及标标准准中中待待测测物物及及内内标标物物的的响响应应值值，然然后后以以Sx/Si比值对浓度比值对浓度c作图；作图；按前述校正方法获得按前述校正方法获得cx。说明：说明：当当待待测测物物与与内内标标物物的的响响应应值值的的波波动动一一致致时时，其其比比值值可可抵抵消消因因仪仪器器信信号号的的波波动动和和操操作作上上的的不不一一致所引起的测定误差；致所引起的测定误差；例例如如：Li可可作作为为血血清清中中K，Na测测定定的的内内标标物物（Li与与K，Na性质相似，但在血清中不存在）。性质相似，但在血清中不存在）。但但寻寻找找合合适适的的内内标标物物（与与待待测测物物性性质质相相似似而而且且仪仪器器可可以以识识别别各各自自的的信信号号），或或重重复复引引入入内内标标物物往往往往有有一一定定的的困困难难，因因此此，寻寻找找合合适适内内标标物物是是十分费时的。十分费时的。现代仪器分析方法迅速发展，应用互相交叉，要现代仪器分析方法迅速发展，应用互相交叉，要正确选择一个分析正确选择一个分析方法需要对分析方法及分析对象有方法需要对分析方法及分析对象有一个较好的了解，否则就是盲人骑瞎马，不知可否了一个较好的了解，否则就是盲人骑瞎马，不知可否了对对样品的了解样品的了解（1）准确度、精密度要求；）准确度、精密度要求；（2）可用样品量；）可用样品量；（3）待测物浓度范围；）待测物浓度范围；（4）可能的干扰；）可能的干扰；（5）样品的物化性质；）样品的物化性质；（6）多少样品（经济）。）多少样品（经济）。7 7、仪器分析方法的选择、仪器分析方法的选择对方法的要求：对方法的要求：（1）精密度）精密度绝对偏差，相对偏差，绝对偏差，相对偏差，RSD（相对标准偏差（相对标准偏差变异系数变异系数)（2）准确度）准确度系统误差，系统误差，相对误差相对误差（3）灵敏度）灵敏度校正曲线灵敏度，分析灵敏度校正曲线灵敏度，分析灵敏度（4）检出限）检出限（S/N=3）（5）浓度范围浓度范围定量限于线性检测线定量限于线性检测线（6）选择性）选择性选择性系数选择性系数其它方法学的特性：其它方法学的特性：（1）分析速度；）分析速度；（2）易操作性；）易操作性；（3）操作者熟练程度的要求；）操作者熟练程度的要求；（4）仪器成本；）仪器成本；（5）每个样品分析的成本；）每个样品分析的成本；（6）环境代价。）环境代价。8.如何学习仪器分析？如何学习仪器分析？（1）掌握方法的基本原理，了解方法可）掌握方法的基本原理，了解方法可提供的信息。提供的信息。（2）了解仪器的结构，方框图。）了解仪器的结构，方框图。（3）掌握分析方法、应用和数据处理）掌握分析方法、应用和数据处理