化学教育仪器分析绪论.pptx

1.1仪器分析简介仪器分析简介1.1定量分析方法的评价指标定量分析方法的评价指标1 绪绪 论论分析化学和仪器分析分析化学和仪器分析仪器分析方法仪器分析方法仪器分析的发展概况仪器分析的发展概况1.1 仪器分析简介仪器分析简介标准曲线、灵敏度、精密度标准曲线、灵敏度、精密度准确度、检出限准确度、检出限1.2 定量分析方法的评价指标定量分析方法的评价指标1.什么是仪器分析？什么是仪器分析？一般地说，仪器分析是指采用比较复杂一般地说，仪器分析是指采用比较复杂或特殊的仪器设备或特殊的仪器设备，通过测量物质的某些，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物理或物理化学性质的参数及其变化来获来获取物质的化学组成、成分含量及化学结构取物质的化学组成、成分含量及化学结构等信息的一类方法。等信息的一类方法。这些方法一般都有独立的方法原理及这些方法一般都有独立的方法原理及理论基础。理论基础。一、仪器分析和分析化学一、仪器分析和分析化学1.1仪器分析简介仪器分析简介 分析化学是研究物质的化学组成的测量和分析化学是研究物质的化学组成的测量和表征的科学，它包括表征的科学，它包括化学分析化学分析和和仪器分析仪器分析两大两大部分。部分。化学分析化学分析(Chemical Analysis)是指利用化学是指利用化学反应及其计量关系来确定被测物质的组成和含反应及其计量关系来确定被测物质的组成和含量的分析方法量的分析方法。测定时需使用化学试剂、天平测定时需使用化学试剂、天平和一些玻璃器皿。和一些玻璃器皿。化学测量化学测量 获取指定体系中有关物质的获取指定体系中有关物质的质、量和结构等各种信息；质、量和结构等各种信息；表征表征是精确地描述其成分、含量、价是精确地描述其成分、含量、价态、状态、结构和分布等特征。态、状态、结构和分布等特征。2.分析化学分析化学化学分析、仪器分析化学分析、仪器分析 仪器分析仪器分析(Instrumental Analysis)是以物质的是以物质的物理物理和和物理化学性质物理化学性质为基为基础建立起来的一种分析方法，又称为础建立起来的一种分析方法，又称为物理和物理化学分析法。物理和物理化学分析法。测定时，常常需要使用比较复杂测定时，常常需要使用比较复杂的仪器。的仪器。仪器分析的产生为分析化学带来仪器分析的产生为分析化学带来革命性的变化，它是革命性的变化，它是分析化学的发展分析化学的发展方向。方向。A、灵敏度高，检出限量可降低、灵敏度高，检出限量可降低(Higher sensitivity,detection limit down to lower level)仪器分析中，样品用量由化学分析的仪器分析中，样品用量由化学分析的mL、mg级降低到仪器分析的级降低到仪器分析的 L、g级，甚至更低。级，甚至更低。适合于微量适合于微量(micro-)、痕量、痕量(trace)和超痕量和超痕量(ultratrace)成分的测定。成分的测定。发射光谱分析法：发射光谱分析法：10-8 10-12g，原子吸收光谱法：原子吸收光谱法：10-410-15g，吸光光度法：吸光光度法：10-510-8g，离子选择性电极法：离子选择性电极法：10-610-8mol/L，库仑分析法：库仑分析法：10-9g，极谱法：极谱法：10-810-12mol/L，气相色谱法：气相色谱法：10-9g。3.仪器分析的特点（仪器分析的特点（与化学分析比较与化学分析比较）B、择性好、择性好(Higher selectivity)很多仪器分析方法可通过选择或调整测定条件，很多仪器分析方法可通过选择或调整测定条件，使共存组分测定时，相互间不产生干扰。使共存组分测定时，相互间不产生干扰。C、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(Simpler operation，faster assay&easy of automation)。D、相对误差较大、相对误差较大(Poorer relative error)化学分析一般用于常量和高含量成分分析，准确化学分析一般用于常量和高含量成分分析，准确度较高，误差小于千分之几。多数仪器分析相对误差度较高，误差小于千分之几。多数仪器分析相对误差较大，一般为较大，一般为5%，不适用于常量和高含量成分分析。，不适用于常量和高含量成分分析。E、需要价格比较昂贵的专用仪器、需要价格比较昂贵的专用仪器(More expensive apparatus)表表1.1 常量分析、半微量和微量分析常量分析、半微量和微量分析方方法法试样质量试样质量/mg 试液体积试液体积/mL常量分析常量分析 100 10半微量分析半微量分析 10100 110 微量分析微量分析 0.110 0.11 超微量分析超微量分析0.1 0.01 二、仪器分析的方法二、仪器分析的方法1.光学分析法光学分析法 凡是以电磁辐射为测量信号的分析方法均凡是以电磁辐射为测量信号的分析方法均为光学分析法。为光学分析法。可分为可分为光谱法和非光谱法。光谱法和非光谱法。光谱法光谱法是以光的吸收，发射和拉曼散射等是以光的吸收，发射和拉曼散射等作用而建立的光谱方法。这类方法比较多，是作用而建立的光谱方法。这类方法比较多，是主要的光分析方法。主要的光分析方法。非光谱法非光谱法是指那些不以光的波长为特征的是指那些不以光的波长为特征的信号，仅通过测量电磁辐射的某些基本性质信号，仅通过测量电磁辐射的某些基本性质（反射，折射，干涉，衍射，偏振等）。（反射，折射，干涉，衍射，偏振等）。2.电分析化学方法电分析化学方法 电化学分析法电化学分析法是根据物质在溶液中的电化学是根据物质在溶液中的电化学性质建立的一类分析方法。性质建立的一类分析方法。3.色谱法色谱法 色谱法色谱法是以物质在两相是以物质在两相(流动相和固定相流动相和固定相)中中分配比的差异而进行分离和分析的方法。分配比的差异而进行分离和分析的方法。以电讯号作为计量关系的方法，主要有五以电讯号作为计量关系的方法，主要有五大类：大类：电导法、电位法、电解法、库仑法、伏电导法、电位法、电解法、库仑法、伏安法及极谱法。安法及极谱法。主要有：主要有：气相色谱法和液相色谱法气相色谱法和液相色谱法 质谱：质谱：根据物质带电粒子的质荷比在电根据物质带电粒子的质荷比在电磁场作用下进行定性、定量和结构分析的磁场作用下进行定性、定量和结构分析的方法。方法。热分析：热分析：依据物质的质量、体积、热导、依据物质的质量、体积、热导、反应热等性质与温度之间的动态关系来进反应热等性质与温度之间的动态关系来进行分析的方法。行分析的方法。热差分析热差分析法。法。放射分析：放射分析：依据物质的放射性辐射来进依据物质的放射性辐射来进行分析的方法同位素稀释法，中子活化分行分析的方法同位素稀释法，中子活化分析法。析法。4.其它仪器分析方法其它仪器分析方法温度范围温度范围（C）r.t-100100-210370-550550-700r.t-800失重物种类失重物种类吸附水吸附水溶剂溶剂层间水层间水有机质有机质结构水结构水总失重总失重XB吸吸附附剂剂及及其其原原料料失失重重情情况况(%)NB2.61.41.02.07.5PB4.02.31.22610.8NaB3.10.61.13.79.4XB1113.13.75.44.12.021.0XB1223.11.13.82.92.315.5XB1333.13.96.13.12.220.9XB2123.12.66.35.11.720.7XB2233.10.12.34.82.314.7XB2313.11.15.35.01.818.5XB3133.00.13.95.41.616.6XB3213.11.74.66.32.120.0XB3323.10.12.85.31.914.9XB3113.10.75.57.21.520.8XB3313.10.75.55.51.618.7与分析仪器发明相关的诺贝尔奖获得者与分析仪器发明相关的诺贝尔奖获得者1901Rontgen et al 首次发现首次发现X射线存在射线存在1907Michelson et al 首次制造精密光谱仪器首次制造精密光谱仪器1922Aston et al 发明质谱测定同位素发明质谱测定同位素1923 Pregl et al 发明有机物微量分析发明有机物微量分析1930 Raman et al 发现拉曼效应发现拉曼效应1944Rabi et a 用共振方法记录原子核磁性用共振方法记录原子核磁性1948Tiselius et al 用电泳法发现血浆蛋白性质用电泳法发现血浆蛋白性质1952Bloch et al 发展核磁共振精细测量法发展核磁共振精细测量法1952Martin et al 发明分配色谱发明分配色谱1959Heyrovsky et al 发明极谱法发明极谱法1981Siegbahn et al 发明高分辨电子光谱法发明高分辨电子光谱法1981Bloembergen et al 发展激光光谱学发展激光光谱学1991Ernst et al 对高分辨核磁共振方法发展对高分辨核磁共振方法发展2024/9/20 周五分分析析化化学学化化学学分分析析仪仪器器分分析析酸碱滴定酸碱滴定配位滴定配位滴定氧化还原滴定氧化还原滴定沉淀滴定沉淀滴定电化学分析电化学分析光化学分析光化学分析色谱分析色谱分析波谱分析波谱分析重量分析重量分析滴定分析滴定分析电导、电位、电解、库电导、电位、电解、库仑极谱、伏安仑极谱、伏安发射、吸收，荧光、光度发射、吸收，荧光、光度气相、液相、离子、超临气相、液相、离子、超临界、薄层、毛细管电泳界、薄层、毛细管电泳红外、核磁、质谱红外、核磁、质谱仪器分析的三次巨大变革仪器分析的三次巨大变革第一次变革：第一次变革：20世纪初，分析天平的发明，借助世纪初，分析天平的发明，借助于物理化学溶液理论的发展（于物理化学溶液理论的发展（四大平衡的建立四大平衡的建立）第二次变革：第二次变革：20世纪世纪40年代以后，物理电子的发年代以后，物理电子的发展，各种仪器分析方法相继建立。展，各种仪器分析方法相继建立第三次变革：第三次变革：现代科学技术和生产的发展，计算现代科学技术和生产的发展，计算机的使用，尤其微型计算的发展，给仪器分析带机的使用，尤其微型计算的发展，给仪器分析带来全新的革命。来全新的革命。三、仪器分析的发展概况三、仪器分析的发展概况 20世纪世纪40 50年代兴起的材料科学，年代兴起的材料科学，60 70年年代发展起来的环境科学都促进了分析化学学科的代发展起来的环境科学都促进了分析化学学科的发展。发展。80年代以来，生命科学的发展也促进分析年代以来，生命科学的发展也促进分析化学一次巨大的发展。化学一次巨大的发展。仪器分析是分析化学的重仪器分析是分析化学的重要组成部分，也随之不断发展和更新，为科学技要组成部分，也随之不断发展和更新，为科学技术提供术提供更准确、更灵敏、专一、快速、简便更准确、更灵敏、专一、快速、简便的分的分析方法。析方法。如生命科学研究的进展，需要对多肽、蛋白如生命科学研究的进展，需要对多肽、蛋白质、核酸等生物大分子进行分析，对生物药物分质、核酸等生物大分子进行分析，对生物药物分析，对超微量生物活性物质，如单个细胞内神经析，对超微量生物活性物质，如单个细胞内神经传递物质的分析以及对生物活体进行分析。传递物质的分析以及对生物活体进行分析。1.仪器分析的发展仪器分析的发展 信息时代的到来，给仪器分析带来了新信息时代的到来，给仪器分析带来了新的发展。的发展。计算机与分析仪器的结合，出现了分析仪器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。它使许多以的智能化，加快了数据处理的速度。它使许多以往难以完成的任务，如实验室的自动化，图谱的往难以完成的任务，如实验室的自动化，图谱的快速检索，复杂的数学统计可轻而易举得以完成。快速检索，复杂的数学统计可轻而易举得以完成。信息的采集和变换主要依赖于各类的传感器。这信息的采集和变换主要依赖于各类的传感器。这又带动仪器分析中传感器的发展，出现了光导纤又带动仪器分析中传感器的发展，出现了光导纤维的化学传感器和各种生物传感器。维的化学传感器和各种生物传感器。联用分析技术已成为当前仪器分析的重要发联用分析技术已成为当前仪器分析的重要发展方向。将几种方法结合起来，特别是展方向。将几种方法结合起来，特别是分离方法分离方法（如色谱法）和（如色谱法）和检测方法检测方法（红外光谱法、质谱法、（红外光谱法、质谱法、核磁共振波谱法、原子吸收光谱法等）的核磁共振波谱法、原子吸收光谱法等）的结合结合，汇集了各自的优点，弥补了各自的不足，可以更汇集了各自的优点，弥补了各自的不足，可以更好地完成试样的分析任务。好地完成试样的分析任务。联用分析技术：联用分析技术：1.气相色谱气相色谱质谱法（质谱法（GCMS）2.气相色谱气相色谱质谱法质谱法质谱法（质谱法（GCMSMS）3.气相色谱气相色谱原子发射光谱法（原子发射光谱法（GCAED）4.液相色谱液相色谱质谱法（质谱法（HPLCMS）（1）生命科学研究对分析化）生命科学研究对分析化学提出高的要求学提出高的要求 活体分析，单细胞分析，基因活体分析，单细胞分析，基因分析，及药物的检测等。分析，及药物的检测等。（2）环境监测及控制）环境监测及控制自动化自动化 智能化智能化 微型化微型化2.前景展望前景展望四四、怎样学习仪器分析、怎样学习仪器分析1.理论与实际相结合理论与实际相结合2.掌握仪器的使用、原理、特殊性掌握仪器的使用、原理、特殊性1.2 定量分析方法的评价指标定量分析方法的评价指标一、标准曲线一、标准曲线（一）标准曲线及其线性关系（一）标准曲线及其线性关系 标准曲线标准曲线是被测物质的浓度或含量与是被测物质的浓度或含量与仪器响应信号的关系曲线。仪器响应信号的关系曲线。线性范围：线性范围：标准曲线的直线部分所对标准曲线的直线部分所对应的被测物质浓度（或含量）的范围。应的被测物质浓度（或含量）的范围。特点：特点：选择分析方法应有较宽的线性选择分析方法应有较宽的线性范围。范围。用标准溶液配制一系列浓度用标准溶液配制一系列浓度c（标）不同的有色化合物溶液，并（标）不同的有色化合物溶液，并测定测定吸光度吸光度A（标），（标），然后然后用用A（标）（标）对对c（标）作图，（标）作图，可得一条过原点的可得一条过原点的直线。（直线。（A=bc）该直线称为）该直线称为标准曲标准曲线。线。标准曲线标准曲线测定试液中测定试液中Fe2+含量含量显色反应为：显色反应为：Fe2+3 phen Fe(phen)32+Phen：1,10-邻二氮菲邻二氮菲 Fe(phen)32+显显桔红色桔红色反应条件：反应条件：pH=56标准曲线法示例：标准曲线法示例：1.用用Fe2+含量不同的标准溶液配制含量不同的标准溶液配制 Fe(phen)32+然后于然后于=510nm处测定吸光度处测定吸光度A(标标)。标样标样Fe2+(g/L)10 8 6 4 2吸光度吸光度A(标标)A1 A2 A3 A4 A52.根据上述测定值，以根据上述测定值，以A 为纵坐标，为纵坐标，C为横为横坐标，绘制标准曲线。坐标，绘制标准曲线。3.用同样方法配用同样方法配制试样的有色制试样的有色溶液并测定吸溶液并测定吸光度光度Ax。Ax4.在标准曲线上在标准曲线上根据根据Ax查找对应查找对应的的Cx。一元线性回归法一元线性回归法 y=a+bxb：回归系数即斜率，回归系数即斜率，a：截距截距（二）（二）标准曲线的绘制标准曲线的绘制 标准曲线是依据标准系列标准曲线是依据标准系列(或含量或含量)x和其相应和其相应的响应信号测量值的响应信号测量值y来绘制的。来绘制的。标准系列：标准系列：x1 x2 x3 x4 x5 响应信号：响应信号：y1 y2 y3 y4 y5 （三）相关系数（三）相关系数r 在分析化学上，在分析化学上，相关系数相关系数是用来表征被测物是用来表征被测物质的浓度（或含量）质的浓度（或含量）x与其响应信号值与其响应信号值y之间线性之间线性关系好坏程度的一个统计参数。关系好坏程度的一个统计参数。当当|r|=1时，时，y与与x之间存在着严格的线形关系。之间存在着严格的线形关系。|r|越接近越接近1，则，则y与与x之间的线形关系就越好。之间的线形关系就越好。二、灵敏度（二、灵敏度（sensitivity）物质单位浓度或单位质量的变化引起响应信号物质单位浓度或单位质量的变化引起响应信号值变化的程度，称为方法的灵敏度，用值变化的程度，称为方法的灵敏度，用 S 表示。表示。灵敏度灵敏度也就是也就是标准曲线的斜率标准曲线的斜率，斜率越，斜率越大，方法的灵敏度就越高。大，方法的灵敏度就越高。式中，式中，dc和和dm：被测物质的浓度和质量的变化量：被测物质的浓度和质量的变化量dx：响应信号的变化量。：响应信号的变化量。三、精密度三、精密度(Precision)精密度精密度是指使用同一方法，对同一试样是指使用同一方法，对同一试样进行多次测定所得测定结果的一致程度。进行多次测定所得测定结果的一致程度。精密度精密度常用测定结果的常用测定结果的标准偏差标准偏差 s 或或相对标准偏差（相对标准偏差（sr）量度。量度。四、准确度四、准确度(Accuracy)试样含量的测定值与试样含量的真实值（或试样含量的测定值与试样含量的真实值（或标准值）相符合的程度称为标准值）相符合的程度称为准确度准确度。准确度准确度常用常用相对误差相对误差量度。量度。五、检出限（五、检出限（Detection Limit）某一方法在给定的置信水平上可以检出被测某一方法在给定的置信水平上可以检出被测物质的最小质量物质的最小质量，称为这种方法对，称为这种方法对该物质的该物质的检出检出限，限，以浓度表示的称为以浓度表示的称为相对检出限，相对检出限，以质量表示以质量表示的称为的称为绝对检出限。绝对检出限。对于光学分析法，对于光学分析法，可以与空白信号区别的最可以与空白信号区别的最小信号小信号XL由下式确定：由下式确定：式中：式中：空白信号的平均值；：空白信号的平均值；sb：空白信号的指标：空白信号的指标偏差；偏差；k：根据一定的置信水平确定的系数，：根据一定的置信水平确定的系数，IUPAC(International Union of Pure and Applied Chemistry)（国际纯粹与应用化学联合会）建议（国际纯粹与应用化学联合会）建议 k 值取值取3。能产生净响应信号为能产生净响应信号为的被测物质的浓度或质量就是该方法对该物质的的被测物质的浓度或质量就是该方法对该物质的检出限，用检出限，用 D 表示。表示。S：被测物质的浓度或：被测物质的浓度或质量改变应该单位时质量改变应该单位时分析信号的变化量，分析信号的变化量，即方法灵敏度即方法灵敏度 方法的灵敏度越高，精密方法的灵敏度越高，精密度越好，检出限就越低。度越好，检出限就越低。检出检出限限是方法是方法灵敏度灵敏度和和精密度精密度的综的综合指标，合指标，它是评价仪器性能及它是评价仪器性能及分析方法的主要技术指标。分析方法的主要技术指标。