1、主讲：张友玉,仪器分析,电话：13787296080 Email： 授课对象：化工、应化、制药 2009级 授 课： 54学时 开课时间： 2011年秋季,教材： 仪器分析 （第四版）朱明华 主编 （高等教育出版社）,参考教材：,（1）分析化学教程李克安 主编北京大学出版社 （2005年）（2）仪器分析武汉大学化学系 编 （2005年）,平时出席与作业情况 占1015 期中考试 占30 期末考试 占5560, Principles of Instrumental Analysis,PrefacePhysical scientists, biological scientists, and e
2、ngineers have an impressive array of powerful and elegant tools for gathering qualitative and quantitative information about the composition and structure of matter. Students of chemistry, biochemistry, physics, geology, health-related sciences, engineering, and environmental sciences must develop a
3、n understanding of these tools and how they are used to solve analytical problems.,仪器分析课程概况,仪器分析课程是化学、物质科学、生命科学、材料科学和环境科学等学科研究中所抽象出的一门测量物质成分、含量、结构、表面等物理化学特性的基础理论和实验课程。 仪器分析课程（理论或实验）在我校开设对象 本科化学化工学院、生命科学学院。 研究生化学化工学院。,课程目标,培养两类人才：分析仪器的熟练应用者 解决问题； 创新型人才发现问题，开拓新领域；(1) 掌握常用仪器分析方法原理、应用，熟悉仪器结构；(2) 使学习者具备选
4、择适宜的分析方法的能力；(3) 学习创新思维方式。,人才培养,有创造性,独立性,综合素质,献身精神,2002年诺贝尔化学奖 授予三位分析仪器领域的学者,美国 John B. Fenn 日本 田中耕一 质谱法 研究蛋白质 瑞士 Kurt Wuthrich 生物分子的三维结构,2003 年诺贝尔医学奖 授予核磁共振成像领域的科学家,与分析仪器发明（发展）相关的诺贝尔奖荣获者,分析化学是获取物质化学信息，研究物质的组成、状态、结构及其含量的科学。 如何获取物质的化学信息？,采用这些方法和 手段获取物质的“质”与“量”的资 料，从而得到相 关化学信息。,化学 +,数学 物理学 生物学 医学 计算机科学
5、,一、什么是分析化学？,重量法 容量法（酸碱、络合、氧化-还原、沉淀等滴定法）,化学分析仪器分析,分析化学,仪器分析是以物质的物理或物理化学性质作为基础的一类分析方法，它的显著特征是以仪器作为分析测量的主要手段。由于这类方法依据了物质的物理或物理化学性质，因此，亦曾被称为物理和物理化学分析法。,仪器分析是分析化学的一个重要部分：,化学分析：常量组分(1%), Er 0.1%0.2%依据化学反应, 使用玻璃仪器,化学分析与仪器分析方法比较,仪器分析：微量组分(1%), Er 1%5% 依据物理或物理化学性质, 需要特殊仪器,例: 含Fe约0.05%的样品,称0.2g,则m(Fe)0.1mg,重量
6、法 m(Fe2O3)0.14mg, 称不准,容量法 V(K2Cr2O7)0.02mL 测不准,光度法 测定结果为0.048%0.052%,准确度高,灵高敏度,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,20世纪40年代后：仪器分析的大发展时期，确立了仪器分析的地位；原因：（1）社会发展的迫切需要（发展动力，连续化大生 产的迫切需要）； （2）物理学+电子技术+精密仪器制造技术的发展；分析化学 = 化学分析+仪器分析；仪器分析:通过最佳的物理方法获取尽
7、可能多的化学信息,从化学分析到仪器分析,阶段一：16世纪，天平的出现。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；分析化学的第一次变革；20世纪40年代前，化学分析占主导地位，仪器分析种类少和精度低；,分析化学的三个发展阶段，三次变革,阶段二：20世纪40年代后，进入仪器分析的大发展时期。物理学、电子学、半导体及原子能工业；仪器分析使分析速度加快，促进化学工业发展；化学分析与仪器分析并重，仪器分析自动化程度低；一系列重大科学发现，为仪器分析的建立和发展奠定 基础。（1）Bloch F（美） 和Purcell E
8、M （美）；建立了核磁共振测定方法，获诺贝尔物理奖1952年；（2）Martin A J P（英）和Synge R L M (英）；建立了分配色谱分析法，获诺贝尔化学奖1952年；（3）Heyrovsky J （捷克），建立极谱分析法，获诺贝尔化学奖1959年仪器分析的发展引发了分析化学的第二次变革。,20世纪40-50年代兴起的材料科学，60-70年代发展起来的环境科学都促进了分析化学学科的发展。80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。仪器分析是分析化学的重要组成部分，也随之不断发展，不断地更新自己，为科学技术提供更准确、更灵敏、专一、快速、简便的分析方法。 如生命科学研究
9、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。,阶段三：八十年代初，以计算机应用为标志的分析化学第三次变革。（1）计算机控制的分析数据采集与处理：实现分析过程的连续、快速、实时、智能；促进化学计量学的建立。 （2）化学计量学：利用数学、统计学的方法设计选择最佳分析条件;获得最大程度的化学信息；化学信息学：化学信息处理、查询、挖掘、优化等。 （3）以计算机为基础的新仪器的出现：傅里叶变换红外；色-质联用仪。,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处理。 计算机与分析仪
10、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。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展方向。将几种方法结合起来，特别是分离方法（如色谱法）和检测方法（红外光谱法、质谱法、核磁共振波谱法、原子吸收光谱法等）的结合，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。气相色谱质谱法（GCMS）气相色谱质谱法质谱法（GCMSMS）气相色谱原子发射光谱法（GCAED）
11、液相色谱质谱法（HPLCMS）,仪器分析的最主要的功能是人类五官感触的延伸 人类智慧利用了光、电和磁的物理特性通过物理和化学手段将微小的物理量放大，而获得感知 小型化集成化（芯片）、多功能化（联用技术）和高稳定、高灵敏度检测是仪器分析发展的最高境界,仪器分析,1. 按研究对象分类,无机分析 有机分析,2. 按分析任务分类,定性分析 定量分析 结构解析,3. 按样品用量分类,常量分析 半微量分析 微量分析,二、仪器分析方法的分类,按被分析物质的含量划分，分为三类,按被分析物质的状态划分，分为：,表面与界面分析 微区分析 剥层分析,常量成分分析 （ 0.01 %) 痕量成分分析 (0.01-0.0
12、0001%) 超痕量成分分析( 0.00001%),成分分析 价态分析 结构分析,常量样品分析 （ 10 mg, 1 ml) 微量样品分析 (0.1-10 mg, 0.01-1 ml) 超微量样品分析( 0.1 mg, 0.01 ml),按取样量划分，分为三类,仪器分析,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,原理、方法分类,以物质的光学性质(发射、吸收、反射等)为基础，依据物质的能量变化而建立起来的一类分析方法。,光学分析法 （能量作用与辐射）,光（波）谱 分析法,原子光谱法分子光谱法其它波谱法,原子发射光谱法 原子吸收光谱法 原子荧光光谱法 X射线荧光与
13、X射线衍射分析,紫外-可见分子吸收光谱法 红外分子吸收光谱法 拉曼光谱法 分子荧光与磷光光谱法 化学发光光谱法,核磁共振与顺磁共振波谱法X-射线光电子能谱与俄歇电子能谱,以高速电子束轰击待测物，使之电离成带电碎片,然后按质荷比大小分离, 得到质谱图, 进行分析的方法。,质谱法,紫外/可见光谱 红外光谱 核磁共振谱 质谱,波谱分析,用于分析鉴定众多的有机物。,以物质在互不相溶的两相中分配系数差异而建立起来 的一类分析方法。,色谱分析法,以物质的电化学性质(电位、电流、电量、电导等)为基础的一类分析方法.,电化学分析法,信号发生器、检测器、信号处理器和读出装置,仪器分析的特点,试样用量少,适合于微
14、量、痕量和超痕量成分的测定。如样品用量由化学分析的mL、mg级降低到仪器分析的g、L级，甚至更低的ng级。 检测灵敏度高，最低检出限量和检出浓度大大降低。由化学分析的10-6g级降低到仪器分析的10-12g，最低的已达到10-18g级。 选择性好。很多的仪器分析方法可以通过选择或调整测定的条件，使对共存的组分测定时，相互间不产生干扰。 操作简便，重现性好，分析速度快，容易实现自动化、信息化和在线检测。,仪器分析的特点,化学分析在溶液中进行，试样需要溶解或分解；仪器分析可在物质原始状态下分析，可实现试样非破坏性分析及表面、微区、形态等分析。 可实现复杂混合物成分分离、鉴定或结构测定；一般化学分析
15、方法难以实现。 相对误差较大。化学分析一般可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较大，一般为5%，不适用于常量和高含量成分分析。 需要价格比较昂贵的专用仪器，成本高。,环境科学 材料科学 能源科学 生命科学 信息科学 空间科学 纳米科学,现代仪器分析应用领域,技术发展 Problem Oriented,GLP Lab,现场实验室,便携式分析仪器,集成系统,发展创新仪器,食品安全和毒品等,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
16、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。,更高的灵敏度/更低的检测限； 更好的选择性/更少的基体干扰； 更高的准确度/更好的精密度； 更高的分析速度； 更高的自动化程度； 更完善的多元素(分析物)同时检测能力； 更完善可信的形态分析； 更小的样品量要求并且实现微损或无损分析； 原位(in situ)，活体内(in vivo)，实时(real time)分析 更大的应用范围，如遥测、极端或特殊环境中的分析； 高分辨成象,人类基因组计划,Jianzhong
17、 Zhang, a fellow University of Alberta scientist, together with Dr. Dovichi were the ones who developed the DNA sequencer that played a critical role in the breakthrough of gene-mapping by the Human Genome project.,Diagram of a 96-sample devicefor DNA analysis,(a) Reservoirs and channels are connect
18、ed so that 48 DNA samples can be simultaneously separated by gel electrophoresis in 48 channels. (b) Electropherograms for some HFE samples. Individuals likely to have hemochromatosis exhibit two DNA fragments at 140 and 167 base pairs (bp) while individuals less likely to have this disease would ex
19、hibit either two (111 bp and 167 bp) or three (111 bp, 140 bp, and 167 bp) DNA fragments.,In vivo cancer targeting and imaging with semiconductor quantum dots From Nature Biotechnology 22, 969 - 976 (2004),光纤化学传感检测形式,原位、在线,BOD工程样机,海洋浮标与微型实验室,原位、在线、实时、多维、微区,Test case. Small and portable PCR machines
20、help detect biowarfare agents even when there are no labs around.,战争与战场现场快速测试,利用分析手段,分子之间 的相互作用原理,分析方法的新原理新理论,单分子检测及荧光图谱,据介绍，具有高度的对称性和稳定性的钴酞菁分子是一种仅1.3纳米大小的共轭大环平面分子，它与人体内的血红素、植物体内的叶绿素具有非常相似的结构和性质，在光电器件、生物技术等方面具有广泛和重要的应用与研究价值。从2002年起，中国科大的研究人员就意识到这类带磁性离子的分子具有巨大研究价值和应用前景，他们通过2年多的不懈努力，系统地研究了该分子吸附于金属表面的各
21、种物理、化学性质，在此基础上巧妙地对其进行“单分子手术”，成功“剪裁”其分子外围的氢原子，并使其与金属表面形成稳定的化学键。研究人员发现，当钴酞菁分子吸附到金属表面后，其中心的二价钴离子的局域磁矩完全消失。但通过在分子内部实现的精确 “手术”后，却能够使整个分子的空间结构和电子结构产生变化，由此可以改变和调控其中心钴离子的自旋态，使其显示出由局域磁性所引起的近藤效应。,单分子调控、检测（Sciences, 2005.9.2）,体液、单细胞分析,自动分析系统的发展 The development of automatic analysis system,Sequential discrete,A
22、ir-segmented continuous flow analysis,Flow Injection Anal.,学习方法,抓住主线原理特点用途；重点在原理 归纳共性与个性色谱法：共性：复杂混合物分离分析个性：流动相-原理-对象 处理好整体与局部分析仪器结构流程关键部件 拓宽知识面化学+物理学+电子技术+计算机 (综合性学科),特点：内容繁多、各成体系； 每类方法有其特点、内在规律、应用范围。,仪 器 分 析,电化学分析基本概念 电位分析法 电解和库仑分析 极谱法和伏安法,色谱法基本概念 气相色谱法 高效液相色谱法 分离分析中的新技术,光谱分析法基本概念 原子发射光谱法 原子吸收光谱法 原子荧光光谱法 紫外-可见分光光度法 分子发光,色谱法,光谱法,电化学,仪器的主要性能指标,精密度 灵敏度 检出限 校正曲线的线性范围 选择性,作业 简述概念,仪器分析方法的校正,一、工作曲线法 二、标准加入法 三、内标法,作业 复习与自学,
