1、华中科技大学本科生课程 仪 器 分 析 Instrumental Analysis,化学、生物类专业必修的基础课程之一。主要内容有介绍各种常用仪器分析方法的原理和仪器的简单结构。现代分析仪器的操作使用，基本的定性、定量分析方法。,课程简介,课程的目标,通过本课程的学习 掌握常用仪器分析方法的原理和仪器的简单结构。 初步具有根据分析目的，结合学到的各种仪器分析方法的特点及应用范围来选择适宜的仪器分析方法的能力。,教材与参考书目,教材： 仪器分析教程，叶宪曾、张新祥等，北京大学出版社，2006年参考书目： 1仪器分析，赵文宽主编，高等教育出版社，2000年 2仪器分析，朱明华、胡坪编，高等教育出版
2、社，2007年,课程考核方式,第一讲：仪器分析绪论Introduction to Instrumental Analysis,一、什么是仪器分析？,分析化学(广义的分析科学)中的仪器方法。,通过测量与待测组分相关的化学或物理性质，获取物质定性和定量结果。,仪器分析与化学分析的区别：1、区别是相对的，仪器分析是在化学分析基础上，借助 现代工程技术的最新成果发展起来的。 2、化学分析(湿法分析)主要是指那些利用化学反应及其计量关系来进行分析的方法，如酸碱滴定。 3、仪器分析仍然依赖于化学分析。,从信息学角度看：信息的获取技术。,科学技术发展的必然、多学科交叉的产物。,1.1 分析化学发展中的创新成
3、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 分析化学的历史,分析化学的三次巨大变革,分析天平的发明和溶液理论体系的建立,核磁共振、气相色谱、极谱、质谱等,计算机技术的广泛应用，信息智能化,1.3 仪器分析的特点,灵敏度高，检出限低；选择性好；仪器分析的取样量一般较少；相对误差较大；操作简便,分析速度快,易于实现自动化；价格一般来说比较昂贵。,1.4 仪器分析的应用,苏丹红I（Sudan I）的化学名称为1-苯基偶氮
4、-2-萘酚(1- phenylazo-2- naphthalenol)，分子结构式为C6H5=NC10H6OH，分子量248.28； 苏丹红II（Sudan II）化学名称为1-(2,4-二甲基苯)偶氮-2-萘酚(1-(2,4-dimethylphenyl)azo-2-naphthalenol)； 苏丹红III（Sudan III）化学名称为1-4-(苯基偶氮)苯基 偶氮-2-萘酚(1-4-(phenylazo)phenylazo-2-naphthalenol)； 苏丹红IV（Sudan IV）化学名称1-2-甲基-4-(2-甲基苯)偶氮苯基偶氮-2-萘酚(1-2-methyl-4-(2-me
5、thylphenyl)azophenylazo-2-naphthalenol)。,孔雀石绿事件,二、什么是定性和定量？,定性：获取样品中原子、分子或功能基团的有关信息。A qualitative method, yields information about identity of atomic or molecular species or the functional groups in the sample.,定量：获取样品中一种或多种组成的相对含量。A quantitative method, in contrast, provides numerical information a
6、s to the relative amount of one or more of these components.,三、仪器分析对于生命科学的意义,生命科学发展到21世纪，已成为自然科学研究领域的旗帜。以生命科学的名义，各学科交叉融合已成为当今科学研究与学科发展的一大趋势。来自物理和化学领域新概念和新方法的持续创新，无疑是将生命科学推向潮头的中坚力量，成为生命科学发展与繁荣背后的英雄。近现代生命科学发展的历史对此作了最充分的见证。,to be continued,显微镜的发明，促成了细胞学说的建立，从而带来了生物学研究的一场革命。现在，运用显微荧光成像技术，已经能够实时跟踪到活体细胞内单
7、个分子水平的动态变化。历史上第一个诺贝尔奖授予了Roentgen，以表彰其对于发现X射线的杰出贡献，在此基础上，Bragg因建立X射线衍射方法研究晶体结构而荣膺诺贝尔奖，该方法对于确认DNA双螺旋结构起到了决定性的作用，而后者是现代生物学发展史上具有里程碑意义的重大事件。电泳、色谱、质谱、核磁共振、放射免疫、扫描电镜和膜片钳等，这些先后被授予诺贝尔奖的方法和技术的建立，对于现代生物学的意义是不言而喻的。,to be continued,再回顾生命科学界最伟大的创举人类基因组计划。这个以发掘人类全部遗传密码为己任的“人体的阿波罗”计划，在实施之初，进展非常缓慢，其原因在于传统的板凝胶测序方法过于
8、费时、费工和费钱。毛细管阵列电泳技术的建立及时地扭转了时局。为此，Science杂志以“Unsung Heroes”为题，礼赞毛细管阵列电泳技术的建立者Science, 291 (2001) 1207。人类基因组计划的胜利完成，给全球科技界一个深刻的启示，即：科学的发展愈来愈强烈地依赖于仪器方法或技术的进步。2004年秋，Nature杂志创建姊妹期刊Nature Methods。,四、仪器分析方法,总体上划分，仪器分析方法包括光、电、色和其它。,光： 光学分析法。 电： 电分析化学方法。 色： 分离方法。 其它：未归入上述分类的方法。,4.1 光学分析方法,光分析法,原子吸收法,红外法,原子发
9、射法,核磁法,荧光法,紫外可见法,4.2 电分析化学方法,电分析化学法,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,4.3 色谱分析法, 质谱， 热分析， 放射分析,4.4 其他仪器分析方法,五、分析仪器,通常指将根植于样品物理或化学特征之中而不能直接获得的信息转变为被人可理解、操纵和推演的形式的器件。An instrument for analysis converts information stored in the physical or chemical characteristics of the analyte to information th
10、at may be understand, manipulated and interpreted by a human.,能量源,分析信息,分析对象,激发,响应,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。,5.1 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
11、,分子分析仪器,5.1 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,5.2 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。,试样系统,信息发生器,信息处理单元,信息显示单元,能源,5.2.1 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）。,5.2.2
12、 能源,功能：提供与被分析物或系统发生作用的探测能源。 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。,5.2.3 信息发生器,信息发生器,检测器,转换器,传感器,5.2.3 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。,5.2.3 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
13、、光电二极管、光电池、热敏电阻、热电堆等。,光电倍增管实物图,5.2.3 信息发生器,发生器：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。,5.2.4 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,5.2.5 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
14、组分和相对浓度等。,六. 分析仪器的性能指标,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。,6.1 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%):,6.2 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。 仪器校准灵敏度
15、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。,6.3 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。 它取决于分析物产生信号与本底空白信号波动或噪声统计平均值之比。 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。,6.4 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)的浓度范围。 定量测定下限一般取等于10倍空白重
16、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%。,6.5 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。,6.6 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。 需要指出的是目前国内外关于各种分析仪器性能及
17、指标尚无统一认识和标准，有些性能含义仍存在一定争议。,七、 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。,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。,小 结,1、仪器分析的界定及其对生命科学的意义2、仪器分析方法的分类3、仪器分析中重要的参数和主要定量方法4、仪器分析的特点,
