1、Page 1分析科学与分析技术（Analytical Science & Technology）主讲: 楚清脆（副教授）理工学院、化学系E-mail: PDF created with pdfFactory Pro trial version Page 2v分析科学与分析技术是化学和应用化学专业的主干课程之一。本课程的教学目的是使学生系统地掌握分析科学与分析技术中的基本原理、分析方法，树立准确的“量”的概念。v培养科学的思维方法和严谨的科学作风，提高分析问题和解决问题的能力，为学习后续课程和科学研究打下良好基础。v本课程的主要内容包括通过课堂讲授、自学讨论及习题课等教学环节达到学习本课程的目的
2、。v运用化学平衡理论处理化学分析法中的相关平衡体系，掌握各种滴定分析、重量分析和电化学分析的基本原理和方法以及实验数据统计处理方法。课程简介:PDF created with pdfFactory Pro trial version Page 3课程内容 第一章总论 第二章分析数据的处理和质量保证 第三章分析科学中的溶液平衡 第四章滴定分析 第五章重量分析法 第六章比色分析法PDF created with pdfFactory Pro trial version Page 4第一章 总 论 分析科学与技术的任务和作用 分析方法的分类 分析科学的发展概况与趋势PDF created with
3、pdfFactory Pro trial version Page 5第一节 分析科学的任务和作用一、分析科学的定义v分析科学与分析技术是研究物质组成和结构及其有关理论的一门学科。v它正不断地向生命科学、材料科学、能源科学和环境科学等许多领域渗透，并逐渐成为它们的支柱。PDF created with pdfFactory Pro trial version Page 6二、分析科学的任务v定性分析：鉴定物质中含有哪些组分，即物质由什么组分组成。v定量分析：测定各种组分的相对含量。v结构分析：研究物质的分子结构或晶体。PDF created with pdfFactory Pro trial
4、version Page 7三、分析科学的特点v突出“量”的概念；v分析试样是一个获取信息、降低系统的不确定性的过程；v实验性强；v综合性强。PDF created with pdfFactory Pro trial version Page 8四、分析科学的作用v农业：土壤农药化肥PDF created with pdfFactory Pro trial version Page 9四、分析科学的作用v工业生产：质检（产品、原材料）PDF created with pdfFactory Pro trial version Page 10四、分析科学的作用v生命科学：头发中微量元素含量与疾病的
5、关系：正常人发锰含量为0.7 ug/g，心脏病者为0.42 ug/g，肿瘤患者及早衰者发锰含量也较低。人体分析：将很小的探头插入体细胞中，测定多巴胺、肾上腺素、维生素、糖等含量，对了解生命规律、大脑功能很有意义。血糖含量：人体一天究竟需要多少糖，人体中糖是怎样循环变化的，就需测定体内的糖含量。人工胰脏就需糖的检测器。PDF created with pdfFactory Pro trial version Page 11v环境监测(大气、水、土壤分析等）测定空气中NO2、SO2、CO等污染物含量，这不仅对人体呼吸道有影响，而且造成酸雨。烟镉会引起肾功能衰退，吸入过多会头痛，头晕，呕吐，胸痛，甚
6、至死亡。六价铬毒性大于三价铬，对呼吸器管，皮肤有损害，也能致癌。四、分析科学的作用PDF created with pdfFactory Pro trial version Page 12水源根据不同的需要，各国制定了不同的用水标准，生活用水，考虑有害物对人体的影响，世界卫生组织允许的限量，如铅0.1 mg/l，铬0.05 mg/l，镉0.01 mg/l，汞0.001 mg/l。工业用水，考虑钙、镁、铁、铅、硫酸盐、pH、溶解氧等。农业用水，考虑微量元素对作物的影响。水产用水，考虑农药及微量元素与对立类的影响。另外还有废水的排放标准，我国河水的污染极为严重。例如，20世纪50年代日本发生的公害
7、病痛痛病（镉污染）和水俣病（汞污染），曾惊动了全世界。PDF created with pdfFactory Pro trial version Page 13四、分析科学的作用v国防科技生化武器化学武器F-117A潜隐飞机PDF created with pdfFactory Pro trial version Page 14四、分析科学的作用v外层空间探索月球岩石的分析可以帮助了解太阳系及月亮的形成，用飞行器到其它星上检测是否会有氮生命基础。用光谱分析法分析恒星上的组成、变化规律等。PDF created with pdfFactory Pro trial version Page 15四
8、、分析科学的作用v医药卫生医院里常需对病人进行血的化验，全国各地都有药检分析杂志。制备中成药前需测量中药中有效成分的含量及配比。兴奋剂检测PDF created with pdfFactory Pro trial version Page 16四、分析科学的作用v科学研究几乎所有涉及化学的研究均用到分析。有机合成，需测定产品组成、含量，中间产物是什么？无机化学，研究络合物时需测定络合比，电化学、光化学特性；新型材料的合成也需分析化学（超导、高分子导电材料），考古学需测定古物的年代、组成。PDF created with pdfFactory Pro trial version Page 17四
9、、分析科学的作用v刑事侦破各人头发中微量元素含量不同，通过测定可判断现场的头发是谁的。此外，慢性中毒后，头发中含有铅、砷。绘画中白粉既做颜料，又可打底。古时只有铅白，1870年前无ZnO和二氧化钛，文艺复兴时的油画中白粉若有锌、钛，那就是复制品。德黑兰附近有个牧场，1972年大批羊死亡，场主指控有人破坏，通过测定羊胃中的草，发现含大量的硒Se(剧毒)，植物具有富集地下化学元素的能力。后来在当地的地下发现了金属矿床。金矿地表面一吨的草中含100克金。PDF created with pdfFactory Pro trial version Page 18分析科学与技术要解决的三个问题（three
10、 what):what chemicals are present？what are their characteristics？what quantities are they present?PDF created with pdfFactory Pro trial version Page 19四、分析科学的作用l 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）l 化学：新化合物的结构表征、分子层次上的分析方法l 生命科学：DNA测序、活体检测l 药物：天然药物的有效成分与结构、构效关系研究l 地学与环境科学
11、：地质分析、环境监测、污染物分析l 材料科学：新材料、结构与性能l 外层空间探索：微型、高效、自动、智能化仪器PDF created with pdfFactory Pro trial version Page 20分析化学六面体PDF created with pdfFactory Pro trial version Page 21一、按分析任务分类：定性分析（qualitative）：鉴定物质是由哪些元素、原子团、官能团或化合物而组成的。定量分析（quantitative）：测定物质中有关组分的含量。结构分析（constructional）：研究物质的分子结构或晶体结构。第二节 分析方法的
12、分类PDF created with pdfFactory Pro trial version Page 22二、按分析对象分类：v无机分析（inorganic）：通常要求鉴定试样是由哪些元素、离子、原子团或化合物组成的，其各组分的百分含量是多少，有时需对其形态、价态和状态进行分析。v有机分析（organic）：虽然组成有机物的元素不多，但结构很复杂，不仅要求鉴定组成元素，往往需要官能团分析和结构分析，有机物的分析一般需要大型仪器。PDF created with pdfFactory Pro trial version Page 23三、按分析方法和原理分类v化学分析法重量分析容量分析（各种
13、滴定分析）v仪器分析法光化学分析电化学分析色谱分析波谱分析PDF created with pdfFactory Pro trial version Page 24重量分析：基于分析固体重量的定量化学分析方法。通常加入沉淀剂将被分析物质沉淀后称重。滴定分析：最经典的实验室定量化学分析方法，主要适应于常量分析，由于滴定中采用溶液体积计量，所以也称为容量分析。PDF created with pdfFactory Pro trial version Page 25光谱分析法：研究不同波长的光与物质之间相互作用的科学。主要对物质进行定性和定量方面的研究。仪器主要有吸收光谱仪和发射光谱仪。如紫外可见光
14、谱法，红外光度法，拉曼光谱法，核磁共振光谱法，原子发射光谱法，荧光光谱法等。Animation of the dispersion of light as it travels through a triangular prismPDF created with pdfFactory Pro trial version Page 26分析化学之父贝里采乌斯(Berzelius)：19世纪初，发明分析天平，使测量得到的实验数据更加接近真实值，这样任何一个定律都有一个确凿的事实证明。贝里采乌斯把测定原子量的很多新方法，新试剂，新仪器引用到分析化学中来，使定量分析精确度达到了一个新的高度。PDF c
15、reated with pdfFactory Pro trial version Page 27德国化学家罗斯(Hoinrich Rose) ：1829年编写了一本分析化学教程，首次提出了系统定性分析方法，而到18世纪未，酸碱滴定的各种形式和原则也基本确定。PDF created with pdfFactory Pro trial version Page 28光谱分析的起源：是从牛顿开始的。牛顿从1666年开始研究光谱，并于1672年发表了他第一篇论文光和色的新理论。而在1825年，英国物理学家包特(Talbot)制造了一种研究光谱的仪器，对碱金属火焰进行研究，发现了元素有特征光谱的现象。后
16、来德国科学家本生(Bunsen)与基尔霍夫(Kirchhoff)利用本生灯发现了元素铯和铷。光谱学作为分析化学的一个重要分支从此诞生。BunsenKirchhoffNewtonPDF created with pdfFactory Pro trial version Page 29电化学分析法：研究在溶液与导体或半导体（电极）界面上发生的电子传递迁移反应和应用的学科，分为极谱分析法、电导分析法、电位分析法、库仑分析法等。The founders of electrochemistry:English chemists John Daniell (left) and Michael Farada
17、y (right).PDF created with pdfFactory Pro trial version Page 30色谱分析法：利用混合物中各物质在两相间分配系数的差别，当溶质在两相间做相对移动时，各物质在两相间进行多次分配，从而使各组分得到分离。 展开色谱平板色谱柱色谱 流动相不同气相色谱液相色谱亲和色谱超临界流体色谱 分离机理不同离子交换色谱排阻色谱PDF created with pdfFactory Pro trial version Page 31毛细管电泳（高效毛细管电泳）：一种以毛细管为分离通道，以直流高压电场为驱动力，以分析物的多种特性（如荷电性、大小、等电点、极性、
18、亲和行为等）为分离依据的液相微分离分析技术。毛细管区带电泳（Flash）PDF created with pdfFactory Pro trial version Page 32v微流控分析（Microfluidics）Microfluidics deals with the behavior, precise control and manipulation of fluids that are geometrically constrained to a small, typically sub-millimeter, scale. Silicone, rubber and glass m
19、icrofluidic devices Top: a photograph of the devices. Bottom: DIC micrographs of an undulating channel15 m wide. PDF created with pdfFactory Pro trial version Page 33v芯片技术（Lab-on-a-chip）Lab-on-a-chip is a device that integrates one or several laboratoryfunctions on a single chipof only millimeters t
20、o a few square centimeters in size. LOCs deal with the handling of extremely small fluid volumes down to less than pico liters.Lab-on-a-chip made of glassPDF created with pdfFactory Pro trial version Page 34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
21、临界、薄层、毛细管电泳红外、核磁、质谱PDF created with pdfFactory Pro trial version Page 35四、按试样用量及操作规模分类方 法试样质量试液体积常量分析0.1 g10 ml半微量分析0.01-0.1 g1-10 ml微量分析0.1-10 mg0.01-1 ml超微量分析0.1 mg0.01 mlPDF created with pdfFactory Pro trial version Page 36五、按分析目的分类v例行分析：指一般化验室日常生产中的分析，又称常规分析。v快速分析：是例行分析的一种，主要为控制生产过程提供有关信息，又称高速分析
22、。v裁判分析：指不同单位对某一产品的分析结果有争论时，要求某单位用指定的方法进行准确的分析，以判断分析结果是否准确，又称仲裁分析。PDF created with pdfFactory Pro trial version Page 37第三节 分析科学的发展概况与趋势 由技术演变成一门“学科”： “仪器分析”出现: 进入分析科学时期：一个新的“革命时期” 从宏观到微观；从总体到微区；从常量、微量到超微量、痕迹量；从量值到结构的崭新阶段。化学分析理论发展 物理化学关于溶液（四大平衡）的基本概念的建立。物理学、物理化学、电子学应用各学科互相渗透，出现一些新的分析方法。一、发展概况（三次变革）：PD
23、F created with pdfFactory Pro trial version Page 38v方法：灵敏度高、特异性好、适用范围广、线性范围宽、精确、准确、快速；v成本：价廉、易操作、无需培训、省时；v固体直接原子测定：激光诱导光谱、激光消蚀质谱等主要应用于质粒DNA等生物分子检测。分析科学与技术的发展动力来源PDF created with pdfFactory Pro trial version Page 39v各学科互相渗透，出现了一些新的分析方法。v分析方法互相渗透，不同方法的联用，出现了一批新的分析方法和新的分析仪器。v计算机技术的发展使仪器的自动化和智能化进一步提高。v分
24、析方法的理论与技术的深入研究，推动一些新的分析方法的发展。v展望未来，为适应现代化工农业和现代科学技术的发展，分析化学必将起到科学技术现代化的先行军作用。二、发展趋势PDF created with pdfFactory Pro trial version Page 40分析科学主要发展趋向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固定化传感器定性教育接口活体分析实时分析原位分析在线分析化学计量学自动化 微型化 新技术 新仪器新原理分离技术仪器和计算机联用技术其它科技领域PDF created with pdfFactory Pro trial ve
25、rsion Page 41社会其它科学技术领域社会需要研究与发展分析问题分析科学分析科学与社会和其它科学技术领域的关系4PDF created with pdfFactory Pro trial version Page 42课程的学习方法特点：涉及的知识面广、内容繁多、各成体系抓住主线：特点原理用途；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勤书山无路勤为径！PDF created with pdfFactory Pro trial version Page 43v分析科学与分析技术，华东师范大学出版社，方禹之
26、，2001v分析化学高等教育出版社武汉大学，1995v仪器分析北京大学出版社，北京大学v仪器分析（第三版）高等教育出版社，朱明华，2000v仪器分析原理南京大学出版社，方惠群等，1994v仪器分析手册化学工业出版社，朱良漪，1997v仪器分析解题指南与习题高教出版社，施荫玉等，1998v分析化学学习指导大连理工大学出版社，刘志广，2002vAnalytical Chemistry6th, Wiley&Sons Inc. , Gary D. Christian, 2003vprinciples of instrumental analysis4th, Barcourt Brace College Publishers, Skoog D. A. , 1992参考书目：PDF created with pdfFactory Pro trial version Page 44本章基本要求v了解分析科学与技术的学科性质和主要任务。v了解分析科学与技术在国民经济和科学研究中的地位和作用。v熟悉分析科学的发展概况和当前分析化学发展的主要特点。v熟悉分析方法的基本分类，不同类型分析方法的适用范围和主要特点。PDF created with pdfFactory Pro trial version
