1、仪器分析 Instrumental Analysis,张君 内蒙古大学化学化工学院,课程属性：专业基础课 学时/学分 ：64/3 授课方式：多媒体,电话：13664880826 Email：z_j_,通过本课程的学习 1. 要求学生掌握常用仪器分析方法的原理 和仪器的简单结构； 2. 要求学生初步具有根据分析的目的，结合学到的各种仪器分析方法的特点、应用范围，选择适宜的分析方法的能力。,教 学 要 求,参考书目,朱明华，仪器分析，高等教育出版社，2002 刘密新，罗国安等，仪器分析（第二版），清华大学出版社，2002 袁倬斌，现代仪器分析，中国科学院研究生院，1998 陈培榕，邓勃，现代仪器分
2、析试验与技术，清华大学出版社，1999,第一章 绪论,分析测试是人类频繁的科学技术活动之一。在人类发展史上，以创新分析测试技术为基础的先进仪器与装备的研发对一个国家的科学地位及经济的发展极为重要。 纵观100年来获诺贝尔奖的科学成就，约有50多位获奖者的成就与创新测试技术仪器有直接关系。 一定意义上，当今世界，谁掌握了最先进的分析测试手段，谁就掌握了科技发展的优先权；放弃自主发展先进的分析测试仪器就等于放弃了这些权利。 方肇伦院士,当前我国在关键的高档分析测试仪器与装备方面完全依赖进口的局面令人十分忧虑。我国生产的仪器绝大部分为中低档产品，而技术密集的高端仪器装备，如色谱质谱仪、核磁共振波谱仪
3、、等离子体质谱仪、电子能谱仪、透射和扫描电镜、自动生化分析仪和核酸测序仪等则完全依靠进口。要从战略的高度重视我国分析测试仪器与装备的研发工作。,化学 是研究物理原子、分子、生物大分子、超分子和凝聚态的组成、结构、性质、化学反应及其规律和应用的科学。分析化学 是化学测量和表征的科学，是研究获取物质化学组成和结构信息的科学； 分析化学包括化学分析和仪器分析两大部分。分析测试是科技与生产的眼睛，是衡量一个国家科技与经济主要发展水平的主要标志。,从应用的分析手段来说，分析测试方法大体上可分为化学法、物理法、化学物理法。化学分析 (化学法) 是指利用化学反应和它的计量关系来确定被测物质的组成和含量的一类
4、分析方法。测定时需使用化学试剂、天平和一些玻璃器皿，它是分析化学的基础。包括化学定性分析、重量分析和容量分析。 仪器分析(物理法、化学物理法) 是以物质的物理性质（光、电、热、声和磁等）和物理化学性质为基础建立起来的，以成套的 (成型的)物理仪器或特殊的仪器设备(统称为商品仪嚣或分析仪器)为手段，来从事和获取物质(试样)的化学组成和结构信息的一种分析测试方法。 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。,仪器分析的特点灵敏度高，检出限量可降低。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。适合于微量、痕量和超痕量成分的测定。选择性好。很多的
5、仪器分析方法可以通过选择或调整测定的条件，使共存的组分测定时，相互间不产生干扰。 操作简便，分析速度快，容易实现自动化。 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。 更新周期很短。许多仪器用几年就需要更新，故应很谨慎的选购仪器，必须事先对仪器性能有足够的了解，否则会造成很大的浪费。 仪器分析与化学分析的区别不是绝对的，仪器分析是在化学分析的基础上逐步发展起来的，不少的仪器分析方法还必须与试样处理、化学分离与富集相结合，才能完成分析的全过程。所以仪器分析并不
6、是一们独立的学科，而是多种仪器分析方法的组合，或自身的串联：或多种仪器的联合，且与微电子技术、计算机技术、化学计量学、核技术、生物、医学、环境和过程等密切相关。毫无疑问，现代仪器分析不仅是重要的分析测试方法，而且是强有力的科学研究手段。,从世界化学史来看，分析化学一直伴随着化学学科的发展而不断发展起来的，同时还对其他学科(如：数学、物理、化学、生物、材料、环境、医学等)的发展起着有力的推动作用。没有物理学和化学的发展是无法产生现代仪器分析的，同样，没有电子学和计算机科学技术的发展以及作为应用数学与化学的交叉产生的化学计量学的发展，也是无法产生现代仪器分析的。,分析仪器的发展可概括为： 50年代
7、仪器化， 60年代电子化， 70年代计算机化， 80年代智能化， 90年代信息化， 而2l世纪是仿生化和进一步信息智能化的时代。分析过程通常包括采样、样品预处理、仪器校正、测量或表征和分析信号与数据处理等5个环节。 现代仪器分析的中心在于化学测量和表征，在于研究获取物质化学组成和结构信息,一、物理性质 二、检验目的 比较实际的分类法是分为：可鉴定原子的方法，可鉴定分子的方法，分离分析方法，联用分析方法，表面和界面分析方法电子和离子束微区分析方法环境分析方法食品分析法生化与医学专用分析方法等。,分类,表1一l 可用于分析目的的物理性质及仪器分析方法的分类,表l-2 可以鉴定原子的分析方法,表l-
8、3 可以鉴定分子的分析方法,表l-4 分离分析方法,表面和界面分析法： 1.X光电子能谱(XPS或ESCA)和俄歇电子谱(AES)： 2.二次离子质谱(SIMS)； 3.扫描隧道显微镜(STM)： 4 X光技术：X射线衍射法，扩展的X射线和吸收精细结构法(提供区域结构信息包括配位数与键长等)。,三、仪器分析的发展概况 1电子计算机技术在仪器分析中的广泛应用实现了仪器操作和数据处理的自动化，大大提高了仪器分析的分析效率、分析灵敏座和准确度。 以电子计算机为工具，使用数理统计和其它数学方法对分析数据进行处理、图形解析，进而表征分析对象特征的化学计量学(chemometrics)的诞生和发展，使过去
9、一些难以想象的分析方法成为现实，使分析化学真正成为化学量测和表征的科学。 2不同分析方法联用，扬长避短，充分发挥各种方法的优势，大大提高了仪器分析的功能。 例如，将具有很高分离能力的气相色谱法与具有很强鉴定能力的质谱法，红外光谱法、核磁共振波谱法联用，可以迅速地剖析复杂样品。气相色谱一质谱联用仪，气相色谱一红外光谱联用仪等都己成为分析复杂样品的有力工具。许多其它类型的多机联用仪也在不断地出现，并在分析实践中得到应用。,3化学、物理学、数学、电子学、计算机科学、生物学等各学科的互相渗透、互相融合，使分析化学逐渐成为一门以一切可能的方法和技术，以一切可以利用的物质属性，对一切可以测定的化学组分及其
10、形态、状态、结构、分布进行测量，对物质一切需要了解的特性进行表征的综合性学科分析学或分析科学。,第二节定量分析方法的评价指标定量分析是仪器分析的主要任务之一。对于一种定量分析方法，一般用精密度、准确度、检出限、灵敏度、校准曲线的线性范围等项指标进行评价。 一、校准曲线及线性范围 1校准曲线校准曲线是被测物质的浓度或量与仪器响应信号的关系曲线，用标准溶液或标准物质绘制。 图1是吸收光度法的一条校准曲线。曲线的横坐标是试液的浓度C，纵坐标是吸光度A。只要在于回执校准曲线的相同的实验条件下测得的样品溶液吸光度Ai，即可在校准曲线上求得样品溶液中被测物质的浓度Ci 。,2线性范围校准曲线的直线部分所对
11、应的被测物质的浓度或量的范围叫作该方法测定这种物质的线性范围。一般说来，好的分析方法应有较宽的线性范围。,校准曲线,二、灵敏度物质单位浓度或单位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s表示。或 式中，dc和dq分别为被测物质的浓度和量的变化量，dx为响应信号的变化量。灵敏度也就是棱准曲线的斜率。校准曲线的斜率越大，方法的灵敏度就越高。许多方法的灵敏度随实验条件而变化。所以，现在一般不用灵敏度作为方法的评价指标。,三、精密度精密度是指使用同一方法，对同一样品进行多次测定所得测定结果的 一致程度。 重复性 同一分析人员在同一条件下平行测定结果的精密度又称重复性。 再现性 不同实验室所
12、得测定结果的精密度又称再现性。精密度常用测定结果的标准偏差s或相对标准偏差RSD量度。,式中，n为测定次数，xi为第i次测定值，x为n次测定值的平均值。 精密度是测量中随机误差的量度。一个好的方法应有比较好的精密度。,四、准确度样品含量的测定值与样品含量真实值(亦称真值)相符合的程度称为准确度。准确度常用相对误差量度。,准确度是分析过程中系统误差和随机误差的综合反映，它决定着分析结果的可靠程度。方法有较好的精密度且消除了系统误差后，才有较好的准确度。,式中x为样品含量的测定值，为样品含量的真值。,五、检出限某一方法在给定的置信水平上可以检出被测物质的最小浓度或最小质量称为这种方法对该物质的检出
13、限，以浓度表示的称为相对检出限，以质量表示的称为绝对检出限。检出限是一个定性概念，只表明此浓度或量的响应信号可以与空白信号相区别。在检出限附近不能进行定量分析。对于光学分析方法，可以与空白信号区别的最小信号XL。以下式确定式中xb为空白信号的平均值，sb为空白信号的标准偏差，k为根据一定的置信水平确定的系数，IUPAC(国际纯粹及应用化学联合会)建议k值取3。,能产生响应信号为xL-xb的被测物质的浓度或量就是方法对该物质的检出限，周DL表示。,式中S是方法的灵敏度。 评价一个分析方法还有一些其它指标，如选择性、分析效率、多组分同时或连续测定的能力、操作的难易程度、设备及维持费用的高低等，但IUPAC建议只将精密度、准确度和检出限三个指标作为分析方法的评价指标。,
