儀器分析講義第一講介紹

1、儀 器 分 析 INSTRUMENTAL ANALYSIS,河南大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 洪軍C103-104hongjun@henu.edu.cn 13781161597,,第一章 引言一、分析化學(xué)的發(fā)展 分析化學(xué)是一門信息科學(xué)，它的基本目的是研究如何獲取有關(guān)物質(zhì)系統(tǒng)化學(xué)成分與化學(xué)結(jié)構(gòu)方面定性、定量的相關(guān)信息，它對(duì)化學(xué)科學(xué)發(fā)展的貢獻(xiàn)極大，甚至被有些人稱為 “現(xiàn)代化學(xué)之父”。分析

2、化學(xué)的發(fā)展歷史上已出現(xiàn)過三次巨大變革： 1、19世紀(jì)末→20世紀(jì)初葉：由“技 藝”上升到科學(xué)理論，標(biāo)志工具 是：天平的使用。,,2、20世紀(jì)四十年代→ 20世紀(jì)八十年代： 由“分析技術(shù)科學(xué)”上升到“化學(xué)信息科 學(xué)”。標(biāo)志工具是：大量電子分析儀器、 儀表的使用。3、20世紀(jì)八十年代→ 21世紀(jì)初：由“化 學(xué)信息科學(xué)”上升到“系統(tǒng)信息科 學(xué)” 。標(biāo)志工具是：微型計(jì)算機(jī)控制

3、的現(xiàn)代智能型分析儀器的大量使用。 現(xiàn)代分析化學(xué)是一門嶄新而年輕的學(xué)科，它屬于與數(shù)學(xué)、電子學(xué)、物理學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、現(xiàn)代信息技術(shù)科學(xué)交叉發(fā)展的新學(xué)科。,,二、儀器分析的內(nèi)容與分類 化學(xué)分析 Chemical Analysis 分析化學(xué){ 儀器分析 Instrumental Analysis 儀器

4、分析（instrumental analysis）： 用精密分析儀器測(cè)量物質(zhì)的某些物理或物理化學(xué)性質(zhì)以確定其化學(xué)組成、含量及化學(xué)結(jié)構(gòu)的一類分析方法，又稱為物理和物理化學(xué)分析法。,,物理分析法 (physical analysis)：根據(jù)被測(cè)物質(zhì)的某種物理性質(zhì)與組分的關(guān)系，不經(jīng)化學(xué)反應(yīng)直接進(jìn)行定性或定量分析的方法。如：光譜分析等。物理化學(xué)分析法 (physical-chemical analysis)：根據(jù)被測(cè)物質(zhì)在化學(xué)

5、變化中的某種物理性質(zhì)與組分之間的關(guān)系，進(jìn)行定性或定量分析的方法。如電位分析法等。,方法分類 主要分析方法 被測(cè)物理性質(zhì) 光譜分析 發(fā)射光譜分析、火焰光度分析 輻射的發(fā)射 分子發(fā)光分析法、放射分析法

6、 紫外-可見分光光度法 輻射的吸收 原子吸收分光光度法 紅外光譜法、核磁共振波譜法

7、 濁度法、拉曼光譜法 輻射的散射 折射法、干涉法 輻射的折射 X-射線衍射法、電子衍

8、射法 輻射的衍射 圓二色譜法 輻射偏振方向的旋轉(zhuǎn) 電化學(xué)分析 電位法

9、 電極電位 電導(dǎo)法 電導(dǎo) 極譜法、溶出伏安法 電流-電壓色譜分析 氣相色譜法、液相色譜法

10、 薄層色譜法 兩相間的分配熱分析 熱導(dǎo)法、差熱分析法 熱性質(zhì)質(zhì)量分析 質(zhì)譜法

11、 質(zhì)荷比………,儀器分析方法分類,根據(jù)用以測(cè)量的物質(zhì)性質(zhì)，儀器分析方法主要分為以下幾類:,發(fā)射海盜號(hào)探測(cè)器首次登陸火星“海盜號(hào)”的氣相色譜分析儀(GCMS) 進(jìn)行的土壤加熱分析發(fā)現(xiàn)過氧化物的大量存在讓火星的土壤變得異常 否決了生命物質(zhì)的存在。,NASA十項(xiàng)最重要太空任務(wù) ，離不開儀器分析的幫助。,發(fā)射哈勃太空望遠(yuǎn)鏡清晰度是地面天文望遠(yuǎn)鏡的10倍以上，1.6萬公里以外的一只螢火蟲發(fā)現(xiàn)黑洞存在的

12、證據(jù)，探測(cè)到恒星和星系的早期形成過程，觀測(cè)到距離地球130億光年的古老星系,錢德拉X射線天文衛(wèi)星極高的空間分辨率和譜分辨率，X射線天文學(xué)從測(cè)光時(shí)代進(jìn)入了光譜時(shí)代。在星暴星系M82中發(fā)現(xiàn)了中等質(zhì)量黑洞的證據(jù)、發(fā)現(xiàn)伽瑪射線暴GRB 991216中的X射線、觀測(cè)到了銀河系中心超大質(zhì)量黑洞等。,對(duì)微觀世界的認(rèn)識(shí)、了解和研究同樣離不開儀器分析的幫助。,人的眼睛不能直接觀察到比10-4m更小的物體或物質(zhì)的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)光學(xué)顯微鏡使人類的視覺

13、得以延伸，人們可以觀察到像細(xì)菌、細(xì)胞那樣小的物體，但由于光波的衍射效應(yīng)，使得光學(xué)顯微鏡的分辨率只能達(dá)到10-7m掃描電子顯微鏡（SEM）的分辨率為10-9m，高分辨透射電子顯微鏡（HTEM）和掃描透射電子顯微鏡STEM）可以達(dá)到原子級(jí)的分辨率(0.1 nm) 掃描隧道顯微鏡(STM）人類第一次能夠?qū)崟r(shí)觀察單個(gè)原子在物質(zhì)表面的排列狀態(tài)與表面電子行為有關(guān)的物化性質(zhì)。,與其他表面分析技術(shù)相比，STM具有如下獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：,1.具有原子

14、級(jí)高分辨率，STM 在平行于樣品表面方向上的分辨率分別可達(dá) 0．I nm 和 0．01 nm，即可以分辨出單個(gè)原子．,中國(guó)科學(xué)院化學(xué)所的科技人員利用納米加工技術(shù)在石墨表面通過搬遷碳原子而繪制出的世界上最小的中國(guó)地圖,2. 可實(shí)時(shí)得到實(shí)空間中樣品表面的三維圖像，可用于具有周期性或不具備周期性的表面結(jié)構(gòu)的研究，這種可實(shí)時(shí)觀察的性能可用于表面擴(kuò)散等動(dòng)態(tài)過程的研究．,3. 可以觀察單個(gè)原子層的局部表面結(jié)構(gòu)，而不是對(duì)體相或整個(gè)表面的平均性

15、質(zhì)，因而可直接觀察到表面缺陷。表面重構(gòu)、表面吸附體的形態(tài)和位置，以及由吸附體引起的表面重構(gòu)等．,硅111面7?7原子重構(gòu)象,為了得到表面清潔的硅片單質(zhì)材料，要對(duì)硅片進(jìn)行高溫加熱和退火處理，在加熱和退火處理的過程中硅表面的原子進(jìn)行重新組合，結(jié)構(gòu)發(fā)生較大變化，這就是所謂的重構(gòu)。,4. 可在真空、大氣、常溫等不同環(huán)境下工作，樣品甚至可浸在水和其他溶液中 不需要特別的制樣技術(shù)并且探測(cè)過程對(duì)樣品無損傷．這些特點(diǎn)特別適用于研究生物樣品和在不同實(shí)驗(yàn)條

16、件下對(duì)樣品表面的評(píng)價(jià)，例如對(duì)于多相催化機(jī)理、電化學(xué)反應(yīng)過程中電極表面變化的監(jiān)測(cè)等。,液體中觀察原子圖象,上圖所示的是在電解液中得到的硫酸根離子吸附在銅單晶(111)表面的STM圖象。圖中硫酸根離子吸附狀態(tài)的一級(jí)和二級(jí)結(jié)構(gòu)清晰可見。,5. 配合掃描隧道譜（STS）可以得到有關(guān)表面電子結(jié)構(gòu)的信息，例如表面不同層次的態(tài)密度。表面電子阱、電荷密度波、表面勢(shì)壘的變化和能隙結(jié)構(gòu)等．,6. 利用STM針尖，可實(shí)現(xiàn)對(duì)原子和分子的移動(dòng)和操縱，這為納米科技

17、的全面發(fā)展奠定了基礎(chǔ)．,1990年，IBM公司的科學(xué)家展示了一項(xiàng)令世人瞠目結(jié)舌的成果，他們?cè)诮饘冁嚤砻嬗?5個(gè)惰性氣體氙原子組成“IBM”三個(gè)英文字母。,ICP質(zhì)譜儀,島津GC-2010,HP-1100液相色譜儀,X射線光電子能譜儀,X射線熒光儀,UV-vis光譜儀,日立F-4500熒光光譜儀,掃描俄歇微探針,四圓X射線衍射儀,電子順磁共振儀,熒光光譜儀LS-50B,,三、儀器分析的特點(diǎn)和應(yīng)用原則 儀器分析的主要優(yōu)點(diǎn)如下：

18、 1、 靈敏度極高； 2 、選擇性好，適于復(fù)雜組分試樣的分析； 3 、分析迅速，適于批量試樣的分析； 4、 適于微量、超痕量組分的測(cè)定； 5、 能進(jìn)行無損分析； 5 、組合能力和適應(yīng)性強(qiáng)，能在線分析； 6 、數(shù)據(jù)的采集和處理易于自動(dòng)化和智能化。,常量分析、半微量和微量分析,,●樣品用量由化學(xué)分析的mL、mg級(jí)降低到儀器分析的?g、?L級(jí)，甚至更低。適合于微量（micro-

19、)、痕量(trace)和超痕量(ultratrace)成分的測(cè)定。,● 可以通過選擇或調(diào)整測(cè)定的條件，使共存的組分測(cè)定時(shí)，相互間不產(chǎn)生干擾。,● 可用于常量和高含量成分分析，準(zhǔn)確度較高，誤差小于千分之幾。多數(shù)儀器分析相對(duì)誤差略大（約1~ 5%）多數(shù)不適用于常量和高含量成分分析。,學(xué)習(xí)內(nèi)容及時(shí)間安排,引言 （1學(xué)時(shí)）色譜分析法： 氣相色譜法（ 3 學(xué)時(shí)） ，高效夜相色譜法（ 4 學(xué)時(shí)）； 電化學(xué)分析法： 電位分析法（ 4 學(xué)時(shí)）﹑

20、伏安分析法（ 4學(xué)時(shí)）﹑庫(kù)侖分析法（ 2 學(xué)時(shí)）； 光學(xué)分析法： 原子發(fā)射光譜法（ 2 學(xué)時(shí)）﹑原子吸收光譜法（ 4學(xué)時(shí)）﹑紫外吸收光譜法（ 2 學(xué)時(shí)）﹑紅外吸收光譜法（ 4 學(xué)時(shí)）、激光拉曼光譜 （2學(xué)時(shí)）、化學(xué)發(fā)光分析（2學(xué)時(shí)）核磁共振波譜法（ 1 學(xué)時(shí)）； 質(zhì)譜分析法（ 1 學(xué)時(shí)）。,主要參考書目,朱明華 胡坪編．普通高等教育面向21世紀(jì)課程教材，儀器分析(第四版)．北京：高等教育出版社．高向陽主編.普通高等教育十五國(guó)

21、家級(jí)規(guī)劃教材，新編儀器分析.科學(xué)出版社.張濟(jì)新、孫海霖、朱明華編，儀器分析實(shí)驗(yàn)，北京：高等教育出版社．奚長(zhǎng)生、余榮陣編，儀器分析，廣東，廣東高等教育出版社．趙藻藩、周性堯、張悟銘、趙文寬編，儀器分析，北京：高等教育出版社．,成績(jī)核算方法（百分制）,平時(shí)成績(jī)30分 考勤 3 作業(yè) 17 提問 5 研討

22、5期末考試成績(jī)70分（閉卷）,“氣相(或液相）色譜分析技術(shù)1研究及應(yīng)用”研討由班長(zhǎng)和學(xué)習(xí)委員負(fù)責(zé)聯(lián)系同學(xué)或自由組合分組，每個(gè)研討小組由 5-8名成員組成，分組后選出小組長(zhǎng)，由班長(zhǎng)匯總報(bào)給我。小組成員分別從網(wǎng)上或圖書館找到至少一篇使用氣相或液相色譜法進(jìn)行分析的研究論文（中文或英文），相互分析比較，先取最好的一篇做為小組共同研討課題。（注意：1.相關(guān)研究背景知識(shí)、研究現(xiàn)狀及研究創(chuàng)新之處。2. 使用的儀器，試劑及操作方法。3.文獻(xiàn)給

23、出的結(jié)果與分析討論，以及你并運(yùn)用所學(xué)的有關(guān)色譜分析有關(guān)理論，解釋相應(yīng)分析討論。4. 根據(jù)所學(xué)知識(shí)，找出至少一項(xiàng)文獻(xiàn)中不足及有待改進(jìn)之處。）小組制作精美PPT，準(zhǔn)備相應(yīng)演講稿，用5-10分鐘時(shí)間，由推舉小組代表對(duì)小組研討對(duì)象、方法、結(jié)果分析、優(yōu)缺點(diǎn)等內(nèi)容進(jìn)行講解。講解結(jié)束后，根據(jù)同學(xué)和老師提出的問題或改進(jìn)意見，修訂后將相關(guān)PPT及相應(yīng)原始文獻(xiàn)發(fā)到公用信箱2，每位同學(xué)認(rèn)真分析后，給每一小組打出研討成績(jī)，匯總平均成績(jī)即為該研討小組每位成員

24、的研討成績(jī)。注1：選 其它本課程內(nèi)容涉及的感興趣，有意義的技術(shù)也可。 2：yiqifenxi08@yahoo.cn psw:123456789,聯(lián)系方式：,河南大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 C103-104 洪軍 hongjun@henu.edu.cn 13781161597,,第二章 氣相色譜分析,茨維特實(shí)驗(yàn)示意圖,§2-1 氣相色譜法概述 色譜法(chromatography)：以試樣

25、組分在固定相和流動(dòng)相間的溶解、吸附、分配、離子交換或其他親和作用的差異為依據(jù)而建立起來的各種分離分析方法稱色譜法。色譜柱：進(jìn)行色譜分離用的細(xì)長(zhǎng)管。固定相：（stationary phase） 管內(nèi)保持固 定、起分離作用的填充物。流動(dòng)相：（mobile phase）流經(jīng)固定相的空隙 或表面的沖洗劑。,,按固定相的幾何形式分類： 1.柱色譜法，

26、 2.紙色譜法， 3.薄層色譜法 。按兩相所處的狀態(tài)分類：,氣相色譜法,液相色譜法,,,,氣-固色譜法,液-固色譜法,氣-液色譜法,液-液色譜法,,,國(guó)產(chǎn)氣相色譜儀,色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀,,,,氣相色譜儀通常由五部分組成：Ⅰ 載氣系統(tǒng)：氣源、氣體凈化器、氣體流速控制部件。Ⅱ 進(jìn)樣系統(tǒng)：進(jìn)樣器、汽化室。Ⅲ 分離系統(tǒng)：色譜柱、控溫柱箱。 Ⅳ 檢測(cè)系統(tǒng)：檢測(cè)器、放大器、控溫裝置

27、。Ⅴ記錄與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)：記錄儀、色譜工作站。,1.高壓鋼瓶2.減壓閥3. 載氣凈化干燥管4. 穩(wěn)流閥5. 流量計(jì)6. 壓力表7. 進(jìn)樣器8. 色譜柱9. 檢測(cè)器10. 色譜工作站,,圖1 、色譜過程 圖2、 色譜圖,A,B,KA>KB,,色譜圖（chromatogram）： 試樣中各組分經(jīng)色譜柱分離后，按先后次序經(jīng)過檢測(cè)器時(shí)，檢測(cè)器就將流動(dòng)相中各組分濃

28、度變化轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號(hào)，由記錄儀所記錄下的信號(hào)——時(shí)間曲線或信號(hào)——流動(dòng)相體積曲線，稱為色譜流出曲線，,,常用術(shù)語：基線： 在操作條件下，僅有純流動(dòng)相進(jìn)入檢測(cè)器時(shí)的流出曲線。峰高與峰面積：色譜峰頂點(diǎn)與峰底之間的垂直距離稱為峰高(peak height)。用h表示。峰與峰底之間的面積稱為峰面積(peak area)，用A表示。峰的區(qū)域?qū)挾龋篴、標(biāo)準(zhǔn)偏差σ 0.607倍峰高處色譜寬度的一半b、標(biāo)準(zhǔn)偏差峰寬

29、 W0.607h=2σ c、半高峰寬 Wh/2=2σ(2ln2)1/2=2.35σ 峰高一半處的寬度d 、峰底寬 WD = 4σ,,保留值: 1) 保留時(shí)間 ：從進(jìn)樣至被測(cè)組分出現(xiàn)濃度最大值時(shí)所需時(shí)間tR。 2) 保留體積 ：從進(jìn)樣至被測(cè)組分出現(xiàn)最大濃度時(shí)流動(dòng)相通過的體積，VR。 死時(shí)間： 不被固定相滯留的組分

30、，從進(jìn)樣至出現(xiàn)濃度最大值時(shí)所需的時(shí)間稱為死時(shí)間(dead time)，tM。死體積: 不被固定相滯留的組分，從進(jìn)樣至出現(xiàn)濃度最大值時(shí)流動(dòng)相通過的體積稱為死體積(dead volume) ，VM。（F0為柱尾載氣體積流量） VM = tM F 0,,調(diào)整保留值:　1) 調(diào)整保留時(shí)間：扣除死時(shí)間后的保留時(shí)間。 tR?

31、= tR – tM　2) 調(diào)整保留體積：扣除死體積后的保留體積。 VR ? = VR – VM 或 VR ? = tR ? F0相對(duì)保留值（relative retention） 在相同的操作條件下，待測(cè)組分與參比組分的調(diào)整保留值之比，用ri，s 表示,,色譜分析的實(shí)驗(yàn)依據(jù)：　１、根據(jù)色譜峰的位置（保留時(shí)間）可以進(jìn)行定性分析。 2、根據(jù)色譜峰的面積或峰高可以進(jìn)行定量分析。 3

32、、根據(jù)色譜峰的展寬程度，可以對(duì)某物質(zhì)在實(shí)驗(yàn)條件下的分離特性進(jìn)行評(píng)價(jià)。由此可知：相對(duì)保留值應(yīng)該與柱長(zhǎng)、柱徑、填充情況、流動(dòng)相流速等條件無關(guān)，而僅與溫度、固定相種類有關(guān)。,,§2-2 氣相色譜分析理論基礎(chǔ)一、分配平衡的幾個(gè)參數(shù)：1、分配系數(shù)（distribution coefficient） 在一定溫度和壓力下，組分在固定相和流動(dòng)相間達(dá)到分配平衡時(shí)的濃度比值，用K表示。 。2、容量因子（capacity fact

33、or） 在一定溫度和壓力下，組分在固定相和流動(dòng)相之間分配達(dá)到平衡時(shí)的質(zhì)量比，稱為容量因子，也稱分配比，用k表示。,,cs、cm分別為組分在固定相和流動(dòng)相的濃度(g/ml)；V m為色譜柱中流動(dòng)相的體積，近似等于死體積， Vs為色譜柱中固定相的體積。 3、分配系數(shù)和分配比之間的關(guān)系分配系數(shù)K 與柱中固定相和流動(dòng)相的體積無關(guān)，而取決于組分及兩相的性質(zhì)，并隨柱溫、柱壓變化而變化。 容量因子k 決定于

34、組分及固定相的熱力學(xué)性質(zhì)，隨柱溫、柱壓的變化而變化，還與流動(dòng)相及固定相的體積有關(guān)。,,理論上可以推導(dǎo)出：,Phase ratio(相比，b): VM / VS, 反映各種色譜柱柱型及其結(jié)構(gòu)特征填充柱（Packing column）: 6~35 毛細(xì)管柱（Capillary column）: 50~1500,色譜過程的基本方程式：,,,,二、色譜分離的基本理論 1、塔板理論（ Martin a

35、nd Synge 1941） 塔板理論認(rèn)為，一根柱子可以分為n段，在每段內(nèi)組分在兩相間很快達(dá)到平衡，把每一段稱為一塊理論塔板。設(shè)柱長(zhǎng)為L(zhǎng)，理論塔板高度為H，則 H = L / n式中n為理論塔板數(shù)?？偨Y(jié)塔板理論前提假設(shè)：每段間隔內(nèi)，氣相平均組成與液相平均組成迅速達(dá)到分配平衡。載氣進(jìn)入色譜柱不是連續(xù)的，而是脈動(dòng)式的，每次進(jìn)氣為一個(gè)板體積。試樣開始時(shí)都加在0號(hào)塔板上，并

36、且試樣沿色譜柱方向的擴(kuò)散可忽略。分配系數(shù)在各塔板上是常數(shù)。,色譜柱塔板數(shù)n=5某一組分分配比k=1單位質(zhì)量m=1,以載氣板體積數(shù)為橫坐標(biāo)，柱出口濃度為縱坐標(biāo)，作出組分流出曲線圖,當(dāng)n值很大時(shí)（103-106），流出曲線趨近于正態(tài)分布，流出曲線上濃度 c 與時(shí)間 t 關(guān)系為：,理論塔板數(shù)（n）可根據(jù)色譜圖上所測(cè)得的保留時(shí)間（tR）和峰底寬（W）或半峰寬（ Wh/2 ）按下式推算：,或,,,,有效塔板數(shù)（neff）的計(jì)算公

37、式為；,通常用有效塔板數(shù)（neff）來評(píng)價(jià)柱的效能比較符合實(shí)際。 neff 越大或Heff越小，則色譜柱的柱效越高。,Heff=L/neff,塔板理論的優(yōu)缺點(diǎn),優(yōu)點(diǎn)：能解釋 流出曲線形狀（正態(tài)分布），濃度極大點(diǎn)的位置，計(jì)算評(píng)價(jià)柱效能。缺點(diǎn)：不能解釋 塔板高度受哪些因素影響？為什么在不同流量下可以測(cè)得不同的理論塔板數(shù)？,作業(yè)(01)：談?wù)勀銓?duì)儀器分析這門課的第一印象和感覺？你認(rèn)為如何才能上好、學(xué)好這門課？你希望從這