第10章儀器分析法概述

1、第第10章章 儀器分析法概述儀器分析法概述 overview of instrument analysis第第10章章 儀器分析法概述儀器分析法概述儀器分析法：儀器分析法：采用較為特殊或復雜的采用較為特殊或復雜的儀器設備儀器設備，通過測量物質(zhì)的某些通過測量物質(zhì)的某些物理物理或或物理化學物理化學性質(zhì)性質(zhì)參數(shù)或參數(shù)或變化變化來確定其化學組成、成分含量或結構的分析來確定其化學組成、成分含量或結構的分析方法?；瘜W反應不是必須條件。方法。化學反應不是必須條件。化學法：化學法：使用天平和玻璃器皿，基于化學反應平使用天平和玻璃器皿，基于化學反應平衡基礎上的分析方法衡基礎上的分析方法。10-1 儀器分析法分類

2、儀器分析法分類凡能表征物質(zhì)的所有物理或物理化學性質(zhì)均可作為分析該凡能表征物質(zhì)的所有物理或物理化學性質(zhì)均可作為分析該物質(zhì)的依據(jù)，根據(jù)物質(zhì)產(chǎn)生的可測信號不同，可把儀器分物質(zhì)的依據(jù)，根據(jù)物質(zhì)產(chǎn)生的可測信號不同，可把儀器分析法分為以下幾類：析法分為以下幾類： 光學分析法光學分析法 電分析化學法電分析化學法 色譜分析法色譜分析法（分離分析法）（分離分析法） 其他儀器分析法（質(zhì)譜法、熱分析法、放射化學分析法、其他儀器分析法（質(zhì)譜法、熱分析法、放射化學分析法、動力學方法等）動力學方法等）10-1-1 光學分析法（光學分析法（1）光（電磁輻射）：光（電磁輻射）：是是一種以極大的速度通過空間，不要任一種以極大的

3、速度通過空間，不要任何物質(zhì)作為傳播媒介的能量，具有波粒二象性。何物質(zhì)作為傳播媒介的能量，具有波粒二象性。表表1 電磁波的波長范圍電磁波的波長范圍波譜區(qū)波譜區(qū) 射線射線 射線射線紫外線紫外線可見光可見光紅外線紅外線無線電波無線電波波長波長nm0.0050.005-1010-400400-800800-106106-1014表表2 光學光譜區(qū)光學光譜區(qū)波譜區(qū)波譜區(qū)遠紫外遠紫外近紫外近紫外可見區(qū)可見區(qū)近紅外近紅外中紅外中紅外遠紅外波遠紅外波波長波長10-200nm200-400nm400-800nm800nm-2.5 m2.5-50 m50-1000 m /hce10-1-1 光學分析法（光學分析法

4、（2）光學分析法：光學分析法：根據(jù)物質(zhì)發(fā)射光或光與物質(zhì)相互作用而建立根據(jù)物質(zhì)發(fā)射光或光與物質(zhì)相互作用而建立起來的一類分析化學方法?？煞譃榉枪庾V法和光譜法。起來的一類分析化學方法。可分為非光譜法和光譜法。 非光譜法：如非光譜法：如折射法，濁度法，旋光法等。其特點是折射法，濁度法，旋光法等。其特點是物質(zhì)與電物質(zhì)與電磁輻射的作用不涉及物質(zhì)內(nèi)部能級的躍遷，但輻射的某些性質(zhì)：磁輻射的作用不涉及物質(zhì)內(nèi)部能級的躍遷，但輻射的某些性質(zhì)：折射、散射、偏振等性質(zhì)發(fā)生變化。折射、散射、偏振等性質(zhì)發(fā)生變化。 光譜法：光譜法：基于物質(zhì)與電磁輻射作用時，由于物質(zhì)內(nèi)部量子化的基于物質(zhì)與電磁輻射作用時，由于物質(zhì)內(nèi)部量子化的能

5、級之間發(fā)生躍遷產(chǎn)生的發(fā)射、吸收和散射現(xiàn)象而進行分析的能級之間發(fā)生躍遷產(chǎn)生的發(fā)射、吸收和散射現(xiàn)象而進行分析的方法，如發(fā)射光譜法、吸收光譜法、拉曼散射光譜法等。方法，如發(fā)射光譜法、吸收光譜法、拉曼散射光譜法等。10-1-1 光學分析法（光學分析法（3）特性特性儀器方法儀器方法說明說明光發(fā)射光發(fā)射發(fā)射光譜法、熒光發(fā)射光譜法、熒光/磷光、化學發(fā)光磷光、化學發(fā)光光由待測物產(chǎn)生光由待測物產(chǎn)生光吸收光吸收分光光度分光光度、聲光光譜、核磁、聲光光譜、核磁/電子自旋共振電子自旋共振光與待測物作用光與待測物作用后發(fā)生變化后發(fā)生變化光散射光散射濁度法、拉曼光譜濁度法、拉曼光譜光折射光折射折光分析、干涉法折光分析、干

6、涉法光衍射光衍射x-射線和電子衍射光譜射線和電子衍射光譜光偏轉光偏轉旋光分析、旋光性色散分析、園二色性光譜旋光分析、旋光性色散分析、園二色性光譜10-1-2 電化學分析法電化學分析法電極電極電電化化學學工工作作站站待待測測試試液液化化學學電電池池電電化化學學信信號號電位電位電荷電荷電導電導電位電位電流電流-10-1-3 色譜分析法色譜分析法分離方法分離方法檢測手段檢測手段色譜法：色譜法： 利用利用外力外力使含有樣品（多個使含有樣品（多個組分）的組分）的流動相流動相通過與流動相互不相通過與流動相互不相溶的溶的固定相固定相表面。樣品中各組份與兩表面。樣品中各組份與兩相發(fā)生相發(fā)生不同程度的作用不同程

7、度的作用而使其流動速而使其流動速率產(chǎn)生差異，通過固定長度的固定相率產(chǎn)生差異，通過固定長度的固定相所用的時間不同，從而實現(xiàn)分離。所用的時間不同，從而實現(xiàn)分離。流動相流動相作用模式作用模式光、電、光、電、質(zhì)譜等質(zhì)譜等氣相色譜氣相色譜吸附吸附分配分配液相色譜液相色譜吸附吸附分配分配靜電靜電篩分篩分親和親和電泳：電泳：同一電場強度下不同組分荷質(zhì)比不同產(chǎn)生的差速遷移同一電場強度下不同組分荷質(zhì)比不同產(chǎn)生的差速遷移超臨界超臨界電色譜電色譜10-2 分析儀器的組成（分析儀器的組成（1）分析儀器的基本結構單元分析儀器的基本結構單元信號信號發(fā)生器發(fā)生器檢測器檢測器信號信號處理器處理器分析分析信號信號輸入輸入信號信

8、號表頭表頭記錄儀記錄儀數(shù)字顯示儀數(shù)字顯示儀或計算機處理或計算機處理輸出輸出信號信號讀讀出出裝裝置置工作站（數(shù)據(jù)處理及儀器控制）工作站（數(shù)據(jù)處理及儀器控制）將信號發(fā)生器得到的信號轉化為將信號發(fā)生器得到的信號轉化為電信號電信號10-2 分析儀器的組成（分析儀器的組成（2）分析儀器的類型分析儀器的類型 通用型（通用型（ ）儀器設計的物理（化學）基礎：儀器設計的物理（化學）基礎：光譜儀、色譜儀、電化學分析儀等光譜儀、色譜儀、電化學分析儀等分析對象：分析對象：分子（原子）分析儀器、分離分析儀器、聯(lián)用儀器等分子（原子）分析儀器、分離分析儀器、聯(lián)用儀器等 專用型：專用型：指不同應用學科領域測定某些特定對象或

9、項目的分析儀器，指不同應用學科領域測定某些特定對象或項目的分析儀器，如大氣監(jiān)測儀、水質(zhì)分析儀、酶聯(lián)免疫分析儀、工業(yè)生產(chǎn)流程自動控如大氣監(jiān)測儀、水質(zhì)分析儀、酶聯(lián)免疫分析儀、工業(yè)生產(chǎn)流程自動控制的過程分析儀器等制的過程分析儀器等10-3 儀器分析法的特點儀器分析法的特點試樣用量少（試樣用量少（ml、mg l、 g ）；方法靈敏度高，檢出限低）；方法靈敏度高，檢出限低（10-6 g 10-12 g ），），適于微量、痕量、超痕量成分的測定適于微量、痕量、超痕量成分的測定選擇性較化學分析好選擇性較化學分析好操作簡便，分析速度快，易于實現(xiàn)自動化操作簡便，分析速度快，易于實現(xiàn)自動化可實現(xiàn)復雜混合物成分分離

10、、鑒定或結構測定可實現(xiàn)復雜混合物成分分離、鑒定或結構測定可實現(xiàn)物質(zhì)非破壞性分析及表面、微區(qū)、形態(tài)等分析（但通常情況下，可實現(xiàn)物質(zhì)非破壞性分析及表面、微區(qū)、形態(tài)等分析（但通常情況下，樣品前處理亦是儀器分析法中最關鍵的步驟）樣品前處理亦是儀器分析法中最關鍵的步驟）相對誤差較大相對誤差較大（測定高含量組分準確度較化學法低，但在不斷提高）（測定高含量組分準確度較化學法低，但在不斷提高）需要比較昂貴的專用儀器需要比較昂貴的專用儀器10-4 儀器分析的發(fā)展趨勢儀器分析的發(fā)展趨勢小型化集成化小型化集成化（芯片）、（芯片）、多功能化多功能化（聯(lián)用技術）和（聯(lián)用技術）和高穩(wěn)定、高高穩(wěn)定、高靈敏度靈敏度檢測是儀器

11、分析發(fā)展的最高境界。檢測是儀器分析發(fā)展的最高境界。目前分析化學界尚未解決的主要問題目前分析化學界尚未解決的主要問題 單分子（單細胞）測量技術單分子（單細胞）測量技術 微型化技術微型化技術 復雜體系分析復雜體系分析生物芯片生物芯片便攜式光度計便攜式光度計小型化質(zhì)譜儀小型化質(zhì)譜儀10-5 儀器分析中的定量方法儀器分析中的定量方法儀器分析中信號與組分含量的關系儀器分析中信號與組分含量的關系cks a （很多情況下等于（很多情況下等于0）非常數(shù)，非常數(shù)，隨隨測定條件測定條件或或儀器不同儀器不同而不同！而不同！需用標準物質(zhì)進行確定！需用標準物質(zhì)進行確定！10-5-1 比較法（單標對照法）比較法（單標對照

12、法）試樣試樣標樣標樣試樣試樣試樣試樣cks 標樣標樣標樣標樣cks 標樣標樣標樣標樣試樣試樣試樣試樣c/ssc 使用前提：使用前提：標樣與試樣濃度接近標樣與試樣濃度接近試樣中干擾成分少（基體簡單試樣中干擾成分少（基體簡單）10-5-2 標準曲線法標準曲線法 采用采用相同的處理方式相同的處理方式配制一系列已知濃度（配制一系列已知濃度（c1c2cn）標準溶液和）標準溶液和待測試樣（待測試樣（cx），并保證），并保證c1cxcn； 在相同的條件下分別測定相應的信號在相同的條件下分別測定相應的信號s1、s2sn和和sx； 建立濃度（建立濃度（c1、c2cn）和信號）和信號s1、s2sn的線性關系；的線

13、性關系； 由由sx和所得線性關系求出和所得線性關系求出cx； 由由cx求出原始試樣的含量。求出原始試樣的含量。最常用，但試樣基體復雜時誤差較大最常用，但試樣基體復雜時誤差較大40cx0.0520s0.00.20.40.60.81.01.230cxs坐標紙（直接繪出曲線坐標紙（直接繪出曲線最小二乘法（可獲得曲線方程）最小二乘法（可獲得曲線方程）做圖軟件做圖軟件（origin、exel等兼?zhèn)渖鲜鰞烧撸┑燃鎮(zhèn)渖鲜鰞烧撸├豪悍止夤舛确y定水中微量鐵的步驟與數(shù)據(jù)如下，計算試樣中微量的分光光度法測定水中微量鐵的步驟與數(shù)據(jù)如下，計算試樣中微量的含量。含量。系列標準溶液系列標準溶液空白溶液空白溶液待測液待

14、測液容量瓶（容量瓶（50 ml）編號）編號0 123456100 mg l-1 fe2+溶液溶液/ml00.30.60.91.21.55.010鹽酸羥胺水溶液鹽酸羥胺水溶液 /ml1111111混勻后放置混勻后放置3-5 min0.2鄰菲啰啉溶液鄰菲啰啉溶液/ml1.51.51.51.51.51.51.5ph4.6的的hac-nacl緩沖液緩沖液5555555定容至定容至50ml，放置，放置10 min后于后于510 nm處測定處測定a儀器響應儀器響應a（吸光度）（吸光度）0.1120.2270.3280.4680.5730.428解：解：cfe/mgl-10.61.21.82.43.0a0.

15、1120.2270.3280.4680.573當然也可以用所加標準溶液的當然也可以用所加標準溶液的體積體積或者所含標準物質(zhì)的或者所含標準物質(zhì)的質(zhì)量質(zhì)量對信號作圖對信號作圖繪制標準曲線繪制標準曲線0.00.51.01.52.02.53.00.00.10.20.30.40.50.6acfe/( g/ml)擬合方程：擬合方程：a=0.191cfe相關系數(shù)：相關系數(shù)：r=0.999計算結果計算結果1lmg 4 .2200. 500.50191. 0428. 0c 待待測測標準加入法標準加入法 將一系列已知量的待測物將一系列已知量的待測物（標準物質(zhì)）（標準物質(zhì)）分別加入到幾等份試樣分別加入到幾等份試樣（

16、待測（待測樣品）樣品）中，配制成濃度為（中，配制成濃度為（cx+0）、（）、（cx+ c1）、（）、（cx+ c2）、（）、（cx+ c3），且具有相同基體組成的標準系列；，且具有相同基體組成的標準系列； 在相同條件測得相應信號在相同條件測得相應信號s0、s1、s2 以濃度以濃度0、c1、c2 與信號與信號s0、s1、s2作圖，將直線外推至與濃作圖，將直線外推至與濃度軸相交，即可求得試樣中待測物質(zhì)的濃度度軸相交，即可求得試樣中待測物質(zhì)的濃度cx試樣基體比較復雜時采用試樣基體比較復雜時采用該法可消除試樣基體對測定的影響，但操作該法可消除試樣基體對測定的影響，但操作比較繁瑣，僅在樣品數(shù)量較少時采用

17、。有時比較繁瑣，僅在樣品數(shù)量較少時采用。有時也可僅加標一次，直接利用公式計算結果。也可僅加標一次，直接利用公式計算結果。1c2c3c自學內(nèi)容自學內(nèi)容能熟練使用能熟練使用origin或或exel繪制校正曲線繪制校正曲線origin7.5版及簡單使用說明已經(jīng)發(fā)到公共信箱版及簡單使用說明已經(jīng)發(fā)到公共信箱1-6 分析儀器的性能表征分析儀器的性能表征分析儀器的性能指標分析儀器的性能指標性能性能表征表征分析對象分析對象精密度精密度標準偏差、相對標準偏差標準偏差、相對標準偏差準確度準確度絕對誤差、相對誤差絕對誤差、相對誤差靈敏度靈敏度校正靈敏度、分析靈敏度校正靈敏度、分析靈敏度檢出限檢出限空白空白+3倍空白

18、標準偏差倍空白標準偏差線性（動態(tài)）范圍線性（動態(tài)）范圍可以分析的濃度范圍可以分析的濃度范圍選擇性選擇性選擇性系數(shù)等選擇性系數(shù)等其它原則：其它原則：分析速度；分析難度和方便性；對操作者的技能要求；儀分析速度；分析難度和方便性；對操作者的技能要求；儀器維護及實用性；分析測試費用等器維護及實用性；分析測試費用等10-6-1 靈敏度（靈敏度（1）指待測組分濃度（或量）改變時所引起儀器信號的改變，指待測組分濃度（或量）改變時所引起儀器信號的改變，反映了儀器或方法識別微小濃度或含量變化的能力，該值反映了儀器或方法識別微小濃度或含量變化的能力，該值越大，儀器或方法的靈敏度越高。越大，儀器或方法的靈敏度越高。

19、international union of pure & applied chemists，即即iupac推薦使用推薦使用“校正靈敏度校正靈敏度”或者或者“校正曲線斜率校正曲線斜率”作作為衡量靈敏度高低的標準。為衡量靈敏度高低的標準。10-6-1 靈敏度（靈敏度（2） 儀器校正靈敏度與所選標準物和測定條件有關儀器校正靈敏度與所選標準物和測定條件有關 有些儀器方法有習慣使用的表示方式有些儀器方法有習慣使用的表示方式010203040506000.10.20.30.40.50.6scs2=k2c+sblank-2s1=k1c+sblank-1k1，k2分別為兩條校正曲分別為兩條校正曲線的

20、斜率，即靈敏度。線的斜率，即靈敏度。未考慮測定重現(xiàn)性影響！未考慮測定重現(xiàn)性影響！10-6-2 檢出限（檢出限（dl）（1）儀器信號的組成儀器信號的組成本底本底空白空白試樣試樣ssss 本底本底試樣試樣sss 本底信號：本底信號：沒有試樣時，儀器所產(chǎn)生的信號沒有試樣時，儀器所產(chǎn)生的信號 不可以消除，不可以消除，但是可以通過儀器的改善或適當?shù)臄?shù)據(jù)處理而減小，影但是可以通過儀器的改善或適當?shù)臄?shù)據(jù)處理而減小，影響檢出限的主要因素之一響檢出限的主要因素之一空白信號：空白信號：試樣中無待測組分時，儀器所產(chǎn)生的信號試樣中無待測組分時，儀器所產(chǎn)生的信號（干擾組分的）（干擾組分的） 理論上理論上可以通過選擇適當

21、前處理方式或參比試劑予以消除可以通過選擇適當前處理方式或參比試劑予以消除10-6-2 檢出限（檢出限（2）測定次數(shù)，測定次數(shù)，ns：表示本底信號的大小表示本底信號的大小儀器信號儀器信號s ，表明有一定概率含有待測組分，其產(chǎn)生的信號為：，表明有一定概率含有待測組分，其產(chǎn)生的信號為：bs bs令令 ，則可用，則可用 表示待測組分的信號大小。表示待測組分的信號大小。k值越大值越大 ，表示含有待測組分的概率就越高表示含有待測組分的概率就越高 （通常概率?。ㄍǔ８怕嗜?5%，k=3）。此時儀器）。此時儀器響應信號響應信號 ；分析物的含量為；分析物的含量為 bs：本底信號的標準差：本底信號的標準差表示其波

22、動性表示其波動性bss bsk bbs/ssk bbs3ss ks3kssbb 靈敏度靈敏度10-6-2 檢出限（檢出限（3）檢出限：檢出限：指指在已知置信水平（通常為在已知置信水平（通常為95%）下，可以）下，可以檢測到的待測物的最小濃度（質(zhì)量）。檢測到的待測物的最小濃度（質(zhì)量）。ks3ksk)m(cbbdldl sb：為本底信號的標準偏差，可用空白或為本底信號的標準偏差，可用空白或近空白（待測組分含量很低）試樣信號近空白（待測組分含量很低）試樣信號的標準偏差代替；的標準偏差代替；k：為校正曲線斜率為校正曲線斜率檢出限僅表示儀器或方法可能檢到的最低濃度（或質(zhì)量），實際定量檢出限僅表示儀器或方

23、法可能檢到的最低濃度（或質(zhì)量），實際定量分析中為了獲得較為可靠的結果，定量下限設定為分析中為了獲得較為可靠的結果，定量下限設定為k/s10loqb 檢出限的測定檢出限的測定 測定測定空白樣品或近空白樣品空白樣品或近空白樣品信號信號20-30次，求其平均值次，求其平均值 及其標及其標準偏差準偏差 sb，則可分辨的最小信號則可分辨的最小信號 通過校正曲線的斜率通過校正曲線的斜率k，將最小待測物信號將最小待測物信號sdl轉化為濃度值轉化為濃度值cdl或質(zhì)量值（或質(zhì)量值（mdl），即），即bsbbdls3ss ks3kss)m(cbbdldldl 測量信號的標準偏差測量信號的標準偏差s與所用試樣濃度有

24、關，檢出限測定時應用與所用試樣濃度有關，檢出限測定時應用空白或盡可能稀的溶液?？瞻谆虮M可能稀的溶液。例：例：已知某元素在某儀器上的響應為已知某元素在某儀器上的響應為s=k c，采用，采用0.0500 mg l-1（近空白）（近空白）該元素的標準液，在該儀器上連續(xù)測定該元素的標準液，在該儀器上連續(xù)測定10次，所得信號如下表，試計算次，所得信號如下表，試計算該儀器對該元素的的檢測限。該儀器對該元素的的檢測限。測定次數(shù)測定次數(shù)12345s0.1650.1700.1660.1650.168測定次數(shù)測定次數(shù)678910s0.1670.1680.1660.1700.167解：解：167. 0s 0018.

25、 0sb1mgl 34. 30500. 0/167. 0c/sk13bdllmg 106 . 134. 3/0018. 03k/s3c10-6-3 線性范圍（線性范圍（linear range ）線性范圍線性范圍cdl濃度，濃度，c響響應應信信號號sblanks10loq lol100loq/lol線性范圍越大越好，通常應在線性范圍越大越好，通常應在2個數(shù)量級以上個數(shù)量級以上uv-vis總結（總結（1） uv-vis特指特指分子分子對對200800 nm區(qū)間內(nèi)電磁輻射區(qū)間內(nèi)電磁輻射吸收吸收而產(chǎn)生的光譜法，而產(chǎn)生的光譜法，所涉及的是所涉及的是分子外層電子分子外層電子的能級躍遷（但也伴隨著振動和轉

26、動能級的的能級躍遷（但也伴隨著振動和轉動能級的躍遷，因此吸收曲線的輪廓較寬，故稱之為躍遷，因此吸收曲線的輪廓較寬，故稱之為帶狀光譜帶狀光譜，這是相對原子，這是相對原子的的線狀光譜線狀光譜而言的）而言的） 光譜的表征：光譜的表征：a- 曲線曲線 定量：定量： 定性：定性： max（吸收強度（吸收強度 ）、吸收峰個數(shù)、相對強度、譜圖形狀等）、吸收峰個數(shù)、相對強度、譜圖形狀等t1lgiilgat0 clkca 通常選擇通常選擇 max處處僅能反映官能團信息，定性能力弱僅能反映官能團信息，定性能力弱常用來研究分子間相互作用（作用后常用來研究分子間相互作用（作用后 max、 等發(fā)生變化等發(fā)生變化）uv-

27、vis總結（總結（2） 有機化合物有機化合物uv-vis光譜類型：光譜類型：、n 、 、 n 電荷轉移（分子內(nèi)氧化還原）電荷轉移（分子內(nèi)氧化還原） 無機化合物無機化合物uv-vis類型：類型：電荷轉移、配位體場電荷轉移、配位體場 常用術語：常用術語：生色團、助色團、增色、減色、紅移、藍移、生色團、助色團、增色、減色、紅移、藍移、k帶、帶、r帶帶 影響因素：影響因素：共軛共軛（紅移、增色）、（紅移、增色）、空間效應空間效應（位阻大、藍移）、（位阻大、藍移）、ph、溶劑（溶劑化效應；極性增大：溶劑（溶劑化效應；極性增大： 紅移紅移 、 n 藍移藍移 ） 可見光的互補：溶液的顏色與吸收光顏色可見光的互補：溶液的顏色與吸收光顏色互補互補；濾光片顏色與透過光；濾光片顏色與透過光顏色顏色相同相同。uv-vis總結（總結（3）uv-vis儀器儀器 基本結構基本結構 常見類型：單光束、雙光束、雙波長；多通道儀器常見類型：單光束、