生物儀器分析原理與方法緒論

1、生物儀器分析原理與方法 生物分析儀器原理與方法教學(xué)介紹一、教學(xué)內(nèi)容二、授課方式三、學(xué)習(xí)參考資料四、考試及成績計算一、教學(xué)內(nèi)容緒論第1章 PCR及熒光定量PCR第2章 凝膠成像設(shè)備第3章 近紅外成像設(shè)備第4章 紫外交聯(lián)儀和雜交爐第5章 電轉(zhuǎn)化儀和電融合儀第6章 洗板機(jī)和酶標(biāo)儀第7章 離心機(jī)和離心技術(shù)第8章 熒光顯微鏡技術(shù)第9章 分光光度計第10章 氣相色譜第11章 液相色譜第12章 IKTA純化系統(tǒng)第13章 雙向電泳第14章 變性梯度凝膠電泳第15章 毛細(xì)管電泳第16章 超凈工作臺與生物安全柜二、授課方式課堂教學(xué)講授內(nèi)容以教材為主 ；授課采用PowerPoint課件；課堂提問、小測驗、期末考試（

2、閉卷）；儀器操作課外輔導(dǎo)個別交談電話E-mail三、學(xué)習(xí)參考資料現(xiàn)代生物科學(xué)儀器分析入門，徐金森主編，化學(xué)工業(yè)出版社，2004?，F(xiàn)代生物化學(xué)與分子生物學(xué)儀器與設(shè)備， 雷東風(fēng)編著，科學(xué)出版社，2006。生命科學(xué)儀器使用技術(shù)教程， 滕利榮，孟慶繁主編，科學(xué)出版社，2008。離心分離，金綠松，林元喜主編，化學(xué)工業(yè)出版社，2008。生物化學(xué)儀器分析與實驗技術(shù) ，周先碗，胡曉倩編，化學(xué)工業(yè)出版社，2003?，F(xiàn)代儀器分析在生物醫(yī)學(xué)研究中的應(yīng)用，錢小紅，謝劍煒主編，化學(xué)工業(yè)出版社。生物化學(xué)儀器分析基礎(chǔ)，曹成喜主編，化學(xué)工業(yè)出版社，2008。四、考試及成績計算考試：閉卷或開卷期末考試：時間在課程結(jié)束后成績計算

3、 總成績 = 期末70% + 平時30%平時成績考勤平時小測驗：提問：當(dāng)面提問、網(wǎng)上提問，科學(xué)問題緒 論一、科學(xué)儀器的重要作用二、儀器分析簡介三、定量分析方法的評價指標(biāo)四、痕量分析與微量分析五、生物學(xué)儀器簡述科學(xué)儀器是科學(xué)研究取得突破性、革命性進(jìn)展的先決條件。以交通工具的發(fā)展變化為例橫向改進(jìn)（從車體入手，運輸能力產(chǎn)生量的改進(jìn)）馬車縱向飛躍（從動力入手，運輸能力產(chǎn)生質(zhì)的飛躍）一、科學(xué)儀器的重要作用科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力，科學(xué)儀器是第一生產(chǎn)力的三要素之一，在科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新事業(yè)以及在促進(jìn)社會生產(chǎn)力的發(fā)展中起著帶頭作用、主導(dǎo)作用，是發(fā)展社會生產(chǎn)力的排頭兵。 科學(xué)儀器對科技創(chuàng)新、國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展、國防建設(shè)和小康

4、社會建設(shè)都具有重要的支撐和推動作用。科技部副部長劉燕華 從科學(xué)實驗的精密測試分析，到人體健康、食品、環(huán)境的診斷探測，從航空、航天、海洋與各種極端條件的探測，到院子、分子、納米等圍觀水平的測試，從武器裝備到反恐、國家安全領(lǐng)域等，都離不開科學(xué)儀器的應(yīng)用。中國科學(xué)院杜祥琬副院長1、科學(xué)儀器促進(jìn)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展科學(xué)上的發(fā)現(xiàn)和技術(shù)上的發(fā)明是從對事物的觀察開始的：對事物的精細(xì)觀察就要借助于科學(xué)儀器，特別是在自然科學(xué)和工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域更是如此。在對事物的觀察、測試基礎(chǔ)上經(jīng)過分析推導(dǎo)，形成認(rèn)識。到這一階段還只能是假說、學(xué)說。實踐是檢驗真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)，只有在經(jīng)過測試和考核，才能真正形成科學(xué)，所以說在科學(xué)發(fā)展的哪一階段

5、都離不開測試。國家中長期科學(xué)技術(shù)發(fā)展規(guī)劃指出，儀器儀表和測試是新技術(shù)革命的先導(dǎo)和基礎(chǔ)。 1、科學(xué)儀器促進(jìn)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展 科學(xué)是從測量開始的，沒有測量就沒有科學(xué)，至少是沒有精確的科學(xué)、真正的科學(xué)?；瘜W(xué)家、計量學(xué)家門德列耶夫 儀器是認(rèn)識世界的工具；科學(xué)是用斗量禾的學(xué)問。用斗去量禾就對事物有了深入的了解、精確的了解，就形成科學(xué)。我國“兩彈一星”元勛王大珩院士 Nothing begets good science like development of a good instrument（發(fā)展一種好的儀器對于一門好科學(xué)的貢獻(xiàn)超過了任何其他事情）。英國著名科學(xué)家H.Pavy 現(xiàn)代科學(xué)的進(jìn)步越來越依靠儀

6、器的發(fā)展。1991年諾貝爾化學(xué)獎得主R.R.Ernst1、科學(xué)儀器促進(jìn)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展 New directions in science are launched by new tools much more than by new concepts. The effect of a concept-driven revolution is to explain old things in new ways. The effect of a tool-driven revolution is to discover new things that have to be explained（由新

7、工具開創(chuàng)的科學(xué)新方向遠(yuǎn)比由新概念開創(chuàng)的科學(xué)新方向要多得多。由概念驅(qū)動的革命的影響是用新概念去闡明舊事物。而由工具驅(qū)動的革命的影響是去發(fā)現(xiàn)需要闡明的新事物 ）美國能源部杰出科學(xué)家R. F. Hirsch博士1、科學(xué)儀器促進(jìn)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展科學(xué)發(fā)展史一再證明，許多重要的科學(xué)分支的確立和發(fā)展歸功于重要的科學(xué)儀器裝置的研制成功。極譜儀的發(fā)明產(chǎn)生了極譜學(xué)，色譜儀的發(fā)明產(chǎn)生了色譜學(xué)，光譜儀的發(fā)明產(chǎn)生了光譜學(xué)，質(zhì)譜儀的發(fā)明產(chǎn)生了質(zhì)譜學(xué)，沒有哈勃望遠(yuǎn)鏡就難以進(jìn)行天體科學(xué)的研究，天體科學(xué)上的許多重大發(fā)現(xiàn)都是依靠哈勃望遠(yuǎn)鏡的觀測而得到的。掃描隧道顯微鏡的發(fā)明對納米科技的興起和發(fā)展可以說起到?jīng)Q定性作用哈勃望遠(yuǎn)鏡的發(fā)明

8、揭開了人類對星系研究的序幕 電子顯微鏡的發(fā)明徹底解決了微觀研究領(lǐng)域放大率不足的問題 科學(xué)的進(jìn)步在很大程度是被科學(xué)儀器的發(fā)明所推動的。 科學(xué)儀器是開展科學(xué)研究和實現(xiàn)發(fā)明創(chuàng)造的必要手段。1、科學(xué)儀器促進(jìn)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展據(jù)統(tǒng)計，20世紀(jì)授予的諾貝爾獎項目中，物理學(xué)科項目的68.4、化學(xué)學(xué)科項目的74.6%、生物醫(yī)學(xué)學(xué)科項目的90都直接與實驗有關(guān)或本身就是實驗項目，這些實驗都是借助各種先進(jìn)儀器完成的。 從20世紀(jì)初到現(xiàn)在，諾貝爾獎頒發(fā)給儀器發(fā)明、發(fā)展與相關(guān)的實驗項目達(dá)27項之多。 2、科學(xué)儀器是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的推動力倍增器美國商務(wù)部在1992年公布過調(diào)查結(jié)果：美國儀器儀表產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)值只占美國社會總產(chǎn)值的4，而由

9、于儀器儀表事業(yè)的發(fā)展拉動的相關(guān)經(jīng)濟(jì)部門的產(chǎn)值達(dá)到社會總產(chǎn)值的66！僅僅在美國，每天就用各種分析儀器完成2.5億次分析檢測工作，美國每年僅用于分析測試的費用就高達(dá)500億美元！ 3、科學(xué)儀器是可持續(xù)發(fā)展的保證和指路標(biāo) 20世紀(jì)后期，由于科學(xué)儀器科技和產(chǎn)業(yè)（主要是分析儀器）的發(fā)展，人類突然感覺到了環(huán)境污染對人類社會和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重大意義和嚴(yán)重影響。發(fā)覺了大氣層臭氧空洞的產(chǎn)生、發(fā)展及其危害以及厄爾尼諾現(xiàn)象、溫室效應(yīng)、熱帶雨林破壞等等生態(tài)平衡問題的產(chǎn)生、發(fā)展及其危害發(fā)現(xiàn)和監(jiān)測所有這一切危及人類社會和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展甚至人類本身生育、遺傳、疾病、生存基礎(chǔ)的大問題，都是直接依靠現(xiàn)代分析檢測科技和現(xiàn)代科學(xué)

10、儀器（分析儀器）的發(fā)展和廣泛應(yīng)用。 4、科學(xué)儀器是打破貿(mào)易壁壘的強(qiáng)有力工具我國已加入WTO，世界各國關(guān)稅壁壘這一老武器已被種種“技術(shù)壁壘”、“綠色壁壘”所取代，“農(nóng)藥殘留指標(biāo)”、“重金屬元素指標(biāo)”、“抗生素殘留”等理由使我國傳統(tǒng)大宗出口禽蛋肉產(chǎn)品、糧食及食品，甚至蔬菜、蜂蜜、茶葉屢屢被歐、美、日等國市場拒之門外，除了種種或明或暗的政治、經(jīng)濟(jì)原因，重要的原因之一是我國現(xiàn)代分析檢測技術(shù)和高靈敏度分析儀器水平落后！ 5、科學(xué)儀器是確保國家安全的利劍近年來超級霸權(quán)國家橫行世界的國際政治態(tài)勢發(fā)展，也有分析檢測（包括控制）科技和儀器發(fā)展基礎(chǔ)和水平的因素。依仗其精確檢測、控制技術(shù)和儀器鶴立雞群的高度發(fā)展水平

11、，超級霸權(quán)主義者到處揮舞其“靈巧炸彈”、“精確打擊”、“反導(dǎo)系統(tǒng)”，在“零傷亡戰(zhàn)爭”的庇護(hù)下橫行全球。 6、科學(xué)儀器是打擊犯罪的有力手段彌漫全球的販毒、吸毒惡浪、假冒偽劣產(chǎn)品、金融欺詐等等已成為當(dāng)今國際社會的毒瘤，也急需更先進(jìn)的檢毒偵查技術(shù)和儀器、快速可靠的質(zhì)檢技術(shù)和相應(yīng)的分析檢測儀器。 7、科學(xué)儀器是開展生命科學(xué)研究的支撐醫(yī)學(xué)正在經(jīng)歷一個由經(jīng)驗、技藝變?yōu)榭茖W(xué)的過程，要把醫(yī)學(xué)由經(jīng)驗、技藝變?yōu)榭茖W(xué)，要依靠儀器儀表，要依靠測試。儀器與測試技術(shù)是了解人體和生物生命機(jī)理和探測疾患的主要手段。沒有良好的測試手段，包括各種植入人體內(nèi)部的傳感器，是不可能洞察人體和生物的奧秘的。對于祖國傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)中醫(yī)學(xué)、中草藥

12、更是如此。中醫(yī)學(xué)、中草藥積累了多少代人的心血和經(jīng)驗，是人類寶貴的文化遺產(chǎn)。中醫(yī)學(xué)關(guān)于將人作為一個整體的見地，有關(guān)如經(jīng)絡(luò)、針灸、號脈等的學(xué)說與實踐都是非常珍貴的，但也存在怎樣將它們由經(jīng)驗、技藝變?yōu)榭茖W(xué)并進(jìn)一步深化、擴(kuò)大的問題，而所有這一切都靠測試，靠儀器儀表。 X射線衍射技術(shù)促進(jìn)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)X射線衍射技術(shù)促進(jìn)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)PCR技術(shù)使基因克隆簡便易行Mullis在1983年春天的一個周五晚上，他開車帶著女友前往鄉(xiāng)間的小屋度周末。在蜿蜒的鄉(xiāng)間公路上開著車，一段DNA反復(fù)復(fù)制的景像，在他的腦海里冒了出來。 東南大學(xué)附屬中大醫(yī)院的毛曦教授從事發(fā)育生物學(xué)教學(xué)、科研二十余年，在國內(nèi)外的資料上

13、從未看到過腦干細(xì)胞誘導(dǎo)分化出的神經(jīng)細(xì)胞末梢突出物的形貌，世界各類文獻(xiàn)上該細(xì)胞末梢突出物的示圖均是手工繪制的。分析測試中心電鏡室王克宇同志為毛教授觀測到了大鼠神經(jīng)細(xì)胞末梢突出物的形貌。毛教授非常欣喜，稱這是一項重大發(fā)現(xiàn)，是世界上第一張該細(xì)胞的形貌照片，對細(xì)胞、神經(jīng)學(xué)等方面的研究有重大意義，他們不久將發(fā)表具有這一重大突破的成果，在世界范圍公開該細(xì)胞形貌照片?？茖W(xué)儀器使人類基因組計劃提速人類基因組計劃與曼哈頓原子彈計劃、阿波羅登月計劃并稱科學(xué)史上三大計劃。人類基因組由大約30億堿基對組成，分布在23對染色體上，大約含6萬多個基因。 人類基因組測序方法及其效率測序方法 年代 測序方式 所需時間 所需經(jīng)

14、費 常規(guī)凝膠電泳法 1990 手工 15年 30億美元 毛細(xì)管電泳法 2001 自動 3年 3億美元 微流控芯片 2005 自動 100天 50萬美元 第二節(jié) 儀器分析簡介一 儀器分析和分析化學(xué)1、什么是儀器分析？ 儀器分析是指采用比較復(fù)雜或特殊的儀器設(shè)備，通過測量物質(zhì)的某些物理或物理化學(xué)性質(zhì)的參數(shù)及其變化來獲取物質(zhì)的化學(xué)組成、成分含量及化學(xué)結(jié)構(gòu)等信息的一類方法。這些方法一般都有獨立的方法原理及理論基礎(chǔ)。2、分析化學(xué)化學(xué)分析、儀器分析分析化學(xué)是研究物質(zhì)的組成、狀態(tài)和結(jié)構(gòu)的科學(xué)，它包括化學(xué)分析和儀器分析兩大部分?；瘜W(xué)分析是指利用化學(xué)反應(yīng)和它的計量關(guān)系來確定被測物質(zhì)的組成和含量的一類分析方法。測定

15、時需使用化學(xué)試劑、天平和一些玻璃器皿。儀器分析是以物質(zhì)的物理和物理化學(xué)性質(zhì)為基礎(chǔ) 建立起來的一種分析方法，測定時，常常需要使用比較復(fù)雜的儀器。儀器分析的產(chǎn)生為分析化學(xué)帶來革命性的變化，儀器分析是分析化學(xué)的發(fā)展方向。 3、儀器分析的特點（與化學(xué)分析比較）靈敏度高，檢出限量可降低。如樣品用量由化學(xué)分析的mL、mg級降低到儀器分析的g、L級，甚至更低。適合于微量、痕量和超痕量成分的測定。選擇性好。很多的儀器分析方法可以通過選擇或調(diào)整測定的條件，使共存的組分測定時，相互間不產(chǎn)生干擾。操作簡便，分析速度快，容易實現(xiàn)自動化。相對誤差較大?；瘜W(xué)分析一般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

16、。多數(shù)儀器分析相對誤差較大，一般為5%，不適用于常量和高含量成分分析。需要價格比較昂貴的專用儀器。表1.1 常量分析、半微量和微量分析4、儀器分析與化學(xué)分析關(guān)系儀器分析與化學(xué)分析的區(qū)別不是絕對的，儀器分析是在化學(xué)分析基礎(chǔ)上的發(fā)展。少儀器分析方法的原理，涉及到有關(guān)化學(xué)分析的基本理論；不少儀器分析方法，還必須與試樣處理、分離及掩蔽等化學(xué)分析手段相結(jié)合，才能完成分析的全過程。儀器分析有時還需要采用化學(xué)富集的方法提高靈敏度；有些儀器分析方法，如分光光度分析法，由于涉及大量的有機(jī)試劑和配合物化學(xué)等理論，所以在不少書籍中，把它列入化學(xué)分析。二 儀器分析的方法1、光學(xué)分析法凡是以電磁輻射為測量信號的分析方法

17、均為光學(xué)分析法?？煞譃楣庾V法和非光譜法。光譜法則是以光的吸收，發(fā)射和拉曼散射等作用而建立的光譜方法。這類方法比較多，是主要的光分析方法。非光譜法是指那些不以光的波長為特征的信號，僅通過測量電磁幅射的某些基本性質(zhì)（反射，折射，干涉，衍射，偏振等）。 2、電分析化學(xué)方法電化學(xué)分析法是根據(jù)物質(zhì)在溶液中的電化學(xué)性質(zhì)建立的一類分析方法。以電訊號作為計量關(guān)系的一類方法，主要有五大類:電導(dǎo)法電位法電解法庫侖法伏安法極譜法3、色譜法色譜法是以物質(zhì)在兩相(流動相和固定相)中分配比的差異而進(jìn)行分離和分析的方法。主要有：氣相色譜法液相色譜法4、其它儀器分析方法質(zhì)譜：根據(jù)物質(zhì)帶電粒子的質(zhì)荷比在電磁場作用下進(jìn)行定性、定

18、量和結(jié)構(gòu)分析的方法。熱分析：依據(jù)物質(zhì)的質(zhì)量、體積、熱導(dǎo)、反應(yīng)熱等性質(zhì)與溫度之間的動態(tài)關(guān)系來進(jìn)行分析的方法是熱差分析法。放射分析：依據(jù)物質(zhì)的放射性輻射來進(jìn)行分析的方法同位素稀釋法，中子活化分析法。三、儀器分析的發(fā)展概況儀器分析的三次巨大變革第一次變革：20世紀(jì)初，分析天平的發(fā)明,借助于物理化學(xué)溶液溶液理論的發(fā)展（四大平衡的建立）。第二次變革： 20世紀(jì)40年代以后，物理電子的發(fā)展，各種儀器分析方法相繼建立。第三次變革：現(xiàn)在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)的發(fā)展，計算機(jī)的使用，尤其微型計算機(jī)的發(fā)展，給儀器分析帶來全新的革命。20世紀(jì)4050年代興起的材料科學(xué)，6070年代發(fā)展起來的環(huán)境科學(xué)都促進(jìn)了分析化學(xué)學(xué)科的

19、發(fā)展。80年代以來，生命科學(xué)的發(fā)展也促進(jìn)分析化學(xué)一次巨大的發(fā)展。儀器分析是分析化學(xué)的重要組成部分，也隨之不斷發(fā)展，不斷地更新自己，為科學(xué)技術(shù)提供更準(zhǔn)確、更靈敏、專一、快速、簡便的分析方法。如生命科學(xué)研究的進(jìn)展，需要對多肽、蛋白質(zhì)、核酸等生物大分子進(jìn)行分析，對生物藥物分析，對超微量生物活性物質(zhì)，如單個細(xì)胞內(nèi)神經(jīng)傳遞物質(zhì)的分析以及對生物活體進(jìn)行分析。1. 儀器分析的發(fā)展信息時代的到來，給儀器分析帶來了新的發(fā)展。計算機(jī)與分析儀器的結(jié)合，出現(xiàn)了分析儀器的智能化，加快了數(shù)據(jù)處理的速度。它使許多以往難以完成的任務(wù)，如實驗室的自動化，圖譜的快速檢索，復(fù)雜的數(shù)學(xué)統(tǒng)計可輕而易舉得于完成。信息的采集和變換主要依賴

20、于各類的傳感器。這又帶動儀器分析中傳感器的發(fā)展，出現(xiàn)了光導(dǎo)纖維的化學(xué)傳感器和各種生物傳感器。聯(lián)用分析技術(shù)已成為當(dāng)前儀器分析的重要發(fā)展方向。將幾種方法結(jié)合起來，特別是分離方法（如色譜法）和檢測方法（紅外光譜法、質(zhì)譜法、核磁共振波譜法、原子吸收光譜法等）的結(jié)合，匯集了各自的優(yōu)點，彌補(bǔ)了各自的不足，可以更好地完成試樣的分析任務(wù)。聯(lián)用分析技術(shù)：氣相色譜質(zhì)譜法（GCMS）氣相色譜質(zhì)譜法質(zhì)譜法（GCMSMS）氣相色譜原子發(fā)射光譜法（GCAED）液相色譜質(zhì)譜法（HPLCMS）2. 前景展望(1)生命科學(xué)研究對分析化學(xué)提出高的要求活體分析，單細(xì)胞分析，基因分析，及藥物的檢測等(2)環(huán)境監(jiān)測及控制自動化 智能化

21、 微型化四 怎樣學(xué)習(xí)儀器分析1.理論與實際相結(jié)合2.掌握儀器的使用、原理、特殊性一、標(biāo)準(zhǔn)曲線標(biāo)準(zhǔn)曲線是被測物質(zhì)的濃度或含量與儀器響應(yīng)信號的關(guān)系曲線。線性范圍 標(biāo)準(zhǔn)曲線的直線部分所對應(yīng)的被測物質(zhì)濃度（或含量）的范圍。特點：選擇分析方法應(yīng)有較寬的線性范圍。第二節(jié) 定量分析方法的評價指標(biāo) 標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線是依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)系列(或含量)和其相應(yīng)的響應(yīng)信號測量值來繪制的。 一元線性回歸法 y = a + bxb 為回歸系數(shù)即斜率 a 為截距相關(guān)系數(shù)r 在分析化學(xué)上，相關(guān)系數(shù)是用來表征被測物質(zhì)的濃度（或含量）x與其響應(yīng)信號值y之間線性關(guān)系好壞程度的一個統(tǒng)計參數(shù)。當(dāng)|r|=1時，y與x之間存在著嚴(yán)格的線形關(guān)

22、系。|r|越接近1,則y與x 之間的線形關(guān)系就越好。二、靈敏度 物質(zhì)單位濃度或單位質(zhì)量的變化引起響應(yīng)信號值變化的程度，稱為方法的靈敏度，用 S 表示。 靈敏度也就是標(biāo)準(zhǔn)曲線的斜率，斜率越大，方法的靈敏度就越高。三、精密度精密度是指使用同一方法，對同一試樣進(jìn)行多次測定所得測定結(jié)果的一致程度。精密度常用測定結(jié)果得標(biāo)準(zhǔn)偏差 s 或相對標(biāo)準(zhǔn)偏差（sr）量度。四、準(zhǔn)確度 試樣含量的測定值與試樣含量的真實值(或標(biāo)準(zhǔn)值)相符合的程度稱為準(zhǔn)確度。準(zhǔn)確度常用相對誤差量度。 Er= x100%五、檢出限某一方法在給定的置信水平上可以檢出被測物質(zhì)的最小質(zhì)量，稱為這種方法對該物質(zhì)的檢出限，以濃度表示的稱為相對檢出限，以質(zhì)量表示的稱為絕對檢出限。對于光學(xué)分析法，可以與空白信號區(qū)別的最小信號XL由下式確定：式中： 為 白信號的平均值；