仪 器 分 析Instrumental Analysis生命学院：秦 培 勇 办 公 室：科技大厦西配楼520 Email:qinpeiyongtsinghua.org.c n Tel:644489621教材与参考书&董慧茹等，仪器分析北京：化学工业出版社，2000&周先碗, 生物化学仪器分析与实验技术北京：化学工业出版社，2003&Currell, Graha. Analytical instrumentation: performance characteristics and quality. Graham Currell. &nbs, 20022学习要求1.课程学习要求方法的物理原理、仪器构成、分析原理及应用 通过“仪器分析实验”掌握和发展分析方法2.作业要求课堂测验、课堂练习3.考试与成绩评定期末考试X70% + 课堂测验X20% + 课堂练习X10%3绪论分析化学的发展和仪器分析的产生 仪器分析的分类 分析仪器的特点 前景展望4分析化学的地位无机化学 生物化学分析化学物理化学 有机化学化学的其它领域5一.分析化学的发展和仪器分析的产生什么是仪器分析？一般的说，仪器分析是指采用比较 复杂或特殊的仪器设备，通过测量物质 的某些物理或物理化学性质的参数及其 变化来获取物质的化学组成、成分含量 及化学结构等信息的一类方法这些方法一般都有独立的方法原理 及理论基础6定 义仪器分析是以物质的物理和物理 化学性质为基础建立起来的一种 分析方法，测定时，常常需要使 用比较复杂的仪器它是分析化 学的发展方向7分析化学（分析学）是一门自然科学它 致力于建立和应用各种方法、仪器和战略 以获得有关物质在一定时间或空间内的组 成、结构和能态的信息这是一个高度概括的定义它包括了任 务、手段、目标和适用面；但不涉及分析 化学的具体内涵 8物质的很多物理和物理化学性质与 它们的化学组成、含量和结构之间 也有着内在的联系，测定这些物理 和物理化学性质，也可获得所需要 的定性和定量分析信息这类方法 称之谓物理和物理化学分析法 91.与化学分析的关系相互和配合补充，化学分析以常 量分析为主，仪器分析以微量分析为 主 2.不是一门独立的学科需要其它学科的发展和支持 3.化学及生物研究的重要工具许多学科的发展离不开仪器分析10仪器分析的产生是科学技术发展的需要、必然，也 是科学技术发展的结晶不少学科的发展对分析化学提出了 更高的要求，如微量或痕量分析， 无损分析，形态分析等11常见分析法化学分析定性分析 : 特征反应(已很少用 ） 定量分析: 重量法 容量法 电化学法 物理方法1 常见的分析方法仪器分析法： 电化学法 物理方法 12重量法样品称重沉淀反应过滤，洗涤，干燥，称重13例1 合金中银含量测定银样称量溶解 沉淀 AgNO3+HCIAgCI+HNO3AgCI过滤，洗涤，干燥，称重 计算含量14容量法样品溶解，定容用标准样品滴定到等当点计算样品浓度15例2 铁含量测定样品溶解Fe滴定：6Fe2+Cr2O72-+14H+=6Fe3+2Cr3+7H2O指示剂： 二苯胺磺酸钠 无色 红紫色 计算浓度16电化学法电重量和库仑分析电位分析伏安法与极谱法17电重量和库仑分析 （电解分析）电重量法：电解称重库仑分析：测耗电量计算被测物质含量W=QMnF （电量-含量）W：待测物质重量Q：耗电量 M：原子量n: 参与电极反应的电子数F：法拉第常数18电位分析金属电极 电极电位E=E0-RT/nFa还/a氧19玻璃电极E=K+0.059 logaH+=K-0.059*PHPH=(K-E)/0.05920钠电极E=K+0.059aNa+=K-0.059PNa21离子选择电极F ， K， Ag ， Cu ， Pb等离子生物电极电位含量22伏安分析法测定溶液的伏安特性曲线特殊的电解过程（电位-电流）23物理分析法光谱分析法 发射光谱 吸收光谱色谱分析法：气相，液相质谱分析法磁共振法24重量法 容量法电化学法 物理分析法化学分析仪器分析仪器分析法25二.仪器分析的分类仪器分析法分类仪器分析法分类（一）根据仪器原理分类1.光谱分析仪器2.电分析仪器3.色谱分析仪器4.其他分析仪器26A. 光谱分析仪器 1. X射线荧光分析2. 原子发射光谱分析 辐射的发射 3. 电子探针分析 4. 电子能谱分析 5. 荧光分析和磷光分析 6. 化学发光和生物发光分 析（二）详细分类27（二）详细分类A.光谱分析仪器7. 紫外可见吸收光谱法 UV- VIS8. 红外光谱法 IR 辐射的 9. 原子吸收光谱法 AAS 吸收 10. 核磁共振波谱分析 NMR11. 顺磁共振波谱分析 ESR12. 光声光谱法 PAS28（二）详细分类A.光谱分析仪器辐射的散射 13. 拉曼光谱法辐射的旋转 14. 旋光色散法 15. 园二色性法辐射的衍射 16. X射线和电子衍射分析29（二）详细分类B. 电分析仪器17. 电位分析法 18. 库仑分析法和电重量法19. 极谱法和伏安法20. 电导法30（二）详细分类C. 色谱分析法21. 气相色谱法 GC22. 高效液相色谱法 HPLC23. 超临界流体色谱 SFC24. 毛细管电泳 CE31D. 其他分析方法25. 质谱法 MS26. 热重量分析法 TG27. 差热分析法 DTA28. 示差扫描量热法 DSC29. 放射化学分析30. 动力学方法（二）详细分类32三. 仪器分析法特点与局限性1 分析速度快，适用于批量试样分析 2 灵敏度高，适用于微量成份分析 3 容易实现在线分析和遥控监测 4 用途广泛，适应各种分析要求 5 样品用量少 特点：33三. 仪器分析法特点与局限性1 仪器贵，消耗大，维护困难。 2 是一种相对分析，一般需要标样 3 相对误差大，一般不适于常量和高 含量分析 局限性34总体分析为主(bulk analysis) 定性分析(qualitative analysis) 定量分析(quantitative analysis) Classical Analytical Chemistry Current/Future Analytical Chemistry 3) 状态解析1) 按构成要素分离2) 确定组成和存在状态SpeciationCharacterization RecognitionChemical Diagnosis Material Diagnosis 四.发展趋势 化学分析到仪器分析35“量”浓度；所需要的量；检测限；定量范围主要成分(major constituents): 100-1% 少量成分(minor): 1-0.01% 微量成分(trace): 10-2-10-4 % 痕量成分(ultra trace): 10-4% (1ppm)以下四.发展趋势 常量分析到微量分析361）空气中CO2的含量： 四.发展趋势常量分析到微量分析1960年 315 ppm 1970年 340 ppm 2030年 450 ppm 2）大规模集成电路(LSI)中U、Th的含量：ppb-ppt3）海水中U的含量：3ppb4）二恶英（dioxin）的允许暴露量：1-20ppt37超微粒、分子簇(cluster)、中介相(mesophase)、层间物质的测定等扫描隧道显微镜(STM): 原子层次俄歇电子能谱(AES): 约50 nm (0.05m)显微拉曼光谱: 约1m显微红外光谱: 约10m四.发展趋势 总体分析到表面、局部和深度分析38四.发展趋势静态到动态分析 时间分辨测定(ps, fs) 动态过程解析新的分析法(获得“质”的信息) 原子间力显微镜，邻近场(near field)显微镜， 生物模拟检测(响应、判断等的多样性及特异性) 无损分析(生物体内检测，利用生物反应的检测法 )39提高解析力、判断力、速度，模拟(simulation) CAC(Computer Aided Chemistry) AI(Artificial Intelligence 人工智能) 积分变换(富里叶，拉扑拉斯等) 分子动力学(Molecular Dynamics)四.发展趋势 新的解析法40四.发展趋势 状态解析到物质体系的诊断物质：含有信息情报集合了能量具有功能的物种 分析：给物质体系以刺激，利用响应进行解析、判断和预测41