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1、第第10章章 仪器分析法概述仪器分析法概述 Overview of Instrument Analysis第第10章章 仪器分析法概述仪器分析法概述仪器分析法：仪器分析法：采用较为特殊或复杂的采用较为特殊或复杂的仪器设备仪器设备，通过测量物质的某些通过测量物质的某些物理物理或或物理化学物理化学性质性质参数或参数或变化变化来确定其化学组成、成分含量或结构的分析来确定其化学组成、成分含量或结构的分析方法。化学反应不是必须条件。方法。化学反应不是必须条件。化学法：化学法：使用天平和玻璃器皿，基于化学反应平使用天平和玻璃器皿，基于化学反应平衡基础上的分析方法衡基础上的分析方法。10-1 仪器分析法分类
2、仪器分析法分类凡能表征物质的所有物理或物理化学性质均可作为分析该凡能表征物质的所有物理或物理化学性质均可作为分析该物质的依据，根据物质产生的可测信号不同，可把仪器分物质的依据，根据物质产生的可测信号不同，可把仪器分析法分为以下几类：析法分为以下几类：光学分析法光学分析法电分析化学法电分析化学法色谱分析法色谱分析法（分离分析法）（分离分析法）其他仪器分析法（质谱法、热分析法、放射化学分析法、其他仪器分析法（质谱法、热分析法、放射化学分析法、动力学方法等）动力学方法等）10-1-1 光学分析法（光学分析法（1）光（电磁辐射）：光（电磁辐射）：是是一种以极大的速度通过空间，不要任一种以极大的速度通过
3、空间，不要任何物质作为传播媒介的能量，具有波粒二象性。何物质作为传播媒介的能量，具有波粒二象性。表表1 电磁波的波长范围电磁波的波长范围波谱区波谱区 射线射线 射线射线紫外线紫外线可见光可见光红外线红外线无线电波无线电波波长波长nm0.0050.005-1010-400400-800800-106106-1014表表2 光学光谱区光学光谱区波谱区波谱区远紫外远紫外近紫外近紫外可见区可见区近红外近红外中红外中红外远红外波远红外波波长波长10-200nm200-400nm400-800nm800nm-2.5 m2.5-50 m50-1000 m10-1-1 光学分析法（光学分析法（2）光学分析法：
4、光学分析法：根据物质发射光或光与物质相互作用而建立根据物质发射光或光与物质相互作用而建立起来的一类分析化学方法。可分为非光谱法和光谱法。起来的一类分析化学方法。可分为非光谱法和光谱法。非光谱法：如非光谱法：如折射法，浊度法，旋光法等。其特点是折射法，浊度法，旋光法等。其特点是物质与电物质与电磁辐射的作用不涉及物质内部能级的跃迁，但辐射的某些性质：磁辐射的作用不涉及物质内部能级的跃迁，但辐射的某些性质：折射、散射、偏振等性质发生变化。折射、散射、偏振等性质发生变化。光谱法：光谱法：基于物质与电磁辐射作用时，由于物质内部量子化的基于物质与电磁辐射作用时，由于物质内部量子化的能级之间发生跃迁产生的发
5、射、吸收和散射现象而进行分析的能级之间发生跃迁产生的发射、吸收和散射现象而进行分析的方法，如发射光谱法、吸收光谱法、拉曼散射光谱法等。方法，如发射光谱法、吸收光谱法、拉曼散射光谱法等。10-1-1 光学分析法（光学分析法（3）特性特性仪器方法仪器方法说明说明光发射光发射发射光谱法、荧光发射光谱法、荧光/磷光、化学发光磷光、化学发光光由待测物产生光由待测物产生光吸收光吸收分光光度分光光度、声光光谱、核磁、声光光谱、核磁/电子自旋共振电子自旋共振光与待测物作用光与待测物作用后发生变化后发生变化光散射光散射浊度法、拉曼光谱浊度法、拉曼光谱光折射光折射折光分析、干涉法折光分析、干涉法光衍射光衍射X-射
6、线和电子衍射光谱射线和电子衍射光谱光偏转光偏转旋光分析、旋光性色散分析、园二色性光谱旋光分析、旋光性色散分析、园二色性光谱10-1-2 电化学分析法电化学分析法10-1-3 色谱分析法色谱分析法分离方法分离方法检测手段检测手段色谱法：色谱法：利用利用外力外力使含有样品（多个使含有样品（多个组分）的组分）的流动相流动相通过与流动相互不相通过与流动相互不相溶的溶的固定相固定相表面。样品中各组份与两表面。样品中各组份与两相发生相发生不同程度的作用不同程度的作用而使其流动速而使其流动速率产生差异，通过固定长度的固定相率产生差异，通过固定长度的固定相所用的时间不同，从而实现分离。所用的时间不同，从而实现
7、分离。流动相流动相作用模式作用模式光、电、光、电、质谱等质谱等气相色谱气相色谱吸附吸附分配分配液相色谱液相色谱吸附吸附分配分配静电静电筛分筛分亲和亲和电泳：电泳：同一电场强度下不同组分荷质比不同产生的差速迁移同一电场强度下不同组分荷质比不同产生的差速迁移超临界超临界电色谱电色谱10-2 分析仪器的组成（分析仪器的组成（1）分析仪器的基本结构单元分析仪器的基本结构单元信号信号发生器发生器检测器检测器信号信号处理器处理器分析分析信号信号输入输入信号信号表头表头记录仪记录仪数字显示仪数字显示仪或计算机处理或计算机处理输出输出信号信号读读出出装装置置工作站（数据处理及仪器控制）工作站（数据处理及仪器控
8、制）将信号发生器得到的信号转化为将信号发生器得到的信号转化为电信号电信号10-2 分析仪器的组成（分析仪器的组成（2）分析仪器的类型分析仪器的类型通用型（通用型（）仪器设计的物理（化学）基础：仪器设计的物理（化学）基础：光谱仪、色谱仪、电化学分析仪等光谱仪、色谱仪、电化学分析仪等分析对象：分析对象：分子（原子）分析仪器、分离分析仪器、联用仪器等分子（原子）分析仪器、分离分析仪器、联用仪器等专用型：专用型：指不同应用学科领域测定某些特定对象或项目的分析仪器，指不同应用学科领域测定某些特定对象或项目的分析仪器，如大气监测仪、水质分析仪、酶联免疫分析仪、工业生产流程自动控如大气监测仪、水质分析仪、酶
9、联免疫分析仪、工业生产流程自动控制的过程分析仪器等制的过程分析仪器等10-3 仪器分析法的特点仪器分析法的特点试样用量少（试样用量少（mL、mg L、g）；方法灵敏度高，检出限低）；方法灵敏度高，检出限低（10-6 g 10-12 g ），），适于微量、痕量、超痕量成分的测定适于微量、痕量、超痕量成分的测定选择性较化学分析好选择性较化学分析好操作简便，分析速度快，易于实现自动化操作简便，分析速度快，易于实现自动化可实现复杂混合物成分分离、鉴定或结构测定可实现复杂混合物成分分离、鉴定或结构测定可实现物质非破坏性分析及表面、微区、形态等分析（但通常情况下，可实现物质非破坏性分析及表面、微区、形态等
10、分析（但通常情况下，样品前处理亦是仪器分析法中最关键的步骤）样品前处理亦是仪器分析法中最关键的步骤）相对误差较大相对误差较大（测定高含量组分准确度较化学法低，但在不断提高）（测定高含量组分准确度较化学法低，但在不断提高）需要比较昂贵的专用仪器需要比较昂贵的专用仪器10-4 仪器分析的发展趋势仪器分析的发展趋势小型化集成化小型化集成化（芯片）、（芯片）、多功能化多功能化（联用技术）和（联用技术）和高稳定、高高稳定、高灵敏度灵敏度检测是仪器分析发展的最高境界。检测是仪器分析发展的最高境界。目前分析化学界尚未解决的主要问题目前分析化学界尚未解决的主要问题单分子（单细胞）测量技术单分子（单细胞）测量技
11、术微型化技术微型化技术复杂体系分析复杂体系分析生物芯片生物芯片便携式光度计便携式光度计小型化质谱仪小型化质谱仪10-5 仪器分析中的定量方法仪器分析中的定量方法仪器分析中信号与组分含量的关系仪器分析中信号与组分含量的关系（很多情况下等于（很多情况下等于0）非常数，非常数，随随测定条件测定条件或或仪器不同仪器不同而不同！而不同！需用标准物质进行确定！需用标准物质进行确定！10-5-1 比较法（单标对照法）比较法（单标对照法）试样试样标样标样使用前提：使用前提：标样与试样浓度接近标样与试样浓度接近试样中干扰成分少（基体简单试样中干扰成分少（基体简单）10-5-2 标准曲线法标准曲线法采用采用相同的
12、处理方式相同的处理方式配制一系列已知浓度（配制一系列已知浓度（c1c2cn）标准溶液和）标准溶液和待测试样（待测试样（cx），并保证），并保证c1cxcn；在相同的条件下分别测定相应的信号在相同的条件下分别测定相应的信号S1、S2Sn和和Sx；建立浓度（建立浓度（c1、c2cn）和信号）和信号S1、S2Sn的线性关系；的线性关系；由由Sx和所得线性关系求出和所得线性关系求出cx；由由cx求出原始试样的含量。求出原始试样的含量。最常用，但试样基体复杂时误差较大最常用，但试样基体复杂时误差较大40cx0.0520S0.00.20.40.60.81.01.230c坐标纸（直接绘出曲线坐标纸（直接绘出
13、曲线最小二乘法（可获得曲线方程）最小二乘法（可获得曲线方程）做图软件做图软件（origin、Exel等兼备上述两者）等兼备上述两者）例：例：分光光度法测定水中微量铁的步骤与数据如下，计算试样中微量的分光光度法测定水中微量铁的步骤与数据如下，计算试样中微量的含量。含量。系列标准溶液系列标准溶液空白溶液空白溶液待测液待测液容量瓶（容量瓶（50 mL）编号）编号0 123456100 mg L-1 Fe2+溶液溶液/mL00.30.60.91.21.55.010盐酸羟胺水溶液盐酸羟胺水溶液/mL1111111混匀后放置混匀后放置3-5 min0.2邻菲啰啉溶液邻菲啰啉溶液/mL1.51.51.51.
14、51.51.51.5pH4.6的的HAc-NaCl缓冲液缓冲液5555555定容至定容至50mL，放置，放置10 min后于后于510 nm处测定处测定A仪器响应仪器响应A（吸光度）（吸光度）0.1120.2270.3280.4680.5730.428解：解：cFe/mgL-10.61.21.82.43.0A0.1120.2270.3280.4680.573当然也可以用所加标准溶液的当然也可以用所加标准溶液的体积体积或者所含标准物质的或者所含标准物质的质量质量对信号作图对信号作图绘制标准曲线绘制标准曲线拟合方程：拟合方程：Fe相关系数：相关系数：计算结果计算结果标准加入法标准加入法将一系列已知
15、量的待测物将一系列已知量的待测物（标准物质）（标准物质）分别加入到几等份试样分别加入到几等份试样（待测（待测样品）样品）中，配制成浓度为（中，配制成浓度为（cx+0）、（）、（cx+c1）、（）、（cx+c2）、（）、（cx+c3），且具有相同基体组成的标准系列；，且具有相同基体组成的标准系列；在相同条件测得相应信号在相同条件测得相应信号S0、S1、S2以浓度以浓度0、c1、c2 与信号与信号S0、S1、S2作图，将直线外推至与浓作图，将直线外推至与浓度轴相交，即可求得试样中待测物质的浓度度轴相交，即可求得试样中待测物质的浓度cx试样基体比较复杂时采用试样基体比较复杂时采用该法可消除试样基体对
16、测定的影响，但操作该法可消除试样基体对测定的影响，但操作比较繁琐，仅在样品数量较少时采用。有时比较繁琐，仅在样品数量较少时采用。有时也可仅加标一次，直接利用公式计算结果。也可仅加标一次，直接利用公式计算结果。自学内容自学内容能熟练使用能熟练使用origin或或Exel绘制校正曲线绘制校正曲线版及简单使用说明已经发到公共信箱版及简单使用说明已经发到公共信箱1-6 分析仪器的性能表征分析仪器的性能表征分析仪器的性能指标分析仪器的性能指标性能性能表征表征分析对象分析对象精密度精密度标准偏差、相对标准偏差标准偏差、相对标准偏差准确度准确度绝对误差、相对误差绝对误差、相对误差灵敏度灵敏度校正灵敏度、分析
17、灵敏度校正灵敏度、分析灵敏度检出限检出限空白空白+3倍空白标准偏差倍空白标准偏差线性（动态）范围线性（动态）范围可以分析的浓度范围可以分析的浓度范围选择性选择性选择性系数等选择性系数等其它原则：其它原则：分析速度；分析难度和方便性；对操作者的技能要求；仪分析速度；分析难度和方便性；对操作者的技能要求；仪器维护及实用性；分析测试费用等器维护及实用性；分析测试费用等10-6-1 灵敏度（灵敏度（1）指指待测组分浓度（或量）改变时所引起仪器信号的改变，待测组分浓度（或量）改变时所引起仪器信号的改变，反映了仪器或方法识别微小浓度或含量变化的能力，该值反映了仪器或方法识别微小浓度或含量变化的能力，该值越
18、大，仪器或方法的灵敏度越高。越大，仪器或方法的灵敏度越高。International Union of Pure&Applied Chemists，即即IUPAC推荐使用推荐使用“校正灵敏度校正灵敏度”或者或者“校正曲线斜率校正曲线斜率”作作为衡量灵敏度高低的标准。为衡量灵敏度高低的标准。10-6-1 灵敏度（灵敏度（2）仪器校正灵敏度与所选标准物和测定条件有关仪器校正灵敏度与所选标准物和测定条件有关有些仪器方法有习惯使用的表示方式有些仪器方法有习惯使用的表示方式010203040506000.10.20.30.40.50.6ScS2=k2c+Sblank-2S1=k1c+Sblank-1k1
19、，k2分别为两条校正曲分别为两条校正曲线的斜率，即灵敏度。线的斜率，即灵敏度。未考虑测定重现性影响！未考虑测定重现性影响！10-6-2 检出限（检出限（DL）（1）仪器信号的组成仪器信号的组成本底信号：本底信号：没有试样时，仪器所产生的信号没有试样时，仪器所产生的信号 不可以消除，不可以消除，但是可以通过仪器的改善或适当的数据处理而减小，影但是可以通过仪器的改善或适当的数据处理而减小，影响检出限的主要因素之一响检出限的主要因素之一空白信号：空白信号：试样中无待测组分时，仪器所产生的信号试样中无待测组分时，仪器所产生的信号（干扰组分的）（干扰组分的）理论上理论上可以通过选择适当前处理方式或参比试
20、剂予以消除可以通过选择适当前处理方式或参比试剂予以消除10-6-2 检出限（检出限（2）测定次数，测定次数，nS：表示本底信号的大小表示本底信号的大小仪器信号仪器信号S ，表明有一定概率含有待测组分，其产生的信号为：，表明有一定概率含有待测组分，其产生的信号为：令令 ，则可用，则可用 表示待测组分的信号大小。表示待测组分的信号大小。K值越大值越大，表示含有待测组分的概率就越高表示含有待测组分的概率就越高（通常概率取（通常概率取95%，K=3）。此时仪器）。此时仪器响应信号响应信号 ；分析物的含量为；分析物的含量为 ：本底信号的标准差：本底信号的标准差表示其波动性表示其波动性灵敏度灵敏度10-6
21、-2 检出限（检出限（3）检出限：检出限：指指在已知置信水平（通常为在已知置信水平（通常为95%）下，可以）下，可以检测到的待测物的最小浓度（质量）。检测到的待测物的最小浓度（质量）。sb：为本底信号的标准偏差，可用空白或为本底信号的标准偏差，可用空白或近空白（待测组分含量很低）试样信号近空白（待测组分含量很低）试样信号的标准偏差代替；的标准偏差代替；k：为校正曲线斜率为校正曲线斜率检出限仅表示仪器或方法可能检到的最低浓度（或质量），实际定量检出限仅表示仪器或方法可能检到的最低浓度（或质量），实际定量分析中为了获得较为可靠的结果，定量下限设定为分析中为了获得较为可靠的结果，定量下限设定为检出限
22、的测定检出限的测定测定测定空白样品或近空白样品空白样品或近空白样品信号信号20-30次，求其平均值次，求其平均值 及其标及其标准偏差准偏差 sb，则可分辨的最小信号则可分辨的最小信号通过校正曲线的斜率通过校正曲线的斜率k，将最小待测物信号将最小待测物信号SDL转化为浓度值转化为浓度值cDL或质量值（或质量值（mDL），即），即测量信号的标准偏差测量信号的标准偏差s与所用试样浓度有关，检出限测定时应用与所用试样浓度有关，检出限测定时应用空白或尽可能稀的溶液。空白或尽可能稀的溶液。例：例：已知某元素在某仪器上的响应为已知某元素在某仪器上的响应为S=k c，采用，采用0.0500 mg L-1（近空
23、（近空白）该元素的标准液，在该仪器上连续测定白）该元素的标准液，在该仪器上连续测定10次，所得信号如下表，试次，所得信号如下表，试计算该仪器对该元素的的检测限。计算该仪器对该元素的的检测限。测定次数测定次数12345S0.1650.1700.1660.1650.168测定次数测定次数678910S0.1670.1680.1660.1700.167解：解：10-6-3 线性范围（线性范围（linear range）线性范围线性范围CDL浓度，浓度，c响响应应信信号号S线性范围越大越好，通常应在线性范围越大越好，通常应在2个数量级以上个数量级以上UV-Vis总结（总结（1）UV-Vis特指特指分子
24、分子对对200800 nm区间内电磁辐射区间内电磁辐射吸收吸收而产生的光谱法，而产生的光谱法，所涉及的是所涉及的是分子外层电子分子外层电子的能级跃迁（但也伴随着振动和转动能级的的能级跃迁（但也伴随着振动和转动能级的跃迁，因此吸收曲线的轮廓较宽，故称之为跃迁，因此吸收曲线的轮廓较宽，故称之为带状光谱带状光谱，这是相对原子，这是相对原子的的线状光谱线状光谱而言的）而言的）光谱的表征：光谱的表征：A-曲线曲线定量：定量：定性：定性：max（吸收强度（吸收强度）、吸收峰个数、相对强度、谱图形状等）、吸收峰个数、相对强度、谱图形状等通常选择通常选择 max处处仅能反映官能团信息，定性能力弱仅能反映官能团
25、信息，定性能力弱常用来研究分子间相互作用（作用后常用来研究分子间相互作用（作用后 max、等发生变化等发生变化）UV-Vis总结（总结（2）有机化合物有机化合物UV-Vis光谱类型：光谱类型：、n 、n 电荷转移（分子内氧化还原）电荷转移（分子内氧化还原）无机化合物无机化合物UV-Vis类型：类型：电荷转移、配位体场电荷转移、配位体场常用术语：常用术语：生色团、助色团、增色、减色、红移、蓝移、生色团、助色团、增色、减色、红移、蓝移、K带、带、R带带影响因素：影响因素：共轭共轭（红移、增色）、（红移、增色）、空间效应空间效应（位阻大、蓝移）、（位阻大、蓝移）、pH、溶剂（溶剂化效应；极性增大：溶
26、剂（溶剂化效应；极性增大：红移红移、n 蓝移蓝移）可见光的互补：溶液的颜色与吸收光颜色可见光的互补：溶液的颜色与吸收光颜色互补互补；滤光片颜色与透过光；滤光片颜色与透过光颜色颜色相同相同。UV-Vis总结（总结（3）UV-Vis仪器仪器基本结构基本结构常见类型：单光束、双光束、双波长；多通道仪器常见类型：单光束、双光束、双波长；多通道仪器吸光度的测定：参比、实际测定值是吸光度的测定：参比、实际测定值是T校正（了解）校正（了解）UV-Vis总结（总结（4）定量分析定量分析依据：依据：适用范围：适用范围：待测物为均一的稀溶液、气体等，无溶质、溶剂及悬浊物待测物为均一的稀溶液、气体等，无溶质、溶剂及
27、悬浊物引起的散射；入射光为单色平行光（选择引起的散射；入射光为单色平行光（选择 max的原因之一的原因之一）定量方法：标准曲线；标准加入；目视比色法等定量方法：标准曲线；标准加入；目视比色法等显色反应：提高灵敏度显色反应：提高灵敏度（亦有提高选择性的作用）（亦有提高选择性的作用）分析条件的选择：仪器测量条件（读数误差、狭缝）；显色条件的确分析条件的选择：仪器测量条件（读数误差、狭缝）；显色条件的确定；参比溶液的选择；干扰及消除（选择其它波长、化学法掩蔽、分定；参比溶液的选择；干扰及消除（选择其它波长、化学法掩蔽、分离、双波长、导数）；提高灵敏度和选择性的方法离、双波长、导数）；提高灵敏度和选择
28、性的方法UV-Vis总结（总结（5）示差光度法（以高吸光度示差法为例）示差光度法（以高吸光度示差法为例）前提：前提：A超出误差规定范围（超出误差规定范围（），但依然符合），但依然符合Beer定律定律做法：做法：以含一定量待测物质的溶液（处理方式与待测溶液相同）代替以含一定量待测物质的溶液（处理方式与待测溶液相同）代替原参比，且原参比，且cs cUV-Vis总结（总结（6）光度滴定法光度滴定法优于指示剂法的方面：优于指示剂法的方面：可以滴定反应不完全体系；可以测定溶解度小可以滴定反应不完全体系；可以测定溶解度小的弱酸碱；被测物本身有颜色或者被测溶液底色较深的弱酸碱；被测物本身有颜色或者被测溶液底色较深注意事项：注意事项：被测体系必须有吸光度变化（选择适当的测定波长）；被测体系必须有吸光度变化（选择适当的测定波长）；吸光度必须进行体积校正；吸光度必须进行体积校正；不同滴定体系的滴定曲线形状不同不同滴定体系的滴定曲线形状不同多组分的测定多组分的测定列联立方程求解列联立方程求解