儀器分析講義第一講介紹

1、儀 器 分 析 INSTRUMENTAL ANALYSIS,河南大學生命科學學院 洪軍C103-104hongjun@henu.edu.cn 13781161597,,第一章 引言一、分析化學的發(fā)展 分析化學是一門信息科學，它的基本目的是研究如何獲取有關物質系統(tǒng)化學成分與化學結構方面定性、定量的相關信息，它對化學科學發(fā)展的貢獻極大，甚至被有些人稱為 “現(xiàn)代化學之父”。分析

2、化學的發(fā)展歷史上已出現(xiàn)過三次巨大變革： 1、19世紀末→20世紀初葉：由“技 藝”上升到科學理論，標志工具 是：天平的使用。,,2、20世紀四十年代→ 20世紀八十年代： 由“分析技術科學”上升到“化學信息科 學”。標志工具是：大量電子分析儀器、 儀表的使用。3、20世紀八十年代→ 21世紀初：由“化 學信息科學”上升到“系統(tǒng)信息科 學” 。標志工具是：微型計算機控制

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

4、分析（instrumental analysis）： 用精密分析儀器測量物質的某些物理或物理化學性質以確定其化學組成、含量及化學結構的一類分析方法，又稱為物理和物理化學分析法。,,物理分析法 (physical analysis)：根據(jù)被測物質的某種物理性質與組分的關系，不經(jīng)化學反應直接進行定性或定量分析的方法。如：光譜分析等。物理化學分析法 (physical-chemical analysis)：根據(jù)被測物質在化學

5、變化中的某種物理性質與組分之間的關系，進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 被測物理性質 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 電化學分析 電位法

9、 電極電位 電導法 電導 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 熱導法、差熱分析法 熱性質質量分析 質譜法

11、 質荷比………,儀器分析方法分類,根據(jù)用以測量的物質性質，儀器分析方法主要分為以下幾類:,發(fā)射海盜號探測器首次登陸火星“海盜號”的氣相色譜分析儀(GCMS) 進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 否決了生命物質的存在。,NASA十項最重要太空任務 ，離不開儀器分析的幫助。,發(fā)射哈勃太空望遠鏡清晰度是地面天文望遠鏡的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)，探測到恒星和星系的早期形成過程，觀測到距離地球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射線天文學從測光時代進入了光譜時代。在星暴星系M82中發(fā)現(xiàn)了中等質量黑洞的證據(jù)、發(fā)現(xiàn)伽瑪射線暴GRB 991216中的X射線、觀測到了銀河系中心超大質量黑洞等。,對微觀世界的認識、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更小的物體或物質的結構細節(jié)光學顯微鏡使人類的視覺

13、得以延伸，人們可以觀察到像細菌、細胞那樣小的物體，但由于光波的衍射效應，使得光學顯微鏡的分辨率只能達到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）可以達到原子級的分辨率(0.1 nm) 掃描隧道顯微鏡(STM）人類第一次能夠實時觀察單個原子在物質表面的排列狀態(tài)與表面電子行為有關的物化性質。,與其他表面分析技術相比，STM具有如下獨特的優(yōu)點：,1.具有原子

14、級高分辨率，STM 在平行于樣品表面方向上的分辨率分別可達 0．I nm 和 0．01 nm，即可以分辨出單個原子．,中國科學院化學所的科技人員利用納米加工技術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地圖,2. 可實時得到實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構的研究，這種可實時觀察的性能可用于表面擴散等動態(tài)過程的研究．,3. 可以觀察單個原子層的局部表面結構，而不是對體相或整個表面的平均性

15、質，因而可直接觀察到表面缺陷。表面重構、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等．,硅111面7?7原子重構象,為了得到表面清潔的硅片單質材料，要對硅片進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行重新組合，結構發(fā)生較大變化，這就是所謂的重構。,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并且探測過程對樣品無損傷．這些特點特別適用于研究生物樣品和在不同實驗條

16、件下對樣品表面的評價，例如對于多相催化機理、電化學反應過程中電極表面變化的監(jiān)測等。,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)的一級和二級結構清晰可見。,5. 配合掃描隧道譜（STS）可以得到有關表面電子結構的信息，例如表面不同層次的態(tài)密度。表面電子阱、電荷密度波、表面勢壘的變化和能隙結構等．,6. 利用STM針尖，可實現(xiàn)對原子和分子的移動和操縱，這為納米科技

17、的全面發(fā)展奠定了基礎．,1990年，IBM公司的科學家展示了一項令世人瞠目結舌的成果，他們在金屬鎳表面用35個惰性氣體氙原子組成“IBM”三個英文字母。,ICP質譜儀,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、儀器分析的特點和應用原則 儀器分析的主要優(yōu)點如下：

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

19、)、痕量(trace)和超痕量(ultratrace)成分的測定。,● 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。,● 可用于常量和高含量成分分析，準確度較高，誤差小于千分之幾。多數(shù)儀器分析相對誤差略大（約1~ 5%）多數(shù)不適用于常量和高含量成分分析。,學習內(nèi)容及時間安排,引言 （1學時）色譜分析法： 氣相色譜法（ 3 學時） ，高效夜相色譜法（ 4 學時）； 電化學分析法： 電位分析法（ 4 學時）﹑

20、伏安分析法（ 4學時）﹑庫侖分析法（ 2 學時）； 光學分析法： 原子發(fā)射光譜法（ 2 學時）﹑原子吸收光譜法（ 4學時）﹑紫外吸收光譜法（ 2 學時）﹑紅外吸收光譜法（ 4 學時）、激光拉曼光譜 （2學時）、化學發(fā)光分析（2學時）核磁共振波譜法（ 1 學時）； 質譜分析法（ 1 學時）。,主要參考書目,朱明華 胡坪編．普通高等教育面向21世紀課程教材，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

21、家級規(guī)劃教材，新編儀器分析.科學出版社.張濟新、孫海霖、朱明華編，儀器分析實驗，北京：高等教育出版社．奚長生、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．,成績核算方法（百分制）,平時成績30分 考勤 3 作業(yè) 17 提問 5 研討

22、5期末考試成績70分（閉卷）,“氣相(或液相）色譜分析技術1研究及應用”研討由班長和學習委員負責聯(lián)系同學或自由組合分組，每個研討小組由 5-8名成員組成，分組后選出小組長，由班長匯總報給我。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.相關研究背景知識、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.文獻給

23、出的結果與分析討論，以及你并運用所學的有關色譜分析有關理論，解釋相應分析討論。4. 根據(jù)所學知識，找出至少一項文獻中不足及有待改進之處。）小組制作精美PPT，準備相應演講稿，用5-10分鐘時間，由推舉小組代表對小組研討對象、方法、結果分析、優(yōu)缺點等內(nèi)容進行講解。講解結束后，根據(jù)同學和老師提出的問題或改進意見，修訂后將相關PPT及相應原始文獻發(fā)到公用信箱2，每位同學認真分析后，給每一小組打出研討成績，匯總平均成績即為該研討小組每位成員

24、的研討成績。注1：選 其它本課程內(nèi)容涉及的感興趣，有意義的技術也可。 2：yiqifenxi08@yahoo.cn psw:123456789,聯(lián)系方式：,河南大學生命科學學院 C103-104 洪軍 hongjun@henu.edu.cn 13781161597,,第二章 氣相色譜分析,茨維特實驗示意圖,§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：進行色譜分離用的細長管。固定相：（stationary phase） 管內(nèi)保持固 定、起分離作用的填充物。流動相：（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,,,國產(chǎn)氣相色譜儀,色譜-質譜聯(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 進樣系統(tǒng)：進樣器、汽化室。Ⅲ 分離系統(tǒng)：色譜柱、控溫柱箱。 Ⅳ 檢測系統(tǒng)：檢測器、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6. 壓力表7. 進樣器8. 色譜柱9. 檢測器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)過檢測器時，檢測器就將流動相中各組分濃

28、度變化轉變?yōu)橄鄳碾娦盘?，由記錄儀所記錄下的信號——時間曲線或信號——流動相體積曲線，稱為色譜流出曲線，,,常用術語：基線： 在操作條件下，僅有純流動相進入檢測器時的流出曲線。峰高與峰面積：色譜峰頂點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)域寬度：a、標準偏差σ 0.607倍峰高處色譜寬度的一半b、標準偏差峰寬

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) 保留時間 ：從進樣至被測組分出現(xiàn)濃度最大值時所需時間tR。 2) 保留體積 ：從進樣至被測組分出現(xiàn)最大濃度時流動相通過的體積，VR。 死時間： 不被固定相滯留的組分

30、，從進樣至出現(xiàn)濃度最大值時所需的時間稱為死時間(dead time)，tM。死體積: 不被固定相滯留的組分，從進樣至出現(xiàn)濃度最大值時流動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)整保留時間：扣除死時間后的保留時間。 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相對保留值（relative retention） 在相同的操作條件下，待測組分與參比組分的調(diào)整保留值之比，用ri，s 表示,,色譜分析的實驗依據(jù)：?。?、根據(jù)色譜峰的位置（保留時間）可以進行定性分析。 2、根據(jù)色譜峰的面積或峰高可以進行定量分析。 3

32、、根據(jù)色譜峰的展寬程度，可以對某物質在實驗條件下的分離特性進行評價。由此可知：相對保留值應該與柱長、柱徑、填充情況、流動相流速等條件無關，而僅與溫度、固定相種類有關。,,§2-2 氣相色譜分析理論基礎一、分配平衡的幾個參數(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相間達到分配平衡時的濃度比值，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相之間分配達到平衡時的質量比，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相的濃度(g/ml)；V m為色譜柱中流動相的體積，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)和分配比之間的關系分配系數(shù)K 與柱中固定相和流動相的體積無關，而取決于組分及兩相的性質，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性質，隨柱溫、柱壓的變化而變化，還與流動相及固定相的體積有關。,,理論上可以推導出：,Phase ratio(相比，b): VM / VS, 反映各種色譜柱柱型及其結構特征填充柱（Packing column）: 6~35 毛細管柱（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到平衡，把每一段稱為一塊理論塔板。設柱長為L，理論塔板高度為H，則 H = L / n式中n為理論塔板數(shù)。總結塔板理論前提假設：每段間隔內(nèi)，氣相平均組成與液相平均組成迅速達到分配平衡。載氣進入色譜柱不是連續(xù)的，而是脈動式的，每次進氣為一個板體積。試樣開始時都加在0號塔板上，并

36、且試樣沿色譜柱方向的擴散可忽略。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單位質量m=1,以載氣板體積數(shù)為橫坐標，柱出口濃度為縱坐標，作出組分流出曲線圖,當n值很大時（103-106），流出曲線趨近于正態(tài)分布，流出曲線上濃度 c 與時間 t 關系為：,理論塔板數(shù)（n）可根據(jù)色譜圖上所測得的保留時間（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）的計算公

37、式為；,通常用有效塔板數(shù)（neff）來評價柱的效能比較符合實際。 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,優(yōu)點：能解釋 流出曲線形狀（正態(tài)分布），濃度極大點的位置，計算評價柱效能。缺點：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得不同的理論塔板數(shù)？,作業(yè)(01)：談談你對儀器分析這門課的第一印象和感覺？你認為如何才能上好、學好這門課？你希望從這