1、LOGO環境分析化學的進展主要內容分析化學發展簡史分析化學發展現狀光譜分析方面電化學分析方面色譜分析方面質譜分析方面分析化學發展趨勢分析化學發展簡史 化學是研究物質的組成、結構、性質及其相互變化的一門基礎學科。分析化學是人們獲得物質組成、結構和信息的科學，即表征與測量的科學。Boyle1661年在“The Sceptional Chemistry”中認為人類有科學就有化學奠定了化學科學的基礎Lavoisier發明了天平，建立了分析測定的基礎Fresenius1841年發表定性分析導論定量分析導論Mohr1885/1886年出版了化學分析滴定法專論Fresenius1862年出版了第一本分析化學

2、雜志Ostward1894年出版專著分析化學科學基礎奠定了經典分析化學的科學基礎，發展為分析化學人類有科技就有化學，化學從分析化學開始分析化學發展簡史三次巨大的變革 第一次變革 分析化學與物理化學結合的時代。發生在20世紀初，由于物理化學的發展，為分析技術提供了理論基礎，建立了溶液中四大平衡的理論，使分析化學從一門技術發展成一門科學。 第二次變革 分析化學與物理學、電子學結合的時代。發生在第二次世界大戰前后直到20世紀60年代，物理學、電子學、半導體及原子能工業的發展促進了分析中物理方法的大發展，儀器分析方法的大發展。 第三次變革 分析科學階段。從20世紀70年代末到現在，以計算機應用為主要標

3、志的信息時代的來臨，給科學技術的發展帶來了巨大的活力。分析化學正在成長為一門建立在化學、物理學、數學、計算機科學、精密儀器制造科學等學科以上的綜合性的邊緣科學。分析化學發展現狀 光譜分析方面定義：光譜分析（spectral analysis）是指通過分析光譜的特性來分析物質結構特征或含量的方法。包括對物質發射光譜、吸收光譜、熒光光譜分析等，也包括不同波長段如可見、紅外、紫外、X射線光譜分析等。光譜分析：光譜分析：概述：光譜分析的優點是靈敏，迅速。歷史上曾通過光譜分析發現了許多新元素，如銣，銫，氦等。分析化學發展現狀 光譜分析方面起源：早在1758年，科學家們就注意到，金屬鹽類在火上灼燒也會使火

4、焰“染上”不同的顏色。過了半個世紀，德國著名化學家本生由此現象而受到啟發，不斷實驗，終于掌握了各種金屬及其鹽類在火焰中特有的顏色：鉀使火焰呈紫色，鈉使火焰呈黃色，鋇鹽是黃綠色。可是他發現多種元素組成的物質在火焰中呈多種顏色，混在一起，難以區分。后來，德國物理學家基爾霍夫告訴他，三棱鏡能將顏色分開。于是二人密切合作，發現每種元素的色線都按一定的順序排列在固定位置上，如一條條譜線，此結果使本生興奮不已。根據元素光譜，來分析物質成份的方法很快問世了，這就是光譜分析法。分析化學發展現狀 光譜分析方面光譜分析分類根據分析原理 根據被測成分形態 發射光譜分析發射光譜分析吸收光譜分析吸收光譜分析原子光譜分析

5、原子光譜分析分子光譜分析分子光譜分析分析化學發展現狀 光譜分析方面原理：發射光譜分析是根據被測原子或分子在激發狀態下發射的特征光譜的強度計算其含量。 吸收光譜是根據待測元素的特征光譜,通過樣品蒸汽中待測元素的基態原子吸收被測元素的光譜后被減弱的強度計算其含量。它符合郎珀-比爾定律:A= -lg I/I o= -lgT = KCL 式中I為透射光強度，I0為發射光強度，T為透射比，L為光通過原子化器光程由于L是不變值所以A=KC。分析化學發展現狀 光譜分析方面光譜分析儀，具備出色的測試效率，能進行多種測試分析，可構建自動測試系統，易于確保精度，并且操作簡單。主要適用于光器件的生產和光傳輸系統，還

6、可以用于研發及其他多種用途。主要特點：主要特點：高波長分辨率 高波長精度超大動態范圍 雜散光抑制率寬功率量程 自由空間輸入出色的效率 快速測量快速遠程接口 寬跨度、高精度 掃描分析化學發展現狀 光譜分析方面光譜分析儀原理圖 電化學分析法(electrochemical analysis)是應用電化學原理和技術，利用化學電池內被分析溶液的組成及含量與其電化學性質的關系而建立起來的一類分析方法。 靈敏度高，選擇性好，設備簡單，操作方便，應用范圍廣。分析化學發展現狀 電化學分析方面電位法電解法電導法伏安法根據測量的電信號不同分析化學發展現狀 電化學分析方面 分類 是通過測量電他電動勢以求得待測物質含

7、量的分析方法。若根據電極電位測量值，直接求算待測物的含量，稱為直接電位法；若根據滴定過程中電極電位的變化以確定滴定的終點，稱為電位滴定法。 直接電位法是利用電池電動勢與被測組分活(濃)度之間的函數關系，直接測定樣品溶液中被測組分活(濃)度的電位法。常分為溶液pH值的測定和其它離子濃度的測定。分析化學發展現狀 電化學分析方面電位法 是根據通電時，待測物在電他電極上發生定量沉積的性質以確定待測物含量的分析方法。 電流通過物質而引起化學變化的過程。化學變化是物質失去或獲得電子(氧化或還原)的過程。電解過程是在電解池中進行的。 分析化學發展現狀 電化學分析方面電解法 是根據測量分析溶液的電導以確定待測

8、物含量的分析方法。 應用：常作為檢測水的純度的理想方法，還可測定弱電解質的離解常數，用作液相色譜檢測器、電化學監測器等。 分析化學發展現狀 電化學分析方面電導法 是將一微電極插入待測溶液中，利用電解時得到的電流-電壓曲線為基礎而演變出來的各種分析方法的總稱。 伏安法分析化學發展現狀 電化學分析方面 是根據滴定過程中指示電極電位的變化來確定滴定終點的方法。在等當點附近，由于被測物質濃度的突變而引起電位突躍，由此可以確定滴定終點。 電位滴定裝置 分析化學發展現狀 電化學分析方面電位滴定法電化學分析儀器發展現狀恒電位儀恒電位儀電化學分析測試系統電化學分析測試系統極譜儀極譜儀恒電位儀恒電位儀極譜儀極譜

9、儀電化學分析測試系統電化學分析測試系統恒電位儀恒電位儀極譜儀極譜儀電化學分析測試系統電化學分析測試系統極譜儀極譜儀恒電位儀恒電位儀電化學分析測試系統電化學分析測試系統極譜儀極譜儀電化學分析測試系統電化學分析測試系統恒電位儀恒電位儀極譜儀極譜儀電化學分析測試系統電化學分析測試系統進行電化學分析、測試、研究的基本工具分析化學發展現狀 電化學分析方面 是電化學測試中最重要的儀器,其性能的優良直接影響電化學測試結果的準確度。恒電位裝置在教學、科研、冶金、石油化工、原子能、醫藥等領域有著十分廣泛的應用分析化學發展現狀 電化學分析方面恒電位儀 1922年海洛夫斯基提出極譜法,極譜分析很快成為電分析化學中最

10、重要和最成功的一種分析方法。分析化學發展現狀 電化學分析方面極譜儀 極譜儀的應用也更加廣泛,并成為測量微量元素的常用分析儀器。它能測量純金屬中的雜質,檢測有機物、無機物中金屬類微量元素(如金、銀等)和非金屬微量元素(如砷、硅等)的含量極譜儀原理圖分析化學發展現狀 電化學分析方面極譜儀微機化電化學分析測試系統 電化學分析測試方法主要包括:恒電位、恒電流、線性掃描、脈沖、方波、交流技術、阻抗測試等,人們使用這些測試方法可以得到電化學體系較全面的信息。 80年代初期,江蘇電分析儀器廠與中國科學技術大學合作開發和生產的MEC-12A多功能微機電化學分析儀是我國自行研制的第一代微機化電化學分析系統分析化

11、學發展現狀 電化學分析方面分析化學發展現狀 色譜分析方面 色譜分析法簡稱色譜法或層析法(chromatography)，是一種物理或物理化學的分離分析方法。 從20世紀初起，特別是在近60年中，由于氣相色譜法、高效液相色譜法及薄層掃描法的飛速發展，而形成一門專門的科學色譜學。色譜法已廣泛應用于各個領域，成為多組分混合物的最重要的分析方法，在各學科中起著重要作用。50年代氣相色譜60年代GC-MS70年代高效液相色譜法80年代初超臨界流體色譜80年代末毛細管區帶電泳分析化學發展現狀 色譜分析方面起源 色譜法創始于20世紀初，1906年俄國植物學家Tsweet將碳酸鈣放在豎立的玻璃管中，從頂端倒入

12、植物色素的石油醚浸取液，并用石油醚沖洗。在管的不同部位形成色帶，因而命名為色譜。管內填充物稱為固定相(stationary phase)，沖洗劑稱為流動相(mobile phase)。隨著其不斷發展，色譜法不僅用于有色物質的分離，而且大量用于無色物質的分離。雖然“色”已失去原有意義，但色譜法名稱仍沿用至今。分析化學發展現狀 色譜分析方面色譜法分類 按兩相所處的狀態氣相色譜法液相色譜法 按分離原理分類吸附色譜法分配色譜法離子交換色譜法尺寸排阻色譜法親和色譜法 按固定相的幾何形式柱色譜法紙色譜法薄層色譜法分析化學發展現狀 色譜分析方面色譜法特點 分離效率高 靈敏度高 可檢測出g.g-1(10-6)

13、級甚至ng.g-1(10-9) 分析速度快 在幾分鐘或幾十分鐘內可以完成一個試樣的分析。 應用范圍廣氣相色譜：沸點低于400的各種有機或無機試樣的分析 液相色譜：高沸點、熱不穩定、生物試樣的分離分析。 不足之處： 被分離組分的定性較為困難。分析化學發展現狀 色譜分析方面 塔板理論 塔板理論是在對色譜過程進行多項假設的前提下提出的，由塔板理論計算出的反映分離效能的理論踏板數n或理論踏板高度H，可用于評價實際分離效果。塔板理論導出的公式如下： H=L/n 在相同的操作條件下，用同一樣品測定色譜柱的n或H值，n值越大（H值越小），柱效越高。色譜法的基礎理論分析化學發展現狀 色譜分析方面色譜法的基礎理

14、論 速率理論 速率理論是在對色譜過程動力學因素進行研究的基礎上提出的，它充分考慮了溶質在兩相間的擴散和傳質過程，更接近溶質在兩相間的實際分配過程，提出了Van Deemter方程。H=A+B/u+CGu+CLuA為渦流擴散項；B/ u為分子縱向擴散項；CGu為氣相傳質阻力項；CLu為液相傳質阻力項。u為載氣線速度，單位為cm/s。分析化學發展現狀 色譜分析方面1-載氣鋼瓶；2-減壓閥；3-凈化干燥管；4-針形閥；5-流量計;6-壓力表；4-針形閥；5-流量計；6-壓力表；9-熱導檢測器；10-放大器；11-溫度控制器；12-記錄儀載氣系統載氣系統進樣系統進樣系統色譜柱色譜柱檢測系統檢測系統溫控

15、系統溫控系統以氣相色譜儀為例分析化學發展現狀 色譜分析方面 包括氣源、凈化干燥管和載氣流速控制與顯示 常用的載氣有：氫氣、氮氣、氦氣 凈化干燥管：去除載氣中的水、有機物等雜質（依次通過分子篩、活性炭等） 載氣流速控制：壓力表、流量計、針形穩壓閥，控制載氣流速恒定。氣相色譜儀載氣系統分析化學發展現狀 色譜分析方面氣相色譜儀進樣裝置進樣裝置：進樣器+氣化室(1)閥進樣器-氣體樣品的進樣(2) 膜進樣器-填充柱液體樣品的進樣氣化室：將液體試樣瞬間氣化的裝置。無催化作用。溫度通常控制在50500分析化學發展現狀 色譜分析方面氣相色譜儀色譜柱 色譜儀的核心部件 柱材質：不銹鋼管或玻璃管，內徑3-6毫米。

16、長度可根據需要確定 柱填料：粒度為60-80或80-100目的色譜固定相 氣-固色譜：固體吸附劑 氣-液色譜：擔體+固定液 柱制備對柱效有較大影響，填料裝填太緊，柱前壓力大，流速慢或將 柱堵死，反之空隙體積大，柱效低。分析化學發展現狀 色譜分析方面氣相色譜儀檢測系統 通常由檢測元件、放大器、顯示記錄三部分組成。 被色譜柱分離后的組分依次進入檢測器，按其濃度或質量隨時間的變化，轉化成相應電信號，經放大后記錄和顯示，給出色譜圖，進行定性和定量分析。 按應用對象可分為： 廣普型對所有物質均有響應 專屬型對特定物質有高靈敏響應分析化學發展現狀 色譜分析方面氣相色譜儀檢測系統 氫焰離子化檢測器（FID）

17、 典型的質量型檢測器 對有機化合物具有很高的靈敏度 無機氣體、水、四氯化碳等含氫少或不含氫的物質靈敏度低或不響應 氫焰檢測器具有結構簡單、穩定性好、靈敏度高、響應迅速等特點 比熱導檢測器的靈敏度高出近3個數量級，檢測下限可達10-12gg-1分析化學發展現狀 色譜分析方面氣相色譜儀檢測系統熱導檢測器（TCD） 優點：結構簡單、適用范圍廣（無機物，有機物），不破壞樣品。 缺點：靈敏度低，噪音大分析化學發展現狀 色譜分析方面氣相色譜儀檢測系統電子捕獲檢測器 高選擇性檢測器 僅對含有鹵素、磷、硫、氧等元素的化合物有很高的靈敏度，檢測下限10-14 g /mL 對大多數烴類沒有響應較多應用于農副產品、

18、食品及環境中農藥殘留量的測定分析化學發展現狀 色譜分析方面氣相色譜儀檢測系統 火焰光度檢測器(FPD) 化合物中硫、磷在富氫火焰中被還原，激發后，輻射出400、550 nm 左右的光譜，可被檢測 是對含硫、磷化合物的高選擇性檢測器 熱離子檢測器(TID) 氮、磷檢測器，對氮、磷有高靈敏度 在FID檢測器的噴嘴與收集極之間加一個含硅酸銣的玻璃球，含氮、磷化合物在受熱分解時，受硅酸銣作用產生大量電子，信號強分析化學發展現狀 色譜分析方面氣相色譜儀溫度控制氣化室、分離室、檢測器三部分在色譜儀操作時均需控制溫度 氣化室：保證液體試樣瞬間氣化 分離室：準確控制分離需要的溫度。當試樣復雜時，分離室溫度需要

19、按一定程序控制溫度變化，各組分在最佳溫度下分離 檢測器：保證被分離后的組分通過時不在此冷凝分析化學發展現狀 色譜分析方面氣相色譜儀與其它分析儀器連用分析化學發展現狀 質譜分析方面 質譜法是質譜分析法（Mass Spectrometry, MS）是在高真空系統中測定樣品的分子離子及碎片離子質量，以確定樣品相對分子質量及分子結構的方法。化合物分子受到電子流沖擊后，形成的帶正電荷分子離子及碎片離子，按照其質量m和電荷z的比值m/z（質荷比）大小依次排列而被記錄下來的圖譜，稱為質譜。 質譜儀早期主要用于原子量的測定和定量測定某些復雜碳氫混合物中的各組分等。1960年以后，才開始用于復雜化合物的鑒定和結

20、構分析。實驗證明，質譜法是研究有機化合物結構的有力工具。分析化學發展現狀 質譜分析方面質譜法分類 同位素質譜 有機質譜 無機質譜分析化學發展現狀 質譜分析方面質譜法特點 應用范圍廣。 測定樣品可以是無機物，也可以是有機物。應用上可做化合物的結構分析、測定原子量與相對分子量、同位素分析、生產過程監測、環境監測、熱力學與反應動力學、空間探測等。被分析的樣品可以是氣體和液體，也可以是固體。靈敏度高，樣品用量少。 目前有機質譜儀的絕對靈敏度可達50pg（pg為1012g)，無機質譜儀絕對靈敏度可達1014 。用微克級樣品即可得到滿意的分析結果。分析速度快，并可實現多組分同時測定。與其它儀器相比，儀器結

21、構復雜，價格昂貴，使用及維修比較困難。對樣品有破壞性。分析化學發展現狀 質譜分析方面質譜儀的工作原理 質譜儀是利用電磁學原理，使帶電的樣品離子按質荷比進行分離的裝置。離子電離后經加速進入磁場中，其動能與加速電壓及電荷 z 有關，即z e U = 1/2 m 2其中z為電荷數，e為元電荷（e=1.6010-19C），U為加速電壓，m為離子的質量，為離子被加速后的運動速度。 具有速度 的帶電粒子進入質譜分析器的電磁場中，根據所選擇的分離方式，最終實現各種離子按m/z進行分離。分析化學發展現狀 質譜分析方面質譜儀的主要性能指標 質量測定范圍 質譜儀的質量測定范圍表示質譜儀所能進行分析的樣品的相對原子

22、質量（或相對分子質量）范圍，通常采用原子質量單位（u）進行度量。 測定氣體用的質譜儀，一般質量測定范圍在2100，而有機質譜儀一般可達幾千，現代質譜儀甚至可以研究相對分子量達幾十萬的生化樣品。分析化學發展現狀 質譜分析方面質譜儀的主要性能指標 分辨本領 所謂分辨本領，是指質譜儀分開相鄰質量數離子的能力。即： 對兩個相等強度的相鄰峰，當兩峰間的峰谷不大于其峰高10%時，認為兩峰已經分開，其分辨率為：R = m1 /（m2-m1）= m1/m 其中m1、m2為質量數，且m1m2，故在兩峰質量數較小時，要求儀器分辨率越大。分析化學發展現狀 質譜分析方面有機質譜儀包括離子源、質量分析器、檢測器和真空系

23、統。現以扇形磁場單聚焦質譜儀為例，將質譜儀器各主要部分的作用原理討論如下。如圖為單聚焦質譜儀的示意圖。 以單聚焦質譜儀為例分析化學發展現狀 質譜分析方面質譜儀的離子源、質譜分析器及檢測器必須處于高真空狀態（離子源的真空度應達10-310-5Pa ，質量分析器應達10-6Pa），若真空度低，則：大量氧會燒壞離子源的燈絲；常用的載氣有：氫氣、氮氣、氦氣引起額外的離子-分子反應，改變裂解模型，使質譜解釋復雜化；干擾離子源中電子束的正常調節；用作加速離子的幾千伏高壓會引起放電，等等。 單聚焦質譜儀真空系統分析化學發展現狀 質譜分析方面單聚焦質譜儀進樣系統1對于氣體及沸點不高、易于揮發的樣品，可以用上圖的裝置。貯樣器為玻璃或上釉不銹鋼制成，抽低真空（1Pa），并加熱至150，試樣以微量注射器注入，在貯樣器內立即化為蒸汽分子，然后由于壓力梯度，通過漏孔以分子流形式滲透入高真空的離子源中。分析化學發展現狀 質譜分析方面單聚焦質譜儀進樣系統2 對于高沸點的液體、固體，可以用探針（probe）桿直接進樣（如上圖）。