1、1儀器分析方法、原理和應用2課程性質與目標 property and goal of the course1.課程性質儀器分析：化學+物理學+電子技術+計算機 (綜合性學科) 必修課：化學專業；應用化學；生物化學；環境化學等 專業的必修課；2.課程目標 培養兩類人才：分析儀器的熟練應用者解決問題； 創新型人才發現問題，開拓新領域（1）掌握常用儀器分析方法原理、熟悉儀器結構及應用，（2） 使學習者具備選擇適宜的分析方法的能力；（3） 學習創新思維方式。 3儀器分析課程特點涉及多種儀器分析方法各種儀器的工作原理有較大的區別依據授課時間及大綱要求，課程著重于方法原理介紹、儀器基本構造，數學推導及運算

2、相對較少4儀器分析一、儀器分析的三個重要環節掌握儀器分析的基本原理了解儀器的結構和性質，學會一些儀器的使用掌握定性、定量分析的各種方法原理及相關計算二、內容多，學時少，講的快三、成績課堂表現、作業、考勤及考試5四大類：光分析法、電分析法、色譜分析 法、其他分析法；無機物分析；有機物分析；化合物結構分析；包括方法原理、儀 器結構、操作條件選擇、應用； 特點：內容繁多、各成體系；每類方法有其特點、內在規律、應用范圍；課程主要內容6第一章 緒 論第二章 儀器分析數據處理方法第三章 光學分析法導論第四章 原子發射光譜法第五章 原子吸收與原子熒光 第六章 分子發光分析法第七章 紫外吸收光譜法第八章 紅外

3、吸收光譜法第九章 核磁共振波譜法第十章 質譜分析法第十一章 電分析化學導論第十二章 電位分析法第十三章電解及庫侖分析法第十四章 極譜與伏安分析法第十五章 色譜分析法導論第十六章 氣相色譜法第十七章 高效液相色譜法期末考試（占70）平時成績（30，包括作業和態度。）課 程 安 排7本課程的教學要求本課程是化學專業的必修課之一。通過本課程的學習要達到以下目的：1、要求學生掌握常用儀器分析方法的原理和儀器的簡單結構；2、初步具有根據分析的目的，結合學到的各種儀器分析方法的特點、應用范圍，選擇適宜的分析方法的能力；3、了解分析儀器發展的新動向。8 課程的學習方法 learning method of

4、the course1. 抓住主線 特點原理用途；重點在原理2. 歸納共性與個性 色譜法：共性：復雜混合物分離分析 個性：流動相-原理-對象3. 處理好整體與局部 分析儀器結構流程關鍵部件及作用4. 勤 書山無路勤為徑！ 9主要參考書：1儀器分析 武漢大學化學系編 高等教育出版社 2儀器分析（第三版） 朱明華編 高等教育出版社3儀器分析習題精解 武漢大學“儀器分析習題精解” 編委會編著 科學出版社4分析化學例題與習題定量化學分析及儀器分析 武漢大學化學系分析化學教研室編 高等教育出版社 5、儀器分析 趙藻藩等編 高等教育出版社6、分析化學（儀器分析部分） 林樹昌編 高等教育出 版社7、儀器分析

5、教程 北京大學化學系儀器分析教學組編 北京大學出版社10參考書（學術期刊）國內 1. 分析化學 2.高等學校化學學報 3.光譜學與光譜分析 4. 分析試驗室 5.理化檢驗 6. 冶金分析 7.分析科學學報 8. 光譜實驗室國外4. Analytical Science11推薦幾個儀器分析有關的網站 中國生物論壇 儀器信息網儀器論壇 分析儀器論壇 中國色譜網12第一章 緒 論 Introduction 第一節 儀器分析簡介：第二節 定量分析方法的評價指標第三節 分析儀器與方法校正第四節 儀器分析方法的特點和發展趨勢13本章學習目的與要求1、掌握儀器分析的概念、分類以及儀器分析 的一般過程；2、了

6、解現代儀器分析的特點和發展。14第一章 緒 論第一節 儀器分析課程簡介一、儀器分析1、分析化學是化學量測和表征的科學，儀器 分析是分析化學重要的組成部分。 化學測量 獲取指定體系中有關物質的質、 量、和結構等各種信息； 表征是精確地描述其成分、含量、價 態、狀態、結構和分布等特征。2、儀器分析：以待測物質的物理性質或物理 化學性質為基礎，儀器分析法。又稱物理 分析法15分析化學化學分析法（常量分析）重量分析法滴定分析法儀器分析法（微量分析）光學分析法電化學分析法色譜分析法其他儀器分析法二、儀器分析分類16 1.光學分析法 以電磁輻射為測量信號的分析方法，又分為 光譜法和非光譜法 非光譜法指通過

7、測量電磁幅射的某些基本性質（反射，折射，干射，衍射，偏振等）的變化建立的方法。 光譜法依據物質對電磁輻射的吸收，發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。17光譜法吸收光譜法發射光譜法分子吸收光譜法原子吸收光譜法核磁共振波譜法紫外和可見光譜法紅外光譜法分子發光分析法原子發射光譜法原子熒光光譜法火焰光度分析法熒光法、磷光法化學發光法182. 電分析化學方法利用待測物質的電化學性質進行分析測定的方法根據測量的電信號不同, 主要有五大類: 電導分析法 電位分析法 電解分析法 庫侖分析法 伏安及極譜分析法。193. 色譜分析法 利用各待測組分在互不相容的兩相中的吸附、分

8、配、離子交換、排斥滲透等性質方面的不同而進行分離和分析的方法。包括：氣相色譜法、高效液相色譜法、薄層色譜法和離子交換色譜法等。4.其它儀器分析方法 利用熱學、力學、聲學、動力學等性質進行測定分析的分析方法 包括： 質譜法、電泳法、熱分析法、放射分析法等20三、分析化學三要素* 方法、對象、理論三者關系科學 生產技術理論技術 對象（問題）21 1、生產發展提出迫切需要解決的問題2、問題的解決有待于理論與技術的提高3、一項新技術的產生總是以理論作為基礎22問 題社會進步向儀器分析提出空前要求：要求進行結構、狀態、形態 、甚至是能態分析；要求作痕量、超痕量、甚至分子水平、原子水平上的析；要求作分布、

9、斷層、微區 分析；要求作快速、連續、自動的動態、瞬時分析；要求作現場在線、實時、遙感分析；要求作非破壞的無損 、非侵入、活體等分析；23理 論科技進步為儀器分析的發展提供了“空前 的可能” 主要是新概念、新材料、新技術、新理論。學科發展現狀：分析化學正突破化學分支的框框，與數學、物理、計算機及生命、生物科學、環境、天文、空間等結合構成一門學科間的交叉邊緣科學，即分析科學。24對象和方法這一對矛盾推動了分析化學的發 展。小結： 人類社會的發展給分析化學帶來了越來越多的難題，也為分析化學的發展提供了越來越多的機會和發展空間，要適應社會發展的需要，分析化學家必須綜合數學的、物理的、生物的、計算機的以

10、及精密儀器制造的最新科學成果來豐富分析化學學科，因此，分析化學，特別是儀器分析已經成為一門綜合性邊緣科學。 分析化學已經走出化學！ 分析化學正在發展成一門信息科學！25四、儀器分析的一般過程 選擇分析方法 樣品的采集及預處理 共存組分分離 樣品的信號產生 信號檢測及信號加工處理 結果或數據顯示 數據處理 分析報告26五、分析化學的發展及儀器分析的產生 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，它對化學科學發展的貢獻極大，甚至被有些人稱為 “現代化學之父”。分析化學的發展歷史上已出現過三次巨大變革：（1）19世紀末20世紀初葉：由“

11、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。27（3）20世紀八十年代 21世紀初：由“化 學信息科學”上升到“系統信息科學” 。標志工具是：微型計算機控的現代智能型分析儀器的大量使用。 現代分析化學是一門嶄新而年輕的學科，它屬于與數學、電子學、物理學、計算機科學、現代信息技術科學交叉發展的新學科。28與分析儀器發明相關的諾貝爾獎獲得者1901Rontgen et al首次發現X射線存在1907Michelson et al首次制造精密光譜儀器1922Ast

12、on et al發明質譜測定同位素1923Pregl et al發明有機物微量分析1930Raman et al發現拉曼效應1944Rabi et al用共振方法記錄原子核磁性1948Tiselius et al用電泳法發現血漿蛋白性質1952Bloch et al發展核磁共振精細測量法1952Martin et al發明分配色譜1959Heyrovsky et al發明極譜法1981Siegbahn et al發明高分辨電子光譜法1981Bloembergen et al發展激光光譜學1991Ernst et al對高分辨核磁共振方法發展29第二節 儀器分析方法的評價指標 評價指標： 精密度

13、 準確度 檢出限 標準曲線的線性及線性范圍3031一、標準曲線（校正曲線/工作曲線（ Calibration curve，Working curve）（一）定義及線性范圍 定義 ： 標準曲線：是被測物質的濃度或含量與儀器的響應信號之間 的關系曲線。 線性范圍：標準曲線的直線部分所對應的被測物質的濃度 （或含量）的范圍(Linear range)。 （二）繪制： （1）實驗方法 ： 配制一系列標準：準確配制已知待測物濃度的系列: x0(空白)，x1，x2，x3，x4. xn ；（這些溶液稱為標準溶液，或稱標樣） 測定儀器響應信號：通過儀器分別測量以上各待測物的響應值S0，S1，S2，S3，S4S

14、n； 以濃度c對響應信號S作圖得到標準曲線；32線性范圍濃度，x響應信號SS2S0 x1x0 x3x2S1xnxix4S3S4SiSn只有線性范圍部分在定量分析中有用！標準曲線的直線部分所對應的被測物質的濃度（或含量）的范圍稱為該方法的線性范圍(Linear range)。33濃度，x響應信號SS2S0 x1x0 x3x2S1xnxix4S3S4SiSn在所有可測量的濃度范圍內都是直線理想情況！34標準曲線直線部分方程表達式（y= a + bx)的求解方法 求解方法：令直線的表達式為y= a + bx，根據一元線性回歸方法可求解斜率（回歸系數）其中：（2）一元線性回歸法：35（三）相關系數r（

15、Correlation coefficient)：討論：r1，所有的y值都在回歸線上； r0，y與x之間完全不存在線性關系； 0|r|1，y與x之間存在相關關系; |r|越接近1，則y與x之間的線性關系就越好。要求： 定義：用來表征被測物質的濃度或含量與其響應信號 值之間線性關系好壞的程度。表達式：36在excel中繪制回歸曲線1.將數據整理好輸入Excel，并選取完成的數據區，并點擊圖表向導；2.點擊圖表向導后會運行圖表向導如下圖，先在圖表類型中選“XY散點圖”，并選了圖表類型的“散點圖”（第一個沒有連線的）；3.點擊“下一步”。如是輸入是如本例橫向列表的就不用更改，如果是縱向列表就改選“列

16、”；如果發現圖不理想，就要仔細察看是否數據區選擇有問題，如果有誤，可以點擊“系列”來更改；如果是X值錯了就點擊它文本框右邊的小圖標；出現上圖后，如圖在表上選取正確的數據區域。然后點擊“下一步”出現圖表選項界面，應調整選項，以滿足自己想要的效果；點擊“下一步”，現在一張帶標準值的完整散點圖就已經完成；37在excel中繪制回歸曲線4. 繪制出標準曲線：先點擊圖上的標準值點，然后按右鍵，點擊“添加趨勢線”。由于本例是線性關系，在類型中選“線性”點擊“確定”，標準曲線就回歸并畫好了。5.計算回歸方程：點擊趨勢線（也就是我們說的標準曲線）然后按右鍵，選趨勢線格式，在顯示公式和顯示R平方值（直線相關系數

17、）前點一下，勾上。再點確定。公式和相關系數都出來了38S 或 SS值越大，方法的靈敏度越高。注：許多方法的靈敏度隨實驗條件而變化，所以，現在 一般不用S作為方法的評價指標。二、靈敏度（ Sensitivity ）1、定義：單位濃度(或單位質量）的變化引起儀器響應信 號變化的程度。2、測量方法：從標準曲線可以得到方法的靈敏度，就是直 線的斜率；用S表示。3、表達式： 39三、精密度1、定義 ：指使用同一方法、對同一試樣進行多次測定所 得測定結果的一致程度。 重復性:同一分析人員在同一條件下測定結果的精密度 不同實驗室所得測定結果的精密度又叫重現性。2、表達式： 精密度常用測定結果的標準偏差s或相

18、對標準偏差sr量度。 文獻中：401）精密度（Precision） 使用同一方法或步驟進行多次重復測量所得分析數據之間符合的程度。標準偏差(Absolute standard deviation)，s平均標準偏差(Standard deviation of mean, sm)相對標準偏差(Relative standard deviation, RSD)l 變異系數(Coefficient of variance, CV)方差(Variance): s241四、檢出限1、定義：某一方法在給定的條件下能夠檢出被測物質的最小質量或最小濃度，稱為這種方法對該物質的檢出限。以濃度表示的叫相對檢出限，以

19、質量表示的叫絕對檢出限，符號：Cmin或qmin 它和分析信號（Singnal）與空白信號的波動（噪音, Noise）有關，或者說與信噪比（S/N）有關。 只有當有用的信號大于噪音信號時，儀器才有可能識別有用信號，如下圖所示。 42sb測定次數，nS儀器噪音及方法檢出限 K1=3 時，可以認為儀器檢出的最小信號值Cmin可能性為95%432.檢出限計算 測定空白樣品(或濃度接近空白值）20-30次，求其 平均值 ymin 及其標準偏差 sb，則可分辨的最小信號 IUPAC建議，取k1=3 44Cmin與S關系導出：3、意義: 檢出限是方法的靈敏度和精密度的綜合指標，方法的靈敏度越高，精密度越好

20、，檢出限就越低。它是評價儀器性能及分析方法的主要技術指標。45實際測定實例：光學分析：A吸光度46五、準確度1、定義：試樣含量的測定值與試樣含量的真實值相符合的程度稱為準確度，準確度常用相對誤差來量度。2、表達式：式中 X 試樣含量的測定值 試樣含量的真實值或標準值 3、意義準確度是分析過程中系統誤差和隨機誤差的綜合映，它決定著分析結果的可靠程度，方法有較好的精密度且消除了系統誤差后，才有好的準確度。47信噪比（singnal-to-noise ratio, S/N） 任何測量值均由兩部分組成：信號及噪音。其中信號反映了待測物的信息，是我們所關心的，而噪音是不可避免的，它降低分析的準確度和精密

21、度、提高檢出限，是我們不希望的。 多數情況下，N是恒定的，與S大小無關。當測量信號較小時，測量的相對誤差將增加。因此用信噪比S/N是恒量儀器性能和分析方法好壞最為有效的指標！ 當S/N23時，分析信號將很測定。48噪聲的來源化學噪聲：分析體系中難以控制的一些化學因素。 比如, 化學反應中溫度和壓力等參數的變化和波動； 相對濕度導致樣品含水量的不同； 粉狀固體粒度不均； 光敏材料產生的光密度不均； 實驗室煙塵與樣品或試劑作用的隨機性；等等。49六、 選擇性定義：樣品基體中其它組份對測定待測物時的干擾 程度。 在分析中，沒有哪種測定不受到諸多因素的干擾，換句話說，分析的過程就是消除或減少干擾對測定

22、影響的過程，也就是提高分析選擇性的過程。 通常用選擇性系數來反應儀器或方法的選擇性，但該應用并不多，只是在電位分析（ISE）分析中用到選擇性系數。 50六、 選擇性定義：樣品基體中其它組份對測定待測物時的干擾 程度。在分析中，沒有哪種測定不受到諸多 因素的干擾，換句話說，分析的過程就是消 除或減少干擾對測定影響的過程，也就是提 高分析選擇性的過程。 通常用選擇性系數來反應儀器或方法的選擇性，但該應用并不多，只是在ISE分析中用到選擇性系數。 51七、響應時間和分析效率 1.分析儀器的響應時間： 激發信號刺激試樣而使儀器信號達到總變化量一定 百分數所需時間。2.分析效率：單位時間內能夠測定試樣的

23、個數。52評價指標IUPAC建議：精密度、準確度、檢出限；文獻中：精密度、準確度、檢出限、標準曲 線的線性范圍及相關系數53第三節 分析儀器與方法校正一、分析儀器 一般來說，分析儀器的自動化程度越高儀器越復雜。然而不管分析儀器如何復雜，它們一般是由信號發生器、檢測器、信號處理器和讀出裝置4部分組成，如下圖：54信號發生器：產生可以反映待測物存在及濃度的信號 裝置，多半為離子或化合物自身。檢測器：光電轉換器 電位計信號處理：運算放大輸出：記錄儀、計算機1 分析儀器的基本結構單元55HP高壓液相色譜儀562、常見分析儀器的基本組成57二、分析儀器方法的校正與經典的化學分析不同，儀器分析一般需要有與

24、被測物的標準物質相同的標準試樣進行校正 所謂校正(Calibration)，就是將儀器分析產生的各種信號與待測物濃度聯系起來的過程。除重量法和庫侖法之外，所有儀器分析方法都要進行“校正”。校正方法有三： 標準曲線法； 標準加入法； 內標法。 581、工作曲線法又稱外標法。工作曲線通常為儀器的響應信號與分析物濃度的關系曲線對于有非線性響應的分析方法（如電位分析法），應作適當的換算，通過計算求得試樣的濃度外標法適用范圍廣，是儀器分析中最常用的定量方法59注意：1）在采用外標法時，試樣的濃度或含量范圍應在工作曲線的線性范圍內2）為提高測定的準確度，繪制工作曲線的條件應與測定試樣的條件盡量保持一致60

25、2、標準加入法又稱添加法，增量法。將已知量的標準樣加入到一定量的待測試樣中后，測得試樣和標準樣的總響應值，進行定量分析標準加入法可以減少或消除基體效應的影響AAS、AES和電分析化學法中經常采用該方法消除粘度、表面張力、離子強度和pH等試樣基體效應對測定的影響61采用標準加入法進行定量分析時，必須要滿足如下條件： 1）分析物濃度為零時，不能產生響應。 否則必須設法扣除。 2）儀器的響應必須是分析物濃度的線 性函數。625. 選擇分析方法的幾種考慮 儀器分析方法眾多，對一個所要進行分析的對象，到底選擇何種分析方法呢？可從以下幾個方面考慮： 您所分析的物質是元素？化合物？有機物？化合物 結構剖析？

26、 您對分析結果的準確度要求如何？ 您的樣品量是多少？ 您樣品中待測物濃度大小范圍是多少？ 可能對待測物產生干擾的組份是什么？ 樣品基體的物理或化學性質如何？ 您有多少樣品，要測定多少目標物？63第四節 儀器分析方法特點和發展趨勢特點一、儀器分析方法特點（1）靈敏度極高：可分析 10-410-10g可進行 微量分析和痕量、超痕量組分的測定；（2）樣品用量少 ：微量分析 ( 0.110mg 或 0.011mL )超微量分析 ( 0.1mg 或 0.01mL )。（3）選擇性好：適于復雜組分試樣的分析；（4）分析速度快 ：可在短時間內分析幾十 個樣品，適用于批量分析 64（4）用途廣泛：除了能進行定性分析和定量分析 外，還可進行結構分析、 價態分析、物相分析、 微區分析、在線分析和活體分析等。數據的采 集和處理易