儀器分析與表征

1、儀器分析與表征課程總結(jié)儀器分析是分析化學(xué)中一個重要分支，儀器分析是指采用比較復(fù)雜或特殊的儀器設(shè)備，通過測量物質(zhì)的某些物理或物理化學(xué)性質(zhì)的參數(shù)及其變化來獲取物質(zhì)的化學(xué)組成、成分含量及化學(xué)結(jié)構(gòu)等信息的一類方法。這些方法一般都有獨(dú)立的方法原理及理論基礎(chǔ)1.2.3。儀器分析（近代分析法或物理分析法）：物質(zhì)相互作用時產(chǎn)生各種實驗現(xiàn)象。儀器分析就是利用能直接或間接地表征物質(zhì)的各種特性（如物理的、化學(xué)的、生理性質(zhì)等）的實驗現(xiàn)象，通過探頭或傳感器、放大器、分析轉(zhuǎn)化器等轉(zhuǎn)變成人可直接感受的已認(rèn)識的關(guān)于物質(zhì)成分、含量、分布或結(jié)構(gòu)等信息的分析方法。也就是說，儀器分析是利用各種學(xué)科的基本原理，采用電學(xué)、光學(xué)、精密儀器

2、制造、真空、計算機(jī)等先進(jìn)技術(shù)探知物質(zhì)化學(xué)特性的分析方法。因此儀器分析是體現(xiàn)學(xué)科交叉、科學(xué)與技術(shù)高度結(jié)合的一個綜合性極強(qiáng)的科技分支。這類方法通常是測量光、電、磁、聲、熱等物理量而得到分析結(jié)果，而測量這些物理量，一般要使用比較復(fù)雜或特殊的儀器設(shè)備，故稱為“儀器分析”。儀器分析除了可用于定性和定量分析外，還可用于結(jié)構(gòu)、價態(tài)、狀態(tài)分析，微區(qū)和薄層分析，微量及超痕量分析等，是分析化學(xué)發(fā)展的方向。儀器分析包括兩大部分內(nèi)容，即基于測定被分析物質(zhì)的化學(xué)和物理性質(zhì)對無機(jī)、有機(jī)和生物物質(zhì)進(jìn)行定性和定量分析的各種方法；對復(fù)雜的混合物進(jìn)行定性和定量分析前采用的高效分離技術(shù)。1.儀器分析方法的分類1.1光學(xué)分析法（sp

3、ectroscopic annlysis）以物質(zhì)的光學(xué)性質(zhì)（吸收、發(fā)射、散射、衍射）為基礎(chǔ)的儀器分析方法。包括原子吸收光譜法、原子發(fā)射光譜法、紫外-可見吸收光譜法、紅外光譜法、核磁共振波譜法等。1.2電分析（electrical analysis）電流分析、電位分析、電導(dǎo)分析、電重量分析、庫侖法、伏安法。1.3色譜分析（chromatography analysis）氣相色譜法、液相色譜法1.4其他儀器分析方法（other analysis）（1）質(zhì)譜法；（2）熱分析法；包括熱重法、差熱分析法、示差掃描量熱法等。（3）電子顯微鏡，超速離心機(jī)，放射性技術(shù)等。2.分析原理儀器分析是根據(jù)被測組分的某

4、些物理的或物理化學(xué)的特性，如光學(xué)的、電學(xué)的性質(zhì)，進(jìn)行分析檢測的方法，因此，它實際上已經(jīng)超出了化學(xué)分析的范圍和局限，成為生產(chǎn)和科學(xué)各個領(lǐng)域的工具。分析化學(xué)中的分析是分離和測定的結(jié)合，分離和測定是構(gòu)成分析方法的兩個既相獨(dú)立又相聯(lián)系的基本環(huán)節(jié)。分離是使物質(zhì)純化的一種手段，而純化的背后是物質(zhì)的不純，是物質(zhì)具有混合性。我們知道，化學(xué)家所說的物質(zhì)，指的是物質(zhì)本身，是某種單質(zhì)或化合物。這里所說的物質(zhì)本身，意思是以純粹的形式存在的物質(zhì)，沒有其他物質(zhì)混合于其中的物質(zhì)，也就是人們通常所說的純物質(zhì)?？墒?，無論是天然存在的還是人工制造的物質(zhì)，都不是絕對純的，絕對純是達(dá)不到的，絕對純只能在理論中或思想上存在。因此，在化

5、學(xué)分析中，首先遇到的矛盾就是純與不純的矛盾。3.儀器介紹與表征 3.1紫外分光光度計紫外分光光度計的原理：物質(zhì)的吸收光譜本質(zhì)上就是物質(zhì)中的分子和原子吸收了入射光中的某些特定波長的光能量，相應(yīng)地發(fā)生了分子振動能級躍遷和電子能級躍遷的結(jié)果。由于各種物質(zhì)具有各自不同的分子、原子和不同的分子空間結(jié)構(gòu)，其吸收光能量的情況也就不會相同。因此，每種物質(zhì)就有其特有的、固定的吸收光譜曲線，可根據(jù)吸收光譜上的某些特征波長處的吸光度的高低判別或測定該物質(zhì)的含量。又因為許多物質(zhì)在紫外-可見光區(qū)有特征吸收峰，所以可用紫外分光光度法對這些物質(zhì)分別進(jìn)行測定（定量分析和定性分析）。紫外分光光度法使用基于朗伯-比耳定律，俗稱光

6、吸收定律。當(dāng)入射光波長一定時，溶液的吸光度A是吸光物質(zhì)的濃度C及吸收介質(zhì)厚度l(吸收光程)的函數(shù)。在實驗金溶膠的制備及其對4-NP的催化性能檢測中就用到了這個儀器。如圖，可以發(fā)現(xiàn)催化劑對4-NP的催化起始階段比較慢，但是反應(yīng)開始就特別的快，由紫外光譜圖就可以直接獲取這一信息。3.2 X射線衍射分析（XRD）X射線也是一種電磁波，當(dāng)光照射到尺度與其波長相近，甚至更小的狹縫時，會產(chǎn)生繞過現(xiàn)象，即衍射，光子的疊加根據(jù)位相原理進(jìn)行，位相相同時加強(qiáng)，相反時相消，形成衍射環(huán)狀圖案，根據(jù)環(huán)的位置和距離可以判斷狹縫的尺度。在晶體中，原子、離子或分子的空間排布也是高度有序的，不同方向原子構(gòu)建同平面的原子層，稱為

7、晶面，同一方向上，晶面之間有固定的距離，沿該方向用X光照射時產(chǎn)生固定的衍射環(huán)，如果改變?nèi)肷浣嵌?，則對應(yīng)不同晶面，分別產(chǎn)生不同的衍射環(huán)。從而確定各個晶面間距。由于不同晶體，其原子、離子和分子的排列方式不同，對稱性不同，與X射線作用強(qiáng)弱不同，而產(chǎn)生差異，以此來確定晶體的組成和結(jié)構(gòu)。3.3 光電子能譜分析（XPS）它是用X射線去輻射樣品，使原子或分子的內(nèi)層電子或價電子受激發(fā)射出來。被光子激發(fā)出來的電子稱為光電子，可以測量光電子的能量，以光電子的動能為橫坐標(biāo)，相對強(qiáng)度(脈沖/s)為縱坐標(biāo)可做出光電子能譜圖，從而獲得待測物組成。XPS主要應(yīng)用是測定電子的結(jié)合能來實現(xiàn)對表面元素的定性分析，包括價態(tài)。X射線

8、光電子能譜因?qū)瘜W(xué)分析最有用，因此被稱為化學(xué)分析用電子能譜。常用于元素的定性分析。如根據(jù)能譜圖中出現(xiàn)的特征譜線的位置鑒定除H、He以外的所有元素；元素的定量分析?？梢愿鶕?jù)能譜圖中光電子譜線強(qiáng)度(光電子峰的面積)反應(yīng)原子的含量或相對濃度；固體表面分析。包括表面的化學(xué)組成或元素組成，原子價態(tài)，表面能態(tài)分布，測定表面電子的電子云分布和能級結(jié)構(gòu)等；化合物的結(jié)構(gòu)?？梢詫?nèi)層電子結(jié)合能的化學(xué)位移精確測量，提供化學(xué)鍵和電荷分布方面的信息；分子生物學(xué)中的應(yīng)用。利用XPS鑒定維生素B12中的少量的Co。4.儀器分析（與化學(xué)分析比較）的特點(diǎn)：（1） 靈敏度高，檢出限量可降低。如樣品用量由化學(xué)分析的mL、mg級降低

9、到儀器分析的mg、mL級，甚至更低。適合于微量、痕量和超痕量成分的測定。（2）取樣量少：化學(xué)分析法需用10-1-10-4g；儀器分析試樣常在10-2-10-8g。（3）在低濃度下的分析準(zhǔn)確度較高：含量在10-5%-10-9%范圍內(nèi)的雜質(zhì)測定，相對誤差低于1%-10%（4） 選擇性好。很多的儀器分析方法可以通過選擇或調(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。（5） 便于遙測、遙控、自動化：可作即時、在線分析控制生產(chǎn)過程、環(huán)境自動檢測與控制。5儀器分析的發(fā)展歷史第一階段：起始于20世紀(jì)初，這正是分析化學(xué)的第一次變革時期。第二階段：20世紀(jì)40年代后，一方面由于生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)發(fā)展的需要，

10、另一方面由于物理學(xué)革命使人們的認(rèn)識進(jìn)一步深化，分析化學(xué)也發(fā)生了革命性的變革，促進(jìn)了各種儀器分析方法的迅速建立，儀器分析成為分析化學(xué)中的重要支柱。并形成了第二次變革。第三階段：20世紀(jì)70年代后，是儀器分析日新月異發(fā)展的時期。也是分析化學(xué)的第三次變革時期。6.儀器分析的重要意義儀器分析自20世紀(jì)30年代后期問世以來，不斷豐富分析化學(xué)的內(nèi)涵并使分析化學(xué)發(fā)生了一系列根本性的變化。隨著科技的發(fā)展和社會的進(jìn)步，分析化學(xué)將面臨更深刻、更廣泛和更激烈的變革?，F(xiàn)代分析儀器的更新?lián)Q代和儀器分析新方法、新技術(shù)的不斷創(chuàng)新與應(yīng)用，是這些變革的重要內(nèi)容。因此，儀器分析在高等院校分析化學(xué)課程中所處的地位日趨重要。許多地方

11、高校為了使自己培養(yǎng)的人才能從容迎接和面對新世紀(jì)科學(xué)技術(shù)的挑戰(zhàn)，已將儀器分析列為化學(xué)等專業(yè)學(xué)生必修的專業(yè)基礎(chǔ)課4.5.6。7.儀器分析的創(chuàng)新變革隨著生產(chǎn)、生活和科學(xué)的發(fā)展，作為被分析的試樣，其外延擴(kuò)大了，從單一的自然物發(fā)展為自然物和人工產(chǎn)物。試樣的內(nèi)涵深化了，要求分析的內(nèi)容不再局限于物質(zhì)的定性組成，還要求分析各組分的含量。與此同時，試劑的種類越來越多，應(yīng)用范圍也越來越廣。一種試樣可以用多種試劑進(jìn)行分析，一種試劑也可用于分析多種試樣，同時還產(chǎn)生了類似于系統(tǒng)分析中組試劑的一般性試劑。在當(dāng)代，被分析的試樣既有各類混合物，也有一些純凈的化合物，既要求進(jìn)行元素分析，還要求進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析、生物大分子的測定等等

12、。試劑也有很大發(fā)展，應(yīng)用于分析化學(xué)的試劑，有各種物理化學(xué)試劑、有機(jī)試劑和生化試劑，還研究和制備了一系列相對于某種分析方法的專用試劑、特效試劑和特殊試劑。在分析過程中，又產(chǎn)生了一種關(guān)系，這就是靈敏度和準(zhǔn)確度的關(guān)系。靈敏度是被測組分濃度或含量改變一個單位所引起的測量信號的變化。若考慮分析時存在噪聲等因素，靈敏度實際上就是被測組分的最低檢出限。準(zhǔn)確度是測量值的可靠程度，實質(zhì)上是測量值與真值的接近程度，一般用誤差來表示。在分析中，既要求分析方法具有一定的靈敏度，又要求具有一定的準(zhǔn)確度。就具體的分析方法來說，靈敏和準(zhǔn)確常常發(fā)生矛盾。有的分析方法有較高的準(zhǔn)確度，卻不夠靈敏；有的分析方法靈敏度較高，但卻不夠

13、準(zhǔn)確。前者如重量分析法，后者如比色分析法?，F(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，要求高準(zhǔn)確度和高靈敏度，現(xiàn)代儀器分析正是適應(yīng)這種要求而發(fā)展起來的。在分析化學(xué)發(fā)展的初期，人們只是在實踐中掌握了一些簡單的分析、檢驗方法，當(dāng)時既沒有化學(xué)理論，也沒有分析方法的理論。隨著分析、檢驗實踐的進(jìn)步和發(fā)展，各種分析和檢驗方法被應(yīng)用于生產(chǎn)、生活和科學(xué)研究之中，并對這些方法進(jìn)行了概括和總結(jié)，形成了分析化學(xué)理論，分析化學(xué)才真正成為一門科學(xué)。在儀器分析的發(fā)展中，理論和方法的相互作用，需要中介和橋梁，這就是技術(shù)。理論要起指導(dǎo)作用，要轉(zhuǎn)化為方法，需要特定的儀器、設(shè)備和試劑。而制作和使用儀器或工具，正是通常所說的技術(shù)的特點(diǎn)。例如，光譜學(xué)原理早

14、在牛頓時期就已初步形成，到18世紀(jì)已經(jīng)發(fā)展成熟，利用光譜線特征進(jìn)行物質(zhì)的鑒定的思想也已有人提出，但是，直到19世紀(jì)中期，才實現(xiàn)了光譜分析。其原因在于，到這個時候，才應(yīng)用光譜學(xué)原理制作出了可用于分析的光譜儀。技術(shù)是實現(xiàn)和實施方法的保證，儀器分析方法尤其如此。科學(xué)儀器的創(chuàng)新是知識創(chuàng)新和技術(shù)創(chuàng)新的重要內(nèi)容。發(fā)展科學(xué)儀器應(yīng)當(dāng)視為國家戰(zhàn)略。分析儀器工業(yè)是高技術(shù)信息產(chǎn)業(yè)。分析儀器的發(fā)展是現(xiàn)代科學(xué)、經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的重要基礎(chǔ)和推動力之一。分析儀器的主要應(yīng)用領(lǐng)域正向生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域轉(zhuǎn)移、分析儀器本身將不斷微型化、智能化，但人類向時間和空間的兩個極限挑戰(zhàn)所需的高級精密儀器也不容忽視、生命過程、生產(chǎn)、科研和社會活動大量

15、需要的將是在線、非侵入、非損壞、原位、實時、多維分析儀器6.7。8.現(xiàn)代儀器現(xiàn)代儀器分析應(yīng)用了現(xiàn)代分析化學(xué)的各項新理論、新方法、新技術(shù)，把光譜學(xué)、量子學(xué)、富里葉變換、微積分、模糊數(shù)學(xué)、生物學(xué)、電子學(xué)、電化學(xué)、激光、計算機(jī)及軟件成功地運(yùn)用到現(xiàn)代分析的儀器上，研發(fā)了原子光譜（原子吸收光譜、原子發(fā)射光譜、原子熒光光譜）、分子光譜（UV、IR、MS、NMR、Flu）、色譜（GC、LC）、分光光度法、激光光譜法、拉曼光譜、流動注射分析法、極譜法、離子選擇性電板、火焰光度分析等現(xiàn)代分析儀器，計算機(jī)的應(yīng)用則極大地提高了儀器分析能力，因此現(xiàn)代分析儀器靈敏度高，選擇性好、檢出限低、準(zhǔn)確性好，在數(shù)據(jù)處理和顯示分析

16、結(jié)果，實現(xiàn)了分析儀器的自動化和樣品的連續(xù)測定。9.儀器分析的發(fā)展趨勢現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展、生產(chǎn)的需要和人民生活水平的提高對分析化學(xué)提出了新的要求，為了適應(yīng)科學(xué)發(fā)展，儀器分析隨之也將出現(xiàn)一下發(fā)展趨勢：（1）方法創(chuàng)新 進(jìn)一步提高儀器分析方法的靈敏度、選擇性和準(zhǔn)確的。各種選擇性檢測技術(shù)和多組分同時分析技術(shù)等是當(dāng)前儀器分析研究的重要課題。（2）分析儀器智能化 微機(jī)在一起分析法中不僅只運(yùn)算分析結(jié)果，而且可以儲存分析方法和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，控制儀器的全部操作，實現(xiàn)分析操作自動化和智能化。（3）新型動態(tài)分析檢測和非破壞性檢測 離線的分析檢測不能瞬時、直接、準(zhǔn)確地反映生產(chǎn)實際和生命環(huán)境的情景實況，布恩那個及時控制生產(chǎn)、

17、生態(tài)和生物過程。運(yùn)用先進(jìn)的技術(shù)和分析原理，研究并建立有效而使用的實時、在線和高靈敏度、高選擇性的新型動態(tài)分析檢測和非破壞性檢測，將是21世紀(jì)儀器分析發(fā)展的主流。生物傳感器和酶傳感器、免疫傳感器、DNA傳感器、細(xì)胞傳感器等不斷涌現(xiàn)；納米傳感器的出現(xiàn)也為活體分析帶來了機(jī)遇。（4）多種方法的聯(lián)合使用 儀器分析多種方法的聯(lián)合使用可以使每種方法的優(yōu)點(diǎn)得以發(fā)揮，每種方法的缺點(diǎn)得以補(bǔ)救。聯(lián)用分析技術(shù)已成為當(dāng)前儀器分析的重要發(fā)展方向。（5）擴(kuò)展時空多維信息 隨著環(huán)境科學(xué)、宇宙科學(xué)、能源科學(xué)、生命科學(xué)、臨床化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)等學(xué)科的興起，現(xiàn)代儀器分析的發(fā)展已不局限于將待測組分分離出來進(jìn)行表征和測量，而且成為一門為物

18、質(zhì)提供盡可能多的化學(xué)信息的科學(xué)。隨著人們對客觀物質(zhì)認(rèn)識的深入，某些過去所不甚熟悉的領(lǐng)域（如多維、不穩(wěn)定和邊界條件等）也逐漸提到日程上來。采用現(xiàn)代核磁共振光譜、質(zhì)譜、紅外光譜等分析方法，可提供有機(jī)物分子的精細(xì)結(jié)構(gòu)、空間排列構(gòu)成及瞬態(tài)變化等信息，為人們對化學(xué)反應(yīng)歷程及生命的認(rèn)識提供了重要基礎(chǔ)?？傊?，儀器分析正在向快速、準(zhǔn)確、靈敏及適應(yīng)特殊分析的方向迅速發(fā)展。 10.參考的相關(guān)書籍10.1現(xiàn)代儀器分析本書以選擇常規(guī)分析項目為中心，圍繞分析測試任務(wù)學(xué)習(xí)分析方法的原理、儀器結(jié)構(gòu)、使用維護(hù)方法、定性定量測定方法，內(nèi)容深度以“必需”、“夠用”為原則。教材內(nèi)容共分兩部分，第一部分為基礎(chǔ)理論，重點(diǎn)介紹了常用的電

19、位分析法、光譜分析法及色譜分析法等。第二部分為實訓(xùn)技術(shù)，共設(shè)計15個適用性強(qiáng)、操作簡便、實驗效果好的實驗為實訓(xùn)項目，涉及食品、環(huán)境監(jiān)測、生物等領(lǐng)域以及電位法、電導(dǎo)法、光譜法和色譜法等分析方法。內(nèi)容與大學(xué)物理、大學(xué)化學(xué)相銜接，以化學(xué)信息學(xué)為基礎(chǔ)，介紹了農(nóng)業(yè)和生物學(xué)中常用儀器分析技術(shù)紫外一可見光譜、原子吸收、原子發(fā)射、缸外、核磁共振、質(zhì)譜、氣相色譜與高壓液相色譜的信息來源、信號特征、儀器的結(jié)構(gòu)和工作原理、定性定量方法與應(yīng)用。實訓(xùn)項目與職業(yè)崗位群緊密掛鉤，方法全部取之于最新國家標(biāo)準(zhǔn)，突出了職業(yè)技能特點(diǎn)。102現(xiàn)代儀器分析方法隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，儀器分析領(lǐng)域也取得了巨大的成就。很多傳統(tǒng)的儀器分析方法都得到了改進(jìn)和提高，同時也出現(xiàn)了一些新的儀器分析技術(shù)和方法。作為現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的“眼睛”，儀器分析方法在化學(xué)、化工及相關(guān)領(lǐng)域具有極其重要的地位，儀器分析方面的新技術(shù)和新方法對相關(guān)領(lǐng)域的科學(xué)研究也非常重要。研究生是各個專業(yè)科學(xué)研究的生力軍，他們的研究工作往往處于學(xué)科研究的前沿，掌握好儀器分析這一重要工具，對研究生培養(yǎng)來說至關(guān)重要。因此，