分析化學(xué)與儀器分析

第一章

緒論一、分析化學(xué)與儀器分析二、分析化學(xué)的發(fā)展和儀器分析的產(chǎn)生三、儀器分析的分類四、儀器分析的特點和發(fā)展趨勢

Introduction2024/12/20一、分析化學(xué)與儀器分析人類總是在認(rèn)識自然和改造自然中發(fā)展前進(jìn)。分析化學(xué)是人們用來認(rèn)識、解剖自然的重要手段之一。在認(rèn)識自然和改造自然的過程中，人們要進(jìn)行產(chǎn)品質(zhì)量檢測和物質(zhì)結(jié)構(gòu)的分析，這些環(huán)節(jié)都和分析測試技術(shù)密切相關(guān)。2024/12/20

分析化學(xué)是研究獲取物質(zhì)的組成、形態(tài)、結(jié)構(gòu)等信息及其相關(guān)理論的科學(xué)，是化學(xué)中的信息科學(xué)。根據(jù)分析方法所用手段，分析化學(xué)可分為化學(xué)分析和儀器分析?；瘜W(xué)分析是以物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)為基礎(chǔ)，通過已知物與待測物的化學(xué)關(guān)系，測出未知物含量的一種分析方法。儀器分析是以物質(zhì)的物理性質(zhì)或物理化學(xué)性質(zhì)為基礎(chǔ)，通過精密儀器測定物質(zhì)的物理性質(zhì)或物理化學(xué)性質(zhì)而分析出待測物質(zhì)組成、含量的一類分析方法。測量常量組分常用化學(xué)分析方法，而測量微量組分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10-3-10-6）、痕量組分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10-6-10-9）或超痕量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10-9—10-12）組分時，則常用儀器分析方法?；瘜W(xué)分析是儀器分析的基礎(chǔ)，儀器分析離不開化學(xué)分析，其不少分析過程需應(yīng)用到分析化學(xué)的理論。二者相輔相成，互為補(bǔ)充。在應(yīng)用時應(yīng)當(dāng)根據(jù)具體情況，取長補(bǔ)短，互相配合。當(dāng)然，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，必將出現(xiàn)更多可以替代化學(xué)分析方法的儀器分析方法。2024/12/20儀器分析是高等農(nóng)業(yè)院校生命科學(xué)、資源與環(huán)境科學(xué)、動物科學(xué)、動物醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)科學(xué)、食品科學(xué)等專業(yè)重要的基礎(chǔ)課程。通過本課程的學(xué)習(xí)，可使學(xué)生掌握常用儀器分析方法的基本原理以及儀器的簡單結(jié)構(gòu)；并使學(xué)生初步具有根據(jù)分析目的，結(jié)合所學(xué)的各種儀器分析方法的特點和應(yīng)用范圍，選擇適宜的分析方法的能力。2024/12/20二、分析化學(xué)的發(fā)展和儀器分析的產(chǎn)生

分析化學(xué)的發(fā)展經(jīng)歷了三次巨大的變革。16世紀(jì)天平的出現(xiàn)，使分析化學(xué)具有了科學(xué)的內(nèi)涵。20世紀(jì)初，建立了溶液中四大反應(yīng)（酸堿平衡、沉淀-溶解平衡、配位平衡和氧化還原平衡）平衡理論。分析化學(xué)引入了物理化學(xué)的概念，形成了自己的理論基礎(chǔ)。分析化學(xué)由單純的操作技術(shù)變成了一門科學(xué)，這是第一次變革。20世紀(jì)40年代前，化學(xué)分析占主導(dǎo)地位。

2024/12/20第二次世界大戰(zhàn)前后，由于物理學(xué)和電子技術(shù)的發(fā)展與引入，分析化學(xué)從以化學(xué)分析為主的經(jīng)典分析化學(xué)，發(fā)展到以儀器分析為主的現(xiàn)代分析化學(xué)。儀器分析的發(fā)展引發(fā)了分析化學(xué)的第二次變革。儀器分析使分析速度加快，促進(jìn)了化學(xué)工業(yè)發(fā)展。在這一時期，化學(xué)分析與儀器分析并重。由于科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，特別是一些重大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)和發(fā)展，為新的儀器分析方法的建立和發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。例如BlochF和PurcellEM發(fā)明了核磁共振測定方法，獲得1952年諾貝爾物理獎；MartinAJP和SyngeRLM開創(chuàng)了氣相色譜分析法，獲得1952年諾貝爾化學(xué)獎；HeyrovskyJ建立了極譜分析法，獲得1959年諾貝爾化學(xué)獎。2024/12/2020世紀(jì)70年代末以來，以計算機(jī)廣泛應(yīng)用為標(biāo)志的信息時代的到來，給科學(xué)技術(shù)發(fā)展帶來巨大的推動力，促使分析化學(xué)進(jìn)入第三次變革。計算機(jī)處理數(shù)據(jù)的快速、準(zhǔn)確，使分析儀器自動化、智能化；各種傅里葉變換儀器的相繼問世，使傳統(tǒng)的儀器更具優(yōu)越性和多功能化；計算機(jī)促進(jìn)統(tǒng)計處理進(jìn)入分析化學(xué)，出現(xiàn)了化學(xué)計量學(xué)，它是利用統(tǒng)計學(xué)的方法設(shè)計或選擇最優(yōu)測量條件，并從分析測量數(shù)據(jù)中獲取最大程度的化學(xué)信息。分析化學(xué)已經(jīng)成為一門信息科學(xué)。2024/12/20三、儀器分析的分類儀器分析的方法很多，而且各種方法比較獨立并可自成體系。常用的方法可分為光學(xué)分析法，電化學(xué)分析法，色譜法，質(zhì)譜法和熱分析法。2024/12/201.3.1光學(xué)分析法

光學(xué)分析法是基于檢測能量作用于待測物質(zhì)后產(chǎn)生的輻射信號或所引起的變化而建立的分析方法。光分析法又可以分為非光譜法和光譜法兩類。

非光譜法是指不以光的波長為特征信號，僅通過測量電磁輻射的某些基本性質(zhì)（反射、折射、干涉、衍射和偏振等）的變化的分析方法。這類方法有折射法、干涉法、散射濁度法、旋光法、X射線衍射法和電子衍射法等。2024/12/20光譜法則是以光的吸收、發(fā)射和熒光為基礎(chǔ)建立起來的方法，通過檢測光譜的波長和強(qiáng)度來進(jìn)行分析。這類方法有原子發(fā)射光譜法、原子吸收光譜法、原子熒光光譜法、紫外-可見分光光度法、紅外吸收光譜法、核磁共振波譜法、X熒光光譜法、分子熒光光度法、分子磷光光度法和激光拉曼光譜法等。從廣義的輻射概念來說，以光電子輻射為基礎(chǔ)的各種光電子能譜法也屬于光學(xué)分析法。2024/12/201.3.2電化學(xué)分析法

電化學(xué)分析法是根據(jù)物質(zhì)在溶液中的電化學(xué)性質(zhì)及其變化來進(jìn)行分析的方法。根據(jù)所測的電信號的不同，可以分為：電導(dǎo)分析法、電位分析法、電解和庫侖分析法以及伏安和極譜分析法。2024/12/201.3.3色譜分析法

色譜法是一種分離和分析方法。根據(jù)混合物的各組分在互不相溶的兩相（稱為固定相和流動相）中吸附能力、分配系數(shù)或其他親和作用的差異而建立的方法。色譜法主要有氣相色譜法和液相色譜法等。用氣體作流動相的為氣相色譜，用液體作流動相的為液相色譜。2024/12/201.3.4其它分析方法

1.質(zhì)譜法試樣在離子源中被電離成帶電的離子，在質(zhì)量分析器中按離子的質(zhì)荷比m/z的大小進(jìn)行分離，記錄其質(zhì)譜圖。質(zhì)譜法就是根據(jù)元素譜線的位置（m/z數(shù)）和譜線的相對強(qiáng)度來進(jìn)行分析的方法?？捎糜诙ㄐ苑治?、同位素分析以及有機(jī)化合物的測定。

2.熱分析法熱分析法是通過測定物質(zhì)的質(zhì)量、體積、熱導(dǎo)或反應(yīng)熱與溫度之間的關(guān)系而建立起來的一種方法。它有熱重量法、差熱分析法等，可用于成分分析，但更多地用于熱力學(xué)、動力學(xué)和化學(xué)反應(yīng)機(jī)理等方面的研究。2024/12/201.4儀器分析的特點和發(fā)展趨勢

1.4.1儀器分析的特點

儀器分析方法的靈敏度高，檢測限低，比較適合于微量、痕量和超痕量組分的分析。該方法的選擇性也好，可以通過選擇或調(diào)整分析測定的條件，不經(jīng)分離而同時測定混合物中的各個組分。該方法還具有操作簡便，分析速度快，.應(yīng)用范圍廣等特點。不但可以作組分及含量的分析，在狀態(tài)、結(jié)構(gòu)分析上也有廣泛的應(yīng)用。儀器分析方法的缺點是相對誤差比較大，不適于作常量和高含量組分的測定。儀器分析所用的儀器價格較高，有的很昂貴，對儀器的工作條件要求也比較高。2024/12/201.4.2儀器分析的發(fā)展趨勢

生產(chǎn)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，不斷對分析化學(xué)提出了新的課題。20世紀(jì)80年代以來，生命科學(xué)的發(fā)展促進(jìn)了分析化學(xué)的巨大的發(fā)展。儀器分析是分析化學(xué)的重要組成部分，也隨之不斷地發(fā)展，不斷地更新自己，為科學(xué)技術(shù)提供更準(zhǔn)確、更靈敏、專一、快速、簡便的分析方法。2024/12/20生命科學(xué)研究需要對多肽、蛋白質(zhì)、核酸等生物大分子進(jìn)行分析；需要對生物藥物、對超痕量、超微量生物活性物質(zhì)進(jìn)行分析。質(zhì)譜在擴(kuò)大質(zhì)量范圍、提高靈敏度、軟電離方面的發(fā)展，使其越來越適用于對生物大分子及熱不穩(wěn)定化合物的測定。電化學(xué)微電極技術(shù)的出現(xiàn)，產(chǎn)生了電化學(xué)探針，可用來檢測動物腦神經(jīng)傳遞物質(zhì)的擴(kuò)散過程，進(jìn)行活體分析。高效液相色譜和毛細(xì)管電泳的發(fā)展為多肽、蛋白質(zhì)及核酸等生物大分子的制備提純和分離分析提供了有效的手段。2024/12/20材料的各種宏觀物力性質(zhì)（強(qiáng)度、硬度）、化學(xué)性能（催化、抗老化等）不僅與所含元素的種類和平均含量有關(guān)，還取決于組成該材料的各類原子的微觀層次的特定排列、空間分布。X射線熒光分析和電子能譜是這種分析的重要手段。

紅外遙測技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測（大氣污染、煙塵排放等）、流程控制、導(dǎo)彈、火箭飛行器尾氣組分測定方面具有獨特作用，可以在白天及夜晚進(jìn)行監(jiān)測。在對河流質(zhì)量進(jìn)行周期性的監(jiān)測控制中，電化學(xué)的pH計、電導(dǎo)儀、溶解氧及氧化還原的在線傳感器起著很大的作用。2024/12/20信息時代的到來，給儀器分析帶來了新的發(fā)展。信息科學(xué)主要是信息的采集和處理。計算機(jī)與儀器分析的結(jié)合，出現(xiàn)了儀器分析的智能化，加快了數(shù)據(jù)處理的速度。它使許多以往難以完成的任務(wù)，如實驗室自動化，圖譜的快速檢索，復(fù)雜的數(shù)學(xué)統(tǒng)計可輕而易舉得以完成。現(xiàn)在傅里葉變換技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用到儀器分析方法中，大大提高了測量的信噪比，使這些方法更加靈敏。信息的采集和變換主要依賴于各類傳感器。這又帶動儀器分析中傳感器的發(fā)展，出現(xiàn)了光導(dǎo)纖維的化學(xué)傳感器和各種生物傳感器。2024/12/20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。將幾種方法結(jié)合起來，特別是分離方法（如色譜法）和檢測方法（紅外光譜、質(zhì)譜、核磁共振波譜法）的結(jié)合，匯集了各自的優(yōu)點、彌補(bǔ)了各自的不足，可以更好的完成試樣分析任務(wù)。2024/12/20

現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，相鄰學(xué)科之間相互滲透，使得儀器分析中新方法層出不窮，老方法不斷更新。光二極管陣列檢測器的商品化，使得光學(xué)分析方法的光譜范圍加寬、量子效率提高、暗電流變小、噪音降低、靈敏度提高、線性范圍加寬