仪器分析第一讲
仪器分析(特选参考)
《仪器分析》课程期末复习资料《仪器分析》课程讲稿章节目录：第一章绪论及课程导学第一节仪器分析概述第二节常见分析仪器概论第二章电化学分析法第一节电化学分析法概述第二节电位法的基本原理第三节直接电位法第四节电位滴定法第五节永停滴定法第三章光谱分析法概论第一节电磁辐射及其与物质的相互作用第二节光学分析法的分类第三节光谱分析仪器第四章紫外-可见分光光度法第一节紫外-可见分光光度法的基本原理和概念第二节紫外-可见分光光度计第三节紫外-可见分光光度分析方法第五章荧光分析法第一节荧光分析法的基本原理第二节荧光定量分析方法第三节荧光分光光度计和荧光分析技术第六章红外吸收光谱法第一节红外吸收光谱法的基本原理第二节有机化合物的典型光谱第三节红外吸收光谱仪第四节红外吸收光谱分析第七章原子吸收分光光度法第一节原子吸收分光光度法的基本原理第二节原子吸收分光光度计第三节原子吸收分光光度实验方法第八章核磁共振波谱法第一节核磁共振波谱法的基本原理第二节核磁共振仪第三节化学位移第四节偶合常数第五节核磁共振氢谱的解析第九章质谱法第一节质谱法的基本原理和质谱仪第二节质谱中的主要离子及其裂解类型第三节有机化合物的质谱解析第十章色谱分析法概论第一节色谱法的分类第二节色谱过程和色谱流出曲线第三节色谱参数第四节色谱法的基本原理第五节色谱法的基本理论第十一章平面色谱法第一节平面色谱法的分类和有关参数第二节薄层色谱法第三节纸色谱法第十二章气相色谱法第一节气相色谱法的分类和气相色谱仪第二节气相色谱法的固定相和载气第三节气相色谱检测器第四节气相色谱速率理论和分离条件选择第五节气相色谱法定性与定量分析方法第十三章高效液相色谱法第一节高效液相色谱法的主要类型第二节高效液相色谱法的固定相和流动相第三节高效液相色谱速率理论和分离方法选择第四节高效液相色谱仪第五节高效液相色谱定性与定量分析方法第十四章毛细管电泳法第一节毛细管电泳基础理论第二节毛细管电泳的主要分离模式第三节毛细管电泳仪第十五章色谱联用分析法第一节色谱-质谱联用分析法第二节色谱-色谱联用分析法。
仪器分析原理1-概论
干涉波的特点： (1) 产生光的干涉，必须满足相干条件：频率相同、相差
恒定、振动方向相同。 (2)光的干涉是满足相干条件的光的空间里相互叠加而形
成的明暗相间的条纹。 (3) 对于单色光来说，干涉图样是互相平行的且条纹宽度
相同，中央和两侧的条纹没有区别。 (4)干涉是双缝处发出的两列波在屏上叠加，当两列波到
获奖年份 1915 1922 1923 1952
1952 1959 1977 1981
李远哲: 1986年因在化学反应的动力学方面的贡献获诺贝尔化学奖; 钱永健 : 2008年获得诺贝尔化学奖，获奖是能发出鲜艳绿光的绿色荧光蛋白。
第 1 章 光学分析引论
光学分析法：建立在光与物质的相互作用基础上 的分析方法。着重体现了光的粒子性和波动性两个 方面。
达屏上的某点的距离差等于波长的整数倍时，该点的振 动加强，因而出现明条纹；当两列波到达屏上某点的 距离差等于半波长的奇数倍时，该点的振动减弱，因 而出现暗条纹。
§ 1.3.6 衍射
光绕过障碍物将偏离直线传播的现象，称为衍射现象。 衍射后的聚焦点之间存在着光程差，因此，在聚焦点产生 光的干涉现象。光叠加的强弱条件与光的干涉条件一样。
(b) 频率(v) 单位时间内通过传播方向某一点的波峰或波谷的数目， 单位为赫兹(Hz)。
v = υ/λ
和波长相比，电磁波的频率是更为基本的性质。当 一定频率的电磁波通过不同介质时，其频率不变， 由于波速随介质而变化，因此波长则随介质而变。
(c) 波数(υ~或σ) 每厘米长度所含波长的数目，它是波长的倒数。 υ~ = 1/λ 波数单位常用K( cm–1)来表示。 (d) 传播速度(υ) 辐射传播速度等于频率v和波长λ的乘积。 υ=v×λ (e) 周期(T) 相邻两个波峰或波谷通过空间某固定点所需要 的时间间隔，单位为s。
现代仪器分析第一章 概述
生活：水质分析，食品安全检验，临床化验
1/18/2020
docin/sundae_meng
16:18:05
现代仪器分析讲稿
概述
1.1.2 分析化学发展的三次巨大变革 • 20世纪初，四大平衡理论使一门技术成为理论 • 40－60年代，仪器分析 • 70年代末，发展到分析科学阶段，成为一门综合性
现代仪器分析讲稿
概述
现代仪器分析 第一章 概述
1.1 分析化学基本概况 1.2 本课程主要内容 1.3 仪器分析中的一些基本概念 1.4 分析数据的统计规律
1/18/2020
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现代仪器分析讲稿
概述
1.1 分析化学基本概况
1.1.1 任务与作用——定义 分析化学是化学学科的重要分支
1.514.655-11.5.705 1.63 1.62 1.760 1.65 1.68 01..06667 1.69 1.70
1.517.750-11.6.6035 1.67 1.70 1.7107 1.63 1.57 01..15899 1.62 1.60
1.610.553-11.6.5365 1.58 1.60 1.5282 1.59 1.61 01..26424 1.55 1.52
电库伏 气液
位仑安 相相
法法法 色色
谱谱
法 docin/sundae_meng
法
热质 分谱 析等
等
16:18:05
现代仪器分析讲稿
概述
化学分析方法与仪器分析方法是互为补充的， 而且前者又是后者的基础。
仪器分析方法是当前主流 微量样品，快速批处理，高灵敏度，自动化
色谱类分离分析方法最普及实用，有效 待分析样品的复杂性
仪器分析(讲义)
第一章引言内容提要：仪器分析与化学分析的区别与联系、仪器分析方法的分类及发展趋势。
重点难点：仪器分析方法的分类一、仪器分析和化学分析分析化学是研究物质的组成、状态和结构的科学，它包括化学分析和仪器分析两大部分。
化学分析是指利用化学反应和它的计量关系来确定被测物质的组成和含量的一类分析方法。
测定时需使用化学试剂、天平和一些玻璃器皿。
仪器分析是以物质的物理和物理化学性质为基础建立起来的一种分析方法，测定时，常常需要使用比较复杂的仪器。
仪器分析的产生为分析化学带来革命性的变化，仪器分析是分析化学的发展方向。
仪器分析的特点（与化学分析比较）L级，甚至更低。
适合于微量、痕量和超痕量成分的测定。
g、灵敏度高，检出限量可降低：如样品用量由化学分析的mL、mg级降低到仪器分析的选择性好：很多的仪器分析方法可以通过选择或调整测定的条件，使共存的组分测定时，相互间不产生干扰。
操作简便，分析速度快，容易实现自动化。
仪器分析的特点（与化学分析比较）相对误差较大。
化学分析一般可用于常量和高含量成分分析，准确度较高，误差小于千分之几。
多数仪器分析相对误差较大，一般为5%，不适用于常量和高含量成分分析。
需要价格比较昂贵的专用仪器。
仪器分析与化学分析关系仪器分析与化学分析的区别不是绝对的，仪器分析是在化学分析基础上的发展。
不少仪器分析方法的原理，涉及到有关化学分析的基本理论；不少仪器分析方法，还必须与试样处理、分离及掩蔽等化学分析手段相结合，才能完成分析的全过程。
仪器分析有时还需要采用化学富集的方法提高灵敏度；有些仪器分析方法，如分光光度分析法，由于涉及大量的有机试剂和配合物化学等理论，所以在不少书籍中，把它列入化学分析。
应该指出，仪器分析本身不是一门独立的学科，而是多种仪器方法的组合。
可是这些仪器方法在化学学科中极其重要。
它们已不单纯地应用于分析的目的，而是广泛地应用于研究和解决各种化学理论和实际问题。
因此，将它们称为“化学分析中的仪器方法”更为确切。
仪器分析完整版(详细)上课讲义
仪器分析完整版(详细)第一章绪论1.仪器分析是以物质的物理组成或物理化学性质为基础，探求这些性质在分析过程中所产生分析信号与被分析物质组成的内在关系和规律，进而对其进行定性、定量、进行形态和机构分析的一类测定方法，由于这类方法的测定常用到各种比较贵重、精密的分析仪器，故称为仪器分析。
与化学分析相比，仪器分析具有取样量少、测定是、速度快、灵敏、准确和自动化程度高的显著特点，常用来测定相对含量低于1%的微量、痕量组分，是分析化学的主要发展方向。
2.仪器分析的特点：速度快、灵敏度高、重现性好、样品用量少、选择性高局限性：仪器装置复杂、相对误差较大3.精密度：是指在相同条件下对同一样品进行多次测评，各平行测定结果之间的符合程度。
4、灵敏度：仪器或方法的灵敏度是指被测组分在低浓度区，当浓度改变一个单位时所引起的测定信号的该变量，它受校正曲线的斜率和仪器设备本身精密度的限制。
5.准确度：是多次测定的平均值与真实值相符合的程度，用误差或相对误差来描述，其值越小准确度越高。
6．空白信号：当试样中没有待测组分时，仪器产生的信号。
它是由试样的溶剂、基体材质及共存组分引起的干扰信号，具有恒定性，可以通过空白实验扣除。
7.本底信号：通常将没有试样时，仪器所产生的信号主要是由随机噪声产生的信号。
它是由仪器本身产生的，具有随机性，难以消除，但可以通过增加平行测定次数等方法减小；、8.仪器分析法与化学分析法有何异同：相同点：①都属于分析化学②任务相同：定性和定量分析不同点：①与化学分析相比，仪器分析具有取样量少、测定快速、灵敏、准确和自动化程度高等特点②分析对象不同：化学分析是常量分析，而仪器分析是用来测定相对含量低于1%的微量、衡量组分，是分析化学的主要发展方向9.仪器分析主要有哪些分类：①光分析法：分为非光谱分析法和光谱法两类。
非光谱法：是不涉及物质内部能级跃迁的，通过测量光与物质相互作用时其散射、折射、衍射、干涉和偏振等性质的变化，从而建立起分析方法的一类光学分析法。
仪器分析INSTRUMENTALANALYSIS课件
Thermo-analysis
●Potentiometry(Half-cell potention) ●Conductimetry (Conductance) ●Voltammetry (Current-Voltage) ●Coulometry (Charge) ●Amperometry (Current)
定量界限（Quantitation Limit） The lowest amount of
analyte in a sample that can be quantitated with suitable precision and accuracy. Usually the Quantificational limit is evaluated as the Signal-to-Noise ratio that is equivalent to 10 times the standard
<0.1
>10 1~10 0.1~1 <0.01
●Higher sensitivity, detection limit down to lower
level 如样品用量由化学分析的mL、mg级降 低到仪器分析的g、L级，甚至更低。适合 于微量（micro-)、痕量(trace)和超痕量 (ultratrace)成分的测定。
能化。
常量分析、半微量和微量分析
Methods
Mass of test Volume of test
sample/mg
solution/mL
Macro analysis Semi-microanalysis
Microanalysis Ultra microanalysis
《仪器分析》课件 第一节 概述-1
四、速率理论-影响柱效的因素
速率方程（也称范·弟姆特方程式）:
H = A + B/u + C· u
H：理论塔板高度，u：载气的线速度(cm/s)
减小A、B、C三项可提高柱效；
存在着最佳流速；
A、B、C三项各与哪些因素有关？
2013-10-28
1.涡流扩散项－A
A = 2λdp
① 柱效较高，△K (分配系数)较大, 完全分离； ② △K 不是很大，柱效较高，峰较窄， 基本上完全分离； ③ 柱效较低，△K 较大,但分离的不 好； ④ △K 小，柱效低，分离效果更差。
2013-10-28
分离度的表达式：
R 2(t R ( 2 ) (1) ) tR Wb ( 2 ) Wb (1) 2(t R ( 2 ) (1) ) tR 1.699 (Y1/ 2 ( 2 ) Y1/ 2 (1) )
复杂混合物，有机同系物、异构体，手性异构体。
（2）灵敏度高：
可以检测出μ g.g-1(10-6)级甚至ng.g-1(10-9)级的物质量.
（3）分析速度快：
一般在几分钟或几十分钟内可以完成一个试样的分析。
（4）应用范围广：
适用于沸点低于400℃的各种有机或无机试样的分析。
不足之处：
不适用于高沸点、难挥发、热不稳定物质的分析。被分离 组分的定性较为困难。
试样一定时，K主要取决于固定相性质； 每个组份在各种固定相上的分配系数K不同； 选择适宜的固定相可改善分离效果； 试样中的各组分具有不同的K值是分离的基础；
某组分的K=0时，即不被固定相保留，最先流出。
2013-10-28
第三章 色谱分析法
第二节 色谱理论基础
第一节分析仪器基础
• 6.4 定性仪器 • 6.5 原理：
• 激光→单色器→样品→多级单色→检测器
• 激光：氩离子激光， λ =500nm • 单色器：棱镜、狭缝 • 样品：固体、液体、膜、气体 • 检测器：光电管、光电倍增管 • 化学结构较相似的两种物质⊿f 和⊿E相差会
很小。
第一节分析仪器基础
•
（动物）活体、离体
• 固体样品：均匀性（研磨：200目/X线衍
射，80目/氨基酸分析）
• 气体样品：量筒定量
• 液体样品：清纯度，防变质样品
第一节分析仪器基础
1.2.净化，条件化
• 萃取：CO2、醚、氯仿、根据亲和度 • 离心：分层 • 过滤：去大分子（0.21 μm 、0.45μm） • 衍生：使样品生成有色基团 • 加增色剂：荧光粉
第一节分析仪器基础
• 6. 拉曼光谱仪 • 7. 薄层扫描仪 • 8. 液相色谱仪 • 9.超高效高压液相色谱仪 • 10.制备半制备液相色谱仪 • 11.药物溶出度仪 • 12.质谱仪 • 13.液质联用仪 • 14.放射免疫 γ-计数仪 • 15.X线衍射仪 • 16.核磁共振仪
第一节分析仪器基础
第一节分析仪器基础
13.液质联用仪
第一节分析仪器基础
14.放射免疫 γ-记数仪
第一节分析仪器基础
15.X线衍射仪
第一节分析仪器基础
• 15.3定性分析仪器 • 15.4特点：
• ▲由不同原子散射的X射线相互干涉后产生衍射 • ▲不同的晶体（物质）具不同的衍射角和相应的衍射强度， • 从而得出多谱衍射图谱。 • ▲样品处理比较简单：200目/0.5g（固体样品）。 • ▲适合矿物类药材的鉴别和结构分析
RSD%。
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(1)电子显微镜在结构生物学中应用的发展。 最先应用于研究大分子是起先于1950年。二十世纪五十年代,发明负 染技术,这种技术由于染料的颗粒比较大，染料不浸透样品而是堆积在样 品表面,所以观察到的不是分子本身而是外貌，因此它的分辨率限制在2纳 米. 二十世纪六十年代,剑桥大学的科学家发展了用电镜来解释结构的理 论，提出三维重构理论,用于研究病毒,由于这一项开创性研究，他获得了 1982年的诺贝尔化学奖。 二十世纪七十年代,同一个实验室的科学家们在三维结构理论的基础 上创立了生物电子晶体学理论，利用生物电子晶体学，他们就可以研究二 维的高度有序的大分子 ，如二维结晶，分辨率达到0.7纳米。 二十世纪八十年代,快速冷冻技术的发明使分辨率提高到0.3纳米,这 个技术的发明导致的现在的电子显微镜的方面。可将氨基酸基团在空间定 位,进行大概的结构解析. 八十年代到本世纪初,利用计算机迅速发展的契机，发展图象处理技 术,可应用于研究不是非常有序非结晶的生物体，大大提高了我们的研究 进程。 (2)为什么会出现冷冻 冷冻显微镜? 冷冻 结构生物学中重要的一个工具就是物理学手段.
4、中等电压电子显微镜 中等电压200kV、300kV 电镜的穿透能力分别为100kV 的1.6和2.2倍, 成本较低、效益/ 投入比高, 因而得到了很大的发展。 场发射透射电镜已日益成熟。TEM 上常配有锂漂移硅Si(L i)X射线 能谱仪(EDS) , 有的还配有电子能量选择成像谱仪, 可以分析试样的化 学成分和结构。 原来的高分辨和分析型两类电镜也有合并的趋势: 用计算机控制甚 至完全通过计算机软件操作, 采用球差系数更小的物镜和场发射电子枪, 既可以获得高分辨像又可进行纳米尺度的微区化学成分和结构分析, 发 展成多功能高分辨分析电镜。 JEOL 的200kV JEM 2010F 和300kV JEM 23000F, 日立公司的200kV HF22000以及荷兰飞利浦公司的200kV CM 200 FEG 和300kV CM 300 FEG 型都属于这种产品。 目前, 国际上常规200kV TEM 的点分辨本领为0. 2nm 左右, 放大倍 数约为50倍—150万倍。
与前两种技术不同，以上两种方法都是间接观察,都是利用衍射谱. 而冷冻电子显微镜是直接观察生物大分子,是直接看到分子，因此这样的 性质就决定分子越大反而越好，越利于观察,因此原则上来讲用冷冻电子 显微镜观察分子，分子的大小没有上限,可用于复杂大分子,超分子体系。 另外由于这种技术的特点，它可以捕捉到活化的过渡状态，可以研究分 子的功能状态.另外适于薄体系,二维平面。 冷冻电子显微镜的显著优点在于将样品保持在水相,保持天然状态, 第二点就是可以得到高分辨率结构;另外由于这种技术的引进，可将分子 在不同状态下冻结,可以捕捉到过渡态，基态过渡态均可观察; 另外这种 技术可用于观察超分子体系
一、透射电镜的发展
1931 年6 月4 日Knoll 和Ruska 首次报道研制成功第一台透射电子 显微镜(TEM) 。20 世纪70 年代具有高分辨率的透射电镜和分析电镜出现 后,它的分辨水平日臻细微,功能更趋多样,已成为现代实验室中一种不可 或缺的研究晶体结构和化学组成的综合仪器。为获得原子间成键信息,要 求能量分辨率达0.1～0.2eV ,为获得缺陷的原子结构细节,要求“亚埃” 的点分辨率。若要在中等电压的电镜中获得“亚埃”和“亚电子伏特”的 分辨率,则需要发展配有准单色的电子源、电子束斑尺寸小于012nm 的聚 光镜系统、物镜球差校正器、无像差投影镜和能量过滤成像系统等部件的 新一代透射电子显微镜。
5.能量选择电子显微镜 5.能量选择电子显微镜
能量选择电镜EF- TEM 是一个新的发展方向。 在一般透射电镜中, 弹性散射电子形成显微像或衍射花样; 非弹性散 射电子则往往被忽略, 而近来已用作电子能量损失谱分析。在成像系统中 配有电子能量谱仪, 选取损失了一定特征能量的电子来成像。 其主要优点是: 可观察0. 5µm 的厚试样, 对未经染色的生物试样也能看到高反差 的显微像; 提高图象质量; 还能获得元素分布像(EELS)。 如: L eica 与Zeiss 合并后的L EO 公司的EM 912 Omega 电镜装 有Ω-电子能量过滤器, 可以滤去形成背底的非弹性散射电子和不需要的其 它电子, 得到具有一定能量的电子信息, 进行能量过滤会聚束衍射和成像, 清晰地显示出原来被掩盖的微弱显微和衍射电子花样。JEOL 公司也发展了 带Ω- 电子能量过滤器的JEM 2010FEF 型电子显微镜, 点分辨本领为0. 19nm , 能量分辨率在100kV 和200kV 时分别为2. 1µ m/ eV 和1.1 µ m/eV 。 美国GATAN 公司的电子能量选择成像系统装在投影镜后方, 可对电子能 量损失谱EELS选择成像。
1、高分辨电子显微学及原子像的观察
材料的宏观性能往往与其本身的成分、结构以及晶体缺陷中原子的位 置等密切相关。观察试样中单个原子像是科学界长期追求的目标。一个原 子的直径约为1千万分之2—3mm。因此, 要分辨出每个原子的位置需要 0.1nm 左右的分辨本领, 并把它放大约1千万倍。
20世纪70年代初形成的高分辨电子显微学(HREM ) 是在原子尺度上 直接观察分析物质微观结构的学科。计算机图像处理的引入使其进一步 向超高分辨率和定量化方向发展, 同时也开辟了一些崭新的应用领域。 例如, 英国医学研究委员会分子生物实验室的A. Klug 博士等发展了一 套重构物体三维结构的高分辨图像处理技术, 为分子生物学开拓了一个 崭新的领域。因而获得了1982年诺贝尔奖的化学奖, 以表彰他在发展晶 体电子显微学及核酸—蛋白质复合体的晶体学结构方面的卓越贡献。 对于晶体试样, 原子阵列会加强成像信息。采用超高压电子显微镜和 中等加速电压的高亮度、高相干度的场发射电子枪透射电镜在特定的离 焦条件(Scherzer 欠焦) 下拍摄的薄晶体高分辨像可以获得直接与晶体原子 结构相对应的结构像。再用图像处理技术, 例如电子晶体学处理方法, 已 能从一张200kV的JEM 2210F 场发射电镜(点分辨本领0.194nm ) 拍摄的分 辨率约0. 2nm 的照片上获取超高分辨率结构信息, 成功地测定出分辨率约 0.1nm 的晶体结构。
半个多世纪以来电子显微学的奋斗目标主要是力求观察更 微小的物体结构、更细小的实体、甚至单个原子, 并获得有 关试样的更多的信息, 如标征非晶和微晶, 成分分布, 晶粒 形状和尺寸, 晶体的相、晶体的取向、晶界和晶体缺陷等特 征, 以便对材料的显微结构进行综合分析及标征研究。近来, 电子显微镜(电子显微学) , 包括扫描隧道显微镜等, 又有了 长足的发展。现仅就使用广泛的透射电镜和扫描电镜,的发展 作一介绍。
(3) 什么是冷冻电子显微镜? 冷冻电子显微镜本质上还是电子显微镜， 特殊的地方在于冷冻,就是在处理样品时,对样品进行快速冷冻.我们知 道用水缓慢冷冻,会产生结晶,而快速冷冻,水就来不及结晶，会产生一种无 序化的玻璃化状态(vitreous ice),生物大分子被固定在这种无序的玻璃化状态， 即保持在某种天然状态. 由于是生物样品处于冷冻状态,所以必须用低温观察以保持,需要冷冻样 品台 ,一般用低于液氮的温度(-160摄氏度).然后记录观察晶体的图象， 记录的图象实际是分子二维的投影,不是分子三维结构，通过计算机图 象处理,得到分子三维结构,继而根据结构进行分析功能,比如对于一个抗体， 可知抗体与抗原的结合的部位,观察结合后发生的变化 . 计算机辅助的电镜控制系统的出现与进步使样品台倾斜角度、欠焦 量以及曝光量等的精确调节和控制成为可能。
TEM cryotransfer holders are mainly used to reduce specimendamage caused by the electron beam and to observe biological macro-molecules in the hydrated state. Sensitive biological and polymer specimens are rapidly frozen, loaded into the cryotransfer holder in a special liquid nitrogen cooled workstation and transferred to the microscope goniometer. Specimens are protected from frost and warming during transfer by a shutter, which totally encloses the specimen. By adding the possibility to rotate the specimen within the holder, it is now possible to take series of through tilt images of known angular relationship, thus improving data for 3D reconstruction. 2D crystals
现代显微技术
电子显微镜的新发展
电子与物质相互作用会产生透射电子, 弹性散射电子, 能量损失电子, 二 次电子, 背反射电子, 吸收电子, X 射线, 俄歇电子, 阴极发光和电动力等 等。 电子显微镜就是利用这些信息来对试样进行形貌观察、成分分析和和结构 测定的。 电子显微镜有很多类型, 主要有透射电镜（简称透射电镜，TEM ) 和扫描 电子显微镜(简称扫描电镜, SEM ) 两大类。扫描透射电子显微镜(简称扫描 透射电镜, STEM ) 则兼有两者的性能。 为了进一步表征仪器的特点, 有以加速电压区分的, 如:超高压(1MV ) 和 中等电压(200—500kV ) 透射电镜、低电压(～ 1kV ) 扫描电镜; 有以电子枪类型区分的, 如场发射枪电镜; 有以用途区分的, 如高分辨电 镜, 分析电镜、能量选择电镜、生物电镜、环境电镜、原位电镜; 有以激发的信息命名的, 如电子探针X 射线微区分析