分析化学中的仪器方法

第1章绪论

§1-1 分析化学中的仪器方法

分析化学是提供物质中元素或化合物组成的科学和技术。它是通过测量与待测组分有关的某种化学与物理性质获得物质的定性和定量结果。定性分析方法是获得试样中原子、分子或功能基的有关信息。而定量分析方法是获得试样中一种或多种组成的相对含量。通常可把分析化学方法分为两大类，即经典分析和仪器分析方法。经典分析方法也称为湿化学方法，出现较早；而仪器分析方法则是近一个多世纪以来出现的方法。早期化学工作者是采用沉淀、萃取或蒸馏分离出待测物后，再进行测定。就定性分析而言，是将分离后的组分用试剂处理，然后通过颜色、沸点、熔点，以及在一系列溶剂中的溶解度、气味、光学活性或折光指数等性质来识别它们。对定量分析来说，是通过测定质量或用滴定的方式来测定被分析物质的量。重量法是测定被分析物质量或由被分析物产生的某种组分的质量。在滴定操作中，测定与被分析物完成反应所需用的标准试剂的体积或质量。这些经典的分析方法虽然至今仍在应用，然而随着时间的推移及仪器分析方法的发展，有些方法将逐渐被取代。在20世纪初，化学家们开始利用经典方法还没有运用的现象来解决分析中的一些问题。它们是测定被分析物的物理性质，如：电导、电位、光的吸收或发射、质荷比及荧光等，并开始用于解决无机化学、有机化学和生物化学中的分析问题。此外，高效的色谱法和电泳技术也开始取代了蒸馏、萃取和沉淀，对复杂的混合物分离后，直接进行定性和定量分析。将这些分离和测定的新方法集中起来组成了仪器分析方法。事实上，仪器分析所基于的许多物理现象是近一个多世纪以来就已被发现了的。然而，许多能被化学家应用的物理现象因缺少相对简单的仪器而被延迟。仪器分析与经典的分析方法相比较，具有重现性好、灵敏度高、分析速度快、试样用量少等特点。

值得注意的是，仪器分析虽然不是一门独立的科学，可是这些仪器方法在化学学科中极其重要，它们已不仅单纯地应用于分析的目的，而且还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。

从仪器分析的发展进程来看，由于科学间的相互渗透，特别是一些重大的科学发现，为许多新的仪器分析方法的建立和发展提供了良好的基础。在建立这些

新的仪器分析方法的过程中，不少科学家因此而获得了诺贝尔物理奖、化学奖或生理医学奖。表1－1列出了与建立现代仪器随着微电子和计算机技术的广泛应用以及物理学、数学、生物学和材料科学等学科的新成就的不断引入，分析化学的内容得到了极大的丰富，现代的分析化学已不再是物质的化学组成和含量的分析方法及其有关的科学，而可以认为它是化学信息的科学，它包括各种化学信息的生产、获得和处理的研究。在这种情况下，作为分析化学重要组成部分的仪器分析，其内容除成分分析外，在很大程度上还应包括结构分析、状态分析、表面分析、微区分析、化学反应有关参数的测定以及为其它学科提供各种有用的化学信息等。毫无疑问，仪器分析不仅是重要的分析测试方法，而且是强有力的科学研究手段。可以预料，随着电子和计算机科学的迅猛发展和分析仪器不断更新，现代仪器分析将会得到更迅速的发展。

§1-2 仪器分析方法

仪器分析的方法不仅很多，而且各种方法往往又有其各自相对独立的原理和体系。根据所测量的特征性质不同，仪器分析方法一般可分为以下几大类。

一、光谱分析法

凡是基于检测能量作用于待测物质后产生的辐射信号或所引起的变化的分析方法均可称为光学光谱分析法，常简称光分析法，它是光谱分析法中的一大类。根据测量的信号是否与能级的跃迁有关，将光分析法分为光谱法和非光谱法。根据能量作用的对象又将光分析法分为原子光谱和分子光谱。

在光谱法中，测量的信号是物质内部能级跃迁所产生的发射、吸收和散射光谱的波长和强度。在表1-2中前两行所列出的方法以及第三行的拉曼光谱属于光谱法，而其它的分析方法均属于非光谱法。非光谱法测量的信号不包含能级的跃迁，它是通过测量电磁辐射某些基本性质（反射、折射、干涉和偏振等）变化的方法。

为了突出光谱分析方法研究的对象，本教材将先介绍以原子为主要研究对象的各种光谱方法，然后介绍以分子为主要研究对象的各种光谱法。并在第二章光谱法导论后，增添了“光学原子光谱法基础”一章，介绍以电磁辐射为基础的原子光谱的基本理论及其具有的共性内容。

从广义的光谱概念来说，质谱法以及与表面分析有关的各种谱法都可属于光谱分析的范畴。

质谱法是根据离子或分子离子的质量与荷质比来进行分析的方法。它们主要用于定性分析、定量分析、同位素分析及有机物的结构测定等。以电感耦合等离子体光源（ICP）等为激发光源的原子发射光谱作为质谱仪的离子源，形成了分析无机物的原子质谱法，而以高能粒子束激发无机、有机化合物或生物分子等的质谱法称为分子质谱法。

表1－2 仪器分析方法及其运用的化学和物理性质

二、电分析化学方法

电分析化学方法是根据物质在溶液中的电化学性质及其变化来进行分析的方法。这类方法测量的是电信号，即电位、电荷、电流和电阻，如表1－2所示。以测定电阻为基础的电导分析法因其选择性较差，应用范围较小，本教材将不作详细介绍。

三、其它仪器分析方法

㈠热分析法

热分析法是测定某些性质，如质量、体积、热导或反应热与温度之间的动态关系，可用于成分分析，但更多的用于热力学和化学反应机理等方面的研究。在表1－2中列出了热分析法中的主要分析方法。

㈡放射化学分析法

放射化学是利用核衰变过程中所产生的放射性辐射来进行的方法。如籍助于核反应产生放射性同位素的分析方法称为放射化学分析法。如在这样中加入放射性同位素进行测定的方法则称为同位素稀释法。放射性同位素作为示踪原子应用于生物和化学的研究。

四、分离方法

除在表1-2中所列出的方法外，还有一类仪器方法是用来分离和分析那些在结构、性质上十分相近的化合物。它主要基于色谱法和电泳技术。在表1－2中所列出的许多性质，如热导、对紫外和红外辐射的吸收、折光指数以及电导等，通常是用在色谱分离后完成定性和定量分析。事实上，将色谱法与各种现代仪器方法联用，是解决复杂物质的分离和分析问题的最有效的手段，也是仪器分析的一个重要发展方向。根据色谱法使用洗脱剂的物态不同，可以将其分为气相色谱法、液相色谱法和超临界流体色谱法三大类。

电泳也是一种分离和分析方法。其中应用较广的是毛细管电泳和毛细管电色谱。

§1-3 分析仪器

从广义上讲，分析仪器的作用是把通常不能被人直接检测和理解的信号转变成可以被人检测和理解的形式。因此，我们可以认为分析仪器是被研究体系和科学工作之间的通讯器件。

不同的分析方法对应不同的分析仪器，不管它们的复杂程度如何，分析仪器一般都含有四个基本组件：信号发生器、输入换能器或检测器、信号处理器和输出换能器或读出装臵。信号发生器的作用是从试样组分产生分析信号，它可以是试样本身，但是在许多仪器中，信号发生器都比较复杂，如紫外分光广度计的信号发生器，除了试样以外，还有紫外辐射源、单色器、光束切光器等。检测器是将一种类型的信号转变成另一种类型的信号的器件，如在分光光度计中的光电管，是将光能转变成电能的元件。信号处理器是将从检测器出来的信号进行加工，例如对电信号进行放大、衰减、积分、微分、相加、差减等；也可通过整流使其变为直流信号，或将其转变成交流信号。读出器件是将从处理器的放大信号转变成一种可以被人读出的信号。它的形式有：表头、记录仪、示波器、指针或标尺