仪器分析与光学知识

仪器分析与光学知识

德信诚培训教材

序言

教材全文注重仪器分析的基本方法、基本理论、基本仪器和基本应用的教学。主要内容包括对IEC62321测试方法中所提到的几种测试仪器的基本原理、测试方法的基本原理、优缺点，测试仪器的基本组成部分以及仪器分析基本情况进行阐述。

本教材旨在为对仪器分析知识感兴趣，对目前ROHS规定以及IEC62321所采用的几种有害物质的测试方法有一定了解，存在一些疑问，同时愿意对以上疑问进行学习了解的读者编写。由于编者的水帄有限，教材缺点和错误在所难免，诚恳希望各位读者批评指正。

第一部分绪论

第一节仪器分析简介

一、仪器分析和化学分析

分析化学是化学测量和表征的科学。所谓化学测量，是指获取指定体系中有关物质的质、量和机构等各种信息，而表征则是精确地描述其成分、含量、价态、状态、结构和分布等特

征。获取信息和进行表征的方法多种多样，可以分为仪器分析和化学分析两类。

化学分析是以物质化学反应为基础的分析方法。仪器分析是以物质的物理化学性质（光、电、热）为基础的分析方法，这类方法一般需要使用比较复杂的仪器。

从本质上讲，化学分析和仪器分析并没有严格的界线。化学分析测量的信号，如定性分析中物质的颜色、状态，以及定量分析中物质的质量、体积等都是物质的物理性质；而仪器分析的方法也需要用到许多化学反应，如光度分析中的显色反应，极谱分析中的电化学反应以及大多数仪器分析方法中的试样处理及分离过程中各种化学反应等。但是，二者也具有一些明显的差异。

（1）仪器分析法有较强的检测能力，可以方便的用于痕量组分（＜0.01%）的测定；化学分析法的检测能力较差，只能用于常量组分（＞1%）及微量组分（0.01%～1%）的分析。

（2）仪器分析方法的取样量一般较少，可用于微量分析（0.1～1.0mg或0.01～1ml）和超微量分析（＜0.1mg或＜0.01ml）。化学分析取样量较大，只能用于常量分析（＞0.1g或＞10ml）和半微量分析（0.01～0.1g或1～10ml）。

（3）仪器分析法有很高的分析效率，化学分析法的效率较低。

（4）仪器分析具有更广泛的用途。仪器分析不但可用于成分分析，还可进行价态，状态及结构分析，无损分析，表面、微区分析，在线分析和活体分析。而化学分析法一般只能用于离线的成分分析。

（5）仪器分析法的准确度一般不如化学分析法。化学分析的相对误差小于0.2%，而仪器分析的相对误差通常为1%～5%，有的甚至大于10%。然而，组成的含量不同，对分析的准确度要求不同，大多数仪器分析法的准确度虽达不到常量分析的要求，但对于化学分析无法进行的痕量分析和超痕量分析仍能满足对准确率的要求。

(6)仪器分析的仪器设备一般比较复杂，价格比较昂贵；而化学分析使用的仪器一般都比

较简单。

二、仪器分析方法

仪器分析的方法种类繁多，现已有三四十种，新的方法还在不断地出现。各种方法都有相对独立的物理及物理化学原理。根据测量原理和信号特点，仪器分析方法大致分为光学分析法、电化学分析法色谱法和其它仪器分析法四大类。

（一）光学分析法

凡是以电磁辐射为测量信号的分析方法均为光学分析法。光学分析法又分为光谱法和非光谱法。

光谱法是依据物质对电磁辐射的吸收、发射和拉曼散射等作用建立的光学分析法。属于这类方法的有原子发射光谱法、原子吸收光谱法，原子荧光光谱法、X 射线荧光法、紫外和可见吸收光谱法、红外光谱法、荧光法、磷光法、化学发光法、拉曼光谱法、核磁共振波谱法和电子能谱法等。

非光谱法是依据辐射作用于物质后，其反射、折射、衍射、干涉或偏振等基本性质的变化建立的光学分析法。属于这类方法的有折射法、干涉法、浊度法、旋光法、X射线衍射法等。

（二）电化学分析法

电化学分析法是根据物质在溶液中的电化学性质建立的一类分析方法。属于电化学分析法的有电导法、电位法、电解法、库仑法、伏安法和极谱法。

（三）色谱法

色谱法是以物质在两相（流动相和固定相）中分配比的差异而进行分离和分析的方法，包括气相色谱法和液相色谱法两类。色谱法舆各种现代仪器分析方法连用，是解决复杂物质中各组分分离测定的有途径。

（四）其它仪器分析方法

1质谱法质谱法是根据物质带电粒子的质荷比（质量舆电荷的比值）在电磁场作用下进行定性、定量和结构分析的方法，它是研究有机化合物结构的有力工具。

2热分析法热分析法是依据物质的质量、体积、热导、反应热等性质舆温度之间的动态关系来进行分析的方法。热分析法可用于成分分析，但更多地用于热力学、动力学和化学反应机理等方面的研究。热重法、差热分析法以及示差扫描量热法等是主要的热分析方法。

3放射分析法放射分析法是依据物质的放射性辐射来进行分析的方法。它包括同位素稀释法、中子活化分析法等。

第二節定量分析方法的评价指针

定量分析是仪器分析的主要任务之一。对于一种定量分析方法，一般用精密度、准确度、检出限、灵敏度、标准曲线的线性及线性范围等项指针进行评价。

一、标准曲线

（一）标准曲线及其线性范围

定量分析普遍使用的方法是标准曲线法。标准曲线是被测物质的浓度或含量舆仪器响应的曲线。

标准曲线的直线部分所对应的被测物质浓度（或含量）的范围称为该方法的线性范围。选择的分析方法应有较宽的线性范围。

（二）相关系数

在分析化学上，相关系数是用来表征被测物质浓度（或含量）x与其响应信号值y之间线性关系好坏程度的一个统计参数。

（三）灵敏度

物质单位浓度或单位质量的变化引起响应信号值变化的程度，成为方法的灵敏度，用S

表示。灵敏度也就是标准曲线的斜率。标准曲线的斜率越大，方法的灵敏度越高。许多方法的灵敏度随实验条件而变化。所以，现在一般不用灵敏度作为方法的评价指针。

（四）精密度

精密度是指使用同一方法，对同一试样进行多次测量所得测量结果的一致程度。同一分析人员在同一条件下测量结果的精密度又称为重复性；不同实验室所得测量结果的精密度又称为再现性。

精密度常用测定结果的标准偏差s或相对标准偏差（s r）量度。

精密度是测量中随机误差的量度。一个好的方法应有比较好的精密度。

（五）准确度

试样含量测量的测试值舆试样含量的真实值（或标准值）相符合的程度称为准确度。准确度常用相对误差量度。

准确度是分析过程中系统测量误差和随机误差的综合反映，它决定着分析结果的可靠程度。方法有较好的精密度并且消除了系统误差后，才有较好的准确度。

（六）检出限

某一方法在给定的置信水帄上可以检出被测物质的最小浓度或最小质量，称为这种方法对该物质的检出限，以浓度表示的称为相对检出限，以质量表示的称为绝对检出限。检出限表明被测物质的最小浓度或最小质量的响应信号可以舆空白信号相区别。

方法的灵敏度越高，精密度越好，检出限就越低。检出限是方法灵敏度和精密度的综合指针，它是评价仪器性能及分析方法的主要技术指针。

评价一个分析方法还有一些其它指针，如选择性、分析效率、多组分同时或连续测定的能力、操作的难易程度、设备及维持费用的高低等，但IUPAC建议将精密度、准确度和检出限作为分析方法的主要评价指针。