1、1l南开大学分析化学专业博士南开大学分析化学专业博士l教授，化学院副院长。教授，化学院副院长。l主要从事金纳米材料的光谱特性研究、散射光谱研究以及主要从事金纳米材料的光谱特性研究、散射光谱研究以及稀土元素配合物及其荧光研究。稀土元素配合物及其荧光研究。l在在化学学报化学学报、分析化学分析化学、 Anal. Lett. 、 Talanta等刊物发表论文等刊物发表论文30余篇，余篇，SCI收录收录16篇篇l办公室：文理大楼办公室：文理大楼707l电话：电话：8249248lE-mail: 214章质谱分析法13章：液相色谱12章：气相色谱11章：色谱分析导论10章：伏安法和极谱法9章电解分析和库仑
2、分析法7章电分析引论6章原子吸收及原子荧光分析5章：原子发射光谱法4章：分子发光分析2章：紫外-可见分光光度法3章红外和拉曼光谱1章：光学分析引言仪器分析导言8章电位分析与离子选择性电极3武汉大学 仪器分析北京大学 仪器分析北京大学 李克安 分析化学教程汪尔康 21世纪的分析化学主要参考数目：45678第一章第一章 仪器分析仪器分析绪论绪论本章提要：本章提要：1. 分析化学的任务；分析化学的任务；2. 仪器分析的发展；仪器分析的发展；3. 分析化学分类分析化学分类4. 仪器分析与化学分析的关系仪器分析与化学分析的关系5. 仪器性能及其表征；仪器性能及其表征；6. 仪器分析校正方法；仪器分析校正
3、方法；7. 仪器分析方法的选择；仪器分析方法的选择；8. 如何学习仪器分析？如何学习仪器分析？91. 分析化学是做什么的？分析化学是做什么的？分析化学是研究物质化学组成的分析方法分析化学是研究物质化学组成的分析方法及其理论的一门学科！这句话可展开为：及其理论的一门学科！这句话可展开为：1） What ? 定性分析定性分析(qualitative analysis): 测定样品中原子、分子或官能团的信息（测定样品中原子、分子或官能团的信息（种类、相互之间的连接方式和空间排列方种类、相互之间的连接方式和空间排列方式）；式）；2）How much ? 定量分析定量分析(quantitative an
4、alysis): 测定各成分的含量。测定各成分的含量。102 分析化学的发展分析化学的发展十六世纪：天平十六世纪：天平第一次：二十世纪初第一次：二十世纪初 四大平衡理论四大平衡理论 定量分析定量分析Classical Analytical Chemistry第二次：第二次： 二十世纪三、四十年代，二十世纪三、四十年代， 二战前后，工业二战前后，工业和技术发展的需要和基础，科学技术进步和技术发展的需要和基础，科学技术进步测量待测物质的一些物化性质：电导、电势、光吸收测量待测物质的一些物化性质：电导、电势、光吸收及发射、荷质比、荧光等并开始应用到定量分析中，及发射、荷质比、荧光等并开始应用到定量分
5、析中，出现仪器分析方法出现仪器分析方法 Instrumental Methods of Analysis11第四次：第四次： 二十世纪七十年末信息时代的到来，给仪器二十世纪七十年末信息时代的到来，给仪器分析带来了新的发展。信息科学主要是信息的采集和分析带来了新的发展。信息科学主要是信息的采集和处理。处理。（1）计算机与分析仪器的结合，出现了分析仪器的）计算机与分析仪器的结合，出现了分析仪器的智能化，加快了数据处理的速度。智能化，加快了数据处理的速度。（2 2）联用分析技术已成为当前仪器分析的重要发展方）联用分析技术已成为当前仪器分析的重要发展方向。向。第三次：第三次： 近代微电子技术的发展，促
6、进了高灵敏、近代微电子技术的发展，促进了高灵敏、高准确度和高自动化程度仪器的发展，如高准确度和高自动化程度仪器的发展，如X-射线分析射线分析123. 分析化学分类分析化学分类 经典分析经典分析化学分离：化学分离：沉淀、萃取、蒸馏等分离方法；沉淀、萃取、蒸馏等分离方法；定性方法：定性方法：加入各种试剂，测量待测物（加入各种试剂，测量待测物（analyte, target species）的颜色、熔沸点、气）的颜色、熔沸点、气 味、光学性质（拆射、反射、衍射等味、光学性质（拆射、反射、衍射等 ）以及在不同溶剂中的溶解特性。）以及在不同溶剂中的溶解特性。定量方法：定量方法：重量法、滴定（容量）法重量
7、法、滴定（容量）法 13仪器分析仪器分析仪器分析是以物质的物理和物理化学性质为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。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分析化学的发展方向144、仪器分析和化学分析的关系、仪器分析和化学分析的关系 （1 1）仪器分析与化学分析的联系）仪器分析与化学分析的联系 仪器分析是在化学分析的基础上发展起来的，其仪器分析是在化学分析的基础上发展起来的，其不少原理都
8、涉及到化学分析的基本理论；不少原理都涉及到化学分析的基本理论； 仪器分析离不开化学分析，其不少过程需用到仪器分析离不开化学分析，其不少过程需用到分析化学的理论。分析化学的理论。 15（2 2）仪器分析与化学分析的区别）仪器分析与化学分析的区别 化学分析化学分析仪器分析仪器分析从原理看从原理看根据化学反应计量根据化学反应计量关系关系根据物质的物理或者物理化根据物质的物理或者物理化学性质、参数及变化规律学性质、参数及变化规律从仪器看从仪器看简单玻璃仪器简单玻璃仪器较复杂特殊的仪器较复杂特殊的仪器从操作看从操作看多为手工操作、较多为手工操作、较复杂复杂多为开动仪器开关、操作简多为开动仪器开关、操作简
9、单易自动化单易自动化从试样看从试样看试样量多、破坏性试样量多、破坏性分析分析样品量少、有的为非破坏性样品量少、有的为非破坏性可现场或在线分析可现场或在线分析从应用看从应用看常量的定性、定量常量的定性、定量微量、痕量的组分分析、状微量、痕量的组分分析、状态、结构等分析态、结构等分析16（3 3）仪器分析的特点（与化学分析比较）仪器分析的特点（与化学分析比较）灵敏度高，检出限量可降低灵敏度高，检出限量可降低选择性好选择性好操作简便，分析速度快，容易实现自动化操作简便，分析速度快，容易实现自动化准确度相对较低准确度相对较低5%一般仪器价格较贵，维修使用成本较高。一般仪器价格较贵，维修使用成本较高。3
10、00MHzNMR300MHzNMR约约220220万元万元,800MHzNMR,800MHzNMR价格价格10001000万元人民币万元人民币效率高：效率高：可以一次分析样品中多种元素信息可以一次分析样品中多种元素信息17满足特殊要求满足特殊要求结构分析结构分析 （IRIR结构分析）结构分析）形态和价态分析形态和价态分析 （AsAs的不同形态毒性不同）的不同形态毒性不同）表面与无损分析表面与无损分析文物的分析文物的分析 （1313C C中子活化分析）中子活化分析）金首饰中含金量分析金首饰中含金量分析 （ X-raysX-rays荧光分析）荧光分析）遥控和自动分析（火星探测器中带有多种分析装置）
11、遥控和自动分析（火星探测器中带有多种分析装置）181）灵敏度（）灵敏度（Sensitivity） 反映了仪器或方法识别微小浓度或含量变化的能力，反映了仪器或方法识别微小浓度或含量变化的能力，也就是说，当浓度或含量有微小变化时，仪器或方法均也就是说，当浓度或含量有微小变化时，仪器或方法均可以觉察出来。可以觉察出来。 影响灵敏度的因素有二：影响灵敏度的因素有二：l 校正曲线的斜率；校正曲线的斜率；l 分析的重现性或精密度。分析的重现性或精密度。 International Union of Pure & Applied Chemists，即，即IUPAC推荐使用推荐使用“校正灵敏度校正灵敏度”或者
12、或者“校正曲线斜率校正曲线斜率”作为衡量作为衡量灵敏度高低的标准。灵敏度高低的标准。5. 仪器性能及其表征仪器性能及其表征19010203040506000.10.20.30.40.50.6SS2=k2c+Sblank-2S1=k1c+Sblank-1仪器和方法的灵敏度描述仪器和方法的灵敏度描述 K K1 1 ，k k2 2 分别为两条校正曲线的斜率，即校正灵敏度。但未考虑分别为两条校正曲线的斜率，即校正灵敏度。但未考虑测定重现性影响！（灵敏度表示被测组分的质量或者浓度改变一测定重现性影响！（灵敏度表示被测组分的质量或者浓度改变一个单位时分析信号的变化量）个单位时分析信号的变化量）c20 因此
13、，有人建议以因此，有人建议以“分析灵敏度分析灵敏度(Analytical Sensitivity)”表示，即表示，即 优点：优点：当仪器信号放大时，当仪器信号放大时，k 值增加，灵敏度提高；值增加，灵敏度提高； 但此时但此时 s 也相应增加，从而一定程度地保证了也相应增加，从而一定程度地保证了 灵敏度恒定；灵敏度恒定；缺点：缺点：s 与浓度有关，即灵敏度随浓度而变化！与浓度有关，即灵敏度随浓度而变化！ sk /分析灵敏度212）检测限（）检测限（Detection limit, DL）检测限：检测限：在已知置信水平，可以检测到的待测物的最在已知置信水平，可以检测到的待测物的最 小质量或浓度。它
14、和分析信号（小质量或浓度。它和分析信号（Signal）与）与 空白信号的波动（噪音空白信号的波动（噪音, Noise）有关，或者）有关，或者 说与信噪比（说与信噪比（S/N）有关。）有关。 只有当有用的信号大于噪音信号时，仪器才有可能识别只有当有用的信号大于噪音信号时，仪器才有可能识别有用信号，如下图所示。有用信号，如下图所示。22sb测定次数，测定次数，nSSDL=Sb +k1 sb仪器噪音及方法检出限仪器噪音及方法检出限 K1=3时，可以认为仪器检出的最小信号值时，可以认为仪器检出的最小信号值SDL可能性为可能性为95%23检出限如何计算呢？检出限如何计算呢？ kSSCbDLDL_ 测定空
15、白样品测定空白样品(或浓度接近空白值）或浓度接近空白值）20-30次，求其次，求其 平均值平均值 Sb 及其标准偏差及其标准偏差 sb，则可分辨的最小信号，则可分辨的最小信号kskskCbbDL31bbDLskSS1 通过校正曲线的斜率通过校正曲线的斜率k，将最小待测物信号将最小待测物信号SDL转化转化 为浓度值为浓度值CDL，即，即经统计学的经统计学的 t 和和 F 检验，当检验，当k1=3时，大多数情况下，时，大多数情况下，当检测结果的置信度为当检测结果的置信度为95%。上式可转换为：。上式可转换为：24密切相关灵敏度越高，检出限值越低含意不同 灵敏度是组分信号随组分含量变化的大小（与检测
16、器的放大倍数有直接依赖关系） 检出限是定量分析方法可能检测的最低量或者最低浓度（与测定噪声直接相关联，而且具有明确的统计意义）提高测定精密度，降低噪声，可以改善检出限。25任何测量值均由两部分组成：信号及噪音。任何测量值均由两部分组成：信号及噪音。信号（信号（S）：反映了待测物的信息反映了待测物的信息;噪音（噪音（N）：降低分析的灵敏度。降低分析的灵敏度。增加噪音，检测限提高，灵敏度下降。多数情况下，增加噪音，检测限提高，灵敏度下降。多数情况下，N恒定，与恒定，与S大小无关。大小无关。较小测量信号，测量的相对误差将增加。较小测量信号，测量的相对误差将增加。 3）信噪比（）信噪比（signal-
17、to-noise ratio, S/N）26 因此信噪比因此信噪比S/N是恒量仪器性能和分析是恒量仪器性能和分析方法好坏最为有效的指标！方法好坏最为有效的指标！RSD1 sxNS标标准准偏偏差差平平均均值值当当S/N3时，分析信号将很难测定。时，分析信号将很难测定。27 化学噪声：化学噪声：分析体系中难以控制的化学因素分析体系中难以控制的化学因素。 化学反应中温度和压力等参数的变化和波动；化学反应中温度和压力等参数的变化和波动； 相对湿度导致样品含水量的不同；相对湿度导致样品含水量的不同； 粉状固体粒度不均；粉状固体粒度不均； 光敏材料产生的光密度不均；光敏材料产生的光密度不均； 实验室烟尘与
18、样品或试剂作用的随机性；等等实验室烟尘与样品或试剂作用的随机性；等等。噪声的来源噪声的来源28 仪器噪声仪器噪声 仪器的光仪器的光(电电)源、输入源、输入(出出)转换器、信转换器、信号处理单元等都是仪器噪声的来源。所用仪号处理单元等都是仪器噪声的来源。所用仪器的每个部分都可产生不同类别的噪声。通器的每个部分都可产生不同类别的噪声。通常将仪器噪声分为常将仪器噪声分为4类：类： 29热噪声（热噪声（Thermal, or Johnson, noise） 属于白噪音属于白噪音(white noise)，由元器件中电子或电荷，由元器件中电子或电荷受热激发所产生的噪音信号。由于荷电粒子受激的随受热激发所
19、产生的噪音信号。由于荷电粒子受激的随机性和周期性，因而会导致电荷的不均一，进而使读机性和周期性，因而会导致电荷的不均一，进而使读出的信号发生波动。只有在绝对零度时，该噪音才会出的信号发生波动。只有在绝对零度时，该噪音才会消失。消失。 当电阻当电阻R ，T ，则，则N 。(如如UV二极管阵列检测器二极管阵列检测器在在77K时，其噪音下降一半左右；此外，减少带宽，可时，其噪音下降一半左右；此外，减少带宽，可降低噪音，但同时也会延长响应时间，并降低测定的降低噪音，但同时也会延长响应时间，并降低测定的可靠性。可靠性。30散粒噪声（散粒噪声（Shot noise） 它是由电子或其它荷电粒子通过界面（如它
20、是由电子或其它荷电粒子通过界面（如PN结，光电池或真空管的阴阳极之间）时所结，光电池或真空管的阴阳极之间）时所产生的噪音，亦属白噪音。产生的噪音，亦属白噪音。31 闪变噪声（闪变噪声（Flicker noise） 闪变噪声存在十分普遍，其大小与频率成闪变噪声存在十分普遍，其大小与频率成反比，尤其在低频时（反比，尤其在低频时（100Hz），其对测定的），其对测定的影响更大。有时也称之为影响更大。有时也称之为1/f噪声。产生该噪声噪声。产生该噪声的机制还不很清楚。采用绕线电阻或金属膜式的机制还不很清楚。采用绕线电阻或金属膜式电阻代替含碳型电阻可显著降低该类噪声。电阻代替含碳型电阻可显著降低该类噪声
21、。32 环境噪声（环境噪声（Environmental noise） 环境噪声来自于周围环境的各个方面。由环境噪声来自于周围环境的各个方面。由于仪器的每个部分都可以看作是一个天线，于仪器的每个部分都可以看作是一个天线，一种可接收各种辐射的接收器。而环境中存一种可接收各种辐射的接收器。而环境中存在在大量的电磁辐射：交流电线、收音机、在在大量的电磁辐射：交流电线、收音机、TV台、马达电刷、引擎点火系统等。台、马达电刷、引擎点火系统等。 33硬件方法硬件方法：接地和屏幕、差分放大器、模拟滤：接地和屏幕、差分放大器、模拟滤 波、频率调制方法、断续放大或切波、频率调制方法、断续放大或切 光器、闭锁装置放
22、大等光器、闭锁装置放大等软件方法软件方法：总体平均、方脉冲平均、数字滤波等：总体平均、方脉冲平均、数字滤波等其它方法其它方法：噪声数据平滑、谱库比较、谱峰识别：噪声数据平滑、谱库比较、谱峰识别 技术技术消除噪声方法消除噪声方法34动态范围动态范围CDLLOLLOQ浓度，浓度，c响响应应信信号号S4）动态范围（）动态范围（Dynamic range）CDL=检测限；检测限；LOQ (limit of quantitation)定量低限定量低限, LOQ=10 sblankLOL=limit of linear response, 线性响应高限。线性响应高限。通常的分析方法，其线性动态范围通常的分
23、析方法，其线性动态范围LOL/LOQ至少要达到至少要达到2个数量级。个数量级。355） 选择性选择性定义：定义：样品基体中其它组份对待测物的干扰程度样品基体中其它组份对待测物的干扰程度 在分析中，没有哪种测定不受到诸多因素的干扰，在分析中，没有哪种测定不受到诸多因素的干扰，换句话说，分析的过程就是消除或减少干扰对测定影响换句话说，分析的过程就是消除或减少干扰对测定影响的过程，也就是提高分析选择性的过程。的过程，也就是提高分析选择性的过程。 通常用选择性系数来反应仪器或方法的选择性，但通常用选择性系数来反应仪器或方法的选择性，但该应用并不多，只是在该应用并不多，只是在ISE分析中用到选择性系数分
24、析中用到选择性系数 366. 仪器分析校正方法仪器分析校正方法 所谓校正所谓校正(Calibration)，就是将仪器分，就是将仪器分析产生的各种信号与待测物浓度联系起来析产生的各种信号与待测物浓度联系起来的过程。除重量法和库仑法之外，所有仪的过程。除重量法和库仑法之外，所有仪器分析方法都要进行器分析方法都要进行“校正校正”。 校正方法有三：校正方法有三： 标准曲线法；标准曲线法；标准加入法；标准加入法；内标法。内标法。371）标准曲线法）标准曲线法（Calibration curve，Working curve, Analytical curve） 具体做法分三步：具体做法分三步： 准确配制
25、已知浓度的待测物标准系列溶液准确配制已知浓度的待测物标准系列溶液: 0(空白空白)，c1，c2，c3，c4.； 通过仪器分别测量以上各溶液中待测物的响应值通过仪器分别测量以上各溶液中待测物的响应值S0，S1，S2，S3，S4及样品溶液中待测物的响应值及样品溶液中待测物的响应值Sx； 以响应信号以响应信号S对浓度对浓度c作图得到标准曲线，然后通过作图得到标准曲线，然后通过测得的测得的Sx从下图中求得从下图中求得cx；或者通过线性回归法获得其；或者通过线性回归法获得其线性方程再将线性方程再将Sx代入其方程计算出代入其方程计算出cx 。38S440cx 0.0520浓度，浓度，cSS2S3S10.0
26、0.20.40.60.81.01.230Sx标准曲线法的准确性与两个因素有关：标准物浓度配标准曲线法的准确性与两个因素有关：标准物浓度配制的准确性；标准基体与样品基体的一致性。制的准确性；标准基体与样品基体的一致性。392）标准加入法）标准加入法（Standard addition method） 具体做法：具体做法： 将一系列已知量待测物分别加入到几等份的样品中，配将一系列已知量待测物分别加入到几等份的样品中，配制成浓度为制成浓度为(cx+0), (cx+c1), (cx+c2), (cx+c3). 和样品有相和样品有相同基体的标准系列溶液同基体的标准系列溶液(加标，加标，spiking)；
27、 通过仪器分别测量以上系列溶液的响应值通过仪器分别测量以上系列溶液的响应值S0，S1，S2，S3，S4；以响应信号以响应信号S对浓度对浓度c作图，再将直线外推与浓度轴相交于作图，再将直线外推与浓度轴相交于一点一点(下图下图)，求得样品中待测物浓度，求得样品中待测物浓度cx。 40cx0.00.20.0102030-10浓度，浓度，cSS2S3S4S10.40.60.81.01.2 当样品量很少时，可在一份样品中加标，加一次作一次测量，可得到上述当样品量很少时，可在一份样品中加标，加一次作一次测量，可得到上述 方法相同的结果；方法相同的结果； 当觉得上述过程麻烦时，可只加标一次，分别测量样品和加
28、标样品的仪器当觉得上述过程麻烦时，可只加标一次，分别测量样品和加标样品的仪器 响应，再直接通过公式进行计算。响应，再直接通过公式进行计算。 优点优点：基体：基体(matrix)相近，或者说基体干扰相同；相近，或者说基体干扰相同； 缺点缺点：麻烦，适于小数量的样品分析。：麻烦，适于小数量的样品分析。413） 内标法内标法（Internal standard method） 该法可以说是上述两种校正曲线的改进。可用于该法可以说是上述两种校正曲线的改进。可用于克服或减少仪器或方法的不足等引起的随机误差或系克服或减少仪器或方法的不足等引起的随机误差或系统误差。统误差。具体作法：具体作法： 寻找一种物质
29、或内标物，该内标物必须是样品中大量存寻找一种物质或内标物，该内标物必须是样品中大量存在的或完全不存在的。然后，在所有样品、标准及空白中在的或完全不存在的。然后，在所有样品、标准及空白中加入相同量的上述内标物；加入相同量的上述内标物； 分别测量样品及标准中待测物及内标物的响应值，然后分别测量样品及标准中待测物及内标物的响应值，然后以以Sx/Si比值对浓度比值对浓度c作图；作图； 按前述校正方法获得按前述校正方法获得cx。42说明：说明： 当待测物与内标物的响应值的波动一致时，当待测物与内标物的响应值的波动一致时，其比值可抵消因仪器信号的波动和操作上的不一其比值可抵消因仪器信号的波动和操作上的不一
30、致所引起的测定误差；致所引起的测定误差；例如：例如：Li可作为血清中可作为血清中K，Na测定的内标物（测定的内标物（Li与与K，Na性质相似，但在血清中不存在）。性质相似，但在血清中不存在）。 但寻找合适的内标物（与待测物性质相似而但寻找合适的内标物（与待测物性质相似而且仪器可以识别各自的信号），或重复引入内标且仪器可以识别各自的信号），或重复引入内标物往往有一定的困难，因此，寻找合适内标物是物往往有一定的困难，因此，寻找合适内标物是十分费时的。十分费时的。43 现代仪器分析方法迅速发展，应用互相交叉，要现代仪器分析方法迅速发展，应用互相交叉，要正确选择一个分析正确选择一个分析 方法需要对分析
31、方法及分析对象有方法需要对分析方法及分析对象有一个较好的了解，否则就是盲人骑瞎马，不知可否了一个较好的了解，否则就是盲人骑瞎马，不知可否了对样品的了解对样品的了解（1）准确度、精密度要求；）准确度、精密度要求；（2）可用样品量；）可用样品量；（3）待测物浓度范围；）待测物浓度范围；（4）可能的干扰；）可能的干扰；（5）样品的物化性质；）样品的物化性质；（6）多少样品（经济）。）多少样品（经济）。7 7、仪器分析方法的选择、仪器分析方法的选择44对方法的要求：对方法的要求：（1）精密度）精密度 绝对偏差，相对偏差，绝对偏差，相对偏差，RSD （相对标准偏差（相对标准偏差变异系数变异系数)（2）准
32、确度）准确度 系统误差，系统误差， 相对误差相对误差（3）灵敏度）灵敏度 校正曲线灵敏度，分析灵敏度校正曲线灵敏度，分析灵敏度（4）检出限）检出限 （S/N=3）（5）浓度范围）浓度范围 定量限于线性检测线定量限于线性检测线（6）选择性）选择性 选择性系数选择性系数45其它方法学的特性：其它方法学的特性：（1）分析速度；）分析速度；（2）易操作性；）易操作性；（3）操作者熟练程度的要求；）操作者熟练程度的要求；（4）仪器成本；）仪器成本；（5）每个样品分析的成本；）每个样品分析的成本；（6）环境代价。）环境代价。468. 如何学习仪器分析？如何学习仪器分析？（1）掌握方法的基本原理，了解方法可）掌握方法的基本原理，了解方法可 提供的信息。提供的信息。 （2）了解仪器的结构，方框图。）了解仪器的结构，方框图。（3）掌握分析方法、应用和数据处理）掌握分析方法、应用和数据处理47
