1、第一节第一节 仪器分析简介仪器分析简介仪器分析法是通过测定物质的仪器分析法是通过测定物质的光、电、光、电、热、磁等物理化学性质热、磁等物理化学性质来确定其化学组来确定其化学组成、含量和化学结构的分析方法。成、含量和化学结构的分析方法。常量分析、半微量和微量分析常量分析、半微量和微量分析 方 法 试样质量/mg 试液体积/mL常量分析 100 10半微量分析 10100 110微量分析 0.110 0.11超微量分析 0.1 0.01仪器分析的特点仪器分析的特点（与化学分析比较） 灵敏度高，检出限量可降低：样品用量由化学分析的mL、mg级降低到g、L级，甚至更低。适合于微量、痕量和超痕量成分的测
2、定。 选择性好：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。 相对误差较大：化学分析一般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关系 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
3、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。仪器分析是在化学分析基础上的发展 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。这些仪器方法在化学学科中极其重要，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。仪器分析与化学分析关系仪器分析与化学分析关系发展中的仪器分析发展中的仪器分析 20世纪4050年代兴起的材料科学，60 70年代发展起来的环境科学都促进了分析化学学科的发展。80年代以来，生命科学的发展也促进分析化学一次巨大的发展。如生命科学研究的进展，需要对多
4、肽、蛋白质、核酸等生物大分子进行分析，对生物药物分析，对超微量生物活性物质，如单个细胞内神经传递物质的分析以及对生物活体进行分析。 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。它使许多以往难以完成的任务，如实验室的自动化，图谱的快速检索，复杂的数学统计可轻而易举地完成。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处理。信息的采集和变换主要依赖于各类的传感器。这又带动仪器分析中传感器的发展，出现了光导纤维的化学传感器和各种生物传感器。发展中的仪器分析发展中的仪器分析 联用分析技术已成为当前仪器分析的重要发展方向。将几种方法结合，特别是分离方法（如
5、色谱法）和检测方法（红外光谱法、质谱法、核磁共振波谱法、原子吸收光谱法等）的结合。 1.气相色谱质谱法（GC-MS） 2.气相色谱质谱法质谱法（GC-MS-MS） 3.气相色谱原子发射光谱法（GC-AED） 4.液相色谱质谱法（LC-MS）发展中的仪器分析发展中的仪器分析Lab-on-a-chip : smaller, cleaner, cheaper, faster光度分析基本原理光度分析基本原理光学分析法光学分析法光谱法光谱法非光谱法：旋光法、折射法非光谱法：旋光法、折射法作用物：分子光谱、原子光谱作用物：分子光谱、原子光谱波长：波长：X-射线光谱、紫外、红射线光谱、紫外、红外光谱等。外光
6、谱等。转换方向：吸收光谱、发射光谱转换方向：吸收光谱、发射光谱 电磁波谱和光谱电磁波谱和光谱紫外线紫外线X- -射线射线红外线红外线微波微波无线电波无线电波伽玛射线伽玛射线红红 橙橙 黄黄 绿绿 青青 蓝蓝 紫紫 400nm 760nm 可可 见见 光光可见光可见光10-3 nm103 m光的性质与物质的颜色光的性质与物质的颜色单色光单色光复合光复合光光的互补光的互补单一波长的光单一波长的光由不同波长的光组合而成的光由不同波长的光组合而成的光 若两种不同颜色的单若两种不同颜色的单色光按一定的强度比例混色光按一定的强度比例混合得到白光，那么就称这合得到白光，那么就称这两种单色光为互补色光，两种单
7、色光为互补色光，这种现象称为光的互补这种现象称为光的互补单色光、复合光、光的互补单色光、复合光、光的互补紫紫绿绿蓝蓝黄黄青蓝青蓝橙橙红红青青白光白光 溶液对光的吸收溶液对光的吸收溶液的颜色与光的关系溶液的颜色与光的关系完全吸收完全吸收完全透过完全透过吸收黄色光吸收黄色光光谱示意光谱示意表观现象示意表观现象示意复合光复合光溶液溶液用不同波长的单色光作入射光，按波长由短到长的顺用不同波长的单色光作入射光，按波长由短到长的顺序依次通过同一溶液，测得与各波长相对应的吸光度序依次通过同一溶液，测得与各波长相对应的吸光度A ，以，以A为纵坐标，波长为纵坐标，波长 为横坐标作图，所得曲线即为横坐标作图，所得
8、曲线即为该溶液的为该溶液的吸收曲线（吸收曲线（吸收光谱）吸收光谱） 吸收光谱中与吸收吸收光谱中与吸收峰值相对应的波长称为峰值相对应的波长称为最大吸收波长，最大吸收波长， maxmax max=515 nm A480 520 560nm 吸收曲线吸收曲线KMnO4溶液的光吸收曲线溶液的光吸收曲线 (cKMnO4: abc105： 超高灵敏超高灵敏 = (610）104 ：高灵敏：高灵敏 = (26）104 ：中等灵敏：中等灵敏 2104：不灵敏不灵敏（6 6）在数值上等于浓度为在数值上等于浓度为1mol/L、液层厚、液层厚度为度为1cm时该溶液在某一波长下的吸光度。时该溶液在某一波长下的吸光度。
9、 例题例题 有一含铁浓度为有一含铁浓度为1mg/L的溶液，以的溶液，以邻二氮菲法测定铁，比色皿厚度为邻二氮菲法测定铁，比色皿厚度为2cm ，在在508nm测得吸光度为测得吸光度为0.380，计算摩尔吸，计算摩尔吸光系数。光系数。解：铁的原子量为解：铁的原子量为55.85,则则 CFe=1.010-3/55.85=1.810-5 mol L-1 =A/bc = 0.380 / 21.810-5 = 1.1104 L mol -1 cm-1 0.575光源光源单色器单色器样品吸收池样品吸收池检测器检测器指示器指示器光源：光源：发出所需波长范围内的连续光谱，有足发出所需波长范围内的连续光谱，有足够的
10、光强度够的光强度, ,稳定。稳定。u 热光源：热光源：钨灯，碘钨灯钨灯，碘钨灯(350(3502500nm)2500nm) 可见光可见光 u 气体放电光源：气体放电光源：氢灯，氘灯氢灯，氘灯(150(150400nm)400nm) 紫外区紫外区单色器：单色器：将光源发出的连续光谱分解为单色光的将光源发出的连续光谱分解为单色光的装置。装置。 棱镜棱镜: :玻璃玻璃3503503200nm, 3200nm, 石英石英1851854000nm4000nm 光栅光栅: :波长范围宽波长范围宽, , 色散均匀色散均匀, ,分辨性能好分辨性能好, , 使用方便使用方便入口狭缝入口狭缝准直透镜准直透镜色散元
11、件色散元件（棱镜）（棱镜）聚焦透镜聚焦透镜出口狭缝出口狭缝白光白光红红紫紫1 12 2800 600 500400光栅：光栅：在镀铝的玻璃表面刻有数量很大的等宽在镀铝的玻璃表面刻有数量很大的等宽度等间距条痕度等间距条痕(600、1200、2400条条/mm )。波波长范围宽长范围宽, 色散均匀色散均匀,分辨性能好分辨性能好, 使用方便使用方便原理：原理：利用光通过光栅时利用光通过光栅时发生衍射和干涉现象发生衍射和干涉现象而分光而分光. .M1M2出出射射狭狭缝缝光屏光屏透透镜镜平面透平面透射光栅射光栅光栅衍射示意图光栅衍射示意图吸收池吸收池：( (比色皿比色皿) )用于盛待测及参比溶液。用于盛
12、待测及参比溶液。 可见光区：光学玻璃池可见光区：光学玻璃池 紫外区：石英池紫外区：石英池检测器：检测器：利用光电效应，将光信号转换成利用光电效应，将光信号转换成电信号。电信号。 光电管光电管 光电倍增管光电倍增管指示器：指示器：低档仪器：低档仪器：刻度显示刻度显示 中高档仪器：中高档仪器：数字显示，自动扫描记录数字显示，自动扫描记录（1 1）按波长类别和光束类别分类）按波长类别和光束类别分类 分光光度计的类型分光光度计的类型 (2) (2) 按工作波长范围分类按工作波长范围分类可见分光光度计可见分光光度计紫外及可见分光光度计紫外及可见分光光度计近红外、红外分光光度计近红外、红外分光光度计721
13、型型751型型（一）测定条件的选择（一）测定条件的选择测量方法测量方法分光光度法的误差偏离朗伯-比尔定律仪器测量误差谱带宽度过大（单色光纯度小）、待测组分浓度过高、化学反应的影响、pH值的影响、杂质的影响、光散射的影响光电池灵敏性差、光源不稳定、读数不准等1 1、显色剂的选择条件、显色剂的选择条件u 选择性好选择性好u 灵敏度高灵敏度高u 生成的化学物质有确定的组成和稳定生成的化学物质有确定的组成和稳定 的化学性质的化学性质u 显色剂在测定波长处无明显吸收显色剂在测定波长处无明显吸收u 显色反应条件易于控制，重现性好显色反应条件易于控制，重现性好2 2、影响显色反应的因素、影响显色反应的因素u
14、 显色剂的用量显色剂的用量选择曲线变化平坦处作为显色条件。选择曲线变化平坦处作为显色条件。吸光度吸光度A与显色剂用量与显色剂用量cR关系曲线关系曲线c cR Rc cR Rc cR RA AA AA Au 控制溶液的酸度控制溶液的酸度 在相同实验条件下，分别测定不同在相同实验条件下，分别测定不同pHpH值值条件下显色溶液的吸光度。选择曲线中吸光条件下显色溶液的吸光度。选择曲线中吸光度较大且恒定的平坦区所对应的度较大且恒定的平坦区所对应的pHpH范围。范围。pHA A吸光度与吸光度与pHpH关系曲线关系曲线u 控制显色温度和时间控制显色温度和时间 显色反应一般在室温下进行，有的反应显色反应一般在
15、室温下进行，有的反应需加热，应通过实验找出适宜的温度范围。需加热，应通过实验找出适宜的温度范围。 实际工作中，作实际工作中，作 A t 曲线和曲线和A T 曲线，曲线，寻找适宜反应时间和反应温度。寻找适宜反应时间和反应温度。AtATl分析条件的选择分析条件的选择1 1、波长的选择、波长的选择 一般应该选择一般应该选择max为入射光波长。但如为入射光波长。但如果果max处有共存组分干扰时，则应考虑选择处有共存组分干扰时，则应考虑选择灵敏度稍低但能避免干扰的入射光波长。灵敏度稍低但能避免干扰的入射光波长。无干扰，选择无干扰，选择 max有干扰有干扰A A 2 2、控制适当的吸光度范围、控制适当的吸
16、光度范围不同的透光度读数，产生的误差大小不同：不同的透光度读数，产生的误差大小不同： lgT =bc微分：微分：dlgT = 0.434dlnT = 0.434T -1 dT =b dc两式相除得：两式相除得： dc/c = （ 0.434 / TlgT ）dT 以有限值表示可得：以有限值表示可得： c/c =（0.434 / TlgT）T 浓度测量值的相对误差（浓度测量值的相对误差（c/c）不仅与仪）不仅与仪器的透光度误差器的透光度误差T 有关，而且有关，而且与其透光度读与其透光度读数数 T 的值也有关。的值也有关。是否存在最佳读数范围？何值时误差最小？是否存在最佳读数范围？何值时误差最小？
17、最佳读数范围与最佳值最佳读数范围与最佳值 设设 T =1%，则可绘出则可绘出溶液浓度相对误差溶液浓度相对误差c/c与其与其透光度透光度T 的关系曲线。如图的关系曲线。如图所示：所示：当当T =1%，T 在在20%65%之间时，浓度相之间时，浓度相对误差较小，对误差较小，最佳读数范围最佳读数范围。用仪器测定时应尽量使溶液透光度值在用仪器测定时应尽量使溶液透光度值在 T%=2065% (吸光度吸光度 A =0.700.20)可求出浓度相对误差最小时的透光度可求出浓度相对误差最小时的透光度Tmin为：为： Tmin36.8%, Amin0.4343、选择适当的参比溶液内含溶剂、显色剂以及其他进内含溶
18、剂、显色剂以及其他进行显色反应必要的试剂行显色反应必要的试剂测定吸光度值并归零测定吸光度值并归零测定实例：测定实例：铁含量的计算铁含量的计算 1标准曲线的绘制标准曲线的绘制 吸取吸取250mg/L铁标准溶液铁标准溶液0.00、2.0、4.0、8.0、16.00ml，分别注入，分别注入50ml容量瓶中，加盐酸羟胺，加邻二氮容量瓶中，加盐酸羟胺，加邻二氮菲，定容，测定吸光度，绘制标准曲线。菲，定容，测定吸光度，绘制标准曲线。 2样品的测定样品的测定 试样经处理，配成在具有线性关系范围内的质量浓度试样经处理，配成在具有线性关系范围内的质量浓度，取，取1.00ml试样溶液，加盐酸羟胺，加邻二氮菲，定容
19、，试样溶液，加盐酸羟胺，加邻二氮菲，定容，测定吸光度。测定吸光度。 3铁含量的计算铁含量的计算 从测定的吸光度值，在标准曲线上找出样品的质量浓从测定的吸光度值，在标准曲线上找出样品的质量浓度，根据样品溶液稀释的倍数，求出样品中铁的含量。度，根据样品溶液稀释的倍数，求出样品中铁的含量。example这就是空白这就是空白溶液！溶液！测定实例1：紫外吸收法测定蛋白质含量:由于蛋白质中酪氨酸，色氨酸和苯丙氨酸含有共轭双键，多数蛋白质在280nm波长处有最大吸收，一定范围内，蛋白质溶液的光吸收值与其含量成正比，可用于测定蛋白质的含量。准确性较差（1）若蛋白不含酪氨酸，色氨酸和苯丙氨酸，则无法检测；（2）
20、若样品不纯，含有嘌呤、嘧啶等吸收紫外光的物质，会出现干扰example在260nm波长处进行校正。 A280/A260 大约为2时，核酸含量可忽略Akta explorer高压层析系统紫外在线检测应应 用用 实实 例例Folin-phenol法法（LowryLowry法）法）测定蛋白质含量测定蛋白质含量操作简便，迅速，不需特殊仪器设备，灵敏度高，操作简便，迅速，不需特殊仪器设备，灵敏度高，较紫外吸收法灵敏较紫外吸收法灵敏10-20倍，倍， SummaryLambert-BeerLambert-Beer定律：定律：A A = = kbckbc可见光与光的互补可见光与光的互补紫外紫外- -可见分光光度计的结构可见分光光度计的结构
