1、聚合物近代仪器分析instrument analysis of polymer 绪论（Introduction ）一.近代仪器分析概述二. 聚合物仪器分析概述 一、近代仪器分析概述 仪器分析是分析化学的一个重要部分：1. 概念概念20世纪世纪40年代后：年代后： 仪器分析的大发展时期，确立了仪器分析的地位；仪器分析的大发展时期，确立了仪器分析的地位； 分析化学分析化学 = 化学分析化学分析+仪器分析（为主）仪器分析（为主）；分析化学分析化学:分析化学分析化学是研究获取物质的组成、形态、结构等是研究获取物质的组成、形态、结构等信息及其相关理论的科学；信息及其相关理论的科学；仪器分析是以物质的物理
2、或物理化学性质作为基础的一类分析方法，它的显著特征是以仪器作为分析测量的主要手段。 由于这类方法依据了物质的物理或物理化学性质，因此，亦曾被称为物理和物理化学分析法。仪器分析定义：仪器分析定义：聚合物近代仪器分析方法：P1 仪器分析法的优势p 分析速度快；p 灵敏度高；p 容易实现在线分析和遥控检测； p 易于实现自动化与智能化；p 能获取物质结构、组分价态、 元 素在微区的空间分布等诸多信息；p 操作简便，样品用量少 （尤其是生命科学领域）v按试样用量和操作规模分按试样用量和操作规模分v按分析材料的结构层次分按分析材料的结构层次分v按分析性质分按分析性质分v按研究目的分按研究目的分v按测定原
3、理分按测定原理分续前 常量分析常量分析 半微量分析半微量分析 微量分析微量分析 超微量分析超微量分析S 0.1g , V 10mLS 0.010.1g , V 110LS 0.110mg , V 0.011mLS 0.1mg , V 100 m大晶粒、颗粒集团大晶粒、颗粒集团肉眼、放大镜肉眼、放大镜显微结构显微结构0.2-100 m多晶集团多晶集团光学显微镜光学显微镜亚微观结构亚微观结构10-200 nm微晶集团微晶集团扫描电镜扫描电镜微观结构微观结构 10 nm晶格点阵晶格点阵高分辨电镜高分辨电镜按按分析材料的结构层次分分析材料的结构层次分续前按按研究目标分研究目标分 按分析性质分按分析性质
4、分 定性分析定性分析：鉴定组成 定量分析定量分析：测定含量 1）基于光吸收原理的分析仪器2）基于质量分析原理的仪器）基于质量分析原理的仪器3）基于分离机理的分析仪器）基于分离机理的分析仪器4）基于热、电性能变化的分析仪器等。太阳光太阳光暗暗线线例1原子吸收光谱仪器的产生1）基于光吸收原理的分析仪器的设计暗线是由于大气层中的原子对太阳光选择性吸暗线是由于大气层中的原子对太阳光选择性吸收的结果：收的结果：ECE = h = h基态第一激发态热能气态原子的电子能级跃迁例例2 紫外紫外-可见与红外分光光度计可见与红外分光光度计分子的电子能级跃迁原理： 1. 核自旋核自旋量子数 （I=1/2, 1, 3
5、/2, , I0的磁性核） 2. 核自旋磁能级间距为 射频电磁波几十M到1000MHz 3. 磁性核在静磁场中吸收一定波长（频率）的电磁波，使 体系由基态变成激发态的过程为NMR。例例3 3 核磁共振波谱仪（核磁共振波谱仪（NMRNMR）ECE = h = h基态第一激发态光能基于光吸收的逆过程基于光吸收的逆过程发射型光谱仪发射型光谱仪Au Pb光源光源单色器单色器检测器检测器例 原子发射光谱光（波）谱分析法原子光谱法分子光谱法其它波谱法原子发射光谱法原子吸收光谱法原子荧光光谱法紫外-可见吸收光谱法红外吸收光谱法分子荧光与磷光光谱法化学发光光谱法拉曼光谱法核磁共振与顺磁共振波谱法X-射线光电子
6、能谱与俄歇电子能谱X射线荧光与X射线衍射分析 2）、基于质量分析原理的仪器）、基于质量分析原理的仪器质谱质谱ts例例色谱仪器的产生色谱仪器的产生3）、基于分离原理的仪器分离法色谱分离法电泳分离法气相色谱法液相色谱法超临界流体色谱法毛细管电泳法毛细管电动色谱法目前色谱法已经成为复杂物质分析的目前色谱法已经成为复杂物质分析的主要手段之一，在环境与生命科学中具有重主要手段之一，在环境与生命科学中具有重要的作用。在材料领域亦不可或缺。要的作用。在材料领域亦不可或缺。4)基于热、电、机械性能等机理的仪器o 差示扫描量热仪，o 高频Q表，o 动态热分析仪，扭辫仪o 基于图像法的扫描电镜、透射电镜等o 多种
7、仪器的联合适用分析化学（仪器分析）三要素分析化学（仪器分析）三要素理论对象（问题）技术生产科学技术3.3.仪器分析仪器分析方法的应用方法的应用the application of instrument analysis仪器分析的重要作用仪器分析的重要作用分析化学六面体(1).仪器分析的应用目标：仪器分析的应用目标：当代最富活力的学科之一 材料设计开发 (2).仪器分析应用领域仪器分析应用领域 application fields of instrument analysis 社会：体育（兴奋剂）、生活产品质量（鱼新鲜度、食品添加剂、农药残留量）、环境质量（污染实时检测）、法庭化学（DNA技术，
8、物证） 化学：新化合物的结构表征；分子层次上的分析方法； 生命科学：DNA测序；活体检测； 举例举例 环境科学：环境监测；污染物分析； 材料科学：新材料，结构与性能； 药物：天然药物的有效成分与结构，构效关系研究； 外层空间探索：微型、高效、自动、智能化仪器研制。生产实践中应用领域举例生产实践中应用领域举例o 商品质量检验o 环境中未知污染物的分析研究o 新产品开发研究o 引进技术的消化与国产化研究 o 法庭科学物证鉴定研究o 考古学中的应用o 。例1 产品质量检测与未知污染物检测o 2006年2月4日，青岛市民林某从菜市场买回2公斤叶子丰茂、色泽青绿的韭菜。晚上，一家人饱食了一顿自己包的韭菜
9、饺子。谁知，食后时间不长，夫妻俩及3岁的女儿相继出现腹痛、腹泻、恶心呕吐等症状，体质虚弱的林妻浑身乏力、视物不清。经医护人员及时输液、解毒处理，三人终于脱险。利用气相色谱仪分离检测发现韭菜中含有大量残留农药。 蔬菜中农药的残留量比较低； 蔬菜中农药的种类比较多，定性定量困难 右图显示了用气相色谱仪对水果中常见有机磷农药分析检测所显示的图谱。奶制品中三聚氰胺事件NNNNH2NH2H2N例2 国家自主知识产权产品的开发o 例如：微电子用环氧底灌料的研制开发 环氧树脂化学组成确定 硅微粉含量、微观形态、粒径分布 各种可能助剂的组成、含量需要技术人员具有较强需要技术人员具有较强的综合分析判断能力的综合
10、分析判断能力例3社会应用： 美科学家发现核磁共振成像可测谎美科学家发现核磁共振成像可测谎 准确率达准确率达90o美国南卡罗来纳医科大学科学家在一期生物精神病学杂志上报告说，大脑核磁共振成像设备可当测谎仪用，测谎准确率超过90，而目前使用的测谎仪准确率仅能达到80。o 研究人员说，大脑成像显示，人在撒谎时，流向与忧虑和冲动控制有关的大脑区域的血液增多。同时，负责处理多重任务的大脑区域中的血流量也有所增加。例4 二噁英事件o 二噁英类(Dioxins)这个化学名词现在已经成为环境界和国际媒体关注的热点。o 二噁英类是一类剧毒物质，其急性毒性相当于氰化钾的1000倍。难溶于水，可溶于大部分有机溶剂，
11、所以二噁英类容易在生物体内积累，不易排出。 二苯并对二恶英（DD）oo二噁英类是由2个或1个氧原子联接2个被氯取代的苯环组成的三环芳香族有机化合物，ooClnCln一个DD最多可以结合8个氯原子，而根据氯原子结合的位置，可以有75种结合方式的排列组合。OClnCln多氯二苯并呋喃（PCDF）此外，尚有类似物等，据统计共有210种毒物，所谓二噁英是指这210种毒物。但是目前限于条件，只能检测其中17种毒性最高的二噁英类化合物。DIOXINS的污染与分析致癌致癌DIOXINs剧毒剧毒致畸形致畸形人体暴露到二噁英中的允许值为: 0.000000000001 g/kg day （110-12 g/kg
12、 day）历史事件历史事件-乌克兰总统选举风波乌克兰总统选举风波:维克托维克托尤先科遭尤先科遭人投毒人投毒为尤先科进行诊治的奥地利医生宣布，这位乌反对派领导人遭人蓄意投毒，导致他“毁容”的“罪魁祸首”是毒性很强的致癌物质二噁英。医院进行的化验结果表明，尤先科血液和皮肤组织中的二噁英含量超过正常水平1000倍。“如果毒剂量再大一些，那么很可能引起死亡，”齐姆费尔说。送到荷兰的阿姆斯特丹，由当地一家知名医院通过最先进的检测方法进行化验，也证实了二噁英中毒的判断。2004年例5 未知材料分析o 样品的初步处理（判断、溶解、分离等，P3）o 组分的初步测定o 适当测试方法的选定o 结果分析鉴定4.仪器
13、分析的发展趋势仪器分析的发展趋势p 方法创新p 分析仪器自动化、智能化、微型化、高效化p 建立新型实时、在线动态分析p 非破坏型无损检测p 多种方法的联合使用p 扩展时空多维信息-应用领域进一步扩大，地位进一步升级应用领域进一步扩大，地位进一步升级仪器分析的发展方向：仪器分析的发展方向：分析仪器的微型化技术分析仪器的微型化技术 TOF-MS的质量分析器可作成1英寸大小的便携式仪器； 手枪大小的战场化学毒剂检测仪也已经研制 第二代生物芯片已被集成在微米尺寸的微珠上手提式多道分光光度计手提式多道分光光度计小型化的质谱仪小型化的质谱仪生物芯片设计生物芯片集成微珠超自然人间谍草 一种看似小草的微型探测
14、器，其内装有敏感的超微电子侦察仪器和化学传感器，可侦测出百米以外坦克、车辆等出动时产生的震动和声音，人员及携带物品情况。并能自动定位、定向和进行移动，绕过各种障碍物。 坦克来了坦克来了 ！机器虫微型间谍飞行器 美国美国R&D杂志对杂志对21世纪预测世纪预测由于计算机技术的发展（纳米计算机、光由于计算机技术的发展（纳米计算机、光子计算机、子计算机、DNA计算机、量子计算机），在数计算机、量子计算机），在数十年内人和机器之间的差别将变得模糊，甚至灵十年内人和机器之间的差别将变得模糊，甚至灵魂也将与硅片结为一体，带有植入神经系统（软魂也将与硅片结为一体，带有植入神经系统（软件）的人类将超过自然人。件
15、）的人类将超过自然人。电影：黑侠；黑猫；二. 聚合物仪器分析概述1.1.聚合物仪器分析定义：聚合物仪器分析定义：2.2.聚合物仪器分析的各种实际应用聚合物仪器分析的各种实际应用3.3.聚合物仪器分析的表征内容聚合物仪器分析的表征内容4.4.聚合物仪器分析的测试过程聚合物仪器分析的测试过程5.5.聚合物仪器简介聚合物仪器简介6. 6. 仪器分析对高分子工作人员的要求仪器分析对高分子工作人员的要求1.聚合物仪器分析定义：聚合物仪器分析定义： P1, 1.12.聚合物的表征聚合物的表征（仪器分析的基本研究内容或研究任务）（仪器分析的基本研究内容或研究任务） P1，1.1.1与与 P9,1.4表征：研
16、究一种现象、结构、性能或变化的衡量角度、指标或依据。举例：研究结构与性能的关系，如何入手？聚合物微观结构的表征：内容包括哪些？宏观性能的表征： 如：力学性能的表征，热性能、电性能的表征、光学性能等的表征。例子o 如何衡量一种材料的用途？o 如：某种塑料能不能用作某场合的支撑材料？能不能用作某环境的板材？o 某种橡胶能不能用作轮胎？能不能用作冰箱密封圈？能不能用作鞋底？o 某种热塑性材料成型加工的条件与参数应为多少？3.高聚物仪器分析常见具体研究问题P2，1.3例1：研究聚合物老化的规律与原因？o 变化的表征：老化现象。如何表征老化？o 规律的分析：老化的原因，微观与宏观的联系等。仪器分析通过对
17、各种具体表征数据的检测来评价材料性能及其变化规律。o 设计方案，解决问题，期间反复利用结构与性能关系来调整设计方案，离不开仪器分析的帮助例例2.如何研究材料的微观结构对性能的影响？如何研究材料的微观结构对性能的影响？真空助力器皮膜的产品开发真空助力器皮膜的产品开发真空助力器皮膜的产品开发实验方案的建立： 主料 （丁苯橡胶类） 填料（炭黑类 助料（硫化体系、自润滑体系等） 筛选调整，如何筛选，调整？性能检测 4.聚合物仪器分析的测试过程聚合物仪器分析的测试过程： P5,1.3.2（以材料剖析为例）（以材料剖析为例）o 初步检查与处理初步检查与处理 判断、溶解、分离等，表判断、溶解、分离等，表1-
18、1，1-2，1-3）o 选择分析手段，制样选择分析手段，制样o 测试测试o 分析结果分析结果5. 仪器分析对高分子工作人员的要求o 科研人员科研人员o 产品开发设计产品开发设计o 试验测试分析人员试验测试分析人员o 仪器代理仪器代理p 掌握仪器分析的基本技术 现代仪器分析方法的基本原理（原理、构造、数据处理、数据解析） 现代仪器分析方法的实验技术(样品制备、试验条件的确定，试验仪器的操作技能，试验结果分析技能） 现代分析仪器的使用和维护p具备较强的综合职业技能： 对材料研究能设计合理的分析测试方案，寻求恰当的分析手段（样品条件、测试目标，测试条件) 能够恰当的进行样品制备与预处理 能按说明书的仪器操作规程进行仪器操作（工作软件） 能发现并解决分析过程中出现的一般性技术问题。 能够对测量结果进行基本解析并反思科学求实的态度；严谨认真的工作作风；具有良好的职业道德；团队协作精神；实验室安全意识；p具备应有的科学素质： 教材教材聚合物近代仪器分析 杨睿 汪昆华 罗传秋等 清华大学出版社
