1、近代分析测试技术近代分析测试技术绪论绪论11/10/2022课程目的 w介绍测试中心的仪器设备介绍测试中心的仪器设备w了解相关分析测试方法的基础理论了解相关分析测试方法的基础理论w了解相关分析方法了解相关分析方法w上机培训准备上机培训准备11/10/2022绪 论 Introduction w仪器分析的的内容和特点w仪器分析的历史发展概况w仪器分析的分类w前景展望11/10/2022仪器分析的内容、特点w化学化学是研究物质的组成、结构、性质及其相互变化的一门基础学科。分析化学分析化学是人们获得物质分析组成、结构和信息的科学，即表征与测量的科学。分析方法按分析测定原理不严格地区分为化学分析和仪器
2、分析两大类。w化学分析化学分析是分析化学的基础，又称经典化学分析法，主要有重量分析法和容量分析法等 w仪器分析仪器分析是以物质的物理和物理化学性质为基础，并利用仪器进行分析测定的方法，由于这类方法都需要特殊的仪器，故常称为仪器分析。w仪器分析内容仪器分析内容：一般系指对样品中含有哪些成份，它们的含量多少进行分析测定。广义来说，仪器分析还应包括物质的状态、结构、反应过程等的分析测定；仪器分析既包括成份分析（定性、定量分析），也包括结构分析；既包括物质的静态分析，也包括物质的动态分析。11/10/2022仪器分析特点（优点）仪器分析特点（优点）：灵敏度较高（达ppb、ppt数量级），分析速度快，样
3、品用量少，操作简便、易于实现自动化仪器分析的局限性仪器分析的局限性：1.准确度不够高，通常在百分之几左右(现在有所改进),2.仪器分析不可能完全取代化学分析法:（1）化学分析法作为基准方法。（2）有些样品在仪器分析测定前仍需对样品进行化学预处理(如富集，除去干扰杂质等)；（3）仪器分析是一种相对的分析方法，需要以标准物来进行校准，而很多标准物需要用化学分析方法来标定。4）在进行复杂物质分析时往往是综合应用几种方法。11/10/2022仪器分析的历史发展概况w是科学技术发展的需要、必然，也是科学技术发展的结晶。w仪器分析的三次巨大变革w分析天平的发明w溶液理论的建立（酸碱平衡，沉淀-溶解平衡，氧
4、化还原平衡及配位平衡四大平衡的建立）w这是第一次革命11/10/2022第二次巨大变革w第二次世界大战前后的科学技术w物理学和电子技术的发展为仪器分析奠定了基础 核磁共振（NMR），B loch F，PurcellE M。极谱，Heyrovsky J。气相色谱，Martin A T P，Synge R L M 11/10/2022第三次变革w计算机的发明 尤其微型计算的发展，给仪器分析带来 全新的革命。11/10/2022仪器分析的分类11/10/2022 近代分析测试技术的范围近代分析测试技术的范围色谱类色谱类)11/10/2022 薄层色谱薄层色谱（TLC,Thin-Layer Chrom
5、atographyTLC,Thin-Layer Chromatography）气相色谱气相色谱 (GC,Gas Chromatography)(GC,Gas Chromatography)液相色谱液相色谱 (LC,Liquid Chromatography)(LC,Liquid Chromatography)高效液相色谱高效液相色谱(High Performance Liquid Chromatography,HPLC)High Performance Liquid Chromatography,HPLC)高压液相色谱高压液相色谱(High Pressure Liquid Chromatogr
6、aphy)(High Pressure Liquid Chromatography)。毛细管色谱毛细管色谱-开管柱色谱开管柱色谱（Capillary Column-Open Tubular ColumnCapillary Column-Open Tubular Column）毛细管电泳毛细管电泳(Capillary Electrophoresis)(Capillary Electrophoresis)离子色谱离子色谱 (Ion Chromatography)(Ion Chromatography)凝胶色谱凝胶色谱 (Gel Chromatography)(Gel Chromatography)
7、11/10/2022定性定性、定量分析定量分析w 元素自动分析仪元素自动分析仪w 原子吸收光谱原子吸收光谱w 原子发射光谱原子发射光谱w 电感偶合等离子体电感偶合等离子体w 紫外紫外-可见光谱可见光谱w 色谱及色谱质谱联用色谱及色谱质谱联用11/10/2022结构分析（光谱或波谱分析）结构分析（光谱或波谱分析）11/10/2022结构分析结构分析wMssbauer谱wX-射线衍射仪w电子能谱 w紫外-可见光谱w荧光光谱 w红外与拉曼光谱w电子顺磁共振谱w核磁共振谱w质谱11/10/2022形态分析形态分析 w 透射电镜透射电镜w 扫描电镜扫描电镜w 比表面分析比表面分析w 粒度分布粒度分布11
8、/10/2022热、力、电、磁性能热、力、电、磁性能w 热热分析分析:热重法热重法(TG,DTG)示差扫描量热法示差扫描量热法(DSC)力学性能力学性能11/10/2022波谱分析原理波谱分析原理:一定波长的电磁波（光波），作用于被研究物质一定波长的电磁波（光波），作用于被研究物质的分子，引起分子内某种的分子，引起分子内某种物理量物理量的改变（能级跃迁）的改变（能级跃迁）.物理量物理量11/10/2022光波与光谱的关系：光波与光谱的关系：11/10/2022X射线发射光谱 受激原子发射出的受激原子发射出的X射线的波长为该原子射线的波长为该原子的特征谱线，而其强度正比于受激原子的的特征谱线，而
9、其强度正比于受激原子的数目。该法可用于定性、定量分析。数目。该法可用于定性、定量分析。11/10/2022X射线发射光谱wX射线荧光分析射线荧光分析w扫描电镜扫描电镜wX射线单晶衍射仪射线单晶衍射仪wX射线多晶衍射射线多晶衍射w光电子能谱光电子能谱11/10/2022X射线荧光分析 来自来自X射线激发光源的一个光子被样品吸收射线激发光源的一个光子被样品吸收（撞出一个电子），产生一个在内电子层有一空穴（撞出一个电子），产生一个在内电子层有一空穴的正离子，当外电子层中的一个电子跃入该空穴时，的正离子，当外电子层中的一个电子跃入该空穴时，则发射一个则发射一个X射线光子。只有当初级辐射是由于吸射线光子
10、。只有当初级辐射是由于吸收收X射线光子引起的时，辐射才是荧光射线光子引起的时，辐射才是荧光X射线。荧射线。荧光辐射的波长比吸收辐射的波长长。荧光辐射的强光辐射的波长比吸收辐射的波长长。荧光辐射的强度与样品中荧光物度与样品中荧光物的浓度成正比。的浓度成正比。11/10/2022扫描电镜 扫描电子显微镜（扫描电子显微镜（SEM）和扫描透射电子显和扫描透射电子显微镜（微镜（STEM）均为固定能量的电子束通过样品均为固定能量的电子束通过样品表面扫描，除了可以得到样品表面的直观图象表面扫描，除了可以得到样品表面的直观图象（该图象与（该图象与由光学显微镜得到的图象相似，只是由光学显微镜得到的图象相似，只是
11、放大倍数更高）外，还可与放大倍数更高）外，还可与X射线光谱仪联用，得射线光谱仪联用，得到样品表面元素成份的分布图及相对的原子比。到样品表面元素成份的分布图及相对的原子比。11/10/2022X射线单晶衍射仪 晶体物质具有周期性的点阵结构，其原子间的距离晶体物质具有周期性的点阵结构，其原子间的距离与与X射线的波长在同一个数量级范围，晶体物质能够射线的波长在同一个数量级范围，晶体物质能够衍射衍射X射线。射线。X射线单晶结构分析就是利用射线单晶结构分析就是利用X射线作用射线作用于单晶物质产生的衍射现象。通过实验测得衍射方向于单晶物质产生的衍射现象。通过实验测得衍射方向和衍射强度，依据布拉格（和衍射强
12、度，依据布拉格（Bragg）方程或劳埃方程，方程或劳埃方程，以及强度分布的结构因素等，解出晶胞的参数和晶胞以及强度分布的结构因素等，解出晶胞的参数和晶胞内原子的种类和位置，从而确定晶体的结构。内原子的种类和位置，从而确定晶体的结构。11/10/2022X射线多晶衍射X射线多晶衍射常采用晶体粉末样品，以保证有射线多晶衍射常采用晶体粉末样品，以保证有足够多的晶体产生衍射，适用于难以得到足够大小足够多的晶体产生衍射，适用于难以得到足够大小的单晶样品、混合样品、或某些高分子样品的测试，的单晶样品、混合样品、或某些高分子样品的测试，又称为又称为X射线粉末衍射法。获得粉末衍射图的方法有射线粉末衍射法。获得
13、粉末衍射图的方法有照相法和衍射仪法。粉末衍射法可用于物相分析、照相法和衍射仪法。粉末衍射法可用于物相分析、衍射图的指标化及晶粒大小的测定。近年来发展的衍射图的指标化及晶粒大小的测定。近年来发展的原位原位X射线衍射法（射线衍射法（XRD）可以了解反应中的相变过可以了解反应中的相变过程，对研究催化反应特别有用。程，对研究催化反应特别有用。11/10/2022光电子能谱的基本原理是光电效应。光电子能谱的基本原理是光电效应。当能量为当能量为h 的单色光照射到样品上，其光子可能被原子的单色光照射到样品上，其光子可能被原子内部不同能级的电子所吸收或散射，如果吸收的能量大于电内部不同能级的电子所吸收或散射，
14、如果吸收的能量大于电子的结合能，则该电子就会脱离原子成为自由电子而逸出。子的结合能，则该电子就会脱离原子成为自由电子而逸出。这些被光子直接激发出来的电子称为光电子，光电子的动能这些被光子直接激发出来的电子称为光电子，光电子的动能大小不等（与原子的种类和样品表面的信息有关），如果以大小不等（与原子的种类和样品表面的信息有关），如果以动能分布为横坐标，相对强度为纵坐标，所得到的谱峰即为动能分布为横坐标，相对强度为纵坐标，所得到的谱峰即为光电子能谱。光电子能谱。11/10/2022电子顺磁共振谱电子顺磁共振谱 (EPREPR or ESR)or ESR)Electron Paramagnetic R
15、esonance,Electron Paramagnetic Resonance,Electron Spin Resonance Electron Spin Resonance磁诱导电子自旋能级裂分磁诱导电子自旋能级裂分 电子顺磁共振的研究对象（两大类）电子顺磁共振的研究对象（两大类）自由基和顺磁性金属离子（大多数过渡金自由基和顺磁性金属离子（大多数过渡金属离子和稀土离子）及其化合物属离子和稀土离子）及其化合物11/10/2022w核磁共振NMR（Nuclear Magnetic Resonance）w核磁共振：是磁矩不为零的原子核，在外磁场作用下自旋能级发生蔡曼分裂，共振吸收某一定频率的射频
16、辐射的物理过程。磁诱导核自旋能级裂分磁诱导核自旋能级裂分w核磁共振适合于液体、固体。如今的高分辨技术，还将核磁用于了半固体及微量样品的研究。核磁谱图已经从过去的一维谱图（1D）发展到如今的二维（2D）、三维（3D）甚至四维（4D）谱图，陈旧的实验方法被放弃，新的实验方法迅速发展，它们将分子结构和分子间的关系表现得更加清晰。11/10/2022 质谱法是通过将样品转化为运动的气态离子并按质荷比(MZ)大小进行分离并记录其信息的分析方法。所得结果以图谱表达，即所谓的质谱图。根据质谱图提供的信息可以进行多种有机物及无机物的定性和定量分析、复杂化合物的结构分析、样品中各种同位素比的测定及固体表面的结构
17、和组成分析等。质谱是唯一可以给出分子量,确定分子式的 方法,而分子式的确定对化合物的结构鉴定是至关重要的。质谱质谱 (Mass Spectra,MS)(Mass Spectra,MS)11/10/2022分析科学w1980年英国曼彻斯特大学设立了“仪器制造学与分析科学系”，标志着国际上分析化学已发展到分析科学阶段。w分析化学发展方向是高灵敏度（达原子级、分子级水平），高选择性（复杂体系）、快速、自动、简便、经济、分析仪器自动化、数字化和计算机化并向智能化、信息化纵深发展。分析化学的飞跃发展使分析化学的定义、基础、原理、方法、仪器及技术都发生了根本性的变化，与经典分析化学密切相关的概念是定性分析
18、系统、重量法、容量法、溶液反应、四大平衡、化学热力学，而与现代分析化学密切相关的概念是化学计量学、传感器过程控制、自动化分析、专家系统、生物技术和生物过程，以及分析化学微型化所要求的微电子学，显微光学和微工程学等。w现代分析化学已经远远超出化学学科的领域，它正把化学与数学、物理学、计算机科学、生物学结合起来，发展成为一门多学科性的综合性科学-分析科学分析科学 11/10/2022仪器分析的发展趋势w新原理、新技术不断应用，发展新的仪器分析方法激光技术的采用，使发射光谱分析得到新型光源；数学上的傅立叶变换的引用，促进了新型分析仪器付立叶变换红外光谱仪等的出现。化学模拟生物（仿生学）的发展提供了新
19、型传感器，如模拟犬类的特殊嗅觉的传感器阵列（人工“狗鼻子”），基于PCR扩增的新分析技术等。如生物芯片，以及新的免疫分析和分子诊断技术在21世纪出现或在更大范围内达到实用阶段。以激光诱导荧光或共振电离（RIS）为检测原理，进一步向单分子（原子）检测研究的纵深发展。新型检测器，如新型光电倍增管（PMT），高质量电荷转移器件（CTD）如电荷耦合器件（CCD）、电荷注入器件（CID）和光敏二极管阵列（PDA）等的发展与使用达到新的水平。同步辐射源又是一种强短脉冲光源，可以通过它了解生物大分子结构的实时变化来了解许多生命过程。皮秒(ps)级可调谐激光器也可以用于时间分辨荧光技术，以研究瞬态生化反应。1
20、1/10/2022仪器分析的发展趋势（二）w.仪器分析向更高的灵敏度更低的检测限；更好的选择性更少的基体干扰；更高的准确度更好的精密度方向发展1.分析方法灵敏度提高的最终目标应是实现单原子（分子）检测 2.近年来，超分子化学识别理论的深入普及，分析方法的选择性已由经典的意义拓展至手性水平3.计算机技术、控制技术的发展、新检测原理的发展、新型检测器的应用 不断提高分析精密度、准确度和分辨率 11/10/2022仪器分析的发展趋势（三）w分析仪器在新世纪将出现高度智能化、网络化和微型化、集成化的趋势1.分析仪器智能化在快速发展，仪器本身具自诊断系统与网络连接，厂家也可在厂内对遍布全球的用户仪器远离
21、距离诊断及指导维修，用户间也可互通信息交流2.化学传感器发展小型化、仿生化，诸如生物芯片、芯片实验室（Labchip)，化学和物理芯片以及嗅觉和味觉（电子鼻和电舌），鲜度和食品检测传感器等；3.又如一种可以检测生物武器（固体或空气中的试剂和爆炸物）的微型摺叠式飞行时间质谱仪(TTOF)早在1997年就有了原形，TOF部分的尺寸为6cm6cm8cm，紧凑的氮分子激光器连同电池为3cm10cm 15cm，加上一台膝上计算机，全套仪器可以放进一只公事箱（所谓“密码箱”）内 11/10/2022仪器分析的发展趋势（四）w各类分析方法的联用是分析化学发展的另一热点，特别是分离与检测方法的联用w例如气相、
22、液相或超临界液相色谱和光谱技术（质谱、核磁、傅里叶红外或原子光谱等）相结合，这两类技术的各自缺点（色谱识别缺乏可靠性及光谱技术需要高纯的分析物）由其优点互补（色谱分离的效能和光谱识别的可靠性）w再如GCHPLC，MSMS，ICP-MS，GC-FTIR-MS，HPLC(CE)-ICP-MS，GC-GD-TOFMS，ESI-IMS-MS等 11/10/2022仪器分析的发展趋势（五）w运用先进的科学技术发展新的分析原理并研究建立有效而实用的原位(in situ)、在体(in vivo)、实时(real time)、在线(on line)和高灵敏度、高选择性的新型动态分析检测和无损探测方法及多元多参数的检测监视方法，从而研制出相应的新型分析仪器已势在必行，这将是21世纪分析化学发展的主流。也是分析化学第三次巨大变革的主要内容。w更大的应用范围，如遥测、极端或特殊环境中（外星、地下、深海、危险区等）的分析的仪器将得到发展。11/10/2022学习仪器分析应注意的几个问题 w掌握仪器分析的基本原理、仪器结构与性质、定性定量分析这三个主要环节 w要充分重视实验课 w查阅有关工具书、参考书及文献资料 w通过习题加深理解 11/10/2022
