05第四章化学方法

第四章化学方法简介4.1基本要求（1）了解化学分析的分类、适用、一些常见方法即其基本原理。化学分析法是生物医学和药学中的常用方法，其分类和适用见于下表4-1：表4-1常见化学方法的分类和适用范围分类方法误差适用备注定性分析化学染色分析化学物种或结构基团定量分析常规分析滴定分析灵敏度0.02mL相对误差0.1~0.5%含量1%的物种重量分析0.1mg仪器分析分光光度g1~5%含量1%的物种荧光/发光ng电化学分析g-ng色谱/电泳g-pg酶分析g-pg免疫分析g-pg原子吸收ng-pg针对金属元素ICP-MSng-pg形态分析光学显微镜m表面或切片形貌电子显微镜m-nm表面或切片形貌可微区定量ng-pg原子力显微镜m-nm表面形貌和力学共聚焦显微镜m三维空间和时间扫描可定量ng结构分析质谱可定量ng-pg核磁共振顺磁共振有单电子物种红外光谱x-ray晶体衍射单晶或多晶体（2）掌握实验误差的原因和准确表述误差。实验误差的原因主要有随机误差和系统误差。克服随机误差的方法是增加测定的次数n，从而提高测量的精密度；克服系统误差的方法主要包括校准仪器、增加对照试验和扣除试剂空白。随机误差用实验数据的精密度来进行表述。精密度标志了测量结果的重现性，精密度的高低通常用标准偏差s和相对标准偏差RSD来表示：12232221nddddsn%100XsRSD对一组测量数据进行报告时，通常需要报告数据的平均值，标准偏差和测量次数：nsx,准确度标志了测量结果的正确性。准确度的高低通常用绝对误差E或相对误差RE来表示：E=X-μ%100ERE准确度由系统误差和偶然误差决定，精密度好是获得高准确度的前提。（3）掌握有效数字及其运算法则。有效数字是测量到的数据，位数反映了测量所能够达到的精确度。操作有效数字的要点为：①读取有效数字时，应记录所有的准确数字和第一位不准确数字；②在数字之前的“0”作为数位的定位，不计算在有效位数内；③使用数据的科学计数法标明有效数位；④pH、pK和lg等对数数值，其有效数字的位数，仅取决于小数部分数字的位数；⑤在运算时，自然数和物理化学常数不受有效数字位数的限制；⑥乘除法运算时，结果的有效位数依据参加运算的数字中有效位数最少的；⑦加减法运算时，结果的有效位数依据参加运算的数字中小数点后位数最少的；⑧计算结果最后的修约规则是一次“四舍六入五成双”。（4）了解GLP的意义和要求GLP直译为优良实验室规范，是为在临床试验之前进行的化学与生物实验的规范原则。GLP涉及了实验的各个环节，基本原则包括：完备的实验室资源，完整的实验室管理规则，实验材料的性质明确，实验数据的记录、管理和归档，以及独立的质量检验人员检查。能否执行GLP规范进行科学实验，是当代从事医药学工作的人员的一个基本素质。对在大学学习的同学，应当掌握GLP的三个关键规范：实验前确保实验材料、试剂和药品的性质明确，并做好记录；实验中按照已建立标准操作程序SOP进行实验。在大学教学实验中，实验计划就是学生应当遵守的SOP；实验中完备进行原始实验记录，包括下列内容：①实验操作内容（WHAT），②实验操作过程（HOW），③实验日期（WHEN），④实验操作人员（WHO）和⑤原始实验结果（DATA）。（5）熟悉实验室安全的各方面要求。在实验室中工作，首先是要符合生物安全标准的条件，其次要注意实验室的化学安全。此外，操作放射性同位素化合物，一定要在专门的实验室中进行。4.2要点和难点解析（1）系统误差和偶然误差vs.准确度和精密度系统误差和偶然误差的概念区分系统误差是实验过程中固定的因素造成的。实验条件一致时，重复测定重复出现，其值一般具有固定的大小和方向，因此又称为可测误差。系统误差按照来源分为方法误差、仪器试剂误差和操作误差。系统误差要通过完善实验设计、校准仪器、做对照试验和扣除试剂空白来减小或消除。偶然误差是由不可预料的随机因素所造成的，也称为随机误差。其数值的大小和方向均不确定。偶然误差符合统计学的概率分布规律，可通过增加平行测定的次数来减免。准确度和精密度的概念区分准确度是指测定值(X)与真实值(μ)接近的程度，标志了测量结果的正确性。精密度是指若干平行测量值之间的接近程度，表示了测定结果重现性的好坏。准确度和精密度是两个分别的概念，但精密度好是获得高准确度的必要条件。准确度和误差关系：数据的准确度由系统误差和偶然误差共同决定，精密度好的数据，准确度主要由系统误差决定。精密度和误差的关系：精密度仅由偶然误差决定。例4-1从同一袋奶粉中随意取出两份样品，分别由两个实验室用相同的SOP测定奶粉中的三聚氰胺的含量。甲实验室的三次测定结果为：210.00,200.60,215.45mg/kg，乙实验室的三次测定结果为：200.50,200.10,201.00mg/kg。请判断两个实验室的结果是否一致？那一个结果可信？解答：甲实验室的测定结果平均值计算为208.7±7.5mg/kg乙实验室的测定结果平均值计算为200.53±0.45mg/kg显然，两者实验室的结果不一致。乙实验室的结果精密度较高，因此较为可信。由于两个实验室用同样的方法测定，所以不一致的原因可能为可能包括①一方没有严格操作，随机误差过大；②一方的仪器需要校正，或试剂纯度不够。由于甲实验室的测定结果精密度较差，因此甲方可能存在操作不严格的问题，仪器校正和更换新的试剂也应当是甲方实验室的任务。例4-2有两袋含三聚氰胺奶粉，一袋是甲厂家在牛奶中添加三聚氰胺生产，一袋是有人在乙厂家合格产品中恶意混入三聚氰胺造成，以毁坏乙厂家的声誉。从两袋奶粉中分别各取出三份样品测定三聚氰胺的含量。甲奶粉三份样品的测定结果为：210.00,200.60,215.45mg/kg，乙奶粉三份样品的测定结果为：200.50,200.10,201.00mg/kg。请判断那一袋奶粉是遭人恶意掺入。解答：甲厂家奶粉的结果平均值计算为208.7±7.5mg/kg乙厂家奶粉的结果平均值计算为200.53±0.45mg/kg显然，乙厂家奶粉的测定结果精密度较高，说明样品很均匀。而甲厂家奶粉的三聚氰胺含量不均匀，这是固体混合时容易发生的现象。因此，甲厂家是生产假货，而乙厂家是遭人陷害。（2）有效数字运算有效位数的计数：有效数字是指实际测量到的具有实际意义的数字。计算某个数据的有效数字位数时，1～9直接计算在位数内，而“0”作为数位的定位时不能计算在内。需要注意的是pH、pK和lg等对数数值，其有效数字的位数，仅取决于小数部分数字的位数，在进行相反运算时特别需要注意有效数字运算加减运算是各测量值绝对误差的传递，以参加运算的数字中小数点后位数最少的数为依据对所有参加运算的数字进行修约一致，然后计算。更为常见的是，先进行计算，然后依据参加运算的数字中小数点后有效位数最少的数字的位数，对结果进行一次修约。乘除法中的误差传递是各测量值相对误差的传递，以参加运算的数字中有效数字位数最少的数为依据，对其它数字进行修约后做乘除法。同样可以先进行计算，然后对结果依据参加运算的数字中有效数字位数最少的数字的数位，对结果进行一次修约。运算结果的一次修约先确定结果的有效数位，然后对即将保留的最后一位数字后的第一位数字进行“四舍六入”处理，如果此数字为五，则让最后一位保留数字修约成双数。例4-3请计算100.000kPa,298.15K条件下理想气体的摩尔体积。解答：理想气体pV=nRT,所以Vm=1×8.31×298.15/100.000=24.776L例4-4请计算pH=7.20和pH=7.40的溶液中，氢离子浓度相差多少倍？解答：pH=7.20的溶液中，氢离子浓度[H+]=10-7.20=6.3×10-8MpH=7.40的溶液中，氢离子浓度[H+]=10-7.40=4.0×10-8M两者相差：6.3×10-8/4.0×10-8=1.6倍例4-5pH=4.00和pH=7.00的水中，氢离子浓度相差多少倍？分别在100.00mL中各加滴入一滴（0.050mL）1.00M的盐酸后，氢离子浓度相差多少倍？解答：pH=4.00和pH=7.00的水中，氢离子浓度相差：10-4.00/10-7.00=1.0×103倍（即1000倍）pH=4.00水滴加盐酸后，氢离子浓度为10-4.00+1.00×0.050/(100.00+0.050)=1.0×10-4+5.0×10-4=6.0×10-4M(pH=3.22)pH=7.00水滴加盐酸后，氢离子浓度为10-7.00+1.00×0.050/(100.00+0.050)=1.0×10-7+5.0×10-4=5.0×10-4M(pH=3.30)两者相差：6.0×10-4/5.0×10-4=1.2倍（此时低分辨的pH计已经不能分辨了）（3）滴定分析和仪器分析滴定分析和仪器分析都是化学分析。当待测物质没有可以被直接观察的物理信号（如颜色、荧光等）时，我们可以将待测物质与某种化学试剂进行反应，通过化学反应产生可以观察到的物理信号，对待测物质的量进行测定。这些化学试剂称为“分析试剂”。但是，滴定分析和仪器分析使用分析试剂的方式不同。对于仪器分析来说，分析试剂和待测物质的分子反应后，其生成物具有颜色、荧光等可以通过仪器直接测量的性质。关于仪器分析的例子，我们将在第十章的最后进行讲解。对于滴定分析来说，分析试剂的量是一滴滴的加入，我们观察在分析试剂逐滴加入的过程中，反应溶液的某种可观察性质（如pH值）的变化，通过这种性质的突跃变化点、确定等化学计量点---此时，分析试剂的量正好和待测物质的量符合化学反应方程式的比值。关于滴定分析，我们将在第七章用酸碱滴定的例子给大家讲解。4.3．部分思考题解答4-4．说明准确度与精密度的关系。解答：准确度与精密度的意义不同。准确度标志了测量结果的正确性，精密度标志了测量结果的重现性。数据的准确度高时，精密度不一定好；精密度很好时，准确度又不一定高。但是，精密度好是获得高准确度的一个必要条件。4-7．什么是滴定分析？滴定分析的适用范围和特点各是什么？解答：滴定分析是将已知准确浓度的试剂（标准溶液）逐渐滴加到被测物质的溶液中至标准试剂与被测物质按照化学计量关系完全反应为止之后根据标准溶液的浓度和消耗的体积以及被测物质溶液的体积等数据计算出被测物质浓度（或含量）的一种分析方法。滴定分析具有方法简单，操作迅速且结果准确等优点，适用于含量在1%以上的样品的分析测试。4-8．什么是一级标准物质？可作为一级标准物质的物质须符合哪些要求？解答：可用于直接配制准确浓度溶液的物质称为一级标准物质，又称为基准物质。一级标准物质须符合的要求有：①组成与化学式完全相符；②纯度足够高（主要成分含量在99.9%以上）；③性质稳定；④最好有较大的摩尔质量；⑤能够按照滴定反应方程式定量进行反应。4-10．两人用滴定分析法测某物质的含量，结果（滴定剂体积）如下：甲：25.10ml、25.08ml、25.12ml乙：25.02ml、25.06ml、24.94ml消耗滴定剂的真实体积是25.00ml，评价两人试验结果的准确读和精密度。解答：mlxnxnii10.25)12.5208.5210.52(3111甲甲mlxnxnii01.25)94.4206.5202.52(3111乙乙02000.013)10.2512.25()10.2508.25()10.2510.25(222甲s06124.013)01.2594.24()01.2506.25()01.2502.25(222乙s乙组数据的平均值更接近真实值，准确度更好；甲组数据的标准偏差相对更小，精密度更好。4-12．什么是GLP和SOP？解答：GLP是英文GoodLaboratoryPractice的缩写，直译为优良实验室规范，是指为临床前期的卫生和环境安全制定的包括实验设计、实验操作、过程监督、数据记录和实验报告等一系列过程在内必须遵守的管理法规性文件，即临床试验之前研究优