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仪器分析主讲人：王琦2014年6月26日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，根据化学和物理化学的原理测定和鉴别物质的组成、状态、结构及其组分含量的科学，它与化学分析一起同属于分析化学范畴。仪器分析是多种仪器方法的组合，在多种学科中其地位越来越显得重要，它们已不单纯地应用于分析的目的，而是更广泛地应用于研究和解决各种理论和实际问题。仪器分析的内容（一）分析速度快，能在短时间内分析多个样品；（二）灵敏度高，对于微量、痕量和超痕量成分测定有更高的准确度；（三）应用范围广，除了能进行定性、定量分析外，还能进行结构分析、物相分析、微区分析、价态分析等，同时还可用于络合物的络合比、稳定常数、酸碱电离常数、分子量的测定等，广泛用于冶金、地质、石油化工、海洋、农业、环境、生物、食品、医药卫生等行业。仪器分析的特点（四）选择性高，通过选择和调正测定条件，使共存组分测定时相互间不产生干扰，适于复杂组分试样的分析；（五）样品用量少，许多仪器分析法可实现样品无损测定。（六）操作简便，有较好的精密度。（七）组合能力和适应性强，能在线分析；（八）数据的采集和处理易于自动化和智能化仪器分析方法分类根据用以测量的物质性质，仪器分析方法主要分为以下几类:（一）电化学分析法1、电位滴定（测定pH值等）2、离子选择性电极3、库仑分析法4、阳极溶出伏安法5、电位溶出法6、极谱法7、电解法(二)光谱学分析法（I）分子光谱法1、紫外分光光度法2、可见光分光光度法3、紫外可见发光光度法4、红外光谱法5、核磁共振波谱法6、激光光谱法7、拉谩光谱法8、旋光仪9、光声光谱（2）原子光谱法1、原子发射光谱法（AES）2、ICP直读光谱法（ICP/AES）3、ICP/质谱法（ICP/MS）4、原子吸收光谱法（AAS）（火焰CP原子吸收光谱法和石墨炉原子吸收光谱法）5、原子荧光光谱法（AFS）6、X射线荧光光谱法（3）粒子束光谱法1、透射电子显微镜2、扫描电子显微镜3、电子探针4、扫描遂道显微镜5、电子能谱6、离子探针（三）色谱分析法1、气相色谱（GC）2、液相色谱（HPLC）3、薄层色谱（TLC）4、超临界色谱5、毛细管电泳6、气/质联用（GC/MS）7、液/质联用（HPLC/MS）8、质谱（MS）9、气/质/质（GC/MS/MS）10、液/质/质（HPLC/MS/MS）（四）热分析1、热重分析仪2、差热分析仪3、示差扫描能量仪（五）同位素分析1、中子活化仪2、γ射线能谱仪3、核磁共振分析仪（六）生物及生化分析1、PCR2、DNA测序仪3、各种电泳仪（七）微生物检测1、流式细胞仪2、其它仪器电化学分析法根据物质的电学及电化学性质所建立起来的分析方法统称为电分析化学法。它通常是将待测溶液构成一化学电池（电解池或原电池），通过研究或测量化学电池的电学性质（如电极电位、电流、电导及电量等）或电学性质的突变或电解产物的量与电解质溶液组成之间的内在联系以确定试样的含量。根据所测量的物质的电学性质，可将电分析化学法分为电位分析法、伏安及极谱分析法、电导分析法、电解分析法及库仑分析法等。光学分析法光学分析法是根据物质与电磁辐射之间的关系而建立起来的一种物理分析方法。光学分析法可分为光谱法及非光谱法两大类。在光谱法中，与电磁辐射作用的物质分子或原子间有能级间的跃迁存在，如紫外及可见光度分析法、原子发射光谱法、红外及拉曼光谱法等；在非光谱分析法中，不涉及物质分子或原子能级间的跃迁，只改变了电磁辐射的传播方向和物理性质，如折射、散射、衍射、偏振等。非学谱法包括折射法、X-射线衍射法及旋光测定法等。其中以光谱法最丰富，最重要，应用最广泛。根据与电磁辐射作用的物质是以气态原子还是以分子（或离子团）形式存在，可将光谱法分为原子光谱法和分子光谱法两类。原子光谱法包括原子发射光谱法、原子吸收光谱法、原子荧光光谱法和X射线荧光光谱法等。分子光谱法包括紫外及可见光度分析法、分子荧光光谱法、红外及拉曼光谱法。根据物质与电磁辐射相互作用的机理，可将光谱法分为发射光谱法、吸收光谱法、荧光光谱法、拉曼光谱法、X-射线衍射光谱法等。色谱法色谱法是一种用来分离、分析多组分混合物质极有效的方法之一。它的分离原理是：混合物中各组分在互不相溶的两相（固定相和流动相）间具有不同的分配系数，当混合物中各组分随着流动相移动通过固定相时，在流动相和固定相之间的进行反复多次的分配，这样就使分配系数不同的各组分在固定相中的滞留时间有长有短，从而按不同的次序先后从固定相中流出。按流动相物理状态的不同，可将色谱法分为气相谱法和液相色谱法两种。气相色谱气体为流动相，液相色谱液体为流动相。色谱法能在较短的时间内对组成极为复杂、各组分性质极为相近的混合物同时进行分离和测定。例如在气相色谱中，用空心毛细管柱一次可以解决石油馏分中的几十个、上百个组分的分离和测定。目前色谱法已成为天然产物、石油化工、医药卫生、环境科学、生命科学、能源科学、有机和无机新型材料等各个研究领域中不可缺少的重要工具。质谱法质谱法是通过将样品转化为运动的气态离子并按质荷比（m/z）大小进行分离记录的分析方法获得图谱即为质谱图。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和组成分析等。例如，质谱检出的离子强度与离子数目成正比，通过离子强度可进行定量分析。质谱仪早期主要用于分子量的测定和定量测定某些复杂碳氢混合物中的各组分等。1960年以后，才开始用于复杂化合物的鉴定和结构分析。实验证明，质谱法是研究有机化合物结构的最有力工具之一。紫外-可见分光光度法紫外-可见分光光度法（UltraviolerandVisibleSpectrophotometry,UV-Vis）是分子吸收光谱方法，是利用分子对外来辐射的吸收特性建立起来的分析方法，涉及的是分子的价电子在不同分子轨道间能级的跃迁，对应的光谱区范围为180-780nm。紫外-可见分光光度法主要用于分子的定量分析，但紫外光度法为四大波谱之一，是鉴定许多化合物，尤其是有机化合物的重要定性工具之一。随着科学技术的发展，结合现代的光、电和计算机技术，紫外-可见分光光度法具有灵敏度高（可测10-7-10-4g/mL的微量组分），准确度较好（相对误差1%-2%，对微量组分能完全满足要求），仪器价格低廉，操作简便快速等优点，使紫外-可见分光光度法在有机化学、生物化学、药品分析、食品检验、医疗卫生、环境保护、生命科学等各个领域和科研生产工作中成为一种重要的检测手段。紫外-可见分光光度法的基本原理紫外-可见分光光度法(ultraviolet-visiblespectrophotometry,UV-VIS)它是利用物质的分子或离子对某一波长范围的光的吸收作用，对物质进行定性分析、定量分析及结构分析,所依据的光谱是分子或离子吸收入射光中特定波长的光而产生的吸收光谱。按所吸收光的波长区域不同，分为紫外分光光度法和可见分光光度法，合称为紫外-可见分光光度法。紫外-可见分光光度法的特点有以下五点：（1）与其它光谱分析方法相比，其仪器设备和操作都比较简单，费用少，分析速度快;（2）灵敏度高;（3）选择性好;（4）精密度和准确度较高;（5）用途广泛。紫外-可见分光光度计的构造基本结构:光源→单色器→吸收池→检测器→信号显示系统样品光源：在紫外可见分光光度计中，常用的光源有两类：热辐射光源和气体放电光源。热辐射光源用于可见光区，如钨灯和卤钨灯；气体放电光源用于紫外光区，如氢灯和氘灯。单色器：单色器可将光源发射的复合光分解为单色光并随意改变波长。单色器的主要组成：入射狭缝、出射狭缝、色散元件和准直镜等部分。单色器质量的优劣，主要决定于色散元件的质量。色散元件常用棱镜和光栅。吸收池：吸收池又称比色皿或比色杯，按材料可分为玻璃吸收池和石英吸收池，前者不能用于紫外区，因为玻璃对紫外光有吸收。紫外分光光度计采用石英材质。检测器：检测器的作用是当它受到光照射后吸收光子的能量并将其转换成可测的电信号，其信号的大小与照射于检测器上的光强度成正比。常用光电管或光电倍增管，后者比前者有更高的灵敏度，特别适合于弱辐射的检测。最新的分光光度计有用光导摄像管或光电二级管矩阵作检测器的，此类仪器具有快速扫描的特点。信号显示系统：常用的信号显示装置有直读检流计，电位调节指零装置，以及自动记录和数字显示装置等。分光光度计的类型紫外-可见分光光度计可分为两大类，即单波长分光光度计和双波长分光光度计。单波长分光光度计又可分为单光束和双光束两类。下面简要介绍几种类型仪器的光路原理。1、单光束紫外-可见分光光度计经单色器分光后一束平行光，照射样品溶液（或参比溶液）进行吸光度的测定。此类仪器如国产的751型、752型、7530型等；国外的如英国的UnicamSP500型、美国的BeckmannDU-2型、日本岛津的QR-50型等。以7530型仪器为例，其光路原理如图2-9所示，光源为钨灯和氘灯。这种简易型分光光度计结构简单、操作方便、维修容易，但对光源发光强度的稳定要求较高。适合于紫外-可见区的常规定性和定量工作。2、双光束紫外-可见分光光度计此类仪器国产的如710型、730型等；国外的如英国的UnicamSP700型、日本岛津的UV-200、UV-240型等。其光路原理如图2-10所示。从单色器射出的单色光，用一个旋转的扇面镜（又称斩光器）将它分成两束交替断续的单色光，分别通过参比池和样品池后，再用一同步的扇面镜将两束透过交替地投射于光电倍增管，使它产生一个交变的脉冲讯号，经过比较放大后，由显示器显示出透光率、吸光度、浓度，或进行波长扫描，记录吸收光谱。扇面镜以每秒几十至几百转的速度匀速旋转，使单色光能在很短时间内交替通过参比与样品池，可以减少或避免因光源发射光的强度不稳而引入的误差。测量中不需要移动吸收池，可在随意改变波长的同时自动记录所测量的吸光度值，描绘吸收曲线。影响紫外-可见吸收光谱的因素物质的吸收光谱与测定条件有密切的关系。测定条件（温度、溶剂极pH等）不同，吸收光谱的形状、吸收峰的位置、吸收强度等都可能发生变化。1．温度在室温范围内，温度对吸收光谱的影响不大。2．溶剂紫外吸收光谱中有机化合物的测定往往需要溶剂，而溶剂尤其是极性溶剂，常会对溶质的吸收波长、吸收强度及吸收峰的形状产生较大影响。溶剂的选择应注意如下几点：（1）尽量选用低极性溶剂；（2）能很好地溶解被测物，并且形成的溶液具有良好的化学和光化学稳定性；（3）溶剂在样品的吸收光谱区无明显吸收。3．pH值pH值的变化会使有机化合物的存在形式发生变化，从而导致谱带的位移。pH值的改变还会影响到配位平衡，造成有色配合物的组成发生变化，从而使吸收带发生位移。紫外-可见分光光度法应用紫外-可见吸收光谱除主要可用于物质的定量分析外，还可以用于物质的定性分析、纯度鉴定、结构分析。一、纯度检查（杂质检查和杂质限量检查)如果有机化合物在紫外可见光区没有明显的吸收峰，而杂质在紫外区有较强的吸收，则可利用紫外光谱检验化合物纯度。用紫外吸收光谱确定试样的纯度是比较方便的。如蛋白质与核酸的纯度分析中，可用A280/A260的比值，鉴定其纯度。二、有机化合物结构的测定1、共轭体系和官能团的判断利用紫外光谱可以推导有机化合物的分子骨架中是否含有共轭结构体系，如C=C、C=O、N=N、三键、苯环等。2、互变异构体和构型、构象的判断。可以通过经验规则计算出λmax和εmax，与实际值比较进行判断三、氢健强度与摩尔质量的测定四、定量分析（阴离子、阳离子等测定）五、配合物组成及其稳定常数的测定分析条件的选择仪器测量条件的选择：1、适宜的吸光度范围最适宜的测量范围为0.2-0.8之间。2、入射光波长的选择通常是根据被测组分的吸收光谱，选择最强吸收带的最大吸收波长为入射波长。当最强吸收峰的峰形比较尖锐时，往往选用吸收稍低，峰形稍平坦的次强峰或肩峰进行测定。3、狭缝宽度的选择为了选择合适的狭缝宽度，应以减少狭缝宽度时试样的吸光度不再增加为准。一般来说