仪器分析--绪论.ppt

1仪仪 器器 分分 析析Instrumental Analysis任课教师：童爱军任课教师：童爱军电电 话：话：87682(o),82759(lab)地地 点：理科楼点：理科楼D317室室辅导教师：魏瑞瑞辅导教师：魏瑞瑞电电 话：话：82759(lab)地地 点：点：理科楼理科楼D314室室2教材与参考书教材与参考书一、教材：一、教材：1 课件内容件内容为准准2 刘密新等，刘密新等，仪器分析器分析（第（第2版），清版），清华大学出版社，大学出版社，2002二、参考二、参考书1武武汉大学主大学主编，分析化学分析化学下册下册，第五版，高等教育出版社，第五版，高等教育出版社,2007 2 李克安主李克安主编，分析化学教程，北京大学出版社，分析化学教程，北京大学出版社，2005 3 Douglas A.Skoog et al.,Principles of Instrumental Analysis,6th edition,Thomson Brooks,20073教教学学进进度度第第 1 周周绪论绪论第第 2 周周紫外紫外-可见吸收光谱（可见吸收光谱（UV-vis）p96-137第第 3 周周紫外紫外-可见吸收光谱（可见吸收光谱（UV-vis）第第 4 周周红外光谱法（红外光谱法（IR）p138-169第第 5 周周红外光谱法（红外光谱法（IR）第第 6 周周气相色谱法气相色谱法第第 7 周周高效液相色谱法（高效液相色谱法（HPLC）p257-298第第 8 周周期中考试期中考试第第 9 周周核磁共振波谱法（核磁共振波谱法（NMR）p170-216第第10周周公共假日（五一）公共假日（五一）第第11周周核磁共振波谱法核磁共振波谱法第第12周周质谱法（质谱法（MS）p299-347第第13周周质谱法质谱法第第14周周原子发射光谱法（原子发射光谱法（OES）p41-73第第15周周原子吸收光谱法（原子吸收光谱法（AAS）p74-95第第16周周总复习总复习4学习要求学习要求1.课堂要求堂要求手机手机处于关机或静音状于关机或静音状态，不，不拨打接听打接听电话或或发送短送短信息；信息；2.作作业要求要求作作业布置后下一周上布置后下一周上课时交交3.答疑答疑电邮答疑；答疑；邮件或件或电话预约口口头答疑；考前集中答疑答疑；考前集中答疑4.考核方式与成考核方式与成绩评定定作作业成成绩：20%期中考期中考试（半开卷，（半开卷，带A4纸一一页）：）：30%期末考期末考试（半开卷，（半开卷，带A4纸一一页）：）：50%5绪论绪论1 Introduction 2 Chemical Analysis and Instrumental Analysis3 Classification 4 Figure of Merit5 How to Learn6 Application7 Position In Chemistry Research8 Current Trends9 Home Work61 Introduction“仪器分析仪器分析”课程概况课程概况“仪器分析仪器分析”是化学相关学科的专业基础课，是生命是化学相关学科的专业基础课，是生命科学、材料科学和环境科学研究的基础，是测量物科学、材料科学和环境科学研究的基础，是测量物质成分（组成）、含量、结构、表面和界面等物理质成分（组成）、含量、结构、表面和界面等物理化学特性的理论和实验方法。化学特性的理论和实验方法。课程目标课程目标 培养分析仪器的熟练应用者和创新型研究人才：培养分析仪器的熟练应用者和创新型研究人才：l掌握常用仪器分析方法原理及应用，熟悉仪器结构掌握常用仪器分析方法原理及应用，熟悉仪器结构l具备选择适宜仪器分析方法的能力具备选择适宜仪器分析方法的能力l学习创新型思维模式学习创新型思维模式71 IntroductionPreface of“Principles of Instrumental Analysis”Physical scientists,biological scientists,and engineers have an impressive array of powerful and elegant tools for gathering qualitative and quantitative information about the composition and structure of matter.Students of chemistry,biochemistry,physics,geology,health-related sciences,engineering,and environmental sciences must develop an understanding of these tools and how they are used to solve analytical problems.8分析化学分析化学发现、创造新物质，探求物质的本质发现、创造新物质，探求物质的本质化学是物理学，生物学，矿物学，地球，天文研究的方法 化学：化学：1 Introduction9什么是什么是“分析化学分析化学”“分析化学分析化学”是获取物质的化学信息，研究物质的是获取物质的化学信息，研究物质的组成、组成、含量含量、结构及状态的科学。、结构及状态的科学。如何获取物质的如何获取物质的“化学信息化学信息”化学与如下科学结合，采用其方法和手段获取物质的化学与如下科学结合，采用其方法和手段获取物质的“质质”和和“量量”的资料，从而得到相关化学信息：的资料，从而得到相关化学信息：数学数学 物理学物理学 生物学生物学 医学医学 计算机科学计算机科学2 Chemical Analysis and Instrumental Analysis10“仪器分析仪器分析”是分析化学的重要部分是分析化学的重要部分分析化学分析化学仪器分析仪器分析化学分析化学分析定性分析定性分析定量分析定量分析重量法重量法容量法容量法酸碱、配位、氧化还酸碱、配位、氧化还原、沉淀、电位滴定原、沉淀、电位滴定“仪器分析仪器分析”是以物质的物理或物理化学性质为基础的一类是以物质的物理或物理化学性质为基础的一类分析方法，其特征是以仪器作为分析测量的主要手段。分析方法，其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由于这类方法依据了物质的物理或物理化学性质，因此，物质的物理或物理化学性质，因此，亦曾被称作物理或物理化学分析法。亦曾被称作物理或物理化学分析法。2 Chemical Analysis and Instrumental Analysis11化学分析与仪器分析方法比较化学分析与仪器分析方法比较化学分析：常量组分分析（化学分析：常量组分分析（1%），准确度高（），准确度高（Er=0.1-0.2%）。）。依据化学反应，使用玻璃仪器。依据化学反应，使用玻璃仪器。仪器分析：微量组分分析（仪器分析：微量组分分析（1%）微量成分分析（微量成分分析（1%-10-6）痕量成分分析（痕量成分分析（10mg,1mL）微量样品分析（微量样品分析（0.1-10mg,0.01-1mL）超微量样品分析（超微量样品分析（0.1mg,0.01mL）按按被分析物质的状态被分析物质的状态划分：划分：成分分析成分分析 表面与界面分析表面与界面分析 价态分析价态分析 微区分析微区分析 结构分析结构分析 剥层分析剥层分析ppm,ppb,ppt143 Classification按原理、方法分类按原理、方法分类仪器分析仪器分析光光(波波)谱谱分析法分析法电化学分析法电化学分析法色谱分析法色谱分析法质谱分析法质谱分析法分析仪器分析仪器联用技术联用技术热分析法热分析法153 Classification光光(波波)谱谱分析法分析法原子光谱法原子光谱法分子光谱法分子光谱法其它波谱法其它波谱法原子发射光谱法原子发射光谱法原子吸收光谱法原子吸收光谱法X射线荧光与射线荧光与X射线衍射分析射线衍射分析紫外紫外-可见分子吸收光谱分析可见分子吸收光谱分析红外分子吸收光谱法红外分子吸收光谱法拉曼光谱法拉曼光谱法分子荧光与磷光光谱法分子荧光与磷光光谱法化学发光光谱法化学发光光谱法核磁共振与顺磁共振波谱法核磁共振与顺磁共振波谱法X射线光电子能谱和射线光电子能谱和俄歇电子能谱俄歇电子能谱16光谱分析法光谱分析法以物质的光学性质以物质的光学性质(发射、吸收、散射等发射、吸收、散射等)为基础，依据为基础，依据物质的能量物质的能量变化而建立起来的一类分析方法变化而建立起来的一类分析方法3 Classification173 ClassificationA.光光谱分析法分析法 1.紫外可紫外可见分光光度法分光光度法 UV-VIS 2.红外光外光谱法法 IR辐射的吸收射的吸收 3.原子吸收光原子吸收光谱法法 AAS 4.核磁共振波核磁共振波谱分析分析 NMR 5.顺磁共振波磁共振波谱分析分析 ESR 6.光声光光声光谱法法 PAS183 Classification A.光光谱分析法分析法 辐射的散射射的散射 7.拉曼光拉曼光谱法法 辐射的旋射的旋转 8.旋光色散法旋光色散法 9.园二色性法园二色性法 辐射的衍射射的衍射 10.X射射线和和电子衍射分析子衍射分析193 ClassificationA.光光谱分析法分析法 11.X射射线荧光分析光分析 12.原子原子发射光射光谱分析分析 辐射的射的发射射 13.电子探子探针分析分析 14.电子能子能谱分析分析 15.荧光分析和磷光分析光分析和磷光分析 16.化学化学发光和生物光和生物发光分析光分析203 ClassificationB.电化学分析法电化学分析法以物质的电化学性质为基础的一类分析方法。如电位、以物质的电化学性质为基础的一类分析方法。如电位、电流、电导、电量等电化学性质。电流、电导、电量等电化学性质。电化学分析法电化学分析法电导分析法电导分析法电位分析法电位分析法(pH与离子选择电极与离子选择电极)电流分析法电流分析法(库仑分析和电重量法库仑分析和电重量法)伏安分析法伏安分析法(极谱和溶出伏安法极谱和溶出伏安法)213 ClassificationC.色谱分析法色谱分析法以物质在互不相溶的两相中分配系数的差异而建立起以物质在互不相溶的两相中分配系数的差异而建立起来的一类分析方法。如气来的一类分析方法。如气-固、气固、气-液、液液、液-固、液固、液-液等液等两相两相分离法分离法毛细管电动色谱法毛细管电动色谱法色谱分离法色谱分离法电泳分离法电泳分离法气相色谱法气相色谱法液相色谱法液相色谱法超临界流体色谱法超临界流体色谱法毛细管电泳法毛细管电泳法223 ClassificationD.其他分析方法其他分析方法 25.质谱法法 MS 26.热重量分析法重量分析法 TG 27.差差热分析法分析法 DTA 28.示差示差扫描量描量热法法 DSC 29.放射化学分析放射化学分析 30.动力学方法力学方法质谱法质谱法给待测物以能量使之电离成带电碎片，按质荷比的大给待测物以能量使之电离成带电碎片，按质荷比的大小排列得到质谱图，对物质的质量进行分析的方法。小排列得到质谱图，对物质的质量进行分析的方法。234 Figure of Merit仪器分析的主要性能指标仪器分析的主要性能指标1.准确度准确度 Accuracy2.精密度精密度 Precision3.灵敏度灵敏度 Sensitivity4.检测限检测限 Limit of Detection5.线性范围线性范围 Linear Range6.选择性选择性 Selectivity244 Figure of Merit仪器分析的主要性能指标仪器分析的主要性能指标1.准确度准确度 Accuracy绝对误差绝对误差（absolute error）相对误差相对误差（relative error）测定值与测定值与真值真值相符合的程度相符合的程度公认真值：原子量、纯物质中各元素的理论含量、公认真值：原子量、纯物质中各元素的理论含量、标样的标准值等标样的标准值等254 Figure of Merit仪器分析的主要性能指标仪器分析的主要性能指标2.精密度精密度 Precision精密度表示平行测定结果互相靠近的程度。精密度表示平行测定结果互相靠近的程度。一般用相对标准偏差（变动系数）表示。一般用相对标准偏差（变动系数）表示。264 Figure of Merit仪器分析的主要性能指标仪器分析的主要性能指标3.灵敏度，工作曲线的线性范围及检测限灵敏度，工作曲线的线性范围及检测限274 Figure of Merit仪器分析的主要性能指标仪器分析的主要性能指标3.灵敏度，工作曲线的线性范围及检测限灵敏度，工作曲线的线性范围及检测限信号信号噪声噪声工作曲线工作曲线浓度浓度285 How to Learn仪器分析的学习方法仪器分析的学习方法抓住主线：抓住主线：原理、特点、用途；重点在原理原理、特点、用途；重点在原理归纳共性和个性：归纳共性和个性：以色谱为例，共性：复杂混合物分离分析以色谱为例，共性：复杂混合物分离分析 个性：流动相不同，原理差异，对象不同个性：流动相不同，原理差异，对象不同处理好整体与局部：处理好整体与局部：分析仪器分析仪器结构流程结构流程关键部件关键部件拓宽知识面：拓宽知识面：化学化学+物理物理+电子技术电子技术+计算机（综合学科）计算机（综合学科）296 Application现代仪器分析现代仪器分析的应用领域的应用领域环境科学环境科学材料科学材料科学能源科学能源科学生命科学生命科学信息科学信息科学空间科学空间科学纳米科学纳米科学306 Applicationl社会：体育兴奋剂检测、生活产品质量监控（农残、社会：体育兴奋剂检测、生活产品质量监控（农残、食品添加剂检测、水产品新鲜度）、环境质量监控食品添加剂检测、水产品新鲜度）、环境质量监控（污染实时监测）、法庭化学（污染实时监测）、法庭化学（DNA技术，物证）技术，物证）l化学：新化合物的结构表征、分子层次的分析方法化学：新化合物的结构表征、分子层次的分析方法l生命科学：生命科学：DNA测序，活体检测，药物的有效成分、测序，活体检测，药物的有效成分、结构及构效关系结构及构效关系l环境科学：环境检测、污染物分析环境科学：环境检测、污染物分析l材料科学：新材料的结构与性能材料科学：新材料的结构与性能l空间科学：微型、高效、自动、智能化仪器研究空间科学：微型、高效、自动、智能化仪器研究31例：例：（1）STM(Scanning Tunnel Microscope)IBM某研究所，某研究所，1986年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖 可研究物质表面的原子结构及形貌。可研究物质表面的原子结构及形貌。可在纳米尺度探测表面。可在纳米尺度探测表面。分辨率高：横向分辨率高：横向0.1 nm，纵向，纵向0.01 nm（2）CE(Capillary Electrophoresis)完成了人类基因组计划，实现人类基因测序完成了人类基因组计划，实现人类基因测序拉开了后基因时代序幕拉开了后基因时代序幕7 Position In Chemistry Research（3）DNA双螺旋结构的确证双螺旋结构的确证从生物组织、从生物组织、DNA、双螺旋结构，到遗传机、双螺旋结构，到遗传机理的阐明，仪器分析起了关键作用理的阐明，仪器分析起了关键作用32B DNA A RNA Z DNA 核酸双螺旋结构核酸双螺旋结构X-X-光衍射技术光衍射技术 33Nucleobases in Single Strand DNA and RNAAC5353GTACGUDNARNA343.4nm0.34 nm1 nmStructure of B-DNAStructure of B-DNAMajor grooveMinor grooveComplimentary DNA strands make the right-handed helical duplex which shows chirality.B-DNA is a biologically most common form and has 10 base pairs per turn.Bases stacked 1/3 nm apartSugar/phosphate backbones are outside(hydrophilic).主溝主溝副溝副溝積重積重積重積重構造構造構造構造oxygenphosphorusnitrogencarbonhydrogen外側外側外側外側親水的親水的親水的親水的内側内側内側内側疎水的疎水的疎水的疎水的35362002年度诺贝尔化学奖年度诺贝尔化学奖J.B.Fenn,K.Wuthrich,Koiichi Tanaka（田中耕一）（田中耕一）MALDI-MSMatrix Assisted Laser Desporption Ionization Mass Spectrometry(介质支撑激光解吸离子化介质支撑激光解吸离子化质谱质谱)LD:laser desorption 学术贡献学术贡献：以往方法：以往方法：生物大分子的结构解析及其方法研究生物大分子的结构解析及其方法研究样品分子直接吸收激光，热稳定性差的蛋白质在离子化样品分子直接吸收激光，热稳定性差的蛋白质在离子化时分解。故不适用于热稳定性差的蛋白质分析时分解。故不适用于热稳定性差的蛋白质分析7 Position In Chemistry Research37MALDI-MS的原理的原理样品分子不直接气化离子化，介质试剂样品分子不直接气化离子化，介质试剂气化时样品分子被带入气相，与离子化气化时样品分子被带入气相，与离子化的试剂之间产生质子、电子的授受而离的试剂之间产生质子、电子的授受而离子化子化将样品分子均匀分散在大量将样品分子均匀分散在大量激光吸收率高的试剂中，以激光吸收率高的试剂中，以脉冲激光照射样品表面。脉冲激光照射样品表面。38获获获获 Nobel Nobel 奖的冠醚的发现过程奖的冠醚的发现过程奖的冠醚的发现过程奖的冠醚的发现过程 1 17 Position In Chemistry Research39获获获获 Nobel Nobel 奖的冠醚的发现过程奖的冠醚的发现过程奖的冠醚的发现过程奖的冠醚的发现过程 2 27 Position In Chemistry Research40获获获获 Nobel Nobel 奖的冠醚的发现过程奖的冠醚的发现过程奖的冠醚的发现过程奖的冠醚的发现过程 3 37 Position In Chemistry Research41获获获获 Nobel Nobel 奖的冠醚的发现过程奖的冠醚的发现过程奖的冠醚的发现过程奖的冠醚的发现过程 4 47 Position In Chemistry Research42C.J.Pedersen:J.Am.Chem.Soc.,89,7017(1967)冠醚化学冠醚化学 D.J.Cram:Science,183,803(1974)主客体化学主客体化学J.M.Lehn:Pure Appl.Chem.,50,871(1978)超分子化学超分子化学冠醚的发现冠醚的发现冠醚的发现冠醚的发现主客体化学主客体化学主客体化学主客体化学超分子化学超分子化学超分子化学超分子化学7 Position In Chemistry Research43Rotaxanes:JACS,2006,2JACS,2006,7其它超分子举例其它超分子举例其它超分子举例其它超分子举例448 Current Trends1)化学分析到仪器分析化学分析到仪器分析2)常量分析到微量分析常量分析到微量分析3)总体分析到表面、局部和深度分析总体分析到表面、局部和深度分析4)静态到动态分析静态到动态分析5)新的分析法新的分析法(获得获得“质质”的信息的信息)6)新的解析法新的解析法7)状态解析到物质体系的诊断状态解析到物质体系的诊断45碳的同素异型体碳的同素异型体46更高的灵敏度更高的灵敏度/更低的更低的检测限限更好的更好的选择性性/更少的基体干更少的基体干扰更高的准确度更高的准确度/更好的精密度更好的精密度更快的分析速度更快的分析速度更高的自更高的自动化程度化程度更完善的多分析物同更完善的多分析物同时检测能力能力更完善可信的形更完善可信的形态分析分析更小的更小的样品量，微品量，微损或无或无损分析分析原位（原位（in situ）、活体内（）、活体内（in vivo）、）、实时分析（分析（real time）更多的更多的应用范用范围（遥（遥测；极端或特殊；极端或特殊环境中的分析）境中的分析）高分辨成像高分辨成像8 Current Trends 常量分析到微量分析常量分析到微量分析478 Current Trends 常量分析到微量分析常量分析到微量分析单细胞中的离子、分子检测单细胞中的离子、分子检测 单细胞：大小约单细胞：大小约1-10 m，是，是 远距离检测：远距离检测：火星岩石的火星岩石的X射线荧光分析射线荧光分析 江河湖海等天然水中化学成分的现场分析（江河湖海等天然水中化学成分的现场分析（in situ）48超微粒、分子簇超微粒、分子簇(cluster)、中介相、中介相(mesophase)、层间物物质的的测定等定等扫描隧道描隧道显微微镜(STM):原子原子层次次俄歇俄歇电子能子能谱(AES):约50 nm(0.05 m)显微拉曼光微拉曼光谱:约1 m显微微红外光外光谱:约10 m8 Current Trends 总体分析到表面、局部和深度分析总体分析到表面、局部和深度分析498 Current Trends静态到动态分析静态到动态分析时间分辨分辨测定定(ps,fs)动态过程解析程解析新的分析法新的分析法(获得获得“质质”的信息的信息)原子原子间力力显微微镜，邻近近场(near field)显微微镜，生物模生物模拟检测(响响应、判断等的多、判断等的多样性及特异性性及特异性)无无损分析分析(生物体内生物体内检测，利用生物反，利用生物反应的的检测法法)50in tact 原样分析原样分析 in situ 原位分析原位分析 in vitro 试管等人为环境下的分析试管等人为环境下的分析 in vivo 活体分析活体分析in statu quo 同一状态下、维持现状同一状态下、维持现状51(提高解析力、判断力、速度，提高解析力、判断力、速度，模模拟simulation)CAC(Computer Aided Chemistry)AI(Artificial Intelligence 人工智能人工智能)积分分变换(富里叶，拉扑拉斯等富里叶，拉扑拉斯等)分子分子动力学力学(Molecular Dynamics)8 Current Trends 新的解析法新的解析法528 Current Trends 状态解析到物质体系的诊断状态解析到物质体系的诊断物质：含有信息情报集合了能量具有功能的物种物质：含有信息情报集合了能量具有功能的物种分析：给物质体系以刺激，利用响应进行解析、分析：给物质体系以刺激，利用响应进行解析、判断和预测判断和预测538 Current Trends分析化学的分析化学的主要发展趋势主要发展趋势新原理新原理新技术新技术新仪器新仪器自动化自动化微型化微型化生物分析生物分析环境分析环境分析过程分析过程分析表面分析表面分析大分子表征大分子表征化学图像化学图像无损分析无损分析单细胞分析单细胞分析单分子单聚集体分析单分子单聚集体分析教育教育定性定性传感器传感器固定化固定化化学计量学化学计量学在线分析在线分析原位分析原位分析实时分析实时分析活体分析活体分析接口接口分离技术分离技术仪器和计算机仪器和计算机联用技术联用技术其他科技领域其他科技领域54第一章第一章 作业作业1 目前仪器分析按原理、方法怎样分类，本课程将目前仪器分析按原理、方法怎样分类，本课程将学习哪些内容？学习哪些内容？2 仪器分析的主要性能指标有哪些，各自的定义和仪器分析的主要性能指标有哪些，各自的定义和评价标准是什么？评价标准是什么？3 结合化学工程系的科研状况，你认为哪些仪器分结合化学工程系的科研状况，你认为哪些仪器分析内容是要重点掌握的？析内容是要重点掌握的？