仪器分析概论

仪器分析主讲：尹洪宗尹洪宗简介：南开大学分析化学专业博士教授，化学院副院长。主要从事金纳米材料的光谱特性研究、散射光谱研究以及稀土元素配合物及其荧光研究。在《化学学报》、《分析化学》、《Anal.Lett.》、《Talanta》等刊物发表论文30余篇，SCI收录16篇办公室：文理大楼707电话：8249248E-mail:[e-mail]课程简介14章质谱分析法13章：液相色谱12章：气相色谱11章：色谱分析导论10章：伏安法和极谱法9章电解分析和库仑分析法7章电分析引论6章原子吸收及原子荧光分析5章：原子发射光谱法4章：分子发光分析2章：紫外-可见分光光度法3章红外和拉曼光谱1章：光学分析引言仪器分析导言8章电位分析与离子选择性电极武汉大学《仪器分析》北京大学《仪器分析》北京大学李克安《分析化学教程》汪尔康《21世纪的分析化学》主要参考数目：第一章《仪器分析》绪论本章提要：1.分析化学的任务；2.仪器分析的发展；3.分析化学分类4.仪器分析与化学分析的关系5.仪器性能及其表征；6.仪器分析校正方法；7.仪器分析方法的选择；8.如何学习仪器分析？1.分析化学是做什么的？分析化学是研究物质化学组成的分析方法及其理论的一门学科！这句话可展开为：1）What?定性分析(qualitativeanalysis):测定样品中原子、分子或官能团的信息（种类、相互之间的连接方式和空间排列方式）；2）Howmuch?定量分析(quantitativeanalysis):测定各成分的含量。2分析化学的发展十六世纪：天平第一次：二十世纪初四大平衡理论定量分析ClassicalAnalyticalChemistry第二次：二十世纪三、四十年代，二战前后，工业和技术发展的需要和基础，科学技术进步测量待测物质的一些物化性质：电导、电势、光吸收及发射、荷质比、荧光等并开始应用到定量分析中，出现仪器分析方法InstrumentalMethodsofAnalysis第四次：二十世纪七十年末信息时代的到来，给仪器分析带来了新的发展。信息科学主要是信息的采集和处理。（1）计算机与分析仪器的结合，出现了分析仪器的智能化，加快了数据处理的速度。（2）联用分析技术已成为当前仪器分析的重要发展方向。第三次：近代微电子技术的发展，促进了高灵敏、高准确度和高自动化程度仪器的发展，如X-射线分析3.分析化学分类经典分析化学分离：沉淀、萃取、蒸馏等分离方法；定性方法：加入各种试剂，测量待测物（analyte,targetspecies）的颜色、熔沸点、气味、光学性质（拆射、反射、衍射等）以及在不同溶剂中的溶解特性。定量方法：重量法、滴定（容量）法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建立起来的一种分析方法，测定时，常常需要使用比较复杂的仪器。仪器分析的产生为分析化学带来革命性的变化，仪器分析是分析化学的发展方向4、仪器分析和化学分析的关系（1）仪器分析与化学分析的联系①仪器分析是在化学分析的基础上发展起来的，其不少原理都涉及到化学分析的基本理论；②仪器分析离不开化学分析，其不少过程需用到分析化学的理论。（2）仪器分析与化学分析的区别化学分析仪器分析从原理看根据化学反应计量关系根据物质的物理或者物理化学性质、参数及变化规律从仪器看简单玻璃仪器较复杂特殊的仪器从操作看多为手工操作、较复杂多为开动仪器开关、操作简单易自动化从试样看试样量多、破坏性分析样品量少、有的为非破坏性可现场或在线分析从应用看常量的定性、定量微量、痕量的组分分析、状态、结构等分析（3）仪器分析的特点（与化学分析比较）①灵敏度高，检出限量可降低③选择性好⑥操作简便，分析速度快，容易实现自动化④准确度相对较低5%⑤一般仪器价格较贵，维修使用成本较高。300MHzNMR约220万元,800MHzNMR价格1000万元人民币②效率高：可以一次分析样品中多种元素信息⑦满足特殊要求结构分析（IR结构分析）形态和价态分析（As的不同形态毒性不同）表面与无损分析文物的分析（13C中子活化分析）金首饰中含金量分析（X-rays荧光分析）遥控和自动分析（火星探测器中带有多种分析装置）1）灵敏度（Sensitivity）反映了仪器或方法识别微小浓度或含量变化的能力，也就是说，当浓度或含量有微小变化时，仪器或方法均可以觉察出来。影响灵敏度的因素有二：校正曲线的斜率；分析的重现性或精密度。InternationalUnionofPure&AppliedChemists，即IUPAC推荐使用“校正灵敏度”或者“校正曲线斜率”作为衡量灵敏度高低的标准。5.仪器性能及其表征010203040506000.10.20.30.40.50.6S仪器和方法的灵敏度描述K1，k2分别为两条校正曲线的斜率，即校正灵敏度。但未考虑测定重现性影响！（灵敏度表示被测组分的质量或者浓度改变一个单位时分析信号的变化量）c因此，有人建议以“分析灵敏度(AnalyticalSensitivity)”表示，即优点：当仪器信号放大时，k值增加，灵敏度提高；但此时s也相应增加，从而一定程度地保证了灵敏度恒定；缺点：s与浓度有关，即灵敏度随浓度而变化！sk/分析灵敏度2）检测限（Detectionlimit,DL）检测限：在已知置信水平，可以检测到的待测物的最小质量或浓度。它和分析信号（Signal）与空白信号的波动（噪音,Noise）有关，或者说与信噪比（S/N）有关。只有当有用的信号大于噪音信号时，仪器才有可能识别有用信号，如下图所示。sb测定次数，nSSDL=Sb+k1sb仪器噪音及方法检出限K1=3时，可以认为仪器检出的最小信号值SDL可能性为95%检出限如何计算呢？kSSCbDLDL_①测定空白样品(或浓度接近空白值）20-30次，求其平均值Sb及其标准偏差sb，则可分辨的最小信号kskskCbbDL31bbDLskSS1②通过校正曲线的斜率k，将最小待测物信号SDL转化为浓度值CDL，即经统计学的t和F检验，当k1=3时，大多数情况下，当检测结果的置信度为95%。上式可转换为：灵敏度与检出限的关系密切相关－灵敏度越高，检出限值越低含意不同灵敏度是组分信号随组分含量变化的大小（与检测器的放大倍数有直接依赖关系）检出限是定量分析方法可能检测的最低量或者最低浓度（与测定噪声直接相关联，而且具有明确的统计意义）提高测定精密度，降低噪声，可以改善检出限。任何测量值均由两部分组成：信号及噪音。信号（S）：反映了待测物的信息;噪音（N）：降低分析的灵敏度。增加噪音，检测限提高，灵敏度下降。多数情况下，N恒定，与S大小无关。较小测量信号，测量的相对误差将增加。3）信噪比（signal-to-noiseratio,S/N）因此信噪比S/N是恒量仪器性能和分析方法好坏最为有效的指标！RSD1sxNS标准偏差平均值当S/N3时，分析信号将很难测定。化学噪声：分析体系中难以控制的化学因素。化学反应中温度和压力等参数的变化和波动；相对湿度导致样品含水量的不同；粉状固体粒度不均；光敏材料产生的光密度不均；实验室烟尘与样品或试剂作用的随机性；等等。噪声的来源仪器噪声仪器的光(电)源、输入(出)转换器、信号处理单元等都是仪器噪声的来源。所用仪器的每个部分都可产生不同类别的噪声。通常将仪器噪声分为4类：热噪声（Thermal,orJohnson,noise）属于白噪音(whitenoise)，由元器件中电子或电荷受热激发所产生的噪音信号。由于荷电粒子受激的随机性和周期性，因而会导致电荷的不均一，进而使读出的信号发生波动。只有在绝对零度时，该噪音才会消失。当电阻R，T，则N。(如UV二极管阵列检测器在77K时，其噪音下降一半左右；此外，减少带宽，可降低噪音，但同时也会延长响应时间，并降低测定的可靠性。散粒噪声（Shotnoise）它是由电子或其它荷电粒子通过界面（如PN结，光电池或真空管的阴阳极之间）时所产生的噪音，亦属白噪音。闪变噪声（Flickernoise）闪变噪声存在十分普遍，其大小与频率成反比，尤其在低频时（100Hz），其对测定的影响更大。有时也称之为1/f噪声。产生该噪声的机制还不很清楚。采用绕线电阻或金属膜式电阻代替含碳型电阻可显著降低该类噪声。环境噪声（Environmentalnoise）环境噪声来自于周围环境的各个方面。由于仪器的每个部分都可以看作是一个天线，一种可接收各种辐射的接收器。而环境中存在在大量的电磁辐射：交流电线、收音机、TV台、马达电刷、引擎点火系统等。硬件方法：接地和屏幕、差分放大器、模拟滤波、频率调制方法、断续放大或切光器、闭锁装置放大等软件方法：总体平均、方脉冲平均、数字滤波等其它方法：噪声数据平滑、谱库比较、谱峰识别技术消除噪声方法动态范围CDLLOLLOQ浓度，c响应信号S4）动态范围（Dynamicrange）CDL=检测限；LOQ(limitofquantitation)定量低限,LOQ=10sblankLOL=limitoflinearresponse,线性响应高限。通常的分析方法，其线性动态范围LOL/LOQ至少要达到2个数量级。5）选择性定义：样品基体中其它组份对待测物的干扰程度在分析中，没有哪种测定不受到诸多因素的干扰，换句话说，分析的过程就是消除或减少干扰对测定影响的过程，也就是提高分析选择性的过程。通常用选择性系数来反应仪器或方法的选择性，但该应用并不多，只是在ISE分析中用到选择性系数6.仪器分析校正方法所谓校正(Calibration)，就是将仪器分析产生的各种信号与待测物浓度联系起来的过程。除重量法和库仑法之外，所有仪器分析方法都要进行“校正”。校正方法有三：标准曲线法；标准加入法；内标法。1）标准曲线法（Calibrationcurve，Workingcurve,Analyticalcurve）具体做法分三步：①准确配制已知浓度的待测物标准系列溶液:0(空白)，c1，c2，c3，c4……..；②通过仪器分别测量以上各溶液中待测物的响应值S0，S1，S2，S3，S4……及样品溶液中待测物的响应值Sx；③以响应信号S对浓度c作图得到标准曲线，然后通过测得的Sx从下图中求得cx；或者通过线性回归法获得其线性方程再将Sx代入其方程计算出cx。S440cx0.0520浓度，cSS2S3S10.00.20.40.60.81.01.230Sx标准曲线法的准确性与两个因素有关：标准物浓度配制的准确性；标准基体与样品基体的一致性。2）标准加入法（Standardadditionmethod）具体做法：①将一系列已知量待测物分别加入到几等份的样品中，配制成浓度为(cx+0),(cx+c1),(cx+c2),(cx+c3)……..和样品有相同基体的标准系列溶液(加标，spiking)；②通过仪器分别测量以上系列溶液的响应值S0，S1，S2，S3，S4……；③以响应信号S对浓度c作图，再将直线外推与浓度轴相交于一点(下图)，求得样品中待测物浓度cx。cx0.00.20.0102030-10浓度，cSS2S3S4S10.40.60.81.01.2当样品量很少时，可在一份样品中加标，加一次作一次测量，可得到上述方法相同的结果；当觉得上述过程麻烦时，可只加标一次，分别测量样品和加标样品的仪器响应，再直接通过公式进行计算。优点：基体(matrix)相近，或者说基体干扰相同；缺点：麻烦，适于小数量的样品分析。3）内标法（Internalstandardmethod）该法可以说是上述两种校正曲线的改进。可用于克服或减少仪器或方法的不足等引起的随机误差或系统误差。具体作法：①寻找一种物质或内标物，该内标物必须是样品中大量存在的或完全不存在的。然后，在所有样品、标准及空白中加入相同量的上述内标物；②分别测量样品及标准中待测物及内标物的响应值，然后以Sx/Si比值对浓度c作图；③按前述校正方法获得cx。说明：当待测物与内标物的响应值的波动一致时，其比值