0仪器分析-绪论

仪器分析主讲：张新荣分析中心电话：76888Email：[e-mail]第O章绪论一、《仪器分析》课程概况《仪器分析》课程是生命科学、材料科学和环境科学研究中所抽象出的一门测量物质成分、含量、结构、表面等物理化学特性的基础理论和实验课程。《仪器分析》课程（理论或实验）在我校的开设对象包括本科——化学、化工、材料、环境（生物、工物）等系研究生——化学、化工、材料、环境、生物、工物、核研院、热能、（电子、精仪）等系，因此本课程是一门覆盖面较广的课程。重量法容量法（酸碱、络合、氧化-还原、沉淀等滴定法）定性分析定量分析化学分析仪器分析分析方法仪器分析是以物质的物理或物理化学性质作为基础的一类分析方法，它的显著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物质的物理或物理化学性质，因此，亦曾被称为物理和物理化学分析法。仪器分析是分析化学的一个重要部分：分类1、光谱分析仪器2、色谱分析仪器3、质谱分析仪器4、电化学分析仪器5、其它光（波）谱分析法原子光谱法分子光谱法其它波谱法原子发射光谱法原子吸收光谱法原子荧光光谱法紫外-可见吸收光谱法红外吸收光谱法分子荧光与磷光光谱法化学发光光谱法拉曼光谱法核磁共振与顺磁共振波谱法X-射线光电子能谱与俄歇电子能谱X射线荧光与X射线衍射分析电化学分析法电导分析法电位分析法（pH与离子选择性电极）电流分析法（库仑分析和电重量法）伏安分析法（极谱和溶出伏安法）分离法色谱分离法电泳分离法气相色谱法液相色谱法超临界流体色谱法毛细管电泳法毛细管电动色谱法按被分析物质的含量划分，分为三类按被分析物质的状态划分，分为：表面与界面分析微区分析剥层分析常量成分分析（0.01%)痕量成分分析(0.01-0.00001%)超痕量成分分析(0.00001%)成分分析价态分析结构分析常量样品分析（10mg,1ml)微量样品分析(0.1-10mg,0.01-1ml)超微量样品分析(0.1mg,0.01ml)按取样量划分，分为三类二、学时与教材学时：课堂讲授64学时教材：《仪器分析》(第二版）清华大学出版社参考书：D.M.Skoogetal.《PrinciplesofInstrumentalAnalysis》第5版第O章绪论2学时第一章电化学分析法6第二章原子发射光谱4第三章原子吸收光谱4第四章紫外-可见分子吸收法6第五章红外吸收光谱法4第六章核磁共振波谱法8第七章气相色谱分析法4第八章液相色谱法4第九章质谱分析法8第十章其它分析方法8《仪器分析》电子教材《仪器分析实验》多媒体演示系统三、仪器分析课程的重要性1、发展历史20世纪初，随着工业的发展可科技水平的提高，采用瓶瓶罐罐式的化学分析的方法已经满足不了时代发展的需要了，1922年，Heyrovsky提出极谱分析法，获得1959年诺贝尔化学奖；1941年，MartinandSynge开创气相色谱法，获1952年诺贝尔化学奖；同时,BlochandPurcell提出的核磁共振测定，获1952年诺贝尔物理奖；目前,仪器分析已成为推动科技进步的重要手段。2002年诺贝尔化学奖授予三位分析仪器领域的学者美国JohnB.Fenn日本田中耕一质谱法研究蛋白质瑞士KurtWuthrich生物分子的三维结构2003年诺贝尔医学奖授予核磁共振成像领域的科学家•1901Rontgenetal首次发现X射线存在•1907Michelsonetal首次制造精密光谱仪器•1922Astonetal发明质谱测定同位素•1923Pregletal发明有机物微量分析•1930Ramanetal发现拉曼效应•1944Rabietal用共振方法记录原子核磁性•1948Tiseliusetal用电泳法发现血浆蛋白性质•1952Blochetal发展核磁共振精细测量法•1952Martinetal发明分配色谱•1959Heyrovskyetal发明极谱法•1981Siegbahnetal发明高分辨电子光谱法•1981Bloembergenetal发展激光光谱学•1991Ernst对高分辨核磁共振方法发展二恶英事件人类基因组计划JianzhongZhang,afellowUniversityofAlbertascientist,togetherwithDr.DovichiweretheoneswhodevelopedtheDNAsequencerthatplayedacriticalroleinthebreakthroughofgene-mappingbytheHumanGenomeproject.江西猪油中毒事件1999年元旦期间，在江西赣南地区龙南、定南两县，一千多名群众因食用含有机锡的桶装工业猪油而严重中毒，造成一百多人住院治疗，三人死亡的悲剧，这是一起国际罕见的食物中毒事件。2、分析仪器原理与设计科学技术生产理论技术对象（问题）推动分析仪器发展的三要素1、生产发展提出迫切需要解决的问题2、问题的解决有待于理论与技术的提高3、一项新技术的产生总是以理论作为基础太阳光暗线例1原子吸收光谱仪器的产生（1）基于光吸收原理的分析仪器的设计暗线是由于大气层中的原子对太阳光选择性吸收的结果：ECE=h=h基态第一激发态热能空心阴极灯火焰单色器光电管原子吸收光谱仪器的设计原理0.0001nm关键性难题•通常光栅可分开0.1nm，要分开0.01nm的两束光需要很昂贵的光栅；要分开两束波长相差0.0001nm的光，目前技术上仍难以实现；•此外，即使光栅满足了要求，分出的光也太弱，难以用于实际测量。oKo1955年Walsh发表了一篇论文“Applicationofatomicabsorptionspectrometrytoanalyticalchemistry”,解决了原子吸收光谱的光源问题，50年代末PE和Varian公司推出了原子吸收商品仪器。-+例2紫外-可见与红外分光光度计的设计HW红蓝S1S2红外分光光度计的应用4000.03000200015001000650.0cm-1A猪皮银耳燕窝燕窝的品质鉴别不同圆珠笔油墨的二维相关红外研究样品1样品2原理：1.核——自旋——核自旋量子数（I=1/2,1,3/2,……,I≠0的磁性核）2.核自旋磁能级间距为射频电磁波几十M到1000MHz3.磁性核在静磁场中吸收一定波长（频率）的电磁波，使体系由基态变成激发态的过程为NMR。例3核磁共振波谱仪（NMR）的设计•1944Rabietal用共振方法记录原子核磁性•1952Blochetal发展核磁共振精细测量法•1991Ernst对高分辨核磁共振方法发展电磁波与不同种类核的作用NSNSNSSNSNNS不同频率核磁成像附加线性磁场ECE=h=h基态第一激发态光能（2）吸收的逆过程——发射型光谱仪器的设计AuPb光源单色器检测器例1、原子发射光谱EchelleFieldFlattenerUVCameraSphereComputer-controlledMirrorICPTorchEntranceSlitFoldFlatSchmidtCrossDisperserParabolaVisiblePrismTelephotoLensOutputCCDSubarray现代原子发射光谱（ICP-OES）1E+01E+11E+21E+31E+41E+51E+61E+71E+8BCNaMgAlSKCaTiCrMnFeCoNiCuZnZrRhAgCdHfWPb例2拉曼光谱仪光源单色器检测器样品室•拉曼效应发现于1928年，发现者为印度物理学家C.V.Raman5pm140pm10nm100um1m-射线X-射线光学光谱区微波区无线电波区远紫外区近紫外区可见区近红外区远红外区10nm200nm400nm800nm2500nm50um2、基于质量分析原理的仪器设计飞行时间质谱的基本原理TOF-MS田中耕一为什么获诺贝尔奖？Matrix-assistedLaserDesorptionIonization-MALDIts例2色谱仪器的产生1906Tswett研究植物色素分离，提出色谱法概念；1941Martin和Synge提出液-液色谱，1951年提出气相色谱3、基于分离原理的仪器的设计目前色谱法已经成为复杂物质分析的主要手段之一，在环境与生命科学中具有重要的作用。DIOXINS的污染与分析致癌DIOXINs剧毒致畸形人体暴露到二恶英中的允许值为:0.000000000001g/kgday（110-12g/kgday）急性皮肤毒性为LD501-100g/kg,DDT毒2万倍DIOXIN家族简介oo苯环p-Dioxin二苯并对二恶英（DD）ooClClClCl2，3，7，8-TCDDooooClnCln一个DD最多可以结合8个氯原子，而根据氯原子结合的位置，可以有75种结合方式的排列组合。即DD可以有75个家庭成员！OClnCln多氯二苯并呋喃（PCDF）此外，尚有类似物等，据统计共有210种毒物，所谓二恶英是指这210种毒物。但是目前限于条件，只检测其中17种毒性最高的二恶英类化合物。1.单原子分子测量技术2.微型化技术3.复杂体系分析三、尚未解决的问题1L1mol/L6.02x10231nL1mol/L6.02x10141nL1fmol/L6.02x10141015～1•利用电迁移检测单分子单原子分子测量技术2、分析仪器的微型化技术生物芯片设计纳米传感器技术J.Kongetal.,Science,287:622,2000AFMimageofametal/S-SWNT/metalsampleusedfortheexperiments.Nanotubediameteris~1.8nm.Themetalelectrodesconsistof20-nm-thickNi,with60-nm-thickAuontop.Y.Cuietal.Science293:1289,2001手提式多道分光光度计小型化的质谱仪•TOF-MS的质量分析器可作成1英寸大小的便携式仪器；•手枪大小的战场化学毒剂检测仪也已经研制•第二代生物芯片已被集成在微米尺寸的微珠上间谍草•一种看似小草的微型探测器，其内装有敏感的超微电子侦察仪器和化学传感器，可侦测出百米以外坦克、车辆等出动时产生的震动和声音，人员及携带物品情况。并能自动定位、定向和进行移动，绕过各种障碍物。坦克来了！！！机器虫微型间谍飞行器美国R&D杂志对21世纪预测由于计算机技术的发展（纳米计算机、光子计算机、DNA计算机、量子计算机），在数十年内人和机器之间的差别将变得模糊，甚至灵魂也将与硅片结为一体，带有植入神经系统（软件）的人类将超过自然人。讨论题在我们所学过的物理学的电学中，有电阻、电压、电流、电量等物理参数，请（不看书）自己设计一个实验装置，把你要测定的一种物质（无机离子、有机物、生物分子等）与这些物理量的一种关联起来。