分析仪器的最新分析技术及仪器发展状况(一)

分析仪器的最新分析技术及发展趋势分析仪器的发展概况当前主要的分析仪器的种类主要与我们密切相关的分析仪器及分析原理分析仪器的发展概况第一代分析仪器：是较为简单的设备，如：天平、滴管等第二代分析仪器：1930年—1960年，人们使用特定的传感器把要测定的物理或化学性质转化为电信号，然后用电子线路使电信号在转化为数据，如当时的紫外及红外光谱、极谱仪等第三代分析仪器1960年以后微型计算机的应用，形成了第三代分析仪器第四代分析仪器是微处理芯片的制造成功。使计算机成为分析仪器中不可分割的部件，直接由分析工作者输入指令，同时控制仪器并处理数据，以不同的方式输出结果，同时，也可以对分析仪器的各部件进行诊断。第五代分析仪器起始于90年代，这个时候计算机的性能有了较大的进步，可以采用功能十分完善的个人计算机来控制第四代分析仪器。未来的分析仪器将在硬件和软件两方面并行发展，使之成为智能化、高效、多用，在大量的应用中，对操作者的技术要求会越来越少，但所得结果必须是越来越精密可靠。分析仪器正向智能化方向发展，发展趋势主要表现世界分析仪器事业持续快速发展世界分析仪器技术更新快、高科技含量增长迅猛分析技术和分析仪器的应用日益拓展全球科学仪器的主要市场为美、德、日、法、英、意等工业发达国家。当前主要的分析仪器的种类分析仪器的最终目标是定性、定量的鉴定物质的成份或其有关状态。可鉴定分子的分析仪器可鉴定原子的分析仪器分离分析仪器联用分析仪器分析样品的预处理仪器和分析数据处理仪器在不同的应用领域内还有各种专用仪器仪器主要应用使用仪器的情况紫外和可见分光光度计芳香族和其他含双键的有机化合物如：丙酮、苯、二硫化碳、氯气；稀土元素，有机化合物自由基和生物物质的测定要用光谱纯溶剂质谱仪能给出元素（包括同位素）和化合物的分子量和分子结构信息；可鉴定有机化合物日常维持费用较高，有简易四极矩型、高分辨磁铁场型、飞行时间型、两台MS串联型核磁共振波谱仪结构测定和鉴定有机化合物；能提供分子构象和构型信息；可鉴定有机化合物日常维护费用比质谱还高，高分辨型要用液氦X光衍射仪鉴定晶体结构（特别是无机物、高聚物、矿物、金属半导体、微电子材料）拉曼光谱仪可测水溶液，提供与红外光谱不同的功能团信息。如：固体分子族团的对称性。已有激光拉曼光谱、表面增强拉曼散射光谱和傅里叶变换光谱。核磁共振波谱仪结构测定和鉴定有机化合物，能提供分子构象和构型信息，能测定原子数。日常维护费用比质谱还高，高分辨型要用液氮可鉴定分子的分析仪器仪器主要应用使用仪器的情况原子发射光谱仪特别适宜于分析矿物、金属和合金使用电感偶合等离子体作为光源时氩气消耗较多，运行费用较高。原子吸收光谱仪元素精确定量，金属元素痕量分析X光荧光光谱仪特别适用于稀土元素，可测定比硫重的元素中子活化分析仪精确定量，痕量和电化学分析仪可氧化还原的物质，包括金属离子和有机物质电感偶合等离子体－质谱仪同位素分析，多元素同时测定，痕量元素分析可鉴定原子的分析仪器原子发射光谱仪自从采用电感耦合等离子体为光源之后，其灵敏度有了很大提高，成为元素痕量分析很重要的分析技术。用于原子光谱发射的光源还有微波诱导等离子体和最近发展起来的微波等离子体炬。分离分析仪器联用分析仪器CCD－电荷偶合检测器分析样品的预处理仪器和分析数据处理仪器等等“Lab-on-a-chip”或“μTAS”(微型全分析系统)联用分析仪器是指由合适的接口把两个分开的分析技术结合起来，靠计算机把数据和传输连接起来。联用法应起到增加定性分辨能力，增加分离能力以及能体现出方法之间的协同效应。目前的联用较多的是色谱与光谱之间的结合。主要有以下类别：色谱：GC－气象色谱；LC－液相色谱；SFC－超临界流体色谱；CE－毛细管电泳；TLC-薄层色谱目前的联用较多的是色谱与光谱之间的结合。主要有以下类别：光谱：MS—质谱；FTIR－傅里叶红外光谱；AAS—原子吸收光谱；ICP-ES－电感偶合等离子体光谱；MIP-ES－微波电感等离子体发射光谱。CCD－电荷偶合检测器它是把光或电信号在半导体中产生的电荷存放在MOS管（metai－oxidesemiconductor一种场效应管）中所形成的器件，电荷的数量与光或电信号的强度成正比。当对一排MOS管的电极施加一定的脉冲时，电荷将从一个电极移到另一个电极，最后以电信号形式输出。他广泛应用于信息的存储和处理。最突出的是作为固态图像传感器，例如：电视摄像机就利用CCD阵列将图像像素转换成相应的电荷，逐行传出，形成视频信号。英国阿朗的光谱仪等分析样品的预处理仪器和分析数据处理仪器等等。在不同的应用领域内还有各种专用仪器。例如：医疗用分析仪器、环境保护用分析仪器。确定采用什么分析仪器之前首先要把所要解决的分析任务的来龙去脉弄清楚，即对分析样品的状态（气、固或液态）、性质（酸性、碱性或中性，稳定或不稳定，分子量范围，组成复杂程度）、来源（指取样方法，样品来源多少）、要求分析什么、要求达到什么目的和解决什么问题等等都要有全面的了解。“Lab-on-a-chip”或“μTAS”(微型全分析系统)。主要应用于医学领域，可通过直接活体检测分析诊断疾病，发展迅猛。质谱分析质谱：是按照原子（分子）质量的顺序排列的图谱。原始的质谱仪是基于电磁学原理设计而成，采用的质量分析器只能对带电粒子起分离作用，因此，要求被研究的原子或分子转变成离子，仪器获取的信息是离子的质量m于电荷e之比m/e，m/e可作为定性分析的依据，离子电流强度可作为定量分析的依据质谱仪：按照原子（分子）质量的顺序排列的图谱，利用光谱法、核感应法或微波吸收法构成的实验装置进行质谱研究用途：测定原子量和分子量同位素分析定性、定量化学分析同位素地质学研究生产过程检测环境检测生理检测与临床研究原子与分子过程研究表面与固体研究热力学与反应动力学研究真空检测与研究空间探测与研究优点：擅长同位素分析可以精确测定原子量和分子量可以进行多种形态样品（气体、液体、固体、常温、高温、常量、微量等）分析可以同时（或顺序）检测多种成份可以连续（或间歇）进样、连续分析可以提供丰富的结构信息可以进行快速分析与实时检测即可进行定性分析，也可进行定量分析样品用量少，灵敏度高测量准确度与精密度较高缺点：仪器结构较复杂，造价较高进行复杂成份的定量分析，需要进行繁琐的校正质谱分析对样品有破坏性，尽管样品的耗量很少等离子体等离子体：是一种电离了的气体，和普通气体不同的是它是电的导体，因为其中含有电子及正离子，且正负电荷是相等的，故称为等离子体种类：直流等离子体喷焰―――DCP（direct，currutplasmajet）电感耦合等离子体――－ICP（inductivelycoupledplasma）微波感生等离子体―――MIP（microwaveinducedplasma）直流等离子体DCP直流等离子体喷焰DCP的热力学温度约8000k－10000k。检出限高，稳定性好，基体干扰效应显著，对标样要求较高。微波感生等离子体MIP微波感生等离子体MIP的热力学温度约5000k－6000k，但其激发能量很高，可激发许多很多南激发的非金属元素，入S、N、F、C、H、O、Br、Cl等。有利于分析有机物，但测定金属元素的灵敏度不如ICP和DCP。电感耦合等离子体――ICP在原子发射光谱中，目前应用较多的是ICP光源ICP仪器类别：ICP摄谱仪ICP单色器顺序等离子体光谱仪多通道ICP光谱仪综合型ICP中阶梯光栅ICP光谱仪ICP光谱分析的特点：优点：可以测定约72个元素，多数有较好的检出限精密度好，在分析浓度为50－100倍时，谱线强度的标准偏差≦1/1000动态范围宽，标准曲线的线性范围可达105倍――106倍基体效应比较低，较易建立分析方法可进行多元素同时测定缺点：直接分析高纯度物质灵敏度不足，往往要预先进行化学分离富集分析以多谱线元素为基体的样品时，经常存在不同的光谱干扰。工作气体氩气消耗量大应用范围：冶金原样及产品：铝及铝合金钢铁及合金炉渣及耐火材料稀土原料及矿石地矿类：地质普查样土壤矿石岩石生物类：生物组织及器官血液牙齿骨质等农业类：粮食肉类植物组织饮料肥料等应用范围：环境类：空气微尘污水及废水废渣垃圾等化学化工类：药品树脂玻璃制品等能源类：煤炭石油核燃料等主要与我们密切相关的分析仪器及分析原理直读光谱仪X－ray荧光光谱仪X－ray衍射仪原子吸收光谱仪仪器分析的主要相关数语检测极限（灵敏度）：指仪器能确切地反应出某一成份的最小变化量值。（包含对噪音和漂移信号的扣除和修正）。分辨率：与灵敏度相对应。对光谱仪来说是指将波长相近的两条谱线分开的能力。R＝λ/Δλ。λ为刚能分辨的两条谱线的平均波长。Δλ为波长差。对质谱仪来说是仪器能使样品中不同质量的组份分离而达到辨认的能力。仪器分析的主要相关数语X射线光谱分为：连续光谱和特征光谱连续光谱：与白色光相似，是在一定波长范围内具有连续能量分布的x射线光谱。特征光谱：图重元素的典型x射线光谱，示出连续光谱及K、L、M的特征线光谱俄歇效应：原子中外层电子跃入内层填补空穴时，若所释放的能量并不能发出辐射，而是交给较外层的另一个电子并将该电子逐出原子成为自由电子，这种现象称为俄歇效应。荧光产额：从某一壳层释放出的有用X光子与该壳层吸收初始光子的总量之比，称为荧光产额。用ω表示。ω1。在低原子序数元素(轻元素)中，由于原子中电子的结合比较松弛，而且其特征x射线光子非常容易被吸收，俄歇效应的发生是比较普遍的。由于同样的原因，L系激发比K系激发更容易产生俄歇效应。氩气/甲烷气的规格：类型：P10组份体积百分比主成份Ar89-91％CH49-11％杂质N2200ppmO240ppmH2O10ppmH2250ppm氦气系统组份体积百分比主成份He≥99.995％杂质N210ppmO21ppmH2O10ppmH20.5ppmCxHx0.1ppmNe10ppmCO20.5ppm序号晶体名称指数2d值（nm）样品组成测量范围最佳测定元素真空2θ角度1LiF4200.18008CuNi－UCu否117.82LiF※2200.28473CuV－UCu否65.563LiF※2000.4021CuK－UCu否45.034Ge※1110.6532NaCl（1）P－ClCl是92.76或S（2）P－ClS是110.695Insb1110.7477Si（3）SiSi是144.766PE※0020.8742AlAl－ClAl是145.137PX1※4.8600MgO－MgMg是22.278PX2※11.0940CB－CC是43.739EDDT0200.8808Si（4）Al－ClAl是108.1310ADD1011.064Mg（S）MgMg是136.6711TIAP1002.575Al或O－MgAl是37.80NaCl（2）Na是5501012石墨0020.6708NaCl（1）P－ClCl是89.53或S（2）S是106.29注：※为PW1404所安装晶体晶体适用表