生物学仪器分析第一章绪论

第一章绪论第一节引言在科学研究和生产实践中，常需要对物质的组成，性质，含量等进行分析。因而发展了《分析化学》,出现了各种各样的分析方法及分析仪器。一分析化学的分析方法1化学分析利用化学反应及其计量关系进行分析。这是发展较早的，经典的分析方法。2仪器分析利用精密仪器测量物质的物理或物化性质，以确定其化学组成、含量、化学结构的一类分析方法。它是近几十年发展起来的，发展快速的，方法门类多的方法。它已经是现代分析化学的主干。二仪器分析与化学分析的关系:1仪器分析是在化学分析的基础上发展起来的。2许多仪器分析的原理涉及化学分析的基本理论。3不少仪器分析的方法还必须试样的处理、分离、掩蔽等化学分析手段结合。4仪器分析有时还需要采用化学富集的方法来提高分析的灵敏度。第二节仪器分析方法的分类仪器分析的基本过程是：提取物质的物理性质、物化性质中的某些特征信息，转变为分析信号，再根据分析信号的性质、特征进行定性和分析信号的强度进行定量。由于物质的物理性质或物化性质很多：如光学性质、电化学性质、放射性质等。这些性质大多数可以采用仪器进行分析。因此，发展了相应的仪器分析方法。所以，仪器分析的方法通常根据用以测量的物质性质进行分类。一光学分析1根据物质发射出的辐射能:原子发射光谱,分子发光,放射,火焰光度等2根据辐射能与物质的相互作用:辐射的吸收,辐射的折射,辐射的散射,辐射的衍射,辐射的旋转等;二电化学分析根据电化学理论和被测物质溶液的各种电化学性质为基础建立的分析方法;如:电导法(电极电位);极谱法(电流-电压);库仑法(电量);三色谱分析法根据混合物中各种组分在互不相溶的两相中的吸附，分配或其他亲和作用等性能的差异为分离依据的分析方法。它包含了不同的分离类型、检测方法、操作方法等许多方面的不同。四其他仪器分析方法1质谱法：根据物质的荷-质比进行定性，同位素测定，有机物结构分析。2热分析：测定物质的质量、体积、热导、反应热等与温度之间的动态关系进行分析。3放射化学法：根据核反应产生放射性同位素的分析方法。五《生物仪器及分析技术》的特点:生物技术的快速发展,需要大量的分析技术对生物样品进行定性与定量分析;生物试样分子往往具有特有的空间结构,使其具有特定的生物学功能,试样的提取,分离,纯化及分析常常与普通试样比较具有特殊的要求;因此,生物仪器及分析技术也具有其特殊性,它主要针对生物试样的分析及分析仪器;在本课程中,选择性地学习仪器分析领域一些重要而常用的方法,同时也学习与仪器分析有关的技术如电泳,离心,显微等和生物技术专业常用的仪器设备。第三节生命科学研究中仪器分析的特点一灵敏度高*可以测定含量极低的组分;*可以测定微量试样中的组分;仪器分析中,一般以10-6,10-9,10-12级表示其灵敏度即ppm,ppb,ppt;如原子吸收光谱的灵敏度可以达到10-14数量级;因此，仪器分析特别适合超纯物质中痕量杂质的测定；无损伤分析(如活组织分析、考古分析、仿制品分析）二选择性好适合于复杂组分试样的分析、可以同时进行多组分的测定。在单组分分析测定时,只要把仪器调试到合适的条件,就可以避免其他组分的干扰。-----在性质相近的组分分析时非常重要;三分析速度快,适合于批量试样分析被分析的试样经过预处理后,上机测定通常只要几十秒到几分钟的时间就可以完成;加上计算机的联用,分析操作,结果记录,数据显示,数据处理等自动化,可以在很短时间内分析批量的同种试样;在线生产控制的作用明显;四适合痕量组分的测定虽然仪器分析的相对误差大,但在测定痕量组分时,绝对误差很小;仪器分析不适合常量组分的分析五适应性强,应用广泛仪器分析方法有几十种,适应于基于对物质的物理,物化等不同性质的分析;可以进行定性,定量,结构状态,空间分布,微观分布等方面的分析;六易于自动化分析仪器可以通过各种传感器(检测器)，将被分析的物质的理化性质转变为一个共同的，而且易于处理记录的形式(电信号)，与计算机连接后，很多操作过程都可以实现自动化。同时，数据处理、结果分析速度非常快，准确。第四节仪器分析的不足之处1有一定的局限性:仪器分析的仪器不可能在功能上适合任何试样,所以,仪器分析任保留一定的地位。2价格昂贵,工作环境要求高:安装调试,维护保养费用高。一般条件下,尤其是生产部门,不可能拥有所有的分析仪器,设备。在市场经济条件下,降低成本是生产部门的首选因素。3仪器分析过程中所需要的作标准对照用的纯试剂,还要求用化学分析的方法进行标定任何实验的设计,必须要有对照,最基本的对照是标准对照。仪器在设计时的是以标准对照为前提的。4试样在仪器分析前的预处理如溶解、共存组分的掩蔽、分离等，离不开化学分析的步骤。5仪器分析一般只适合于痕量组分的分析而常量组分的测定通常还依赖化学分析。因为仪器分析尽管灵敏度高，但相对误差较大。第五节分析仪器概论(一)分析仪器的分类分析仪器品种多、工作原理广泛。因而，分析仪器的分类是一个非常复杂的问题。分类的目的是原则上尽可能做到科学概念上的准确，有利于生产，管理及使用。目前一般分为以下几类:1力学式分析仪:离心机等2电化学分析仪:酸度计,血气分析仪,极谱仪等3分子光谱仪:分光光度计,红外光谱仪,酶标仪,自动生化分析仪,尿液分析仪,血红蛋白测定仪等4原子光谱仪:原子吸收分光光度计,原子发射光谱仪等5显微镜:光学显微镜,特种显微镜,电子显微镜,扫描隧道显微镜等6色谱仪:气相色谱仪、高效液相色谱仪等7现代分析仪:质谱仪、核磁共振仪等8其他分析仪器:电泳仪、细胞计数仪、流式细胞仪等(二)分析仪器的主要性能指标1：精度(通常用误差表示)是判断分析仪器性能的重要指标,误差越小,精度越高.误差有两种:绝对误差----偏离真实值的程度(又称准确度),(常用它衡量仪器系统误差的大小)相对误差----绝对误差的平均值与量程范围之比的百分数Q=±(△N/△D)×100%(△N:平均误差;△D:量程范围;)在仪器指标中常用“精度等级”表示仪器的(相对)误差;它代表的误差是指在规定的条件下,用该仪器测定的最大误差;习惯上把仪器的精度等级由高到低分为:1.01.52.02.54.05.06.010.015.020.0共十个等级;在仪器的精度等级前后分别加“±”“%”即为仪器的基本误差例如:精度等级为1.0的仪器,其精度为±1.0%精度为±2.5%的仪器,其精度等级为2.52：分辨率(又称为分辨本领)是仪器区分特性相近成分的能力;分辨率越高,说明仪器将几种特性相近的成分区分开的能力越强;不同的分析仪器,分辨率的表现形式是不一样的.显微镜:分辨细微结构的能力,与分辨距离成反比;分光系统:分光元件分辨相邻两个谱线的能力;质谱仪:区分样品质量数的能力;3：重复性理想状态下的分析仪器在相同条件下应该具有一致的重复试验性,即多次循环试验所得到的变化规律是一致的;但实际实验中,不同次的试验结果所得到的输出量总有一定的差异,这样就形成了重复性误差;重复性说明仪器测量值的分散性,即对某一稳定的被测量物由同一操作者用同一台仪器,用同样的操作方法在短的时间里连续重复测定多次,其测量结果的分散程度;如某台酸度计的重复性为5%,意思是用该台酸度计多次测量结果的分散程度不大于0.05pH.重复性与精度的关系极为密切,重复性必然在精度范围内,即用来确定精度的误差必然包含重复性误差;实际上,精度是重复性和准确度的综合反映,精度高的仪器,准确性和重复性都高.4：灵敏度仪器在稳定条件下对被测量物的微小变化的响应,即仪器的输出量与输入量的比值;S=△x/△y(线性特性)S=dx/dy(非线性特性)对于同一台仪器,灵敏度在不同含量,不同测量对象时是不同的,因此,要比较仪器的灵敏度必须给定一定的条件,如某一量程范围的平均值或满量程的平均值.显然,仪器的灵敏度越高,仪器越灵敏.5：检出极限(又称最小检测量)指仪器能确切检测的最小物质含量.它是痕量分析仪器性能优劣的重要指标,它比灵敏度更具有明确的意义,它考虑到了噪声的影响,并明确地指出了测定的可靠性。仪器的检测极限与仪器自身的噪声水平关系很大;噪声在灵敏度较高时将被如实放大,噪声太大时,测量信号将被放大的噪声淹没而不能被确切地辨认;故检测极限受到噪声信号的限制;检测极限的有关表示式为:d=nN/s(N表示噪声水平;S为仪器的灵敏度;n为安全系数;d为检测极限)由上式可以看出:在提高仪器的灵敏度的同时,最大地抑制噪声,是改善检测极限的有效途径;如果单纯提高仪器的灵敏度,对降低检测极限毫无意义;由于同一台仪器对不同的物质的灵敏度不同,所以对不同物质的检测极限也就不同;在比较仪器的性能时,需要用相同的样品进行测试6：线性范围是指仪器检测系统检测信号与被测物质浓度或质量成线性关系的范围;线性范围可以用被检测物质在线性范围内的最大和最小进样量之比表示;线性范围越宽,说明在定量分析中可测定浓度范围越大;7：稳定性稳定性是指在规定的时间内，测量条件不变的情况下，仪器的示值的变化。影响仪器示值变化的因素很多：仪器内在因素有:(1)随机性波动(2)周期性波动(3)漂移;外在因素有:温度,湿度,气压,电源电压,电网频率;稳定性常用单位时间示值为满量程的百分数表示;也有些仪器用漂移或噪声表示;8：选择性选择性主要对单组分分析仪器而言的，它表示分析仪器区分待测组分与非待测组分的能力。并用选择性系数表示该能力的大小。选择性系数定义为：取得相等的输出信号时非待测组分的含量变化与待测组分的含量变化的比值。K为选择系数;△Cm为非待测组分变化量;△C为待测组分变化量;9：响应时间是衡量仪器动态特性的一个参数。它反映了被测样品参数发生变化后仪器的输出信号能否及时，准确地跟随被测信号参数的变化而变化。响应时间有两种表示方法:(1)被测信号发生变化后，仪器响应达到最后值的63%时所需要的时间，即时间常数T如样品突然从20%变为30%,则响应时间是指从开始变化起到指示值到达某值所经历的时间:20%20%+(30%-20%)×63%（2）从被测信号发生变化起到仪器响应达到最后指示值的90%所经历的时间。同上例，则响应时间为:20%20%+(30%-20%)×90%在实际工作中,一般采用第二种方式;