现代化学与生物学分析理论与技术01绪论2013

尤宏Tel:0631-568724313304608828E-mail:[e-mail]第1章绪论环境分析与生物学分析：鉴别和测定环境中以及生命过程中化学物质的种类、成份、含量、化学形态以及微观结构的科学。现代分析检测技术：利用现代最新科学技术开发的新型分析与检测手段。通过测量表征物质的某些物理或物理化学性质的参数来确定其化学组成、含量或结构。1.1环境分析与现代检测技术分析化学环境分析生物分析现代检测技术1.1.1环境分析的特点种类繁多：污染物种繁杂、来源也非常广泛；含量低：以痕量（10–6~10–9）和超痕量（10–9~10–12）为主；样品组成复杂：基体中的干扰物质多；具有流动性和不稳定性：多组分和多变的开放体系。1.1.2环境分析的要求灵敏度高、检出限低：能满足痕量成分（10-6~10-9）和超痕量成分（10-9~10-12）分析的要求；选择性好：可在大量共存物质情况下测量痕量待测物质；适用范围广：能用于不同来源的环境样品。1.1环境分析与现代检测技术第1章绪论20世纪40年代，由于物理学和电子技术的发展并被引入到分析化学中，使分析检测手段产生了一次飞跃。HeyrovskyJ发现滴汞电极上的浓差极化，开创了极谱分析法，获1959年诺贝尔化学奖；MartinAJP和SyngeRLM开创气相色谱分析法，获1952年诺贝尔化学奖；BlochF和PurcellEM发明了核磁共振的测量方法，获1952年诺贝尔物理奖；1.2现代检测技术的发展历程第1章绪论第二次飞跃是在20世纪70年代。以计算机应用为主要标志的信息处理技术使现代检测技术产生革命性的变化。基于计算机快速数据处理的富里叶变换仪器；高速扫描、快速数据处理的二极管阵列检测器和CCD、CID检测器；基于计算机控制与数据采集的仪器联用技术的发展；1.2现代检测技术的发展历程第1章绪论从分析任务方面讲，分析方法可以分为定性分析、定量分析和结构分析。定性分析：确定物质由那些元素、离子、官能团或化合物所组成；定量分析：测定样品中有关组分的含量；结构分析：确定物质的存在形态（氧化-还原态、配位态、结晶态等）和结构（化学结构、晶体结构、空间结构等）。依据仪器工作原理的不同，可以更详细地分类。光学分析、电化学分析、色谱分析等。1.3现代检测技术的分类介绍第1章绪论光学分析：是现代检测技术中最庞大的一类，分为光谱分析和非光谱分析广义的光学分析囊括了所有基于电磁辐射原理的分析方法。狭义的光谱分析包括紫外、可见和红外光谱分析。非光谱分析包括光的散射；光辐射的旋转等。1.3现代检测技术的分类波动性微粒性表现：传播、反射、折射、散射、衍射、干涉……表现：辐射的吸收、发射……~hcchhE描述：能量……光谱分析描述：速度、周期、波长、频率、振幅……~cc第1章绪论电磁辐射：按照电磁波的波长不同，可以将其划分为若干光谱区域1.3现代检测技术的分类无线电波射线X射线0.005nm真空紫外10近紫外200可见光400800近红外中红外远红外2.5m501000微波300mm核能级内层电子能级外层电子能级分子震动能级分子转动能级电子自旋能级核自旋能级射线吸收光谱紫外-可见吸收光谱原子吸收与发射光谱荧光光谱红外光谱拉曼光谱电子探针微区分析X射线荧光光谱电子自旋共振波谱核磁共振波谱第1章绪论1.光学分析：狭义的光谱分析包括紫外、可见和红外光谱分析。原子发射光谱分析；原子荧光光谱分析；分子荧光分析、磷光分析、化学发光分析；紫外-可见分光光度分析；原子吸收光谱分析；红外光谱分析。非光谱分析包括光的散射（散射法测定浊度，拉曼光谱）；光辐射的旋转（偏振法，旋光色散法，圆二色法）等。光学分析广泛应用于元素及化合物的定量分析与结构分析方面。1.3现代检测技术的分类第1章绪论2.X射线分析：是研究、分析、鉴定物质结构的最普遍、最有用的方法之一。X射线是波长在10nm~0.001nm的电磁波，因此仍然属于广义的光学分析范畴。X射线衍射分析X射线的波长恰好与物质中原子、离子等质点间距离相当，因而能被晶体衍射。分单晶X射线衍射和多晶（粉末）X射线衍射分析法；X射线荧光光谱分析可对4Be～92U的所有元素进行定性和定量分析样品前处理简单，不破坏样品，固体如陶瓷等……工作曲线线性范围宽，可从10-6~100％，干扰少（谱线简单）对样品表面区域分析（金属几十微米，高聚物3mm深）1.3现代检测技术的分类第1章绪论3.磁共振分析：应用电磁波频率在4~800MHz的射频辐射吸收分析，故仍属于广义的光谱分析。核磁共振波谱分析在外加强磁场的作用下，原子核的自旋磁矩从原来的简并状态分裂成（2I+1）个分立能级；核磁共振频率与外加静磁场强度成正比，与核的磁旋比成正比。电子顺磁共振波谱分析电子与质子一样具有1/2的自旋量子数，因此在强磁场下也具有不同的自旋能级；只有存在未成对电子的化合物才会产生顺磁共振；广泛地应用于研究有自由基过程的化学反应，“自旋标记”技术也是其重要应用。1.3现代检测技术的分类第1章绪论4.电化学分析：通过测量某一电化学体系在特定条件下，电势（位）、电流、电容及阻抗的变化。极谱分析和伏安分析：测量电极电势电流变化曲线；电位分析：测量电极电势（电位）的变化；库仑分析：根据电解某物质所需的电量来确定物质的含量；电解分析：电解后，测量沉积在电极上的电解产物重量；其他：恒电位、恒电流分析，交流阻抗分析，电导分析等。1.3现代检测技术的分类CLnFAPim第1章绪论5.色谱分析：是一种结合特定检测器的物理分离方法。气相色谱：流动相为气体。气固色谱；气液色谱；液相色谱：流动相为液体。液-液分配色谱：流动相和固定向都是液体，两相互不相溶。液-固吸附色谱：流动相为液体，固定相为吸附剂。离子交换色谱法：采用离子交换树脂作为固定相。离子色谱法：由离子交换色谱法派生出来的一种分析方法。离子对色谱法：流动相中加入与溶质电荷相反的对离子。空间排阻色谱法：基于试样分子的尺寸和形状不同实现分离。超临界流体色谱：流动相为超临界流体。毛细管电泳分析：也是一种分离分析手段。1.3现代检测技术的分类第1章绪论6.质谱分析：将样品转化为运动的气态离子并按质荷比的大小进行分离记录。同位素质谱仪——主要用来测定同位素丰度。对测量准确度、精密度与丰度灵敏度要求较高；无机质谱仪——种类繁多，包括气体分析仪（常用四极杆滤质器）、质谱检漏仪、火花源质谱仪（采用双聚焦式磁分析器）、离子探针质谱仪、激光探针质谱仪、电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS，常用四极杆滤质器）等；有机质谱仪——主要用来进行有机物结构分析。因分析对象复杂，导致仪器的结构和应用手段多样化。多数仪器可以与其他有机分析仪器联用。1.3现代检测技术的分类第1章绪论7.电子束、粒子束微区分析：用一个探束或探针去探测样品表面，记录因此产生的表面发射或散射或透射粒子。电子显微镜：透射电子显微镜、扫描电子显微镜；扫描隧道显微镜和原子力显微镜：一种探针分析法；X射线能谱：测量入射电子束产生的X射线的能量，可以在扫描电子显微镜中配置；俄歇能谱：测量由于俄歇过程产生的电子的能量；X射线光电子能谱：基于外光电效应原理的仪器。1.3现代检测技术的分类第1章绪论8.其他分析：热分析：在程序控制温度下，测量物质的物理性质与温度关系。热重分析、差热分析、示差扫描量热分析等氮吸附分析：静态容量法、静态重量法、动态法（连续流动色谱法）等比表面及孔径分析燃烧（氧化）分析：总有机碳分析、元素分析1.3现代检测技术的分类第1章绪论1.4.1高效预富集、分离方法的研究经典的前处理手段：共沉淀、离子交换、溶剂萃取以及吸附、衍生、络合等。新型的高效前处理手段：固相萃取技术——分离富集机理与液相色谱相仿，特别适合于水样中有机污染物的萃取；超临界流体萃取技术——利用超临界流体的溶解能力和高扩散性，常用于固体样品的处理；（液）膜分离技术——是一种既可以有效除去机体干扰，又可以富集水样中待测物质的手段；1.4现代分析技术的发展趋势第1章绪论1.4.1高效预富集、分离方法的研究新型的高效前处理手段：固相微萃取技术——一种新型无溶剂的样品处理技术，可以与色谱仪直接联用；加速溶剂萃取技术——在较高的压力和温度下萃取，具有时间短、溶剂消耗少等特点，主要用于固体样品；微波辅助萃取技术——利用微波可以有效加热目标物的特性，是一种环境友好的手段。1.4现代分析技术的发展趋势第1章绪论1.4.2各种色谱技术的进展毛细管气相色谱成为环境分析中最主要的手段之一。毛细管气相色谱的应用大大提高了分离效率和分析速度。多维色谱和指纹分析在环境分析和生物分析领域迅速发展。高效液相色谱正处于高速增长期。液相色谱在生物分离与分析领域发展迅速。离子色谱的应用也有快速发展。1.4现代分析技术的发展趋势第1章绪论1.4.2各种色谱技术的进展超临界流体色谱将为环境分析开辟一条新途径。SFC兼具GC与HPLC的优点。毛细管电泳技术在环境分析中的应用正在逐步扩大，同时特别适用于生命化学研究。以毛细管为分离室、以高压直流电场为驱动力的新型电泳技术。大分子分析、形态分析；基因测序分析。1.4现代分析技术的发展趋势第1章绪论1.4.3各种仪器的联用技术典型的联用技术是将分离手段和鉴定方法相结合。气相色谱-质谱联用：已经得到广泛应用，定性能力大大提高，且有物质结构鉴定能力。高效液相色谱-质谱联用：是正在发展中的技术，渴望解决高分子量、低挥发性、热不稳定性以及高极性分子的鉴定。气相色谱-红外光谱联用：富里叶变换技术解决了红外光谱的高速检测问题。质谱-质谱联用：应用于高灵敏度和高专一性的分析。其他联用技术：高效液相色谱-等离子发射光谱联用、毛细管电泳-质谱联用、超临界流体色谱-质谱联用等。1.4现代分析技术的发展趋势第1章绪论1.4.4与生物学科的紧密结合优先检测污染物的筛选；优先检测污染物的毒性数据是依靠生物学研究、尤其是毒理学研究与测定得到的。生物实验指导的分离分析；是有机污染物分析的重要发展方向之一。生物监测与免疫分析；生物监测对大批复杂试样可以取得很好的作用，免疫试验就是一个例子。特别是在环境质量评价方面得到应用。生物传感器和生物标记物的开发亦有广泛前途。1.4现代分析技术的发展趋势第1章绪论1.4.5计算机的应用促进环境分析化学的深入发展对实验数据的处理；波形分析、谱图检索等统计处理；多次信号叠加、本底扣除等提高分析精度和灵敏度；化学计量学的发展。实现新的分析手段；仪器的联机运行、傅立叶变换；环境监测仪器的连续、自动化。直接解决问题；污染的源、汇分析。1.4现代分析技术的发展趋势第1章绪论元素分析金属化合物与金属离子的分析方法与原理；非金属元素的分析与检测；砷、硒、汞等半金属元素的分析与检测。有机物的定量分析与结构鉴定有机化合物的定量分析方法与原理；有机物的结构鉴定。功能材料的结构表征表面成分与表面官能团的分析；微观结构的表征现代生物学分析与表征技术简介1.5本课的教学内容与教学方法第1章绪论问题1：针对下类物质，可用的分析方法有哪些？这些分析方法的优点和不足？金属化合物与金属离子；环境科学与生物学中的无机阴离子；砷、硒、汞等半金属元素。***两千字的作业，下次课交***问题2：你所知道的用于表面分析与表征的手段有哪些？各有什么特点？第1章绪论