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1、第一章第一章仪器分析引言仪器分析引言本章提要：本章提要：1.分析化学的任务；分析化学的任务；2.分析化学分类；分析化学分类；3.仪器性能及其表征；仪器性能及其表征；4.仪器分析校正方法；仪器分析校正方法；5.实实际际工工作作中中，选选择择仪仪器器分分析析方方法法的的几几种考虑。种考虑。1.分析化学是做什么的？分析化学是做什么的？分分析析化化学学是是研研究究物物质质的的化化学学组组成成的的！这这句句话话可展开为：可展开为：1）What?定定性性分分析析(qualitativeanalysis):目目标标物质物质的原子、分子或功能基团组成信息；的原子、分子或功能基团组成信息；2）How much
2、? 定定 量量 分分 析析 (quantitativeanalysis):目目标物质的数量信息。标物质的数量信息。2.分析化学分类分析化学分类从从分分析析化化学学的的发发展展历历史史来来看看，分分析析化化学学分分为为两两类类：经典分析以及仪器分析，后者比前者晚经典分析以及仪器分析，后者比前者晚100多年！多年！经典分析经典分析化学分离：沉淀、萃取、蒸馏等分离方法；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（定性方法：加入各种试剂，测量待测物（analyte,targetspecies）的颜色、沸熔点、气味、光学性质）的颜色、沸熔点、气味、光学性质（拆射、反射、衍射
3、等）以及在不同溶剂中的（拆射、反射、衍射等）以及在不同溶剂中的溶解特性。溶解特性。定量方法：重量法、滴定（容量）法定量方法：重量法、滴定（容量）法 仪器分析仪器分析化学分离：色谱技术和毛细管电泳技术开始取代沉淀、化学分离：色谱技术和毛细管电泳技术开始取代沉淀、萃取、蒸馏等分离方法；萃取、蒸馏等分离方法；定性定量方法：利用物质原子、分子、离子等的特性，定性定量方法：利用物质原子、分子、离子等的特性，如电导、电位、光吸收和发射、质荷比、荧如电导、电位、光吸收和发射、质荷比、荧光等；光等；评评论：经典分析方法多适于常量分析！尽管此法仍有广泛应用，但随时间的推论：经典分析方法多适于常量分析！尽管此法仍
4、有广泛应用，但随时间的推移，尤其是随着大量的、新的仪器分析方法的出现，该法将走向没落！移，尤其是随着大量的、新的仪器分析方法的出现，该法将走向没落！思考：仪器分析方法所利用的许多物理现象的发现有一个多世纪了，可为什么其思考：仪器分析方法所利用的许多物理现象的发现有一个多世纪了，可为什么其应用却远远滞后？应用却远远滞后？ 必须注意：必须注意：1）从从经经典典分分析析到到以以上上众众多多仪仪器器分分析析中中选选择择一一个个合合适适方方法法并不容易；并不容易；2）大大多多仪仪器器分分析析灵灵敏敏度度较较高高，但但不不是是所所有有仪仪器器分分析析的的灵灵敏度都比经典方法高；敏度都比经典方法高；3）仪仪
5、器器分分析析对对多多元元素素或或化化合合物物分分析析具具更更高高的的选选择择性性，但但经经典典分分析析中中的的重重量量或或容容量量分分析析的的选选择择性性比比仪仪器器分分析析法法要好；要好；4）从从准准确确性性、方方便便性性和和耗耗时时上上看看，不不能能绝绝对对地地讲讲哪哪种种方方法更好。法更好。3.仪器性能及其表征仪器性能及其表征问题：如何判断哪种仪器分析方法可用于解决某个分问题：如何判断哪种仪器分析方法可用于解决某个分析问题呢？析问题呢？基基于于以以上上问问题题，你你必必须须了了解解该该仪仪器器的的性性能能，或或者者说说，该仪器到底可作什么分析！该仪器到底可作什么分析！1）精密度（）精密度
6、（Precision）使用同一方法或步骤进行多次重复测量所得分析数据之间符合的程度。使用同一方法或步骤进行多次重复测量所得分析数据之间符合的程度。l标准偏差标准偏差(Absolutestandarddeviation)，sl平均标准偏差平均标准偏差(Standarddeviationofmean,sm)l相对标准偏差相对标准偏差(Relativestandarddeviation,RSD)l 变异系数变异系数(Coefficientofvariance,CV)l方差方差(Variance):s22)误差（误差（Bias）测量值的总体平均值测量值的总体平均值x与与“真值真值 ”接近的程度。即接近
7、的程度。即通通过过多多次次测测量量已已知知浓浓度度或或含含量量的的物物质质（称称为为标标准准物物质质），得得到到总总体体平平均均值值与与标标准准物物质质含含量量（真真实实值值）比较。比较。在在建建立立新新的的分分析析方方法法时时，对对标标准准物物质质的的测测量量可可找找出出误误差差的的来来源源！并并通通过过空空白白分分析析和和仪仪器器校校正正来来消消除除误误差。差。3）灵敏度（）灵敏度（Sensitivity）反反映映了了仪仪器器或或方方法法识识别别微微小小浓浓度度或或含含量量变变化化的的能能力力，也也就就是是说说，当当浓浓度度或或含含量量有有微微小小变变化化时时，仪仪器器或或方方法法均可以觉
8、察出来。均可以觉察出来。影响灵敏度的因素有二：影响灵敏度的因素有二：l 校正曲线的斜率；校正曲线的斜率；l 分析的重现性或精密度。分析的重现性或精密度。International Union of Pure & Applied Chemists，即即IUPAC推推荐荐使使用用“校校正正灵灵敏敏度度”或或者者“校校正正曲曲线线斜斜率率”作为衡量灵敏度高低的标准。作为衡量灵敏度高低的标准。010203040506000.10.20.30.40.50.6ScS2=k2c+Sblank-2S1=k1c+Sblank-1仪器和方法的灵敏度描述仪器和方法的灵敏度描述 k k1 1, k, k2 2分别为两
9、条校正曲线的斜率，即灵敏度。分别为两条校正曲线的斜率，即灵敏度。但未考虑测定重现性影响！但未考虑测定重现性影响！因因此此，有有人人建建议议以以“分分析析灵灵敏敏度度(AnalyticalSensitivity)”表示，即表示，即优点：优点：当仪器信号放大时，当仪器信号放大时，k 值增加，灵敏度提高；值增加，灵敏度提高；但此时但此时s 也相应增加，从而一定程度地保证了也相应增加，从而一定程度地保证了灵敏度恒定；灵敏度恒定；缺点：缺点：s 与浓度有关，即灵敏度随浓度而变化！与浓度有关，即灵敏度随浓度而变化！ 4）检测限（）检测限（Detectionlimit,DL）检测限：在已知置信水平，可以检测
10、到的待测物的最检测限：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（小质量或浓度。它和分析信号（Singnal）与）与空白信号的波动（噪音空白信号的波动（噪音,Noise）有关，或者）有关，或者说与信噪比（说与信噪比（S/N）有关。）有关。只只有有当当有有用用的的信信号号大大于于噪噪音音信信号号时时，仪仪器器才才有有可可能识别有用信号，如下图所示。能识别有用信号，如下图所示。sb测定次数，测定次数，nSSDL=Sb +k1 sb仪器噪音及方法检出限仪器噪音及方法检出限 K K1 1=3=3时，可以认为仪器检出的最小信号值时，可以认为仪器检出的最小信号值S SDLDL可能性为
11、可能性为95%95%检出限如何计算呢？检出限如何计算呢？测定空白样品测定空白样品(或浓度接近空白值）或浓度接近空白值）20-30次，求其次，求其平均值平均值Sb及其标准偏差及其标准偏差sb，则，则可分辨的最小信号可分辨的最小信号SDL=Sb+k1 sb通过校正曲线的斜率通过校正曲线的斜率k，将将最小待测物信号最小待测物信号SDL转化转化为浓度值为浓度值CDL，即即经经统统计计学学的的t和和z检检验验，当当k1=3时时，大大多多数数情情况况下下，当检测结果的置信度为当检测结果的置信度为95%。因此上式可转换为：。因此上式可转换为：5）信噪比（）信噪比（singnal-to-noiseratio,
12、S/N）任任何何测测量量值值均均由由两两部部分分组组成成：信信号号及及噪噪音音。其其中中信信号号反反映映了了待待测测物物的的信信息息，是是我我们们所所关关心心的的，而而噪噪音音是是不不可可避避免免的的，它它降降低低分分析析的的准准确确度度和和精精密密度度、提提高高检出限，是我们不希望的。检出限，是我们不希望的。多多数数情情况况下下，N是是恒恒定定的的，与与S大大小小无无关关。当当测测量量信信号号较较小小时时，测测量量的的相相对对误误差差将将增增加加。因因此此用用信信噪噪比比S/N是恒量仪器性能和分析方法好坏最为有效的指标！是恒量仪器性能和分析方法好坏最为有效的指标！当当S/N23时，分析信号将
13、很测定。时，分析信号将很测定。噪声的来源噪声的来源化学噪声：分析体系中难以控制的一些化学因素。化学噪声：分析体系中难以控制的一些化学因素。比如比如,化学反应中温度和压力等参数的变化和波动；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；相对湿度导致样品含水量的不同；粉状固体粒度不均；粉状固体粒度不均；光敏材料产生的光密度不均；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。实验室烟尘与样品或试剂作用的随机性；等等。仪器噪声仪器噪声仪仪器器的的光光(电电)源源、输输入入(出出)转转换换器器、信信号号处处理理单单元元等等都都是是仪仪器器噪噪声声的的来来源源
14、。所所用用仪仪器器的的每每个个部部分分都都可可产产生不同类别的噪声。通常将仪器噪声分为生不同类别的噪声。通常将仪器噪声分为4类：类：热热噪噪声声（Thermal,orJohnson,noise）：属属于于白白噪噪音音(whitenoise)，由由元元器器件件中中电电子子或或电电荷荷受受热热激激发发所所产产生生的的噪噪音音信信号号。由由于于荷荷电电粒粒子子受受激激的的随随机机性性和和周周期期性性，因因而而会会导导致致电电荷荷的的不不均均一一，进进而而使使读读出出的的信信号号发发生生波波动动。只有在绝对零度时，该噪音才会消失。只有在绝对零度时，该噪音才会消失。当当电电阻阻R ，T ，则则N 。(如
15、如UV-Visible二二极极管管阵阵列列检检测测器器在在77K时时，其其噪噪音音下下降降一一半半左左右右；此此外外，减减少少带带宽宽，可可降降低低噪噪音音，但但同同时时也也会会延延长长响响应应时时间间，并并降降低低测测定定的的可可靠靠性性。散粒噪声散粒噪声（Shotnoise）它是由电子或其它荷电粒子通过界面（如它是由电子或其它荷电粒子通过界面（如PN结，结，光电池或真空管的阴阳极之间）时所产生的噪音，亦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。属白噪音。闪变噪声闪变噪声（Flickernoise）闪变噪声存在十分普遍，其大小与频率成反比，闪变噪声存在十分普遍，其大小与频率成反
16、比，尤其在低频时（尤其在低频时（100Hz），其对测定的影响更大。有），其对测定的影响更大。有时也称之为时也称之为1/f噪声。产生该噪声的机制还不很清楚。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。降低该类噪声。 环境噪声环境噪声（Environmentalnoise）环环境境噪噪声声来来自自于于周周围围环环境境的的各各个个方方面面。由由于于仪仪器器的的每每个个部部分分都都可可以以看看作作是是一一个个天天线线，一一种种可可接接收收各各种种辐辐射射的的接接收收器器。而而环环境境中中存存在在在在大大量量
17、的的电电磁磁辐辐射射：交交流流电电线线、收音机、收音机、TV台、马达电刷、引擎点火系统等。台、马达电刷、引擎点火系统等。消消除除噪噪声声可可采采用用硬硬件件方方法法（接接地地和和屏屏幕幕、差差分分放放大大器器、模模拟拟滤滤波波、频频率率调调制制方方法法、断断续续放放大大或或切切光光器器、闭闭锁锁装装置置放放大大等等）、软软件件方方法法（总总体体平平均均、方方脉脉冲冲平平均均、数数字字滤滤波波等等）以以及及其其它它方方法法（噪噪声声数数据据平平滑滑、谱谱库库比比较较、谱峰识别技术）。谱峰识别技术）。动态范围动态范围CDLLOLLOQ浓度，浓度，c响响应应信信号号S6）动态范围（）动态范围（Dyn
18、amicrange）CDL=检测限；检测限；LOQ(limitofquantitation)定量低限定量低限,LOQ=10sblankLOL=limtoflinearresponse,线性响应高限。线性响应高限。通常的分析方法，其线性动态范围通常的分析方法，其线性动态范围LOL/LOQ至少要达到至少要达到2个数量级。个数量级。7）选择性选择性定义：样品基体中其它组份对测定待测物时的干扰定义：样品基体中其它组份对测定待测物时的干扰程度。在分析中，没有哪种测定不受到诸多程度。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
19、定影响的过程，也就是提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。高分析选择性的过程。通通常常用用选选择择性性系系数数来来反反应应仪仪器器或或方方法法的的选选择择性性，但该应用并不多，只是在但该应用并不多，只是在ISE分析中用到选择性系数。分析中用到选择性系数。 4.仪器分析校正方法仪器分析校正方法所所谓谓校校正正(Calibration)，就就是是将将仪仪器器分分析析产产生生的的各各种种信信号号与与待待测测物物浓浓度度联联系系起起来来的的过过程程。除除重重量量法法和和库库仑仑法法之之外外，所所有有仪仪器器分分析析方方法法都都要要进进行行“校校正正”。校正方法有三：校正方法有三：
20、标准曲线法；标准曲线法；标准加入法；标准加入法；内标法。内标法。 1）标准曲线法标准曲线法（Calibrationcurve，Workingcurve,Analyticalcurve）具体做法：具体做法：l 准准确确配配制制已已知知待待测测物物浓浓度度的的系系列列:0(空空白白)，c1，c2，c3，c4.；l 通通过过仪仪器器分分别别测测量量以以上上各各待待测测物物的的响响应应值值S0，S1，S2，S3，S4及待测物的响应值及待测物的响应值Sx；l 以以浓浓度度c对对响响应应信信号号与与S作作图图得得到到标标准准曲曲线线，然然后后通通过过测测得得的的Sx从从下下图图中中求求得得cx；或或者者通
21、通过过最最小小二二乘乘法法获获得得其其线性方程再直接进行计算。线性方程再直接进行计算。S440cx标准曲线法的准确性与否与两个因素有关：标准物浓标准曲线法的准确性与否与两个因素有关：标准物浓度配制的准确性；标准基体与样品基体的一致性。度配制的准确性；标准基体与样品基体的一致性。 0.0520浓度，浓度，cSS2S3S10.00.20.40.60.81.01.230Sx2）标准加入法（）标准加入法（Standardadditionmethod）具体做法：具体做法：l 将将一一系系列列已已知知量量待待测测物物分分别别加加入入到到几几等等份份的的样样品品中中，配配制制成成浓浓度度为为(cx+0)，(
22、cx+c1),(cx+c2),(cx+c3).，得到和样品有相同基体的标准系列，得到和样品有相同基体的标准系列(加标，加标，spiking)；l 通通过过仪仪器器分分别别测测量量以以上上系系列列的的响响应应值值S0，S1，S2，S3，S4；l以以浓浓度度c对对响响应应信信号号与与S作作图图，再再将将直直线线外外推推与与浓浓度度轴轴相交于一点相交于一点(下图下图)，求得样品中待测物浓度，求得样品中待测物浓度cx。优点优点：基体：基体(matrix)相近，或者说基体干扰相同；相近，或者说基体干扰相同；缺点缺点：麻烦，适于小数量的样品分析。：麻烦，适于小数量的样品分析。cx0.00.20.01020
23、30-10浓度，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；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。响应，再直接通过公式进行计算。 3）内标法（内标法（Internalstandardmethod）该该法法可可以以说说是是上上述述两两种种校校正正曲曲线线的的改改进进。可可用用于于克克服服或或减减少少仪仪器器或
24、或方方法法的的不不足足等等引引起起的的随随机机误误差差或或系系统误差。统误差。具体作法：具体作法：l 寻寻找找一一种种物物质质或或内内标标物物，该该内内标标物物必必须须是是样样品品中中大大量量存存在在的的或或完完全全不不存存在在的的。然然后后，在在所所有有样样品品、标标准准及及空白中加入相同量的上述内标物；空白中加入相同量的上述内标物；l 分分别别测测量量样样品品及及标标准准中中待待测测物物及及内内标标物物的的响响应应值值，然然后以后以Sx/Si比值对浓度比值对浓度c作图；作图；l 按前述校正方法获得按前述校正方法获得cx。说明：说明：当当待待测测物物与与内内标标物物的的响响应应值值的的波波动
25、动一一致致时时，其其比比值值可可抵抵消消因因仪仪器器信信号号的的波波动动和和操操作作上上的的不不一一致致所所引引起起的测定误差；的测定误差；例例如如：Li可可作作为为血血清清中中K，Na测测定定的的内内标标物物（Li与与K，Na性性质相似，但在血清中不存在）。质相似，但在血清中不存在）。但但寻寻找找合合适适的的内内标标物物（与与待待测测物物性性质质相相似似而而且且仪仪器器可可以以识识别别各各自自的的信信号号），或或重重复复引引入入内内标标物物往往往往有有一定的困难，因此，寻找合适内标物是十分费时的。一定的困难，因此，寻找合适内标物是十分费时的。5.选择分析方法的几种考虑选择分析方法的几种考虑仪
26、器分析方法众多，对一个所要进行分析的对象，仪器分析方法众多，对一个所要进行分析的对象，到底选择何种分析方法呢？可从以下几个方面考虑：到底选择何种分析方法呢？可从以下几个方面考虑：您所分析的物质是元素？化合物？有机物？化合物您所分析的物质是元素？化合物？有机物？化合物结构剖析？结构剖析？ 您对分析结果的准确度要求如何？您对分析结果的准确度要求如何？ 您的样品量是多少？您的样品量是多少？ 您样品中待测物浓度大小范围是多少？您样品中待测物浓度大小范围是多少？ 可能对待测物产生干扰的组份是什么？可能对待测物产生干扰的组份是什么？ 样品基体的物理或化学性质如何？样品基体的物理或化学性质如何？ 您有多少样品，要测定多少目标物？您有多少样品，要测定多少目标物？
