仪器分析法概述

第10章 仪器分析法概述 Overview of Instrument Analysis,第10章 仪器分析法概述,仪器分析法：采用较为特殊或复杂的仪器设备，通过测量物质的某些物理或物理化学性质参数或变化来确定其化学组成、成分含量或结构的分析方法。化学反应不是必须条件。 化学法：使用天平和玻璃器皿，基于化学反应平衡基础上的分析方法。,10-1 仪器分析法分类,凡能表征物质的所有物理或物理化学性质均可作为分析该物质的依据，根据物质产生的可测信号不同，可把仪器分析法分为以下几类： 光学分析法 电分析化学法 色谱分析法（分离分析法） 其他仪器分析法（质谱法、热分析法、放射化学分析法、动力学方法等）,10-1-1 光学分析法（1）,光（电磁辐射）：是一种以极大的速度通过空间，不要任何物质作为传播媒介的能量，具有波粒二象性。,表1 电磁波的波长范围,表2 光学光谱区,10-1-1 光学分析法（2）,光学分析法：根据物质发射光或光与物质相互作用而建立起来的一类分析化学方法。可分为非光谱法和光谱法。 非光谱法：如折射法，浊度法，旋光法等。其特点是物质与电磁辐射的作用不涉及物质内部能级的跃迁，但辐射的某些性质：折射、散射、偏振等性质发生变化。 光谱法：基于物质与电磁辐射作用时，由于物质内部量子化的能级之间发生跃迁产生的发射、吸收和散射现象而进行分析的方法，如发射光谱法、吸收光谱法、拉曼散射光谱法等。,10-1-1 光学分析法（3）,10-1-2 电化学分析法,10-1-3 色谱分析法,超临界,电色谱,10-2 分析仪器的组成（1）,分析仪器的基本结构单元,信号 发生器,检测器,信号 处理器,分析 信号,输入 信号,表头,记录仪,数字显示仪 或计算机处理,输出 信号,读 出 装 置,工作站（数据处理及仪器控制）,将信号发生器得到的信号转化为电信号,10-2 分析仪器的组成（2）,分析仪器的类型 通用型（） 仪器设计的物理（化学）基础：光谱仪、色谱仪、电化学分析仪等 分析对象：分子（原子）分析仪器、分离分析仪器、联用仪器等 专用型：指不同应用学科领域测定某些特定对象或项目的分析仪器，如大气监测仪、水质分析仪、酶联免疫分析仪、工业生产流程自动控制的过程分析仪器等,10-3 仪器分析法的特点,试样用量少（mL、mg L、 g ）；方法灵敏度高，检出限低（10-6 g 10-12 g ），适于微量、痕量、超痕量成分的测定 选择性较化学分析好 操作简便，分析速度快，易于实现自动化 可实现复杂混合物成分分离、鉴定或结构测定 可实现物质非破坏性分析及表面、微区、形态等分析（但通常情况下，样品前处理亦是仪器分析法中最关键的步骤） 相对误差较大（测定高含量组分准确度较化学法低，但在不断提高） 需要比较昂贵的专用仪器,10-4 仪器分析的发展趋势,小型化集成化（芯片）、多功能化（联用技术）和高稳定、高灵敏度检测是仪器分析发展的最高境界。 目前分析化学界尚未解决的主要问题 单分子（单细胞）测量技术 微型化技术 复杂体系分析,生物芯片,便携式光度计,小型化质谱仪,10-5 仪器分析中的定量方法,仪器分析中信号与组分含量的关系,（很多情况下等于0）,非常数，随测定条件或仪器不同而不同！,需用标准物质进行确定！,10-5-1 比较法（单标对照法）,试样 标样,使用前提： 标样与试样浓度接近 试样中干扰成分少（基体简单）,10-5-2 标准曲线法,采用相同的处理方式配制一系列已知浓度（c1c2cn）标准溶液和待测试样（cx），并保证c1cxcn； 在相同的条件下分别测定相应的信号S1、S2Sn和Sx； 建立浓度（c1、c2cn）和信号S1、S2Sn的线性关系； 由Sx和所得线性关系求出cx； 由cx求出原始试样的含量。,最常用，但试样基体复杂时误差较大,坐标纸（直接绘出曲线 最小二乘法（可获得曲线方程） 做图软件（origin、Exel等兼备上述两者）,例：分光光度法测定水中微量铁的步骤与数据如下，计算试样中微量的含量。,系列标准溶液,空白溶液,待测液,解：,当然也可以用所加标准溶液的体积或者所含标准物质的质量对信号作图,绘制标准曲线,拟合方程：A=0.191cFe 相关系数：r=0.999,计算结果,标准加入法,将一系列已知量的待测物（标准物质）分别加入到几等份试样（待测样品）中，配制成浓度为（cx+0）、（cx+ c1）、（cx+ c2）、（cx+ c3），且具有相同基体组成的标准系列； 在相同条件测得相应信号S0、S1、S2 以浓度0、c1、c2 与信号S0、S1、S2作图，将直线外推至与浓度轴相交，即可求得试样中待测物质的浓度cx,试样基体比较复杂时采用,该法可消除试样基体对测定的影响，但操作比较繁琐，仅在样品数量较少时采用。有时也可仅加标一次，直接利用公式计算结果。,自学内容,能熟练使用origin或Exel绘制校正曲线 Origin7.5版及简单使用说明已经发到公共信箱,1-6 分析仪器的性能表征,分析仪器的性能指标,其它原则：分析速度；分析难度和方便性；对操作者的技能要求；仪器维护及实用性；分析测试费用等,10-6-1 灵敏度（1）,指待测组分浓度（或量）改变时所引起仪器信号的改变，反映了仪器或方法识别微小浓度或含量变化的能力，该值越大，仪器或方法的灵敏度越高。 International Union of Pure & Applied Chemists，即IUPAC推荐使用“校正灵敏度”或者“校正曲线斜率”作为衡量灵敏度高低的标准。,10-6-1 灵敏度（2）,仪器校正灵敏度与所选标准物和测定条件有关 有些仪器方法有习惯使用的表示方式,k1，k2分别为两条校正曲线的斜率，即灵敏度。 未考虑测定重现性影响！,10-6-2 检出限（DL）（1）,仪器信号的组成,本底信号：没有试样时，仪器所产生的信号 不可以消除，但是可以通过仪器的改善或适当的数据处理而减小，影响检出限的主要因素之一 空白信号：试样中无待测组分时，仪器所产生的信号（干扰组分的） 理论上可以通过选择适当前处理方式或参比试剂予以消除,10-6-2 检出限（2）,测定次数，n,S,：表示本底信号的大小,仪器信号S ，表明有一定概率含有待测组分，其产生的信号为：,令 ，则可用 表示待测组分的信号大小。K值越大 ，表示含有待测组分的概率就越高 （通常概率取95%，K=3）。此时仪器响应信号 ；分析物的含量为,：本底信号的标准差,表示其波动性,灵敏度,10-6-2 检出限（3）,检出限：指在已知置信水平（通常为95%）下，可以检测到的待测物的最小浓度（质量）。,sb：为本底信号的标准偏差，可用空白或近空白（待测组分含量很低）试样信号的标准偏差代替； k：为校正曲线斜率,检出限仅表示仪器或方法可能检到的最低浓度（或质量），实际定量分析中为了获得较为可靠的结果，定量下限设定为,检出限的测定,测定空白样品或近空白样品信号20-30次，求其平均值 及其标准偏差 sb，则可分辨的最小信号 通过校正曲线的斜率k，将最小待测物信号SDL转化为浓度值cDL或质量值（mDL），即,测量信号的标准偏差s与所用试样浓度有关，检出限测定时应用空白或尽可能稀的溶液。,例：已知某元素在某仪器上的响应为S=kc，采用0.0500 mgL-1（近空白）该元素的标准液，在该仪器上连续测定10次，所得信号如下表，试计算该仪器对该元素的的检测限。,解：,10-6-3 线性范围（linear range ）,线性范围,CDL,浓度，c,响 应 信 号 S,线性范围越大越好，通常应在2个数量级以上,UV-Vis总结（1）,UV-Vis特指分子对200800 nm区间内电磁辐射吸收而产生的光谱法，所涉及的是分子外层电子的能级跃迁（但也伴随着振动和转动能级的跃迁，因此吸收曲线的轮廓较宽，故称之为带状光谱，这是相对原子的线状光谱而言的） 光谱的表征：A-曲线 定量： 定性： max（吸收强度）、吸收峰个数、相对强度、谱图形状等,通常选择max处,仅能反映官能团信息，定性能力弱,常用来研究分子间相互作用（作用后max、等发生变化）,UV-Vis总结（2）,有机化合物UV-Vis光谱类型：、n、 、 n 电荷转移（分子内氧化还原） 无机化合物UV-Vis类型：电荷转移、配位体场 常用术语：生色团、助色团、增色、减色、红移、蓝移、K带、R带 影响因素：共轭（红移、增色）、空间效应（位阻大、蓝移）、pH、溶剂（溶剂化效应；极性增大： 红移 、 n 蓝移 ） 可见光的互补：溶液的颜色与吸收光颜色互补；滤光片颜色与透过光颜色相同。,UV-Vis总结（3）,UV-Vis仪器 基本结构 常见类型：单光束、双光束、双波长；多通道仪器 吸光度的测定：参比、实际测定值是T 校正（了解）,UV-Vis总结（4）,定量分析 依据： 适用范围：待测物为均一的稀溶液、气体等，无溶质、溶剂及悬浊物引起的散射；入射光为单色平行光（选择max的原因之一） 定量方法：标准曲线；标准加入；目视比色法等 显色反应：提高灵敏度（亦有提高选择性的作用） 分析条件的选择：仪器测量条件（读数误差、狭缝）；显色条件的确定；参比溶液的选择；干扰及消除（选择其它波长、化学法掩蔽、分离、双波长、导数）；提高灵敏度和选择性的方法,UV-Vis总结（5）,示差光度法（以高吸光度示差法为例） 前提：A超出误差规定范围（0.15-1.0），但依然符合Beer定律 做法：以含一定量待测物质的溶液（处理方式与待测溶液相同）代替原参比，且cscx 读数情况：A=As-Ax=l（cx-cs）（落在正常范围内） 透射比T的变化： 准确度提高的原因：使读数落入测量误差最小区域（可稀释解决）;相对误差dc/(c+cs)很小，从而