仪器分析

第1章 绪论 【内容提要与学习要求】 本章要求学生对仪器分析课程有一个总体认识，了解仪器分析的内涵、分类及发展趋势，掌握仪器分析的特点和应用特征，尤其应明确仪器分析与化学分析、仪器分析与分析仪器在概念和应用上的异同；工科专业学生在学习仪器分析时应该明确仪器分析与过程分析及质量保证与质量控制之间的关联性，以期更好地利用仪器分析的手段解决实际应用场景中所面临的具体问题。 1.1 概述 分析化学是一门研究物质的组成、含量、结构和形态等化学信息的分析方法及理论的科学，通常按分析测试的原理将其分为化学分析法和仪器分析法两大类。仪器分析(instrumental analysis)是基于使用特殊或专门仪器测量物质的物理性质或物理化学性质的参数及其变化量来确定被测物质组成、含量、结构等的一类分析方法。 随着信息时代的来临，伴随着生命科学、环境科学、材料科学等多学科和多领域发展的需求，分析化学进入了一个崭新的发展阶段，现代分析化学不再局限于测定物质的组成和含量，而需要进一步开展形态分析、微区表面分析、微观结构分析、对化学和生物特性瞬时追踪、样本无损和在线监测等。这些需求对仪器分析来说，既是严峻的挑战，也是快速发展的机会。发展迄今，仪器分析已形成方法种类繁多、构架完整的分析测试体系，各种仪器分析方法都有其相对独立的测量原理和仪器。根据测量原理和信号特点，仪器分析方法可大致归纳为四大类：光谱分析法、电化学分析法、色谱分析法和其他仪器分析法(表1.1)。 表1.1 仪器分析方法分类 依托于材料科学、仪器科学、机械加工技术及计算机技术的发展，仪器分析所采用的仪器和设备获得了突飞猛进的进步和提升，并在应用方面展示出分析速度快、自动化程度高、灵敏度高、试剂用量少、选择性高、信息量大、用途广泛等优点和特色。与此同时，仪器分析发展的另一个十分显著的特点是多学科交叉、多种技术融合。近年来，现代科技的综合交叉发展，使纳米科学、微流控学、仿生学和物理学等相关学科的新原理、新概念被越来越多地融入分析科学的新方法、新技术、新仪器和新装置的创建中，给分析化学带来了更多的新内涵，使分析化学尤其是仪器分析进入了一个新的天地。例如，与物理学融合并引入物理学新概念和新技术，可创建分析化学新方法，开展新仪器原理和装置的研究；与生命科学结合，可发展生物样品分析新方法，深入探究生物分子相互作用、药物代谢、药物筛选等难点问题；与环境化学结合，可提供环境污染过程方面的信息与新型化学污染物的分析新方法；与数学和计算机技术结合，可提高分析的精密度和灵敏度，实现仪器的自动控制和远程监测，提高工作效率；与纳米科学结合，可发展纳米材料分析表征的新方法。这些发展和拓展使人们进一步意识到分析化学的重要性，更有国内外学者提出分析科学的理念，认为分析科学是科学技术的眼睛，是获得科学数据的源泉，也是科学研究的基础。 1.2 仪器分析与化学分析 从本质上讲，化学分析(chemical analysis)和仪器分析并没有严格的界限，化学分析是基础，仪器分析是21世纪的发展方向。化学分析是基于化学反应及其计量关系来确定被测物质组成和含量的一类分析方法，在定性分析中其测量的信号是物质的颜色和状态等，在定量分析中其测量的信号是物质的质量和体积等。而仪器分析是使用特殊或专门仪器，通过测量物质的物理性质或物理化学性质的参数及其变化量，以获取被测物质的组成和含量。虽然仪器分析也需要用到化学反应，如光度分析中的显色反应，极谱分析中的电化学反应等，但其测试的理化性质和参数更多，应用范围比化学分析广泛。因此，它们之间的区别十分明显(表1.2)。 表1.2 化学分析与仪器分析方法比较 在实际应用中，不可以简单认为仪器分析优于化学分析。从表1.2中两种方法的测试误差情况可以看出，对于常量分析，化学分析的测试精度更高，而对于微量分析、痕量分析和超痕量分析，仪器分析更具优势。 1.3 分析仪器 1.3.1 分析仪器的基本结构单元 仪器分析方法的实施必须依托分析仪器，分析仪器是指基于分析物质或体系的物理或化学性质、结构在外场作用下产生或形成可收集、处理、显示并能为人们解释的信号或信息的科学仪器。目前，使用的现代分析仪器的核心构架具有共性，主要包含信号发生器、试样系统、检测器、信号处理器和信息显示器等五个基本部分。其中，信号发生器可使样品产生信号，也可以是样品本身；试样系统的功能是将分析试样引进或放置到仪器系统中，可能包括物理、化学状态的改变、成分分离等，以适应检测的要求，但必须保证试样性质不得改变；检测器是将某种类型的信号转换成可测定的电信号的器件，是实现非电或光测量不可缺少的部分；信号处理器可将微弱的电信号用电子元件组成的电路加以放大，便于读出装置指示或记录信号；信息显示器则是读出装置，可将信号处理器放大的信号显示出来，其形式有表头、数字显示器、记录仪、打印机、荧光屏或用计算机处理等。 目前，所使用的现代分析仪器种类众多，琳琅满目。针对不同的应用测试目标，分析仪器的构造原理不同，结构各异，品种繁多，型号多变，计算机应用和智能化程度等差别也很大。 1.3.2 分析仪器的性能指标 仪器分析方法的建立和应用与分析仪器紧密关联，在表述和衡量这两者时，其主要性能指标见表1.3。对于仪器分析方法，这些指标也可用于评价选择的分析方法是否合适，而对于分析仪器，这些指标则是评价仪器效能的重要参数。其中，精密度、准确度及检出限是评价分析仪器、分析方法和分析结果的*主要指标。 表1.3 分析仪器性能指标 (1) 精密度：指在相同条件下用同一方法对同一试样进行多次平行测定，其结果的一致程度。同一检测人员在相同条件下测定结果的精密度称为重复性(repeatability)，不同人员在不同实验室测定结果的精密度称为再现性(reproducibility)。精密度一般用测定结果的标准偏差(s)或相对标准偏差(relative standard deviation，RSD)表示，精密度是随机误差的量度，s和RSD值越小，精密度越高。 (1.1) (1.2) (2) 准确度：指多次测定的平均值与真值(标准值)相符合的程度。常用相对误差E来描述，其值越小，准确度越高。准确度是测量中系统误差和随机误差的综合量度。 (1.3) 式中，为被测物质含量的测定值；为被测物质含量的真值或标准值。 (3) 选择性：选择性是指分析方法不受试样中基体共存物质干扰的程度。选择性越好，即干扰越少。 (4) 线性范围和标准曲线：标准曲线的直线部分所对应的待测物质浓度或含量范围称为该分析方法的线性范围。线性范围越宽，试样测定的浓度适应性越强。标准曲线是待测物质的浓度或含量与仪器响应信号的关系曲线。 (5) 灵敏度：仪器分析方法的灵敏度是指待测组分单位浓度或单位质量的变化所引起测定信号值的变化程度，以S表示。 (1.4) 按照国际纯粹与应用化学联合会(International Union of Pure and Applied Chemistry，IUPAC)的规定，灵敏度是指在浓度线性范围内标准曲线的斜率。斜率越大，方法的灵敏度越高，但方法的灵敏度通常随实验条件的变化而变化，故现在一般不用灵敏度作为方法的评价指标。 (6) 检出限：某一方法在给定的置信度下可以检出待测物质的*小浓度或*小质量称为这种方法对该物质的检出限(detection limit)。以浓度表示时称为相对检出限，以质量表示时称为绝对检出限。检出限是分析方法的灵敏度和精密度的综合指标，方法的灵敏度和精密度越高，检出限就越低。因此，检出限是评价分析方法和仪器性能的主要技术指标。 (7) 分辨率：指仪器鉴别两相近组分的能力，不同类型仪器的分辨率指标各不相同，是判定仪器检测效能的重要指标。 (8) 响应速度：指对检测信号的反应速度，定义为仪器达到信号总变化量的一定百分数所需的时间。通常要求响应速度足够快。 1.3.3 分析仪器的校正方法 仪器分析中将分析仪器产生的各种响应信号值转变成被测物质的浓度或质量的过程称为校正(calibration)，包括分析仪器的特征性能指标校正和定量分析方法校正。 分析仪器在出厂前和在实验室安装后，均需要进行调试，使其主要特征性能指标达到设计要求。在使用过程中，对于提供定性、定量和结构特征的重要特征仪器性能参数及灵敏度、检出限等指标，应根据需要经常或定期校正和检测，以保证分析结果的可靠性。 根据标准物质的不同，各类仪器定量分析方法的校正一般分为外标法和内标法。外标法所使用的标准物质与待测物质为同一物质，而内标法的标准物质与待测物质并非同一物质。定量分析方法有标准曲线法、标准加入法和单点比较法。标准曲线法适用于新方法的评价和大量试样的常规分析；标准加入法适用于组成复杂、少量试样的分析；而单点比较法适用于方法线性范围内试样的初步测定。 1.4 仪器分析与过程分析及质量保证与质量控制 1.4.1 分析过程 在仪器分析中，尽管各种分析仪器在测量、表征物理或物理化学参数的形式和方法上各有不同，但分析的一般过程却有很多相似或相同之处。图1.1所示的分析测试的基本过程对所有仪器分析都是适用的。 图1.1 一般分析测试过程示意图 测试前，*先要充分了解分析对象——样品，需要尽量获取更加全面的基本信息，如样品的含量、性质、元素、分子组成、官能团、珍稀程度等，基体或基质材料，杂质信息，待测组分的估计含量等。其次，要明确分析目的，即了解分析要解决的问题，如做定量、定性或结构分析，做整体、微区或者表面分析，定量分析要求的准确度，单一组分测定还是多组分分析，样品是否可以破坏，是否需要寻求一种连续监测的自动化系统等，确保获得的分析结果是有用的。*后，需要选择合适的分析方法，而合适的分析方法一般不是“唯一的”或“*好的”。 分析的操作工作包括三个步骤：样品的采集与保存、样品的制备、信号测量，这三个步骤对结果的可靠性都具有重要的影响，而且前一步往往更有决定结果可靠性的优先权。由于样品的性质限制了分析结果的可靠性，因此取样是任何分析过程中非常关键的步骤，应包含两方面的工作：一是确定取样计划，二是处理这些样品。大多数情况下，需要对样品进行分解和预处理，即制备测试样品。测量/测定时，应说明仪器的特性参数。以样品中未知成分的信号与已知成分的标准系列产生的信号相比较，是大部分仪器(必须校准仪器)分析方法的基础。此外，还需要与空白样品或对照样品的信号进行对照。 测试后期处理工作包括测试数据处理、评价分析结果、提出结论和报告。直接信号的获取只是取得有效信号的**步，而对信号的识别与处理、能正确地将检测信号转为有效的分析信息是仪器分析的关键，也是仪器分析的*终目的。现代分析仪器在自动化与计算机控制的基础上，可获得大量的、不同类型的实验数据。如果不对这些数据进行科学、系统的分析处理，就不可能获得准确可靠的有效信息。通过有效的数据处理方法和应用软件，可将分析物的浓度或者结构等转换为与分析相关的术语。 *后，根据获得的有效数据和性能指标，对分析结果进行总结，给出清楚的分析报告，避免报告任何不确定的数据。 1.4.2 过程分析 过程分析起源于对化学工业过程的监测与控制。自20世纪50年代初期，国际上有了化学商品和石油化学工业后，就有了过程分析化学(process analytical chemistry，PAC)。过程分析是指将分析过程中的采样、制样、测量、数据的解析等全部或部分功能实时地集成为一个整体，得到定性或定量的信息，并应用这些信息控制或优化化学过程，主要研究内容包括过程测量科学、过