仪器分析(第四版)

**章 绪论 **节 仪器分析学科的性质和分类 一、 分析化学与仪器分析 分析是指对物质和事进行研究，取得信息，以确定物质的组成、 结构或事物的变化特征和规律。它有两种不同类型的分析：对事物的分析称为事物分析（matter analysis）；对物质的分析称为物质分析（substance analysis）。前者属于社会科学范畴，后者属于自然科学范畴。对事物分析的研究方法可归纳为：对事物进行深入调查研究→对调查研究结果进行思考和归纳→初步找出事物的变化特征和变化规律→在实践中验证→上升为理论。 对物质分析的研究方法称为分析化学（analytical chemistry），它可归纳为：物质→获取物质的化学、 物理或物理化学性质的信息→进行数学统计和处理→得到物质的组成和结构信息。 分析化学是一门历史悠久的学科，传统的定义是研究物质的分离、 鉴定与测定原理和方法的一门学科，其研究对象是物质的化学组成和结构。现代科学技术的发展，特别是生命科学、 环境科学、 材料科学等学科的飞速发展，对分析化学提出了更高的要求。另外，计算机、 系统论、 信息论和控制论等学科的交叉和融合，使分析化学的定义也有了极大的不同。它的定义更深更广，分析化学学科的范围也不断扩大。现代分析化学的定义是利用自然科学的方法，获得有关物质系统的信息，并对其进行解释、 研究和应用的学科。 根据分析所依据信息的不同，分析化学分为化学分析（chemical analysis）和仪器分析（instrumental analysis）。化学分析是以物质的化学反应为基础的分析方法。它以四大化学平衡为基础，在理论和技术上比较成熟，目前大量的常规分析工作还是由化学分析完成。仪器分析是以物质的物理和物理化学性质为基础的分析方法。这类分析方法一般要依靠仪器来完成。 二、 仪器分析学科的性质 仪器分析依据的是物质的物理和物理化学性质，是用分析仪器探测物质的物理和物理化学性质信息，然后用计算机处理信息，获得物质的化学组成和结构信息。要将物质的物理和物理化学性质信息转化为分析信号，然后采集、 传送、 处理和*大限度地利用这些信息，对其进行解释、 研究和应用，必须具备化学、 物理学、 数学、 信息学和生命科学、 环境科学等自然科学的基础理论知识。从这个意义上说，仪器分析是一门综合性学科，是多学科的交叉与融合。它不仅在制造分析仪器的硬件和计算处理的软件上需要多学科的交叉和融合，对操作分析仪器的人员也提出了更高的要求，特别是对一些天然产物的复杂结构、 微量生物活性样品、 反应过程中痕量物质的变化等的分析与解释。它不再只是提供分析测定的定性与定量结果，还要研究和解释这些数据的内在变化，以发现可能隐藏在分析数据中的信息，做出新的解释和找出它的规律性。因此，如没有掌握多学科的基础知识，是难以胜任仪器分析任务的。 综上所述，仪器分析不再主要以定性定量作为特征，而是在分析的基础上进一步综合和深化，是多学科的交叉与融合的一门学科。仪器分析的迅猛发展和广泛应用为生命科学、 环境科学等自然学科的发展提供了重要条件。 三、 仪器分析的分类 仪器分析可以简单地理解为获取物质的物理、 物理化学性质中的某一特征信息，并将其转变为分析信号，根据分析信号的特性做定性和结构分析，根据分析信号的强度做定量分析。依据物质采集的特征信息和分析信号的不同，将仪器分析分成四大类（表1-1）。 1） 光学分析 光学分析（spectroscopic analysis）是以物质的光学性质为特征信息，以光的辐射为分析信号的仪器分析方法。根据光信号谱区的不同，分为紫外、 可见、 红外分析等；根据光与物质相互作用的方式所获得的光信号的不同，分为吸收、 发射、 散射、 衍射、 旋转等光学分析。进一步细分，根据光与物质中的分子或原子相互作用的不同，光学分析又可分为分子吸收或原子吸收、 分子发射或原子发射分析等。 2） 电分析 电分析（electrical analysis）是以物质的电化学性质为特征信息，以电信号为分析信号的仪器分析方法。根据电信号的不同，电分析可分为电流分析、 电位分析、 电导分析、 电重量分析、 库仑法、 伏安法等。 3） 分离分析 分离分析（separable analysis）是以物质的热力学性质为特征信息，以热性质、 组分在固定相与流动相中分配比等为分析信号的仪器分析方法，如热导法、 色谱法、电泳法等。 4） 其他分析 其他分析如电子显微镜、放射性技术等。 表1-1 分析化学基本分类 第二节 仪器分析的分析过程 仪器分析中要区分分析技术（analytical technique）和分析方法（analytical method）两个概念。分析技术是指采用何种手段达到分析的目的，如采用光谱分析或色谱分析等手段。分析方法是指利用某种分析技术，解决某一分析问题的方法和过程。仪器分析的分析技术是通过分析方法实现的。分析方法可通过下列分析过程描述： 样品→取得物质物理或物理化学性质信息 ［分析仪器（硬件）］ 进行数学处理→得到物质的组成和结构并进行研究和解释 ［计算机（软件）］ *先，要了解样品性质和分析目的，根据分析信息，选取合理的分析手段并建立适当的分析方法，按照分析方法的要求对样品进行预处理。然后根据分析手段所选用的分析仪器进行测定，取得被测物的分析信息，对分析信号进行数学处理。从分析数据中获取有用的信息，将其表达为分析工作者所需要的形式，如物质的组成、 含量、 结构等信息，并对此有用信息进一步进行研究、 解释和利用，以达到分析的目的。 一个完整的分析方法应包括取样、 样品的预处理（溶样、 分离、 提纯和制备）、 仪器测定、 数据处理、 结果表达、 提供分析报告、 对结果进行研究和解释等过程。缺少或忽略任何过程，都可能对分析结果的准确度产生严重的影响。 第三节 分析仪器 分析仪器（analytical instrument）是实现产生分析信号、 获取分析信号和处理分析信号、 提供分析报告的基础，是仪器分析的主要组件。 一、 分析仪器的基本结构 分析仪器的基本结构见图1-1。 图1-1分析仪器的基本结构 分析仪器的基本结构一般包含四个部分：分析信号发生器、 信号检测器、 信号处理器和结果显示器。分析信号发生器的作用在于将待测样品中的某种物理或物理化学特征信息产生和转变为原分析信号，原分析信号在信号检测器中被检测并转变为转换信号（一般转变为电信号），信号处理器将转换信号处理，获取有用信息，成为分析结果信号，输出到起信号表达作用的结果显示器，以图形、 数据等形式显示或打印出来。现代的分析仪器一般都配备计算机，具有控制整机的操作、 数据处理、 储存、 检索和显示等功能。 以紫外可见分光光度计为例：分析信号发生器为光源和单色器，产生的单色光透过被测样品溶液时，单色光的波长和被衰减的强度作为原分析信号被信号检测器（光电倍增管、 二极管阵列检测器等）检测，并转换成电信号，在信号处理器中被放大并通过模数转换，对数据进行处理（计算机），再经过数模转换在结果显示器（显示器和打印机等）上表达出来。 二、 分析仪器对测定结果的影响 仪器分析测定误差是影响分析结果准确度和精确度的主要因素，误差来源于两个方面：分析技术和分析方法。 选择合理、正确的分析技术是减少误差的前提。采用光学分析技术还是色谱法或其他技术，要根据样品性质、 分析目的、 测定对象在样品中的含量高低等综合考虑。如果选用技术不得当，往往会造成系统误差或甚至根本无法测定。 分析技术确定后，分析方法是影响测定结果的主要因素。分析方法带来的误差与预处理、 分析仪器的特性和分析仪器使用是否得当三个方面有关。预处理和分析仪器的使用是否得当是人为的因素，细心、 熟练的操作可避免或减少测定误差。分析仪器带来的误差来源于各部件的性能好坏，而性能的好坏决定分析仪器在实现信息传递链时，产生的信息是否失真。信息失真有的会使测量时产生系统误差，影响结果的准确度；有的会产生随机误差，影响结果的精密度与检出限。 三、 仪器分析的应用与学科的发展趋势 仪器分析正进入一个在各领域中广泛应用的新时期。它不仅在传统的工业、 农业、 食品、 轻工业等领域中的应用越来越广泛，而且现代生命科学、 环境科学等飞速发展的学科也越来越离不开仪器分析。仪器分析不但为它们提供了物质组成的信息，还提供了精细的结构与功能之间的关系，探索了事物的本质。例如，在遗传学的研究中，只有用分析仪器确定了DNA双螺旋结构，才能对其本质有更透彻的了解；在生命科学研究中，只有用核磁共振波谱、 质谱等确定蛋白质等大分子的结构，才有可能探索生命的本质等。仪器分析在各个领域中的应用将更广泛、更深入，学习仪器分析对从事工农业生产和自然科学研究的人员具有重要意义。 随着仪器分析向当前*活跃的生命科学、 环境科学等许多重要学科的渗透，一些现代基础自然学科、 系统科学、 信息学和计算机等又不断为仪器分析提供新的思想、 手段和技术，促进了仪器分析的发展。 目前仪器分析研究热点大体有以下几个方面： （1） 研究增大和多维捕捉分析信息，特别是分析信号极弱的瞬时即逝的信息。这就要求分析仪器具有高灵敏度、 多维快速采集、 传递和处理信号的能力，以实现现代生命科学等学科对复杂大分子的结构、 功能和机理的研究。 （2） 开创多种信息的综合处理和数据融合（data fusion）技术，以获取更大的信息量，更深刻地认知物质的多维结构与内在本质。 （3） 发展多种分析仪器的联用技术，如HPLCMS、 GCMS、 ICPMS等。 （4） 研制智能化分析仪器和各种为特定分析目标设计的专家系统及应用软件将获得重大突破。 近十年问鼎诺贝尔化学奖的检测技术 思考题与习题 1- 仪器分析主要包含哪些分析方法？请分别叙述。 2- 简述仪器分析的一般定量分析过程。 3- 试比较化学分析与仪器分析的特点，说明分析仪器与仪器分析的区别与联系。 4- 什么是仪器分析的联用技术？有何显著优点？ 5- 试说明分析化学的发展规律及其学科内涵随学科发展的变化。 6- 试说明仪器分析微型化、仿生化、智能化和自动化的发展状况。 第二章 光谱分析导论 **节 概述 利用待测物质受到光的作用后产生光信号（或光信号的变化），或待测物质受到光的作用后产生某些分析信号（如光声光谱分析中的声波），检测和处理这些信号，从而获得待测物质的定性和定量信息的分析方法称为光学分析方法。光学分析方法可以分为光谱分析方法和非光谱分析方法。 光谱分析方法通过测定待测物质的某种光谱，根据光谱中的特征波长和强度进行定性和定量分析；非光谱分析方法是通过光的其他性质（如反射、折射、衍射、干涉等）的变化作为分析信息的分析方法，如旋光分析法、 折射率分析法等。 光谱分析是现代仪器分析中应用*为广泛的一类分析方法。在组分的定量或定性分析中，有的已成为常规的分析方法。在物质结构分析的四大谱（紫外可见光谱、红外光谱、核磁共振的1H谱和13C谱及质谱分析）中光谱分析法占了三大谱，是结构分析中不可缺少的分析工具。 光谱分析可以按不同的方式分类。 （1） 按光谱区不同分类：按作用光和分析光谱区可分为紫外、 可见、 近红外、 中红外等光谱分析法。 （2） 按光与物质相互作用方式不同分类：可分为吸收光谱法、 发射光谱法、 散射光谱法、 干涉分析法、