现代仪器分析原理与技术

第1章 绪论 了解分析化学与仪器分析的主要含义、范畴及特征；了解分析仪器的主要类别及重要组成结构；正确理解常用分析仪器技术术语的表征意义。 **节 分析化学与仪器分析 一、分析化学的范畴、方法及任务 在以往的工农业生产领域中，分析化学(analytical chemistry)中的容量分析法和质量分析法是*常用的分析检验手段。随着生产需求与现代科学技术的发展，分析化学进入以系统论、信息论、控制论及与计算机相结合进行综合分析检测的新阶段，使人们对分析化学的本质有了新的认识和发现。与其他化学学科相比，分析化学不是直接研究和提供某种有机化合物或无机化合物，而是研究所涉及物质的化学组成和结构。因此说分析化学是研究物质的分离、鉴定及测定原理和方法的一门学科。 根据分析化学的定义范畴、方法及任务，它在一些领域主要的研究发展方向如下。 (1)在无机元素的分析技术方面：人们主要是根据经典分析化学理论，利用物质的化学组成和化学性质，通过物理变化及化学反应达到分离鉴定的目的，但检出灵敏度有限。为了提高分析方法的灵敏度和选择性，人们根据火花光源原理，发展了火焰光度计、原子吸收光谱仪、原子荧光光谱仪、等离子发射光谱仅、X射线衍射仪等；利用中子、光子活化分析原理，发展了中子活化仪、同位素示踪仪、同位素闪烁仪等。 (2)在化合物结构形态分析技术方面：常量范围内主要以质量法、容量法为主要分析手段，但特异性有限，操作方法繁杂。随着比色技术的发展，人们针对痕量阴离子测定，从*初简单的电化学分析方法发展到利用分光光度技术、极谱技术、电化学分析系统、离子色谱技术、串联色谱技术，对目标物结构形态进行有效定性，分析更多的阴离子化合物，使分析技术更加快速、灵敏、准确和实用。 (3)在痕量有机化学分析技术方面：随着生物技术、食品分析、药物检验等领域的发展，根据分离机制要求，在样品处理技术方面，仅靠萃取、浓缩、沉淀等分离方法还不够，将上述技术与薄层色谱、气相色谱、液相色谱及质谱等相关分析技术结合，拓宽了这一领域的实用范围。 (4)在微观和表面技术方面：随着显微技术的发展，人们不仅要了解物质表面现象，还要对物质内部的组成有深刻的认识，其结果需要通过某种特定信息手段，如图片、图像、三维成像图谱等反映出来，并对目标化学物的结构组成进行定性、定量分析。目前通过电子显微镜、电子探针、电子能谱、共聚焦激光显微镜、原子力显微镜等分析技术，便这一领域的研究水平上升到一个新的阶段。 综上所述，现代科学技术的发展，对分析化学提出了一系列新要求，人们对分析化学这一学科本质内容又有了新的认识，使分析化学理论研究与分析技术的联系更加紧密。 二、仪器分析的范畴、方法及任务 仪器分析(instrumental analysis)作为一门特殊科学脱颖而出，它在经典分析化学的基础上，利用仪器分析的特有手段，探索新的分析理论，研究新的分析技术，因此，利用特殊仪器装置定性和定量分析检测物质的组成、结构及某些物理化学特性是分析化学*有利的工具。仪器分析是研究有关物质分析的理论与技术的一门科学，它与化学分析同属分析化学范畴。 实际上，仪器分析是在化学的基础上吸收了物理学、光学、热学、电子学、量子力学等内容，根据电、热、声、光、磁的性质来进行分析，并依靠特定仪器装置来完成。由于计算机技术的引入及发展应用，使仪器分析的快速、灵敏、准确等特点更加明显，多种技术的结合应用与联用使仪器分析应用更加广泛。 第二节 分析仪器的类型及其信号表达方式 一、分析仪器的主要分类 现代分析仪器的种类十分庞杂，应用原理各不相同。为了方便区分现有分析仪器类别，根据仪器的工作原理及应用范围，可将分析仪器分为以下几类。 1)电化学分析仅器 根据氧化还原电极电位鉴别样品的阴、阳离子的形态，并定性、定量分析目标物含量和活度。如电位滴定仪、pH计、极谱仪、电化学分析系统等。 2)热学式分析仪器 根据热力学平衡原理，测定物质热交换量。如差热分析仪等。 3)磁学式分析仪器 利用原子核在磁场作用下产生的洛伦兹力轨道原理，分析被电离物质的荷质比并利用共振吸收定性、定量鉴别物质的结构组成。如质谱仪、核磁共振波谱仪等。 4)光学式分析仪器 利用物质对光吸收的选择性和发射光的特殊性分析物质的结构和组成。如紫外一可见光光谱仪、荧光光谱仪、傅里叶红外光谱仪及原子吸收分光谱仪等。 5)射线式分析仪器 根据射线穿透性原理，测定物质结构及组成。如X射线衍射分析仪。 6)色谱类分析仪器 利用物质内各组分在流动相和固定相之间交换、分配、吸附等作用的差异，达到分离鉴定目的。如薄层色谱仪、气相色谱仪、液相色谱仪等。 7)电子光学和离子光学式分析仪器 在特定的物理光学环境中通过电子成像理论，来鉴定物质的形态结构组成。如电子探针仪、电子显微镜、激光共聚焦显微镜等。 8)物性测定仪器 根据物理特性及方法，通过仪器完成专有物性指标分析。如质构仪、流变仪、电导仪、离心机等。 9)其他专用仪器 保讧样品分析在特定阶段或条件下的处置、测定，并获取结论。如蛋白质含量测定仪、脂肪含量测定仪、流动注射仪等。 二、分析仪器信号的表达方式 在明确分析目标的前提下，正确选用某一种分析仪器，必须要掌握分析仪器原理及分析技术的应用目的。通常各种仪器主要是根据所涉及物质的理化性质，利用对特异光、电信号的响应，通过数据或图谱等形式表达出来。表1-1为不同分析方法的信号传递方式及分类。 表1-1 不同分析方法的信号传递方式及分类 从分析仪器功能来看，一是为了分析确定物质中的结构与组成；二是利用相关技术对物质中各组成实行分离（如色谱技术）。有的兼有两种功能，对一些复杂物质分析常需要多种技术结合，如色谱一质谱联机、色谱一红外联机、毛细管电泳一质谱联机。 本书主要针对农业生物技术、食品分析、环境分析等领域中常用的仪器，即光谱分析仪、色谱分析仪及波谱分析仪等进行介绍。学习各类仪器分析方法时应该把对基本原理的理解与仪器的实际应用结合起来。仪器分析包括样品前处理与仪器分析测定两个部分，这些测定方法就是现代仪器分析方法。 第三节 分析仪器的方法建立及重要组成部分构成 不同类别仪器的分析原理各不相同，但都是由一些相同的基本部分组成，分析方法流程具有一定的规律，其技术方法主体思路及目标是一致的。对某种具体的分析仪器来说，不一定完全是由这些基本部分组成的，可能有一些特殊部分。通过本节介绍，可以帮助我们在应用某种分析方法之前，正确构建一个合理的分析方法及流程，增加方法的实效性，*终获取分析方法的预期结果。 一、分析方法（方案）构建 当进行某项分析工作时，首先要明确分析目标，确立分析技术手段，制定m相应分祈技术流程。一个完整的分析方法应从取样开始，包括样品存储方式、样品前处理、分析测定、分析结果检验、数据处理统计，以及结果的表达解释等，如图1-1所示。而选择合理有效的仪器分析技术，是保证整个分析过程获取有价值分析数据的一个重要环节。 二、分析仪器的基本组成 1.取样装置 取样装置的作用是把待分析的样品引入仪器。对于某些仪器来说，取样装置恰恰就是进样器，进样器有白动和手动两种，通常为针筒注射进样器。对应用于工艺流程的分析仪器，取样装置要复杂得多。流程中的样品主要是液体或呈气体状态。对于气体样品，取样时必须考虑系统是正压还是负压。 取样装置及抽吸装置的结构是多种多样的，如采用多空陶瓷之类的物质，以便对要分析的样品进行一次过滤，减少进入系统的机械杂质，避免堵塞或沾污管道及检测器等。 对于取样系统的要求，首先要能耐受分析(工艺)过程中的特殊条件，如高温、高压、腐蚀等，同时要保证不能与样品中任何成分发生化学反应，以防止成分改变。因此，必须根据样品的性质及工艺条件来选择制造取样装置的材质。 2.预处理系统 仪器的分析过程不应限于静态分析，还应包括工艺流程中的动态分析检验。预处理系统主要针对丁艺流程分析而言，它的任务是将从现实过程中取I+的样品加以处理，以满足检测系统对样品状态的要求，有时还需进一步除去机械杂质及水蒸气，除去样品中对待测组分有干扰的组分，以保证后续仪器测量的精度。预处理系统一般包括冷却器或恒温器、过滤器或净化器，以及保证仪器选择性的其他辅助装置。 图1-1 分析方法构建流程框图 3.分离装置 “分离”在这里是广义的，在各种能同时分析多种组分的仪器里，都有分离装置。它既包括对样品本身的分离，也包括能量的分离，如光学式分析仪器中的分光系统（或称单色器、色散器等）、色谱仪中的色谱柱。 对于分离系统的要求，主要是分辨率。对于多组分分析仅器来说，其分辨率的高低主要取决于分离系统，它往往决定该仪器的主要性能。在分析仪器中安装分离系统，甚至前置分离装置，提升分析效能，以实现多组分的快速精确测量，已越来越引起人们的关注。 4.检测器及检测系统 检测器是分析仪器的核心部分，根据试样中待分析组分的含量，检测器发出相应的信号，这种信号多数是以电参数输出。仪器的主要技术性能，特别是单组分分析仪器，主要取决于检测器。例如，气相色谱仪虽为多组分分析仪器，但它的主要性能取决于色谱柱和检测器。因此，应充分重视对检测器性能的了解、使用和维护。 5.测量系统及信号处理系统 从检测器输出的信号是各式各样的，常见的有电阻的变化、电容的变化、电流的变化、电压的变化、频率的变化、温度的变化和压力的变化等，其中以电参数的变化尤为普遍。测量m这些参数的变化，就能间接地确定组分含量的变化，人们就把测量这些变化的线路或装置统称为测量系统。在分析仪器中，由于上述参数的变化往往是很小的，如电阻变化可以低到10-5Q，电流的变化可以低到l0-10A，甚至更低。因此，需将这些变化很小的参数加以适当放大后，再进行测量和显示。此外，由检测器输出的信号经常是非线性的，这样就要有加似线性化的信号处理装置。 为了提高仪器显示精度，便于监测并与计算机联用，仪器测量系统多采用数字显示。因此，系统中就必须有模数转换装置，以便将测量系统输出的模拟信号转换成数字信号。信号处理系统是信号从检测器发出到显示过程中的重要环节，它的作用就是不失真地将信号输送给显示装置。 6.显示装置-数据工作站 分析结果显示方式通常有两种——模拟显示和数字显示。 模拟显示应用很普遍，它是在刻度显示装置中模拟信号的变化，连续地指示出测量结果，或同时由存储器、打印机记录并表征信号的变化曲线。例如，传统的电流表、电压表、带白动记录的电子电位差计、数据工作站。传统的电流表、电压表等显示方式的显示精度不高，读数误差较大，属淘汰技术。 数字显示，利用成熟的计算机技术，通过程序化把信号经过处理后，直接经数码、液晶视频屏幕用数字显示其数值含量，可以实现数据曲线、图谱、图像表征等，现代分析仪器中多采用计算机数据工作站。 显示装置的特点主要是能快速响应，灵敏、精确显示I-检测器发出的信号，及时统计分析数据。精密分析仪器数据处理中要消除或降低客观条件或样品的状态对测量结果的影响，如仪器运行中温度与压力、电参数波动对元器件阈值测量的影响范围及数据处理误差。这类装置大多是在测量系统或信号处理系统中引入一个与上述条件波动呈比例的负反债等技术来实现的。 7.保证操作条件的辅助装置 有些仪器为了保证测量精度，采取相应的措施，附加某些辅助装置，如流体稳压阀、稳流阀、恒温器、稳压电源、电磁隔绝装置等，使操作条件适应测定的需要。当然，用某种特定的仪器进行测量时，这些因素不一定都存在，需根据具体条件确定选