儀器分析導(dǎo)論

1、1,儀器分析Instrumental Analysis,主講教師：楊屹北京化工大學(xué)理學(xué)院 yangyi@mail.buct.edu.cn,,2,第一章 儀器分析導(dǎo)論Introduction to Instrumental Analysis,,3,你所想到的需要用分析化學(xué)方法解決的實(shí)際問(wèn)題,,第一章 儀器分析導(dǎo)論,4,4,1976年登陸火星的海盜者1號(hào)Viking Lander 1 to Mars,5,海盜者1號(hào)局部,第一章

2、 儀器分析導(dǎo)論,6,海盜者1號(hào)說(shuō)明,氣相色譜－質(zhì)譜儀,X射線熒光分析,第一章 儀器分析導(dǎo)論,7,Spirit （勇氣號(hào)） 2003年6月11日發(fā)射，2004 年1月4日,登陸火星,第一章 儀器分析導(dǎo)論,8,Alpha Particle X-Ray Spectrometer (APXS),The x-ray mode is sensitive to major elements, such as Mg, Al, Si, K, C

3、a, and Fe, and to minor elements, including Na, P, S, Cl, Ti, Cr, and Mn. The alpha mode is sensitive to lighter elements, particularly C and O.,Microscopic Imager,The Mini-TES telescope,Mössbauer Spectrometer,第一章

4、儀器分析導(dǎo)論,9,Mars Science Laboratory（火星科學(xué)實(shí)驗(yàn)室）Curiosity（好奇號(hào)）2011年11月26日發(fā)射，2012年8月6日登陸火星,第一章 儀器分析導(dǎo)論,10,ChemMin-化學(xué)與礦物學(xué)分析儀（X射線衍射),SAM-火星樣本分析儀（質(zhì)譜儀、氣相色譜儀和激光分光計(jì)),化學(xué)與攝像機(jī)儀器(激光，光譜儀器）,第一章 儀器分析導(dǎo)論,11,2013年上海“毒校服”事件,可分解芳香胺染料——“禁用偶氮染料

5、”,這種染料在與人體長(zhǎng)期接觸的過(guò)程中，其有害成分被皮膚吸收，在特殊條件下分解產(chǎn)生20多種致癌芳香胺，經(jīng)過(guò)活化作用而改變?nèi)梭w的DNA結(jié)構(gòu)，引起病變和誘發(fā)惡性腫瘤物質(zhì)，導(dǎo)致膀胱癌、輸尿管癌、腎盂癌等惡性疾病。,如何檢測(cè)？,第一章 儀器分析導(dǎo)論,12,歐盟馬肉丑聞發(fā)酵 ，已批準(zhǔn)對(duì)肉制品做DNA抽檢 ——2013年02月17日 新華社,歐盟稱“馬肉風(fēng)波”屬

6、于商標(biāo)問(wèn)題并非食品安全事件 ——2013-02-13 新華社,2013年2月中旬，歐洲的“馬肉風(fēng)波”,第一章 儀器分析導(dǎo)論,13,止痛劑成分“苯基丁氮酮” (phenylbutazone),可能引起一些患者出現(xiàn)再生障礙性貧血等不良反應(yīng)，國(guó)際上對(duì)其進(jìn)入食物鏈有嚴(yán)格限制,第一章 儀器分析導(dǎo)論,14,鎘大米，指鎘含量超標(biāo)的大米。人體長(zhǎng)期食用鎘超標(biāo)的大米會(huì)導(dǎo)致腎臟

7、等器官發(fā)生病變，引發(fā)骨痛病。,2013年廣州“鎘大米”事件,第一章 儀器分析導(dǎo)論,15,N-二甲基亞硝胺,2013年復(fù)旦投毒事件,1994年清華鉈中毒案,第一章 儀器分析導(dǎo)論,,16,,,,,三聚氰胺事件,第一章 儀器分析導(dǎo)論,17,三聚氰胺事件-往事并不如煙,按照國(guó)家藥品食品監(jiān)督管理局的規(guī)定，0—3個(gè)月 蛋白質(zhì)含量12%，3—6個(gè)月 蛋白質(zhì)含量應(yīng)不低于10%,安徽阜陽(yáng) 只有 2% ， 2003年大頭嬰兒，高死亡美

8、國(guó)寵物腎結(jié)石， 2005年美國(guó)動(dòng)物飼料 2008 嬰兒 29萬(wàn)企業(yè) 監(jiān)管 良心,第一章 儀器分析導(dǎo)論,18,檢測(cè)方法——?jiǎng)P氏定氮實(shí)驗(yàn)原理,三聚氰胺,1.有機(jī)物中的氮在強(qiáng)熱和CuSO4，濃H2SO4 作用下， 消化生成（NH4）2SO4,2.在凱氏定氮器中與堿作用，通過(guò)蒸餾釋放出NH3 ， 收集于 H3BO3 溶液中,第一章 儀器分析導(dǎo)論,19,實(shí)驗(yàn)儀器

9、,凱氏燒瓶（100ml）:1個(gè)凱氏定氮裝置移液管(10ml): 1支酸式滴定管(10ml): 1支,1.安全管 2.導(dǎo)管 3.氣水分離管 4.樣品入口 5.塞子6.冷凝管 7.吸收瓶 8.隔熱液套 9.反應(yīng)管 10.蒸氣發(fā)生瓶,凱氏定氮裝置圖,,第一章 儀器分析導(dǎo)論,20,新方法,蛋白質(zhì)分析雙縮脲法 不可靠，誤差大LC-MS/MS/MS 三重四極桿質(zhì)譜 （40萬(wàn)美元一臺(tái)）HPLC, CERAMAN,成本，代價(jià)，名譽(yù),第

10、一章 儀器分析導(dǎo)論,21,瘦肉精瘦肉率提高10%,孔雀石綠事件防止水毒病等，延長(zhǎng)魚(yú)生命,蘇丹紅事件增色增鮮,經(jīng)濟(jì)利益,第一章 儀器分析導(dǎo)論,,22,第一章 儀器分析導(dǎo)論,23,本章要解決的問(wèn)題,什么是儀器分析 （What）為什么要學(xué)習(xí)儀器分析（Why）怎么學(xué)習(xí)儀器分析（How）,第一章 儀器分析導(dǎo)論,24,一．儀器分析的定義二．儀器分析的發(fā)展歷史三．儀器分析方法的分類(lèi)四．儀器分析的特點(diǎn),Ⅰ.什么是儀器分析,25,

11、分析化學(xué) —,分析化學(xué)是關(guān)于研究物質(zhì)的組成、含量、結(jié)構(gòu)和形態(tài)等化學(xué)信息的分析方法及理論的一門(mén)科學(xué),定性分析 —,測(cè)定樣品中的原子、分子或官能團(tuán)的信息。,定量分析 —,測(cè)定各成分的相對(duì)含量。,Ⅰ.什么是儀器分析,26,儀器分析是采用一定的儀器設(shè)備，通過(guò)測(cè)量物質(zhì)的某些物理性質(zhì)及其變化來(lái)確定物質(zhì)的化學(xué)組成及化學(xué)結(jié)構(gòu)的一類(lèi)分析方法。,,,重量法容量法（酸堿、絡(luò)合、氧化-還原、沉淀等滴定法）,一、儀器分析的定義,27,二．儀器分析的發(fā)展歷史,第

12、一次變革　 19世紀(jì)末→20世紀(jì)初葉　 四大平衡理論　 定量分析 Classical analytical chemistry 重量法、滴定法等化學(xué)分析占主導(dǎo)地位 儀器分析種類(lèi)少和精度低,古代煉金術(shù) 是分析化學(xué)的前驅(qū)16世紀(jì)，天平的出現(xiàn)。分析化學(xué)具有了科學(xué)的內(nèi)涵,28,第二次變革　二十世紀(jì)三、四十年代,測(cè)量待測(cè)物的一些物化性質(zhì)：電導(dǎo)、電勢(shì)、光吸收及發(fā)射、荷質(zhì)比、熒光等并開(kāi)始應(yīng)用到定

13、量分析中分析化學(xué)中儀器方法 　Instrumental methods of analysis,工業(yè)及技術(shù)發(fā)展的需要和基礎(chǔ)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,推動(dòng)了分析儀器的發(fā)展,化學(xué)分析與儀器分析并重，儀器分析自動(dòng)化程度低,二．儀器分析的發(fā)展歷史,29,二十世紀(jì)三、四十年代誕生的儀器分析方法Bloch F 和Purcell E M；1946年建立了核磁共振測(cè)定方法； 諾貝爾物理獎(jiǎng)1952年；Martin A J P 和Synge

14、 R L M；1941年建立了氣相色譜分析法； 諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)1952年；Heyrovsky J，1922年建立極譜分析法， 諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)1959年。,二．儀器分析的發(fā)展歷史,30,第三次變革 20世紀(jì)七、八十年代,計(jì)算機(jī)控制的分析數(shù)據(jù)采集與處理：實(shí)現(xiàn)分析過(guò)程的連續(xù)、快速、實(shí)時(shí)、智能；促進(jìn)化學(xué)計(jì)量學(xué)的建立。 化學(xué)計(jì)量學(xué)：利用數(shù)學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法設(shè)計(jì)選擇最佳分析條件，獲得最大程度的化學(xué)信息。以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的新儀

15、器的出現(xiàn)：傅里葉變換紅外；色-質(zhì)聯(lián)用儀。,近代微電子技術(shù)的發(fā)展使得儀器更靈敏、更準(zhǔn)確、自動(dòng)化程度更高,二．儀器分析的發(fā)展歷史,31,1901Rontgen et al首次發(fā)現(xiàn)X射線存在1907Michelson et al首次制造精密光譜儀器1922Aston et al發(fā)明質(zhì)譜測(cè)定同位素1923Pregl et al發(fā)明有機(jī)物微量分析1930Raman et al發(fā)現(xiàn)拉曼效應(yīng)1944

16、Rabi et al用共振方法記錄原子核磁性1948Tiselius et al用電泳法發(fā)現(xiàn)血漿蛋白性質(zhì)1952Bloch et al發(fā)展核磁共振精細(xì)測(cè)量法1952Martin et al發(fā)明分配色譜1959Heyrovsky et al發(fā)明極譜法1981Siegbahn et al發(fā)明高分辨電子光譜法1981Bloembergen et al發(fā)展激光光譜學(xué)1991E

17、rnst 對(duì)高分辨核磁共振方法發(fā)展,,,與分析儀器發(fā)明相關(guān)的諾貝爾獎(jiǎng)獲得者,二．儀器分析的發(fā)展歷史,32,,,The Nobel Prize in Chemistry 2002,,推動(dòng)分析儀器發(fā)展的三要素,理論,技術(shù),對(duì)象（問(wèn)題）,,,,1、生產(chǎn)發(fā)展提出迫切需要解決的問(wèn)題2、問(wèn)題的解決有待于理論與技術(shù)的提高3、一項(xiàng)新技術(shù)的產(chǎn)生總是以理論作為基礎(chǔ),二．儀器分析的發(fā)展歷史,33,三、儀器分析方法的分類(lèi),34,35,方法分類(lèi)

18、 主要分析方法 被測(cè)物理性質(zhì) 光譜分析 發(fā)射光譜分析、火焰光度分析 輻射的發(fā)射 分子發(fā)光分析法、放射分析法 紫外-可見(jiàn)分光光度

19、法 輻射的吸收 原子吸收分光光度法 紅外光譜法、核磁共振波譜法 比濁法、拉曼光

20、譜法 輻射的散射 折射法、干涉法 輻射的折射 X-射線衍射法、電子衍射法 輻射的衍射

21、 圓二色譜法 輻射偏振方向的旋轉(zhuǎn) 電化學(xué)分析 電位法 電極電位 電導(dǎo)法

22、 電導(dǎo) 極譜法、溶出伏安法 電流-電壓色譜分析 氣相色譜法、液相色譜法 薄層色譜法

23、 兩相間的分配熱分析 熱導(dǎo)法、差熱分析法 熱性質(zhì)質(zhì)量分析 質(zhì)譜法 質(zhì)荷比………,三、儀器分析方法的分類(lèi),36,CARY 1

24、E 紫外可見(jiàn)分光光度計(jì),澳大利亞Varian公司,37,VECTOR22傅里葉變換紅外光譜儀,德國(guó)Bruker公司,38,GC-3800 氣相色譜儀 ,美國(guó)VARIAN公司,39,HP1100高效液相色譜儀, 美國(guó)Agilent公司,40,原子吸收分光光度計(jì),41,原子發(fā)射光譜儀,42,200兆超導(dǎo)核磁共振波譜儀,美國(guó) Varian 公司,43,GC-MS, 美國(guó)Finnigan-MAT,44,LC-MS, 美國(guó)Finnigan-MAT

25、,45,四、儀器分析的特點(diǎn),１．靈敏度高、樣品用量少,２．分析速度快、效率高　　 如直讀光譜儀可以在1~2分鐘內(nèi)同時(shí)測(cè)出20多種 元素的含量。,,３．選擇性較好 用離子選擇性電極可測(cè)指定離子的濃度,46,４．能夠滿足特殊要求,結(jié)構(gòu)分析---如UV－吸光度形態(tài)和價(jià)態(tài)分析---鋁添加劑各種成分分析表面與無(wú)損分析 文物的分析 --- 13C中子活化分析 金首飾中含金

26、量分析---X-rays熒光分析遙控和自動(dòng)分析 ---火星探測(cè)器中帶有多種分析裝置。,四、儀器分析的特點(diǎn),47,６．一般儀器價(jià)格較貴，維修使用成本較高　　UV-Vis 0.5 ~3 萬(wàn)美元HPLC 5~8 萬(wàn)美元LC-MS ~ 20萬(wàn)美元　　　　800MHz NMR~120萬(wàn)美元。,５．準(zhǔn)確度　　相對(duì)較低５％；,四、儀器分析的特點(diǎn),48,Ⅱ.為什么要學(xué)習(xí)儀器分析,大量的工作職位,49,一、生命科學(xué)中的分析化學(xué),

27、后基因組學(xué)： 基因診斷、基因藥物開(kāi)發(fā)等,蛋白組學(xué)：小分子與蛋白質(zhì)、核酸等大分子作用 引起構(gòu)象變化并影響其功能,生物芯片、生物傳感器等,中草藥有效成分分析-指紋圖譜,傳染性疾病的快速鑒定,……,Ⅱ.為什么要學(xué)習(xí)儀器分析,人類(lèi)基因組計(jì)劃,,Jianzhong Zhang, a fellow University of Alberta scientist, together with Dr. Dovichi were

28、the ones who developed the DNA sequencer that played a critical role in the breakthrough of gene-mapping by the Human Genome project.,,一、生命科學(xué)中的分析化學(xué),50,51,H7N9是禽流感的一種亞型。顆粒外膜由兩型表面糖蛋白覆蓋，一型為血細(xì)胞凝集素（即H），一型為神經(jīng)氨酸酶（即N），H又分15個(gè)亞型，N

29、分9個(gè)亞型。依據(jù)流感病毒特征可分為HxNx共135種亞型。,李松研究員組織團(tuán)隊(duì)對(duì)H7N9病毒基因組序列進(jìn)行分析，認(rèn)為H7N9病毒神經(jīng)氨酸酶結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，提示神經(jīng)氨酸酶抑制劑對(duì)此次疫情有效。,H7N9,最新報(bào)道：神經(jīng)氨酸酶（NA）“292位氨基酸”從R（精氨酸）突變?yōu)镵（賴氨酸），病毒已呈現(xiàn)耐藥性 。,一、生命科學(xué)中的分析化學(xué),52,腫瘤細(xì)胞的熒光顯微圖,一、生命科學(xué)中的分析化學(xué),53,單個(gè)細(xì)胞的分析,是用微玻管電極（膜片電極或膜片吸管）接觸

30、細(xì)胞膜，以吉?dú)W姆（109Ω)以上的阻抗使之封接，使與電極尖開(kāi)口處相接的細(xì)胞膜的小區(qū)域（膜片）與其周?chē)陔娀瘜W(xué)上絕緣，在此基礎(chǔ)上固定電位，對(duì)膜片上的離子電流（pA級(jí))進(jìn)行監(jiān)測(cè)記錄的方法。,54,二、環(huán)境科學(xué)中的分析化學(xué),環(huán)境分析化學(xué),,環(huán)境過(guò)程化學(xué)與分析化學(xué),環(huán)境生化分析,綠色化學(xué)中分析測(cè)試等,55,二、環(huán)境科學(xué)中的分析化學(xué),56,用反相液-液色譜分離稠環(huán)芳烴,苯萘聯(lián)苯菲蒽螢蒽芘,苝 11. 苯并[e]芘

31、12. 苯并[a]芘,57,三、材料與信息科學(xué)中的分析化學(xué),材料的結(jié)構(gòu)分析,納米材料的可控組裝及表征,納米材料的譜學(xué)分析、界面表征,,納米金剛石,58,磁盤(pán)沖洗水樣的測(cè)定,微電子,三、材料與信息科學(xué)中的分析化學(xué),59,半導(dǎo)體級(jí)異丙醇中雜質(zhì)的測(cè)定,三、材料與信息科學(xué)中的分析化學(xué),60,,四、化學(xué)過(guò)程中的分析化學(xué),化工過(guò)程的質(zhì)量控制、在線分析等,61,工業(yè)在線分析CO2,四、化學(xué)過(guò)程中的分析化學(xué),62,,五、食品安全中的分析化學(xué),蘇丹紅,

32、假酒,瘦肉精(鹽酸克倫特羅 )， 三聚氰胺塑化劑……,甲胺磷農(nóng)藥成分 嘔吐、腹瀉,毒餃子事件,政治事件,63,63,64,五、食品安全中的分析化學(xué),65,Ⅲ. 如何學(xué)習(xí)儀器分析,3. 掌握分析步驟和數(shù)據(jù)處理方法,1.掌握方法的基本原理，了解方法可提供的信息,2. 了解儀器的結(jié)構(gòu)，方框圖,4. 學(xué)會(huì)選擇分析方法,66,,,,強(qiáng)度,物理量,定量——峰高，峰面積,定性——特征尺度,1. 掌握方法的基本原理，了解方法可提供的信息,Ⅲ.

33、 如何學(xué)習(xí)儀器分析,67,,信號(hào)處理： 運(yùn)算放大,信號(hào)發(fā)生器：產(chǎn)生可以反映待測(cè)物存在及濃度的裝置， 多半為離子或化合物自身,AES中　激發(fā)態(tài)原子電化學(xué)　pH H+活度,檢測(cè)器：　 光電轉(zhuǎn)換器　　　　　 電位計(jì),輸出： 記錄儀、計(jì)算機(jī),2. 了解儀器的結(jié)構(gòu)，方框圖,Ⅲ. 如何學(xué)習(xí)儀器分析,68,3. 掌握分析步驟和數(shù)據(jù)處理方法,定性方法定量方法,Ⅲ.

34、 如何學(xué)習(xí)儀器分析,69,4．分析方法的選擇,對(duì)樣品了解：準(zhǔn)確度、精確度要求可用樣品量待測(cè)物濃度范圍可能的干擾樣品基體的物化性質(zhì)多少樣品（經(jīng)濟(jì)）,Ⅲ. 如何學(xué)習(xí)儀器分析,70,對(duì)方法要求：精度　 絕對(duì)偏差、相對(duì)偏差、變異系數(shù)誤差　　　系統(tǒng)誤差、相對(duì)誤差靈敏度　　校正曲線靈敏度、分析靈敏度檢出限　　З(RSN)blank濃度范圍　定量限與線性檢測(cè)限選擇性　　選擇性系數(shù),Ⅲ. 如何學(xué)習(xí)儀器分析,71,

35、其他方法學(xué)特征：分析速度易操作性操作者熟練程度的要求儀器成本每個(gè)樣品分析的成本環(huán)境代價(jià),Ⅲ. 如何學(xué)習(xí)儀器分析,72,一個(gè)好的分析方法應(yīng)滿足3s + 2a 原則,SensitivitySelectivitySpeediness,AccuracyAutomatics,＋,Ⅲ. 如何學(xué)習(xí)儀器分析,73,董慧茹，儀器分析，第二版，化學(xué)工業(yè)出版社，北京，2010葉憲曾，張新祥，儀器分析教程，第二版，北京大學(xué)出版社，北京，2

36、007武漢大學(xué)化學(xué)系編，儀器分析，高等教育出版社，北京，2001劉志廣，儀器分析學(xué)習(xí)指導(dǎo)與綜合練習(xí)，高等教育出版社，北京，2005Douglas A. Skoog, F. James Holler, Stanley R. Crouch, Principles of Instrumental Analysis (6th edition), Thomson Brooks/Cole, 2006,參考書(shū),74,相關(guān)學(xué)術(shù)刊物,Anal. C

37、hem (IF=5.9)Trends Anal. Chem. (IF=6.6) Anal.Chim.Acta. (IF=4.3) Analyst (IF=3.9) Talanta (IF=3.7) J Chromatogr. A (IF=4.1) Anal. Bioanal. Chem. (IF=3.7)……,I