仪器分析 主讲：尹洪宗

尹洪宗简介： 南开大学分析化学专业博士 教授，化学院院长。 主要从事金纳米材料的光谱特性研究、散射光谱研究以及稀土元素配合物及其荧光研究。 在《Food Chem.》、 《Anal. Lett.》 、《Talanta》 、 《化学学报》等刊物发表论文30余篇，SCI收录16篇 办公室：文理大楼707 电话：8242174 E-mail: hzyin@sdau.edu.cn

课程简介 9章 电位分析法 1章 绪论 2章 光学分析导论 10章 电解分析和库仑分析法 11章 伏安法和极谱法 3章 紫外-可见光谱法 4章 红外光谱法 12章 色谱分析导论 5章 分子发光分析 13章 气相色谱法 6章 原子发射光谱法 14章 液相色谱法 7章 原子吸收光谱法 15章 核磁共振波谱法 8章 电分析导论 16章 质谱分析法

主要参考数目： 武汉大学 《分析化学》（下） 北京大学 《仪器分析》 北京大学 李克安 《分析化学教程》 汪尔康 《21世纪的分析化学》

第一章 《仪器分析》绪论 本章提要： 分析化学的任务； 仪器分析的发展； 3. 分析化学分类 4. 仪器分析与化学分析的关系 第一章 《仪器分析》绪论 本章提要： 分析化学的任务； 仪器分析的发展； 3. 分析化学分类 4. 仪器分析与化学分析的关系 5. 仪器性能及其表征； 6. 仪器分析校正方法； 7. 仪器分析方法的选择； 8. 如何学习仪器分析？

1. 分析化学是做什么的？ 分析化学是研究物质化学组成的分析方法及其理论的一门学科！这句话可展开为： 1）  What ? 定性分析(qualitative analysis): 测定样品中原子、分子或官能团的信息（种类、相互之间的连接方式和空间排列方式）； 2）How much ? 定量分析(quantitative analysis): 测定各成分的含量。

2 分析化学的发展 十六世纪：天平 第一次：二十世纪初 四大平衡理论 定量分析Classical Analytical Chemistry 第二次： 二十世纪三、四十年代， 二战前后，工业和技术发展的需要和基础，科学技术进步 测量待测物质的一些物化性质：电导、电势、光吸收及发射、荷质比、荧光等并开始应用到定量分析中，出现仪器分析方法 Instrumental Methods of Analysis

第三次： 近代微电子技术的发展，促进了高灵敏、高准确度和高自动化程度仪器的发展，如X-射线分析 第四次： 二十世纪七十年末信息时代的到来，给仪器分析带来了新的发展。信息科学主要是信息的采集和处理。 （1）计算机与分析仪器的结合，出现了分析仪器的智能化，加快了数据处理的速度。 （2）联用分析技术已成为当前仪器分析的重要发展方向。

3. 分析化学分类  经典分析 化学分离：沉淀、萃取、蒸馏等分离方法； 定性方法：加入各种试剂，测量待测物（analyte, target species）的颜色、熔沸点、气 味、光学性质（拆射、反射、衍射等 ）以及在不同溶剂中的溶解特性。 定量方法：重量法、滴定（容量）法

仪器分析 仪器分析是以物质的物理和物理化学性质为基础建立起来的一种分析方法，测定时，常常需要使用比较复杂的仪器。 仪器分析的产生为分析化学带来革命性的变化，仪器分析是分析化学的发展方向

4、仪器分析和化学分析的关系 （1）仪器分析与化学分析的联系 ①仪器分析是在化学分析的基础上发展起来的，其不少原理都涉及到化学分析的基本理论； ②仪器分析离不开化学分析，其不少过程需用到分析化学的理论。

（2）仪器分析与化学分析的区别 化学分析 仪器分析 从原理看 从仪器看 从操作看 从试样看 从应用看 根据化学反应计量关系 根据物质的物理或者物理化学性质、参数及变化规律 从仪器看 简单玻璃仪器 较复杂特殊的仪器 从操作看 多为手工操作、较复杂 多为开动仪器开关、操作简单易自动化 从试样看 试样量多、破坏性分析 样品量少、有的为非破坏性可现场或在线分析 从应用看 常量的定性、定量 微量、痕量的组分分析、状态、结构等分析

（3）仪器分析的特点（与化学分析比较） ①灵敏度高，检出限量可降低 ②效率高：可以一次分析样品中多种元素信息 ③选择性好 ④准确度相对较低5% ⑤一般仪器价格较贵，维修使用成本较高。300MHzNMR约220万元,800MHzNMR价格1000万元人民币 ⑥操作简便，分析速度快，容易实现自动化

⑦满足特殊要求 结构分析 （IR结构分析） 形态和价态分析 （As的不同形态毒性不同） 表面与无损分析 文物的分析 （13C中子活化分析） 金首饰中含金量分析 （ X-rays荧光分析） 遥控和自动分析（火星探测器中带有多种分析装置）

5. 仪器性能及其表征 1）灵敏度（Sensitivity） 反映了仪器或方法识别微小浓度或含量变化的能力，也就是说，当浓度或含量有微小变化时，仪器或方法均可以觉察出来。 影响灵敏度的因素有二： l 校正曲线的斜率； l 分析的重现性或精密度。 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 20 30 40 50 60 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 S S2=k2c+Sblank-2 S1=k1c+Sblank-1 仪器和方法的灵敏度描述 K1 ，k2 分别为两条校正曲线的斜率，即校正灵敏度。但未考虑测定重现性影响！（灵敏度表示被测组分的质量或者浓度改变一个单位时分析信号的变化量） c

因此，有人建议以“分析灵敏度(Analytical Sensitivity)”表示，即   优点：当仪器信号放大时，k 值增加，灵敏度提高； 但此时 s 也相应增加，从而一定程度地保证了 灵敏度恒定； 缺点：s 与浓度有关，即灵敏度随浓度而变化！

2）检测限（Detection limit, DL） 检测限：在已知置信水平，可以检测到的待测物的最 小质量或浓度。它和分析信号（Signal）与 空白信号的波动（噪音, Noise）有关，或者 说与信噪比（S/N）有关。 只有当有用的信号大于噪音信号时，仪器才有可能识别有用信号，如下图所示。

K1=3时，可以认为仪器检出的最小信号值SDL可能性为95% sb 测定次数，n S SDL=Sb +k1 sb 仪器噪音及方法检出限 K1=3时，可以认为仪器检出的最小信号值SDL可能性为95%

检出限如何计算呢？ ①测定空白样品(或浓度接近空白值）20-30次，求其 平均值 Sb 及其标准偏差 sb，则可分辨的最小信号 ②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，即 经统计学的 t 和 F 检验，当k1=3时，大多数情况下，当检测结果的置信度为95%。上式可转换为：

灵敏度与检出限的关系 密切相关－灵敏度越高，检出限值越低 含意不同 灵敏度是组分信号随组分含量变化的大小（与检测器的放大倍数有直接依赖关系） 检出限是定量分析方法可能检测的最低量或者最低浓度（与测定噪声直接相关联，而且具有明确的统计意义）提高测定精密度，降低噪声，可以改善检出限。

3）信噪比（signal-to-noise ratio, S/N） 任何测量值均由两部分组成：信号及噪音。 信号（S）：反映了待测物的信息; 噪音（N）：降低分析的灵敏度。 增加噪音，检测限提高，灵敏度下降。多数情况下，N恒定，与S大小无关。 较小测量信号，测量的相对误差将增加。

当S/N<3时，分析信号将很难测定。

 噪声的来源 化学噪声：分析体系中难以控制的化学因素。 化学反应中温度和压力等参数的变化和波动； 相对湿度导致样品含水量的不同； 粉状固体粒度不均； 光敏材料产生的光密度不均； 实验室烟尘与样品或试剂作用的随机性；等等。 

仪器噪声 仪器的光(电)源、输入(出)转换器、信号处理单元等都是仪器噪声的来源。所用仪器的每个部分都可产生不同类别的噪声。通常将仪器噪声分为4类：  

热噪声（Thermal, or Johnson, noise） 属于白噪音(white noise)，由元器件中电子或电荷受热激发所产生的噪音信号。由于荷电粒子受激的随机性和周期性，因而会导致电荷的不均一，进而使读出的信号发生波动。只有在绝对零度时，该噪音才会消失。   当电阻R，T，则N。(如UV二极管阵列检测器在77K时，其噪音下降一半左右；此外，减少带宽，可降低噪音，但同时也会延长响应时间，并降低测定的可靠性。

散粒噪声（Shot noise） 它是由电子或其它荷电粒子通过界面（如PN结，光电池或真空管的阴阳极之间）时所产生的噪音，亦属白噪音。

 闪变噪声（Flicker noise） 闪变噪声存在十分普遍，其大小与频率成反比，尤其在低频时（<100Hz），其对测定的影响更大。有时也称之为1/f噪声。产生该噪声的机制还不很清楚。采用绕线电阻或金属膜式电阻代替含碳型电阻可显著降低该类噪声。

 环境噪声（Environmental noise） 环境噪声来自于周围环境的各个方面。由于仪器的每个部分都可以看作是一个天线，一种可接收各种辐射的接收器。而环境中存在在大量的电磁辐射：交流电线、收音机、TV台、马达电刷、引擎点火系统等。

消除噪声方法 硬件方法：接地和屏幕、差分放大器、模拟滤 波、频率调制方法、断续放大或切 光器、闭锁装置放大等 软件方法：总体平均、方脉冲平均、数字滤波等 其它方法：噪声数据平滑、谱库比较、谱峰识别 技术

4）动态范围（Dynamic range） 通常的分析方法，其线性动态范围LOL/LOQ至少要达到2个数量级。 CDL LOL LOQ 浓度，c 响 应 信 号 S 4）动态范围（Dynamic range） CDL=检测限；LOQ (limit of quantitation)定量低限, LOQ=10 sblank LOL=limit of linear response, 线性响应高限。 通常的分析方法，其线性动态范围LOL/LOQ至少要达到2个数量级。

5） 选择性 定义：样品基体中其它组份对待测物的干扰程度 在分析中，没有哪种测定不受到诸多因素的干扰，换句话说，分析的过程就是消除或减少干扰对测定影响的过程，也就是提高分析选择性的过程。 通常用选择性系数来反应仪器或方法的选择性，但该应用并不多，只是在ISE分析中用到选择性系数

6. 仪器分析校正方法 校正方法有三： 标准曲线法； 标准加入法； 内标法。 所谓校正(Calibration)，就是将仪器分析产生的各种信号与待测物浓度联系起来的过程。除重量法和库仑法之外，所有仪器分析方法都要进行“校正”。 校正方法有三： 标准曲线法； 标准加入法； 内标法。

1）标准曲线法（Calibration curve，Working curve, Analytical curve）   具体做法分三步： ① 准确配制已知浓度的待测物标准系列溶液: 0(空白)，c1，c2，c3，c4……..； ② 通过仪器分别测量以上各溶液中待测物的响应值 S0，S1，S2，S3，S4……及样品溶液中待测物的响应值Sx； ③ 以响应信号S对浓度c作图得到标准曲线，然后通过测得的Sx从下图中求得cx；或者通过线性回归法获得其线性方程再将Sx代入其方程计算出cx 。

标准曲线法的准确性与两个因素有关：标准物浓度配制的准确性；标准基体与样品基体的一致性。 S4 40 cx 0.0 5 20 浓度，c S S2 S3 S1 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 30 Sx 标准曲线法的准确性与两个因素有关：标准物浓度配制的准确性；标准基体与样品基体的一致性。

2）标准加入法（Standard addition method） 具体做法： ① 将一系列已知量待测物分别加入到几等份的样品中，配制成浓度为(cx+0), (cx+c1), (cx+c2), (cx+c3)…….. 和样品有相同基体的标准系列溶液(加标，spiking)； ② 通过仪器分别测量以上系列溶液的响应值S0，S1，S2，S3，S4……； ③以响应信号S对浓度c作图，再将直线外推与浓度轴相交于一点(下图)，求得样品中待测物浓度cx。 

优点：基体(matrix)相近，或者说基体干扰相同； 缺点：麻烦，适于小数量的样品分析。 cx 0.0 0.2 10 20 30 -10 浓度，c S S2 S3 S4 S1 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2  当样品量很少时，可在一份样品中加标，加一次作一次测量，可得到上述 方法相同的结果；  当觉得上述过程麻烦时，可只加标一次，分别测量样品和加标样品的仪器 响应，再直接通过公式进行计算。 优点：基体(matrix)相近，或者说基体干扰相同； 缺点：麻烦，适于小数量的样品分析。

3） 内标法（Internal standard method） 该法可以说是上述两种校正曲线的改进。可用于克服或减少仪器或方法的不足等引起的随机误差或系统误差。 具体作法： ① 寻找一种物质或内标物，该内标物必须是样品中大量存在的或完全不存在的。然后，在所有样品、标准及空白中加入相同量的上述内标物； ② 分别测量样品及标准中待测物及内标物的响应值，然后以Sx/Si比值对浓度c作图； ③ 按前述校正方法获得cx。

说明： 当待测物与内标物的响应值的波动一致时，其比值可抵消因仪器信号的波动和操作上的不一致所引起的测定误差； 例如：Li可作为血清中K，Na测定的内标物（Li与K，Na性质相似，但在血清中不存在）。 但寻找合适的内标物（与待测物性质相似而且仪器可以识别各自的信号），或重复引入内标物往往有一定的困难，因此，寻找合适内标物是十分费时的。

7、仪器分析方法的选择 现代仪器分析方法迅速发展，应用互相交叉，要正确选择一个分析 方法需要对分析方法及分析对象有一个较好的了解，否则就是盲人骑瞎马，不知可否了 对样品的了解 （1）准确度、精密度要求； （2）可用样品量； （3）待测物浓度范围； （4）可能的干扰； （5）样品的物化性质； （6）多少样品（经济）。

对方法的要求： （1）精密度 绝对偏差，相对偏差，RSD （相对标准偏差—变异系数) （2）准确度 系统误差， 相对误差 （3）灵敏度 校正曲线灵敏度，分析灵敏度 （4）检出限 （S/N=3） （5）浓度范围 定量限于线性检测线 （6）选择性 选择性系数

其它方法学的特性： （1）分析速度； （2）易操作性； （3）操作者熟练程度的要求； （4）仪器成本； （5）每个样品分析的成本； （6）环境代价。

8. 如何学习仪器分析？ （1）掌握方法的基本原理，了解方法可 提供的信息。 （2）了解仪器的结构，方框图。 （3）掌握分析方法、应用和数据处理