仪器分析的综述

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1、仪器分析的综述简介仪器分析是指采用比较复杂或特殊的仪器设备，通过测量物质的某些物理 或物理性质的参数及其变化来获取物质的化学组成、成分含量及化学结构 等信息的一类方法。仪器分析与化学分析(chemical analysis)是分析化学 (analytical chemistry)的两个分析方法。仪器分析的分析对象一般是半微量(0.01-0.1g)、微量(0.1-10mg)、超 微量(0.1g)组分的分析，准确度高。仪器分析大致可以分为：电化学分析法、核磁共振波谱法、原子发射 光谱法、气相色谱法、原子吸收光谱法、高效液相色谱法、紫外-可见光谱法、质谱分析法、红外光谱法、其它仪器分析法等。基本特点

2、1、灵敏度高：大多数仪器分析法适用于微量、痕量分析。例如，原子吸收分光光度法测定某些元素的绝对灵敏度可达1014g。电子光谱甚至可达 10 -18g o2、取样量少：化学分析法需用101104g ；仪器分析试样常在 10-2 108g。3、在低浓度下的分析准确度较高：含量在10-5%10-9%范围内的杂质 测定，相对误差低达1%10%。4、 快速：例如，发射光谱分析法在1min内可同时测定水中48个元素， 灵敏度可达ng? 1级。5、可进行无损分析：有时可在不破坏试样的情况下进行测定，适于考 古、文物等特殊领域的分析。有的方法还能进行表面或微区分析，或试样 可回收。6、能进行多信息或特殊功能的

3、分析：有时可同时作定性、定量分析， 有时可同时测定材料的组分比和原子的价态。放射性分析法还可作痕量杂 质分析。7、专一性强：例如，用单晶X衍射仪可专测晶体结构；用离子选择性 电极可测指定离子的浓度等。8、便于遥测、遥控、自动化：可作即时、在线分析控制生产过程、环 境自动监测与控制。9、操作较简便：省去了繁多化学操作过程。随自动化、程序化程度的 提高操作将更趋于简化。10、仪器设备较复杂，价格较昂贵。（编者注：因乘法幕次不好显示，编为：“，即101为10的负一次方，以下类同）分析方法发射光谱法：依据物质被激发发光而形成的光谱来分析其化学成分。 使用不同的激发源而有不同名称的光谱法。如用高频电感耦

4、合等离子体 （ICP）作激发源，称高频电感耦合等离子体发射光谱法；如用激光作光源， 称激光探针显微分析。原子吸收光谱法：基于待测元素的特征光谱，被蒸发中待测元素的气 态原子所吸收，而测量谱线强度减弱 程度（吸收度）求出样品中待测元素含量。 应用较广的有火焰原子吸收法和非火焰原子吸收法，后者的灵敏度较前者高45个数量级。原子荧光分光光度法：通过测量待测元素的原子蒸气在辐射能激发下所产生的荧 光发射强度来测定待测元素。红外吸收光谱法：主要用于鉴定有机化合物的组成，确定化学基因及定量分析， 近年来已用于无机化合物。紫外可见分光光度法：适用于低含量组分测定，还可以进行多组分混合物的分析。 利用催化反应

5、可大大提高该法的灵敏度。荧光分光光度法：对某些元素具有较高的灵敏度和选择性。红外傅里叶变换光谱法：光信号以干涉图形式输入计算机进行傅里叶变换的数学 处理，具有信噪比大、灵敏度高等特点。核磁共振波谱法：利用有机分子的质子共振鉴定有机化合物和多组分混合物的组 分以及无机成分的分子结构分析。电子自旋共振法：以磁场对离子、分子或原子所含未成对电子的作用所引起的磁 能级分裂为基础的分析方法。曼光谱法：可测定分子结构，使用可调激光器的曼光谱仪用于微量分析，也可用 于无机物和单晶的结构分析。射线荧光光谱法：具有谱线简单，基体影响小，选择性高，测定范围宽等优点。可对 原子序数大于9的所有元素作无损分析。电子探

6、针微区分析可分析原子序数大于 4的 所有元素，应用于微粒矿物岩石分析，金属材料中元素的分布，各种物相中元素的分 配。发射光谱法电子能谱法：是测定电子结合能的一种方法，它是研究表面化学的有力工具，并可用于除H和He以外任何元素的定性分析。俄歇电子能谱法：应用于分析无机及有机试样的组成，价态及结构，一般为无损 分析。放射化学分析，有中子活化法、光子活化法、带电粒子活化分析法等。穆斯堡尔谱法：所探测的对象是单个的原子核，可用于研究材料中的杂质原子和 空位对材料性能的影响。质谱分析，具有高鉴别及检测能力，可以分析所有元素。火 花源质谱适于测定痕量元素。离子探针微区分析，微区直径约15 On，深度约几十

7、 埃，可进行扫描分析，几乎可分析所有的元素。极谱法：是利用阴极（或阳极）极化变化过程作为依据的一种方法。其特点是灵 敏度高、试液用量少，可测定浓度极小的物质。离子选择性电极法：是一种使用电位法来测量溶液中某一离子活度的指示电极， 能快速、连续、无损地对溶液中的某些离子活度进行选择性地检测。库仑分析法，其中有控制电位库仑分析法和恒电流库仑滴定法。色谱法：是一种分离分析法，利用混合物中各组分在不同的两相中溶解、解析、 吸附、脱附或其他亲和作用性能的差异，而互相分离。按流动相的物态，可分为气相 色谱法和液相色谱法，按固定相使用形式，可分为柱色谱法、纸色谱法和薄层色谱法。重要意义仪器分析自20世纪30

8、年代后期问世以来，不断丰富分析化学的内涵并使分析化 学发生了一系列根本性的变化。随着科技的发展和社会的进步，分析化学将面临更深 刻、更广泛和更激烈的变革。现代分析仪器的更新换代和仪器分析新方法、新技术的 不断创新与应用，是这些变革的重要内容。因此，仪器分析在高等院校分析化学课程 中所处的地位日趋重要。许多地方高校为了使自己培养的人才能从容迎接和面对新世 纪科学技术的挑战，已将仪器分析列为化学等专业学生必修的专业基础课。故编写适 应地方高校有关专业使用的仪器分析教材是教材改革的重要内容之一。2001年，全国新世纪地方高等院校专业系列教材编委会聘请许金生教授主编这 本仪器分析，并同意由全国7所院校

9、中9名长期从事仪器分析教学和科研的教师 参加编写。旨在以教材改革的形式实施教育部颁发的基础教育课程改革（试行）方案，并着眼于地方高等院校的层次特色和分类属性，提供一部内容新颖，适应地方高校本 科人才培养要求，便于教学的仪器分析教材。对基本理论的阐述尽量做到深入浅出，言简意明；在内容的安排上避免繁复的数 学推导，侧重分析方法的理论依据和实际应用；在描述手法上，采用图文并茂的方式， 介绍仪器的基本结构、性能、使用方法及注意事项，并适当简介仪器分析的动态和进 展。仪器分析就是利用能直接或间接地表征物质的各种特性（如物理的、化学的、生 理性质等）的实验现象，通过探头或传感器、放大器、分析转化器等转变成

10、人可直接 感受的已认识的关于物质成分、含量、分布或结构等信息的分析方法。也就是说，仪 器分析是利用各种学科的基本原理，采用电学、光学、精密仪器制造、真空、等先进 技术探知物质化学特性的分析方法。因此仪器分析是体现学科交叉、科学与技术高度 结合的一个综合性极强的科技分支。仪器分析的发展极为迅速，应用前景极为广阔。发展历程概述经过19世纪的发展，到20世纪2030年代，分析化学已基本成熟，它不再是 各种分析方法的简单堆砌，已经从经验上升到了理论认识阶段，建立了分析化学的基 本理论，如分析化学中的滴定曲线、滴定误差、指示剂的作用原理、沉淀的生成和溶 解等基本理论。1-20世纪40年代以后，一方面由于

11、生产和科学技术发展的需要，另一方面由于物理学革命使人们的认识进一步深化，分析化学也发生了革命性的变革，从传 统的化学分析发展为仪器分析。不同分析法现代仪器分析涉及的范围很广，其中常用的有光学分析、电化学分析法和 色谱法。光学分析法是基于人们对物质光谱特性的认识而发展起来的一种 分析测定方法。17世纪牛物将白光分成了光谱以后，科学家对光谱进行了 研究。19世纪前半期，人们已经把某一特征谱线和某种物质联系了起来， 并提出了光谱定性分析的概念。在此基础上，德国化学家本生和物理学家 基尔霍夫合作设计并制造了第一台用于光谱分析的光谱仪，实现了从光谱 学原理到光谱分析的过渡，产生了一种新的分析方法即光谱分

12、析法。19世纪后半期，人们又对光谱定量分析的可能性进行了探讨。1874年，洛克厄通过大量实验得出结论，认为光谱定量分析只能依据光谱线的强弱。到20世纪，用光电量度法测定了光谱线的强度，后来，光电倍增管被应用于光 谱定量分析。与此同时，光谱分析中的另一种方法即利用物质的吸收光谱 的吸收光度法，也得到了发展。电化学分析法是利用物质的电化学性质发展起来的一种分析方法。电重量分析法首先兴起的是电重量分析法。美国化学家吉布斯把电化学反应应用于 分析化学中，用电解法测定铜，后来这种方法被广泛应用于生产中。电重 量分析法存在着耗时长、易氧化等缺点，化学家在研究中把物质的电化学 性质与容量分析法结合起来，发展

13、了一种新方法，这就是电容量分析法。 电容量分析法中发展较早的是电位滴定法，其后，极谱分析法和库仑分析 法也相继发展起来。色谱分析法色谱分析法是基于色谱现象而发展起来的一种分析方法。1906年，俄国植物学家茨维特认识到所谓色谱现象和分离方法有密切联系，而且对分离有重大意义。他用这种方法分离了植物色素，并系统地研究了上百种吸 附剂，奠定了色谱分析法的基础。20世纪30年代，具有离子交换性能的合 成树脂问世，解决了一系列疑难问题，提高了色谱分离技术。由于单纯的 分离意义不大，20世纪50年代，人们开始将分离方法和各种检测系统联接 起来，分离分析同时进行，于是人们设计和制造了大型色谱分析仪。除了 上述

14、的方法以外，现代仪器分析法还有磁共振法、射线分析法、电子能谱 法、质谱法等等。仪器分析仪器分析是根据被测组分的某些物理的或物理化学的特性，如光学的、电 学的性质，进行分析检测的方法，因此，它实际上已经超出了化学分析的 范围和局限，成为生产和科学各个领域的工具。分析化学中的分析是分离和测定的结合，分离和测定是构成分析方法 的两个既相独立又相联系的基本环节。分离是使物质纯化的一种手段，而 纯化的背后是物质的不纯，是物质具有混合性。我们知道，化学家所说的 物质，指的是物质本身，是某种单质或化合物。这里所说的物质本身，意 思是以纯粹的形式存在的物质，没有其他物质混合于其中的物质，也就是 人们通常所说的

15、纯物质。可是，无论是天然存在的还是人工制造的物质， 都不是绝对纯的，绝对纯是达不到的，绝对纯只能在理论中或思想上存在。 因此，在化学分析中，首先遇到的矛盾就是纯与不纯的矛盾。基本途径分离是纯化物质的一种手段。分离一般有两条基本途径：一条是将所 要分析的物质从混合物中提取出来，另一条则是将杂质提取出来。这两条 途径是同一原理的两种不同的实现方式，它们互为正反，互为表里。在分 析化学发展的历史中，产生了许多分离方法。在古代，在酿造业中应用了 蒸馏、结品等分离手段；在近代，产生了各种各样的分离方法，如沉淀分 离、溶剂萃取分离、离子交换分离、电解分离等。分离是有限度的。有些 混合物由于性质非常相似，分

16、离非常困难，如果不分离，共存的组分又互 相干扰。在化学分析中，常常从分离操作中演变出其他方法，如掩蔽方法。在仪器分析的发展史上，试样和试剂有不同的发展形式和内容。在早 期，需要分析的是自然物，如矿石和植物，这些就是试样，而与其发生作 用，从而进行鉴别的主要是火。后来，被分析的是溶液，与之发生变化的 也是溶液，这时，试样和试剂都是溶液。人们最早使用的试剂是一种叫五 倍子的植物浸液，被用于测定矿泉水中的铁。随着实践和认识的发展，大 量植物浸液应用于化学分析之中，形成了天然植物试剂系列。在应用天然 试剂的过程中，人们也在研究如何制备化学试剂。世界上第一个人工制备 的分析化学试剂是黄血盐溶液，由此开创

17、了化学试剂的新领域，拓宽了分 析化学的研究范围。创新变革随着生产、生活和科学的发展，作为被分析的试样，其外延扩大了， 从单一的自然物发展为自然物和人工产物。试样的内涵深化了，要求分 析的内容不再局限于物质的定性组成，还要求分析各组分的含量。与此 同时，试剂的种类越来越多，应用范围也越来越广。一种试样可以用多 种试剂进行分析，一种试剂也可用于分析多种试样，同时还产生了类似 于系统分析中组试剂的一般性试剂。在当代，被分析的试样既有各类混 合物，也有一些纯净的化合物，既要求进行元素分析，还要求进行结构 分析、生物大分子的测定等等。试剂也有很大发展，应用于分析化学的 试剂，有各种物理化学试剂、有机试剂

18、和生化试剂，还研究和制备了一 系列相对于某种分析方法的专用试剂、特效试剂和特殊试剂。在分析过程中，又产生了一种关系，这就是灵敏度和准确度的关系。灵敏 度是被测组分浓度或含量改变一个单位所引起的测量信号的变化。若考虑 分析时存在噪声等因素，灵敏度实际上就是被测组分的最低检出限。准确 度是测量值的可靠程度，实质上是测量值与真值的接近程度，一般用误差 来表示。在分析中，既要求分析方法具有一定的灵敏度，又要求具有一定 的准确度。就具体的分析方法来说，灵敏和准确常常发生矛盾。有的分析 方法有较高的准确度，却不够灵敏；有的分析方法灵敏度较高，但却不够 准确。前者如重量分析法，后者如比色分析法。现代科学技术

19、的发展，要 求高准确度和高灵敏度，现代仪器分析正是适应这种要求而发展起来的。 在分析化学发展的初期，人们只是在实践中掌握了一些简单的分析、检验 方法，当时既没有化学理论，也没有分析方法的理论。随着分析、检验实 践的进步和发展，各种分析和检验方法被应用于生产、生活和科学研究之 中，并对这些方法进行了概括和总结，形成了分析化学理论，分析化学才 真正成为一门科学。在仪器分析的发展中，理论和方法的相互作用，需要中介和桥梁，这 就是技术。理论要起指导作用，要转化为方法，需要特定的仪器、设备和 试剂。而制作和使用仪器或工具，正是通常所说的技术的特点。例如，光 谱学原理早在牛顿时期就已初步形成，到 18世纪

20、已经发展成熟，利用光谱 线特征进行物质的鉴定的思想也已有人提出，但是，直到19世纪中期，才实现了光谱分析。其原因在于，到这个时候，才应用光谱学原理制作出了 可用于分析的光谱仪。技术是实现和实施方法的保证，仪器分析方法尤其 如此。现代仪器分析现代仪器分析应用了现代分析化学的各项新理论、新方法、新技术， 把光谱学、量子学、富里叶变换、微积分、模糊数学、生物学、电子学、 电化学、激光、计算机及软件成功地运用到现代分析的仪器上，研发了原 子光谱（原子吸收光谱、原子发射光谱、原子荧光光谱）、分子光谱（UV、 IR、MS、NMR、Flu）、色谱（GC、LC）、分光光度法、激光光谱法、拉曼 光谱、流动注射分

21、析法、极谱法、离子选择性电板、火焰光度分析等现代 分析仪器，计算机的应用则极大地提高了仪器分析能力，因此现代分析仪 器灵敏度高，选择性好、检出限低、准确性好，在数据处理和显示分析结 果，实现了分析仪器的自动化和样品的连续测定。未来发展趋势现代科学技术的发展、生产的需要和人民生活水平的提高对分析化学 提出了新的要求，为了适应科学发展，仪器分析随之也将出现一下发展趋 势：1. 方法创新 进一步提高仪器分析方法的灵敏度、选择性和准确的。各 种选择性检测技术和多组分同时分析技术等是当前仪器分析研究的重要课 题。2. 分析仪器智能化微机在一起分析法中不仅只运算分析结果，而且可 以储存分析方法和标准数据，

22、控制仪器的全部操作，实现分析操作自动化 和智能化。3. 新型动态分析检测和非破坏性检测 离线的分析检测不能瞬时、直接、 准确地反映生产实际和生命环境的情景实况，布恩那个及时控制生产、生 态和生物过程。运用先进的技术和分析原理，研究并建立有效而使用的实时、在线和高灵敏度、高选择性的新型动态分析检测和非破坏性检测，将 是21世纪仪器分析发展的主流。目前，生物传感器和酶传感器、免疫传感 器、DNA传感器、细胞传感器等不断涌现；纳米传感器的出现也为活体分析 带来了机遇。4. 多种方法的联合使用仪器分析多种方法的联合使用可以使每种方 法的优点得以发挥，每种方法的缺点得以补救。联用分析技术已成为当前 仪器分析的重要发展方向。5. 扩展时空多维信息 随着环境科学、宇宙科学、能源科学、生命科学、 临床化学、生物医学等学科的兴起，现代仪器分析的发展已不局限于将待 测祖坟分离出来进行表征和测量，而且成为一门为物质提供尽可能多的化 学信息的科学。随着人们对客观物质认识的深入，某些过去所不甚熟悉的 领域（如多维、不稳定和边界条件等）也逐渐提到日程上来。采用现代核 磁共振光谱、质谱、红外光谱等分析方法，可提供有机物分子的精细结构、 空间排列构成及瞬态变化等信息，为人们对化学反应历程及生命的认识提 供了重要基础。总之，仪器分析正在向快速、准确、灵敏及适应特殊分析的方向迅速 发展。