仪器分析导论

本图从化学或材料工作者的任务、分析化学、材料分析测试方法、课程教学目的思考出发，梳理了仪器分析法的分类、特点、评价指标等相关知识点。

绪论

• 简介
  • 化学或材料工作者的任务
    • 合成新物质
    • 认识新物质
      • 如何认识？
      • 方法？
  • 分析化学
    • 分析化学是研究物质的化学组成和结构的
    • 任务
      • 定性
      • 定量
  • 材料分析测试方法
    • 用现代实验技术（物理、化学），特别是用近代仪器分析手段，分别从微观层次（结构、组成、分子运动）和宏观角度（力学、加工、热学性能等）研究材料。
    • 是关于材料成分、物相结构、微观形貌和晶体缺陷等的现代分析、检测技术及其有关理论知识的科学。
  • 课程教学目的
    • Why：了解研究材料结构、性能的重要性
    • What：掌握材料结构、性能的测试方法
    • How：了解影响材料测试、分析结果的仪器因素
• 分析化学
  • 化学分析
    • 以物质化学反应为基础的分析方法。
    • 分类
      • 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，测量待测物的颜色、沸熔点、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、容量法
  • 仪器分析
    • 以物质的物理性质和物理化学性质（光、电、热、磁等）为基础的分析方法，这类分析一般需要使用比较、复杂的仪器。
    • 分类
      • 化学分离：色谱技术和毛细管电泳技术开始取代沉淀、萃取、蒸馏等分离方法；
      • 定性定量方法：利用物质原子、分子、离子等的特性，如电导、电位、光吸收和发射、质荷比、荧光等；
  • Characteristics of Instrumental Analyses 与化学分析比较
    • ●Higher sensitivity, detection limit down to lower level
    • ● Higher selectivity
    • ● Simpler operation, faster assay & easy of automation
    • ● Poorer relative error
    • ● More expensive apparatus
• 分类
  • 按测量原理和信号特点
    • 光学分析法
      • 光谱分析法
        • 基于物质对电磁辐射的吸收、发射和散射等作用建立的光学分析法。
      • 非光谱分析法
        • 基于电磁辐射的反射、折射、衍射、干涉或偏振等光学性质的变化所建立的光学分析法。
    • 电分析法
      • 根据被测物质电化学性质及其变化进行分析的一类方法。
      • 电位分析法、电导分析法、电解分析法、库仑分析法 、极谱分析法等
    • 分离分析法
      • 将分离与测定集于一体化仪器的分析方法。
      • 色谱法、电泳法
    • 其它分析法
      • 质谱法
      • 热分析法
      • 放射化学分析法
  • 按分析目的不同分类
    • 组织形貌分析
      • 光学显微分析，扫描电子显微镜，扫描探针显微镜，扫描隧道显微镜和原子力显微镜。
    • 物相分析
      • 利用衍射分析的方法探测晶格类型和晶胞常数，确定物质的相结构。 X射线衍射物相分析,电子衍射及显微分析等.
      • TEM
        • 形貌--结构--成分三位一体分析
    • 成分和价键分析
      • 大部分成分和价键分析手段都是基于核外电子的能级分布反映了原子的特征信息. X射线光谱分析(电子探针仪,能谱仪,波谱仪), X射线光电子能谱分析, 俄歇电子能谱等.
      • 按照出射信号的不同，分为两类，出射信号分别是X射线和电子
        • X光谱
          • X射线荧光光谱(XFS)和电子探计X射线显微分析（EPMA）
        • 电子能谱
          • X射线光电子能谱(XPS)、俄歇电子能谱(AES)、电子能量损失谱(EELS)等
    • 分子结构分析
      • 利用电磁波与分子键或原子核的作用，获得分子结构信息。吸收光谱、振动光谱(傅里叶变换红外光谱, 拉曼光谱)和核磁共振波谱技术等。
    • 化学成分分析
      • 包括元素成分分析和微区成分分析等。光谱、色谱、电泳、热分析、表面分析等方法。
    • 结构分析
      • 包括晶体结构、薄膜结构、表面结构分析等。
    • 其它分析
      • 热分析
        • TG
        • DSC/DTA
        • DMA
      • 力学性能分析
        • 静态力学性能：静态万能材料试验机、专用应力松弛仪、蠕变仪、摆锤冲击机、落球冲击机等。
        • 动态力学性能：动态万能材料试验机、动态粘弹谱仪、高低频疲劳试验机。
      • 热学性能测定
        • 耐热性
          • 指材料在受热条件下仍能保持优良物理机械性能的性能。
          • 表征参数：Tg、Tm
          • DSC/DTA/TMA/DMA
        • 热稳定性
          • 指材料受热发生降解和交联的能力。
          • 表征参数：软化点(Ts)、分解温度(Td)等
          • TG/TMA
        • 导热性
        • 热膨胀性
      • 加工性能/流变性能的表征
        • 表征参数
          • 粘度
          • 粘度和切变速率的关系
          • 剪应力和切变速率的关系等
        • 测试仪器
          • 旋转流变仪
          • 毛细管流变仪
          • 熔融指数测定仪等
  • 材料分析需要弄明白的两个问题及分析思路
    • 外部形貌
      • 人眼
        • 0.1 mm
      • 显微放大技术
        • 光学显微镜
        • 电子显微镜
        • 探针显微镜
    • 内部结构
      • 晶体
        • 衍射技术
          • X射线
          • 电子
          • 中子
      • 非晶体
        • 从部分到整体
          • 元素、成键分析
          • 碎片结构分析
    • 材料分析测试的思路
      • 从宏观到微观形貌（借助显微放大技术）
      • 从外部到内在结构（借助X射线衍射技术）
      • 从片段到整体（借助红外，紫外，核磁，X射线光谱，光电子能谱等）
• 仪器分析的过程
  • 物质→取得物质的物理或物理化学性质的信息
    • { 分析仪器（硬件）}
    • →进行数学处理→得到物质的组成和结构
      • { 计算机(软件) }
  • 分析仪器基本结构
• 仪器分析的学习方法及重点
  • 仪器
    • 了解基本组成
    • 熟悉特征部件
    • 知晓关键操作
  • 分析
    • 定性 What?
    • 定量 How much ?
    • 分析中产生的误差和干扰
  • 信号
    • 整个仪器分析的过程, 就是信号的发生、检测、处理、分析的过程。
• 定量分析方法评价指标
  • 标准曲线
    • 被测物质的浓度或含量与仪器响应信号的关系曲线
    • 其直线部分所对应的被测物质浓度（含量）的范围称为该方法的线性范围
  • 灵敏度（sensitivity）
    • 物质的单位浓度或单位质量的变化引起响应信号值变化的程度，称为该方法的灵敏度，用S表示
    • 实质上，灵敏度也就是标准曲线的斜率，其斜率越大，方法的灵敏度越大。
  • 精密度（precision）
    • 精密度是指使用同一方法，对同一试样进行多次测定所得的测量结果的一致程度。
    • 常用测定结果的标准偏差s或相对标准偏差sr量度。
    • 同一分析人员使用同一方法在同一实验室在相同的仪器上对同一样品进行测定所获得的结果称为重复性（repeatability）。
      • 相同条件：人员、方法、仪器、实验室、样品、时间均相同
    • 不同的分析人员使用同一方法在不同实验室不同仪器上对某一样品进行测定所获得的结果的精密度称为再现性（reproducibility）。
      • 不同条件：方法、样品相同、人员、实验室、仪器不同、时间相同或不同
    • 平行性(replicability)：同一实验室，分析人员、分析方法均相同，对同一样品进行的多个平行样品之间的相对标准偏差。
    • 重复性比重现性概念大，应用范围大。 重现性内涵小，一般用在“现象”。 国内常把平行性和重复性混为一谈。
  • 检出限（detection limit）
    • 某一方法在给定的置信水平上可以检出被测物质的最小浓度或质量
    • • 方法的灵敏度越高，精密度越好，检出限就越低。
      • 检出限是方法灵敏度和精密度的综合指标，它是评价仪器性能及其分析方法的主要指标。
  • 准确度（accuracy）
    • 试样含量的测定值与试样的真实值（或标准值）相符合的程度称为准确度。准确度常用相对误差量度。
  • 选择性（selectivity）
    • 某种分析方法测定某种组分时能够避免试样中其他共存组分干扰的能力。
    • 通常表示为在指定的测量准确度下，共存组分的允许量（浓度或质量）与待测组分的量（浓度或质量）的比值。比值越大抗干扰能力越强，选择性越好。与所使用的方法或反应有关。
  • 响应时间和分析效率
    • 响应时间（response time）：指激发信号刺激试样而使仪器检测信号达到总变化量一定百分数所需时间。
    • 分析效率（speediness）：单位时间内能够检测试样个数。
• 分析仪器与方法校正
  • 分类
    • （1）通用分析仪器
      • 依据仪器设计基于的物理或物理化学原理不同而设计的。有光度计、红外吸收光谱仪等。
    • （2）专用分析仪器
      • 不同应用学科领域测定某些特定检测对象或项目而设计的分析仪器。如大气检测仪、超声诊断仪等。
  • 校正
    • 将分析仪器产生的各种响应信号值转变为被测物质的浓度或质量的过程。
    • 包括
      • 特征性能指标校正
        • 使用过程中一般不要轻易进行调整。
        • 对于提供定性、定量和结构特征的重要特征仪器性能参数及灵敏度、检出限等指标，根据需要经常或定期校正和检测。
      • 定量分析方法校正
        • 为建立仪器输出信号与被测物质浓度或质量的定量关系，常用标准曲线法。
        • 根据标准物质不同
          • 外标法
            • 标准物质与待测物质为同一物质
          • 内标法
            • 标准物质与待测物质非同一物质
        • 定量分析方法
          • 标准曲线法
            • 用于新方法的评价和大量试样的常规分析
          • 标准加入法
            • 适用于组成复杂少量试样的分析
          • 单点比较法
            • 适用于方法线性范围内试样的初步测定
• Development Tendency
  • Higher accuracy, sensitivity, selectivity, faster and simpler (更准确、更灵敏、专一、快速、简便)
  • Live organism assay
  • Non-destructive assay
  • Application of computer and stoichiometry,intelligentization of data analysis(信息采集，数据处理的智能化）
  • Multi-apparatus coupling techniques
  • On-line analysis
  • 微型 高效 自动 智能