高等分离分析总结 中国科学院大学 研究生课程汇总Word格式.docx
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化学信息学。
1.5仪器分析特点
（1）三高：
高灵敏度、高选择性、高速度；
三微：
微区、微粒、微量。
（2）相对误差较大5%，不适合常量和高含量成分的测定。
（3）需要价格比较昂贵的专用仪器
1.6仪器分析的应用
新化合物的结构表征、反应机理探索
生命科学：
组学研究、DNA测序、临床检验、医学成像
环境科学：
环境监测、环境毒理
材料科学：
新材料表征、结构与性能关系
药物发现：
靶标发现、构效关系研究、药理学
地质科学：
地质年代学、天体年代学、太阳系星云演化、月球形成与演化、地球古环境
社会：
体育（兴奋剂）、生活产品质量（鱼新鲜度、食品添加剂、农药残留量）、环境质量（污染实时检测）、法庭化学（DNA取证，身份确认）
1.7仪器分析的发展趋势
（1）高灵敏度、高通量、低样耗
（2）自动化、数字化、计算机化
（3）微型化、智能化、仿生化
（4）在线、非侵入、无损（微创）
（5）原位、实时、多维
（6）简便、经济、现场
1.8仪器分析的分类
质谱分析法、光学分析法、热分析法、电分析化学法、分离分析法、分析仪器联用技术
（1）光学分析方法分类
紫外可见吸收光谱法、红外吸收光谱法、核磁共振波谱法、荧光光谱法、原子吸收光谱法、原子发射光谱法
（2）电化学分析方法
电导分析法、点解分析法、库伦分析法、电位分析法、电泳分析法、极谱与伏安分析法
（3）分离（色谱）分析法
气相色谱法、液相色谱法、电色谱法、激光色谱法、薄层色谱法、超临界色谱法
（4）其它仪器分析方法
热分析法、质谱分析法、放射分析法、表面分析法、联用技术
1.9分析仪器的基本结构单元
（1）样品系统
分析试样的引进或放置，可包括功能：
试样物理、化学状态改变、成分分离等。
要求：
试样性质不得改变。
（2）能源
提供与被分析物或系统发生作用的探测能源。
类型包括：
电磁辐射、场、电能、机械能、核能等。
（3）信息发生器
转换器：
将非电信号转换成电信号或相反的特殊装置。
如：
光电倍增管、光电二极管、光电池、热敏电阻、热电堆等
传感器：
一类能连续、可逆地监测特殊化学成分的分析装置或器件，能将某些化学成分感应转变成电信号。
玻璃电极、光纤传感器等。
检测器：
通常是一个机械、电或化学装置，在外能作用下，基于检测物质的物理、化学性质产生检测信息或信号，如电信号、发射电磁波、核辐射、电子流、热能、压力、粒子或分子等。
作用：
整个仪器的接收装置，指示或记录物理或化学量，分析物或系统环境中存在的某个变量或它的变化。
如：
质谱仪中的质量分析器。
（4）信息处理单元
功能：
信号或信息接收及处理。
包括：
信号的放大、衰减、相加、差减、积分、微分、数字化、（傅里叶）变换、存储等。
（5）信息显示单元
将电信号或信息转变成人们能直接观察和理解的信息，包括：
表头、记录仪、示波器、显示器、打印机等。
1.10分析仪器的性能指标
（1）精密度
同一分析仪器的同一方法对同一个样品多次测定所得数据的一致程度，是表征随机误差大小的指标，即重现性。
按国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）规定，用相对标准p偏差表示精密度（也记为RSD%，变异系数）:
（2）灵敏度
分析仪器区别具有微小浓度差异分析物能力的度，灵敏度决定于校准曲线的斜率和仪器设备的重现性或精密度，标准曲线斜率越大，方法越灵敏。
根据IUPAC规定，灵敏度用校准灵敏度表示（calibrationsensitivity）：
R=Sc+Sb1
R：
测定的响应信号；
S：
校准灵敏度；
c：
分析物浓度；
Sb1：
仪器本底空白信号
分析灵敏度：
Sa=S/Ss（S，标准曲线斜率，即校准灵敏度；
Ss，测定标准偏差）
（3）检出限
又称检测下限或最低检出量等，定义为一定置信水平下检出分析物或组分的最小量或最小浓度。
Sm=Sbla+ksbl
Sbla，空白信号平均值；
k=3；
sbl，空白信号标准差。
（4）动态范围
定量测定最低浓度（LOQ）扩展到校准曲线偏离线性响应（LOL）的浓度范围–动态范围。
定量测定下限一般取等于10倍空白重复测定标淮差，或10sbl。
（5）选择性和响应速度
选择性是指避免试样中含有其他组分干扰组分测定的能力。
响应速度是指仪器对检测信号的反应速度，定义为仪器达到信号总变化量一定百分数所需的时间。
（6）分辨率
仪器鉴别由两相近组分产生信号的能力。
（7）分析仪器和方法校正
仪器分析中将分析仪器产生的各种响应信号值转变成被测物质的质或量的过程称为校正，一般包括分析仪器的特征性能指标和定量分析方法校正。
仪器分析定量方法校正，即建立仪器输出的测定信号与被分析物质浓度或量的关系。
最普通的方法是用一组含待测组分量不同的标准试样或基准物质配成浓度不同溶液作出校正曲线。
仪器定量方法校正，根据标准物不同，一般可分为外标法和内标法两大类。
外标法的共同点是所使用的标准物质与被测定物是同一物质;
内标法的标准物与被测定物不是同一物质。
第二章分析过程
分析过程：
1）分析方法的选择2）采样3）样品处理4）分析测试5）数据处理,报告结果。
1.正确的抽样方案必须掌握两个基本原则：
（1）随机性原则。
保证总体的各个单位都有入选的机会。
（2）保证实现最大的抽样效果原则。
2.抽样的常见方式：
1）简单随机抽样；
2）等距抽样；
3）分层抽样；
4）多级抽样
3.对于存在形态不一定的散料来讲，为了使样品具有代表性，良好的采样操作有三条原则:
（1）应该从运动中的体系抽取样品，例如粉末物料应该在形成料堆的过程中从运动的物流种采样，而不是形成料堆后再从静止的料堆中采样。
（2）应该切取物流的全部截面，而不是只切取一部分截面。
（3）应该在物流中频繁的切取少量，而不是频繁的切取多量。
4.样品预处理的目的:
（1）浓缩痕量的被测组分，
（2）消除基体及其它组分对测定的干扰，
（3）通过衍生化处理，使有响应，
（4）衍生化还用于改变基体或其他组分的性质，提高它们与被测组分的分离度，改进方法的选择性，
（5）使样品容易保存和运输，
（6）除去对分析系统有害的物质，延长仪器的使用寿命。
5.评价所选择的预处理方法是否合理必须考虑以下因素：
（1）能否最大限度的除去影响测定的干扰物质，
（2）被测组分的回收率是否高，
（3）操作是否简便，
（4）成本是否低廉，
（5）对人体及生态环境是否有影响。
6.用于样品前处理的经典物理方法主要包括：
蒸馏、柱色谱、重结晶、萃取、过滤、干燥、离心等。
（1）蒸馏：
它是根据物质相对挥发度的不同加以分离的。
根据操作方式不同，蒸馏可分为以下几种：
常压蒸馏、减压蒸馏、蒸汽蒸馏、共沸蒸馏、萃取蒸馏、升华。
（2）萃取：
萃取是指被测物质从液体或固体样品中转移到另一种与样品不相溶的溶剂中的过程。
液液萃取按操作不同分为间歇式、连续式和逆流三种。
（3）重结晶：
是一种从溶液中析出固体的过程。
重结晶过程中溶剂的选择十分重要，合适的溶剂必须符合以下条件：
1）重结晶的物质在高温与低温下的饱和溶解度必须有明显的差别，2）易使重结晶的物质形成晶体，3）溶剂本身容易被除去，4）不与晶体发生化学反应，5）易挥发而不可燃。
（4）分级固化及区域熔融：
晶体中杂质的存在会破坏晶格的完整性，从而降低分子或离子之间的能量，所以含有杂质的晶体，其熔点往往比晶体低，而且杂质越多，熔点越低，此时若把一部分熔融态物质逐渐冷却，首先凝固形成晶体析出的往往是含杂质最少的物质。
根据这一原理而建立的分级固化技术常用于具有一定纯度物质的精制。
（5）过滤：
过滤是一种从溶液中分离出固体物质的方法，如沉淀物与溶液、晶体与母液的分离。
（6）离心：
离心也是从液体中分离固体的常用方法之一。
（7）膜技术：
膜分离技术以膜为介质，可以分为1）微孔膜。
与滤纸相似，孔径在10~1000埃之间，用于分离大小差别较大的颗粒与分子，2）离子交换膜。
其多孔的表面有可交换的离子基团，其分离机理与孔径、表面离子电荷性质及密度有关，3）均相膜。
组成均一，分离是基于分子在膜中扩散速率的不同，也与浓度有关。
7.用于样品前处理的经典化学方法：
（1）络合
（2）沉淀（3）衍生
8.经典样品预处理方法的局限性:
（1）劳动强度大，许多操作要重复多次进行。
（2）时间周期长，通常处理一个稍微复杂的样品少则1~2小时，多则几天。
（3）手工操作居多，样品容易损失，重复性差，引入误差的机会多。
（4）对复杂的样品需要多种方法配合，操作步骤多，各步骤间的转移也多，样品损失引入误差的机遇也增加。
（5）难以符合快速分析和在线质量控制的要求。
（6）多数方法需大量溶剂，如重结晶、蒸馏、液体萃取等。
9.样品预处理的新方法和新技术
样品预处理的新方法可以分为脱机处理与联机处理两大类。
具体可分为：
超临界流体萃取、液膜萃取法、固相萃取法、微波溶出法、固相微萃取法。
（1）超临界流体萃取：
与通常液-液或液-固萃取一样，超临界流体萃取也是在两相之间进行的一种萃取方法，所不同的是萃取剂不是液体，而是超临界流体。
超临界流体是介于汽相与液相之间的一种既非气态又非液态的物质，这种物质只能在物质的温度和压力超过其临界点时才能存在。
萃取剂的选择随萃取对象的不同而改变.优点：
1）缩短处理时间1~2个数量级2）避免使用大量溶剂3）与其它仪器分析方法联用，避免样品转移损失，减少人为误差。
（2）固相萃取法：
固相萃取法是近年来发展很快的样品前处理技术之一，它的基本原理上与液相色谱分离过程相仿，根据被萃取组分与样品基质及其它成分在固定相填料上作用力强弱的不同而使它们分离，它不仅用于除去干扰或对分析测定有害的物质，而且可以使组分分级，达到浓缩和纯化的作用。
缺点：
柱径窄，增大流速受限制；
较脏样品易堵塞；
颗粒间隙降低分离浓缩效率等。
新一代固相萃取装置采用膜过滤片。
固相萃取在环境样品预处理中的应用主要是对水样的处理。
（3）液膜萃取法：
液膜萃取的基本原理是由浸透了与水互不相溶的有机溶剂的多孔聚四氟乙烯薄膜把水溶液上分隔成两相萃取相与被萃取相，（与流动的样品水溶液系统相连的相为被萃取相，静止不动的为萃取相）。
样品水溶液中的离子流入被萃取相与其中加入的某些试剂形成中性分子（处于活化态），这种中性分子通过扩散溶入吸附在多孔聚四氟乙烯上的有机液膜中，再进一步扩散进入萃取相。
一旦进入萃取相，中性分子受萃取相中化学条件的影响又分解为离子（处于非活化态）无法再返回液膜中去。
其净结果是使被萃取相中的离子通过液膜进入萃取相中。
由上述机理可知，在液膜萃取中，被萃取的物质在流动相的水溶液中只有转化活化态（即中性分子）才能进入有机液膜，否则无法扩散到萃取相中。
控制这种转化因素的途径有：
1）改变被萃取相与萃取相的化学环境，如调节水溶液的PH值就可以把各种pk值不同的物质有选择地萃取出来。
2）改变聚四氟乙烯隔膜中有机液体极性的大小，从而提高对极性不同物质的萃取效率。
优点：
1）使用有机溶剂少2）操作易自动化，萃取相与被萃取相之比可达到1：
1000；
而传统的液液萃取达到1：
50都很困难。
与透析的不同：
1）前者可以富集2）透析主要用于分离分子大小不同的物质，而液膜萃取不仅用于分离分子大小不同的物质，而且可以选择性的分离特定物质。
（4）微波溶出法：
微波技术用在样品制备中是近年来发展起来的。
它是利用微波为能量，进行样品处理的，它可以用于样品的溶解、干燥、灰化、及浸取等方面。
以往微波制备样品主要用于无机分析，自80年代末期开始，已逐步扩展到有机分析。
微波溶出法主要适用于固体或半固体样品。
样品制备的整个过程包括：
1﹚粉碎2）与溶剂混合3）微波辐射4）分离
与传统的样品处理技术（如索氏抽提、超声萃取）相比，微波萃取的主要特点是快速，而且有利于萃取热不稳定的物质，可以避免长时间的高温引起样品分解，有助于被萃物质从样品基体上解吸，故特别适用于快速处理大量的样品。
（5）固相微萃取法：
固相微萃取与固相萃取完全不同，它用裸露的熔融石英光导纤维或其表面经有机固定相处理后作为固相吸附剂（类似色谱的固定相）。
当它浸在水或其它样品溶液中时，溶液中的有机物经扩散被吸附在石英光导纤维表面或有机固定相内，吸附平衡后，将光导纤维转移到气相色谱入口处，经加热或其它方法使吸附物质脱附，随载气流入色谱柱进行分离与测定。
由于被萃取的组分在石英光导纤维表面的吸附量与它在在原始样品中的浓度存在一定的线性关系，因此从分析结果得到的光导纤维表面的吸附量就能换算出被萃取的组分在原始样品中的浓度。
所以它是一种完全无溶剂的样品处理技术。
提高被测物质萃取率的方法有：
1）使用不同的有机固定相或改变固定相的组成，提高被测物的分配系数；
或对光导纤维裸露表面进行物理或化学处理，改变表面结构与性能以提高被测物的吸附系数，增加吸附量。
有机固定相可以是液体或固体，当然不能与样品溶液互溶。
它们分极性与非极性两类，前者适用于萃取亲水性物质，如苯酚类化合物和水溶性农药等；
后者适用于萃取疏水性物质，如石油烃类，芳香族化合物等。
2）增加固定相的厚度。
固定相越厚，其总量也越大，因而萃取的化合物总量也越多。
与其它样品的制备与前处理方法相比，固相微萃取的特点不仅是操作简便，主要在于不需任何溶剂，易于自动化，易联用。
在环境分析，临床分析得到了广泛应用。
10.误差及其表示方法
分类：
1）系统误差：
方法、仪器、试剂、操作引起，可测2）偶然误差：
不可避免，符合统计规律3）过失误差。
表示方法：
准确度、精密度。
11.数字修约规则:
四舍六入五成双，有效数字是指测量时实际能测得的数字有效数字的计算规则:
1）基于误差传递：
加减时，绝对误差传递到结果中，和的绝对误差等于各加数绝对误差之和，差的绝对误差等于被减数与减数绝对误差之差；
2）乘除时，相对误差传递到结果中去、积的相对误差等于各因子相对误差之和。
商的相对误差等于被除数与除数相对误差之差。
12.分析测试方法的标准化与规范化，六个方面的制约：
1）分析方法2）分析测试仪器3）标准试剂4）样品5）实验室环境条件6）容器。
13.标准物质：
标准物质是具有一种或多种良好的特性，可用来校准测量仪器，评价测量方法或确定材料特性的物质。
应具有以下基本特征：
（1）应该是稳定而均匀的物质；
（2）必须具有量值的准确性，该量值是由检定过的精密计量仪器测定的，
经公认的权威机构鉴定过的，具有最高或比较高的测量精密度和准确度，应附有有关检定合格证或有关技术条件；
（3）应能成批生产，用完后可按规定精度重新制备。
（1）验证、评价方法的准确度和精密度；
（2）校准仪器；
（3）作为质指控样品，实现实验室内部质量保证；
（4）保证结果可比性，实验室外部质量保证；
（5）消除基体效应。
第三章光谱分析法导论
1.光学分析方法分类：
分子光谱：
紫外可见吸收光谱法、红外吸收光谱法、核磁共振波谱法
原子光谱：
原子吸收光谱法、原子发射波谱法
荧光光谱法
非光谱分析法：
折光法、旋光法、比浊法、X射线衍射法、电子衍射法等
2.光学分析方法：
基于光辐射与待测物相互作用后发生的某种变化建立起来的一系列分析方法，统称为光分析法。
方法基础-1：
能量作用于待测物质后产生光辐射，该能量形式可以是光辐射和其他辐射能量形式，也可以是声、电、磁或热等能量形式；
方法基础-2：
光辐射作用于待测物质后发生某种变化，这种变化可以是待测物质物理化学特性的改变，也可以是光辐射光学特性的改变。
三个主要过程：
（1）能源提供能量
（2）能量与被测物质相互作用
（3）产生被检测的信号–光辐射信号–或电磁辐射信号
3.电磁辐射的性质
光是一种电磁辐射，电磁辐射是一种以极大的速度（在真空中为2.998×
1010cm/s）通过空间,不需要以任何物质作为传播媒介的能量。
电磁辐射具有波粒二相性。
（1）电磁辐射的波动性
电磁辐射具有波动性，电磁辐射可以在空间进行传播，传播速率等于光速c，
λυ=cυ：
Hz，s-1
σ=1/λσ：
cm-1；
λ：
cm
σ=104/λσ：
μm
电磁辐射具有波粒二相性，微观来上看，由光子组成，具有粒子性，宏观上看表现出波动性。
（2）电磁辐射的微粒性
电磁辐射的微粒性表现为电磁辐射的能量不是均匀连续分布在它传播的空间，而是集中在辐射产生的微粒上。
因此，电磁辐射不仅具有广泛的波长（或频率、能量）分布，而且由于电磁辐射波长和频率的不同而具有不同的能量和动量。
通常用eV表示电磁辐射的能量，1eV为一个电子通过1V电压降时所具有的能量。
E=hυ=hc/λ
p（电磁辐射动量）=hυ/c=h/λ
光的吸收、发射和光电效应都是电磁辐射微粒性的现实表现
（3）电磁波谱
将电磁辐射按其波长（或频率、能量）顺序排列，即为电磁波谱。
因此，电磁辐射不仅具有广泛的波长（或频率、能量）分布，而且由于电磁辐射波长和频率的不同而具有不同的能量和动量
与不同量子跃迁对应的电磁辐射具有不同的波长（或频率、能量）区域，而且产生的机理也不相同。
通常以一种量子跃迁为基础可以建立一种电磁波谱方法，不同的量子跃迁对应不同的波谱方法（光谱分析方法）。
（4）电磁辐射与物质的相互作用
吸收
当电磁波作用于固体、液体和气体物质时，若电磁波的能量正好等于物质某两个能级（如第一激发态和基态）之间的能量差时，电磁辐射就可能被物质所吸收，电磁辐射能（或光能）被转移到组成物质的原子或分子上，原子或分子从较低能态吸收电磁辐射而被激发到较高能态或激发态。
吸收–原子吸收：
当电磁辐射作用于气态自由原子时,电磁辐射将被原子所吸收。
原子外层电子任意两能级之间的能量差所对应的频率基本上处于紫外或可见光区，气态自由原子主要吸收紫外或可见电磁辐射–原子吸收光谱法。
电子能级数有限，吸收的特征频率也有限。
原子通常处于基态，由基态向更高能级的跃迁具有较高的概率。
在现有的检测技术条件下，通常只有少数几个非常确定的频率被吸收，表现为原子中的基态电子吸收特定频率的电磁辐射后，跃迁到第一激发态、第二激发态或第三激发态等.
吸收–分子吸收：
当电磁辐射作用于分子时，电磁辐射也将被分子所吸收。
分子除外层电子能级外，每个电子能级还存在振动能级，每个振动能级还存在转动能级，因此分子吸收光谱较原子吸收光谱要复杂得多。
分子的任意两能级之间的能量差所对应的频率基本上处于紫外、可见和红外光区-紫外-可见吸收光谱和红外吸收光谱。
分子振动能级相同但转动能级不同的两个能级之间的能量差很小，由同一能级跃迁到该振动能级相同但转动能级不同的两个跃迁的能量差也很小，因此对应的吸收频率或波长很接近，通常的检测系统很难分辨出来，而分子能量相近的振动能级又很多，因此，表观上分子吸收的量子特性表现不出来，而表现为对特定波长段的电磁辐射的吸收，光谱上表现为连续光谱。
分子的总能量Ｅ分子通常包括三个部分：
E分子＝Ｅ电子＋Ｅ振动＋Ｅ转动
吸收–磁场诱导吸收：
将某些元素原子放入磁场，其电子和核受到强磁场的作用后，其具有磁性质的简并能级发生分裂，产生具有微小能量差的不同量子化的能级，进而可以吸收低频率的电磁辐射。
以自旋量子数为1/2的常见原子核1H、13C、19F及31P为例，自旋量子数为1/2的能级实际上是磁量子
数分别为+1/2和-1/2，但自旋量子数均为1/2的两个能级的简并能级。
这两个能级在通常情况下能量相同，只有在外磁场作用下，由于不同磁量子数的能级在磁场中取向不同，因而与磁场的相互作用也不同，最终导致能级的分裂。
磁场诱导产生的不同能级间的能量差很小，对于原子核，一般吸收30~500MHz（λ=1000~60cm）的射频无线电波;
对于电子而言，其吸收频率为9500MHz（λ=3cm）左右的微波，据此分别建立了核磁共振波谱法（NMR）和电子自旋共振波谱法（ESR）。
发射
当原子、分子和离子等处于较高能态时，可以以光子形式释放多余的能量而回到较低能态，产生电磁辐射，这一过程叫做发射跃迁。
发射–原子发射：
当气态自由原子处于激发态时，将发射电磁波而回到基态，所发射的电磁波处于紫外或可见光区。
通常采用的电、热或激光的形式使样品原子化并激发原子，一般将原子激发到以第一激发态为主的有限的几个激发态，致使原子发射具有限的特征频率辐射，即特定原子只发射少数几个具有特征频率的电磁波–原子发射光谱法。
发射–辐射驰豫和非辐射弛豫：
通过光激发而处于高能态的原子和分子的寿命很短，它们一般通过不同的弛豫过程返回到基态，这些弛豫过程分为辐射弛豫和非辐射弛豫。
辐射弛豫通过分子发射电磁波的形式释放能量，而非辐射弛豫通过其他形式释放能量。
折射与反射：
当光作用于两种物质的界面时，将发生折射和反射现象–折射法、旋光法（圆二色性法）、比浊法。
干涉与衍射–电磁辐射波动性的表现：
当频率相同、振动相同、相位相等或相差保持恒定的波源所发射的相干波互相叠加时，会产生波的干涉现象。
干涉现象：
两列或几列光波在空间相遇时相互叠加，在某些区域始终加强，在另一些区域则始终削弱，形成稳定的强弱分布的现象。
光的衍射：
光在传播过程中，遇到障碍物或小孔时，光将偏离直线传播的途径而绕到障碍物后面传播的现象，叫光的衍射（Diffractionoflight）–X射线衍射法、电子衍射法（透射电子显微镜）
光经过圆形口径后成像，由于光的衍射效应，并不会汇聚成绝对的点，而是形成明暗相间，距离不等的同心圆光斑，即AiryDisc（爱里斑）。
光的衍射极限（DiffractionLi
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