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1、第第 1 章章 环境与生化环境与生化分析绪论分析绪论 訾言勤訾言勤淮北煤炭师范学院淮北煤炭师范学院 12三字经三字经天不学天不学,不成器;不成器;人不学人不学,不知义;不知义;3周易周易系辞系辞就强调就强调“富有之谓之大业富有之谓之大业,日新之谓之盛德。日新之谓之盛德。”易易所强调的所强调的,生生不息生生不息,自强不息自强不息,就就是自主创新是自主创新,不断创新。不断创新。41.21世纪需要分析化学世纪需要分析化学分析化学不是单纯一门学科,应该是一门多学科融合在一起的综合性的科学。如今分析化学迈进入了一个新的时代分析科学的时代。将在21世纪重点发展学科:生命科学、环境科学、材料科学和能源科学研
2、究中,在解决人口、粮食、能源、健康和环境危机中发挥重要的作用。521世纪为什么需要分析化学世纪为什么需要分析化学分析化学面临生命科学、材料科学、环境科学、空间科学分析化学面临生命科学、材料科学、环境科学、空间科学等学科的挑战。面对复杂的分析对象,分析化学不断吸收等学科的挑战。面对复杂的分析对象,分析化学不断吸收各学科的新原理、新方法和新技术,发现和发明新的分析各学科的新原理、新方法和新技术,发现和发明新的分析仪器和分析方法,满足各学科研究和应用的需求。仪器和分析方法,满足各学科研究和应用的需求。分析化学是科学中的中心科学,仪器分析是分析化学发展分析化学是科学中的中心科学,仪器分析是分析化学发展
3、的主要方向,作用是表征物质的化学组成的主要方向,作用是表征物质的化学组成,结构和组分的结构和组分的含量,利用物质所有性质获取物质随着时间、空间分辨率含量,利用物质所有性质获取物质随着时间、空间分辨率的多维分析数据,提供实际生产的多维分析数据,提供实际生产,科研课题所需要的有用科研课题所需要的有用信息,成为生产和科研中实际问题的解决者。信息,成为生产和科研中实际问题的解决者。6分析化学在自然与化学学科中地位分析化学在自然与化学学科中地位7分析化学与社会和其它分析化学与社会和其它科学技术领域的关系科学技术领域的关系 分析化学在社会和自然科学中分析化学在社会和自然科学中8分析化学资源资源能源能源人口
4、人口环境环境 粮食粮食 化学四大理论:天体、地球、生命、人类起源和演化四大理论:天体、地球、生命、人类起源和演化四大理论:天体、地球、生命、人类起源和演化四大理论:天体、地球、生命、人类起源和演化 解决人类社会五大危机的需要解决人类社会五大危机的需要9俄国化学家门捷列夫指出俄国化学家门捷列夫指出“科学是从测科学是从测量开始的量开始的”。诺贝尔奖获得者诺贝尔奖获得者R.R.Ernst说说“现代科现代科学的进步越来越依靠尖端仪器的发展学的进步越来越依靠尖端仪器的发展”。面对复杂的分析对象,分析化学不断吸面对复杂的分析对象,分析化学不断吸收各学科的新原理、新方法和新技术,收各学科的新原理、新方法和新
5、技术,发现和发明新的分析仪器和分析方法,发现和发明新的分析仪器和分析方法,满足各学科研究和应用的需求。满足各学科研究和应用的需求。10分析化学发展为分析科学时代分析化学发展为分析科学时代 分析化学的发展现在正处于新的变革时期分析化学的发展现在正处于新的变革时期生命科学生命科学 环境科学环境科学 材料科学材料科学 激光技术激光技术 光纤技术光纤技术 仿生技术仿生技术 生物技术生物技术 纳米技术纳米技术 芯片技术芯片技术 微电子技术微电子技术 计算机技术计算机技术 分析化学分析化学分分析析科科学学综合性学科综合性学科11仪器分析的发展方向仪器分析的发展方向12仪器分析的特点仪器分析的特点1.1.灵
6、敏度高,检出限低。灵敏度高,检出限低。2.2.选择性好。选择性好。3.3.操作简便操作简便,分析速度快分析速度快,易于实现自动化。易于实现自动化。4.4.相对误差一般较大。相对误差一般较大。5.5.价格一般来说比较昂贵。价格一般来说比较昂贵。13分析仪器是科学仪器的重要组成部分 分析仪器工业是高技术信息产业。分析仪器的发展是现代科学、经济和社会发展的重要基础和推动力之一。分析仪器的主要应用领域正向生物医学领域转移分析仪器本身将不断微型化、智能化但人类向时间和空间的两个极限挑战所需的高级精密仪器也不容忽视生命过程、生产、科研和社会活动大量需要的将是在线、非侵入、非损坏、原位、实时、多维分析仪器。
7、14检测技术的地位和作用检测技术的地位和作用 工业生产工业生产 倍增器倍增器 科学研究科学研究 先行官先行官 社社 会会 物化法官物化法官 军军 事事 战斗力战斗力检测技术的地位和作用检测技术的地位和作用15工业生产倍增器的作用工业生产倍增器的作用检测技术是带动国民经济增长的一个检测技术是带动国民经济增长的一个 关键领域关键领域在美国:检测技术占在美国:检测技术占4%,拉动经济增长,拉动经济增长66%16军事战斗力军事战斗力 1991年海湾战争年海湾战争 精确制导炸弹和导弹占精确制导炸弹和导弹占8%2003年伊拉克战争年伊拉克战争 90%1994年美国防部建立自动测试系统执行局年美国防部建立自
8、动测试系统执行局立体作战立体作战17“物化法官物化法官”检查产品质量检查产品质量 监测环境污染监测环境污染 识别指纹假钞识别指纹假钞 查服违禁药物查服违禁药物 侦破刑事案件侦破刑事案件18历史时代:历史时代:手工化手工化 时代时代机械化机械化 时代时代自动化自动化 时代时代信息化信息化 时代时代生产方式生产方式:人与简人与简单工具单工具动力机动力机与机械与机械自动测自动测量控制量控制智能机智能机械装置械装置一、一、信息化是科学技术发展的必然信息化是科学技术发展的必然19分析仪器对化学与科学的贡献分析仪器对化学与科学的贡献科学发展史也证明,仪器是现代科学发展的基础。科学发展史也证明,仪器是现代科
9、学发展的基础。许多重要的科学分支,特别是分析化学的许多分许多重要的科学分支,特别是分析化学的许多分支学科都是从某项重要的仪器装置的研制成功而支学科都是从某项重要的仪器装置的研制成功而建立和发展的。建立和发展的。例如,极谱仪的发明产生了极谱例如,极谱仪的发明产生了极谱学学;光谱仪的发明产生了光谱学光谱仪的发明产生了光谱学;色谱仪的发明产色谱仪的发明产生了色谱学生了色谱学;质谱仪的发明产生了质谱学等等。质谱仪的发明产生了质谱学等等。分析仪器在化学学科及科学研究中极其重要。它分析仪器在化学学科及科学研究中极其重要。它们已不单纯地应用于分析的目的,而是广泛地应们已不单纯地应用于分析的目的,而是广泛地应
10、用于研究和解决各种化学理论和实际科研问题。用于研究和解决各种化学理论和实际科研问题。近近80年来,与科学仪器密切相关的诺贝尔奖获得年来,与科学仪器密切相关的诺贝尔奖获得者达者达38人人202122二、分析仪器的分类二、分析仪器的分类仪器分析仪器分析电化学分析法电化学分析法光分析法光分析法色谱分析法色谱分析法热分析法热分析法分析仪器联用技术分析仪器联用技术质谱分析法质谱分析法23仪器分析的分类仪器分析的分类1、光化学分析法、光化学分析法基于电磁辐射与物质相互作用产生辐射信号或者对电基于电磁辐射与物质相互作用产生辐射信号或者对电磁辐射信号的吸收进行物质性质、结构和含量测量的磁辐射信号的吸收进行物质
11、性质、结构和含量测量的一类分析方法称光化学分析法。一类分析方法称光化学分析法。分子光谱分子光谱1、可见紫外吸光光度法;可见紫外吸光光度法;2、荧光、磷光和化学发光;、荧光、磷光和化学发光;2、红外吸光光度法;、红外吸光光度法;4、激光拉曼光谱法;、激光拉曼光谱法;X射线射线光谱法;光谱法;5、核磁共振波谱法;、核磁共振波谱法;6、电子能谱法;、电子能谱法;7、电子显微镜和电子探针电子显微镜和电子探针原子光谱原子光谱1、原子吸收光谱法;、原子吸收光谱法;2、原子发射光谱法;、原子发射光谱法;3、原子、原子荧光光谱法;荧光光谱法;4、等离子体光谱法;、等离子体光谱法;5、原子质谱法、原子质谱法24
12、光分析方法光分析方法光分析法光分析法原子吸收法原子吸收法红外法红外法原子发射法原子发射法核磁法核磁法荧光法荧光法紫外可见法紫外可见法分子光谱分子光谱原子光谱原子光谱25光化学分析对化学学科的贡献光化学分析对化学学科的贡献 光化学分析是重要的仪器分析内容,其应用在光化学分析是重要的仪器分析内容,其应用在30以上,在分析化学中具有重要的地位,同时以上,在分析化学中具有重要的地位,同时对化学学科及其它学科具有重要的贡献。对化学学科及其它学科具有重要的贡献。1、1925年年席格蒙迪席格蒙迪(Richard Adolf Zsigmondy)发明发明超显微镜超显微镜,研究金溶胶,为现代胶体化学奠定,研究金
13、溶胶,为现代胶体化学奠定基础,开创人类知识重要的新领域获得诺贝尔奖。基础,开创人类知识重要的新领域获得诺贝尔奖。26光化学分析对化学学科的贡献光化学分析对化学学科的贡献2、1926年年斯韦柏斯韦柏(Theodor Svedberg)利用利用超超显微镜,发明显微镜,发明超离心机超离心机研究胶体的扩散、光吸收和研究胶体的扩散、光吸收和沉积及分子分散体系性质,测定了血红蛋白的分子沉积及分子分散体系性质,测定了血红蛋白的分子量获得诺贝尔奖。量获得诺贝尔奖。3、1927年年维兰德维兰德(Heinrich Otto Wie)从胆中从胆中分离提取胆汁酸分离提取胆汁酸,坚持,坚持20年不懈的努力基本清楚年不懈
14、的努力基本清楚了其结构及与胆酸的关系获得诺贝尔奖。并于了其结构及与胆酸的关系获得诺贝尔奖。并于1932年通过年通过X射线射线的晶体分析修正了的晶体分析修正了胆汁酸结构胆汁酸结构。4、1936年年德拜德拜(Peter Josephus Wilhelmus Debye)用用X射线和电子衍射法射线和电子衍射法测定了许多分子测定了许多分子的偶极矩,阐明了大量无机和有机分子结构,大大的偶极矩,阐明了大量无机和有机分子结构,大大丰富了人类分子结构的知识获得诺贝尔奖。丰富了人类分子结构的知识获得诺贝尔奖。27光化学分析对化学学科的贡献光化学分析对化学学科的贡献5、1943年年赫维西(赫维西(George d
15、e Hevesy)用用放放射性同位素示踪技术射性同位素示踪技术研究铅在植物根、茎、叶不研究铅在植物根、茎、叶不同部位的分布,放射性磷在动物体内的行踪,以同部位的分布,放射性磷在动物体内的行踪,以及铅、铋、铊在动物体内吸收和排出作用获得诺及铅、铋、铊在动物体内吸收和排出作用获得诺贝尔奖。贝尔奖。6、20022002年年J.B.FennJ.B.Fenn(1984-19871984-1987)发明的电喷雾发明的电喷雾电离技术;电离技术;K.TanakaK.Tanaka(1987-19881987-1988)发明的软激发明的软激光解吸电离技术,使质谱方法测定生物大分子的光解吸电离技术,使质谱方法测定生
16、物大分子的分子量超过分子量超过1 1O O5 5DaDa。使质谱的应用迈进了生物大分使质谱的应用迈进了生物大分子的研究领域,是历史性突破,获得诺贝尔化学子的研究领域,是历史性突破,获得诺贝尔化学奖。奖。282 2、电分析化学方法、电分析化学方法电化学分析:利用溶液电化学性质,通过电化学电化学分析:利用溶液电化学性质,通过电化学传感器进行物质性质、结构和含量测量的一类分传感器进行物质性质、结构和含量测量的一类分析方法称电化学分析方法。是一类重要的分析方析方法称电化学分析方法。是一类重要的分析方法。法。29 电分析化学方法电分析化学方法电化学分析法电化学分析法电位分析法电位分析法电解分析法电解分析
17、法电泳分析法电泳分析法库仑分析法库仑分析法极谱与伏安分析法极谱与伏安分析法电导分析法电导分析法301、1903年年阿伦尼乌斯阿伦尼乌斯(Svante August Arrhenius),),用用电导的方法电导的方法研究测得电研究测得电解质在溶液的离解度的一致性,证实电解质在溶液的离解度的一致性,证实电离观点是正确的,以定量、全新的形式离观点是正确的,以定量、全新的形式修正了修正了贝采利乌斯贝采利乌斯的化学亲和力获得诺的化学亲和力获得诺贝尔奖。贝尔奖。电化学分析对化学学科的贡献电化学分析对化学学科的贡献31电化学分析对化学学科及其它学科的贡献电化学分析对化学学科及其它学科的贡献2、1948年年蒂
18、塞利乌斯蒂塞利乌斯(Ame Wilhelm Kaurin Tiselius)研究研究电泳和吸附分析电泳和吸附分析,发明了分发明了分区域电区域电泳法泳法分离分析氨基酸蛋白质,发现血清蛋白的复杂分离分析氨基酸蛋白质,发现血清蛋白的复杂本质,促进免疫学的发展获得诺贝尔奖。本质,促进免疫学的发展获得诺贝尔奖。3、1959年年海洛夫斯基海洛夫斯基(Jaroslav Heyrovsky)因发现和发展因发现和发展极谱方法极谱方法获得诺贝尔奖。获得诺贝尔奖。1922年发年发表极谱分析论文,表极谱分析论文,1925年首台极谱仪问世,灵敏年首台极谱仪问世,灵敏度达十万分之一。度达十万分之一。32 3、色谱分析法
19、色谱分析法:是分离分析方法。是利用不色谱分析法:是分离分析方法。是利用不同物质在流动相和固定相中具有不同的分配系同物质在流动相和固定相中具有不同的分配系数,在两相中相对运动时,进行多次反复分配,数,在两相中相对运动时,进行多次反复分配,达到不同组分分离的目的达到不同组分分离的目的,通过检测器产生信号,通过检测器产生信号,对有机物质进行定性和定量分析的。对有机物质进行定性和定量分析的。33 色谱分析法色谱分析法气相色谱法气相色谱法薄层色谱法薄层色谱法液相色谱法液相色谱法激光色谱法激光色谱法电色谱法电色谱法超临界色谱法超临界色谱法 34色谱分析对化学学科的贡献色谱分析对化学学科的贡献1、1938年
20、年库恩库恩(Richard Kuhn)用用氧氧化铝和碳酸钙色谱柱化铝和碳酸钙色谱柱成功的将胡萝卜素成功的将胡萝卜素分离成分离成a和和两种异构体;研究了维生素两种异构体;研究了维生素A的结构合成了维生素的结构合成了维生素A获得诺贝尔奖。获得诺贝尔奖。35色谱分析法对化学学科及其它学科的贡献色谱分析法对化学学科及其它学科的贡献2、1952年年马丁马丁(Archer john porter Martin)和和辛格辛格(Richard Laurence Millington Synge)因因发明发明分配色谱分配色谱获得诺贝尔奖获得诺贝尔奖,1953年马丁研制首台年马丁研制首台GC。3、1958年年桑格
21、桑格(Frederick Sanger)用用电泳、色电泳、色谱谱等方法逐段分解胰岛素并测定,精确的测得了胰等方法逐段分解胰岛素并测定,精确的测得了胰岛素的结构,是人类第一次精确测定蛋白质的结构岛素的结构,是人类第一次精确测定蛋白质的结构获得诺贝尔奖。获得诺贝尔奖。364、其它仪器分析方法 质谱,质谱,热分析,热分析,放放射分析射分析其他分析法其他分析法质谱分析法质谱分析法联用技术联用技术热分析法热分析法375、仪器分析与其它技术联用、仪器分析与其它技术联用 1、计算机与分析仪器(实现分析过程自动化)、计算机与分析仪器(实现分析过程自动化)2、激光技术与分析仪器(提高仪器灵敏度)、激光技术与分析
22、仪器(提高仪器灵敏度)3、纳米材料与分析仪器(提高仪器性能)、纳米材料与分析仪器(提高仪器性能)4、分离技术与分析仪器(使仪器分辨率灵敏度)、分离技术与分析仪器(使仪器分辨率灵敏度)5、通讯技术与分析仪器(实现仪器遥测技术)、通讯技术与分析仪器(实现仪器遥测技术)联用分析技术已成为当前仪器分析的重要发展方向。将几种方法结合起来,特别是分离方法(如色谱法)和检测方法(红外光谱法、质谱法、核磁共振波谱法、原子吸收光谱法等)的结合,汇集了各自的优点,弥补了各自的不足,可以更好地完成试样的分析任务。38仪器分析联用技术对化学学科及其它学科的贡献仪器分析联用技术对化学学科及其它学科的贡献1、1964年年
23、霍奇金霍奇金(Dorothy Mary Crowfoot Hodgkin)用用X射线衍射技术射线衍射技术测测定晶体结构,定晶体结构,成功的测定成功的测定B12结构并合成了结构并合成了B12获得诺贝尔奖。获得诺贝尔奖。2、1982年年克卢格克卢格(Aaron Klug)发展发展晶体晶体电子显微镜电子显微镜方法并方法并阐明核酸蛋白质复合物阐明核酸蛋白质复合物的结构的结构获得诺贝尔奖。获得诺贝尔奖。39仪器分析联用技术对化学学科及其它学科的贡献仪器分析联用技术对化学学科及其它学科的贡献3、1991年年恩斯特恩斯特(Richard Robert Ernst)因发因发展展高分辨核磁共振波谱高分辨核磁共振
24、波谱学获得诺贝尔奖。学获得诺贝尔奖。对傅里叶对傅里叶变换核磁共振、二维核磁共振和医用核磁共振都有变换核磁共振、二维核磁共振和医用核磁共振都有贡献。贡献。4、1998年年科恩科恩(Walter Kohn)和和波普尔波普尔(John Anthony Pople)发展了电子密度泛函理论,发展了电子密度泛函理论,用计用计算机程序直接计算大分子甚至生物大分子电子结构算机程序直接计算大分子甚至生物大分子电子结构并推广至化学反应途径和过渡态的研究并推广至化学反应途径和过渡态的研究获得诺贝尔获得诺贝尔奖。奖。两人是以数学介入化学。两人是以数学介入化学。40需要比较昂贵的仪器需要比较昂贵的仪器 光化学分析仪器光
25、化学分析仪器0.3150万元;电化学分万元;电化学分析仪器析仪器0.330万元;色谱分析仪器万元;色谱分析仪器1.530万万元;质谱元;质谱60150万元;显微镜万元;显微镜0.5200万元;万元;核磁共振核磁共振50700万元万元.41连续光源原子吸收仪(ContrAA,德国)42连 续 光 源 原 子 吸 收 光 谱 仪 2004 年4 月,德国耶拿分析仪器股份公司(Analytik Jena Analytik Jena AGAG)成功地设计和生产出了连光源(高聚焦短弧氙灯)高聚焦短弧氙灯)原子吸收光谱仪contrAA contrAA,世界第一台商品化连续光源原子吸收诞生了!43多毛细管电
26、泳装置示意图多毛细管电泳装置示意图44三、发展中的分析仪器和应用三、发展中的分析仪器和应用1、进入、进入21世纪,每天约有世纪,每天约有2万种新物质被发现、万种新物质被发现、合成分离和鉴定,其中识别的生物分子序列的数目合成分离和鉴定,其中识别的生物分子序列的数目是合成物种的是合成物种的2倍。因此分析化学的主要任务识别、倍。因此分析化学的主要任务识别、鉴定物种、结构、性质和用途。鉴定物种、结构、性质和用途。2、生命科学研究的进展,需要对多肽、蛋白质、生命科学研究的进展,需要对多肽、蛋白质、核酸等生物大分子进行分析,对生物药物分析,对核酸等生物大分子进行分析,对生物药物分析,对超微量生物活性物质,
27、如单个细胞内神经传递物质超微量生物活性物质,如单个细胞内神经传递物质的分析以及对生物活体进行分析。的分析以及对生物活体进行分析。如基因序列序的如基因序列序的测定是生物学家提出,分析化学家研究分析仪器,测定是生物学家提出,分析化学家研究分析仪器,完成测序工作。完成测序工作。45三、发展中的分析仪器与应用三、发展中的分析仪器与应用 3、仪器分析在流程工业中的应用:、仪器分析在流程工业中的应用:主要有石油工业、主要有石油工业、化学纤维、精细化工、合成塑料、合成橡胶、医药产业、化学纤维、精细化工、合成塑料、合成橡胶、医药产业、冶金工业、污水处理、气体分离和海水淡化等行业。占冶金工业、污水处理、气体分离和海水淡化等行业。占制造业的制造业的46.9,占工业,占工业GDP的的79.69,占整个,占整个GDP的的35.75。使这些流程工业从环境污染转化为环境友。使这些流程工业从环境污染转化为环境友好,从资源浪费到循环经济,到保证产品的质量分析化好,从资源浪费到循环经济,到保证产品的质量分析化学起重要的作用。学起重要的作用。总之分析化学已经发展到分析科学时代,在生命科总之分析化学已经发展到分析科学时代,在生命科学,材料科学,合成化学和生物物种识别中发挥越来越学,材料科学,合成化学和生物物种识别中发挥越来越重要的作用。重要的作用。4647
限制150内