王娟

（武漢松石科技股份有限公司 湖北武漢 430010）

淺論儀器分析方法與分析儀器主要特點(diǎn)及發(fā)展

王娟

（武漢松石科技股份有限公司 湖北武漢 430010）

目前，分析儀器有很多種類，其中包括電化學(xué)儀器、光儀器、質(zhì)譜儀器、色譜儀器、熱儀器、磁儀器、核儀器、物性儀器等分析儀器，并且近年來(lái)新型的分析儀器越來(lái)越多，分析方法也越來(lái)越不相同。分析儀器與方法的發(fā)展非常迅速，不同的分析儀器具有不同的化學(xué)、物理原理，同時(shí)有著不同的儀器性能、特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)以及相應(yīng)的應(yīng)用領(lǐng)域。

分析儀器；儀器特點(diǎn)；發(fā)展?fàn)顩r

1 引言

一般來(lái)說(shuō)，分析化學(xué)與分析儀器的發(fā)展有著密切的聯(lián)系，分析儀器的發(fā)展將會(huì)更加具有仿生化和信息智能化。未來(lái)分析化學(xué)將會(huì)朝著高選擇性、高靈敏度、自動(dòng)、快速、經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)便的發(fā)展方向發(fā)展。而分析儀器要在降低信噪比的同時(shí)，聯(lián)用各類分析儀器，尤其是聯(lián)用檢測(cè)器和分離儀器，如各種分析儀器和色譜儀聯(lián)用，充分結(jié)合前者的識(shí)別功能與后者的分離功能。在我國(guó)現(xiàn)階段以及未來(lái)的發(fā)展過(guò)程中，近紅外光譜化學(xué)計(jì)量軟件、以及它在其他領(lǐng)域的應(yīng)用軟件（包括校準(zhǔn)、建模、數(shù)據(jù)優(yōu)化、評(píng)價(jià)等軟件）的完善和開(kāi)發(fā)也會(huì)迎來(lái)新的關(guān)注和挑戰(zhàn)。

2 原子光譜分析法

2.1 發(fā)射分析法

等離子體光源是新興的原子光譜分析光源，分為微波等離子體、高頻電感耦合等離子體和直流等離子體。其中最早用于原子光譜分析的是直流等離子體，具有霧化器通順、功率低、無(wú)高頻輻射、氬氣用量少的優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)在于：線性范圍窄、精密度差、電極易污染、基體效應(yīng)嚴(yán)重等。ICP具有很多分析特性方面的優(yōu)勢(shì)，例如：工作曲線的線性范圍較寬、被測(cè)元素能做到消除化學(xué)干擾和原子化、可同時(shí)并且快速地進(jìn)行多元素的測(cè)定、信噪比高等。微波等離子體包括誘導(dǎo)微波等離子體和電容耦合微波等離子體，2450MHz是它的常用頻率，具有激發(fā)能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)工作氣體為He時(shí)，它可以測(cè)定幾乎所有元素，包括鹵素在內(nèi)，具有非常好的檢出限。

2.2 吸收光譜法

根據(jù)原子化不同的方法，吸收光譜法可分為石英爐原子化法、石墨爐原子吸收法和火焰原子吸收法，原子化可以在較低的溫度下實(shí)現(xiàn)，包括氫化物原子化、揮發(fā)物原子化和汞蒸氣原子化。背景校正器有塞曼效應(yīng)背景校正器、自吸背景校正器和氘燈背景校正器。這種方法具有檢出限低的優(yōu)點(diǎn)，GFAAS大約在10-10～10-14g之間，F(xiàn)AAS通常在10-6～10-9g/mL之間。如今，原子吸收光譜法在與其他分析技術(shù)聯(lián)用的情況下得到了很大的發(fā)展。通過(guò)流動(dòng)注射的聯(lián)用，使得基體效應(yīng)得以消除，提高了測(cè)量的精密度和靈敏度。通過(guò)氫化物發(fā)生器的聯(lián)用，使測(cè)定Sn、Ge、Sb、Pb、Se、Bi、In、Te、Tl等元素的檢出限得到很大程度的降低。

2.3 熒光光譜法

原子熒光光譜在形態(tài)及其元素分析方面的應(yīng)用非常廣泛，尤其可以與氫化物進(jìn)行結(jié)合，可以很好的測(cè)定鋼鐵合金、生物樣品、地質(zhì)樣品、食品樣品、環(huán)境樣品等樣品中的Sn、Ge、As、Pb、Sb、Bi、Te、Se、Cd和Hg等元素。原子熒光光譜法具有很多優(yōu)點(diǎn)，例如：光譜干擾少、譜線簡(jiǎn)單、可同時(shí)進(jìn)行多元素測(cè)定、檢出限低、校正曲線的線性范圍寬等。但它的缺點(diǎn)在于適用范圍不如AAS和AES廣泛。

3 分子光譜分析法

3.1 可見(jiàn)分光-紫外光度法

在分析儀器的發(fā)展過(guò)程中，在常見(jiàn)的分光光度法基礎(chǔ)上，很多新的分光光度測(cè)量技術(shù)也在近幾年蓬勃發(fā)展起來(lái)，其中雙波長(zhǎng)分光光度法就是一個(gè)很好的新方法，它在消除復(fù)雜試樣的背景散射、渾濁、吸收對(duì)測(cè)定的影響方面具有很好的效果，通常應(yīng)用于分析生物樣品的情況；而膠束增溶分光光度法可以提高測(cè)定靈敏度和選擇性，具有很高的摩爾吸收系數(shù)，通常情況下可以達(dá)到106L（/mol·cm）。導(dǎo)數(shù)分光光度法提高了對(duì)平坦、重疊譜帶的測(cè)定靈敏度與分辨率；示差分光光度法在測(cè)定很濃或很稀溶液時(shí)，具有良好的吸光度精度。多種計(jì)算機(jī)輔助分光光度法隨著化學(xué)計(jì)量學(xué)方法的興起而迅速發(fā)展起來(lái)，如偏多元線性回歸分光光度法、最小二乘法、因子分析等，這些方法優(yōu)點(diǎn)非常明顯，即使譜帶重疊非常嚴(yán)重，也可以直接實(shí)現(xiàn)同時(shí)測(cè)定多組分，而且不用進(jìn)行分離處理。

3.2 紅外光譜吸收法

通常情況下有機(jī)化合物豐富的結(jié)構(gòu)信息都可以通過(guò)紅外光譜體現(xiàn)出來(lái)，其中紅外光譜在鑒定有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)方面是最主要的方法之一。近年來(lái)，各種化學(xué)計(jì)量學(xué)算法與近紅外光譜技術(shù)相結(jié)合，研究成果非常顯著。目前，色散型紅外光譜儀逐漸被傅立葉變換紅外光譜儀所取代，它主要由光學(xué)系統(tǒng)、紅外光源、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、檢測(cè)器與數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)組成。

紅外光譜的應(yīng)用領(lǐng)域在紅外分析技術(shù)的發(fā)展下也不斷的擴(kuò)大起來(lái)。利用傅立葉紅外光譜與熱重分析聯(lián)用，來(lái)研究揮發(fā)性物質(zhì)在物質(zhì)熱變過(guò)程中的熱變機(jī)理。傅立葉變換紅外光譜與氣相色譜聯(lián)用技術(shù)在分析復(fù)雜有機(jī)化合物方面，具有良好的效果，檢出限甚至可以達(dá)到幾十微可級(jí)。顯微鏡與傅立葉變換紅外光譜聯(lián)用已成為一種微區(qū)和微量分析的新技術(shù)。

3.3 光聲光譜法

光聲光譜法的基礎(chǔ)和原理在于光聲效應(yīng)。它具有的優(yōu)點(diǎn)在于：靈敏度高，通常高于普通分光光度法2～3個(gè)數(shù)量級(jí)；應(yīng)用范圍廣，可用于不透明氣體、液體、固體以及薄層樣品分析，特別是還可以對(duì)常規(guī)光譜儀難以分析的高散性或深色不透明的樣品進(jìn)行分析，例如生物活體試樣、深色催化劑、制樣困難的高聚物和橡膠等。當(dāng)檢測(cè)大氣中的氟里昂、六氟化鈾、氯乙烯等污染物的含量時(shí)，具有很好的檢出限。

4 X射線

4.1 射線熒光分析

X射線熒光分析法是對(duì)X射線的熒光強(qiáng)度與波長(zhǎng)進(jìn)行定量和定性分析的方法。X射線熒光法的優(yōu)點(diǎn)十分明顯：可以分析的元素多；檢出限可達(dá)到10-7～10-9g/g，分析靈敏度高；分析過(guò)程易于實(shí)現(xiàn)分析自動(dòng)化；測(cè)定精度高，采用基本參數(shù)分析法可實(shí)現(xiàn)無(wú)標(biāo)分析；測(cè)定的濃度范圍廣，從痕量到常量都可測(cè)定；分析速度快；分析過(guò)程中不破壞試樣，便于無(wú)損分析；缺點(diǎn)在于這種方法的相關(guān)儀器設(shè)備價(jià)格非常高。

4.2 X射線衍射分析

這種分析方法主要用于結(jié)構(gòu)鑒定、結(jié)構(gòu)分析和物相分析。它具有多種多樣的形式，其中研究粉末X射線衍射最常用的儀器就是粉末衍射儀。X射線衍射分析可以方便有效的進(jìn)行定量和定性的檢測(cè)，例如：定量測(cè)定混合物中晶體化合物，定性鑒定晶體化合物。這種方法在物理學(xué)、化學(xué)、礦物學(xué)、生物學(xué)以及材料學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用都十分廣泛。

5 波譜分析

電子順磁共振專指順磁物質(zhì)的電子自旋共振，是電子自旋共振中的一種形式。在外磁場(chǎng)的作用下，過(guò)渡金屬離子、自由基、多重態(tài)分子、晶體中的缺陷、半導(dǎo)體的雜質(zhì)、堿金屬的自由電子等都具有未成對(duì)電子。有凈的相應(yīng)磁矩和電子自旋，以一定的頻率在磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)外界加入與未成對(duì)電子轉(zhuǎn)動(dòng)頻率相同的射頻磁場(chǎng)時(shí)，吸收大量能量的微波會(huì)發(fā)生躍遷，電子自旋共振吸收波譜就是這樣形成的。未配對(duì)電子的濃度與譜線峰面積成正比。

6 質(zhì)譜分析法

質(zhì)譜儀經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，具有很多類型。按質(zhì)量分析器可分為四極桿、扇形場(chǎng)、回旋離子共振、離子阱、飛行時(shí)間等類型的質(zhì)譜儀。按離子來(lái)源的種類進(jìn)行分類，可分為二次離子、耦合電感等離子體、火花源等種類的質(zhì)譜儀。除此之外，不同的質(zhì)譜儀還具有不同的分辨率，當(dāng)分辨率在一萬(wàn)以上時(shí)，質(zhì)譜儀具有較高的分辨能力，例如傅立葉離子變換共振回旋質(zhì)譜儀和聚焦質(zhì)譜儀；當(dāng)質(zhì)譜儀的分辨率低于一萬(wàn)時(shí)，則其分辨率相對(duì)較差，例如不具備靜電反射透鏡的飛行時(shí)間、四極桿、單聚焦等種類的質(zhì)譜儀。質(zhì)譜與氣相色譜聯(lián)用經(jīng)過(guò)多年的研究和發(fā)展，如今已經(jīng)具備非常成熟的理論和技術(shù)手段，電子離子源在質(zhì)譜與氣相色譜的聯(lián)用技術(shù)中的使用非常普遍，分子分離器處于接口處，具有穩(wěn)定的操作條件，測(cè)定得到的譜圖與標(biāo)準(zhǔn)譜庫(kù)相比非常標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于易揮發(fā)、相對(duì)分子量小的有機(jī)化合物的分析具有十分顯著的效果；質(zhì)譜與液相色譜聯(lián)用的發(fā)展和使用則比較晚，通常采用熱噴霧和傳送帶作為接口，主要用于熱不穩(wěn)定、大分子、強(qiáng)極性和難汽化有機(jī)化合物的分析。

7 結(jié)束語(yǔ)

上文簡(jiǎn)要地介紹了各類儀器分析方法的特點(diǎn)和種類以及主要的分析儀器，同時(shí)重點(diǎn)介紹了一些重要的儀器分析方法以及它們的應(yīng)用領(lǐng)域。近年來(lái)我國(guó)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步日新月異，儀器分析方法和分析儀器的發(fā)展具有了良好的空間和條件。由于各類先進(jìn)電子計(jì)算機(jī)技術(shù)和分析儀器的介入，使得人類認(rèn)識(shí)物質(zhì)的手段豐富起來(lái)，從生物科學(xué)的過(guò)程到研究航天工程使用的特種材料，有效的分析方法和分析儀器都在其中扮演了越來(lái)越重要的作用，成為了不可替代的手段。儀器分析方法和分析儀器本身的發(fā)展也代表了當(dāng)今應(yīng)用科學(xué)和基礎(chǔ)科學(xué)研究的顯著成果。充分了解這些成果以及它們的發(fā)展，會(huì)對(duì)今后的日常工作和研究具有指導(dǎo)性的作用。

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2016-8-13