第1章 绪论
1.1 引言
1976年7月20日，美国国家航空航天局发射的“海盗1号”火星探测器[图1-1(a)]成功登陆火星，用于探索火星上有无生物以及开展一些科学研究，如生物研究、化学成分分析、火星表面成分分析和大气物理研究等。虽然研究结果显示并未找到有微生物存在的迹象，但这是人类*次将高科技仪器送到火星并开展相关科学研究的活动，有助于进一步了解与地球相邻的星球。2021年5月15日，我国发射的“天问一号”探测器携“祝融号”火星车[图1-1(b)]在火星着陆并开展科学探测任务。“海盗1号”火星探测器携带了气相色谱-质谱仪和X射线荧光光谱仪用于研究火星生命。而“天问一号”携带了13种高科技科学仪器，如火星矿物学光谱仪、火星表面成分检测器等用于研究火星矿物分布、地质结构及水冰分布等。可见，分析仪器是开展科学研究非常重要的设备，而基于这些分析仪器的技术或方法除了在分析化学、生命科学研究中有重要地位和作用外，还在其他领域如化工、环境、材料等领域有广泛的应用。那么，什么是仪器分析？为什么要学习仪器分析？本书将为大家揭开仪器分析的神秘面纱，共同了解其中的奥秘。
图1-1 “海盗1号”和“天问一号”及其携带的科学仪器
1.2 分析化学与仪器分析的发展与现状
分析化学是研究物质组成、含量、结构和形态等化学信息的分析方法及理论的科学，是化学学科的一个重要分支，其发展经历了漫长的过程。在化学还没有成为一门*立学科之前，由于社会生产和生活的需要，人们就已经开始从事分析检验的实践活动了。随着社会商品生产、工业制造和商品交换的不断发展，分析化学从原始的“感官识别”，到1829年德国化学家Heinrich Rose提出的“系统定性无机分析法”[1]，并进一步发展形成了分析化学的定性分析法。分析化学的定量分析法也从早期的重量分析法逐渐发展成集多种定量分析手段的方法。分析化学的发展经历了三次巨大变革。**次变革发生在20世纪初，物理化学热力学平衡理论(滴定分析理论基础)和动力学速率理论(色谱分离理论基础)的发展，为分析技术提供了理论基础，而基于这一理论的沉淀反应、酸碱反应、氧化还原反应及配位反应的四大平衡理论的建立，使分析化学从一门技术发展成分析化学学科，称为**分析化学。第二次变革发生在第二次世界大战前后直到20世纪60年代，物理学特别是光学、电子学、半导体及原子能工业的发展，促进了分析中物理方法和仪器分析方法的大发展。从20世纪70年代末到现在，以计算机应用为主要标志的信息时代的到来给科学技术的发展带来了巨大的活力，分析化学正处于第三次变革时期，并正发展成为一门建立在化学、物理学、数学、计算机科学等学科基础上的综合性学科。
从分析化学的发展历程可知，分析化学包括化学分析和仪器分析两种分析方法。化学分析是根据物质的化学反应及其计量关系来确定样品的组成和含量的一类分析方法，它以化学试剂、天平和玻璃器皿为主要分析工具。仪器分析是在物理学特别是光学、电子学及其仪器制造业等工业发展的基础上逐渐形成并发展起来的。它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化学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分析方法。得益于学科间的相互渗透以及某些领域的重大突破，仪器分析在人类不断攀登科学高峰的过程中扮演着重要角色，许多科学家也因此获得了诺贝尔奖。进入21世纪后，随着计算机、网络信息、大数据、人工智能的快速发展，仪器分析正朝着网络化、信息化、智能化的方向迅速发展。
1.3 仪器分析法的分类
仪器分析法根据其基本原理不同可分为表1-1中所示的五类。
表1-1 仪器分析法的分类
(1) 光学分析法：光学分析法是根据物质发射或吸收的电磁辐射以及电磁辐射与物质相互作用(反射、折射、干涉、衍射和偏振等)为基础而建立起来的分析方法。根据光学测量的信号是否与能级的跃迁有关，光学分析法可分为光谱分析法和非光谱分析法。光谱分析法是通过检测物质内部能级跃迁所产生的光的吸收、发射和拉曼散射等光辐射的波长和强度的变化而进行分析的方法，可分为原子光谱和分子光谱两大类。非光谱分析法是通过测量不含能级跃迁的电磁辐射的某些基本特性(反射、折射、干涉和偏振等)变化而建立起来的一类光学分析法。
(2) 电化学分析法：电化学分析法是以试液和适当电极构成化学电池(电解池或原电池)，根据电池电化学参数(如两电极间的电位差、通过电解池的电流或电量、电解质溶液的电阻等)的强度或变化情况对待测组分进行分析的方法。
(3) 色谱分析法：色谱分析法(简称色谱法)是根据混合物中各组分在固定相和流动相中分配系数的差异实现分离的物理或物理化学分离分析方法。按流动相不同，流动相为液体的色谱法称为液相色谱法，流动相为气相的色谱法称为气相色谱法。按固定相不同，液相色谱法又分为液-液色谱法和液-固色谱法，气相色谱法又分为气-液色谱法和气-固色谱法。色谱法按固定相的存在介质不同分为柱色谱、纸色谱和薄层色谱等分析法；按分离机理不同分为吸附色谱、分配色谱、离子交换色谱和排阻色谱等分析法。
(4) 质谱分析法：质谱分析法是利用电场或磁场将运动的粒子(带电荷的原子、分子或分子碎片等)按其质荷比分离后进行检测的方法。基于质谱法还发展了串联质谱法和质谱联用法。
(5) 其他分析法：除了上述四大分析法外，仪器分析法还包括热分析法和放射化学分析法等。热分析法是在程序控温下记录物质理化性质随温度变化的关系，研究物质受热过程所发生的晶型转化、熔融、蒸发、脱水等物理变化或热分解、氧化等化学变化以及伴随发生的温度、能量或质量改变的方法。该方法包括热重法、差热分析法和差示扫描量热法等，可用于物质成分分析、热力学和化学反应机理等方面的研究。放射化学分析法是指利用适当的方法分离、纯化样品后，通过测定放射性来确定样品中所含放射性物质含量的方法。例如，通过测定天然放射性核素钾-40(半衰期为1.28×109年，丰度为0.111%)的放射性可测定钾的含量；同位素稀释法利用在样品中加入放射性同位素可测定样品中的同位素含量，且克服了复杂混合物体系定量分离、纯化样品的困难，广泛用于生化研究。
1.4 分析仪器的性能指标
评价一种分析方法的指标有很多，如校准*线及其线性范围、选择性、分析效率、多组分同时或连续测定的能力、操作的难易程度、设备及维持费用的高低等。但各种仪器有各自的特点，其性能指标也不尽相同。国际纯粹与应用化学联合会(International Union of Pure and Applied Chemistry，IUPAC)建议只将精密度、准确度和检出限这三个指标作为分析方法的评价指标[2]。需要说明的是，不同类型仪器的性能指标不同，如质谱仪的主要性能指标是分辨率，而色谱的主要性能指标除了检出限外，还有评价柱效能的分离度等。这里仅讨论有关检出限的内容。
1.4.1 灵敏度
根据IUPAC规定[2]，灵敏度是指样品浓度或量的微小变化产生的分析信号的变化。仪器或分析方法的灵敏度用S表示：
(1-1)
灵敏度的实质是校准*线(也称工作*线、标准*线或分析*线等)的斜率(图1-2)，因此也称为校准灵敏度。其中，?X为分析信号变化量；?c为样品浓度变化量。
图1-2中，定量测定下限代表了仪器或分析方法能实际测定的待测组分的*小浓度或质量，线性范围内直线的斜率即为校准灵敏度S。IUPAC**使用校准*线的斜率作为衡量灵敏度S高低的标准。校准*线方程[式(1-2)]一般由一系列已知浓度的标准溶液(以下简称标液)来测定。
图1-2 仪器响应信号与样品浓度的关系、线性动态范围、检出限、测定下限与测定上限
(1-2)
其中，XL为标液中样品的响应信号；c为标液中样品的浓度；Xb为仪器的本底空白信号，是校准*线在纵坐标上的截距；S为校准灵敏度，即校准*线的斜率，它不随浓度的变化而变化。在考虑各次测定精密度时，S作为性能指标可能显示其不足：在精密度相同时，S大的方法更灵敏(浓度的微小变化可引起信号较大变化)；S相等时，精密度好的方法更灵敏；S与精密度均不相同时，方法灵敏度将无法比较，如图1-3所示。
图1-3 仪器和方法的灵敏度与精密度关系的描述
仪器的重现性或精密度是影响仪器的校准灵敏度的因素之一，而它又与仪器测定条件(如仪器检测器的灵敏度与仪器信号的放大倍数)密切相关。随着检测器灵敏度的提高，检测器的噪声也随之增大，而信噪比S/N和分析方法的检出能力不一定会改善和提高，因此若只给出灵敏度，而不给出获得此灵敏度的仪器条件，则各分析方法之间的检测能力就没有可比性。由于灵敏度没有考虑测量噪声的影响，因此现在已不用灵敏度而用检出限来表征分析方法的*大检出能力。
1.4.2 检出限
根据IUPAC定义[2]，检出限(detection limit或limit of detection，DL)是指由特定分析方法能可靠地检出的*小分析信号求得的*低浓度或质量。它有两种表示方式：当检出限以质量表示时，称为绝对检出限；当检出限以浓度表示时，称为相对检出限。需要说明的是，这里的检出并不等同于检测，因为检出是指定性检出，即判定样品中存在浓度高于空白的样品，而检测有定量的含义。因此，检出限仅仅是一种定性判断依据，而不能作为定量的依据。另外，关于将检出限称为检出下限或检出极限的说法并不规范，不宜采用。这是由于检出限的定义中已经包含了*低浓度或*小含量之意，因此不必再添加“下”或“极”作定语了[3]。只有当样品的分析信号大于空白信号随机变化值一定位数K时，样品才被检出。此时，检出限的分析信号接近空白信号，分析信号的标准偏差接近空白信号的标准偏差。*小可鉴别的分析信号至少应等于空白信号平均值与K倍空白信号标准偏差之和，如式(1-3)所示。
(1-3)
其中，为*小可鉴别样品分析信号的平均值；为空白信号的平均值；K为置信因子，一般取3；为空白信号测定无限多次时的标准偏差。这里所说的空白信号不仅包含仪器的噪声信号，而且包括由分析过程中器皿、试剂、制样引入的污染产生的信号。在进行元素光谱分析时，要将分析线波长处的背景信号作为空白来考虑。必须指出，测定方法检出限时，空白信号的标准偏差不是用一份空白测定多次而算得的，而应当用多份空白分别多次平行测定而算得。用单份空白测定的是仪器信号的检测噪声，多份空白才考虑了器皿污染、试剂空白、制样损失等多种因素的波动。实际分析中，和是通过有限测定次数得到的，因此其误差规律不易确定，检出限的误差波动较大。一般认为检出限相差2～3倍以内应认为无显著性差异。由此可知，在检出限附近的测定值，尤其是通过3～5次平行测定给出的有较显著性波动的值，不能作为定量分析的结果。IUPAC规定，和应通过足够多的测定次数求出，一般要测定20次。英国皇家化学学会分析化学分会分析方法委员会建议测定次数不少于10次。K为与置信度相关的常量，IUPAC建议K取3作为检出限计算的标准，其对应的置信度为99.6%，K值进一步增加，难以获得更高置信水平。根据IUPAC定义，检出限可表示为
(1-4)
其中，DL为检出限，代表样品的*低浓度cL或质量QL；S为低浓度区校准*线的斜率，即分析方法的灵敏度。
1.4.3 动态范围
动态范围也称为方法的线性范围或线性动态范围，是指标准*线的直线部分所对应的样品浓度(或含量)的范围，即在限定误差能满足预定要求的前提下，在特定方法的测定下限至测定上限之间的浓度范围。这一范围也就是由定量测定下限(LLD)扩展到标准*线偏离线性响应的浓度范围。通常情况下，将偏离线性5%的偏差时样品浓度(或含量)认为是线性测定上限(ULD)，将重复测定的空白信号的标准偏差的10倍(10)认为是测定下限。对于线性
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