Transcript 现代分析技术
两次获得诺贝尔奖的科学家 波兰裔法国女物理学家、化学家居里夫人，因发现放射性物质和发现并 提炼出镭和钋荣获1903年诺贝尔物理学奖和1911年的化学奖。 美国物理学家巴丁因发明世界上第一支晶体管和提出超导微观理论分获 1956和1972年诺贝尔物理学奖。 美国化学家鲍林因为将量子力学应用于化学领域并阐明了化学键的本质、 并致力于核武器的国际控制并发起反对核实验运动而荣获1954年的化学奖 和1962年的和平奖。 英国生物化学家桑格由于发现胰岛素分子结构和确定核酸的碱基排列顺序及 结构而分获1958和1980年的诺贝尔化学奖。 第四讲 本讲相关事件 1833年 盖吕萨克 制定了银量法，开辟了容量分析的新阶段 1859年 本生和基尔霍夫合作制成第一台光谱分析仪，并考察了太 阳光谱 1895年 理查兹改进了重量法，测定了25种元素的原子量，为此荣 获1914年诺贝尔化学奖 1894年 拉姆齐和瑞利发现了氩。此后他们又陆续发现了氪、氖、 氙等元素，为此荣获1904年诺贝尔化学奖和物理奖 1906年 茨维特首先将层析现象用于植物色素的分离 1911年 普雷洛格发明了有机化合物微量分析技术，因此荣获1921 年诺贝尔化学奖 1913年 阿斯顿用改进的气体放电装置分离了氖，证实其同位素 20 Ne和22Ne的存在。1919年研制成功第一台质谱仪，测定了许多 元素的同位素，证实了同位素的普遍存在，因此荣获1922年诺贝 尔化学奖 1916年 里德预言ICP（电感耦合等离子体焰炬）会成为原子发 射光谱的新光源，使古老的光谱分析技术获得了新生 1922年 海洛夫斯基发明了极谱分析法，1925年制成第一台极 谱仪，由此荣获1959年诺贝尔化学奖 1931年 库恩应用色层法将葫萝卜素分离成两种同分异构体。随 后又研究了维生素的离析与结构，由此荣获1938年诺贝尔化学奖 1940年 蒂塞利乌斯应用自己发明的电泳装置成功分离了血清 中蛋白质的三种成分。1942年又发展了吸附色谱法，由此荣获 1948年诺贝尔化学奖 1941年 马丁和辛格提出分配层析法。1944年又发明了纸色谱法， 由此荣获1952年诺贝尔化学奖 1943年 哈塞尔提出有计划和无“构象分析”的原理与方法，成 为立体化学发展的又一里程碑，获1969年诺贝尔化学奖 1946年 奖 巴顿发展了构象分析法，由此与哈塞尔共获1969年化学 1946年 布洛赫和珀塞尔在研究核磁共振中各自独立发展了精密 测量核磁共振的新方法，开创了核磁共振学，并共获1952年诺贝尔 化学奖 1950年 赫茨贝格应用闪光光解法，获得一些自由基的吸收光谱， 由此荣获1971年诺贝尔化学奖 1954年 沃尔什设计制造了第一台原子吸收分光光度计，开创了 原子吸收光谱法 1965年 恩斯特应用傅立叶变换革新了核磁共振法。1975年发展 了二维核磁共振技术，由此荣获1991年诺贝尔化学奖 1991年 张青莲用质谱法测定了铟元素原子量被国际采纳为标准 分析化学：是化学的一个重要分支，它主要研究物质中有哪些元素或基团(定 性分析)；每种成分的数量或物质纯度如何(定量分析)；原子如何联结成分子，以 及在空间如何排列等等。主要任务是鉴定物质的化学组成、结 构和测量有关组分的含量。 玻意耳：认识物质、物质分解 拉瓦锡：元素是化学分析的终点 古代冶炼、酿造等工艺的高度发展，都是与鉴定、分析、制作过程的控制等手 段密切联系在一起的。 在东、西方兴起的炼丹术、炼金术等都可视为分析化学的前驱。 分析化学以化学基本理论和实验技术为基础，并吸收物理、生物、 统计、电子计算机、自动化等方面的知识以充实本身的内容，从而解 决科学、技术所提出的各种分析问题。 ▲ 按性质分类： 定量分析（Quantitative analysis）： 测定各组分的相对含量 定性分析（Qualilative analysis）： 成分分析：鉴定物质中所含有的组分 结构分析： ▲ 按分析对象 无机分析：对象是无机物，要求分析结果以某些元素、离子、化合物 或组分是否存在以及其相对含量多少来表示。 有机分析：对象是有机物，不仅要求元素分析，更重要的 是进行官能 团分析和结构分析 化学分析法（chemical analysis） ▲ 按原理分： 仪器分析法（instrumental analysis） 分析化学分类 从分析化学的发展历史来看，分析化学分为两类：经典分析以及 仪器分析，后者比前者晚100多年！ 经典分析 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（analyte, target species）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、滴定（容量）法 滴定分析（容量分析）：将一种已知浓度的试剂溶液滴加到被 测物质中，根据完成化学反应所消耗的试剂量来确定被测物的物质的量 特点：方便、迅速、准确 适合常量组分测定和大批样品的例行分析 1663年玻意耳报道了用植物色素作酸碱指示剂，这是容量 分析的先驱。 法国盖·吕萨克：1824年他发表漂白粉中有效氯的测定， 用磺化靛青作指示剂。随后他用硫酸滴定草木灰，又用氯化钠 滴定硝酸银。这三项工作分别代表氧化还原滴定法、酸碱滴定 法和沉淀滴定法。络合滴定法创自李比希，他用银滴定氰离子。 德国莫尔：设计的可盛强碱溶液的滴定管至今仍在沿用。 他推荐草酸作碱量法的基准物质，硫酸亚铁铵(也称莫尔盐)作 氧化还原滴定法的基准物质。 光学分析法 比色法 理论依据：朗伯-比耳定律(Lambert-Beer law) 目视比色法：单色光－－分光镜－－有色玻璃滤片 光电比色法： 光谱分析 1825，（英）塔尔博特，研究火焰光谱仪器－－特征谱与元素对应 1854，（美）奥尔特，光谱定性检验 本生，基尔霍夫（德），第一台光谱仪－－系统研究了各种物质的光谱 太阳光谱：Na、H、Ca、Ni等 发现新元素：Cs、Rb、Tl、In、Ga等 拉姆齐：惰性气体 仪器分析 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； 特性 光发射 光吸收 仪器方法 发射光谱（X-射线；紫外可见；电子；Auger） ；荧光；磷光和冷光（X射线；紫外可见） 分光光度法（X-射线；紫外可见；红外） ；声光光谱；核磁共振；电子 自旋共振光谱 浊度法；拉曼光谱 折光分析；干涉法 X-射线和电子衍射光谱 旋光分析；旋光性色散分析；圆振二向色性分析 电位分析 库仑分析 电流分析法；极谱分析 电导分析 薄层色谱；气相色谱；液相色谱；离子色谱…….. 光散射 光折射 光衍射 光偏转 电位 电 荷 电 流 电 阻 色谱分析 电 泳 质量/电荷 重量分析；质谱分析 反应速率 动力学方法 热性质 放射性 说明 光辐射由待测物产生 电磁辐射与待测物作 用后产生的变化 四种电学特性的测量 多组份同时分离分析 四种混合特性 热重分析；差示扫描；差热分析；热导分析 活化分析（如中子活化） ；同位素稀释法 经典分析方法多适于常量分析！尽管此法仍有广泛应用，但随时间的推 移，尤其是随着大量的、新的仪器分析方法的出现，该法将走向没落。 分析技术分类 定性分析法 化学分析法 定量分析法 重量分析法 酸碱滴定法 滴定分析法 络合滴定法 氧化还原滴定法 电化学分析（电位分析、电导分析、极谱法与伏安法） 光化学分析（原子光谱、分子光谱、比色法、光散射测量法） 仪器分析法 色谱分析（气相色谱、液相色谱、电泳法） 质谱分析（同位素、有机、无机质谱分析） 放射分析化学方法（放射分析、活性分析、核磁共振分析、穆斯堡尔谱） 分析手段的突破 有机微量定量分析奠基人是普雷格尔（奥），他曾从胆汁中离析出 一种降解产物，其量尚不足作一次常量碳氢分析。在听了埃米希于 1909年所作有关微量定量分析的讲演并参观其实验室后，他决意将 常量燃烧法改为微量法(样品数毫克)，并获得成功；1917年出版 《有机微量定量分析》一书，并在1923年获诺贝尔化学奖。 特点：测定有机化合物的元素组成、分子量及判定重要基团。 意义：开创了有机元素微量分析的新阶段，样品少、时间短、 推动了天然有机化学的发展，适用于酶、激素、毒素的分析。 物化的发展 三次革命 仪器分析方法的发展（电子、物理学） 计算机及生命科学的发展 常量－－微量 时代发展 组成－－形态 总体－－微区 破坏试样－－无损分析 离线－－在线 分析技术领域的化学奖 1922年 F.W. 阿斯顿 （英国） 发现非放射性元素中的同位素并开 发了质谱仪 1923年 F. 普雷格尔（奥地利） 创立了有机化合物的微量分析法 1925年 R.A. 席格蒙迪（德国） 从事胶体溶液的研究并确立了胶体 化学 1926年 T. 斯韦德贝里（瑞典） 从事胶体化学中分散系统的研究 1943年 G. 赫维西（匈牙利） 利用放射性同位素示踪技术研究化学 和物理变化过程 1948年 A. W. K. 蒂塞留斯（瑞典） 发现电泳技术和吸附色谱法 1952年 A.J.P. 马丁 R.L.M. 辛格（英国） 开发并应用了分配色谱法 1959年 J. 海洛夫斯基（捷克） 提出极谱学理论并发现“极谱法” 1960年 W.F. 利比（美国） 发明了“放射性碳素年代测定法” 1969年 O. 哈塞尔（挪威） 为发展立体化学理论作出贡献 K.H.R. 巴顿（英国） 1970年 L.F. 莱洛伊尔（阿根廷） 1971年 G. 赫兹伯格（加拿大） 1982年 A. 克卢格（英国） 1985年 J.卡尔 1991年 发现糖核苷酸及其在糖合成过程 中 的作用 从事自由基的电子结构和几何学结构 的研究 开发了结晶学的电子衍射法，并从事 核酸蛋白质复合体的立体结构的研究 H.A.豪普特曼（美国） 开发了应用X射线衍射确定物质晶体结 构的直接计算法 R.R. 恩斯特（瑞士） 发明了傅里叶变换核磁共振分光法和 二维核磁共振技术 质 谱 法 质谱分析:是一种物理方法，其基本原理是使试样中各组 分在离子源中 发生电离，生成不同荷质比的带正电荷的离 子，经加速电场的作用，形成离子束，进入质量分析器。在 质量分析器中，再利用电场和磁场使发生相反的速度色散， 将它们分别聚焦而得到质谱图，从而确定其质量。 质谱仪早期主要用于原子量的测定和定量测定某些 复杂碳氢混合物中的各组分等。1960年以后，才开始用于复 杂化合物的鉴定和结构分析。实验证明，质谱法是研究有机 化合物结构的有力工具。 根据质谱图提供的信息可以进行多种有机物及无机 物的定性和定量分析、复杂化合物的结构分析、样品中各种 同位素比的测定及固体表面的结构和组成分析等。 背景：对同位素研究的需求和放电现象、阴极射线等的深入研究 汤姆孙： 阴极射线－－发现电子 阳极射线（维恩）－－Ne、NeH2 20、22？？20.18 阿斯顿：改进装置与实验方法来研究阳极射线 分馏－－扩散－－同位素分离－－原子量测定：20Ne、22Ne 发明质谱仪：离子源、分析器、收集器－－分析同位素（质量、丰度） 应用：Ne的确定－－其他元素＝》所有元素都存在同位素 研究了53个非放射性元素，发现了天然存在的287种核素中的212种 意义：⑴否定了普劳特的原子量是H的整数倍的假说 ⑵证实了所有元素是多种同位素的混合物－元素质量的整数法则 489＝264（稳定）＋225（天然放射性） 1922年诺贝尔化学奖 阿斯顿，F.W. Francis William Aston1877～1945 英国实验化学家、物理学家 在第一次世界大战期间，阿斯顿担任航空工程师。1919年回剑桥 卡文迪什实验室从事研究工作，创制了质谱仪，并用此仪器检查了50 多种元素，证明多数化学元素是几种质量不同但化学性质相同的原子 的集合物；一种元素中不同原子质量的成分称为这元素的同位素。由 于他发现多种非放射性元素的同位素而获得1922年诺贝尔化学奖。 1921－1945年阿斯顿担任卡文迪什实验室的研究员。1925年他对质谱 仪作了新的改进,精密度达1/10000，从而发现了更多的同位素。他的 著作有《同位素》(1922)和《质谱与同位素》(1942)。 质谱仪的基本结构 质谱仪包括进样系统、电离系统、质量分析系统和检测系统。 为了获得离子的良好分析，避免离子损失，凡有样品分子及离 子存在和通过的地方，必须处于真空状态。 12 Agilent7500系列ICP-MS 13 质谱法的发展 离子运动规律： 双聚焦质谱仪 四极矩质谱仪－－有机物分析 离子源：火花－光致电离－场致－激光－表面－X射线－电子轰击 质谱分析： 同位素－测原子量（6） 有机－有机分子鉴别：石油馏分中复杂烃类混合物的分析；有机结构 无机－ 地质、考古、环境、材料等：二次离子质谱仪 (1)各种联用技术。色谱、电泳等分离方法与质谱分析 相结合为复杂混合物的在线分离分析提供了有力的手 段，GC—MS联用技术的应用已得到充分的证明。近年 来把液相色谱、毛细管电泳等高效分离手段与质谱连 接已在分析强极性、低挥发性样品的混合物方面也取 得了进步。 (2)串联质谱等二维质谱分析方法。如果把二台质谱 仪串联起来，把第一台用作分离装置，第二台用作分 析装置，这样不仅能把混合物的分离和分析集积在一 个系统中完成，而且由于把电离过程和断裂过程分离 开来，从而提供多种多样的扫描方式发展二维质谱分 析方法来得到特定的结构信息。 色谱分析法的特点 原理 色谱法体系中的两相作相对运动时，通常其中一个相是固定不 动的，称为固定相；另一相是移动的，称为流动相。在色谱分析过程中， 物质的迁移速度取决于它们与固定相和流动相的相对作用力。溶质和两 相的吸引力是分子间的作用力，包括色散力、诱导效应、场间效应、氢 键力和路易斯酸碱相互作用。对于离子，还有离子间的静电吸引力。随 着移动的反复进行与多次分配，使混合物中的各组分得到分离。 应用：色谱法在化工、石油、生物化学、医药卫生、环境保护、食品检 验、法医检验、农业等各个领域。 色谱法的特点： ①分离效率高。可分离性质十分相近的物质，可将含有上百种组分的复 杂混合物进行分离。 ②分离速度快。几分钟到几十分钟就能完成一次复杂物质的分离操作。 ③灵敏度高。能检测含量在10-12克以下的物质。 ④可进行大规模的纯物质制备。 ◆100年前，俄国的植物学家Tswett一生从事植物色素的提取与分离工作。 他在研究植物叶的色素成分时，将植物叶子的萃取物倒入填有碳酸钙的 直立玻璃管内，然后加入石油醚使其自由流下，结果色素中各组分互相 分离并形成各种不同颜色的谱带(如：图)。这种方法因此得名为色谱法 ◆20世纪40年代至50年代初，先后出现了纸色谱（paper chromatography,PC）和薄膜色谱法(thin-layer chromatography,TLC)。 特点：较经典色谱法简单、分离时间短，样品量要求小。 ◆1952年，James和Martin提出了气相色谱法（gas chromatography,GC) 特点： 以气体作为流动相。应用范围广泛受到人们重视。但对不易气化 和热不稳定性差的化合物难以分离。 ◆ 20世纪60年代后期由于新型色谱柱填料的，高压输液泵和高灵敏度的监 测器的出现，发展出了高效液相色谱（High performance liquid chromatograghy,HPLC）。 早期发展：茨维特 －色层法：1931后显示优势，无缘NOBEL 库恩（Kuhn)：采用纤维状氧化铝和碳酸钙作吸附柱，分离出 胡萝卜素的两种异构体，确定了分子式；确定Va的结构；分离 Vb2，制得晶体，确定结构－－1938化学奖 选择吸附剂 氧化镁、碳酸钙、硅酸镁、硅胶 蒂塞利乌斯：电泳技术及吸附色谱法－1948 斯特兰：电泳层析法 纸上电泳：1948，威兰－－氨基酸与肽类的分离 1950，克里默－－血清蛋白球朊分离为三种 马丁、辛格：分配层析法－－利用液－液萃取的分离技术（1952） 1948年诺贝尔化学奖 蒂塞利乌斯，A.W.K. Tiselius 1902～1971 瑞典生物化学家 蒂塞利乌斯1925年从事胶体溶液中悬浮蛋白质的电泳分离研究。曾自制超速离 心机测定蛋白质分子的大小和形状，并与斯韦德贝里合作发表了第一篇论文，报导 了测定蛋白质淌度的新方法。1930年他进一步改进实验手段和装置，发表了关于色 谱法和吸附的论文。1935年从美国回国后，重新改建原有电泳装置，发展了区带电 泳法，大大提高了效率和分辨率。1940年他用自已设计的新电泳装置成功地分离了 血清中蛋白质的4个组分，分别命名为:白蛋白、α、β、和γ球蛋白。该法迅速应 用于分离和鉴定各种复杂蛋白质及其他天然物质的混合物的组成。 他因对电泳分析和吸附方法的研究，特别是发现了血清蛋白的组分而 获得1948年诺贝尔化学奖。 1952年诺贝尔化学奖 马丁，A•J•P Martin 1910－ 英国分析化学家 马丁和R•L•M•辛格共同发明分配色谱法，用于分离氨基酸混合物中的各 种组分，还用于分离类胡萝卜素。此法操作简便、试样用量少，可用于分 离性质相似的物质以及蛋白质结构的研究，是生物化学和分子生物学的基 本研究方法。由于这一贡献，马丁和辛格共获1952年诺贝尔化学奖。1953 年马丁和A•T•詹姆斯发明气相色谱法，利用不同的吸附物质来分离气体，广 泛用于各种有机化合物的分离和分析。 1952年诺贝尔化学奖 辛格(Synge, Millington,1914～) 英国生物化学家 辛格主要研究把物理化学方法用于蛋白质及有关物质的离析和 分析。与阿切尔.马丁共同发明分配色谱分离法。1952年两人同获诺 贝尔。辛格还对抗菌缩氨酸和较高级植物进行过研究。 分配色谱：是由著名的英国科学家Martin和Synge创立的， 他们因此而获得1952年的诺贝尔化学奖。1941年，Martin和 Synge采用水分饱和的硅胶为固定相，以含有乙醇的氯仿为流 动相分离乙酰基氨基酸，他们在这一工作的论文中预言了用气 体代替液体作为流动相来分离各类化合物的可能性。 液相分配层析法 1944，康斯登－测定22种氨基酸在18种溶剂中的纸上迁移速度 1948，帕特里齐－测定24种糖在各种溶剂中的Ri 1952，布赫－29种有机酸的Ri 色谱法的分类 色谱法目前已成为药材和成药鉴定中不可缺少的常规而有效的 方法，特别是对成分复杂的中药、天然药物，有着分离、分析鉴定 双重的优势。常用的色谱鉴定方法如下： ①薄层色谱法：是中药鉴定中最常用且简便、直观、经济的一种色 谱法，样品点样展开后，可通过斑点的荧光或显色反应直接鉴定比 较，也可通过扫描定性、定量分析，几乎适用于所有的动、植物类 药材的鉴定。最常用的是硅胶薄层色谱法。 ②气相色谱法：适合于挥发性成分或通过衍生化后能够气化的成分 的定性、定量分析，具有灵敏度高、分离效率高等优点，特别是气 相色谱-质谱-计算机联用技术的发展，对于富含挥发油类药材的鉴 别，气相色谱已成为一种首选的方法。不挥发的成分，也可采用裂 解气相色谱或闪蒸气相色谱来进行鉴定。 色谱法的分类 ③高效液相色谱法：具有柱效高、分离度好、重现性好等特点，配以 不同类型的检测器，可对多种中药成分进行分析，尤其适合于具有紫 外吸收的化合物的分析；一般常用于含量测定，但也可根据特征色谱 峰和指纹图谱进行定性分析，特别是三维高效液相色谱（HPLC）的发 展，使定性分析更为方便。 ④纸色谱法：是一种分配色谱，可用于氨基酸、糖类等水溶性成分的 分析。 ⑤凝胶电泳：适合于肽类、核酸、多糖等大分子化合物的分析鉴定。 特别是分子生物学的发展， DNA指纹图谱分析应用于植、动物的鉴定， 与次生代谢产物的分析相比，更能反映物种的内在遗传变异规律。 ③毛细管电泳：是近年发展起来的新的分析技术，它集HPLC与电泳技 术的优点于一身，使中药成分的分析范围更广阔、更灵敏，因为它从 根本上解决了HPLC分析最头痛的柱效问题 HPLC的特点和应用 “三高” “一快” “一广” 高柱效－－n=104片/米，柱效高（远高于一般LC） 高灵敏度 高选择性 分析速度快 应用范围广泛（可分析80%有机化合物） 电化学分析方法： ★建立在溶液的电化学性质上的分析方法 ★分类：⑴不涉及双电层、电极反应－－电导、高频滴定法 ⑵涉及双电层、无电极反应－－通过测表面张力测浓度 ⑶涉及双电层、电极反应－－电位、电解、库仑、极谱、伏安法 电容量分析： ⑴电位滴定－－电位突跃＝》稳定的参比电极：甘汞、标准H、氢 醌、锑、玻璃电极等 ⑵安培滴定－－电流变化 ⑶电导滴定（科斯特）－－电导变化：高频电导（福尔曼、詹森） 极谱分析－海洛夫斯基 电分析方法特点： 1) 分析检测限低； 2) 元素形态分析：如Ce(III)及Ce(IV)分析 3) 产生电信号，可直接测定。仪器简单、便宜； 4) 多数情况可以得到化合物的活度而不只是浓度，如在生理学研 究中，Ca2+或K+的活度大小比其浓度大小更有意义； 5) 可得到许多有用的信息：界面电荷转移的化学计量学和速率； 传质速率；吸附或化学吸附特性；化学反应的速率常数和平衡 常数测定等。 极谱分析法 海洛夫斯基（Heyrovsky，1890—1967）给一个滴汞阴极和一 个汞池形成的阳极加以一个连续增加的负电势。他观察到，如 果与电极接触的溶液含有还原性离子或离子团的话，电流就会 按等级地而不是连续地增加。绘制电流对电压的曲线，电流以 台阶形增加，每一台阶相当于溶液中一种特有类型的正离子。 台阶的高度表明该离子的浓度。由于他的成就，海洛夫斯基被 授予1959年诺贝尔化学奖。 极谱仪可用于测定阳离子，像铬酸根、硝酸根和溴酸根那样 的阴离子以及含有电还原基因的有机化合物。它还可用于物 理化学方面来研究有关溶质的性质和溶液反应的机理。 1925年，海洛夫斯基与正在欧洲留学的日本化学家志方益三日 合作，发明了世界上第一台能自动记录电流-电压曲线的极谱仪。 1926年海洛夫斯基被提升为查理大学物理化学教授，继续研究 极谱学，于1935年推导出极谱波方程；1941年他在极谱仪上配置了 示波器，从而发明了示波极谱法。 海洛夫斯基把毕生贡献给科学事业，在他的实验室内，挂着希 有气体发现者拉姆塞的安慰语：“尝试和失败为进步之母”；还有 牛顿的名言：“人须自择，或从事发明，或终身为发明服务。”这 就是海洛夫斯基一生的志趣。 新方法与新技术： ⑴利用极谱仪在恒电位下用滴汞电极和旋转铂微电极滴定 ⑵1938，米勒：示波极谱法，提高速度，缩短时间 ⑶1950，布雷耶：交流极谱用于分析化学，用于有机物和表面活性分析 ⑷1952，巴克：方波极谱，消除电容电流，提高灵敏度 ⑹60年代后，灵敏度提高：溶出伏安法，催化示波等 优点：⑴灵敏度高，可达10－7－10－9 ⑵相对误差小：＋2％ ⑶不必分离，同测4-5个元素 ⑷样品少 ⑸分析速度快 ⑹活性分析 伦琴(1845－1923) 德国物理学家 1895年发现了X射线，1901年获首次 诺贝尔物理学奖。X射线的发现为诸多科 学领域提供了一种行之有效的研究手段， 对20世纪的物理学以至整个科学技术的 发展产生了巨大而深远的影响。 劳厄(1879－1960) 德国物理 学家。 1912年发现了X射线通过晶体 时产生的衍射现象，从而导 致了X射线衍射技术的诞生， 它成为研究晶体内部结构的 重要技术手段。他因此项成 果于1914年获奖。 早 期 晶 体 X 射 线 衍 射 照 片 意义：⑴证实了X射线是波长很短的电磁波，建立了X射线 光谱学 ⑵证实了经典几何结晶学提出的空间点阵假说 ⑶利用衍射效应研究晶体结构： 方向－大小、形式 强度：分布位置 X射线结构分析 L.布拉格(1890－1971) 英国物理学家 H.布拉格(1862－1942) 英国物理学家 布拉格父子于1913年借助X射线成功地测出金刚石的晶体 结构，并提出了“布拉格公式”，为最终建立现代晶体学打 下了基础，于1915年获奖。当时，小布拉格年仅25岁，是至 今为止最年轻的诺贝尔奖获得者。 布拉格公式 2d sin k (k 0,1,2) X 射线的应用不仅开创了研究晶体结构的新领 域，而且用它可以作光谱分析，在科学研究和工程 技术上有着广泛的应用。 在医学和分子生物学领域也不断有新的突破。 1953年英国的威尔金斯、沃森和克里克利用X 射线的 结构分析得到了遗传基因脱氧核糖核酸（DNA) 的双 螺旋结构，荣获了1962 年度诺贝尔生物和医学奖。 5 发展 ☆发现硫化锌晶体X射线衍射，证明了X射线的波性，促进了近 代结晶化学的发展(德国 冯·劳厄等)。 ☆从X光谱发现原子序数定律，是周期律的一个重要进展， 并从而开始建立了X射线光谱学(英： 摩斯莱)。 ☆发明粉末法照得X射线干涉图来测定晶体结构，后在工业 上得到广泛应用(荷兰 德拜.谢勒)。 ☆发明晶体反射式X射线谱仪，提出X射线反射公式，用于结 晶的结构分析。证实在氯化钠晶体中并没有单个的氯化钠分 子，而仅以钠离子和氯离子的形式存在(英国 布拉格父子)。 ☆发展了精确测量X光波长的技术，从而发现每个元素 X光 谱，支持了波尔的原子壳层模型(瑞士 西格朋)。 X射线在化学中的其他应用 1．区别晶态与非晶态每种晶体具有它自己特征的平面点阵间距 离，因而对一定波长的X射线衍射、并用一定大小的照相片来摄 谱时，每种晶体就具有它自己特征的衍射线（粉未线）， 粉未 线的相对强度也是晶体品种的特征。 2．鉴定晶体品种 3．区别混合物与化合物每种晶体有它自己特征的粉未线 4．物相分析 作物相分析时，定性方面可以决定样品中有几个固相， 每个固相是什么； 定量方面可以根据粉未线的相对强度计算出各物 相的百分数（这种定性的及定量的分析很象光谱分析）。 5.绘制相图在X射线衍射中，一般是以粉未法的结构分析来决定相的界限。 6．其他 测定晶粒的大小，研究固体物理，研究点阵变形等 早期的成就： 粉末法（谢乐与德拜）：适合研究合金 回转法：固定波长，旋转晶体 魏森堡法： 德拜：衍射强度公式 尼格利：衍射谱线的系统消光推导空间群 波恩、哈伯：借热化学循环推导点阵能的实验值 朗德、马德伦：点阵能理论方法 德施密特、鲍林：推算离子半径 结构化学发展 立体化学与构象关系 1969年诺贝尔化学奖 哈塞尔(Hassell,Odd,1897-1981) 挪威化学家 哈塞尔用X射线和电子稍微方法研究结晶结构和分子结构，并 测定电偶极矩。还研究联结6个环的立体化学与分析，由分子给 予体向分子接受体传递电子形成弱络合物的原子排列。1969年， 哈塞尔与英国化学家 巴顿同获诺贝尔化学奖。 1969年诺贝尔化学奖 巴顿,D.H.R. Derek Harold Richard Barton 1918－ 英国有机化学家 巴顿在40年代初当研究生时，就对甾族化合物和萜类化合物感兴趣，并着 手进行结构方面的分析研究。在这期间曾受到哈塞尔发表的论文的启示，为了 弄清分子内各个原子的空间排布位置和相互间作用的关系，他在1945－1949年 间设计了多种有机化合物的分子模型，以表示三度空间的立体图像。经过多年 研究，他阐明了分子的特性与它们的空间构型和构像之间的关系，发展了有机 分子立体化学的结构概念和理论；通过对脂环化合物的深入研究，指出了许多 复杂有机化合物的立体结构，提出了一些甾族化合物的构像。60年代后，他在 合成甾醇类激素方面又取得重要成就，发明了著名的合成醛甾醇的一种简便方 法，后被称为“巴顿式反应”。此外,他还发表了一系列有关合成青霉素和各 种四环素类抗菌素的重要文章。他因测定一些有机物的三维构像所作的贡献而 与哈塞尔共获1969年诺贝尔化学奖。 晶体结构分析的“直接法” 衍射波叠加－－晶体结构分析中所谓“相位问题” 尝试法：先根据已经掌握的线索猜想出一个结构模型，再从这个模型计算出 相应的一组理论衍射强度，然后同实验所犁衍射强度作比较并据此对模型进 行修改。上述步骤须经多次反复，直至理论和实验的衍射强度得以吻合 重原子法是：假定晶体中含有少数原子序较大的原子，即所谓重原子，而 且它们的位置是已知的，这时就可以计算出重原子对相位的贡献并以此代 替由全体原子贡献的相位。在一系列有机物以及蛋白质的晶体结构分析中 作出了关键性的贡献 直接法：由衍射强度的数学式中得到相关的衍射角信息。特别对研究大 分子生物物质如激素、抗生素、蛋白质及新型药物分子结构方面起了重 要推进作用。 80％以上的晶体结构解析都采用直接法 1985年诺贝尔化学奖 豪普特曼，H.A. Herbert Aaron Hauptman1917－ 美国晶体学家 豪普特曼主要从事X射线晶体学中的相角问题和矩阵理论的研究。50年代 以来，豪普特曼和 J.卡尔勒用统计数学方法研究了晶体的衍射数据，发现其 中隐含有相角的信息。他们经过大量的工作，推导出衍射线相角的关系式， 可直接从衍射强度的统计中得到各衍射线相角的信息。这就是晶体学中的直 接法。1950－1955年间，它们用这种方法确定了5－6种分子结构。到了70年 代，借助先进的电子计算机运算，不用假设就能迅速确定分子的化学结构。 他们的成果为探索新的分子结构和化学反应提供了基本方法。他因与卡尔勒 合作,建立测定晶体结构的直接法而共获1985年诺贝尔化学奖。 1985年诺贝尔化学奖 卡尔勒 Karle,Jerome,1918美国物理学家 卡尔勒发明用电子、X射线和核衍射技术排列原子以分析材料基本 结构的方法，局部显微光测方法，以及电子衍射中的衍射光谱术。提 出用X射线衍射中的衍射强度直接解决相问题的背景理论和过程。和 豪普特曼在测定晶体结构的直接方法上取得重大成就，于1985年同获 诺贝尔化学奖。 测定立体结构的其他方法。 电子衍射：1927，戴维孙、杰默 特点：高速电子束作用于原子产生衍射 散射能力是X射线的103倍、强度是106倍 只需10－4－－10－5mm厚晶体 衍射点集中在低角区，易测轻原子位置 适合气体分子结构和薄膜及固体表面的结构 穿透能力弱，必须在真空环境中 中子衍射：没有电荷，因此直接与原子核和原子磁矩作用，相互作用 比起电子和X光要弱很多。 特点：强的穿透能力，可研究厘米量级的块状样品，避免了多重散射，样品的 表面效应可忽略，数据处理变得很简便；中子对不同种类的原子很敏感， 可进行同位素互换(测定H的位置和辨别原子序数相近的原子)、磁场影响 等研究。 晶体结构例子 -Fe -Fe Principle of STM The Positioning of Atoms or Molecules on Surfaces Molecules Manipulation Atomic Manipulation Applications of AFM Drug-induced bending of DNA Applications of AFM DNA molecules being degraded by the enzyme Dnase I 原理：光学分析法是根据物质发射的电磁辐射或电磁辐射与物 质相互作用而建立起来的一类分析化学方法。 电磁辐射包括从射线到无线电波的所有电磁波谱范围(不只 局限于光学光谱区)。电磁辐射与物质相互作用的方式有发射、 吸收、反射、折射、散射、干涉、衍射、偏振等。 光学分析法可分为光谱法和非光谱法两大类。 光谱法是基于物质与辐射能作用时，测量由物质内部发生量子 化的能级之间的跃迁而产生的发射、吸收或散射辐射的波长和 强度进行分析的方法。 光谱法可分为原子光谱法和分子光谱法。 原子光谱法：由原子外层或内层电子 能级的变化产生的，它 的表现形式为线光谱。属于这类分析方法的有原子发射光谱 法（AES）、原子吸收光谱法（AAS），原子荧光光谱法（AFS） 以及X射线荧光光谱法（XFS）等。 分子光谱法：由 分子中电子能级、振动和转动能级 的变化产生 的，表现形式为带光谱。属于这类分析方法的有紫外-可见分光 光度法（UV-Vis），红外光谱法（IR），分子荧光光谱法（MFS） 和分子磷光光谱法（MPS）等。 非光谱法： 是基于物质与辐射相互作用时，测量辐射的某些性质， 如折射、散射、干涉、衍射、偏振等变化的分析方法。 1971年诺贝尔化学奖 赫茨伯格（Herzberg,Gerhard,1904） 加拿大物理学家 赫茨伯格主要从事原子与分子光谱学和分子结构研究。确定了大 量双原子分子与多原子分子结构，许多自由基结构。还成功地把光 谱研究用于鉴别行星大气层、彗鉴于与星际空间某些分子。 他因对原子光谱学特别是自由基电子结构的研究成果，于1971 年获诺贝尔化学奖。 特殊光学分析法NMR|EPR|ESCA 1） 核磁共振波谱分析（NMR），它是利用原子核对射频（波长大于 微波的电磁波）辐射吸收的性质建立起来的分析方法。主要用于有机 化合物的结构分析。 （2） 顺磁共振波谱分析（EPR），它是利用磁场中的电子对微波辐 射的吸收性质建立起来的分析方法，又称电子自旋波谱分析。主要用 于自由基测定等方面。 （3） 电子能谱分析（ESCA），它是利用试样表面原子中被光子轰击、 激发出来的自由电子的能量分布建立起来的分析方法。主要用于无机 和有机化合物的结构分析和固体的表面、薄层分析。 （4） X射线衍射分析，它是利用晶体物质对X射线辐射的衍射（绕射） 性质建立起来的分析方法。主要用于晶体物质的结构的成分分析。 （ （一）同位素稀释分析 赫维西和霍比（R.Hobbie）首先提出同位素稀释分析法。 同位素稀释分析特别适用于某些样品，这些样品所含的被探索物质 的浓度很高，足以进行化学测定。这种分析先将一定量的示踪同位素以 一种适当的化合物形式加到样品中，对样品进行操作使被探索物质以高 纯度的可测形式复原出来。然后对这个被探索物质的产物进行化学测定 和计算。由此所得的量与所加的全部示踪物的量进行比较，分析化学家 就可算出产物的化学产率。 这种技术已有效地用在不能进行定量分离的有机混合物的分析方面 ，比如维生素、抗生素、杀虫剂、除草剂和甾族化合物的分析中。 （二）活化分析 活化分析常用于待测元素的浓度很低，不可能以高纯度的可测 形式进行化学分离的方面。样品用反应器中的热中子照射，随后就 可对活化同位素进行计数。此法既可用于定性分析，也可用于定量 分析。因为通过鉴定半衰期和能量就可检测所含的特定同位素。 活化分析已被用于测定海水的含砷量（2毫克/升），半导体和 生物中的含砷量；分析陨石中的含金、镓、钯和铼的含量（0.1ppm －0.01ppm）；测定高纯物质中的杂质；测定锆中的含铪量，稀土混 合物中的稀土元素（用普通化学方法很困难）和生物中的痕量元素 （比如，关节炎组织中的金）。大约三分之二的元素只要有一微克 或更少一点就可以进行测定。 （三）同位素衍生物分析 典型的有机化合物不适于用活化分析，因为碳、氢、氮和氧 所产生的放射性同位素半衰期太短，不能进行实际分析。而含硫 、卤素或磷的分子在活化中会发生变化，因而也不适于采用这种 分析。使用一种示踪试剂把探索物转变成一种合适的衍生物。然 后除去过量的试剂，接着加入作为载体的一种稳定衍生物，对此 样品进行操作使这种衍生物以纯的形式复原出来。用于分析蛋白 质水解产物方面。 （四）同位素用于测定年代 分析化学发展 分析化学已吸收了大量物理方法、生物学方法、电子学和信息 分析方法的十化：微型化芯片化、仿生化、在线化、实时化 (real time)、原位化(in situ)，在体化(in vivo)、智能化信息化， 高灵敏化，高选择性化，单原子化和单分子化。 单分子光谱、单分 分离和分析方法的连用，合成和分离方法的连用，合成、分离 和分析方法的三连用。 分析化学的发展趋势：灵敏、快速、准确、简便和 自动化；无损伤分析；仪器化、自动化 作 业 题目：诺贝尔奖得主成功的思索 要求： 1. 侧重科学奖方面的得主 2. 选其中的一位或两位都可 3. 侧重成功背后的成长经历、科学精 神 与人格魅力 4. 字数不少于2000字，A4纸打印 5. 请于5月9日上课时交上