《简明现代仪器分析实用教程》是编者根据多年的教学经验，吸收了部分高等农业院校教学改革和科学研究成果，并结合现代仪器分析最新发展趋势和高等学校相关专业教学需要精心编写而成。
《简明现代仪器分析实用教程》共16章，分为光分析篇、电化学分析篇和色谱分析篇三大部分，重点介绍原子吸收光谱法、紫外-可见吸收光谱法、红外吸收光谱法、分子发光分析法、核磁共振波谱法、电位分析法、极谱分析法、气相色谱分析法和高效液相色谱分析法等常用仪器分析方法的基本原理、仪器结构、实验技术应用等，并在每一大类分析方法后，单独编排了部分相关学生实验操作练习内容，更加突出课程的理论性和实用性。
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《简明现代仪器分析实用教程/全国农林院校实验系列教材》：
第1章 绪 论
1.1 仪器分析概述
分析化学是物质化学表征与测量的科学，也是研究分析方法的科学。它可向人们提供物质的结构信息和化学组成、含量等信息。分析化学包括化学分析和仪器分析两大部分。
仪器分析是测量物质的某些物理或物理化学性质为基础，探求这些性质在分析过程中所产生的分析信号与被分析物质组成的内在关系和规律，进而对其进行定性、定量、形态和结构分析的一类测定方法；或者说，仪器分析是指那些采用比较复杂或特殊的仪器，通过测量表征物质的某些物理的或物理化学的性质参数及其变化规律来确定物质的化学组成、状态及结构的方法。
仪器分析与化学分析之间并不是相互独立的，而是相互联系的。这是因为仪器分析是在化学分析的基础上发展起来的，其不少原理都涉及化学分析的基本理论；此外仪器分析离不开化学分析，其不少分析过程需应用到化学分析的理论。二者主要区别见表1.1。
表1.1 仪器分析与化学分析的区别
与化学分析相比较，大多数仪器分析方法相对误差较大，准确度不高，一般不适合常量和高含量组分的分析；同时，现代化的分析仪器价格较高，有的很昂贵，仪器的工作条件要求也较高。
1.2 仪器分析发展简史
1. 仪器分析的发展过程 仪器分析是分析化学的组成部分，分析化学的发展经历了三个发展阶段，仪器分析也同样经历了三次巨大的变革。
第一次变革：16世纪，天平的出现，使分析化学具有了科学内涵。20世纪初，依据溶液理论中四大反应的平衡理论，分析化学引入了物理化学的理论，形成了分析化学的理论基础。分析化学从单纯的操作技术变成为一门学科，这是分析化学的第一次变革。
第二次变革：20世纪中期（40年代后），由于科学技术的进步，特别是一些重大的科学发现和发展，分析化学由化学分析发展到仪器分析，并逐渐产生了一些现代的仪器分析新方法，新技术，为仪器分析学科的建立和发展奠定基础。
第三次变革：20世纪70年代末以来，以计算机广泛应用为标志的信息时代的到来，给科学技术发展带来巨大的推动力，促使仪器分析进入以计算机应用为标志的第三次变革。
2. 仪器分析的发展趋势 目前，仪器分析正进入一个在新领域中广泛应用的时期。它不但在工业、农业、轻工业等领域的应用越来越广泛，而且现代生命科学、环境科学等飞速发展的学科也越来越离不开仪器分析。仪器分析不但为它们提供了物质的组成，而且还提供了精细的结构与功能之间的关系，探索现象的本质。仪器分析正越来越受到重视，并向微观状态分析、痕量无损分析、活体动态分析、分子水平分析、远程遥测分析、对技术综合联用分析、自动化高速分析等方向发展。仪器联用技术的发展也已成为当今仪器分析的重要发展方向。多种现代分析技术的联用、优化组合，使各自的优点得到充分发挥，缺点予以克服，展现了仪器分析在各自领域的巨大生命力。
随着科学技术的发展、各种学科的相互渗透，仪器分析中新方法、新技术将会不断出现，它必将为人类认识自然、利用自然、更好的与自然和睦相处做出更大贡献。
1.3 仪器分析的分类
仪器分析是测量物质某些物理或物理化学性质的参数来确定其化学组成、含量或结构的分析方法。在最终测量过程中，利用物质的这些性质获得定性、定量、结构以及解决实际问题的信息。仪器分析分四类：光学分析法、电化学分析法、色谱法和其他分析方法。
1. 光学分析 光学分析法是基于能量作用于物质后产生电磁辐射信号或电磁辐射与物质相互作用后产生辐射信号的变化而建立起来的一类分析方法，是一种物理方法，分为光谱法和非光谱法。
（1）光谱法：以物质与辐射（或能量）相互作用后，引起辐射波长或辐射强度的变化进行分析的方法。
（2）非光谱法：不以辐射的波长作为特征信号，而仅仅是以测量辐射的某些基本性质的变化来进行分析的方法。如反射、折射、干涉、偏振等。
2. 电化学分析法 电化学分析法是利用样品溶液在电极上的电化学性质及其变化规律进行分析的方法，是一种物理化学方法。所研究的电化学性质有电压、电导、电流、电量等电化学参数。电化学分析法具体包括电导分析、电位分析法、电解和库仑分析法、极谱和伏安法等。
3. 色谱分析 色谱分析是利用混合物中各组分在互不相溶的两相（固定相和流动相）中吸附能力、分配系数或其他亲合作用的差异而建立的分离、测定方法，是一种分离分析方法。
4. 其他分析方法 如质谱分析法、热分析法、电泳以及其他方法。
表1.2列出了仪器分析的类型、测量的重要参数（或有关性质）及相应仪器分析方法。
表1.2 仪器分析分类
续表
1.4 分析仪器的组成
仪器分析测定时使用各种类型的分析仪器。分析仪器自动化程度越高，仪器越复杂。然而不管分析仪器如何复杂，一般它们均由信号发生器、检测器、信号处理器和读出装置四个基本部分组成。实例见表1.3。
表1.3 分析仪器的基本组成
信号发生器使样品产生信号，它可以是样品本身，对于pH计信号就是溶液中的氢离子活度，而对于紫外-可见分光光度计，信号发生器除样品外，还有钨灯或氢灯等。
检测器（传感器）是将某种类型的信号变换成可测定的电信号的器件，是实现非电量电测不可缺少的部分。检测器分为电流源、电压源和可变阻抗检测器三种。紫外-可见分光光度计中的光电倍增管是将光信号变换成电流的器件；电位分析法中的离子选择电极是将物质的浓度变换成电极电位的器件等。
信号处理器将微弱的电信号用电子元件组成的电路加以放大，便于读出装置指示或记录信号。读出装置将信号处理器放大的信号显示出来，其形式有表头、数字显示器、记录仪、打印机、荧光屏或用计算机处理等。
一名分析工作者必须掌握仪器分析的原理和应用，只有这样才能懂得仪器分析各方法的适用性、灵敏度和准确度，才能在解决某个具体问题的许多途径中作出合理的选择，提高分析问题和解决问题的能力。
第一部分 光 分 析 篇
第2章 光分析法导论
【教学目标】
1. 掌握各种光分析法的内容和分类。
2. 理解物质与电磁辐射相互作用的性质。
3. 掌握光学分析仪器的基本构成单元及其作用。
2.1 概述
光分析法是基于能量作用于物质后产生电磁辐射信号，或电磁辐射与物质相互作用后产生辐射信号的变化而建立起来的一类分析方法。通常光分析法包括三个基本组成部分：能源提供能量并与待测物质相互作用的信号发生系统；色散系统（光谱法）；信号检测与处理系统。随着新材料、新器件、新技术的不断出现，光分析仪器及光分析法得到了迅猛发展。现在光分析法已越来越广泛地应用于物理、化学、生物等领域，成为仪器分析方法中的主要组成部分。光分析法可分为光谱法和非光谱法两大类。
1. 光谱法 光谱法是基于辐射能与物质相互作用时，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而进行分析的方法。因为光谱是由于物质的原子或分子的特定能级的跃迁所产生的，所以根据其特征光谱的波长可进行定性分析；而光谱的强度与物质的含量有关，可进行定量分析。
依据辐射作用的物质对象不同或物质与辐射相互作用的性质不同，光谱法可有两分类方式。依据辐射作用物质对象不同，光谱法分为原子光谱和分子光谱两大类。依据物质与辐射相互作用的性质，分为发射光谱法、吸收光谱法、拉曼散射光谱法三种类型。
（1）发射光谱法是通过测量原子或分子的特征发射光谱来研究物质结构和测定其化学组成的分析方法，主要有原子发射光谱法（AES）、原子荧光分析法（AFS）、分子荧光和磷光分析法（MFS、MPS）、化学发生分析法和?射线光谱法、X射线荧光分析法等。
（2）吸收光谱法是通过测量物质对辐射吸收的波长和强度进行分析的方法。吸收光谱法主要有原子吸收光谱法（AAS）、紫外-可见吸收光谱法（UV-VIS）、红外光谱法（IR）、核磁共振波谱法（NMR）、电子自旋共振波谱法（ESR）、穆斯堡尔谱法和X射线吸收光谱法等。
（3）1928年，印度物理学家C.V.Raman发现占总强度约0.1%的散射光的频率发生了变化，这种散射现象被命名为拉曼散射。拉曼散射是光子与介质分子间发生了非弹性碰撞，碰撞时光子不仅改变了运动方向，而且还有能量的交换，因此散射光的频率发生了变化。频率高于入射光的称为反Stokes线；频率低于入射光的称为Stokes线。Stokes线和反Stokes线称为拉曼谱线，散射光频率与入射光频率之差称为拉曼位移。拉曼位移与分子的振动频率有关。具有拉曼活性的分子振动时伴有极化率的变化，振动时极化率的变化越大，拉曼散射越强。利用拉曼位移可研究物质的结构，其方法称为拉曼光谱法。
2. 非光谱法 非光谱法是基于辐射与物质相互作用时，测量辐射的某些性质，如折射、散射、干涉、衍射和偏振等变化的分析方法。非光谱法不涉及物质内部能量的跃迁，不测定光谱，电磁辐射只改变了传播方向、速度或某些物理性质。属于这类分析方法的有折射法、偏振法、光散射法（比浊法）、干涉法、衍射法、旋光法和圆二色性法等。
2.2 光学分析法原理
2.2.1 方法原理
1. 光的性质 能量作用于物质后会产生电磁辐射信号，或者电磁辐射与物质相互作用后会产生辐射信号的变化，光分析法是基于此建立的一类分析方法。光是一种电磁辐射（或电磁波），具有波粒二象性。
（1）电磁辐射的波动性：电磁辐射是一种电磁波，可以用周期T、频率 、波长λ、波数等参数来描述。
周期T：相邻两个波峰或波谷通过空间某一固定点所需要的时间间隔称为波的周期，单位为s（秒）。
频率 ：单位时间内通过传播方向上某一点的波峰或波谷的数目，即单位时间内电磁场振动的次数称为频率，单位为Hz，即S?1（1/s）。
波长λ：相邻两个波峰或波谷间的直线距离称为波长。若电磁波的传播速度为c，则 不同的电磁波谱区可采用不同的波长单位，分别为m、cm（10?2m）、μm（10?6m）、nm（10?9m）。
波数（或σ）：每厘米长度内含有波长的数目称为波数，单位为cm?1。波数是波长的倒数，可表示为：
（2）电磁辐射的粒子性：光可以看作具有一定能量的粒子流。一个光子的能量EP与辐射频率 的关系为：
（2-1）
式中，h为普朗克常数，等于6.626×10?34J?s，c为光速。该式表明，光子能量与它的频率成正比，或与波长成反比，而与光的强度无关。它统一了属于粒子概念的光子能量EP与属于波动概念的光频率 两者之间的关系。光子的能量单位可以用J或ev表示。
（3）电磁波谱：将各种电磁辐射按照波长或频率的大小顺序排列所成的图或表称为电磁波谱。如表2.1所示。
表2.1 电磁波谱的分类
2. 光与物质的相互作用
（1）光的吸收、发射和散射：当原子、分子或离子吸收光子的能量与它们的基态能量和激发态能量之差满足 时，将从基态跃迁至激发态，这过程称为吸收。若将测得的吸收强度对入射光的波长或波数作图，得到该物质的吸收光谱。对吸收光谱的研究可以确定试样的组成、含量以及结构。根据吸收物质的状态、光的能量和吸收光谱的不同，可分为分子吸收和原子吸收。
当物质吸收能量后从基态跃迁至激发态，激发态是不稳定的，大约经10?8s后将从激发态跃迁回至基态或较低的能态，此时若以光的形式释放出能量，这过程称为发射。试样的激发有通过电子碰撞引起的电激发、电弧或火焰的热激发以及用适当波长的光激发等。
当光通过不均匀介质时，如果有一部分光沿着其他方向传播，这种现象称为光的散射。根据散射的起因，可以分为丁铎尔散射、瑞利散射、拉曼散射以及康普顿散射等。
（2）光的折射、干涉、衍射和偏振：当光从一种透明介质进入另一种透明介质时，光束前进方向发生改变的现象，称为光的折射。折射是由于光在不同介质中传播速度不同所致。
在一定条件下光波会相互作用，当其叠加时，将产生一个其强度视各波的相位而定的加强或减弱的合成波。当两个波的相位差180°时，发生最大相消干涉。但两个波同相位时，则发生最大相长干涉。通过干涉现象，可获得明暗相间的条纹。若两波相互加强，得明亮条纹；若相互抵消，得暗条纹。
光波绕过障碍物或通过狭缝时，以约180°的角度向外辐射，波前的方向发生了弯曲，这是波的衍射现象，它是干涉的结果。
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