现代仪器分析
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作者屠一锋等编著
出版社科学出版社
ISBN9787030312983
出版时间2010-06
装帧平装
开本16开
定价78元
货号6826915
上书时间2024-12-12
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目录
绪论
第1章 现代传感技术
1.1 传感器概论
1.1.1 传感器及传感技术
1.1.2 传感器的基本特性
1.2 物理传感器
1.2.1 电学式传感器
1.2.2 光电式传感器
1.2.3 热、磁传感器
1.2.4 其他物理传感器
1.3 化学传感器
1.3.1 离子选择性电极
1.3.2 气体传感器
1.3.3 化学修饰电极、微／纳米电极和阵列
1.3.4 压电传感与石英晶体微天平
1.4 生物传感器
1.4.1 生物传感器概述
1.4.2 生物识别机理
1.4.3 生物活性材料固定化技术
1.4.4 生物传感机理及应用
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第2章 现代分离科学
2.1 现代色谱分析技术
2.1.1 高效薄层色谱法
2.1.2 凝胶色谱法
2.1.3 亲和色谱
2.1.4 离子色谱
2.1.5 超临界流体色谱
2.2 毛细管电泳
2.2.1 毛细管电泳基本原理
2.2.2 毛细管电泳硬件系统
2.2.3 毛细管电泳分离条件选择策略
2.2.4 毛细管电泳联用技术
2.3 微流控芯片实验室
2.3.1 微流控芯片
2.3.2 微流控芯片实验室系统集成
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第3章 现代光谱分析
3.1 近红外光谱分析
3.1.1 近红外光谱分析原理
3.1.2 近红外光谱测量与化学计量学
3.1.3 近红外分析步骤、特点和应用
3.2 激光光谱分析
3.2.1 激光及其特征
3.2.2 激光光声光谱
3.2.3 激光感生击穿光谱
3.3 拉曼光谱分析
3.3.1 拉曼光谱分析的基本原理
3.3.2 拉曼光谱分析技术与特点
3.3.3 拉曼光谱技术的应用
3.3.4 拉曼光谱新技术
3.4 荧光光谱分析
3.4.1 荧光分析基本原理
3.4.2 荧光性质与参数
3.4.3 荧光分析仪器和荧光方法的应用
3.5 化学发光分析
3.5.1 化学发光基本原理
3.5.2 化学发光类型及常见化学发光体系
3.5.3 电化学发光
3.5.4 化学发光分析的应用
3.6 核磁与电子顺磁共振
3.6.1 核磁共振基本原理
3.6.2 核磁共振波谱仪及核磁共振应用
3.6.3 电子自旋共振
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第4章 现代质谱分析
4.1 质谱分析概论
4.1.1 质谱技术的基本特征
4.1.2 质谱仪性能指标
4.1.3 有机质谱研究分子结构的一般原则
4.2 质谱分析主要功能部件
4.2.1 进样单元
4.2.2 离子源
4.2.3 质量分析器
4.2.4 检测器和真空系统
4.3 质谱联用技术
4.4 现代质谱技术应用
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第5章 显微成像技术
5.1 光学显微技术
5.1.1 光学显微成像原理
5.1.2 光学显微成像分辨率极限及主要技术指标
5.1.3 光学显微镜结构
5.1.4 现代光学显微技术
5.1.5 荧光显微与激光共聚焦显微技术
5.2 透射电子显微镜
5.2.1 透射电子显微镜结构和成像原理
5.2.2 透射电子显微镜的分辨率及主要性能
5.2.3 透射电子显微镜的发展和应用
5.3 扫描电子显微镜
5.3.1 扫描电子显微镜成像原理
5.3.2 扫描电子显微镜结构
5.3.3 扫描电镜的应用
5.4 扫描探针显微技术
5.4.1 扫描探针显微镜概述
5.4.2 扫描隧道显微镜
5.4.3 原子力显微镜
5.4.4 几种新型扫描探针显微镜
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第6章 表面分析技术
6.1 电子能谱分析
6.1.1 X射线电子能谱分析
6.1.2 紫外光电子能谱分析
6.1.3 俄歇电子能谱分析
6.2 探针技术
6.2.1 电子探针技术
6.2.2 离子探针技术
6.2.3 二次离子质谱
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主要参考文献
内容摘要
绪论
仪器分析是分析化学学科的一个重要组成部�? 而分析化学作为化学学科的一
个重要分支有其独特的地位, 和传统的基础化学学科的不同在于分析化学既引进�?br />大量非化学的手段, 又在很大程度上服务于化学以外的学�? 因此, 在当今十分强
调学科交叉的背景�? 分析化学学科自然而然扮演了学科交叉中一个重要的角色. 我们都很强调物理原理在分析化学中应用而形成的所谓仪器分析方�? 这是�?br />析化学与物理学交叉所取得的最初阶段的成功, 以此为契�? 各种光学的、电化学
的、其他谱学的技术以及分离技术蓬勃发�? 极大地推动了分析化学学科的进�?
有许多过去难于解决的分析化学任务得以迎刃而解, 如快速高通量分析, 成为现代
分析科学领域一个重要的发展方向; 同时, 物理技术的应用, 使得分析技术获取信�?br />的能力大为加�? 从过去以单一数据获取发展为二维乃至三维数据的获取, 目前�?br />是提出了图像学解决方案以及高维数据获取及分析的要�? 在分析测试的实施�?
从过去主要面对孤立样品的实验室静态测定发展到在线、在体、连续乃至活体以�?br />动态的分析; 从空间上�? 分析测试也从常规实验室尺度发展到微纳水平空间上的
分析, 如芯片实验室及单个细胞的分析�? 以及在宏观空间上的如遥感分析或基�?br />无线通信网络的区域性检测系�? 这些方面的发展无不得益于物理技术的介入. �?br />�? 分析化学学科的发展中也包括信息科学技术发挥的巨大作用, 计算机在现阶�?br />毫无疑问已经成为分析测试过程的一个重要组成部�? 因为随着分析测试过程所�?br />得的信息越来越丰�? 信息的复杂性也不断提高, 因此只有借助计算机技术才可能
实现对分析信息的有效处理; 自动化的控制也基本已经成为分析仪器操作的标准�?br />�? 而计算机技术则是现代自动化控制的核�? 分析科学技术发展同样也得益于电
子技术的快速发�? 从早期笨重而体积庞大的分析仪器发展到现阶段轻便、高性能
的设�? 其主要的进步来源就是电子线路的高度集成化和数字化, 所以很多的分析
仪器逐步朝便捷化的方向发�? 而且各种技术之间的联用也变得更为简单和易于�?br />�? 这在很大程度上又促进了分析测试技术的功能、效率和性价比的提高. 从另外一个方面看, 在分析化学技术提高到目前水平的同�? 其发挥的作用�?br />远远超出了我们能够想象的范畴. 实际�? 用化学这一概念已经很难包容分析化学
学科的最新应�? 实际上分析技术已经并且将在更大程度上服务于化学以外的学科
领域. 同时, 我们也充分认识到, 分析化学科学所形成的一系列技术方法也有助�?br />分析科学自身成为独立的研究领�? 来解决其他学科领域尚未能很好解决的科学和
技术问�? 分析科学自身正在朝着一个独立的学科体系快速地发展. 众所周知, �?/p>
2 绪论 ￠�?/p> 期的分析化学技术主要应用于化学成分的定性和定量检�? 而现代分析科学则将物
质成分、结构、形态、性质、分布、变化等几乎所有信息都作为分析的目�? 而且,
所研究的对象也完全打破了传统的化学成分的界�? 几乎所有以物质材料为对象的
研究工作都离不开分析化学, 包括能源、资源、食�?天然产物和加工食品、合�?br />的和滥用的添加剂�?、药�?医药、农药、兽药及违禁和滥用药品等)、各种化�?br />�?化工原料、中间体、产品、日化品�?、健�?进化、发育、疾病、衰老和死亡�?br />化学基础、诊断、药物敏感性、新药开发、运动和体育�?、环�?污染类型、程度�?br />机理、治理工程控制等)、军事和国防、航空航天航海、商品贸�?包括进出�?、生
态保护、社会公共安�?包括刑侦、司法等) 等人民生活涉及的所有方�? 几乎没有
不需要分析科学技术给予支撑的, 因此, 从这一点上�? 分析化学科学已经成为�?br />家政治、国民经济和人民社会生活的一个重要的组成部分, 可以毫不夸张地说, �?br />类文明发展的每一个阶段、一个民族的兴盛和衰败、每个人从出生到死亡, 都是�?br />分析化学密切相关�? 从上述分析可以获�? 而且许多直接的经验也给予证实, 在自然科学和工程技
术领�? 只要所面临的研究对象是客观的物质对象而非抽象的理论概�? 则或多或
少都会和分析测试发生直接或间接的联系, 因此, 凡从事物质研究的各个学科领域
的研究和应用技术人�? 了解和掌握相关的分析科学知识、具备应用分析科学知�?br />解决问题的能�? 将是其工作中非常必需和重要的一个方�? 尤其是在与化学、材
料、生命、环境等学科相关的研究领域的专业人员, 分析科学知识的重要性更为凸
�? 因此在相关专业的教学体系中都安排了分析化�?包括化学分析和仪器分�?
的教学内�? 但本科阶段的教学内容覆盖面相对还比较�? 所介绍的主要还是相�?br />经典的方�? 内容上也相对着重于方法基本原理的阐�? 对实践应用的指导意义�?br />不够充分. 随着现代分析科学技术的快速发�? 新的仪器分析方法不断涌现, 一�?br />经典方法也不断革新并获得新的应用, 同样很多仪器分析方法的应用面不断拓展�?br />性能不断提高, 这些发展要求我们不断拓展对新的分析原理、方法、技术的理解�?br />把握, 从而能够更好地利用这些方法技术为科学研究和生产实践提供重要的保障�?br />支撑, 本教材即是以此为出发�? 在本科分析化学的基础�? 为各个相关学科的�?br />究生介绍具有潜在应用的各种现代仪器分析方�? 本教材的覆盖面较�? 所涉及对象从无机、有机、高分子到生物分�? 技术方
法涵盖了传感器技术、光谱技术、电化学技术、分离技术、质谱技术、波谱技术�?br />表面分析技术、微分析系统、表面形貌表征等多种类型, 研究的物质对象可以是�?br />体、气体、离子、化合物、纳米材料、块体材料、生物材料等各种形式, 内容十分�?br />�? 同时, 在传统仪器分析范畴内讨论较为缺乏的物理传感器、光学显微、电子显
微等技�? 由于其越来越展现出在现代分析科学研究与应用中的重要价�? 也作�?br />重点介绍的内�? 因此, 如何处理好内容和篇幅之间的关�? 也是本教材编写中�?/p>
绪论 ￠�?/p> 解决的一个重要问�? 我们力求以浅显易懂的文字来讨论各种分析方法的原理, �?br />可能减少纯粹的数学推�? 而是从方法原理上来阐明各种分析方法获得检测信号的
机理, 讨论信号与本质特性之间存在的客观关系, 着重解决如何利用检测信号完�?br />分析目的, 并在一定程度上对各种分析方法的技术应用给予了介绍, 以期对实际使
用有所帮助.
�? 章现代传感技�?/p> 所谓传感技�? 是指具备感知特定信息能力的技术方�? 从物理范畴讨�? �?br />感技术的实现主要依赖于其硬件的功�? 这样的硬件就被称为传感器. 顾名思义,
传感器是指对特定信息具有感知和转换作用的检测元�? 事实上我们对传感器并�?br />陌生, 在自然进化的过程�? 生物体本身即进化发展了多种类型的传感元件, 比如
我们的五�? 能够有视觉、味觉、嗅觉和听觉�? 就是因为在这些器官内存在各种
功能的传感器�? 甚至包括我们的皮�? 也具有对温度、湿度的感知功能和灵敏的
触觉功能. 人们对传感器的研究和应用从一开始就充满了期�? 希望能够制造出�?br />自然世界各种信息具备传感能力的检测器�? 较早的传感器以物理器件居�? 而且
所能传感的信号也以物理信号为主, 如力、光、热、磁等传感器. 之后, 人们对利�?br />传感器实现对化学物质的检测产生了浓厚的兴�? 因此便有了化学传感器的快速发
�? 随着人们对生命运动理解的不断深入, 发现生命过程中所发生的很多行为具�?br />超乎想象的特异性能, 如酶催化反应、免疫反应、基因、受体等都能够提供极高的
选择�? 并且反应效率极高, 而这些正是在传感器研究中所期待的性能, 从而生�?br />传感器便应运而生. 然而人们对传感器的兴趣并没有就此结�? 我们都知道犬类的
嗅觉特别灵敏, 因此我们便产生了仿造动物器官实现传感的想法, 这就是所谓的�?br />生传感器, 如电子鼻�? 这些研究都在快速的发展�? 对于仪器分析技术而言, 传感
器也是不可或缺的一个重要组成部�? 其一, 传感器配合适当的能量提供和信号�?br />录设备即可构成专门装备以完成所期待的分析检测目�? 其二, 许多传感器件是目
前常用分析仪器内部的核心检测元�? 如光电传感元件几乎是所有光学式分析仪器
完成分析工作必不可少�? 其三, 现代分析仪器自动化程度越来越�? 而对设备�?br />行自动化控制的基本前提就是基于传感信号反馈的程序控制. 传感器早已渗透到�?br />业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程甚至文
物保护等极其广泛的领�? 毫不夸张地说, 从茫茫太空到浩瀚海�? 以至各种复杂
的工程系�? 几乎每一个现代化项目, 都离不开形形色色的传感器, 传感器在现实
世界中的作用和价值是不可估量�? 1.1 传感器概�?br />虽然传感器的传感原理、传感对象等分别属于物理、化学、生物和仿生等不�?br />范畴, 它们之间仍然具有密不可分的内在联�? 可以用很多相同的概念来界定传�?/p>
1.1 传感器概�?
￠�?/p> 器的技术特�? 同样也可用很多相同的技术指标来衡量其性能. 1.1.1 传感器及传感技�?br />国家标准GB7665|87 对传感器的定义是：能感受规定的被测量并按照一�?br />的规律转换成可用信号的器件或装置, 通常由直接响应于被测量的敏感元件和产�?br />可用信号输出的转换元件构�? 传感器是一种检测装�? 能感受到被测量的信息,
并能将检测感受到的信息按一定规律变换成为电信号或其他形式的信息输出, 以满 如图1-1 所�? 足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要�?它是实现自动检测和自动
控制的首要环�?由敏感元件、转换元件、信号调节转换电路和其他辅助电路组成,
�?-1 传感器组成框�?/p> 敏感元件是指能够灵敏地感受被测量并作出响应的元件, 其中有许多可兼做�?br />换元�? 转换元件实际上就是将敏感元件感受的被测量转换成电参数的元�? 如果
敏感元件本身就能直接将被测量变成电参�? 那么该敏感元件就具有了敏感和转换
两个功能. 传感器技术是利用各种功能材料实现信息检测的一门应用技�? 它是传感�?br />理、材料科学、工艺加工、性能和应用等的综合技�? 传感原理是指传感器工作时
所依据的物理、化学和生物反应等机�? 各种功能材料则是传感器发展的物质�?br />础, 从某种意义上�? 传感器就是能感知外界各种信号的功能材�? 就研究发展的
历程�? 传感器基于其响应原理, 主要可分为物理传感器, 指将物理量如位移、运
动、力、流量、光、电、热、磁等信号转换为可测电信号输出的装置或器�? 化学�?br />感器, 指能够响应物质化学信号的传感装置或器�? 如离子选择性电极、化学修�?br />电极、气体传感器�? 生物传感器和仿生传感�? 如酶传感器、微生物传感器、免�?br />传感器、组织传感器�? 但这些传感器又相互关�? 尤其是化学、生物和仿生传感
器往往是建立在物理传感器的基础�? 根据能量转换关系, 传感器可分为能量转换型和能量控制型传感器. 能量转换
型传感器是由传感器输入量的变化直接引起能量的变化, 一般不需外部电源或外�?br />电源只起辅助作用, 所以又称自源型传感�? 基于压电效应、热电效应、光电动�?br />效应等的传感器即属于此类传感�? 能量控制型传感器是指其变换的能量是由�?br />部电源供给的, 而传感器输入量的变化只起到控制的作用, 所以又称外源型传感�?
�? 章现代传感技�?/p> ￠�?/p> 基于应变电阻效应、磁阻效应、光电效应、霍尔效应、热阻效应等的传感器则属�?br />此类传感�? 传感器的种类繁多, 一种被测量可以用不同的传感器来测量, 而同一原理的传
感器通常又可以测量多种被测量, 因此分类方法各不相同. 一般常见的分类方法�?br />�?-1 所�? �?-1 传感器的分类 分类依据传感器名称说�?br />按响应原
理分�?br />物理传感�?br />化学传感�?br />生物传感�?br />基于物理效应(光、电、声、热、磁)
基于化学效应(选择、吸附性化学反�?
基于生物效应(酶、抗体、激素等的分子识别和选择功能)
按输入量
分类
压力、温度、湿度、位移、黏度�?br />流速、气体等
传感器以被测量命�?br />按工作原
理分�?br />电容式、电感式、电磁式、光�?br />式、热电式、压电式、应变式�?br />传感器以工作原理命名
按输出信
号分�?br />模拟式传感器
数字式传感器
输出为模拟量
输出为数字量
按能量关
系分�?br />能量转换�?自源�?
能量控制�?外源�?
传感器工作无需外部电源或外部电源只起辅助作�?br />传感器工作需外部电源
按使用的
敏感材料
分类
半导体传感器、光纤传感器、陶
瓷传感器、金属传感器、高分子
材料传感器、复合材料传感器
传感器以使用的敏感材料命�?/p> 1.1.2 传感器的基本特�?br />传感器的特性主要指其转换信息的能力和性质, 对传感器的响应特性通常可用
静态特性和动态特性描�? 1. 静态特�?br />静态特性表示传感器在被测输入量的各个值处于稳定状态时的输入{输出关系.
通常要求传感器在静态情况下的输入{输出关系保持线�? 实际�? 其输出量和输
入量之间的关�?不考虑迟滞及蠕变效�? 可由下列方程式确定： Y = a0 a1X a2X2 anXn (1-1) ￠￠· 式中, Y 为输出量; X 为输入量; a0 为零位输�? a1 为传感器的线性灵敏度; a2;a3, ;an 为非线性项待定常数. 在理想情况下, �?1-1) 给出的是线性关�? 但在�?/p> ￠￠· 际工作中, 由于非线�?高次) 项的影响和随机变化量等因素的影响, 不可能是�?br />性关�? 所�? 衡量传感器静态特性的主要指标包括线性度、迟滞、重复性和灵敏
度等.
主编推荐
屠一锋等编著的《现代仪器分析》用适当的篇幅比较全面地介绍这些重要的现代仪器分析方法，教材内容有较大的覆盖面，使学生对该学科领域有较全面的了解并掌握基本的知识基础，重点介绍各种方法的原理、仪器结构与各部件功能、所能获得的信息及能解决的问题，倾向于形成以定性讨论和叙述为特点的编写风格，力求避免过于深奥的公式推导和理论分析，使教材有较强的可读性和参考价值，拓宽思路，以帮助硕士研究生在今后的科研工作中能灵活地应用这些方法解决具体问题。教材内容主要涉及物质成分分析、性能分析、结构分析、表面分析、显微形态分析等，所涉及的研究对象不仅涉及化学物质，也包括各种新材料、纳米物质、生物(大、小)分子、环境物质等，以及用于研究物质的转化、代谢及其动力学过程等规律的技术。
精彩内容
《现代仪器分析》内容主要涉及物质成分分析、结构分析、表面分析、显微形态分析、性能分析等，所介绍的技术包括各种传感技术（如物理传感、化学传感、生物传感、仿生传感等），分离分析技术（包括色谱、毛细管/芯片电泳、微流控芯片等），光谱分析技术（近红外、拉曼、核磁与顺磁、激光相关光谱技术，荧光与发光分析等），各种显微技术（电子显微、荧光显微、扫描探针显微、电化学显微等）、表面分析技术（电子能谱、表面探针分析等）、质谱技术等。所涉及的研究对象不仅涉及到化学物质，也包括各种新材料、纳米物质、生物（大、小）分子、环境物质等，以及用于研究物质的转化、代谢及其动力学过程等规律的技术。所包括内容主要是在本科仪器分析教学的基础上，为相关专业硕士、博士研究生开展研究工作提供所需的各种现代仪器分析技术的科学原理、研究方法、技术和应用，并可作为科学研究人员在从事相关研究工作时参考。
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