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第一章 概论与产品的质量保证

1.1 分析化学概论

1.1.1 何谓分析化学？

是一个发展和应用各种方法、仪器和策略，以获得物质在特定时间和空间有关组成和性质信

息的科学分支。

定性分析：确定样品由哪些组分（元素、离子或化合物）组成的。

定量分析：测定物质中各组分的含量，或确定物质中各组分的量的关系。

1.1.2 化学分析与仪器分析

化学分析法：又称为经典分析法，是以化学反应为基础，依据实验测定的重量或体积，利用

化学计量关系来确定试样中某成分含量的方法。分为重量分析法和滴定分析法。

仪器分析法：发射光谱法、吸收光度法、原子荧光法、极谱法、红外光谱法、NMR、质谱、

色谱等

化学分析 仪器分析

重量法不需要标准物质，只要求沉淀的形式与

其化学式一致。

对于滴定分析，只要指示剂能够正确指出终点，

滴定反应的方程式计量关系成立。

几乎所有的方法都是比较法，需要标准物质作

为参照

准确度高（相对误差 0.1%-0.2%)适合于常量组分

（被测组分的含量>1%)

准确度 1%－5%

费用低 设备费用高，一次性投入大。

灵敏度低，不适于微量组分分析 灵敏度高，可以进行微量和痕量组分的测定

耗时，不够快速简便 快速、简便，易于自动化。

1.1.3 分析化学的社会责任

1.2 分析测定过程

1.2.1 分析目的和要求

分析过程由如下 5 个环节组成：样品采集、样品预处理、样品测定、数据分析、结果报告

一定要明确要获取什么样的信息！

1.2.2 分析方法的选择

(1) 对于常量分析，要求结果的准确度高，多选用重量法或滴定法。如各种矿石的分析；

(2) 对于痕量分析，主要考虑灵敏度能否到达要求，多选用仪器分析法。如分析半导体

中的痕量杂质；

(3) 对于有机物或生命物质，问题要复杂的多，常常需要先分离，再运用多种谱学技术

和其它的分析技术相结合才能解决其组成和结构问题；

(4) 对于复杂样品需使用联用技术，最常用的是将分离能力很强的色谱技术与其它检测

技术相结合，例如 GC-MS，HPLC-MS, CE-MS, CE-E，HPLC-FTIR 等；

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(5) 特殊样品：航天样品，侦探样品，考古样品。取样量的大小收到严格限制，而且难

以再次取样，样品非常宝贵，这要求必须设计合理的分析程序，选择可靠的分析方

法；

(6) 分析费用。

1.2.3 分析测定结果的表示

首先要确定被测组分的化学形式（元素、氧化物、离子或化合物）

然后再按照确定的形式将测定结果进行换算和表达

1.4 标准物质和标准溶液

1.4.1 标准物质的产生与发展

标准物质的定义：是一种“已确定其一种或几种特性，用于校准测量器具，评价测量方法或

确定材料特性量值的物质”。（判别产品质量、鉴定仪器的可靠程度和评价分析检测方法）

国际标准化组织(International Organization for Standardization, ISO)

中国：标准物质(reference material, RM)

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美国：标准参考物质(SRM)

俄罗斯：标准样品(CO)

国际标准物质信息库(COMAR)

1.4.2 标准物质的分类、分级与编号

标准物质分成化学成分标准物质、物理特性与物理化学特性标准物质和工程技术特性标准物

质。

按照其属性和应用领域分成 13 大类。

标准物质按照其特性的准确度水平分为一级标准物质和二级标准物质，一级准确度最高。

1.4.3 标准物质的特性与作用

标准物质的特征：

(1) 材质均匀是标准物质的首要条件；

(2) 定值准确、可靠是标准物质最主要的特征；

(3) 性能稳定；

(4) 标准物质证书（ID card）

标准物质与其它计量标准相比，有如下特点：

(1) 标准物质所保存或重现的量值仅与物质的性质有关；（与量无关，这与砝码不同）

(2) 种类多；

(3) 实用性强；

(4) 重现性好，易重复制备。

1.4.4 标准物质的制备和定值

固体标准物质的制备可分为采样、粉碎、混匀和分装等几步。液体和气体的标准物质可用人

工模拟天然样品的组成来制备。

均匀性、最小取样量（标准物质证书规定）、稳定性

标准物质的定值可由如下三种方法之一获得: (1)一种已知准确度的标准方法；(2)两种以上独

立可靠的方法；(3)一种专门设立的实验室协作网。

1.4.5 标准物质的选择

需要考虑的因素：标准物质的物理状态与表面状态、分析方法的基体效应与干扰情况、

标准物质的准确度水平以及取样量、进样方式等。

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为了消除由于标准物质与待测样品主体成分不同对测定带来的影响，应选择与待测物质

的组成或特性上尽可能近似的标准物质。

1.4.6 标准溶液

标准溶液：是已知其主体成分或其他特性量值的溶液。

可分为：滴定分析用标准溶液、杂质测定用标准溶液和 pH 测量用标准溶液。

1.5 分析化学中的计量单位与符号

1.6 分析测试质量保证

1.6.1 引言

ISO9000 不是指一个标准，而是一族标准的统称。

误差存在的必然性

常量分析结果的相对误差为千分之几，微量分析为百分之几，而痕量分析可达百分之十几。

是数据分析环节。

1.6.2 分析数据处理

实际工作测 4 到 6 次。

1.6.3 分析测试质量保证

1.6.3.1 分析测试质量保证的内容与目标

分析测试质量保证是将统计学和系统工程与特定的生产或测量实践的结合。

分析测试过程包括样品的处理、测量方法和计量标准的选用，测量仪器的校准，测定数据的

统计分析和报告测量结果。

分析测试的质量控制可分为取样的质量保证和分析测试系统的质量保证两个方面。

分析测试质量保证的目标：保证测量数据的质量，使分析测试建立在可靠的基础之上。

1.6.3.2 取样的质量保证

总体物质的不均匀性，用样品的测定结果推断总体必然引入误差，该误差称为取样误差。

可分为随机误差和系统误差。

增加取样次数，加大取样量，可以减少取样的随机误差。

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2 2 1/2

s T m( )E E E

系统误差只有通过严格的取样质量保证工作避免或消除。

取样误差的估算：

这里 ET, Em和 Es 分别表示取样和测量的总误差，测量误差和取样误差

Ingamells 取样常数法估算最小取样量：

式中 m 是每个样品的质量，CV 是样品的相对标准差，Ks 是 Ingamells 取样常数，它为 CV=1%

时的最小取样量。原理即取样量增加时，相对标准差减少。

例如，先测定 n 个质量为 m 的样品，算出平均值及标准差，再算出 CV，由 m 与 CV 的乘积

估算出 Ks，再根据给定的取样误差估算出最小取样量。

1.6.3.3 分析测试过程的质量控制

A 样品处理与回收率

在样品处理过程中可能发生溶解、分离、富集不完全，或被测组分挥发、分解产生负的系统

误差；由于器皿、试剂、环境和操作者污染被测组分产生正的系统误差。在样品处理过程中

还可能引入较大的随机误差。

回收率是样品处理过程的综合指标，也是估计分析结果准确度的主要依据之一。通常采用“加

标回收法”(即在样品中加入标准物质)测定回收率，确定准确度和发现方法的系统误差。加

入标准物质的量应与待测物质的浓度接近。

对例行分析回收率控制指标的原则规定如下

B 分析空白的控制与校正

空白包括样品中被测组分的污染(正空白)、样品中被测组分的损失(负空白)和仪器噪声产生

的空白。

空白试验是指采用去离子水代替试样的测定，其所加试剂和操作步骤与试样测定完全相同。

根据空白试验值及标准差，对试样测定值进行空白校正。

对痕量或超痕量组分分析结果的报告方法有如下规定：

分析空白的控制

(1)消除或控制实验环境对样品的污染；(2)化学试剂对样品中被测组分的污染随试剂纯度和

用量而变；(3)储存、处理样品所用的器皿，如材质不纯或未洗涤干净均可污染样品；(4)避

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免分析者对样品的污染。

C 测定方法的适用性

测量方法的类别与等级

标准方法类别：(1)检测产品技术规格的普及型标准方法；(2)为贯彻某些法规而开发的标准

方法，称为官方方法；例如，美国官方分析化学家协会拟定了用于分析食品、药物、肥料、

农药、化妆品的标准方法，以保证有关农业和公共健康法则的贯彻。(3)基础性标准方法。

标准方法等级：

测量方法的主要技术参数：

(1) 线性范围； (2) 准确度； (3) 精密度；(4) 灵敏度； (5) 检出限

(1) 线性范围：待测物质的量浓度或含量与相应测量仪器的响应值或其他指示量之间的定量

关系曲线称为校准曲线。某一方法校准曲线的直线部分所对应的待测物质的量浓度或含量的

变化范围，称为该方法的线性范围。

(2) 准确度：是用一个特定的分析程序所获得的分析结果与假定的或公认的真值之间符合程

度的量度。反映分析方法或测量系统存在的系统和随机误差的综合指标，决定分析结果的可

靠性。

评价准确度的方法有两种：A. 用某一方法来分析标准物质，据其结果确定准确度；B. 加标

回收法。

目前对复杂样品分析可能达到的准确度水平如下：

(3) 精密度：是指用一特定的分析程序在受控条件下重复分析均一样品所得测定值的一致程

度。反映分析方法或测量系统存在的随机误差大小。

平行性是指同一实验室中，当分析人员、分析设备和分析时间都相同时，用同一分析方法对

同一样品进行双份或多份平行样测定结果之间的符合程度。

重复性是指同一实验室中，当分析人员、分析设备和分析时间三因素中至少有一项不相同时，

用同一分析方法对同一样品进行两次或两次以上独立测定结果之间的符合程度。

再现性是指不同实验室(分析人员、分析设备甚至分析时间都不相同)，用同一分析方法对同

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一样品进行多次测定结果之间的符合程度。

(4) 灵敏度：灵敏度随实验条件而变化。指该方法对单位浓度或单位量的待测物质的变化所

引起的响应值变化的程度。通常用校准曲线的斜率 k 来度量灵敏度。

实验点有发散性，这使灵敏度下降。

故，可用 k/sf表示， sf是线性回归拟合标准差，可用下式估算：

式中 di 是第 n 个实验点对回归直线的偏离值，n 是实验点的数目。

(5) 检出限：分析方法的检出限是在一定的置信概率下能检出被测组分的最小含量(或浓度)，

该最小含量所产生的信号能与分析空白、仪器噪声在一定的置信概率下区分开来。

IUPAC 的规定：在与分析实际样品完全相同的条件下，作不加入被测组分的重复测定(即空白

试验)，测定次数尽可能多(一般为 20 次)。算出空白值的平均值和空白值的标准差 sB。在一

定置信概率下，与 3sB相对应的被测组分的含量 qL或浓度 cL 就是该分析方法的检出限，即：

其中，k 为校准曲线的斜率。

测量方法的校准：

测量方法校准的目的是建立物理信号与化学成分量的定量关系。制作准确而有效的校准曲线

是获得准确可靠测量结果的重要前提。

(1) 使用准确可靠的计量标准

标准物质应当准确度高。

(2) 消除或者测定干扰与基体效应的影响

大多数分析测量方法受样品中其他组分或主体成分的影响，而产生系统误差。通过选用与被

测样品组成相同或相近的标准物质就可消除该系统误差。但有时很难找到与样品类似的标准

物质，可采用纯品配制标准溶液作为校准标准。

(3) 控制实验条件，合理设计实验

应按照如下原则设计实验：①为了尽可能保持测量样品的实验条件与制作校准曲线的条件一

致，应在较短时间间隔内制作和使用校准曲线；②校准曲线上的实验点数最好在 5 个以上，

且实验点的量值范围尽可能宽，以提高校准曲线的可靠性和稳定性；③各实验点最好作重复

测量取平均值，以减少实验误差。

标准分析方法和分析方法标准化：

标准分析方法又称分析方法标准，是技术标准中的一种。是权威机构对某项分析所作的统一

规定的技术准则和各方面共同遵守的技术依据。它是公认的成熟的方法，并通过协作试验，

确定了误差范围。由权威机构审批和发布。

编制和推行标准分析方法的目的是为了保证分析结果的重复性、再现性和准确性。不但要求

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同一实验室的分析人员分析同一样品的结果一致，而且要求不同实验室的分析人员分析同一

样品的结果也要一致。

1.6.3.4 分析测试的质量评价

质量评价的目的是让委托方或主管部门相信分析测量结果是准确可靠的，能满足预期要求。

几种常用的质量评价方法：

A 质量控制图(graph of quality control)

质量控制图是实验数据的图解，是用来判断统计控制的标准，也是鉴别失控原因的方法。

质量控制图表示测量过程的一个特定的统计值随抽样顺序的变化。

例子：分别做标准差和平均值控制图，标准差符合较好，平均值却多个实验室在控制限之外。

这表明不同实验室测定结果间的变动性大于同一实验室内重复测定结果的变动性，不同实验

室的测定结果之间可能存在系统误差。

B 对照分析

在分析样品的同时，对标准物质或由权威部门制备的合成标准样进行平行分析。只要标准物

质的测定结果与保证值一致，便表明分析过程是有效的，未知样品的分析结果也是可靠的。

C 双样品法

为检查实验室间是否操作系统误差，它的大小和方向以及对分析结果的可比性是否有显著影

响，可用双样品法对有关实验室进行误差检验。

该方法是将两个浓度不同分别为 xi, yi，两者相差 5%，但很类似的样品分发给各实验室，分

别对其做单次测定，其结果表示为 xi, yi。计算均值，并标上 xi, yi 的点。

若各实验室间无系统误差，应该是圆形。否则为椭圆形，并可以判断误差方向。

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D 熟练实验(proficiency testing)

是权威机构为核验和评价例行检测实验室测量结果可靠性和实际测量能力而组织的实验。是

评价实验室测试能力的一种方法。

E 实验室认证(laboratory accreditation)

是对测量实验室进行某个领域或特定类型测量能力的正式承认。在中国称为计量认证，是计

量行政主管部门对向社会提供公正数据的技术机构，从事计量鉴定或测试的实际能力、可靠

性和公正性所进行的考核和证明。

经认证合格的实验室，由国家认证机构发给有一定期限的证书，证明该实验室有为社会提供

公正数据的能力和资格。在证书规定的范围内提供的数据可用于贸易出证、产品质量评定、

成果鉴定等需要公正数据的场合，并且具有法律效力。

实验室认证的程序（有相关文件规定）要点：

(1) 权威性：国际间的相互承认

(2) 公正性：第三方，仅对工作质量和出具的数据负责

(3) 溯源性：国家计量标准

(4) 有效性：不同时间、不同批次测量数据的可比性

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第二章 样品的取样、处理与制备

1.1 导言

试样（又称样品）的定义是：自整体中取出的可代表其组成和质量的一小部分。

从整体抽出代表性的部分的过程称为取样。取样可分为选择性取样、客观性取样（随机取样)

（让分析检测对象的每一部分都具有相同的概率选作样品）。

按照一定的程序将取得的样品磨碎、研磨、过滤、混匀、缩分，直至取得足够分析测定和重

复测定用的试样，该过程称为制样。

样品的制备包括三个基本步骤：样品采集、样品保存和样品制备。（样品采集+样品预处理环

节）

2.2 取样

2.2.1 固态样品的取样

固态样品包括矿物、土壤、沉积物、食品、药片和胶囊、高分子和金属材料以及生物组织样

品等。

固体样品的成分分布通常不均匀，取样应保证采集的样品能够代表被分析的对象。针对不同

来源的样品，取样方式有所不同。固体样品在保存过程中有可能发生化学组成的变化。

2.2.1.1 地质矿样的采集和制备

样品的采集量可按经验公式计算：Q≥Kd2

式中 Q 为采集试样的最低质量(Kg)，d 为试样中最大颗粒的直径(mm)，K 为样品特性常数。

取样之后要用机械方法将样品粉碎，然后经过过筛、混匀、缩分等步骤，制得均匀而有代表

性的试样。从大量取样制得 10~300 g 分析试样。上述过程可能反复几次，直至全部通过某

一定筛号的筛子，切不可随意丢弃，以免影响试样的代表性。

2.2.1.2 食品检验的取样

通常取样对象的数量是总数的平方根

2.2.2 液态样品的取样

液态样品包括溶剂、饮料(如牛奶和果汁)、自然界样品(如湖水和河水等)、体液(如血液等)

以及悬浮液(如各种口服液)等。

例如：水质分析和废水分析。地表水受流速和深度的影响。对于流速快的河流，可采用简单

取样；对于流速较慢的河流或湖水，必须考虑样品在不同深度的分布。

在采集液态样品时，还必须注意容器的材料。例如，分析有机物、杀虫剂和油污时，由于这

些物质与塑料表面相互作用，应该选用玻璃容器；分析痕量金属离子时，由于玻璃容器对金

属离子有吸附作用，应该选用塑料容器。

2.2.3 气态样品的取样

气态样品包括汽车尾气、工业排气、大气和压缩气，同时也包括气溶胶中的固体颗粒。

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大多数情况下，采用固体吸附或过滤的方法采集气态样品。吸附的方法用于采集挥发以及半

挥发样品；过滤适用于不挥发样品。

气态样品一般比较稳定，不需要特殊保存。可通过热解吸或溶剂萃取的方式将样品与吸附剂

分离。

2.2.4 生物样品采集

血液、尿液、脑脊液、唾液、汗液、毛发等。

特点：样品量少。

2.3 样品制备

除 X 射线荧光光谱、红外光谱等非常少的几种分析技术无需样品处理外，大部分分析方法或

技术均需要样品处理。

样品制备的目标：

(1) 样品溶于合适的溶剂（对于测定液体样品的分析方法）;

(2) 基底干扰被除掉或者大部分被除掉;

(3) 最终待测的样品溶液的浓度范围适合于所选定的分析方法;

(4) 方法符合环保要求;

(5) 方法容易自动化。

2.3.1 有机样品的制备

有机样品按照形态，可以分类为挥发、半挥发和不挥发样品。样品的初始形态可以是固态、

半固态（包括霜膏、凝胶、悬浮液和胶体），液态和气态。

挥发性物质通常用气相色谱分析。有关样品预处理技术有简单取样、固相俘获、液阱、顶空

采样、动态顶空技术以及热萃取等。

相对于气体和固体及半固体样品而言，液体样品比较容易，通常仅需要将样品用合适的溶剂

稀释。

对于液体样品，分析化学工作者更关心的是基底的干扰、分析物的浓度是否合适以及与所选

的分析方法是否匹配等。

有机固体及半固体样品的处理过程要复杂一些，存在两种情形：若要分析整个样品，所有成

分必须完全溶解；若对样品中的成分进行选择性测定，则待测组分需要与基底分离。对于易

溶解的盐和药片等，则只需要选择适当的溶剂即可。如果样品不溶于普通溶剂，则要考虑将

待测组分提取出来，常用的技术有过滤、固-液萃取、索氏(Soxhlet)萃取、超临界流体萃取和

超声萃取等。

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气体样品制备技术

常用溶液和悬浮液样品制备方法

2.3.2 无机样品的制备

样品干燥：一般认为干燥过程中减少的质量为水分。应注意易挥发物的损失。

包括冷冻干燥、传统的烘箱干燥、放入保干器中平衡、真空干燥、红外和微波炉干燥等。

样品的溶解：大部分固体－溶液

A. 水溶法：能够全部溶解于水(或其它溶剂)。

B. 酸溶法：例如王水(HCl:HNO3 为 1:3)能够溶解 Au、Pt 等。

C. 碱溶法：例如溶解两性金属 Al、Zn 及其合金。

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D. 熔融法：熔融法是将难以被水、酸、碱溶解的试样与溶剂相混合，加热至高温，利用发

生的复分解反应，使试样的全部组分转化为易溶于水、酸、碱的物质。（钠盐、氯化物等）

实验难度大，是不得己而用的方法。

E. 干式灰化法：

为了测定有机试样或生物试样中的一些元素，需要将试样基体破坏，将待测元素转化为便于

测定的状态。通常放入马弗炉加热，用空气氧使之分解。

F. 样品的消化： 通常借助于酸和加热。安全和特殊的容器！

2.3.3 微波方法在样品制备中的应用

微波消解方法的出现大大加快了样品的消解速度，并有可能为样品处理和分析的自动化提供

条件。

处理生物样品该方法仅需要 5－15 分钟，传统方法 1－2 小时。

2.3.4 极稀溶液分析物的稳定性

在浓度极稀(例如 10-9g/g)的情况下，分析物表现出浓度不稳定性，主要原因是容器壁的吸附。

吸附机理主要有：物理吸附；化学吸附；渗入。

pH 对各种材料的容器吸附无机离子有影响

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第三章 常用分离与富集方法

分析测定中常用的分离方法有挥发法（包括蒸馏、冷冻干燥等）、萃取法（连续萃取、固相

萃取和超临界流体萃取等）、色谱法、毛细管电泳法、离子交换法，沉淀法，浮选法以及膜

分离法等。

3.1 导言

干扰的消除－分离、富集与掩蔽

干扰是指在分析测试过程中，由于非故意原因导致测定结果失真的现象（有意造成的失真称

为过失）。主要是由于样品中与待测组分性质相似的共存物（如 Mg 和 Ca）引起的，或者是

某种外因给出与待测组分相同的信号响应，从而产生错误的结果。

干扰是产生分析误差的主要来源。消除干扰的主要方法是分离、富集和掩蔽。

3.2 沉淀分离法

根据溶解度的不同，控制溶液条件使溶液中化合物或离子分离的方法统称为沉淀分离法。

对于金属离子的分离，根据沉淀剂的不同，可分为无机沉淀剂分离法、有机沉淀剂分离法和

共沉淀分离富集法。

3.2.1 无机沉淀剂分离法

最有代表性的无机沉淀剂有 NaOH、NH3、H2S 等。

大多数金属离子都能生成氢氧化物沉淀，但沉淀的溶解度往往相差很大，有可能借控制酸度

的方法使某些金属离子彼此分离。最宜 pH 范围由实验确定。

采用 NaOH 作沉淀剂可使两性元素与非两性元素分离，两性元素便以含氧酸阴离子形态保留

在溶液中，非两性元素则生成氢氧化物沉淀。

在铵盐存在下以氨水为沉淀剂（pH 8-9）可使高价金属离子如 Th4+、Al3+、Fe3+等与大多数一、

二价金属离子分离。此时，Ag+、Cu2 +、Ni2+、Zn2 +、Cd2+等以氨络合物形式存在于溶液中，而

Ca2+、Mg2+因其氢氧化物溶解度较大，也会留在溶液中。此外，还可加入某种金属氧化物（如

ZnO）或有机碱[如 (CH2)6N4]等来调节和控制溶液的酸度，以达到沉淀分离的目的。

硫化物沉淀法与氢氧化物沉淀法相似，不少金属硫化物的溶度积相差很大，可以借控制硫离

子的浓度使金属离子彼此分离。

在常温常压下，H2S 饱和溶液的浓度大约与[H+]2 呈反比，因此，可以通过控制溶液酸度的方

法来控制溶液中硫离子的浓度，以实现分离的目的。

硫化物共沉淀现象严重，分离效果常常不理想，加之 H2S 有毒气味难闻，现在硫化物沉淀分

离法应用不广泛。

3.2.2 有机沉淀剂分离法

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有机沉淀剂种类繁多、选择性高、共沉淀不严重、沉淀晶形好、在较低温度下就能够除掉水

分。

例如：丁二酮肟在氨性溶液中，在酒石酸存在下，它与镍的反应几乎是特效的，在弱酸性溶

液中也只有 Pd2+、Ni

2+与它生成沉淀。

铜铁试剂在 1：9 H2SO4 中可定量沉淀 Fe3+、Th4+、V(V)等而与 Al3+、Cr3+、Co2 +、Ni2+等分离。

8-羟基喹啉能与许多金属离子在不同 pH 下生成沉淀，可通过控制溶液酸度和加入掩蔽剂来

分离某些金属离子。在 8-羟基喹啉分子中引入某些基团，也可以提高分离的选择性。

如：与 Al3+、Zn2+均生成沉淀，而 2-甲基 8-羟基喹啉不能与 Al3+生成沉淀，仍能与 Zn2+生成

沉淀，可使 Al3+与 Zn2+分离。

3.2.3 共沉淀剂分离富集法

但在微量组分测定中，往往利用共沉淀现象来分离和富集那些含量极微的不能用常规沉淀方

法分离出来的组分。

例如，自来水中微量铅的测定，因铅含量甚微，测定前需要预富集。若采用浓缩的方法会使

干扰离子的浓度同样地提高，但采用共沉淀分离富集的方法则较合适。为此，通常是往大量

自来水中加入 Na2CO3, 使水中的 Ca2+转化为 CaCO3 沉淀或特地向其中加 CaCO3 并猛烈摇动，

水中的就 Pb2+会被 CaCO3 沉淀载带下来。可将所得沉淀用少量酸溶解，再选适当方法测定铅。

上述方法中所用的共沉淀剂（载体）是 CaCO3，属于无机共沉淀剂。这类共沉淀剂的作用机

理主要是表面吸附或形成混晶，而把微量组分载带下来。

3.2.4 提高沉淀剂分离选择性的方法

3.2.4.1 控制溶液的酸度

这是最常用的方法，前面提到的氢氧化物沉淀分离、硫化物沉淀分离都是控制溶液酸度以提

高沉淀选择性的典型例子。

3.2.4.2 利用络合掩蔽作用

利用掩蔽剂提高分离的选择性是经常被采用的手段。

例如，往含 Cu2+、Cd2+的混合溶液中通入 H2S 时，它们都会生成硫化物沉淀；若在通 H2S 之

前，加入 KCN 溶液，由于 Cu2+与 CN-反应生成稳定的络合物，便不再被 H2S 沉淀；而 Cd2+虽

也生成 Cd(CN)42-络合物，但稳定性差，仍将生成 CdS 沉淀，这样就能使 Cu2 +与 Cd2 +分离了。

又如 Ca2+和 Mg2+间的分离问题，若用(NH4)2C2O4 作沉淀剂沉淀 Ca2+时，部分 MgC2O4 也将沉

淀下来，但若加过量(NH4)2C2O4，则 Mg2+与过量 C2O42-会形成 Mg(C2O4)2 络合物而被掩蔽，这

样便可使 Ca2+和 Mg

2+分离。在沉淀分离中应用 EDTA作掩蔽剂，可以有效地提高了分离效果。

以草酸盐形式分离 Ca2+和 Pb2+就是一例：PbC2O4 在水溶液中的溶解度比 CaC2O4 小，但在 EDTA

存在下，并控制一定酸度，就能选择性地沉淀 Ca2+而使之与 Pb2+分离。

3.2.4.3 利用氧化还原反应

许多元素可以处于多种氧化态，而不同氧化态与同一种试剂的作用常不同，通过预先氧化或

还原，改变离子的价态，可以实现分离的目的。

例如，Fe3+与 Cr

3+的分离，用氨水为沉淀剂是不能使两者分离的，如果先把 Cr

3+氧化成 CrO4

2-，

则 CrO42-就不会被氨水沉淀了，这样就能将铁和铬定量分离。

再如，在岩石分析中，Mn2+含量不高，往往仅部分地与氧化物 Fe2O3 和 Al2O3 等一起沉淀，

仍有一部分留在溶液中，就会干扰以后对Ca2+、Mg2+的测定。为此，可先把Mn2+氧化到Mn(IV)，

16

由于 MnO(OH)2 溶解度小，就可与上述氧化物一起定量沉淀，从而消除了 Mn2 +对 Ca2+、Mg2+

测定的干扰。

3.3 萃取分离法

萃取是将所要分析的化合物从一种溶液 （如水相）转移到另外一种不相混溶的溶液中（通

常为有机相）或者从固体中将化合物提取到液相中的方法。前者是液-液萃取，后者是固-液

萃取。

最近由于可反应固定相的发展，可以将物质从液相中萃取到固定相中，被称为固相萃取。

3.3.1 萃取分离的基本原理

当与水互不相溶的有机溶剂（有机相）和水溶液（水相）一起混合振荡时，由于一些组分的

疏水性而从水相转入有机相，而亲水性的组分留在水相中，这样就实现了分离和提取。

分配定律：假定化合物 A 在水相和与水不相溶的有机相中都没有达到饱和，当分配达到平

衡时，如果 A 在两相中存在的形式相同，则 A 在水相和有机相中的浓度之比在给定的温度

下是常数。该常数记作 KD，称作分配系数：

严格地讲活度之比才为常数。只有中性分子才可被萃取，而中性分子的活度受介质影响较小，

所以在应用分配定律时可用浓度代替活度。

对复杂体系，定义化合物 A 在两相中各形式浓度和之比为分配比（Distribution ratio），以 D

表示：

当化合物 A 在两相中的存在形式相同时，分配比就是分配系数，是常数。在其它情形下，

分配比不是常数，且随介质条件改变而变化。 如，I2 存在形式有 I3-，分配比随 I-浓度变化。

萃取率是衡量萃取的总效果的量，常用 E 表示：

相比 R=V 水/V 有

当 D 不高时，萃取不完全，可采用多次萃取以提高萃取率。如对于 n 次萃取，萃取率为：

17

3.3.2 萃取平衡

3.3.2.1 萃取剂在两相中的分配

大多数萃取剂是有机弱酸（碱），它们的中性形式具有疏水性，易溶于有机相，在水相中主

要是它们的各种离解形式（带正电荷或负电荷）。

在 pH=pKa时, D=½ KD；当 pH<pKa-1 时，水相中萃取剂几乎全部以 HL 形式存在, DKD；当 pH>pKa

时，D 将变得很小。

3.3.2.2 金属离子的萃取

不论萃取的机理如何，只有中性的化合物才能被萃取到有机相。

金属离子的萃取，根据萃取剂的类型可分为螯合物萃取、离子缔合物萃取等方式。

A 螯合物萃取

总的萃取平衡方程式为：

该反应的平衡常数可简称为萃取常数，用 Kex表示：

Kex 的大小，取决于鳌合物的分配系数 KD(MLn)和累积稳定常数n，以及鳌合剂的分配系数

KD(ML)和离解常数(Ka)。

若水相中只有游离的金属离子 M，有机相中只有螯合物 MLn 一种形式：

实际萃取时所涉及的平衡关系要复杂得多，如螯合剂在两相中的分配，以及它在水相中的离

解或质子化，金属离子和其他络合剂的副反应等等。（上面的 Mn+应该是各种形式的 Mn +’，

为 α[Mn+]）若考虑水相中的 M 与有机相中的 HL 的副反应，它的条件萃取比 D 为:

萃取率为 50%时的 pH 称为 pH1/2，即金属离子被萃取一半时的 pH。

在 E=50%和 R=1 时，D=1，因此：

ex M HL o wlg lg lg lg lg (HL) pHD K a n a n c n

18

为使两种金属离子达到定量分离，要求两者的 pH1/2 相差约 3 个 pH 单位(即分离效果达到

99.9%)

使两种金属离子的 pH½差值加大，以达到定量分离的目的的方法：

萃取条件相同的情况下，若两种金属离子的螯合物皆是 MLn 形式，则上式中右边的后两项

是相同的。为扩大它们间的差值，必须从前面两项考虑：(i) 扩大两种金属离子的萃取常数

的差值。应选用螯合物稳定常数相差较大的螯合剂和合适的溶剂，使被萃取的螯合物在有机

相中有较大的分配系数 KD 以及使留在水相中的另一种金属鳌合物的 KD 尽可能小。(ii) 加入

适当的掩蔽剂，使干扰离子的 αM（A）有更大的值。而被萃取的金属离子与掩蔽剂基本无作用。

B 离子缔合物萃取

阳离子和阴离子通过静电引力相结合而形成电中性的化合物称离子缔合物。该缔合物具有疏

水性，能被有机溶剂萃取。

例如：在 HCl 溶液中用乙醚萃取 FeCl4-时，溶剂乙醚与 H+键合生成离子([(CH3CH2)2OH+]，该

离子与铁的络阴离子缔合成称为佯盐的中性分子，可被有机溶剂萃取，即：

3.3.3 其他萃取方法简介

3.3.3.1 连续萃取

在很多情况下，欲萃取的物质的分配比很低，需要溶剂的体积非常大，或者需要多次萃取才

能够实现待测物质的定量萃取。连续萃取方法和装置的建立能够使得溶剂被重复使用，而且

满足有机相和水相接触的时间足够长。使得这些化合物的萃取分离或富集成为可能。例如，

以氯仿萃取可乐中的咖啡因。（E 处为水层，A 中为有机溶剂，最终被萃取到 A 中）

19

有些固体样品中待测成分的分配比较低，对于这些物质的提取则同样需要大量的有机溶剂。

理想的装置能够容纳非常细的固体颗粒以保证与有机溶剂有较大的接触面，而且能够重复使

用少量的有机溶剂。

索氏提取器（右图）。仪器由以下几部分组成：A 和 C 为加热和控温装置；圆底烧瓶 B 中盛

有溶剂；D 为萃取腔，E 为冷凝管。加热时溶剂流通的方向如箭头所示。被萃取物最终流入

B 中。之后，纯溶剂又从 B 中蒸发，重复图中所示的萃取过程。每一次循环之后，B 中的萃

取物的浓度都在增加。

3.3.3.2 固相萃取

固相萃取属液固分离,物质从液相被萃取到固相。固相萃取柱的原理与色谱分离的原理是相

同的。

最常见的是将固相填充到一个很小的柱子中，之后将样品流过柱子。固相萃取的步骤如下图

所示，分为以下五步：（1）选择合适的固相萃取柱；（2）平衡柱子；（3）加样；（4）洗涤柱

子；（5）洗脱欲测组分。针对不同的样品的极性等应该选择合适材料的柱子以及合适的洗脱

液等等。

当分析痕量物质时，固相萃取方法则比与传统的液-液萃取具有明显的优越性：不仅快速，

而且节约了溶剂，避免了浓缩步骤。几升的溶液可以通过萃取柱，痕量组分被保留在柱上，

之后用几毫升的溶剂便可将组分从柱上洗脱下来。既将待测组分从样品中提取了了出来，又

达到了浓缩的目的。固相萃取柱仅有 10-15 塔板数，远不及 HPLC 的柱效。

3.3.3.3 超临界流体萃取

超临界流体萃取是气-固萃取方式。萃取剂是处于超临界状态下的气体。

在超临界状态下，气体比绝大多数液体具有较低的粘度和近乎于零的表面张力，具有类似气

体的强大穿透能力和有机溶剂的溶解度。这一性质使得其以更快的速度穿过固相，实现分离

的目的。当萃取完全时，降低压力，气体将自动挥发，萃取下来的化合物将自动得到浓缩。

在所有的超临界流体中，CO2 被认为是最有效、最安全和最经济的萃取剂。当压力和温度在

临界范围内调节时，CO2 具有与有机溶剂相同的溶解度，因此能够对大多数有机物进行萃取。

20

超临界流体萃取装置由四部分组成：超临界流体提供系统（泵）、萃取器、控制器和样品收

集系统。

从钢瓶放出的 CO2 经高压柱塞泵压缩形成 CO2 液体，再经阀门进入载有有机萃取物的高温萃

取仪中，在超临界温度和压力下的 CO2 流经样品进行超临界萃取。随后 CO2 携带萃取物经限

流管一同从萃取池（样品管）流出并进入收集管内的回收液中。萃取物被收集在小量溶液内，

CO2 自然挥发。当 CO2 超临界流体与萃取物的极型差异较大，而不能对样品进行萃取时，可

利用另一个泵加入改性剂（夹带剂）以提高 CO2 之极性，加强极性样品的萃取效率。

3.4 膜分离法

3.4.1 透析分离

透析指利用浓度梯度的差别将低分子量的分子或离子从溶液中除掉的方法。

在医学上，肾功能衰竭的病人每三天需要进行血液透析以除去积累在血液中的盐。

在生物制备中，透析分离法用于除去小分子或盐。例如，采用透析法除去蛋白质样品中的微

量金属离子。将蛋白质溶液放入透析袋中，封口，放入纯水中。透析膜具有一定的孔径，只

允许小分子透过。由于透析袋内外的浓度差，金属离子迁移到透析袋外的水中，当浓度达到

平衡，迁移停止。当不断地更新水，迁移会进行下去，从而达到除去金属离子的目的。

3.4.2 液膜分离

液膜分离具有高效和高选择性等特点，分为乳状液膜和支撑液膜，通过选择不同的载体，可

以达到选择性分离。由于液膜分离将萃取和反萃取结合在一起，分离效率很高。

支撑液膜是指多孔固体膜材料中固定了有机溶剂（大多含有萃取剂，又称流动载体）。

乳状液膜是通过乳化制备的，根据膜相（有机溶剂或水）或接收相（内相，水或有机溶剂）

不同，分为 W/O 型和 O/W 型。制备的乳状液分散到被分离的溶液（料相或外相）中，料相

中的被分离物质通过膜相迁移入内相，实现分离。

3.5 相变分离法

是利用温度和压力的变化使得欲分离的物质发生相变，而其他组分不发生变化而达到分离的

目的。所使用的相变分离方法有挥发、区域熔融、蒸馏、升华以及冻干等方法。

3.6 浮选分离法

是指将气泡通过样品的悬浮液选择性地携带粒子到溶液表面。在浮选分离法中有吹扫－捕集

(purge and trap, PAT)、泡沫浮选(foam fractionation)等。

CO2

控制器

改性剂

排气

限流管

CO2CO2

控制器

改性剂

排气

限流管

收集器

萃取器

CO2

控制器

改性剂

排气

限流管

CO2CO2

控制器

改性剂

排气

限流管

收集器

萃取器

21

3.7 毛细管电泳法(Capillary electrophoresis, CE)

3.7.1 简介

传统的电泳技术主要是凝胶电泳，因为凝胶可以抑止因热效应而导致的对流。如果在溶液中

施加高的电压，会导致大的焦耳热，严重影响分离。

作为与色谱法并列的分离分析技术，CE 与传统的电泳技术相比，有如下特点：

(1) 应用范围广：无机和有机小分子；生物大分子，中性和荷电物质。

(2) 分离效率高：柱效可达几十万到上百万的理论塔板数。

(3) 分离模式多： 6 种模式，可容易实现各模式之间的切换。

(4) 最小检测限低：以样品绝对量表示的最小检测限很小。

(5) 分析成本低：一是毛细管成本低；二是溶剂和试剂消耗少；三是样品用量少，仅为纳升。

(6) 仪器简单：一个高压电源，一个检测器和一段毛细管就可组建一台简单的 CE 仪器。

(7) 环境友好：分离介质多为水相，且用量少。

3.7.2 毛细管电泳的基本原理

CE 是以电渗流(EOF)为驱动力，以毛细管为分离通道，依据样品中组分之间淌度和分配行为

上的差异而实现分离的一种液相微分离技术。

3.7.2.1 淌度

离子在自由溶液中迁移速率和电泳淌度𝜇的关系是：

𝑣 = 𝜇𝐸

当离子所受电场力(qE)和离子通过介质所受的摩擦力(6πηrv)达到平衡时，可得到如下公式：

绝对淌度指离子带最大电荷并且外推至无限稀释，实验中测定的为有效淌度。

22

3.7.2.2 EOF

电渗流 (Electroosmotic Flow, EOF)指毛细管内壁表面电荷所引起的管内液体的整体流动，来

源于外加电场对管壁溶液双电层的作用。

电荷分布与 Zeta 电势：水溶液中固体表面均带有过剩的电荷。就石英毛细管而言，表面的

硅羟基在 pH 大于 3 后就会发生明显的解离，使表面带负电荷。很多非离子型材料如聚四氟

乙烯等也可以产生电渗流（吸附阴离子）。双电层和管壁之间的电位差即 Zeta 电势。

电渗流淌度表示如下：

23

因此，pH 升高，硅羟基解离程度高，EOF 淌度大。

3.7.2.3 平面流型

电渗流的一个重要特性是具有平面流型。由于引起流动的推动力在毛细管的径向上均匀分布，

所以管内径向扩散对谱带扩展的影响非常小。

另外一个重要优点是可使几乎所有被分析物向同一个方向运动。原因是电渗流淌度比离子的

电泳淌度大得多！

电渗流的方向一般是从正极到负极，正离子先出峰。可以通过修饰毛细管内表面而使电渗流

的方向改变。

3.7.2.3 毛细管电泳的基本参数

CE 中的分析参数主要有迁移时间(t，定义为一种物质从进样口迁移到检测点所用的时间)，

迁移距离(l，是被分析物从进样口迁移到检测点所经过的距离，又称毛细管的有效长度)，迁

移速率(，是迁移距离与迁移时间之比)：

电场强度等于施加电压(U)与毛细管长度(L)之比：

对于毛细管区带电泳(CZE)：

CZE 测得的淌度是电泳淌度与电渗流淌度的矢量和，称为表观淌度 μa:

实验中可以采用一种中性化合物来单独测定电渗流淌度，然后求得被分析物的有效淌度

3.7.2.4 影响分离的因素

在 CE 中仍然可采用色谱中的塔板和速率理论来描述分离过程。若以电泳峰的标准偏差或方

a e EOF

24

差()表示理论塔板数(n)，则有：

造成 CE 分离过程中谱带或区带展宽的因素主要有扩散、进样、温度梯度、吸附作用、检测

器和电分散等，可用如下的总方差表示：

3.7.3 CE 体系的组成

3.7.3.1 结构

高压电源：0-30 kV

毛细管：内径 25-100 m, 长度 20-100 cm（外涂耐高温聚酰亚胺的熔融石英毛细管）缓冲液

的 pH 值和浓度

检测器：紫外吸光检测器，激光诱导荧光检测器和电化学检测器。均需要标准样品进行校准。

3.7.3.2 进样方式

进样方式有压差进样和电动进样两种。确切的进样量一般不知道，只要操作条件能够严格重

复，采用标准样品校准后，可得到准确的分析结果。

25

3.7.3.1 各种分离模式

6 种常用的分离模式，其中 CZE、EKCC 和 CEC 最为常用

CZE(C=Capillary, Z=Zone,

E=Electrophoresis)

毛细管区带电泳 离子

EKCC(MEKC+MEEKC,

K=Kinetic)

毛细管电动色谱(毛细管胶束/微乳

电动色谱)

中性或强疏水

CEC(C=Chromatography) 毛细管电色谱 同 HPLC

CGE(G=Gel) 毛细管凝胶电泳 生物大分子

CITP(ITP=isotachphoresis) 毛细管等速电泳 离子欲浓缩

CIEF(IE=isoelectric) 毛细管等电聚焦 蛋白质多肽等电点

A CZE：毛细管区带电泳

CZE 是最简单的 CE 模式，分离介质只是缓冲液。在正极进样的情况下，正离子首先流出毛

细管，负离子最后流出。中性物质在电场中不迁移，只是随电渗流一起流出毛细管，故得不

到分离。在 CZE 中，影响分离的因素主要有缓冲液的种类、浓度和 pH，添加剂，分析电压，

温度，毛细管的尺寸和内壁改性等。

B EKCC：毛细管电动色谱

EKCC 的最大特点是既可以分离离子型化合物，又能够分离中性物质。包括毛细管胶束电动

色谱(MEKC)和毛细管微乳电动色谱(MEEKC)。

MEKC 将高于临界胶束浓度的离子型表面活性剂加入缓冲液中形成胶束，被分析物在胶束(假

固定相)和水相中进行分配，中性化合物根据其分配系数的差异进行分离，带电组分的分离

机理则是电泳和色谱的结合。

MEEKC 是 1991 年在 MEKC 基础上发展起来的一种电泳技术。与 MEKC 相比， MEEKC 的样品

容量要大得多。

C CEC：毛细管电色谱

CEC 是在毛细管中填充或在管壁涂布、键合类似 HPLC 的固定相，在毛细管的两端施加高电

压，以电渗流代替高压泵推动流动相。

CEC 将 HPLC 的高选择性和 CE 的高柱效有机地结合在一起。

D CGE：毛细管凝胶电泳

CGE 是在毛细管中填充聚合物凝胶，当带电的被分析物在电场的作用下进入毛细管后，聚合

物起着类似“分子筛”的作用，小的分子容易进入凝胶而首先通过凝胶柱，大分子则受到较

大的阻碍而后流出凝胶柱。其原理类似于体积排阻色谱的分离原理。

主要用于蛋白质和核酸等生物大分子的分离。人类基因组计划的提前完成主要得益于 CGE

的发展。

3.7.4 毛细管电泳的应用举例

CZE 分离各种离子，如：Br-、ClO4-；

MEKC 分离苯酚和苯甲醇；

CEC 分离多环芳烃；

CCE 分离药物(C=Chiral)。

26

第四章 化学与生物传感器

4.1 导言

许多分析问题需要实时检测，特别是依赖于测量来做出快速决定的情况（例如过程控制或环

境监控），另外，许多情况下需要的分析信息是现场、在线或遥测。传感器能够很好地满足

这些要求。

传感器是一种信息获取与处理的装置。

化学传感器是一门由材料科学、超分子化学(分子识别)、光电子学、微电子学和信号处理技

术等多种学科相互渗透成长起来的高新技术（交叉学科）。

具有选择性好、灵敏度高、分析速度快、成本低、能在复杂的体系中进行在线连续监测的特

点；可以高度自动化、微型化与集成化，减少了对使用者环境和技术的要求，适合野外现场

分析的需求，在生物、医学、环境监测、食品、医药及国家安全等利用有着重要的应用价值。

4.2 化学传感器的定义

IUPAC 的定义：化学传感器是一种将化学信息(例如化学组成与浓度)转换为有用的分析信号

的装置。转换过程可以是电化学的、光学的、热的或质量型的。

化学信息可能源于涉及到被分析物的化学反应或体系的一种物理性质。化学信息可能是定量

的，例如，样品特定组分(可能是原子、分子、离子或生物分子)的浓度、活度或分压等；所

涉及的样品可以是固态、液态或气态。当然，化学信息也可能是定性的，例如，某种化合物

是否存在，或存在时是否超过一定的量值。例如，烟道报警器。

化学传感器中基本的功能单元如下：

(1) 分子识别元件(感受器，receptor)是发生选择性识别的区域，可以引起能够被转换器

(transducer)检测的化学或物理变化。

识别过程可以基于不同的原理，例如，化学原理，被分析物涉及到一个化学反应；物理原理，

无化学反应，但被分析物可以产生吸光度、温度、质量或电导等的变化，这些量与被分析物

的浓度有特定的关系；生化原理，涉及到生化反应，称为生物传感器。

(2) 信号转换器(换能器，Transducer)是将被分析物有关的化学信息转换为可测量的分析有用

的信号，然后记录和进一步处理。

主要有电化学电极(如电势、电流的测量)，光学检测元件，热敏电阻，场效应晶体管，压电

石英体及表面等离子共振器件等。

有些传感器还包括一个分离器，一种膜，目的是增强选择性。

一个理想的化学传感器应该具有高选择性、高灵敏度，稳定性好和耐用，并且响应时间短。

27

4.3 化学传感器的分类

通常可根据识别元件和转换器来进行分类。

4.3.1 识别元件

(1) 化学或合成的感受器。例如，基于各种平衡反应(酸碱、络合、氧化还原)的识别过程；

基于形状和大小的识别过程(各种冠醚、杯芳烃、抗菌素)以及分子印迹高分子。

(2) 生物感受器。主要应用于生物传感器中的识别元件。酶、DNA、 Aptamers、各种活体组

织、细胞等。

4.3.2 转换器

在化学传感器中主要采用的转换技术如下：

(1) 电化学转换器：将被分析物与电极相互作用的信号转换为电信号。有四类：

①电势型传感器：基于测量在零电流下电池的电势。

②伏安(安培)型传感器：测量被分析物发生氧化还原时所产生电流。

③电导型传感器：测量由被分析物所引起的电导的变化。

④电容型传感器：测量由被分析物所引起的电容的变化。

(2) 光学转换器：将由被分析物所引起的光学现象转换为电信号。光导纤维广泛地应用于这

方面，基于光导纤维所发展的传感器又称为光极(optode)。

①吸收型传感器

②反射型传感器

③发光型传感器

④光散射传感器

(3) 热转换器：将由涉及到被分析物所引起的化学反应所产生的热转换为电信号。

①催化型

②热导型

(4) 质量转换器：将由被分析物在选择性修饰表面上累计所引起的质量的变化转换为该表面

某一性质的变化。

①压电型传感器

②表面声波型传感器

(5) 基于新型原理：例如，纳米技术，扫描探针显微镜 SPMs (Scanning probe microscopes)等。

4.4 化学传感器的原理

4.4.1 电化学传感器 (Electrochemical sensors)

电化学传感器是基于电化学原理来进行传感的。优点：可小型化、便携、简单和便宜。

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4.4.1.1. 电势型传感器 (Potentiometric sensor)

电势型传感器也称为离子选择性电极(Ion selective electrode, ISE)。

A 选择性界面

假设可以在两电解质溶液相之间产生一个界面，仅一种离子可穿过，一个选择性的可透过膜

可能作为一个分离器来完成此目的。描述两相中离子平衡的公式是 Nernst 公式: (这里离子 i

是可透过的离子)

如果物质 i 活度在一相中保持恒定，则两相间的电势差(常称为膜电势，membrane potential,

Em)与另一相中离子活度的关系符合 Nernst 形式。

这种思想是离子选择性电极的本质。采用这些装置进行测量本质上是测量膜电势，其本身包

括电解质溶液相之间的液接电势。

测量电势测量的是与参比电极的电势差，是在几乎零电流下测量的。参比电极常用的是甘汞

电极和银-氯化银电极。

B 玻璃电极

玻璃电极应用于 pH 值和碱金属离子活度的测量。

进行测量时，薄膜整个浸在被测试溶液中，记录相对于一个如 SCE (饱和甘汞电极)的参比电

极的电极电势。电池结构如下：

测试溶液的性质在两个方面影响电解池的总电势差。一是 SCE 电极和被测试溶液之间的液接

界问题。希望此电势差很小并且恒定；另一个则来自于被测试溶液对玻璃膜电势差的影响。

既然电池中其它的界面均有恒定的组成，电池电势的变化可全部归结为玻璃膜和被测试溶液

之间的液接界变化。如果此界面仅对单个物质 i 有选择性，该电解池电势是：

29

商品化的玻璃电极将玻璃电极和参比电极组装在一起。

测量 pH 值的通用步骤如下： (1)将玻璃电极浸泡在水溶液中；(2)采用两个标准 pH 溶液(pH

值已知)进行校对，两者的选择应该是使被测溶液 pH 值落在期间。

实际上，玻璃相的行为是相当复杂的。膜的本体厚度大约为 50 m，它是干燥的玻璃，通过

内部存在的阳离子专一地进行电荷转移。通常，玻璃内部存在的阳离子为碱金属离子，如

Na+或 Li+。溶液中的氢离子对该区域的导电并不做出贡献。与溶液相接触的膜的表面与本体

不同，因为玻璃的硅酸盐结构是水合的。

水合层很薄，仅在该水合层中发生的玻璃和邻近溶液之间的相互作用。膜电势的出现是因为

硅酸盐网络对特定阳离子有亲和力，它们被吸附在此结构上(可能在固定的阴离子位点)。这

种作用产生电荷分离从而改变界面电势差。此电势差反过来将改变吸附和脱附的速率。事实

上，对于感兴趣的离子，如质子，它可能根本没有穿透玻璃膜。但只要感兴趣的离子主导了

膜界面区域的电荷转移。

对于上图所示的一个关于玻璃膜的模型，玻璃将被认为由三部分组成。在界面区域 m′和 m″

与溶液中成分很快达到平衡，这样每一个吸附的阳离子有一个活度，它反映了邻近溶液中对

应的活度。玻璃的本体由 m 代表，我们假设传导由单个物质进行，假设为 Na+。

因此整个体系由五个相组成，穿过膜的总的电势差是由本体区域的四部分液接界构成：

第一项和最后一项是由该界面上选择性电荷交换平衡所产生的界面电势差。这种情况被称为

Donnan 平衡(Donnan equilibrium)。

第二和三项是玻璃膜内的液接界电势。在特定的文献中，它们称为扩散电势(diffusion

potential)。

kpot 称为电势法选择性系数(一般都是小于 1 的数)。此表达式告诉我们，电池的电势与测试

溶液中的 Na+和 H+的活度有关。

基于不同组分的玻璃的不同类型的电极已商品化。它们广义上可分为：(a)具有选择性顺序

为 H+ >>> Na+ > K+、Rb+、Cs＋ >> Ca2+的 pH 电极，(b)具有选择性顺序为 Ag+ >H+ >Na+ >> K+、Li＋ >> Ca2+的钠离子选择性电极，(c)具有较窄选择性范围，选择性顺序为 H+ > K+ > Na + > NH4

+，

Li＋

>> Ca2+的通用阳离子选择性电极。

更加通用的公式称为 Nikolsky - Eisenman 方程：

30

C 其它类型的离子选择性电极

我们刚才所阐述的原理也适用于其它类型的选择性膜，它们通常可分为如下两类：

(1) 固态膜：与玻璃膜类似(玻璃膜是固态膜的一种)，其它常见的固态膜是这样的电解质，

在其表面对确定的离子有特性吸附。

例如，单晶 LaF3 膜，掺杂 EuF2 可使产生氟离子传导的空穴。除 OH－以外，它的表面仅选择

性地富积 F-。其它的装置是由不溶盐的沉淀物所制备的，如 AgCl、AgBr、AgI、Ag2S、CuS、

CdS 和 PbS。这些沉淀物通常被压制成片或分散在高聚物基底中。

(2) 液体和高分子膜：另外一种可供选择的结构是利用疏水的液体膜作为传感元件。在内充

水溶液和测试溶液之间该液膜在物理上是稳定的，并且它可以渗透一个多孔的亲油隔膜。与

此隔膜外部相接触的容器装有这种液体。这种液体中溶入了对所研究的离子具有选择性的鳌

合剂，它们提供电荷跨越膜边界的选择性机理。

基于这些原理的装置之一是钙离子选择性电极。疏水溶剂可以是磷酸二辛基苯酯，鳌合剂可

以是烷基磷酸脂钠盐，这里 R 是一个有 8-18 个碳的脂肪族链。此膜对于 Ca2+、Zn2+、Fe2+、

Pb2+、Cu2 +、四烷基铵离子敏感，对其它的物质也有较弱的敏感性。“水硬度”电极基于类似

的试剂，但被设计为本质上对 Ca2+和 Mg

2+有同等的响应。

在商品化的电极中，液体离子交换剂是以这样的形式存在的，将鳌合剂固定在疏水高分子膜

如聚氯乙稀中。基于这种设计的电极(称为高分子或塑料膜离子选择性电极，polymer or

plastic membrane electrodes, ISEs)更加耐用，通常具有更好的性能。另外，可用中性载体加

入到高分子膜，实现选择性识别。例如，钾离子选择性电极可由溶于二苯醚中的中性大环颉

氨霉素作为中性载体制备而成。

离子选择性电极的测量下限通常为 10−6 到 10−7 M。该极限主要由离子从内部溶液到样品溶液

的渗漏所决定的 。

D 气敏电极

通常，这样的装置是由一个高分子隔膜保护与测试溶液隔开的玻璃 pH 电极组成。在玻璃膜

31

和隔膜之间有小体积的电解质溶液。诸如 SO2、NH3 和 CO2 这样的小分子可穿透此隔膜与两

膜之间的电解质溶液发生反应，从而使 pH 发生变化。玻璃电极则对酸性的变化产生响应。

采用氧化钇掺杂的二氧化锆(钇锆氧化物)作为固体电解质的电化学池，可以在高温下测量气

体中氧的含量。事实上，这种类型的传感器被广泛地应用于监测汽车发动机所产生的尾气，

这样，通过控制空气与燃料的混合比来减少所排放的污染物如 CO 和 NOx。

E 酶偶合装置

酶催化反应的天然特性可被作为选择性检测分析物的基础。一个有成效的方法类似于下图所

示的电势法传感器，不同点是在离子选择性电极和高分子隔膜之间填充有固定化酶的基质。

离子选择电极的检测限：

4.4.1.2. 安培型传感器 (amperometric sensor)

电化学中通过控制外加电势(电位)，记录电流与电势的关系曲线，称为伏安法(voltammetry)。

基于该原理所制备的传感器称为伏安型或安培型传感器(voltammetric or amperometric

sensors)（或电流型）。由于外加电势的模式可以多种多样，加上有多种电极材料可供选择，

以及根据需要可设计电解池和采用不同类型的微加工技术，因此安培型电化学传感器是非常

有用的分析化学工具。主要用于检测电活性物质（可以进行氧化还原反应的物质）。

三电极系统：工作电极、参比电极、对电极。参比电极电压恒定，几乎无电流通过，因此无

iR 降。参比电极和工作电极之间的电位差可由电位仪测得。

可用于制备安培型传感器的材料：金电极、铂电极、玻碳电极（可极化电极，电势范围宽）。

但是有些离子在电极表面电子转移较慢，需要化学修饰电极来提高速度和选择性。

提高选择性和灵敏度的策略：

32

提高选择性的方法：电极表面修饰，化学修饰电极(chemically modified electrode, CME)。可

以采用各种导电高分子、纳米颗粒、碳纳米管、酶、Aptamers、抗体和抗原等进行修饰。该

领域是目前电分析化学最活跃的研究领域之一。

提高灵敏度的方法：采用脉冲技术和溶出伏安法。(脉冲使噪声衰减，溶出可以富集)

4.4.2 光化学传感器 (Optical chemical sensor)

建立在光谱化学和光学波导技术基础上的将分析对象的化学信息以光学性质(吸收与发光等)

表达的传感装置。

4.4.2.1 光化学传感器的分类

33

4.4.2.2 光化学传感器的测量体系

传感器探头的制备：敏感探针的设计与合成、光导纤维的制作、敏感材料的固定。

新型生物探针的设计与制备：量子点探针（特异性、穿透能力、生物相容性）、新型核酸适

配体、分子信标

4.5 生物传感器

生物传感器是目前分析化学中最活跃的研究领域之一，按照识别元件的不同，可分为酶传感

器、微生物传感器、免疫传感器、基因传感器等。（生物传感器不等于生物分析系统）

34

典型的酶电极示意图：

35

第三代酶电极－酶直接电化学

构筑仿生界面，SAMs（自组装膜，如烷基硫醇在金表面），超分子化学，纳米粒子，室温离

子液体（room temperature ionic Liquids, RTILs)

酶的固定化

原因：保证最大接触和响应、重复使用酶电极、保证酶稳定性、耐受干扰

问题：酶的变性、酶的失活、电化学信号的灵敏度

36

酶的固定方法：

37

第五章 表面分析技术

5.1 导言

物体与真空或气体所构成的界面称为表面。表面有着内部体相所不具备的特殊的物理化学性

质，如催化、腐蚀、氧化、钝化、吸附、扩散等，常常首先发生在表面，甚至仅仅发生在表

面。相对体相而言，表面本身具有一定的组成和结构，有其特殊性和重要性，往往专门称它

为“表面相”。

表面分析技术主要提供三方面的信息：(1) 表面化学状态，包括元素种类、含量、化学价态

以及化学成键等；(2) 表面结构，从宏观的表面形貌、物相分布、元素分布等到微观的表面

原子空间排列，包括原子在空间的平衡位置和振动结构；(3) 表面电子态，涉及表面的电子

云分布和能级结构。

基于测量光子、电子或离子辐射样品后荷电粒子(电子和离子)的表面分析技术已发展成为表

征材料和微电子器件的强大工具。基本原理如下图。需要重点考虑的是辐射斑点的大小(它

决定该技术的空间分辨率)，灵敏度(检测量下限)以及取样区的深度。

记忆：

XPS=X-ray Photoelectron Spectroscopy; UPS=Ultraviolet Photoelectron Spectroscopy; AES=Auger

Electron Spectroscopy; LEED=Low Energy Electron Diffraction; HREELS=High-Resolution Electron

Energy Loss Spectroscopy; RBS=Rutherford Backscattering Spectrometry; SIMS= Secondary Ion

Mass Spectrometry; LDMS=laser desorption Mass Spectrometry (激光解吸质谱)

所有这些方法的一个共同特点是测量需要在超高真空(ultrahigh vacuum, UHV)(<10-8

torr)中进

行。

38

表面分析的方法很多，激发源(如光子、电子、离子、中性原子或分子、电场、磁场、热或

声波等)与样品相互作用产生各种现象，同时发射出粒子或波，这些粒子和波既可以是与样

品作用后的激发束，也可以是来自样品本身，通过检测这些信号，就可得到反映样品特征的

各种信息。

在表面分析中，最常见的是光致电离后形成的光电子能谱。其基本原理是用单色光源(如 X

射线、紫外光)或具有一定能量的电子束去辐照样品，使原子或分子的内层电子或价电子受

激而发射出来。这些被光子激发出来的电子称为光电子。测量光电子的能量，以光电子动能

为横坐标，不同动能光电子的相对强度(脉冲数/s)为纵坐标作出光电子能谱图，从而获得样

品的有关信息。

5.2 光电子能谱的基本原理

在表面分析中，最常见的是光致电离后形成的光电子能谱。其基本原理是用单色光源(如 X

射线、紫外光)或具有一定能量的电子束去辐照样品，使原子或分子的内层电子或价电子受

激而发射出来。这些被光子激发出来的电子称为光电子。测量光电子的能量，以光电子动能

为横坐标，不同动能光电子的相对强度(脉冲数/s)为纵坐标作出光电子能谱图，从而获得样

品的有关信息。

用 X 射线作激发源的称为 X 射线光电子能谱(XPS);

用紫外光作激发源的称为紫外光电子能谱(UPS);

对于 XPS，较高能量的光电子可以使样品内层电子电离，此时留下来激发态并不稳定，它在

去激发过程中可以产生 X 射线荧光辐射和 Auger 电子发射。测量 Auger 电子的能量分布即得

Auger 电子能谱(Auger Electron Spectroscopy, AES)。

39

光子可以被分子(原子)内的电子所吸收或散射。

X 光－容易被内层电子吸收；紫外光－容易被价层电子吸收；真空中自由电子对光子只能散

射，不能吸收。

式中 A 为原子，hv 为入射光子， A+* 为激发态离子，e 为具有一定动能的电子。

其能量关系可由 Einstein 关系式给出：

式中 EB 是原子能级中电子的电离能或结合能，其值等于把电子从所在的能级转移到真空能

级时所需要的能量； Ek是出射光电子的动能；E r是发射光电子的反冲动能(相当于原子反冲

动能的 me/m 倍，可忽略)。

反冲动能忽略后：

实验中 XPS 测量得到的是电子的动能 Ek

光电离作用要求一个确定的最小的光子能量，称为临阈光子能量 hv0。对于气体样品，该值

就是分子电离势或第一电离能。对于固体样品，通常还需要进行功函数校准。一束高能量的

光子，若它的 hv 明显高于 hv0 ，它具有电离不同 EB值的各种电子的能力。因此光电离作用，

即使使用固定能量的激发源，也会产生多色的光致发射。单色激发的 X 射线光电子能谱可产

生一系列的峰，每一个峰对应着一个原子能级(s, p, d, f 等)，这实际上反映了样品元素的壳层

电子结构。

光电离作用的概率用光电离截面表示，即一定能量的光子与原子作用时从某个能级激发出

一个电子的概率。愈大，激发光电子的可能性愈大。

光电离截面与电子壳层平均半径、入射光子能量和受激原子序数等因素有关。一般来讲，同

40

一原子的值反比于轨道半径的平方。

对于轻原子，1s 电子比 2s 电子的激发概率要大 20 倍左右。

对于重原子的内层电子，由于随着原子序数增大而轨道收缩，使得半径的影响不太重要。同

一个主量子数 n，随角量子数 L 的增大而增大；对于不同元素，同一壳层的值随原子序数

的增加而增大。

光电子从产生处向固体表面逸出的过程中与定域束缚的电子会发生非弹性碰撞，其能量按

指数衰减。光电子能谱法所能研究的信息深度取决于逸出电子的非弹性散射平均自由程，简

称电子逃逸深度(或平均自由程)，。随样品的性质而变，在金属中约为 0.5-2 nm，氧化物

中约为 1.5-4 nm，对于有机和高分子化合物则为 4-10 nm。

5.3 X 射线光电子能谱法

激发源是元素的特征 X 射线，常用的有 Al K12 线(能量为 1486.6 eV)和 Mg K12 线(能量为

1253.6 eV)。

5.3.1 电子结合能

电子结合能是一个原子在光电离前后的能量差，即原子的始态(1)和终态(2)之间的能量差：

各种原子、分子轨道的电子结合能是一定的，据此可鉴别各种原子或分子，进行定性分析。

对于气态样品，可近似地作为自由原子或分子。如果把真空能级选为参比能级，电子的结合

能就是真空能级和电子能级的能量之差。

对于固体样品，由于真空能级与表面状况有关，容易改变，所以选用 Fermi 能级（EF，即相

当于 0K 时，固体能带中充满电子的最高能级）作为参比能级。如果样品是导体，样品与分

析器之间有良好的电接触，这样样品和谱仪的 Fermi 能级处在同一个能量水平上。但对于非

导体样品，EF就不很明确。样品和谱仪之间产生一个接触电位差，其值等于样品功函数与谱

仪功函数之差： U= sa - sp

所谓功函数，就是把一个电子从 Fermi 能级移到自由电子能级(EL)所需的能量。由下图可以

看出：

EB = hv – Ek - sp

这是计算固体样品中原子内层电子结合能的基本公式。对于同一台谱仪，sp 基本上是常数。

41

注：Ek’为样品发射电子动能，Ek为谱仪测量的电子动能，两者相差即接触电势的加速效应。

5.3.2 X 射线光电子能谱图

用元素的特征 X 射线作为激发源，常用的有 Al K12 线(能量为 1486.6 eV)和 Mg K12 线(能量

为 1253.6 eV)。4f 无电子，第一、二层能量达不到，故无峰。

每一个元素的原子都有 1－2 个最强特征峰。例如 Ag 谱中由 Mg K12 激发的 Ag 3d3/2,5/2 是最

强的峰。

5.3.3 化学位移

原子中的内层电子受核电荷的库仑引力和核外其他电子的屏蔽作用。任何外层价电子分布的

变化都会影响内层电子的屏蔽作用。当外层电子密度减少时，内层电子的结合能增加。

由于原子处于不同的化学环境而引起的结合能位移称为化学位移。

化学位移还与电负性有关。电负性是指分子内原子吸引电子的能力，其大小与原子的电子密

度有关。

42

5.4 紫外光电子能谱法

紫外光电子能谱和 X 射线光电子能谱的原理基本相同，只是采用真空紫外线作为激发源，通

常使用稀有气体的共振线如 He I (21.2 eV)、He II (40.8 eV)。

紫外线的单色性比 X 射线好得多，因此紫外光电子能谱的分辨率比 X 射线光电子能谱要高得

多。

该方法可用于分析样品外壳层轨道结构、能带结构、空态分布和表面态，以及离子的振动结

构、自旋分裂、John-Teller 分裂等方面的信息。

5.4.1 电离能的测定

价电子结合能习惯上称为电离能。由于紫外线的能量比 X 射线低，只能激发样品原子或分子

的价电子，因此，它所测量的是电离能。

5.4.2 分子振动精细结构的测定

目前在各种光电子能谱法中，只有紫外光电子能谱能够研究振动结构。一般分子振动能级的

间隔约为 0.1 eV，转动能级间隔约为 0.001 eV。UPS 的最高分辨率是 5 meV，而 XPS 为 0.5 eV。

43

5.4.2.1 原理

以双原子分子为例，双原子分子在室温时只能激发基态振动一种方式，其光电子谱带的振动

精细结构容易分辨。

Frank-Condon 原理：电子跃迁非常迅速，往往核间距来不及显著变化，因此具有相同核间距

的跃迁概率最大，叫垂直电离能，>0。绝热电离能对应于分子基态到离子基态的跃迁，因

此电离能最小，=0。

从平衡核间距的变化(可由多重峰的峰间距计算)可知电子处于什么轨道：

双分子振动频率的公式为：v=(k/)1/2

/2 (k 为化学键的力常数，为折合质量)

所以：

一个非键电子(孤对电子)被电离，k 改变不大，vion = vmole，re 不受影响，几何构型变化不大，

因此概率集中，峰的多重度少，序列短。

若被激发的电子是一个成键电子，则由于原子间成键效应减弱而使 re 增大，vion < vmole。

若被激发的电子是一个反键电子，则使 re 减小，vion > vmole。

通过 UPS 可以分析振动的精细结构，可以探知被电离的是反键、成键或非键电子，由此推

得分子轨道的成键特性。

(1)如果光电子是从非键或弱键轨道上发射出来的，分子离子的核间距与中性分子的几乎相

同，绝热电离能和垂直电离能一致，谱图上出现一个尖锐的对称峰，如谱带(a)；(2)如果光

电子是从成键或反键轨道上发射出来的，分子离子的核间距与母体分子的较大或较小，绝热

电离能和垂直电离能不一致，垂直电离能具有最大的跃迁几率，因此谱带中相应的峰最强，

其他的峰较弱。如图中谱带(b)和( c)；(3)从非常强的成键或反键轨道发生的电离作用常常呈

现缺乏精细结构的宽谱带，如(d)所示，其原因可能是振动峰的能量间距太小，谱仪的分辨

率不够或者有其他使振动峰加宽的因素所引起的；(4)有时振动精细结构叠加在离子离解的

连续谱上面，如(e)所示；(5)如果分子被电离后，离子的振动类型不至一个，谱带呈现一种

复杂的组合带，如(f)所示。

44

5.4.3 非键或弱键电子峰的化学位移

在 X 射线光电子能谱中，当原子的化学环境改变时，一般都可以观察到内层电子峰的化学位

移，这种位移是 XPS 用于元素状态分析和化合物分析的主要依据。

紫外光电子能谱主要涉及原子和分子的价电子能级。成键轨道上的电子往往属于整个分子，

谱峰很宽，在实验中测量化学位移很困难。

但是，对于非键或弱键轨道中电离出来的电子，它们的峰很窄，其位置常常与元素的化学环

境有关，这是由于分子轨道在该元素周围被局部定域的原因。

可被He I光子电离的非键或弱键轨道有被卤素取代的化合物中卤素的2p, 3p, 4p和5p轨道，

氧未共享电子对，某些类型的轨道及氮未共用电子对等。

5.5 Auger 电子能谱法

5.5.1 Auger 电子能谱法原理

Auger电子能谱法是用具有一定能量的电子束(或 X射线)激发样品，记录二次电子能量分布，

从中得到 Auger 电子信号。

5.5.1.1 Auger 过程

当用电子束(或 X 射线)激发出原子内层电子后，在内层产生一个空穴，同时，离子处于激发

态。激发态离子由于趋于稳定，自发地通过驰豫而达到较低的能级，存在两种相互竞争的去

激发过程：

45

Auger 过程是一个受激离子的无辐射重组过程，它受电离壳层中的空穴及其周围的静电效应

的控制，没有严格的选择定则。

Auger 电子的发射通常有 3 个能级参与，至少涉及 2 个能级。因此，对于只有 K 层电子的 H

和 He 原子，不能产生 Auger 电子。

5.5.1.2 Auger 电子的能量

Auger 电子的动能只与电子在物质中所处的能级及仪器的功函数（所谓功函数是把一个电

子从 Fermi 能级移到自由电子能级所需要的能量，谱仪功函数可以通过测定一已知结合能的

导电样品所得到的谱图来确定）有关，与激发源的能量无关。

因此，要在 X 光电子能谱中识别 Auger 电子峰，可变换 X 射线源的能量，X 光电子峰会发生

移动，而 Auger 电子峰的位置不发生变化，从而到达区别。

46

Auger 电子能量的通式为：

式中 Ew(Z)-Ex(Z)是 x 轨道电子填充 w 轨道空穴时释放的能量，Ey(Z+)是 y 轨道电子电离时所

需要的能量。

可根据 Z 和 Z+1 原子的 y 轨道电子单重态电离能估算出 Ewxy(Z)。测出 Auger 电子能量，对照

Auger 电子能量表，就可确定样品表面的成分。

5.5.1.3 Auger 电子产额

Auger 电子与 X 射线荧光发射是两个互相关联与竞争的过程。对 K 型跃迁，如果发射 X 射线

荧光的概率是 PKX，发射 K 系 Auger 电子的概率是 PKA ，则 K 系 Auger 电子的产额 wKA是：

由于 wKA与原子序数有关，所以两者的产额均随原子序数的变化而变化。

Auger 电子能谱法更适合于轻元素（Z32）的分析。

5.5.1.4 Auger 峰的强度

Auger 峰的强度 IA主要与电离截面 Qi和 Auger 电子发射概率 PA有关：

电子碰撞激发的电离截面 Qi取决于被束缚电子的能量 Ebi和入射电子束的能量 Ein。

如果 Ein < Ebi，入射电子的能量不足以使 i 能级电离，Auger 电子产额为零；如果 Ein 过大，则

由于入射电子与原子的相互作用时间短，不利于提高 Auger 电子产额；为了获得较大的 Auger

电流， Ein /Ebi 3 较合适。在实验中为了增加检测体积，可采用较小的入射角，10o-30o。

为了增加信噪比(本底信号变得平坦)，可采用能量分析的微分法，即以 dN(E)/dE 为纵坐标，

电子能量为横坐标作图。

47

5.5.1.5 Auger 电子能谱

Auger 电子峰叠加在二次电子谱和散射电子谱上。

对于原子序数为 3－14 的元素，最显著的 Auger 峰是 KLL 跃迁形成的，而对于原子序数为 14

－40 的元素，则是 LMM 跃迁形成的。Auger 电子能谱除对固体表面的元素种类具有标识外，

它还能反映 3 类化学效应（即原子化学环境的改变引起谱图结构的变化）：电荷转移，价电

子谱及等离子激发。

48

5.6 电子能谱仪与应用

电子能谱仪是测量低能电子的，由激发源、样品室系统、电子能量分析器、检测器和放大系

统、真空系统以及计算机（控制系统）等部分组成。

XPS、UPS、AES 的激发源不同，其余部分相同，可将这些不同的激发源组装在一起，使一台

能谱仪具有多种功能。

5.6.1 激发源

在研究结合能为几百到几千电子伏的内层电子时常用 X 光源，例如 Cu 的 K 线和 Al 的 K 线；

对于电离能约为 5-30 eV 的外层价电子则用紫外光源，例如 He 的共振线和 Kr 的共振线；

Auger 谱则用强度较大（5-10 keV）的电子枪源。

5.6.2 单色器-电子能量分析器

电子能量分析器是测量电子能量分布的一种装置，其作用是探测样品发射出来的不同能量电

子的相对强度。

现在的商品仪器绝大多数都采用静电场式能量分析器。优点是体积小、外磁场屏蔽简单、容

易安装和调试。

分析器都必须在低于 1.33x10-3Pa 的高真空条件下工作，以减小电子与分析器中残存气体分

49

子碰撞的概率；另外，整个分析器都必须用导磁率高的金属材料屏蔽，因为低能电子易受杂

散磁场的影响而偏离原来的轨道。

常用的静电场式分析器有半球形分析器和筒镜分析器两种：

半球形分析器由两个同心半球面组成，通过控制内、外球面的电位差，使进入分析器的电子

按其能量大小“色散”开，依次通过分析器。记录每一种动能的电子数，并与其对应的电子

能量作图，就可得到电子能谱图。

简镜电子能量分析器(CMA)由两个同轴圆筒组成，样品和检测器沿着两个圆筒的公共轴放置，

空心内筒的圆周上开有入口和出口狭缝。外筒加负电压，内筒接地，内外筒之间有一个轴对

称的静电场。

简镜分析器的接受角较大，因此灵敏度较高。大多数的 Auger 电子谱仪都采用 CMA。为了

弥补简镜分析器分辨率较低的不足，目前的商品仪器都采用二级串联简镜分析器。

电子能量分析器分辨率的定义是: (E/Ek)x100%，表示分析器能够区分两种相近能量电子的

能力。

5.6.3 检测器

原子和分子的光电离截面都不大，在 XPS 分析中所能够测得的光电子流仅为 10-13-10-19A。要

接受如此弱的信号必须采用单通道电子倍增管或多通道检测器。

5.6.4 真空系统

电子能谱仪的光源、样品室、分析器和检测器都必须在高真空条件下工作。这是为了减少电

子在运动过程中同残留气体发生碰撞而损失信号强度。另外，残留气体会吸附到样品表面上，

有的还会与样品起化学反应，这将影响电子从样品表面上发射并产生外来干扰谱线，通常分

50

析工作要求的真空度为 1.33x10-6Pa。

5.6.5 电子能谱的特点：

(1) 可以分析除 H 和 He 以外的所有元素(俄歇不能分析)，可以直接测定来自样品单个能级光

电发射电子的能量分布，且直接得到电子能级结构的信息。

(2) 从能量范围看，如果把红外光谱提供的信息称为“分子指纹”，那么电子能谱提供的信

息可称为“原子指纹”。它提供有关化学键方面的信息，即直接测量价层电子及内层电子轨道

能级，而相邻元素的同种能级的谱线相隔较远，互相干扰少，元素定性的标志性强。

(3) 是一种无损分析。

(4) 是一种高灵敏超微量表面分析技术。分析所需试样约 10-8g 即可，绝对灵敏度高达 10-18g，

样品分析深度约 2 nm。

5.6.6 应用

A XPS 的应用：

(1) 元素定性分析。各种元素都有它特征的电子结合能，因此在能谱图中就出现特征谱线，

可鉴定除 H 和 He 以外所有的元素。

(2) 元素定量分析。依据是光电子谱线的强度(光电子峰的面积)反反映了原子的含量或相对

浓度。在实际分析中，采用与标准样品相比较的方法对元素进行定量分析，分析精度可达

1-2%。

(3) 固体表面分析。XPS 是进行固体表面分析最常用的手段。

(4) 化合物结构鉴定。

(5) 分子生物学。

B UPS 的应用：

(1) 测量电离能。

(2) 研究化学键。从谱图的形状可以得到有关分子轨道成键性质的某些信息。例如，出现尖

锐的电子峰，表明可能有非键电子存在；带有振动精细结构的比较宽的峰，表明可能有键

存在等。

(3) 定性分析。紫外光电子能谱也具有分子“指纹”性质。虽然该方法不适用于元素的定性

分析，但可用于鉴定同分异构体，及确定取代作用和配位作用的程度和性质。

(4) 表面分析。

C AES 的应用

分析速度比 X 射线光电子能谱快，可用于跟踪某些快速过程。例如原位催化过程的研究。为

了提高灵敏度使用微分。

(1) 定性分析。

(2) 定量分析。

Auger 电流近似地正比于被激发的原子数目，常用相对测量来定量。

(3) 表面分析。

5.7 二次离子质谱

当初级离子束(如 Ar+、O2+、Cs-等)轰击固体表面时，它可以从表面溅射出各种类型的二次离

子(或称次级离子)，通过质量分析器，利用离子在电场、磁场或自由空间中的运动规律，可

以使不同质荷比(m/z)的离子得以分开，经分别计数后可得到二次离子强度－质荷比关系曲

51

线，这种分析方法称为二次离子质谱法(secondary ion mass spectroscopy, SIMS)或次级离子质

谱法，它是一种研究固体表面元素组成的表面分析技术。

二次离子质谱法可以获得固相表面及一定深度内从氢到铀的几乎所有同位素的定性和定量

信息。但容易造成表面损伤！

5.8 扫描探针显微技术

扫描隧道显微镜(scanning tunneling microscopy, STM)

原子力显微镜(atomic force microscopy, AFM)

它们与经典的光学显微镜不同，均是以微小的探针来“摸索”微观世界。

5.8.1 扫描隧道显微镜

5.8.1.1 STM 的原理

STM 在表面(尤其是明确定义的原子级平滑表面)研究方面非常有用。或许是唯一的一种能在

电化学环境下提供真实原子级分辨率电极表面结构的技术。

这种方法是基于测量一个尖的金属探针(W 或 Pt)接近电极表面并扫描时所产生的隧道电流。

隧道效应是指探针非常接近表面时其波函数与基底原子的波函数重叠产生的一种电子导电

形式。它既不是法拉第过程也不会产生化学变化。

隧道电流(itun)的简单表达形式是：

itun = (常数) V exp(-2βx) = V/Rtun

V 表示探针-基底之间的偏压，x 表示探针-基底间距，β 1Å -1，Rtun 表示隧道结的有效电阻，

一般在 109

~1011

Ω。指前因子与(填充和空的)轨道态密度重叠有关，而 β 与探针样品间的能垒

有关，其中能垒与样品的功函数有关。

只有当探针与样品接近到几个 nm 之内、偏压在几毫伏到几伏时，才会产生可测量到的隧道

电流(pA 到 nA)。隧道效应需要导体或者半导体，STM 不能研究绝缘体，AFM 什么都可以。

理想的最好的探头是什么？ 探头就是一个原子，这样分辨率最高。

5.8.1.2 应用举例

STM 通常在恒电流模式下工作，在这种模式下，首先探针 z 方向移动接近表面产生隧道电流，

然后扫描表面(x-y 平面)同时通过调节探针 z 方向上下移动，即变化 z，以保持电流恒定，从

而获得表面图像。

52

5.8.2 原子力显微镜

5.8.2.1 AFM 的原理

尽管 STM 提供许多表面的高分辨图像，但它有局限性。由于基底电阻限制了电流的检测，

所以无法用于高电阻的基底（例如，绝缘体）。

AFM 是基于测量探针扫描表面时带针尖的微悬臂偏转变化的方法，针尖通常为 Si3N4 或 SiO2

中的一种。这种偏转是由探针和表面间的短程力引起的。这种微小位移可以通过记录悬臂反

射的激光束的位置来进行测量。分辨率不如 STM。

样品固定在压电扫描器上，并由压电扫描器带动样品在 z 方向(靠近和离开悬臂探针)及 x 和

y 方向移动，带有针尖的悬臂通常由 Si 通过光刻技术来制备，激光束通过悬臂上表面金属镀

层反射到光电管上，悬臂的位移引起每个光电管上光量变化，产生一个记录下来的微分电信

号。

一般图像采集是在‘接触模式’下进行的，其中探针尽可能接近表面，力为斥力。通过 z-压电

体上下移动来保持光束偏转为恒定值，同时记录压电体电压随 x 和 y 位置的变化。其它图像

采集方式也是可能的，当探针和样品的摩擦力成为问题时，利用轻敲式有时是方便的，扫描

过程中探针被上下调制。

5.8.2.2 应用举例

AFM 可用于观测如欠电势沉积(UPD)、腐蚀或吸附引起的电极表面变化。

53

第六章 联用技术 (Hyphenated Techniques)

6.1 导言

所谓复杂样品体系，不仅仅是指样品中的组分多样性，而且还包含完全不同体系的物质共存

于一个样品中。例如：无机与有机化合物共存一体，高分子、大分子与小分子化合物共存一

体，生命与非生命物质共存一体等。需要综合利用包括色谱法和质谱法在内的多种现代分离、

分析方法。

6.2 新质谱法

6.2.1 质谱学简介及其特点

1980s 末期新软电离技术的发明，能够用于分析高极性、难挥发和热不稳定样品之后，生物

质谱才发展起来。

常规质谱分析仪的质量范围是几十到 2000 Da。

生物质谱(新质谱法)是现代分析化学及相关生化研究的热点之一和蛋白质组学的主要手段。

质谱法的特点：

(1) 高灵敏度，可测 10-8

mol 以下物质的量；

(2) 快速，数分钟内即可完成测试；

(3) 能同时提供样品的精确分子质量和结构信息；

(4) 既可用于定性分析，也可用于定量分析；

(5) 能有效地与各种色谱技术联用，如 GC/MS，HPLC/MS，TLC/MS 及 CZE/MS 等，用于复杂

体系分析。

4S: 灵敏(sensitivity)、快速(speed)、专一(specificity)、化学计量(stoichiometry)。

主要的研究领域：

(1) 如何扩大质谱仪器的质量范围？

(2) 如何使生物大分子电离和使其带多电荷(即降低 m/z)？

(3) 如何解释大质量分子质谱？

(4) 如何发展生物大分子质谱测定方法？

蛋白质组学(Proteomics)－生物质谱

生物质谱的最基本用途是能够测量多肽/蛋白质/核酸等生物大分子的分子质量，并间接推测

它们的结构及相互作用。

1994 年蛋白质组学第一次被提出(Marc Wilkins)，随后生物质谱被确认为蛋白质组学技术平

台的重要组成部分，认识到生物质谱另一吸引人之处是可以取代 Edman 降解测序方法，了

解蛋白生成的早期结构域，以及可以鉴定翻译后修饰的能力。另外，生物质谱还可以用来测

定非共价键作用如抗体-抗原结合作用。

2001 以后，随着基因组测序计划的完成，蛋白质组学的规模化已成定局，生物质谱正在发

挥着不可取代的中坚作用。蛋白质组学的研究之所以能够蓬勃发展，主要依赖于高通量分离

和分析技术的突破性进展。首先是质谱技术，尤其是软电离技术的发展和双向(二维)凝胶电

泳技术的完善，使得蛋白质的大范围高通量分析成为可能。

6.2.2 各种质谱技术

54

质谱分析是一个制备样品或从其他分析仪器引入样品样品气化并离子化引入样品离子

到分析器在分析器中按照离子的质荷比不同分离离子分别检测各种离子并得到质谱图

的过程。

质谱仪的核心是离子源和分析器，其他的部分一般根据离子源和分析器相应地配备。

离子源多种多样：

工作在真空状态下的有：电子轰击源(electron bombardment, EB)、化学离子源(chemical

Ionization, CI)、真空火花源(spark source, SS)、激光表面解析源(laser desorption, LD)等；

工作在低压下的有辉光放电离子源(glow discharge, GD)；

工作在大气压下的有电(离子)喷雾(electron/ion spray, E/IS)、电感耦合等离子体源(inductively

coupled plasma, ICP)等。

分析器类型主要有：磁偏转、四极杆、离子阱、飞行时间、离子回旋共振等。

二维质谱：两种不（相）同类型的质谱串联在一起可形成二维质谱。例如 Q-TOF MS, QQ-TOF

MS, TOF-TOF MS 以及 MSn 等。

二维质谱在提高分析灵敏度、通量等方面具有特殊的优点，是蛋白质组大规模筛选的首选工

具。

6.2.3 大分子电离技术

由于生物样品的非挥发性、热不稳定性及相对分子质量大等特性，使传统的电子轰击(EI)、

化学离子源(CI)等电离技术的应用受到极大限制。随着 FAB、MALDI、ESI、ISI、大气压下碰撞

电离(APCI)等电离技术的出现，大大提高了质谱的测定范围，改善了测量灵敏度，并在一定

程度上解决了溶剂分子干扰等问题，使质谱在生物分析中的应用得到进一步的发展。

基因组学比蛋白质组学的天然优势：只有 4 种，ATCG；PCR 技术。

55

软电离质谱技术如下：

(1) 电喷雾电离质谱(electrospray ionization mass spectrometry, ESI-MS);

(2) 基体辅助激光解吸电离质谱(matrix assisted laser desorption ionization mass spectrometry,

MALDI-MS)；

(3) 快原子轰击质谱(fast atom bombardment mass spectrometry, FAB-MS)；

(4) 离子喷雾电离质谱(ion spray ionization mass spectrometry, ISI-MS)；

(5) 大气压电离质谱(atmospheric pressure ionization mass spectrometry, API-MS)；

(6) 解吸电喷雾电离质谱(desorption electrospray ionization mass spectrometry, DESI-MS)。

6.2.4 基体辅助激光解吸电离

MALDI 离子源可以电离分子质量为 100-1000000Da 的生物分子并用于质谱分析，提供了高的

灵敏度、高的离子透过率和强的可操作性。10-12 mol。MALDI 可以与 TOF 连接。

原理：

它利用激光束照射分散于基体中的样品，由于这些基体（质）能够强烈吸收激光，从而保护

了样品分子。

激光光束的能量首先被基体中的发色团吸收，随后这些基体迅速蒸发为气相，被包含的样品

分子被带入气相，而离子化的产生是由于受激的基体将质子转移给样品。这样离子被引入质

量分析器，测量 m/z 得到质谱图，并提供其离子同位素的分布信息。

MALDI-MS 的实验参数包括：

基体和基体/分析物，激光功率，波长，脉冲宽度及记录模式(正离子或负离子)。

N2 激光由于在 UV 段(337nm)有较好的性能，而被广泛应用于 MALDI 仪器中。

MALDI 中的基体起着如下几种重要作用：

(1) 基体相当于样品分子的溶剂，样品分子被基体彼此分开，从而消弱了样品之间的相互作

用；

(2) 基体分子从脉冲激光中吸收足够的能量，提供光激发的酸或碱基团，以及在离子-分子碰

撞中电离样品分子。

选择 MALDI 的基体主要要求如下：

(1) 对激光有高的吸收系数；

(2) 与样品能够溶于同一种溶剂中（一般把混合溶液滴在探头上）；

(3) 具有真空稳定性；

(4) 对普遍存在于生物溶液中的无机盐及缓冲液等污染物具有包容性。

常用的基体有：(基本都是酸，需要让样品分子带电)

芥子酸(SA)，2,5-二羟基苯甲酸，咖啡酸，吡臻酸，安息香酸，尼古丁酸等。

MALDI 的优缺点：

优点：对样品要求低，能耐高浓度盐、缓冲剂和其他非挥发性成分；高灵敏度，样品量只需

要 1 pmol，甚至更少。

缺点：大质量离子检测较困难。离子型表面活性剂和低挥发性溶剂干扰严重。和其他进样技

术联用困难等。

56

6.2.5 大气压电离质谱方法

API-MS 指在大气压下使样品有效地电离并引入与质谱的接口，再进行质谱分析。

API-MS 的工作模式：(1) 电喷雾(ESI)；(2) 气动辅助电喷雾(又称离子喷雾, IS)；(3) 大气压碰

撞电离(APCI)；(4)解吸电喷雾电离质谱(desorption electrospray ionization Mass spectrometry,

DESI-MS)。

API-MS 可以测定的分子质量范围是 100-100000Da，精度很容易达到飞克级至皮克级的绝对

灵敏度，可适用的化合物的范围非常广泛。可与四极杆、离子阱、飞行时间质谱等组合。可

与许多进样技术兼容，如 FIA, HPLC, CE 等。

API-MS 的四种工作模式的特点：

(1) 电喷雾(ESI)：离子化过程应用电场来产生带电液滴，然后通过离子蒸发将分析物离子送

入 MS 分析（John Fenn）。

(2) 气动辅助电喷雾(IS)：具有上述电喷雾的特点，但最初的液滴形成是由辅气(如 N2)帮助雾

化的结果。

(3) 大气压化学(碰撞)电离(APCI)：利用一种气态化学反应，气体溶剂(如 CH4)作为化学离子

源来电离样品。

(4) 解吸电喷雾电离(DESI)：是在 2004 年所发展的新电离法。利用探针产生带电液滴，接着

利用高速氮气流的携带来撞击分析物表面，从而分析物表面所形成的离子再进入质谱仪进行

分析。

电喷雾的电离机理

(1) 小分子离子蒸发机理：在喷针针头与施加电压的电极之间形成强电场，该电场使液体带

电，带电的液体在电场的作用下向带相反电荷的电极运动，并形成带电的液滴，由于小雾滴

易分散，比表面增大，在电场中迅速蒸发，结果使带电雾滴表面单位面积的场强度高达 10x108

V/cm2，从而产生液滴的“爆裂”。重复该过程，最终产生分子离子。

(2) 大分子带电残基机理：首先也是电场使溶液带电而离子化， 结果形成带电雾滴，带电的

雾滴在电场下运动并迅速去溶，溶液中分子所带电荷在去溶时被保留在分子上，结果形成

离子化的分子。

ESI 电离的一个主要特点是可以在大气压下蒸发样品，离子化过程温和，产生碎片极少，是

一种软电离方法。ESI 通常可以得到多电荷分子离子，这对于测量大分子意义重大。由于大

分子可以带 10－100 以上电荷，因此，其质荷比大大降低，可用普通质量测定范围的质谱仪

进行生物大分子分析。

电喷雾离子一般每多 1000 相对分子质量可以多带一个电荷。

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影响 ESI 过程的因素

由于电喷雾过程非常复杂，影响因素有：

(1) 离子化与否主要与被分析分子的 pKa 值和溶液的 pH 有关；

(2) 喷雾状态与表面张力和黏度有关，另外，与是否有气动辅助喷雾也有关(喷雾量较大时)；

(3) 去溶好坏与干燥气体的温度和流量有关，并与溶剂的蒸发热Hvap 有关；

(4) 离子的解吸与它的溶解热(气态)有关；

(5) 气相反应与质子亲和势和电荷交换速度有关。

ESI 电离的优点：

(1) 被检测分子变成气相离子时没有受到外部能量的激发，因而不会发生裂解，没有碎片峰，

因此谱图解析相对简单；

(2) 对于多级质谱，通过碰撞诱导裂解（CID）可以产生碎片，从而提供分子的结构信息。

电喷雾质谱不仅能够产生多电荷离子、对某些极性物质电离效率高（对蛋白质接近 100 %），

而且具有软电离等特性，因而成为极性化合物（包括溶液中的离子），热稳定性差和高分子

量化合物分析最有效的工具之一。

(3)在常规电喷雾电离技术中，喷雾过程容易形成较大液滴，液滴中的样品分子不能完全离

子化，因而降低了样品的利用率和质谱检测灵敏度。

近几年发展起来的纳升电喷雾方法 (Nanospray)，采用内径为 10 μm 左右的喷针，样品注入

到喷针的喷口，在喷口前端产生喷雾，喷雾液滴比常规电喷雾产生的小 100 倍，这样可以使

样品被充分利用，并有效离子化。与常规电喷雾电离技术相比，Nanospray 流量极低，样品

消耗量极少，灵敏度可以达到 fmol。

6.3 液相色谱－质谱联用

6.3.1 概述

LC 虽然在复杂样品分析中显示出很高的分离效率，而且定量准确，但其定性分析能力却较

为薄弱，通常仅仅是根据各组分的保留特性来定性，这在复杂样品分析中，尤其在未知组分

的定性分析中具有一定的难度（可信度差和无标准品）。

质谱分析虽然具有灵敏度高、鉴别能力强等优点，但是由于离子抑制效应等的影响在复杂样

品定性分析中却具有一定困难。

液相色谱-质谱联用技术将液相色谱的高分离效能和质谱的高灵敏度及较强的结构解析能力

有机的结合在一起。

串联质谱（MS/MS，Tandem MS, MSn）技术是质谱分析中的重要联用技术，不仅可以给出样

品分子量的相关信息，而且还可以给出有关样品结构的丰富信息。串联质谱（MS/MS）技术

包括三个过程：即用来进行质量分离的第一级质谱（MS1），碰撞活化离解和用来进行质谱

检测的第二级质谱（MS2）。其中碰撞活化离解是使运动中的离子和中性惰性气体进行碰撞、

继而发生碰撞活化离解的过程。

液相色谱与单级质谱联用（LC-MS）虽然已经具有足够高的灵敏度，但是仅能提供分子量信

息，而液相色谱与多级质谱联用（LC-MS/MS）则可提供分子结构的信息。此外，通过 MS/MS

的选择反应控制模式(SRM) 或多反应检测模式(MRM)可以提高信噪比，在复杂样品分析时仍

可达到很高的灵敏度。

58

6.3.2 液相色谱-质谱联用接口技术

例如 HPLC 与 MS 接口的主要问题：

(1) HPLC 流出物如果全部气化，可产生 500-1000 mL/min 的气体，而 MS 采样仅能接受 10-50

mL/min 的气体；

(2) 通用的气相电离方法一般不适用于 HPLC 分离后的化合物（具有热不稳定性、极性和较

高分子量）。

为实现液相色谱与质谱的联用，需要解决液相色谱流动相对质谱工作条件影响的问题，为此

可以通过以下两个途径实现：

(1) 发展不同接口以协调 LC 和 MS 的不同要求；

(2) 改进液相色谱技术，如发展微柱液相色谱，减少进入质谱流动相的量；改进质谱的离子

化方法，使它们两者之间逐渐靠近。

理想的 LC-MS 接口的特点：

(1) 高效率的样品转移，可接受的样品转移精度；

(2) 可适应不同的 LC 方法；

(3) 可适应不同的质谱操作条件；

(4) 样品在转移过程中不被分解损失；

(5) 高速、方便可靠，对操作人员的技术要求不高。

6.3.2.1 大气压离子化接口技术

大气压离子化接口(API)是指离子化在常压下进行的接口，是目前液相色谱-质谱联用技术中

应用范围最广的一种接口。API 主要包括电喷雾电离（ESI）和大气压化学电离（APCI）两种

操作模式。(DESI)

商品化的接口主要有两种：

(1) 同轴转移模式（喷雾方向与 MS 入口共轴或偏一点，易污染）；

(2) 垂直正交转移模式。

电喷雾电离接口

该电离技术利用位于一根毛细管和质谱仪进口间的电势差生成离子，在电场的作用下产生以

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喷雾形式存在的带电液滴，当使用干燥气体或者加热时，溶剂蒸发，带电液滴体积缩小，电

场增强，离子向液滴表面移动并从表面挥发，最终生成单电荷或多电荷去溶剂化离子。通常

情况下，小分子生成[M+H]+或[M-H]-单电荷离子，生物大分子产生多电荷离子。

大气压化学电离接口

是将化学电离原理延伸到大气压下进行的一种新的软电离技术。样品溶液从 LC 流出，进入

具有雾化气套管的毛细管后，被氮气流雾化，然后在通过加热管时被气化，气化后的溶剂分

子在加热管端的电晕放电探针处形成反应气等离子体，样品分子通过与反应气等离子体进行

质子交换被电离，形成准分子离子[M+H]+或[M-H]

-，最后，样品分子的准分子离子通过筛选

狭缝进入质谱仪，整个过程在大气压条件下完成。

APCI（大气压化学电离）也是一种软电离接口技术，电离过程中只产生单电荷峰，非常适合

弱极性小分子化合物的测定，另外，APCI 还与高流量的梯度洗脱和高低水溶液变换的流动

相兼容，通过调节离子源电压，可以得到不同断裂程度的质谱图。

6.3.2.2 LC 与 MALDI 接口技术

LC 与 MALDI 的联用目前正在发展中，从离子化的原理看，存在一些实际困难！

6.3.3 多维液相色谱

对于一些组分复杂的样品而言，如果仅采用一维色谱分离模式，无论怎样优化色谱分离条件，

也无法使所有的组分都能达到满意的分离。

多维液相色谱(Multidimensional high-performance liquid chromatography，MDLC)不仅能够提

供更大的峰容量，而且还具有分离样品动态范围宽、分辨率高和自动化程度高等优点，它

的出现不仅很好的解决了复杂样品的分离分析问题，而且大大提高了液相色谱的分离能力和

选择性。因此，多维液相色谱与质谱联用也越来越被重视并得到迅速发展。所以，根据联用

体系中液相色谱的维数多少，液相色谱-质谱在线联用技术又可以分为一维液相色谱-质谱在

线联用模式和多维液相色谱-质谱在线联用模式。

60

6.4 电化学－光谱联用

电化学技术主要涉及电流、电势和电量的变化，在工农业和日常生活中发挥重要作用(葡萄

糖传感器和各种电池)，但采用电化学技术很难得到物质结构方面的信息。因此，有必要将

电化学技术和其他方法进行联用。

与电化学技术联用的方法最常见的是各种光谱学技术。这些技术分为现场(in situ)和非现场

(ex situ)方法。

现场方法是在控制电势或电流时考察电解池溶液中的电极表面；在采用非现场技术时，电极

是从电化学池中拿走，然后进行测量，经常是在空气或真空中进行。

6.4.1 与紫外和可见光谱联用

透射实验

光透电极(optically transparent electrode, OTE)可以是一种半导体的薄膜；或是一种沉积在各

种基底上的金属；或是由几百根细丝所构成的微栅极网格。

61

6.4.2 与振动光谱的联用

6.4.2.1 红外光谱

在红外光谱电化学(infrared spectroelectrochemistry, IR-SEC)中，被探测物质在电极表面和距电

极表面很薄的溶液层中。

由于大多数溶剂对红外辐射有较强的吸收，所以窗口和电极之间的溶液薄层必须很小(1-100

nm)。为了得到有用的信号，通常采用对电势或入射光进行调制。电势调制红外技术称为

EMIRS，即电化学调制红外反射光谱法(electrochemically modulated infrared spectroscopy)。

振荡器改变电极电势，并且为相敏检测器(PDS)（锁相放大器）提供一个参比信号。检测器

调制的 IR 信号也反馈到 PDS。锁相放大器是一个模拟的傅里叶变换器，噪音比较大，需要

锁相过滤噪音。

大多数现代 IR 光谱仪具备 Fourier 变换的多种优点。相应的 IR-SEC 技术是 SNIFTIRS，即差减

归一化界面 Fourier 变换红外光谱法(Substractively normalized interfacial Fourier transform

infrared spectroscopy)。

6.4.2.2 拉曼光谱

拉曼光谱提供与 IR 光谱互补的分子振动信息。由于激发和测量均在可见光区，电化学池可

采用玻璃窗和水溶液(两者均对红外有强吸收)。拉曼散射的概率取决于一些确定的选择规律，

但在大多数情况下是很低的，因此实验必须采用强光源和较高浓度的样品。

62

激光激发、电荷偶合装置(charge-coupled device,CCD)作为检测器

当分子吸附在特定的表面(例如银或金)时，拉曼效应可以得到很大的增强，据此所发展的方

法称为表面增强拉曼光谱法(surface enhanced Raman spectroscopy, SERS)。SERS 的 Raman 信

号增强 105－106 倍。

6.4.3 与表面等离子体共振的联用

表面等离子体共振(surface plasmon resonance, SPR)所采用的电极是沉积在一个玻璃片上的

薄金膜(约 50 nm)，激光器发出的 p-偏振光通过一个半球形棱镜照射在电极的背面，测量反

射率作为入射角的函数。SPR 可提供表面介电常数和厚度的信息，以及分子相互作用的信

息。

6.5 毛细管电泳-光谱联用

激光诱导荧光 Laser-Induced Fluorescence (LIF)

所有物质分子都有吸收光谱，但不是所有物质都会发荧光。产生荧光必须具备以下条件：

①该物质分子必须具有与所照射的光线相同的频率，这与分子的结构密切相关。

②吸收了与本身特征频率相同的能量之后的物质分子，必须具有高的荧光效率。许多吸光物

质并不产生荧光，主要是因为它们将所吸收能量消耗于与溶剂分子或其它分子之间的相互碰

撞中，还可能消耗于一次光化学反应中，因而无法发射荧光，即荧光效率很低。

由荧光的发光原理可知，分子荧光光谱与激发光源的波长无关，只与荧光物质本身的能级结

构有关，所以，可以根据荧光谱线对荧光物质进行定性分析鉴别。

照射光越强，被激发到激发态的分子数越多，因而产生的荧光强度越强，测量时灵敏度越高。

一般由激光诱导荧光测量物质的特性比由一般光源诱导荧光所测的灵敏度提高 2-10 倍。

优点：灵敏度高、线性范围宽

缺点：需要标记

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鞘流池

鞘流与样品缓冲液完全一致，所以没有光散射，降低了背景，大大地提高了灵敏度。

毛细管加 LIF，DNA 测序，96 通道。发光与检测呈垂直方向。

64

第七章 自动分析技术/微型全分析系统

7.1 导言

传统手工分析的缺点是手续繁杂、速度慢。机械操作代替手工操作，这类程序分析器一般只

适于分析一两种特定组分，通用性差。

“连续流动分析”技术基本思路是把各种化学分析所要用的试剂和试样按一定的顺序和比例

用管道和泵输送到一定的反应区域，进行混合，完成化学反应，最后经检测器检测并由记录

仪显示分析结果，实现了管道化的自动连续分析。但这些分析仍建立在化学平衡的基础上，

速度受到限制。

1975 年提出了流动注射分析(Flow Injection Analysis，FIA)的新概念。把试样溶液直接以“试

样塞”的形式注入到管道的试剂载流中，不需反应进行完全，就可以进行检测。摆脱了传统

的必须在稳态条件下操作的观念，提出化学分析可在非平衡的动态条件下进行，从而大大提

高了分析速度。FIA 技术不仅适于大批量的常规分析，也适于少量非常规样品的自动测定。

7.2 流动注射分析

7.2.1 流动注射分析的基本原理

7.2.1.1 最基本原理-受控扩散和定时重现

过程分为：试样注入、试样带的受控分散、混合过程和反应时间高度再现。

样品被注入到试剂载流后，试样塞有矩形浓度轮廓。当样品在载流载带下通过管道移动时，

就发生带展宽或扩散。展宽区带的形状由两种作用决定：对流和扩散（径向和轴向）。

流动注射分析常在对流和径向扩散两种分散共存的情况下进行。当样品通过流通池时，检测

器所记录的是连续变化的信号，可以是吸光度，电极电势或其他物理参数，因而不需要达到

化学平衡。追求的不是试样的混合均匀，反而需要梯度，但是是受控的梯度。

65

FIA 的基本特点：在样品通过分析流路时，以完全相同的方法顺序处理所有的样品。流动注

射体系中准确体积样品的注入、重现和精确的定时进样以及从注入点到检测点体系的完全相

同的操作（所谓控制或可控分散），形成注入样品的浓度梯度，从而产生瞬间的、但可精确

重现的记录信号，使得流路中的任何一点都能像稳态一样准确测量。一般用峰值作为分析信

号，可以获得较高的灵敏度。

受控扩散和定时重现是流动注射分析(FIA)的基本特点。

7.2.1.2 分散系数

为了合理地设计 FIA 体系，需要知道原始样品溶液在它流到检测器的途中稀释的程度，以及

从样品注入到读数消耗了多长时间。定义分散系数(dispersion coefficient, D)为

D＝ c0/c (D > 0)

式中 c0 为注入样品中分析物的浓度，c 为检测器中分析物的浓度。这里 D 仅考虑了分散的物

理过程；但应该强调的是：任何 FIA 峰都是两种过程同时发生的结果：区带分散的物理过程

与样品和试剂间发生化学反应过程。

分散系数主要受三种相互作用且可以控制的变量的影响，即样品体积、管的长度和流动速度。

可用染料来测定 D。

设计 FIA 体系时，需根据实验目的综合考虑各种因素的影响，以确定最佳流路。例如，建立

的 FIA 系统是用于常规大批量分析的，那么提高分析速度、增加进样频率就是要考虑的主要

方面，就应当减少进样体积，缩短管长，提高流速。

分散系数大致可分为 4 种情况：有限的（D=1~3）、中度的（D=3~10）、高度的（D>10）以及

减小的（D<1）。相应设计的 FIA 体系已被用于各种各样的分析任务。当注入的样品以未被稀

释的形式被运载到检测器时，采用的是有限分散，也就是将 FIA 体系用作将样品严格而准确

地运载到检测装置（如离子选择电极、原子吸收分光光度计等）的工具。当待测物必须与载

液混合并发生反应，以形成要检测的产物时采用中度分散。只有当样品必须被稀释到测量范

围内时才应用高度分散。减小的分散意味着检测的样品浓度高于注入的样品浓度，即发生了

在线预浓缩（例如通过离子交换柱或经过共沉淀等）。

7.2.2 流动注射分析仪的基本组成

7.2.2.1 流体驱动单元（重要）

FIA 仪一般由流体驱动单元、进样阀、反应管道和检测器组成。

在流动注射体系中，最常见的是用蠕动泵驱动溶液。通过转动的滚轴将液体压进塑料或橡胶

管。流速由马达的转速和管子的内径控制。

若固定蠕动泵的旋转速度, 流速就由每个管子的内径决定。蠕动泵可以进行几个管子的同时

66

操作，特别适于应用多种试剂但又不能预先混合的情况。FIA 也可以用活塞泵，但价格较贵，

且只允许单流路传送，对于多路管线，则需几个单独的泵。

7.2.2.2 进样阀

进样阀(valve for injection)又称采样阀、注入阀或注射阀。用得最多、且效果最令人满意的是

类似于高效液相色谱（HPLC）中所用的旋转式六通阀。注入样品的体积可以为 5 ~200 L，

典型的是 10~30 L，用具有适当长度和内径的外部环管计量。这种“塞式”注入的进样方式

对载流流动干扰很小，取样和注入过程均可精确重复。

7.2.2.3 反应管道

在 FIA 管线中所用的导管多数是由细孔径的聚乙烯管和聚四氟乙烯管组成，典型的内径为

0.5~0.8 mm。反应管道(reaction pipeline)通常是盘绕着的，可以增强径向扩散、减小轴向扩

散，减弱试样塞增宽的程度而导致更对称的峰，获得较高的灵敏度，而且可以提高进样频率。

如果在反应管道内填充直径为管道内径 60%的玻璃球，则称为单珠串反应器，用这种管道可

以得到十分对称的峰形，而分散程度比同规格内径的敞口直管反应器的分散度小 10 倍。

为了连接管道，并使液流按需要分支或集合，经常使用被称为“化学块”或“功能组合块”的装

置。在“化学块”的管道连接处可以产生“径向效应”，使试样与试剂有效地混合，因而提高进

样频率和分析灵敏度。

7.2.2.4 检测器

FIA 实际上可以与任何类型的检测器(probe unit)相匹配, 这也是 FIA 取得很大成功的原因之

一。例如 AAS、AES、分光光度计、荧光光度计、电化学系统、折射仪等。

带流通式液槽的分光光度计检测器是 FIA 中用得最多的。流通池和一般吸收池的区别在于：

流通池是动态测定，吸收池是静态测定。除了为获得一定的灵敏度而要求有足够的光程外，

还要求流通池体积尽可能小，以便减少载流量、试剂量、试样量，并提高分析速度。在液体

流通的区域内要避免死角，以避免试样残余液滞留于死角区影响重现性，或截留气泡而干扰

测定。

下图为两种常用的玻璃或石英流通池。然而，用泵输送载流通过分光光度计的做法远不如把

光束从分光光度计引入流动注射分析系统，然后再返回光度计更为合理。因而在最近的设计

中，广泛地使用了光导纤维。这样，可以将流通池和微管道结合在一起，进行吸光度测定或

荧光检测。

7.2.3 FIA 技术与应用

7.2.3.1 用于重复的和精确的样品传送（有限分散的应用）

由于 FIA 固有的严格定时性，可以用此项技术将给定的样品精确而重复地传递到检测器，从

67

而保证每一个测量循环过程中所有的条件严格保持一致。

例如，当火焰原子吸收光谱、原子发射光谱或电感耦合等离子体原子发射光谱与FIA结合时，

样品的等分试样被直接吸入火焰或等离子体, 这些分析仪器的性能就会获得改善，且在某些

情况下被大大加强。与传统的样品溶液吸入法相比，可以提高进样频率，进样速率可达 300

样/h。更重要的是，在一般吸入一个样品的时间内可以分别注入两份样品，这意味着 FIA 法

不仅能提高精度，也能改善准确度。另一个优点是样品与检测器接触的时间非常短，其余的

时间可以用载液清洗检测器。这意味着有高的清洗-进样比，因此可以大大地减少或消除由

高浓度盐造成的燃烧器堵塞的机会。

7.2.3.2 FIA 转换技术（中度分散的应用）

FIA 转换技术(conversion techniques)可以被定义为：借助适当的样品预处理、试剂生成或基

体改性，通过动力学控制的化学反应使不能被检测的物质转化成可被检测的成分的过程。

在这类 FIA 体系中，分散应当足够快，以使样品和试剂部分混合，发生反应，但又不过度分

散，以免不必要的稀释待测物，使检测灵敏度降低。多数 FIA 步骤是基于中度分散，因为待

测物必须经历某种形式的智能“转化”。

例子是在临床化学中有意义的硫氰酸盐的测定。（不稳定的化合物）

除了吸烟者外，存在于人体的硫氰酸盐浓度是极低的。硫氰酸盐在人体中的半衰期大约是

14 天，因此通过体液（唾液、血液和尿液）分析就很容易区别吸烟者和非吸烟者。一个测

定硫氰酸盐的快速而简便的 FIA 方法是基于以下的反应：

产物生成迅速，摩尔吸光系数很高，但随后就褪色，寿命约 10s。因此在生色最大的那一刻

读数很重要。

样品（50 L 唾液）被注入到水载流中，随后与试剂 5-Br-PADAP 合并，再和氧化剂重铬酸钾

合并，最终的混合体系中酸的浓度约为 2mol/L。由于 FIA 可重现的定时性，故可定量检测亚

稳态的有色产物。

68

在 FIA 系统中可以通过多相转换技术提高分析测定的选择性。例如把气体扩散、渗析、溶剂

萃取、离子交换或固定化酶等操作与管线步骤结合，以便将样品成分转变成可检测的物质。

7.3 微型全分析系统

7.3.1 导言

Manz 和 Widmer 于 1990 首次提出微型全分析系统(TAS, miniaturized total analysis system 或

micro total analysis system)。

TAS 的目的是通过化学分析设备的微型化与集成化，最大限度地把分析实验室的功能转移

到便携的分析设备中，甚至集成到方寸大小的芯片上。由于这种特征，本领域的一个更为通

俗的名称“芯片实验室”(Lab-on-a-chip, LOC)。微流控芯片(microfluidic chips)是TAS 中目前

最活跃的领域和发展前沿，它最集中地体现了将分析实验室的功能转移到芯片上的思想。

作为分析化学的前沿技术，TAS 的迅速发展不仅是该领域科学工作者不懈努力的结果，而

且得益于微机电加工(MEMS)、生物、化学、材料学、微光学机械等多门学科的最新成果的

利用。

然而， TAS 的实际应用目前尚处于初级阶段，对分析系统来讲要求达到既“微”又“全”，

从总体上看，还仅仅是目标，离真正实现还有相当大的距离。

这些目标的实现必须靠大力发展微流控技术；生物(阵列)芯片虽然是很重要的生物检测手段，

但难以在实际分析系统的“微、全”方面发挥优势。

TAS 在发展中还需要更多的基础理论来更深入地理解和掌握物质在微米尺度流动状态下的

行为，例如微米通道中的传质、导热、吸附及微区反应规律等。这些都对相关的理论研究提

出了新的挑战！

7.3.2 微型全分析系统及微流控分析芯片发展简史

间隔式连续流动分析(segmented continuous flow analysis, SCFA)是这一时期发展的有代表性

的成功范例。把分析化学转移到有流体连续流动的管道中，数毫米内径数米长的玻璃或聚合

物管道不仅是化学反应的新容器，而且也成为分析操作实现连续化自动化的“传送带”。

液体连续驱动手段－蠕动泵。

69

SCFA 设备和试样、试剂消耗及微型化方面却进展不大，分析速度比传统的手工操作也无显

著提高。是因为限制分析速度的因素是化学反应本身。

FIA 抛弃了必须实现物理平衡(完全混合)与化学平衡(反应完全)的观念，去除了管道中同时起

间隔与搅拌作用的气泡，提出了在非平衡(不完全混合、不完全反应)条件下实现重现性定量

分析的技术条件。利用了细管道(<1 mm 内径)中液体层流状态的可控性与重现性，加上准确

的时间(即流速)控制，实现了重现、但非完全的混合状态，并在此基础上来实现重现、而未

必完全的化学反应。

Manz 和 Widmer 则在发展TAS 方面要显得更为幸运和富有远见。一方面，毛细管电泳为TAS

提供了方便灵活的，在微尺度下电渗驱动手段；另一方面，在芯片上加工的毛细管电泳- TAS

又显示出比传统 CE 更优良的性能。Manz 与 Harrison 于 1992 年合作发表了首篇微加工芯片

上完成的毛细管分离的论文，展示了TAS 的发展潜力。

7.3.3 微型全分析系统的分类

TAS 可分为芯片式与非芯片式两大类。芯片式是发展重点。在芯片式TAS 中，依据芯片结

构及工作机理又可分为微流控芯片和微阵列(生物)芯片。它们均依托于 MEMS 技术，目前又

都主要服务于生命科学，但前者以微通道网络为结构特征，后者以微探针阵列为结构特征。

微阵列芯片目前的主要应用对象是 DNA 分析，所以也称为 DNA 或基因芯片。其发展要稍微

早于微流控芯片，始于 1980s，主要是在生物遗传学领域发展起来的。微流控芯片主要是在

分析化学的学科领域发展起来的。

70

7.3.4 流控分析芯片特点

优点：(1)高的效率；(2)试剂消耗少；(3)现场分析；(4)材料消耗甚微，有利于普及。

局限性：(1)不够“微”也达不到“全”；(2)成本；(3)不包括试样的前处理功能。

7.3.5 微流控芯片的分类

根据芯片材料的不同可分为：硅芯片；玻璃芯片；石英芯片；高聚物芯片；硅-玻璃、硅-石

英、玻璃-高聚物等复合材料芯片。

根据功能不同可分为：高分辨分离芯片；微采样(进样)芯片；微检测(传感器)芯片；细胞分

析芯片；前处理芯片；化学合成芯片；多功能集成芯片。

7.4 微流控分析芯片加工技术

7.4.1 微流控分析芯片的结构和加工特点

微流控分析芯片是通过微加工技术将微管道、微泵、微阀、微储液器、微电极、微检测元

件，窗口和连接器等功能元件像集成电路一样，使它们集成在芯片材料(基片)上的微全分析

系统。

其结构和加工特点如下：

(1) 以微管道为网络，将微泵、微阀、微储液器、微电极、微检测元件等连接在一起，对加

入微通道中的流体进行控制与分离测定，以完成多种分析功能，如采样、稀释、加试剂、反

应、分离、检测等。

(2) 微流控分析芯片的面积为几个平方厘米。

(3) 微管道宽度和深度为微米级。

(4) 芯片材料已从硅片发展到玻璃，石英，有机聚合物等，因此也发展了有机聚合物材料的

加工技术。在传统的光刻和蚀刻的基础上发展了模塑法，热压法，激光烧蚀法，LIGA 技术

和软光刻等新方法。

7.4.2 微流控分析芯片的材料

用于制作微流控分析芯片的材料有单晶硅、无定形硅、玻璃、石英、金属和有机聚合物，如

环氧树脂、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)和聚二甲基硅氧烷(PDMS，硅橡胶)等。

PDMS：（1）能可逆和重复变形而不发生永久性破坏；（2）能用模塑法高保真地复制微流控

芯片；（3）能透过 300 nm 以上的紫外和可见光；（4）耐用且有一定的化学惰性；（5）无毒、

价廉。

71

7.4.3 光刻和蚀刻技术-硬质材料

微细加工技术是微流控分析系统发展的前提条件。微流控分析芯片上微通道的制作，起源于

制作半导体及集成芯片所广泛使用的光刻(lithography)和蚀刻技术(etching)。它是用光胶、掩

模和紫外光进行微制造，工艺成熟，已广泛地用于硅，玻璃和石英基片上制作微结构。

薄膜沉积：光刻前先要在基片上覆盖一层薄膜，厚度为数埃到几十微米，这一工艺工程称为

薄膜沉积（氧化、化学气相沉积蒸发和溅射等）。在薄膜表面用甩胶机均匀地覆盖上一层光

胶。

光刻：将掩膜上微流控芯片设计图案通过曝光成像的原理转移到光胶层上的工艺工程称为光

刻（涂覆光胶、光刻机通过曝光将掩模上光胶转移到光胶层、显影液溶解）。

蚀刻：将光胶层上的平面二维图形转移到薄膜上并进而在基片上加工成一定深度微结构的工

艺（湿法蚀刻和干法蚀刻）。通过选用适当的刻蚀剂，使它对光胶、薄膜和基片材料的腐蚀

速度不同，可以在薄膜或基片上产生所需要的微结构。

复杂的微结构可通过多次重复薄膜沉积-光刻-蚀刻这三个工序来完成。

光刻掩模的制备：

光刻掩模的基本功能是当光线照射其上时，图形区和非图形区对光线的吸收和透射能力不同。

通过曝光成像的原理，将光刻掩模上的图形转移到基片表面的光胶层上。

常用于微电子行业的掩模材料有镀鉻玻璃板或镀鉻石英板。在它们表面均匀地涂上一层对光

敏感的光胶，用计算机制图软件绘制微流控芯片的设计图形，再通过专用的接口电路控制图

形发生器进行光刻，可在掩模材料上得到所需要的图形。精度 0.5 m。

另外一种较简单的制备掩模的方法：用微机通过 CAD 软件将微结构的设计图形转化为图像

文件后，用高分辨率的打印机将图形打印到透明薄膜上，该透明薄膜可作为光刻用的掩模。

7.4.4 软光刻-高分子聚合物微流控芯片的加工技术

高分子聚合物基片上制作微通道的技术有模塑法，热压法，LIGA 技术，激光烧蚀法和软光

刻等。

软光刻是相对于微制造领域中占主导地位的光刻而言的微图形转移和微制造的新方法。因光

刻不但需要昂贵的设备和超净实验室，也不能在曲面上加工微结构。

从 1995 年开始，G.Whitesides 等以自组装单分子层(self-Assembled monolayer, SAMs)，弹性

72

印章(elastomeric stamp)和高聚物膜塑技术为基础，发展了一种新的低成本的微细加工新技

术“软光刻”（soft lithography）。

软光刻技术的核心是图形转移元件-弹性印章。方法有微接触印刷法，毛细微模塑法，转移

微模塑法和微复制模塑法等。它不仅可在高聚物等材料上制造复杂的三维微通道，而且可以

改变材料表面的化学性质，有可能成为低成本的微流控分析芯片的新方法。

7.4.5 微流控分析系统中微流体的驱动和控制

微流控芯片分析系统在结构上的主要特征是各种构型的微通道网络，通过对通道内流体的操

控，完成芯片系统的分离分析功能。而研究与微通道相适应的微流体驱动技术是实现微流体

控制的前提和基础。

根据实现微流体控制时使用方法的不同，基本微流控技术可分为：驱动（微泵）控制、微阀

控制、芯片微通道构型控制和通道表面性质控制。

7.5 微流控分析芯片的应用

73

第八章 案例分析

8.1 导言

步骤一：选择方法

(1) 所测定样品的浓度范围？

(2) 分析精确度（精度确与时间、投入的综合考虑）

(3) 样品的数量（多与少的关系）

(4) 样品的复杂程度等（组分数等）

(5) 样品的物理化学性质

步骤二：获取样品

代表性（特别是非均匀的样品及生物样品），分析测定的可靠性很大程度上与取样有关

步骤三：样品制备

不同的样品有不同的方法（大多数情况下，需要进行样品制备（哪些分析化学技术不需要样

品制备？）

步骤四： 消除干扰

步骤五： 校正和测量浓度

步骤六： 计算结果

步骤七： 估算结果的可靠性

8.2 例子

8.2.1 小鹿的死亡

目的：通过分析样品，确定砷的存在及其形态和浓度。从而查明鹿死亡的原因，保护其他的

鹿或动物。

选择方法： 查阅 Offical Methods of Analysis (Association of Offical Analytical Chemists, AOAC)，

发现生物样品中砷的分析方法：通过蒸馏将三氧化二砷转化为氢化砷（AsH3），采用光度法

进行测定。

获取样品： 他们在实验室中将死鹿进行解剖，取肾（被怀疑的毒素砷主要存在于肾）。

样品制备： 将肾切碎、高速搅拌机中打碎、混合均匀；制备实验室分析样品（10 克，从每

个死鹿）及重复测定样品。将样品放入坩锅中加热，使有机组织转化为水和二氧化碳。剩余

的干灰中可能含有 As2O5，加入 HCl 后，转化为可溶解的 H3AsO4。

消除干扰：将 H3AsO4 转化为 AsH3 ，可以消除干扰。

测定浓度：采用光度法进行测定。

计算结果： 16 和 22ppm(10 ppm)；600ppm （草含有砷）

估算数据的可靠性：进行三次以上测定。

8.3.2 DNA 测序

8.3.2.1 DNA 测序技术-测序目的

测定未知序列；确定重组 DNA 的方向与结构；对突变进行定位和鉴定；比较研究；人类基

因组计划。

8.3.2.2 DNA 测序技术-发展历史

DNA sequencing technology，在分子生物学研究中，DNA 的序列分析是进一步研究和改造目

的基因的基础。当时用于测序的技术主要有 Sanger 等（1977）发明的双脱氧链末端终止

法和 Maxam 和 Gilbert（1977）发明的化学降解法。这二种方法在原理上差异很大，但都是

74

根据核苷酸在某一固定的点开始，随机在某一个特定的碱基处终止，产生 A，T，C，G 四组

不同长度的一系列核苷酸，然后在尿素变性的PAGE胶上电泳进行检测，从而获得DNA序列。

分析化学家们抓住了机会，在 1999 年研制出商品化的高通量 DNA 测序仪（Applied Biosystems

公司的 Model 3700 DNA sequencer），从而使该计划在 2001 年提前完成。

该高通量 DNA 测序仪是各种分析化学方法和技术联用的结晶，它集合了毛细管电泳（CE）、

阵列 CE、激光诱导荧光、DNA 荧光标记、多通道荧光检测、可更新 CE 柱材料等分析化学

方法与技术，这些方法与技术大部分是在上世纪 80 与 90 年代所发展起来的。可见社会需求

拉动了分析化学的发展，同时分析化学也为重大科学计划的解决做出了至关重要的贡献。

75

中分期末考题：

2012

一、单选

1、微流控 vs 微阵列

2、

3、FIA 的特点

4、电子能谱的特点

5、质谱离子化方式中不可用于生物大分子的是（）

6、ESI 的离子化与否主要与被分析分子的 pKa 值和溶液的 pH 有关

7、Auger 电子的动能与激发源的能量无关

8、（AES 和 X 射线荧光光谱）是双电子过程

9、光刻技术、软光刻技术、etc.的应用范围

10、质谱离子化方式中要求真空的是（）

二、填空

1、FIA 的基本特点

2、写出 MS 中的 4S（英文）

3、芯片式μTAS 以芯片结构与工作机理可分为______以______为结构特征，______以___

___为结构特征

4、在电子能量分布图上判断 Be、BeO、BeF2 的 1s 电子化学位移大小（图是 ppt 上原图）

5、FIA 中分散系数的影响因素有______、_____和______

6、FIA 使用螺旋管路的原因

7、光刻与蚀刻的三个部分

8、IR-SEC 中为了得到有用的信号，通常采用对______或______进行调制。

三、简答

1、写中英文全称+名词解释，6 选 4

LIF μTAS ESI SERS MALDI STM

2、MALDI 中基体的作用

3、ESI 的优缺点

4、Auger 电子能谱：原理，能测量的最轻元素，由电子能量分布图推断峰的成因（图是 p

pt 上原图）

5、简述软光刻技术

6、LC-MS 理想接口的要求

7、FIA：为什么不用平衡，扩散系数的定义，不同方法所适用的分散系数范围，写出分光

光度法测定 Cl-的设计图（ppt 上有）

8、电化学-光谱联用：写出两种现场方法，对照图片说明透射光谱电化学实验装置（图在

ppt 上有，OTE 那张）

四、基因组中使用的联用技术是什么联用？使其速度增快的重大改进是什么？数据处理应

当如何依此改变？

将基因组中的联用技术应用到蛋白组学中会有什么问题？LC-MS 联用有什么优势？

76

2009

选择填空

质谱的几个组成部分，在图上填

流动注射分析的组成部分，什么流体驱动装置之类的

FIA、μTAS（还有一个忘记了）的中文

XPS 和 UPS 的分辨率哪个高

再补充一下二维 HPLC 哪个比较快

名词解释 5 个

二维质谱，表面增强拉曼光谱，表面等离子体共振，光透电极，ESI

简答 8 个

DNA 检测里面多通道 CE-LIF 原理

酶电极，给了循环伏安图

STM/AFM 原理

光电子能谱为什么要高真空

MALDI 为什么加金属粉末

微流控和微阵列芯片的区别

FIA 为什么不用平衡

还一个是选择分析方法

一个综合题，跟 LC-MALDI 有关的

2008

1.血糖仪的原理

2.那种电子能谱可以反应振动结构

3.以氧气为中介的酶电极是第几代

4.14N 15N(同位素)的自然丰度用那种方法可以测得

5.生物传感器的分类

6.MALDI ESI 中文

7.4S 具体指的是什么

8.质谱仪的结构包括那些

9.Nanospray 比普通的电喷雾的优势

10.FIA 的定义（填空，所填的是 FIA)

11.流动注射分析仪的组成

12.光刻蚀刻的三个部分

13.（miu）TAS 的中文，芯片分类

14.xps,ups,AES 的激发源及适用范围

15.第二代酶电极的机理（给了一张极谱图进行分析）

16.三代酶电极的各自特点

17.简述软光刻技术

18.为什么光电子能谱仪要在高真空下进行

77

19.简述 FIA 为什么不需要达到平衡进行分析

20.基因组中使用的联用技术是什么联用；

重大的改进是什么？

LC-NMR 进行联用需要考虑哪些方面

21.ESI 优点和不足