《儀器分析綜論》PPT课件.ppt
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1、第二章 儀器分析綜論,第一節 傳統分析與儀器分析 第二節 分析儀器種類 第三節 食品、營養生化分析常使用的分析儀器 第四節 儀器分析常用定量原理,第一節 傳統分析與儀器分析,化學分析依儀器使用情形又可分成傳統或古典分析與儀器分析二種,以下將分別說明。,傳統分析 儀器分析,傳統分析,傳統分析常利用所謂的溼的化學“wet chemistry”,即在液體狀態下所進行的化學分析,通常必須先配製成溶液。食品分析中的粗估分析(proximate analysis)即屬於此類。傳統分析的操作方法有沉澱、萃取及蒸餾等,偵測方式有靠顏色、氣味、光學活性、折射率與熔點、沸點等。傳統分析的優點是成本低且對所操作儀器
2、的校正需求較低;但是缺點是缺乏靈敏度與特異性。一般傳統分析所採用的方法包括以下五種:,滴定分析(titrimetric analysis):以標準溶液滴定待測溶液觀察到達滴定終點所需體積,最後利用當量平衡計算待測物濃度,屬容量分析的一種,例如:以滴定法測定滴定酸度或以凱式法(Kjeldahl method)測定粗蛋白(crude protein)。 重量分析(gravimetric procedures):觀察脫水或加熱前後重量變化,例如:測水含量(moisture content)、灰分(ash)、粗纖維(fiber)等。,溶劑萃取(solvent extraction):使用有機溶劑萃取後
3、除去溶劑稱重,也屬重量分析,例如:索式萃取法(Soxhlet extraction)測粗脂。 折射學(refractometry):折射率(refractive index)=sini/sinr,其中i為入射角,r為折射角。利用折射率與試樣溶液中待測物濃度有關的原理,例如:使用糖度計(saccharimeter) 測定糖水中的糖濃度。,旋光度或偏極化(polarimetry):使用偏極計利用旋光度=lc方式求得待測物濃度,公式中為比旋光度(指1 g/mL溶液在1 dm長試樣槽、20、波長589.3 nm的旋光度),l為試樣槽長度(dm),c為濃度(g/mL)。在食品簡易分析中此法常被用來測定糖
4、濃度。 雖然傳統分析有時也會使用一些儀器,例如:糖度計的量測計(meter)或索氏萃取器的裝置(apparatus),但因大多未使用精密電子組件,因此較少被歸類為儀器分析。,儀器分析,相對傳統分析而言,儀器分析具有快速、靈敏度高、再現性高、檢測極限低等優點。儀器分析的操作方法為層析分離等,偵測方式則包括輻射的吸收與放射、導電度及電極電位等。,儀器進行化學分析主要是分析元素或分子的定性或定量,在食品及藥粧品領域中較常進行分子或化合物的定量。儀器分析依待測物質性質可分成無機和有機性,在無機物元素定性分析最常使用為感應偶合電漿分析(induced coupled photometry;ICP)和為感
5、應偶合電漿-質譜(induced coupled photometry-mass spectrometry;ICP-MS)。有機物的定性分析,可利用紅外線光譜(infrared spectrometry;IR)推斷特定官能基,再以核磁共振儀(nuclear magnetic resonance;NMR)分析原子相對位置,並以質譜找出分子量;若為混合物則需先利用層析分離純化後,再進行結構分析。在定量上則常用光譜分析和層析分析來進行。在儀器分析科學領域中,除分析化學性質外,也有針對物理性質分析的儀器,例如:本書所提及的流變儀等。儀器分析前通常須進行一些前處理流程,以適合最後的分析。以下為一般成分複
6、雜的天然物進行的步驟,即將混合物逐步粗分、細分後成為純物質,最後進行定性或定量。,儀器分析 林志城 編著,取樣 均勻化 區分 分離 分析,取樣,取樣是一項重要的步驟,雖然可能只是簡單的方法,但是對結果的判別非常重要,特別是在作品管管制(quality control)分析時。大量群體(population)應取代表性的樣品,且需取足夠的樣品數,才能合乎統計分析的需求,許多標準作業手冊中均會詳述取樣的程序與方法。,均勻化,有時是為了取樣方便而使用的步驟,因此也會在取樣之前進行。均勻化的處理方式很多,例如:分切、研磨、溶解及分散等,主要目的是幫助後續步驟的進行。,區分,其意義在於將樣品分成幾個部分
7、(fraction),使不同性質的部分被區分開來。區分的方法很多,包括:萃取(利用極性區分)、離心過濾(利用比重區分)、蒸餾或分餾(利用沸點區分)、蒸發(利用蒸氣壓區分)、電析(利用電性區分)及層析(這裡指的是製備型管柱)等。成分越複雜的樣品越應執行此部分,否則後續的分析容易有複合效應(matrix effect)或受到雜質干擾。,分離,將已粗分的樣品,進一步分離成純物質或單一成分。最常見的方法就是層析,傳統使用的薄層層析分析(thin layer chromatography;TLC)由於缺乏自動化與精準度,已逐漸被現代的管柱層析取代,例如:高效能液相層析分析儀(high performan
8、ce liquid chromatography;HPLC)或氣相層析儀(gas chromatography;GC)所取代。薄層層析分析現在多被用於選擇高效能液相層析分析沖提溶劑條件或是製備層析時判斷成分是否分開時使用。帶電或離子化的成分分離還可利用如電泳等方式進行。另外分析儀器有時會把區分和分離放在同一部儀器來完成,例如:串聯的二枝管柱(couple column)層析分析。,分析,即本書所提及的各種分析儀器,採用種類依其試樣型態(固體、液體與氣體)或分析目的(定性或定量)而異。許多分析儀器可自動化的同時分離和分析,例如:最常見的高效能液相層析儀聯結紫外光可見光偵測器(HPLC/UV-Vi
9、s)或氣相層析儀聯結質譜儀分析(GC/MS)等。,第二節 分析儀器種類,分析儀器依偵測性質主要可分成電磁輻射和電子訊號,以偵測訊號分類各種儀器分析方法如下: 電磁輻射: 輻射的放射:放射光譜(X-ray、紫外線、可見光)、螢光、磷光、化學發光。 輻射的吸收:光譜法、光度法(X-ray、紫外線、可見光、紅外線)、原子吸收光譜、核磁共振、電子自旋共振。 輻射的散射:濁度測定法。 輻射的折射:折射法。,輻射的繞射:X-ray繞射。 輻射的轉動:偏光法、旋光度法。 電子訊號: 電位:電位法。 電荷:電量測定法。 電流:電流滴定法、極譜分析法。 電阻:電導度測定法。,當然除此二類外,操作方法的層析法是以
10、分離為目的,但為偵測所分離出來成分的定性與定量,就會聯結上述所列的偵測器,例如:高效率液體層析分析會聯結如紫外光可見光偵測器(UV/Vis)、螢光偵測器(fluorescence detector)、折射率偵測器(refrective index detector;RI)等輻射訊號儀器;氣體層析分析會聯結如熱傳導偵測器(thermal conductivity detector;TCD)等電子訊號儀器。尚有許多如偵測重量的熱重分析法等。,不同之分析儀器有不同適用的時機,如表2-1所示,有些分析儀器適用於分析分子或化合物;有些適用於分析原子或元素;有些適用於定性;有些適用於定量。,儀器分析 林志
11、城 編著,分析分子或化合物的儀器 元素分析儀器,分析分子或化合物的儀器,其實分析儀器日新月異且種類繁多,許多新型態偵測方式持續被開發。有關分子或化合物的分析儀器主要有以下13種:,可見光光譜 紫外光吸收光譜 紫外光螢光光譜 紅外線光譜 核磁共振 X-射線繞射 X-射線吸收,輻射追蹤技術 質譜 熱分析 氣相層析分析 高效能液相層析分析 電子顯微術,可見光光譜,利用特定試劑使無機物或有機物生成在特定波長吸收的元素或化合物,此產物若為有顏色物質,可稱為顏色測定分析(colorimetric analysis)或可見光光譜分析(visible spectrophotometric analysis)。
12、這種方法是最普遍被使用,且常作為例行性定量分析方法,靈敏且具有選擇性。,紫外光吸收光譜,紫外光吸收光譜分析在定性上可鑑定特定的官能基、含鍵的不飽和化合物與芳香族,在定量上可以運用於天然物中不飽和化合物的例行性分析。此法易受干擾物質對光譜重疊影響,且較少應用於微量分析。,紫外光螢光光譜,紫外光螢光光譜分析利用於特別是芳香族的不飽和化合物,雖不能判斷分子量,但可相當程度指出某些官能基,且較紫外光吸收光譜分析靈敏。紫外光螢光光譜分析是非常靈敏的方法,其偵測濃度可至108 g/g或10 ppb,但仍需注意干擾物質的光譜重疊影響和壓制效應(quenching effect)。,紅外線光譜,定性上主要用於
13、推斷有機分子官能基,並可區分碳氫鏈與芳香族,也可指出是否含有不同元素與其環境位置。紅外線光譜可用於高濃度有機分子的例行性分析,較適定量樣品型式是液體和固體,而氣體靈敏度太低較不適用。相關有拉曼光譜(Raman spectroscopy)可用於聚合物分析。,核磁共振,定性上主要用於鑑定有機分子中氫(H)和碳(C)型式,可判別出官能基的相對位置;也可指出是否含有異元素,例如:硫、氮、鹵素。雖然也可用於測定百分率濃度,但對於微量測定可能不夠準確。,X-射線繞射,X-射線繞射被用於測定晶格,或是鑑定結晶與土壤、聚合物、天然物等的結構和組成。在生化上可用於分析純化蛋白質的三度空間結構,在定量上可用於測定
14、混合物中結晶比率。,X-射線吸收,X-射線吸收主要用來檢測高分子量元素在低分子量複合物(matrix)的位置或固體試樣中的空洞,例如:海關檢查皮箱內容物、人體中骨頭位置等。,輻射追蹤技術,藉由輻射標示(radiolabeling)的化合物可以追踪其在生物體、工廠或河川等系統中的路徑或流向。,質譜,質譜可分析高分子量無機物或有機物的分子量,也可鑑定成分官能基和結構。在定量上廣泛的應用於測定液體和氣體試樣中成分含量。,熱分析,熱分析可分析無機物和部分有機物的相變化、加熱時化學變化、熱變化圖、熱融合、熔點、沸點、乾燥過程、分解過程或是化合物的純度。此法缺乏靈敏度不適合微量分析,但可在高濃度範圍分析定
15、量無機物中成分含量。,氣相層析分析,利用氣相層析儀可藉滯留時間定性分析氣體或低沸點分子,但通常必須和標準品比對才能進一步作鑑定。氣相層析分析是廣泛使用於定量有機物或無機物的方法,利用和標準品比較波峰面積可準確地進行定量。,高效能液相層析分析,利用液相層析分析儀可藉滯留時間定性分析液體樣品,不過通常必須藉由和標準品比對才能進一步作鑑定。液相層析分析是廣泛使用於液態或溶液、高分子量分子或熱不安定物質之定量分析,對於如天然動植物等複雜試樣的分離定量特別有用。,電子顯微術,主要用於分析觀察結晶或植物、細胞、組織、微生物等表面和結構。,元素分析儀器,有些儀器用於分析元素,以下5種為常見元素分析儀器:,放
16、射光譜分析 火焰光譜分析 原子吸收光譜分析 X-射線螢光分析 電子分光術,放射光譜分析,包括電漿放射(plasma emission)或感應偶合電漿分析等放射光譜分析是金屬元素定性、定量分析的最佳方法,其偵測範圍很廣,從ppm (106)至百分率(102)皆具靈敏度。感應偶合電漿質譜分析(ICP-MS)可同時偵測多個金屬元素分析,偵測範圍從ppb (109)至百分率(102)皆具線性關係,也可提供元素中同位素分布的資訊。,火焰光譜分析,火焰光譜分析對於鹼金族和鹼土族金屬元素的定性測定特別有用,也能作為鹼金族、鹼土族金屬元素和過渡金屬的的定量分析。和放射光譜比較起來,其光譜較簡單但靈敏度也較低。
17、,原子吸收光譜分析,原子吸收光譜雖然無法利用於定性分析,但是此法是定量測定金屬或金屬類化合物的最準確、最靈敏的方法,以絕對量而言可測至1014 g。不過此法不能測定非金屬。,X-射線螢光分析,定性上X-射線螢光分析用於分析原子數大於10的金屬或非金屬。在定量上可測定特別是高分子量的元素,具靈敏度且準確度高。,電子分光術,主要利用於試樣的表面分析,靈敏度高到可偵測原子數目;電子分光術僅能作半定量分析,但分析結果可顯示分析元素在表面的分布。,第三節 食品、營養生化分析常使用的分析儀器,食品、營養生化分析使用分析儀器最主要是要達成最後定性與定量分析的目的。因此以功能性來分類能表現出欲達成分析目的所需
18、採取的方法,最常用的分析儀器依分析目的可分成以下四類: 成分定量儀器:光譜分析儀、螢光光度計、折射計。 分離定量用儀器:氣相層析分析、高效能液相層析分析、胺基酸分析儀(amino analyzer)。,構造分析儀器:紅外線光譜、核磁共振儀、質譜、X-ray繞射分析。 成分物化性質分析儀器:色差儀(color difference meter)、流變儀(rheometer)、差示掃瞄熱分析儀(differential scanning calorimeter;DSC)、電泳。,成分定量儀器 分離定量用儀器 構造分析儀器 成分物化性質分析儀器,成分定量儀器,除折射率分析外,光譜分析是最普遍且方便的
19、定量儀器,光譜(spectrum)是指光的圖譜,光譜可由訊號對不同波長作圖產生。粒子會吸收能量或輻射激發(exciting)至高能階的激發態,而在高能階會藉鬆弛(relaxing)過程釋放能量回到低能階。釋放能量的方式包括:(1)非輻射鬆弛(振動鬆弛),導致環境溫度上升;(2)輻射鬆弛,如螢光。光譜分析是研究原子、分子或化學物種與電磁輻射(electromagnetic radiation)間的交互作用,透過測定輻射被吸收或放射可偵測許多成分。雖然原子和分子皆有其吸收與放射光譜,但是其中最廣泛被使用是吸收光譜分析,特別是生化領域主要為有機分子,分子吸收光譜尤其重要;放射光譜分析則常被利用於特定
20、礦物質的測定。而光譜分析技術與其使用電磁輻射波長區域有關,例如:紫外光吸收光譜分析指在紫外光區吸收輻射所獲得的資訊。,物質會吸收光、熱、X ray等能量,伴隨著熱放射而發光。此種發光為冷光(luminescence)。吸收紫外光或可見光的能量再發光的光稱光冷光(photoluminescence),有螢光和磷光。螢光和磷光的產生需在特定條件下,且與物質量的比例有關,例如:維生素B1或維生素B2在紫外線激發並不會產生螢光,但在氧化後會產生鹼性的發螢光物質,即可使用螢光分析。又如胺基酸等本身並不會發螢光,可利用與螢光劑結何產生的物質即可利用螢光分析。此方法不受雜質或干擾物影響且非常靈敏,可測到10
21、9 mole範圍。有機分子吸收光能量後移至激發態,在回到基態時一部分能量會轉為分子內部振動後發出螢光。,分析所使用到的波長區域在X-ray至紅外線IR區域。 光譜分析方法在儀器分析中常被使用來進行定性分析與定量分析。運用在生化、食品、藥物領域的光譜法(spectroscopic methods)主要有以下重要種類:,顏色學(colorimetry) 和紫外光可見光光譜分析(UV/visible spectrophotometry)。 紅外光譜分析(infrared spectophotometry;IR)。 近紅外線光譜分析(near infrared spectrophotometry;NI
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