分析化学

来源：弗吉尼亚大学 B. 茉莉·文顿博士实验室

来源：弗吉尼亚大学 B. 茉莉·文顿博士实验室 许多化学分析的目标是定量分析，即确定样品中某种物质的含量。为了准确计算样品中未知物质的浓度，精细的样品前处理至关重要。每次处理或转移样品时，都可能造成部分样品损失。然而，存在多种策略可将样品损失降至最低，同时也有一些方法可在发生样品损失的情况下，仍实现对浓度的准确测定。 为最大限度减少样品损失，理想做法是尽量减少样品操作和转移的步骤。例如，将固体样品直接称量至用于配制溶液的容量瓶中，可减少一次转移步骤。如果必须将样品从一个烧瓶转移至另一个烧瓶并进行稀释，则对玻璃器皿进行三次冲洗有助于确保所有样品完全转移。其他策略则更针对特定样品。例如，易吸附于玻璃表面的样品（如蛋白质）更适合在聚丙烯一次性离心管中处理。这些离心管 不具亲水性，因此若需将少量样品用移液枪加入水中，最好先将水加入离心管中，再将样品直接移入溶剂。由于样品复水后可能因不溶性造成损失，因此将其浓缩而非完全干燥可能更为适宜。

来源：Paul Bower 博士实验室 - 普渡大学 标准加入法是一种定量分析方法，当待测样品含有多种组分并导致基质效应时，常采用此方法。这些额外的组分可能会减弱或增强被分析物的吸光度信号，从而在分析结果中引入显著误差。 标准加入法通常用于消除测量中的基质效应，因为假设基质对所有溶液的影响是相同的。此外，该方法还用于校正萃取过程中进行的化学相分离。 该方法通过读取未知溶液的实验信号（本例中为荧光强度），然后在未知溶液中加入不同量的已知标准品，分别测量其荧光强度。数据以荧光强度为纵坐标，标准品添加量为横坐标作图. 加入标准品的量（未添加标准品的未知样品本身 plotted 在 y 轴上）。最小二乘法拟合直线与 x 轴的交点位于未知样品浓度的负值处，如图所示 图1. 图1.

来源：弗吉尼亚大学 B. 茉莉·文顿博士实验室 校准曲线用于理解仪器对分析物的响应，并预测未知样品中的浓度。通常，制备一系列浓度范围涵盖目标未知样品的标准样品，并记录每个浓度下的仪器响应值。为了提高准确性并评估误差，可在每个浓度下重复测量响应值，从而获得误差棒。然后使用某种函数对数据进行拟合，以便预测未知样品的浓度。通常情况下，响应呈线性关系，但只要函数形式已知，也可使用其他函数拟合出曲线。校准曲线可用于计算检测限和定量限。

来源：弗吉尼亚大学 B. 茉莉·文顿博士实验室 紫外-可见（UV-Vis）光谱法是最常用的分析技术之一，因为它具有高度的通用性，几乎能够检测所有分子。在紫外-可见光谱法中，紫外-可见光穿过样品，测量样品对光的透射率。根据透射率（T），可计算吸光度 A = -log(T)。由此获得的吸光度光谱显示了化合物在不同波长下的吸光度。在任一波长处的吸光度大小取决于分子的化学结构。 紫外-可见光谱（UV-Vis）可用于定性分析，通过比对吸收光谱来鉴定官能团或确认化合物的身份。 它也可用于定量分析，因为待测物的浓度与吸光度之间遵循朗伯-比尔定律（Beer's Law）。紫外-可见光谱法常用于测定样品中DNA或蛋白质的含量、水质分析，并作为多种色谱技术的检测手段。通过在一段时间内连续进行紫外-可见光谱测量，还可用于测定化学反应的动力学过程。紫外-可见光谱测量通常使用分光光度计完成。此外，由于紫外-可见光谱能够检测多种化合物，因此它也是其他分析技术（如色谱法）中广泛使用的检测器。

来源：Ryoichi Ishihara 博士实验室 — 荷兰代尔夫特理工大学 拉曼光谱是一种用于分析系统中振动及其他低频模式的技术。在化学领域，它通过拉曼指纹来鉴定分子；在固体物理学中，它用于表征材料，特别是研究其晶体结构或结晶度。与其他晶体结构分析技术（如透射电子显微镜和X射线衍射）相比，拉曼显微光谱具有非破坏性、通常无需样品制备，并可在微小样品体积上进行检测等优势。 进行拉曼光谱分析时，需将单色激光照射到样品上。必要时，样品可覆盖一层无拉曼活性的透明材料（例如 SiO2），或置于去离子水中。收集样品发射的电磁辐射（通常位于近红外、可见光或近紫外波段），滤除激光波长（例如通过陷波滤光片或带通滤光片），然后将剩余光信号通过单色仪（例如光栅）导入 CCD 检测器。利用该方法，可捕获源自拉曼散射的非弹性散射光，并用于构建样品的拉曼光谱。 在拉曼显微光谱分析中，光线在到达样品前会先通过显微镜，从而可将光聚焦到小至1 µm2的区域。这使得能够对样品进行精确的成像 mapping，或进行共聚焦显微观察以研究多层结构的堆叠。然而，必须注意避免微小而高强度的激光光斑对样品造成损伤。

来源：Lydia Finney 博士实验室 — 阿贡国家实验室

来源：弗吉尼亚大学 B. 茉·文顿博士实验室 气相色谱法（GC）用于分离和检测气相中低分子量的化合物。样品可以是气体，也可以是在进样口汽化的液体。通常，被分析的化合物分子量小于 1,000 Da，因为较大分子的化合物难以汽化。气相色谱法在环境监测和工业应用中广受欢迎，因其可靠性高，几乎可以连续运行。GC 通常用于检测小分子、易挥发性化合物，且适用于非水溶液。液相色谱法则更常用于水相样品的分析，并可用于研究较大分子，因为其分析过程无需汽化。GC 更适用于非极性分子，而 LC 则更常用于分离极性分析物。 气相色谱的流动相是载气，通常使用氦气，因其分子量低且化学性质惰性。 施加压力后，流动相推动待分析物通过色谱柱。分离过程依赖于涂覆有固定相的色谱柱来实现。开管毛细管柱是最常用的色谱柱，其固定相涂布在毛细管内壁上。固定相通常是聚二甲基硅氧烷的衍生物，其中5–10%的基团经过功能化修饰以调节分离性能。常见的功能基团包括苯基、氰丙基或三氟丙基。毛细管柱的长度通常为5–50...

来源：Paul Bower 博士 - 普渡大学 高效液相色谱法（HPLC）是一种重要的分析方法，常用于分离和定量液体样品中的组分。在该技术中，将一种溶液（第一相）泵入含有填充材料的色谱柱中，该填充材料由表面键合有第二相的小型多孔颗粒组成。样品中各组分在这两相中溶解度的不同，导致它们以不同的平均速度通过色谱柱，从而实现各组分的分离。被泵送的溶液称为流动相，而色谱柱中的相则称为固定相。

来源：弗吉尼亚大学 B. 茉莉·文顿博士实验室 离子交换色谱是一种根据电荷分离分析物的色谱技术。该方法使用填充有带电固定相的色谱柱，该固定相负载于固体支持物上，称为离子交换树脂。强阳离子交换色谱利用带负电荷的树脂优先分离阳离子，而强阴离子交换色谱则利用带正电荷的树脂优先分离阴离子。这种色谱技术常用于样品制备，例如蛋白质或核酸样品的纯化处理。 离子交换色谱是一种两步过程。第一步，将样品在上样缓冲液中加载到色谱柱上。带电样品与色谱柱树脂的结合依赖于树脂与带相反电荷样品之间的离子相互作用。因此，与树脂电荷极性相反的带电样品会牢固结合。其他不带电或带有相同电荷的分子则不会结合，并随溶液穿过色谱柱而被洗脱。第二步是洗脱与树脂结合的目标分析物。该过程通过盐梯度实现，即缓冲液中的盐浓度逐渐升高。在洗脱过程中，从色谱柱末端收集各组分，目标纯化样品可存在于其中某一组分中。可能需要使用其他技术（如光谱法）来确定哪一组分含有目标样品。离子交换色谱在蛋白质研究中尤为有用，可用于分离具有特定电荷或分子大小的蛋白质，因为分子大小可影响其与树脂相互作用的数量。

来源：B·吉尔·文顿博士实验室 - 弗吉尼亚大学 毛细管电泳（CE）是一种在电场中根据分子的大小和电荷对其进行分离的技术。该技术在一种称为毛细管的小型玻璃管中进行，毛细管内充满电解质溶液。由于分析物的电泳迁移率不同，因而得以实现分离，而迁移率受电荷、溶剂黏度和分子大小的影响。传统的凝胶电泳在可施加的电压方面受到限制，因为焦耳热效应会破坏凝胶和分离过程。毛细管具有较大的表面积与体积比，因此散热效果更好。因此，毛细管电泳实验中所施加的电压通常很高，常为10,000–20,000 V。

来源：伦敦国王学院 Khuloud Al-Jamal 博士实验室 质谱法是一种分析化学技术，能够实现对样品中未知化合物的鉴定、已知物质的定量，以及不同分子结构和化学性质的测定。 质谱仪由离子源、分析器和检测器组成。 该过程包括对化合物进行离子化以生成离子。使用电感耦合等离子体（ICP）时，含有目标元素的样品以气溶胶液滴的形式被引入氩等离子体中。等离子体将气溶胶干燥，使分子解离，并从待测组分中移除电子，从而生成离子。其他离子化方法，如电喷雾离子化（ESI）和基质辅助激光解吸离子化（MALDI），则用于分析生物样品。离子化完成后，离子根据其质荷比（m/z）在质谱仪中被分离，并测量每种离子的相对丰度。最后，检测器通常由一个电子倍增器构成，当离子撞击带电阳极时，引发电子数量级联增长，所产生的信号可通过连接至计算机的电路进行检测。

来源：Andrew J. Steckl 博士实验室 — 辛辛那提大学 扫描电子显微镜（SEM）是一种利用电子束成像的高性能显微镜。它能够对导电样品进行成像，其放大倍数远超传统显微镜所能达到的范围。现代光学显微镜的最大放大倍数约为1,000倍，而典型的扫描电子显微镜放大倍数可超过30,000倍。 由于扫描电子显微镜不使用光线成像，因此所生成的图像为黑白图像。 

来源：Yuriy Román 博士实验室 — 麻省理工学院 恒电位仪/恒电流仪（通常简称为恒电位仪）是一种在施加电位下测量电流（恒电位模式），或在施加电流下测量电位（恒电流模式）的仪器（图1）。它是用于燃料电池、电解槽、电池和超级电容器的阳极与阴极材料电化学表征中最常用的仪器。 传统上，这些阳极和阴极材料通过三电极电化学池与恒电位仪连接。恒电位仪的电极导线分别连接至参比电极、对电极（通常称为辅助电极）以及工作电极（其中包含待测材料）。随后，将电化学池中加入高离子强度的电解质溶液，例如酸性、碱性或盐溶液。该高离子强度溶液的介质通常为水相；然而，对于需要更宽工作电位窗口的应用（如电池和超级电容器），则常使用非水相介质。电化学池中的介质需用惰性气体脱气（以防止不必要的副反应），或用测试气体脱气（如果测试反应涉及电极处的气体反应）。

来源：Kayla Green 博士实验室 — 德克萨斯基督教大学