一、儀器設(shè)備的分類
理化檢驗方法包括常規(guī)化學(xué)分析和儀器分析。
儀器分析方法是理化檢驗的工作重點和發(fā)展方向，是指采用比較復(fù)雜或特殊的儀器設(shè)備，通過測量物質(zhì)的某些物理或化學(xué)性質(zhì)的參數(shù)及其變化來獲取物質(zhì)的化學(xué)組成、成分含量及化學(xué)結(jié)構(gòu)等信息的一類分析方法。
分析儀器的種類非常多，按儀器設(shè)備的工作原理不同而簡單劃分為：
光譜分析儀器、電化學(xué)分析儀器、色譜分析儀器、質(zhì)譜及聯(lián)用分析儀器、現(xiàn)場檢測分析儀器、樣品前處理設(shè)備等6類.
二、儀器設(shè)備的原理、特點與用途
(一)光譜分析儀器
1.原子發(fā)射光譜儀(AES)、電感耦合等離子體-原子發(fā)射光譜儀(ICP-AES)
(1)原理
原子發(fā)射光譜儀( atomic emission spectrometer，AES)的工作原理是利用被測樣品中的原子或離子在熱激發(fā)或電激發(fā)下所發(fā)射的電磁輻射，來進行元素的定性、半定量和定量分析。
主要包括三個過程：
①由光源提供能量使樣品蒸發(fā)，形成氣態(tài)原子，并進一步使氣態(tài)原子激發(fā)而產(chǎn)生光輻射；
②將光源發(fā)出的復(fù)合光經(jīng)單色器分解成按波長順序排列的譜線；
③用檢測器檢測光譜中譜線的波長和強度。
因此，原子發(fā)射光譜儀一般由光源、分光儀、檢測器及數(shù)據(jù)系統(tǒng)等組成。常用的光源有直流電弧、交流電弧、電火花、等離子體光源(包括電感耦合等離子體ICP)等。
分光儀主要是棱鏡和光柵兩種分光系統(tǒng)。
檢測器有目視法(看譜鏡)、攝譜法(感光板)、光電法(光電倍增管及固體成像器件)等。
(2) 特點與用途
原子發(fā)射光譜法可同時測定多元素，可用于痕量甚至超痕量元素的分析，通過適當?shù)南♂?，它也可以用于主量和微量元素的測定。精密度、準確度、線性范圍、檢出限和基體效應(yīng)是原子發(fā)射光譜分析中最重要的分析性能指標，精密度與原子發(fā)射光譜中各種噪聲有關(guān)，瞬間噪聲是由隨機發(fā)射的光電子產(chǎn)生，脈動噪聲由儀器的不穩(wěn)定性和檢測器噪聲引起，直接測定固體樣品時，精密度還受樣品的均勻性影響。高壓火花和等離子體光源精密度較好，其相對標準偏差在1%左右。
電感耦合等離子體-原子發(fā)射光譜(inductively coupled plasma atomic emission spectrometer，ICP-AES) 法是一種理想的分析技術(shù)，可進行多元素同時分析，廣泛應(yīng)用于化工、地質(zhì)、農(nóng)業(yè)、環(huán)境、生物、醫(yī)學(xué)、食品、衛(wèi)生等領(lǐng)域。
2.原子吸收光譜儀(AAS)
(1)原理
原子吸收光譜儀(atomatic absorption spectrometer， AAS)的原理是通過火焰、石墨爐等原子化器將待測元素在高溫或是化學(xué)反應(yīng)作用下變成原子蒸氣，由光源燈輻射出待測元素的特征光，在通過待測元素的原子蒸氣時發(fā)生光譜吸收，透射光的強度與被測元素濃度成反比。
在儀器的光路系統(tǒng)中，透射光信號經(jīng)光柵分光，將待測元素的吸收線與其他譜線分開，經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換器，將光信號轉(zhuǎn)換成電信號，由電路系統(tǒng)放大、處理，再經(jīng)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)處理、計算。儀器主要由5部分組成：光源、原子化器、光路系統(tǒng)、電路系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理與控制系統(tǒng)等。
(2)特點與用途
原子吸收光譜具有靈敏度高及選擇性好兩大主要優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于化工、地質(zhì)、農(nóng)業(yè)、環(huán)境、生物、醫(yī)學(xué)、食品、衛(wèi)生等領(lǐng)域，可對樣品中各種微量金屬元素進行定量分析。但是測定每種元素均需要相應(yīng)的空心陰極燈，不能同時進行多元素測定，這給檢測工
作帶來不便。
(二)色譜分析儀器
(1)原理
氣相色譜(gas chromatograph, GC)主要是利用物質(zhì)的沸點、極性及吸附性質(zhì)的差異來實現(xiàn)混合物的分離。待分析樣品在汽化室汽化后被惰性氣體(即載氣，也叫流動相)帶人色譜柱，柱內(nèi)含有液體或固體固定相，由于樣品中各組分的沸點、極性或吸附性能不同，每種組分都傾向于在流動相和固定相之間形成分配或吸附平衡。
但由于載氣是流動的，這種平衡實際上很難建立起來。也正是由于載氣的流動，使樣品組分在運動中進行反復(fù)多次的分配或吸附/解吸附，結(jié)果是在載氣中濃度大的組分先流出色譜柱，而在固定相中分配濃度大的組分后流出。
當組分流出色譜柱后，立即進人檢測器。檢測器能夠?qū)悠方M分轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，而電信號的大小與被測組分的質(zhì)量或濃度成正比。當將這些信號放大并記錄下來時，得到氣相色譜圖并據(jù)此進行定性或定量分析。
氣相色譜儀通常由以下五個部分組成：
氣源和載氣的控制部分、
進樣口及自動進樣器、
色譜柱和柱溫箱、
檢測器(常用的檢測器有熱導(dǎo)池檢測器、氫火焰離子化檢測器、電子捕獲檢測器、火焰光度檢測器等)、
數(shù)據(jù)處理及控制系統(tǒng)。
(2) 特點與用途
氣相色譜法具有高選擇性、高分離效能、高靈敏度、快速和廣闊的應(yīng)用范圍等特點。
高選擇性是指能夠分離分析性質(zhì)極為相似的物質(zhì)。例如有機物常有結(jié)構(gòu)異構(gòu)體及空間異構(gòu)體之別，如芳香族中鄰位、間位、對位異構(gòu)體，順式和反式異構(gòu)體，旋光異構(gòu)體等。
這些異構(gòu)體原則上都可以用氣相色譜法分離分析。高分離效能是指在較短的時間內(nèi)同時分離和測定性質(zhì)極為相似的復(fù)雜的混合物。例如用空心毛細管柱--次可以解決含有幾百個農(nóng)藥殘留物的分離分析，成為農(nóng)殘分析用的重要工具。高靈敏度表現(xiàn)在由于使用了高靈敏度的檢測器，可分析10-lg的物質(zhì)，因此適于微量和痕量分析。氣相色譜法在醫(yī)學(xué)、生物化學(xué)、工農(nóng)業(yè)和環(huán)境監(jiān)測、食品、衛(wèi)生等方面得到了廣泛的應(yīng)用。如環(huán)境監(jiān)測中可直接檢測(即試樣不需要事先濃縮)大氣中質(zhì)量分數(shù)為10-°至10- 9數(shù)量級的污染物。
(l)原理
高效液相色譜(high performance liquid chromatography, HPLC)又稱“高壓液相色譜”“高速液相色譜”等。高效液相色譜法是色譜法的一個重要分支，以液體為流動相，采用高壓輸液系統(tǒng)，將具有不同極性的單一溶劑或不同比例的混合溶劑、緩沖液等流動相泵人裝有固定相的色譜柱，在柱內(nèi)，樣品的各成分被分離后，進人檢測器進行檢測，從而實現(xiàn)對試樣的分析。高效液相色譜儀的結(jié)一般可分為4個主要部分：高壓輸液系統(tǒng)、進樣系統(tǒng)、分離系統(tǒng)和檢測系統(tǒng)。
此外還配有輔助裝置：如梯度淋洗、自動進樣及數(shù)據(jù)處理等。
其工作過程如下：首先高壓泵將貯液器中流動相溶劑經(jīng)過進樣器送入色譜柱，然后從控制器的出口流出。當注人欲分離的樣品時，流經(jīng)進樣器貯液器的流動相將樣品同時帶入色譜柱進行分離，然后依先后順序進人檢測器，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)或記錄儀將檢測器送出的信號記錄下來，由此得到液相色譜圖。
根據(jù)分離機制的不同，高效液相色譜法可分為下述幾種主要類型：液液分配色譜法；液固色譜法；離子交換色譜法等。
(2) 特點與用途
高效液相色譜法具有如下特點：高壓、高速、高效、高靈敏度、適應(yīng)范圍寬。
高壓是指液相色譜法以液體為流動相(稱為載液)，液體流經(jīng)色譜柱，受到阻力較大，為了迅速地通過色譜柱，必須對載液施加高壓。一般可達150X105 Pa~350X10Pa。高速是指流動相在柱內(nèi)的流速較經(jīng)典色譜快得多，一般可達1mL/min~10mL/min。高效液相色譜法所需的分析時間較之經(jīng)典液相色譜法少得多，一般少于1h。高效是指采用許多新型固定相，使分離效率大大提高。高靈敏度是指高效液相色譜已廣泛采用高靈敏度的檢測器，進一步提高了分析的靈敏度。高效液相色譜法廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、生化、天然產(chǎn)物主要組分的分析，以及食品分析、環(huán)境分析、農(nóng)業(yè)分析、石油化工分析、衛(wèi)生檢測等領(lǐng)域。
(三)質(zhì)譜及聯(lián)用分析儀器
1.氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀(GC-MS)
(1)原理
氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀( gas chromatography mass spectrometry，GC-MS)的工作原理是樣品經(jīng)氣相色譜分離后，將氣態(tài)組分引人質(zhì)譜，質(zhì)譜通過對氣態(tài)樣品電離后產(chǎn)生具有不同質(zhì)荷比(m/z) 的帶電離子，帶電離子進人質(zhì)譜分析器的電磁場中，根據(jù)所選擇的分離方式，最終實現(xiàn)各種離子按m/z的大小進行分離并記錄質(zhì)譜圖來進行分離分析。
氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀由進樣系統(tǒng)(氣相色譜及接口部分)、電離系統(tǒng)、質(zhì)量分析器和檢測系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理與控制系統(tǒng)等組成。為了獲得離子的良好分析，必須避免離子損失，因此凡有樣品分子及離子存在和通過的地方，必須處于真空狀態(tài)。
(2)特點與用途
氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用法能夠充分發(fā)揮氣相色譜法高分離效率和質(zhì)譜法定性專屬性的能力，兼有兩者之長，解決問題能力更強，具有更大的優(yōu)勢。
其特點如下：氣相色譜作為質(zhì)譜的進樣系統(tǒng)，將待測樣品分離后直接導(dǎo)人了質(zhì)譜進行檢測，既滿足了質(zhì)譜分析對樣品單-性的要求，還省去了樣品制備、轉(zhuǎn)移的繁瑣過程，不僅避免了樣品受污染，對于質(zhì)譜進樣量還能有效控制，也減少了質(zhì)譜儀器的污染，極大地提高了對混合物的分離、定性、定量分析效率。
質(zhì)譜作為氣相色譜檢測器，檢測的是離子質(zhì)量，獲得化合物的質(zhì)譜圖，解決了氣相色譜定性的局限性。質(zhì)譜既是一種通用性檢測器，也是特殊選擇性的檢測器。
因為質(zhì)譜法的多種電離方式可使各種樣品分子得到有效的電離，所有離子經(jīng)質(zhì)量分析器分離后均可以被檢測，有廣泛適用性。而且質(zhì)譜的多種掃描方式和質(zhì)量分析技術(shù)，可以有選擇地只檢測所需要的目標化合物的特征離子，而不檢測不需要的質(zhì)量離子，如此專一的選擇性，不僅能排除基質(zhì)和雜質(zhì)峰的干擾，還極大地提高了檢測靈敏度。在衛(wèi)生檢測、食品安全的有害物質(zhì)殘留分析中，正是基于氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用方法的選擇性和高靈敏度上的優(yōu)勢，而被作為最終確證方法。
2.液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀(LC-MS)
(1) 原理
液相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀( liquid chromatography mass spectrometry，LC-MS) 的原理，是以液相色譜作為分離系統(tǒng)，質(zhì)譜作為檢測系統(tǒng)，樣品在質(zhì)譜部分和流動相分離，被離子化后，產(chǎn)生的具有不同質(zhì)荷比(m/z)的離子，經(jīng)質(zhì)譜的質(zhì)量分析器將離子碎片按質(zhì)量數(shù)分開，經(jīng)檢測器檢測得到質(zhì)譜圖。液相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀(LC-MS) 由進樣系統(tǒng)(液相色譜及接口部分)、電離系統(tǒng)、質(zhì)量分析器和檢測系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理與控制系統(tǒng)等組成。為了獲得離子的良好分析，必須避免離子損失，因此凡有樣品分子及離子存在和通過的地方，必須處于真空狀態(tài)。
同氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀相比，液相色譜和質(zhì)譜聯(lián)用的難度要大得多，其接口技術(shù)是關(guān)鍵。因為液相色譜分離試樣時，用了大量的溶劑作載液，如果直接將液相色譜流出物送人質(zhì)譜儀器，則遠遠超過質(zhì)譜儀器真空系統(tǒng)所能承受的范圍，而且還會導(dǎo)致混亂的質(zhì)譜數(shù)據(jù)。
目前，比較普遍采用的接口叫熱噴霧接口，這種接口本身就能使樣品電離。接口的工作原理是首先將液相色譜柱分離后的流出液汽化，然后通過毛細管探頭噴口噴出，使之形成細霧滴。如果流出物中含有電解質(zhì)，試樣可在熱噴霧過程中直接電離；如果試樣不能用熱噴霧直接電離，可以采用在熱噴霧外使之電離的操作方法電離，即接通熱噴霧接口上電離盒的燈絲也可以通過大氣壓化學(xué)電離(APCI)、電噴霧電離(ESI) 等接口實現(xiàn)液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用。
(2)特點與用途
液相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀(IC-MS)，除了可以分析氣相色譜質(zhì)譜(GC-MS)所不能分析的強極性、難揮發(fā)、熱不穩(wěn)定的化合物之外，還具有以下幾個方面的優(yōu)點：
①分析范圍廣，從小分子化合物到大分子蛋白質(zhì)，幾乎可以檢測所有的化合物，比較容易地解決了分析熱不穩(wěn)定化合物的難題；
②分離能力強，即使被分析混合物在色譜上沒有完全分離開，但通過MS的特征離子質(zhì)量色譜圖也能分別給出它們各自的色譜圖來進行定性定量；
③定性分析結(jié)果可靠，可以同時給出每一個組分的分子質(zhì)量和豐富的結(jié)構(gòu)信息；
④檢測限低，MS具備高靈敏度，通過選擇離子檢測(SIM) 方式，其檢測能力還可以提高-一個數(shù)量級以上；
⑤分析時間快，HPLC-MS 使用的液相色譜柱為窄徑柱，縮短了分析時間，提高了分離效果；⑥自動化程度高，HPLC-MS具有高度的自動化。
液相色譜質(zhì)譜聯(lián)用(LC-MS) 作為比較成熟的技術(shù)，目前己在食品分析、天然產(chǎn)物分析、藥物及保健食品分析以及環(huán)境污染物分析、衛(wèi)生檢測等許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。
3.電感耦合等離子體質(zhì)譜聯(lián)用儀(ICP-MS)
(1)原理
等離子體是一種含高電子的導(dǎo)電氣體，且其中的正負電荷相等，故稱之為等離子體，電感耦合等離子體通常由Telsa線圈產(chǎn)生火花放出電子，并通過射頻發(fā)生器的耦合作用提供能量得以維持等離子體穩(wěn)定，等離子體感應(yīng)區(qū)溫度可高達9000K ~10000K。
樣品經(jīng)過氣動霧化器以氣溶膠的形式進人氬氣為基質(zhì)的等離子體中，樣品從等離子體得到能量使待測元素去溶劑、原子化和離子化。由能量轉(zhuǎn)移過程產(chǎn)生的離子經(jīng)過采樣錐進人真空系統(tǒng)中，用四級桿質(zhì)量分析器根據(jù)質(zhì)荷比進行分離，以脈沖/模擬檢測器進行檢測，所產(chǎn)生的信號由計算機進行處理。
電感耦合等離子體-質(zhì)譜聯(lián)用儀( inductively coupled plasma mass spectrometry，ICP-MS) 的組成包括：蠕動泵、同心霧化器、Peltier 制冷霧化室、ICP 石英炬管、采樣錐、截取錐、萃取鏡、八級桿碰撞室、四極桿質(zhì)譜分析器、脈沖/模擬檢測系統(tǒng)、分子渦輪泵和機械泵、數(shù)據(jù)處理與控制系統(tǒng)等。
(2)特點與用途
由于電感耦合等離子體(ICP)的高溫電離性能與質(zhì)譜儀(MS) 的高靈敏度性質(zhì)結(jié)合，近幾年已經(jīng)發(fā)展為- .種強大的元素分析技術(shù)。與原子吸收分光光度計等其他元素分析儀器相比，電感耦合等離子體質(zhì)譜聯(lián)用儀(ICP-MS) 的主要特點是分析靈敏度高、快速、可多元素同時測定，與液相色譜等聯(lián)用可進行元素的形態(tài)分析。主要用于痕量分析，如動植物組織、食品、地質(zhì)樣品、水及環(huán)境樣品中痕量元素的分析。
(四)便攜式現(xiàn)場檢測分析儀器
1.便攜式一氧化碳測定儀
(1) 原理
便攜式一氧化碳測定儀屬于不分光式紅外線氣體分析器，其工作原理是基于某些氣體
對紅外線的選擇性吸收。儀器采用單光源、單管隔半氣室及先進的檢測器，分析精度高、穩(wěn)定性好。采用先進的數(shù)字處理技術(shù)，液晶顯示畫面。
(2) 特點與用途
便攜式一氧化碳測定儀的特點是體積小，可靠性高，預(yù)熱時間短，數(shù)字顯示直讀濃度，可在現(xiàn)場使用，工作效率大大提高。用于環(huán)保、衛(wèi)生防疫系統(tǒng)監(jiān)測賓館、商場、醫(yī)院、影劇院等公共場所中的一氧化碳濃度。
