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1、学 海 无 涯 仪器分析技术最新发展趋势及应用 摘 要：本文阐述了现代科学技术发展中仪器分析发展的现状及其基础地位，仪 器分析的特点及存在的局限性及最新发展趋势。特别是当今仪器分析技术吸取数 学、物理学、计算机科学以及生物学中的新思想、新理念、新方法和新技术,不 断完善现有的仪器分析技术，使仪器分析技术正朝着快速、准确、自动、灵敏以 及适应特殊分析方向而迅猛发展，这就是当今仪器分析技术发展的总趋势！ 关键词：仪器分析 分析方法 发展趋势 当代科学技术发展的主要特征是高度分化和高度综合，分析化学也不例外。 分析化学是四大化学之一，包括两大范畴化学分析和仪器分析。化学分析是指利 用化学反应和它的计
2、量关系来确定被测物质的组成和含量的一类分析方法。仪器 分析是以物质的物理性质和物理化学性质为基础建立起来的一种分析方法，常常 需要使用比较复杂的仪器。仪器分析又分为基础仪器分析和现代仪器分析，现代 仪器分析又分为波谱分析、光谱分析、电化学分析、色谱分析、电镜分析、放射 化学分析等。 1 仪器分析技术的基础地位 现代仪器分析是一门信息科学，用于陈述事物的运动状态，促进人与环境的 相互交流。现代仪器分析也是一门信息技术，涉及信息的生产、处理、流通、也 包括信息获取、信息传递、信息存储、信息处理和信息显示等，有效地扩展了人 类信息器官的功能。人们通常将信息与物质!能源相提并论，称为人类社会赖以 生存
3、发展的三大支柱。世界由物质组成的，没有物质世界便虚无缥缈。能量是一 切物质运动的源泉，没有能源，世界便成为静寂的世界。信息则是客观事物与主 观认识相结合的产物，没有信息交换，世界便成为没有生气的世界，人类无法生 存和发展。 生产和科研的发展，特别是生命科学和环境科学的发展，对分析化学的要求 不再局限于“是什么”、“有多少”？而是要求提供更多更全的信息，即从常量到 微量分析，从微量到微粒分析，从痕量到超痕量分析，从组成到形态分析，从总 体到微区分析，从表现分布到逐层分析，从宏观到微观结构分析，从静态到快速 反应追踪分析，从破坏试样到试样无损分析，从离线到在线分析等。 仪器分析是生产和科研的眼睛，
4、是高科技发展的基础和伴侣。现代分析仪器,1,学 海 无 涯 是基于多学科的高技术产物，离开现代仪器分析，高新技术研究与进步寸步难行。 仪器分析的发展 仪器分析内容 如图所示,2,仪器分析的特点及局限性 仪器分析的特点 分析速度快，适于批量试样的分析，许多仪器配有连续自动进样装置，采用 数字显示和电子计算机技术，可在短时间内分析几十个样品，适于批量分析。有 的仪器可同时测定多种组分。 灵敏度高，适于微量成分的测定，灵敏度由 110-6%发展到 110-12%；可 进行微量分析和痕量分析。,3,学 海 无 涯 容易实现在线分析和遥控监测，在线分析以其独特的技术和显著的经济效益 引起人们的关注与重视
5、，现已研制出适用于不同生产过程的各种不同类型的在线 分析仪器。例如中子水分计就是一种较先进的在线测水仪器，可在不破坏物料结 构和不影响物料正常运行状态下准确测量，并用于钢铁、水泥和造纸等工业流程 的在线分析。又如，高聚物的高熔点和高黏度，使聚合物生产过程的本身及聚合 物改性直至形成产品的一系列过程都要在高温、高压条件下进行，这使对聚合物 的采样分析十分困难。利用光纤探头式分光光度计可监测聚合过程中聚醚的羟基 浓度，反射式探头直接插入反应罐内，仪器离探测点达 50m。 用途广泛，能适应各种分析要求除能进行定性分析及定量分析外，还能进行 结构分析、物相分析、微区分析、价态分析和剥层分析等。样品用量
6、少可进行不 破坏样品的无损分析，并适于复杂组成样品的分析。 2.2.2 仪器分析的局限性 仪器设备复杂，价格及维护费用比较昂贵，对维护及环境要求较高。 仪器分析是一种相对分析方法，一般需用已知组成的标准物质来对照，而标 准物质的获得常常是限制仪器分析广泛应用的问题之一。 相对误差较大，通常在百分之几至百分之几十，不适用于常量和高含量组分 的分析。 因此，仪器分析法和化学分析法是相辅相成的，在使用时应根据具体情况, 取长补短,互相配合，充分发挥各种方法的特长，才能更好地解决分析化学中遇 到的各种各样实际问题。 2.3 仪器分析技术的发展过程 化学科学的产生以来，经历了三个发展阶段，实现了三次变革
7、。 第一阶段：16 世纪，天平的出现。分析化学具有了科学的内涵；20 世纪初， 依据溶液中四大反应平衡理论，形成分析化学的理论基础，分析化学由一门操作 技术变成一门科学。分析化学的第一次变革，20 世纪 40 年代前，化学分析占主 导地位,仪器分析种类少和精度低。 第二阶段：20 世纪 40 年代后，仪器分析的大发展时期。仪器分析使分析速 度加快,促进化学工业发展，化学分析与仪器分析并重，仪器分析自动化程度低； 这一时期一系列重大科学发现，为仪器分析的建立和发展奠定基础。仪器分析的,4,学 海 无 涯 发展引发了分析化学的第二次变革。 第三阶段：80 年代初，以计算机应用为标志的分析化学第三次
8、变革。计算 机控制的分析数据采集与处理：实现分析过程的连续、快速、实时、智能；促进 化学计量学的建立。化学计量学：利用数学、统计学的方法设计选择最佳分析条 件，获得最大程度的化学信息。化学信息学：化学信息处理、查询、挖掘、优化 等。以计算机为基础的新仪器的出现：傅里叶变换红外光谱仪，色谱-质谱联用 仪。 现代仪器分析技术的发展趋势 现代仪器分析技术正向智能化数字化方向发展。发展趋势主要表现是：基于 微电子技术和计算机技术的应用实现分析仪器的自动化，通过计算机控制器和数 字模型进行数据采集、运算、统计、分析、处理，提高分析仪器数据处理能力， 数字图像处理系统实现了分析仪器数字图像处理功能的发展；
9、分析仪器的联用技 术向测试速度超高速化、分析试样超微量化、分析仪器超小型化的方向发展。 重点研究方向包括：一是高通量分析,即在单位时间内可分析测试大量的样 品。二是极端条件分析，其中单分子单细胞分析与操纵为目前热门的课题。三是 在线、实时、现场或原位分析,即从样品采集到数据输出,实现快速的或一条龙的 分析。四是联用技术，即将两种(或两种以上)分析技术联接，互相补充，从而完 成更复杂的分析任务。联用技术及联用仪器的组合方式，特别是三联甚至四联系 统的出现，已成为现代分析仪器发展的重要方向。五是阵列技术，如果把联用分 析技术看成计算机中的串行方法，那么阵列技术就等同于计算机中的并行运算方 法。和计
10、算机一样，阵列方法是大幅度提高分析速度或样品批处理量的最佳方案。 一旦将并行阵列思路与集成和芯片制作技术完美结合,仪器分析技术就将向新的 领域进发。 提高灵敏度 这是各种分析方法长期以来所追求的目标。当今许多新的现代技术引入分析 化学，都是与提高分析方法的灵敏度有关,如激光技术的引入，促进了激光共振 电离光谱、激光拉曼光谱、激光诱导荧光光谱、激光光热光谱、激光光声光谱和 激光质谱的发展，大大提高了分析方法的灵敏度，使得检测单个原子或单个分子 成为可能。多元配合物、有机显色剂和各种增效试剂的研究与应用，使吸收光谱、,5,学 海 无 涯 荧光光谱、发光光谱、电化学及色谱等分析方法的灵敏度和分析性能
11、得到大幅度 地提高。 解决复杂体系的分离问题及提高分析方法的选择性 迄今,人们所认识的化合物已超过1000 万种，而且新的化合物仍在快速增长。 复杂体系的分离和测定已成为分析化学家所面临的艰巨任务。由液相色谱、气相 色谱、超临界流体色谱和毛细管电泳等所组成的色谱学是现代分离、分析的主要 组成部分并获得了很快的发展。以色谱、光谱和质谱技术为基础所开展的各种联 用、接口及样品引入技术已成为当今分析化学发展中的热点之一。在提高方法选 择性方面，各种选择性试剂、萃取剂、离子交换剂、吸附剂、表面活性剂、各种 传感器的接着剂、各种选择检测技术和化学计量学方法等是当前研究工作的重要 课题。 扩展时空多维信息
12、 现代分析化学的发展已不再局限于将待测组分分离出来进行表征和测量，而 是成为一门为物质提供尽可能多的化学信息的科学。随着人们对客观物质的认识 的深入，某些过去所不甚熟悉的领域，如多维、不稳态和边界条件等也逐渐提到 分析化学家的日程上来。例如现代核磁共振波谱、红外光谱、质谱等的发展，可 提供有机物分子的精细结构、空间排列构型及瞬态等变化的信息，为人们对化学 反应历程及生命过程的认识展现了光辉的前景。化学计量学的发展，更为处理和 解析各种化学信息提供了重要基础。 微型化及微环境的表征与测定 微型化及微环境分析是现代分析化学认识自然从宏观到微观的延伸。电子学、 光学和工程学向微型化发展，人们对生物功
13、能的了解，促进了分析化学深入微观 世界的进程。电子显微技术、电子探针 X 射线微量分析、激光微探针质谱等微束 技术已成为进行微区分析的重要手段。在表面分析方面，电子能谱、次级离子质 谱、脉冲激光原子探针等的发展，可检测和表征一个单原子层，因而在材料科学、 催化剂、生物学、物理学和理论化学研究中占据重要的位置。此外，对于电极表 面修饰行为和表征过程的研究，各种分离科学理论、联用技术、超微电极和光谱 电化学等的应用，为揭示反应机理，开发新体系，进行分子设计等开辟了新的途,6,学 海 无 涯,径。 形态、状态分析及表征 在环境科学中，同一元素的不同价态和所生成的不同的有机化合物分子的不 同形态都可能
14、存在毒性上的极大差异。在材料科学中物质的晶态、结合态更是影 响材料性能的重要因素。目前已报道利用诸如阳极溶出伏安法、X 射线光电子能 谱、X 射线荧光光谱、X 射线衍射、热分析、各种吸收光谱方法和各种联用技术 来解决物质存在的形态和状态问题。 生物大分子及生物活性物质的表征与测定 上世纪 70 年代以来，世界各发达国家都将生命科学及其有关的生物工程列 为科学研究中最优先发展的领域，在欧、美、日等地区和国家具有战略意义的宏 大研究规划“尤利卡计划”，“人类基因图”及“人体研究新前沿”中，生物大分 子的结构分析研究都占据重要的位置。我国在 2000 年前发展高技术战略的规划 中,也把生物技术列为七
15、个重点领域之一。一方面生命科学及生物工程的发展向 分析化学提出了新的挑战。另一方面仿生过程的模拟，又成为现代分析化学取之 不尽的源泉。当前采用以色谱、质谱、核磁共振、荧光、磷光、化学发光和免疫 分析以及化学传感器、生物传感器、化学修饰电极和生物电分析化学等为主体的 各种分析手段，不但在生命体和有机组织的整体水平上，而且在分子和细胞水平 上来认识和研究生命过程中某些大分子及生物活性物质的化学和生物本质方面, 已日益显示出十分重要的作用。 非破坏性检测及遥测 它是分析方法的又一重要外延。当今的许多物理和物理化学分析方法都已发 展为非破坏性检测。这对于生产流程控制，自动分析及难于取样的诸如生命过程
16、等的分析是极端重要的。遥测技术应用较多的是激光雷达、激光散射和共振荧光、 傅里叶变换红外光谱等，已成功地用于测定几十公里距离内的气体、某些金属的 原子和分子、飞机尾气组成，炼油厂周围大气组成等，并为红外制导和反制导系 统的设计提供理论和实验根据。 自动化及智能化 微电子工业、大规模集成电路、微处理器和微型计算机的发展，使分析化学,7,学 海 无 涯 和其它科学与技术一样进入了自动化和智能化的阶段。机器人是实现基本化学操 作自动化的重要工具。专家系统是人工智能的最前沿。在分析化学中，专家系统 主要用作设计实验和开发分析方法，进行谱图说明和结构解释。上世纪八十年代 兴起的过程分析已使分析化学家摆脱传统的实验室操作，进入到生产过程、甚至 生态过程控制的行列。分析化学机器人和现代分析仪器作为“硬件”，化学计量 学和各种计算机程序作为“软件”，其对分析化学所带来的影响将会是十分深远 的。 参考文献 武汉大学化学系.仪器分析M.北京:高等教育出版社,2001. 谭湘成.仪器分析(第 3 版)M.北京:化学工业出版社,2008. 黄一石.仪器分析(第 2 版)M.北京:化学工业出版社,2008. 杨
