分析化學學科前沿綜述-文檔

1、分析化學前沿綜述摘要：從70年代末到現(xiàn)在，分析化學正處在第三次大開展時期。分析化學正走向信息時代，計算機時代；生命科學的開展，計算機的開展促進了分析化學的開展。本文主要通過分析化學的分支學科來看分析化學的前沿和熱點。關鍵詞：分析化學；分支學科；前沿；熱點。 1.前言分析化學是目前化學中最活潑的領域之一。分析化學中活潑的領域又在什么地方？從對象來看，與生命科學、環(huán)境科學、高技術材料科學有關的分析化學是目前分析化學中最熱門的課題。L從方法來看，計算機在分析化學中的應用和化學計量學是分析化學中最活潑的領域。) w- x. : u$ Y2 Q; h* u分析化學的特點是新方法層出不窮，舊方法不斷更新。

2、40年代原子能、半導體材料的開展，物理學、電子學的開展，促進了原子光譜分析的開展。時至今日，這些學科仍然在繼續(xù)開展，與之有關的分析化學分支學科也在不斷開展。因此，對分析化學來說，不一定是新的分支學科開展取代舊的分支學科，而常常是新的不斷出現(xiàn)，舊的不斷更新。80年代分子光譜分析的開展并不限制原子光譜分析的開展。因而在討論分析化學前沿時，不但要看到新問題、新學科、新領域，而且要看到目前各分支學科中的新的生長點、新的熱點、新的領域。主要從光譜分析，電化學分析，色譜分析，質(zhì)譜及核磁共振，化學計量學與計算機應用五個方面對分析化學的前沿進行綜述。2.光譜分析方面光譜分析一直是分析化學中最富活力的領域。60

3、年代等離子體、傅里葉變換、激光技術的引入，出現(xiàn)了等離子體-原子發(fā)射光譜、傅里葉紅外光譜FT-IR、激光光譜等一系列新方法。70年代檢測單個原子的激光共振電離光譜的出現(xiàn)，使光譜分析的靈敏度到達了極限。80年代崛起的等離子體-質(zhì)譜ICP-MS成為更接近“理想的多元素分析方法，40多種元素檢出限到達1060pg/ml。X-射線熒光光譜有進一步的開展，7080年代應用全反射技術，靈敏度提高約1000倍，檢出限ppb10-9級1。使用粒子質(zhì)子加速器及同步加速器，粒子束可以聚焦在1m直徑，可作ppm10-6級多元素微區(qū)分布分析，如一根頭發(fā)橫截面上鋅和硒的微區(qū)分布分析。激光拉曼光譜與FT-IR相配合已成為分

4、子結(jié)構(gòu)研究的主要手段。利用外表增強拉曼效應使激光拉曼光譜的靈敏度提到105-107倍。共振拉曼光譜靈敏度高，特別適用于微量生物大分子檢測，可以直接獲得人體體液的拉曼光譜圖。激光誘導熒光光譜的靈敏度已到達單分子檢測水平，在生物醫(yī)學中已用于癌癥的早期診斷，用作高效液相色譜檢測器，檢出限為10-15g。 |光譜檢測從傳統(tǒng)的光電倍增管，過渡到光二極管陣列檢測器，又迅速出現(xiàn)了新一代的電荷耦合陣列檢測器CCD。它具有量子效率高、暗電流小、噪音低、靈敏度高等優(yōu)良性能，在高效液相色譜熒光法檢測中，檢出限到達10-15g，并可獲得多個化合物的三維熒光光譜圖。預計在1-2年內(nèi)，CCD檢測器將會成為圖像檢

5、測器裝配到熒光光度計、拉曼光譜儀、發(fā)射光譜儀、高效液相色譜儀及毛細電泳儀等儀器中，成為光譜分析的重大革新2。激光在分析化學中的應用，已成為活潑的前沿領域。激光的高強度、單色性、定向性等優(yōu)越性能，使痕量分析的靈敏度到達了極限值，實現(xiàn)了檢測單個原子和單個分子的水平。光導纖維化學傳感器又稱光極optrode，由激光器、光導纖維、探頭含固定化試劑相及半導體探測器組成。光導纖維化學傳感器是分析化學在80年代中一項重大開展。目前已有80多種傳感器探頭設計用于臨床分析、環(huán)境監(jiān)測、生物分析及生命科學等領域。如pH、CO2、O2、堿金屬、非堿金屬、代謝產(chǎn)物和酶、免疫傳感器等。新的血氣分析儀裝配有pH、CO2及O

6、2三個傳感器，進行活體分析，已成功地用于心肺外科手術的臨床連續(xù)監(jiān)測3。3.電化學分析方面7 O4 Q2 q  $ O! m' z* E' l2 U, k( u3 j6 K. ; i& 電化學傳感器  6070年代開展起來的離子選擇性電極已進入穩(wěn)定開展時期，在環(huán)境、醫(yī)藥、在線分析等方面獲得廣泛應用。80年代由于生物分析及生命科學的開展，生物傳感器應運而生。近幾年生物傳感器的開展，成為電分析化學中活潑的研究領域。仿生生物傳感器和化學修飾微電極制作生物傳感器已經(jīng)成為熱門課題?；瘜W修飾電極  通過物理或化學方法，在電極外表接上一層化學基團形成某種微

7、結(jié)構(gòu)，得到人們預定的新功能電極，有選擇地進行所期望的反響，在分子水平上實現(xiàn)了電極新功能體系的設計。步入人們向往已久的分子設計及分子工程學研究階段，成為電化學及電分析化學中最活潑的前沿領域之一。金屬卟啉類、酞菁類、聚合物、主-客體絡合物、無機物化學修飾電極在電催化、光電催化、電化學傳感器、選擇性富集別離等方面的廣闊應用，顯示了它在當代前沿領域研究及應用中光芒的前景4。光譜電化學，電化學及電分析化學研究中一項新的突破。將光譜包括波譜和電化學研究方法相結(jié)合，同時測試電化學反響過程的變化，形成了現(xiàn)場in situ光譜電化學。這項研究已開展到利用現(xiàn)場紫外、可見和紅外光譜；拉曼光譜和外表增強拉曼光譜；電子

8、自旋共振波譜；電子能譜等光譜及波譜技術。研究電極過程動力學、電極外表、界面液-固、液-液電化學。各種光譜、波譜、能譜及新開展的電化學現(xiàn)場掃描隧道電子顯微鏡等非電化學技術，從電化學體系獲得的信息必然與電化學參量電位、電流等密切相關。因此，光譜電化學將電化學及電分析化學的研究從宏觀深入到微觀，進入分子水平的新時代5。 微電極伏安技術簡稱微電極技術80年代開展起來的一種新的電化學測試技術。微電極直徑一般為幾微米，最小達0.3m，隨著電極的縮小，物質(zhì)在電極外表的擴散由于邊緣效應而成球形，使傳質(zhì)過程極大地增加。微電極的優(yōu)異性能表現(xiàn)在電極響應速度快，掃描速度高，極化電流小，已應用于生物分析及生命科學，如在

9、活體分析中，微電極用作電化學微探針，檢測動物腦神經(jīng)傳遞物質(zhì)的擴散過程。在電化學免疫分析中，取微量樣品，可以測定10-19-10-20mol/L免疫球蛋白-G。在流動注射和高效液相色譜流動體系，以及低極性、高阻抗的有機溶劑中，微電極可以構(gòu)成性能優(yōu)良的電化學檢測器。微電極響應速度快的獨特性能在光譜電化學的測量上已經(jīng)顯示出光芒的應用前景6。4.色譜分析方面' ! V. P0 X" m色譜分析是分析化學中開展最快、應用最廣的領域之一。現(xiàn)代色譜分析將別離連續(xù)測定結(jié)合，也可以濃縮、別離、測定聯(lián)用。對復雜體系中組分、價態(tài)、狀態(tài)、化學性質(zhì)相近的元素或化合物的分析，色譜是一種重要的分析技術。色

10、譜在制備別離及提純方面也是一種有力的手段。50年代興起的氣相色譜。60年代開展的色質(zhì)GC-MS聯(lián)用技術。70年代崛起的高效液相色譜。80年代初出現(xiàn)的超臨界流體色譜。80年代末迅速開展的毛細管區(qū)帶電泳。使色譜分析一直充滿活力，迅速開展。色譜分析的研究及應用十分活潑，色譜論文在世界第一流的美國“分析化學雜志中，從60年代到現(xiàn)在保持在24-307。6 v( t( M. : g% " W9 i. S高效液相色譜 70年代開展起來的色譜技術。在化合物中70以上為不揮發(fā)性化合物，可以簡便的采用液相色譜別離。在生命科學中多肽、蛋白質(zhì)及核酸等生物大分子的別離分析以及制備提純方面，高效液相色

11、譜已成為最活潑的研究領域。在色譜柱及固定相研究方面，高效微型柱、毛細管柱、各種手性固定相、別離蛋白質(zhì)專用柱相繼出現(xiàn)。通用的檢測器一直在探討中，在光譜檢測中，光學多道圖象檢測器將會得到更多的研究及應用；光二極管陣列檢測器已經(jīng)裝配到商品儀器；電荷耦合陣列檢測器CCD，由于其優(yōu)異性能即將裝配到商品儀器上。應用激光技術的光譜檢測器正在研究開展中。電化學檢測器也是十分活潑的研究及應用領域，特別是微電極的研究及應用8。金屬配合物高效液相色譜及離子色譜用于痕量分析是近年來相當活潑的研究領域。柱前及柱后衍生技術、高靈敏度衍生試劑、聯(lián)用技術大大提高了分析的靈敏度及適用性，如最近出現(xiàn)的IC-ICP/AES聯(lián)用商品

12、儀器，用于海水分析，1min內(nèi)測定61種元素，檢出限1100ng/ml。. o; t9 V. u+ t超臨界流體色譜  80年代出現(xiàn)的新技術。它能在較低溫度下別離熱不穩(wěn)定、揮發(fā)性差的大分子，柱效比高效液相色譜高幾倍，并可采用靈敏的離子化檢測器，彌補了氣相色譜和高效液相色譜某些缺乏之處。應用于生物醫(yī)學及高分子化合物。近幾年出現(xiàn)超臨界流體萃取，統(tǒng)稱為超臨界流體別離。k氣相色譜80年代已進入成熟期，填充柱已被柱效更高的毛細管柱所取代。氣相色譜與其他儀器聯(lián)用如GC-SM及GC-NMR等已成為別離、鑒定、剖析復雜揮發(fā)性有機物最有效的手段之一9。% R' e$ J- R% o 毛細管區(qū)帶

13、電泳  簡稱毛細管電泳是近2-3年迅猛開展起來的一種新的別離技術。兼有高壓電泳的高速、高分辨率及高效液相色譜的高效率優(yōu)點。采用毛細管柱直徑25-50m，內(nèi)充流動電解質(zhì)溶液，兩端加高壓(2-3)×104V，試樣從柱的一端引入，利用壓力梯度及分子遷移力的差異，各組分在管內(nèi)流體中電泳別離，已別離組分在毛細管的另一端檢測。毛細管電泳具有試樣體積小1-10nl，別離效率高柱效達100萬理論塔板數(shù)，比高效液相色譜約高一個數(shù)量級、別離速度快10-20min、靈敏度高檢出限10-15-10-20mol/L的特點。適用于離子型生物大分子如氨基酸、肽、蛋白質(zhì)及核酸等快速分析10。5.質(zhì)譜及核磁

14、共振方面 9 5 g: b) j. m9 Q70年代末到80年代初開展起來的串聯(lián)質(zhì)譜MS/MS、LC-MS及軟電離技術，使質(zhì)譜應用擴大到生物大分子，成為這方面研究的前沿。LC/MS/MS串聯(lián)質(zhì)譜采用大氣壓電離源，質(zhì)量范圍擴大到分子量為10萬的生物大分子，靈敏度到達10-12-10-15mol/L，應用于生物醫(yī)學、藥物、生物工程領域。核磁共振波譜是測定生物大分子結(jié)構(gòu)的有力手段。二維及三維核磁共振波譜測定溶液中蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)，應用于生物工程領域。500-600MHZ二維及三維共振波譜儀，采用微處理機控制儀器操作、數(shù)據(jù)處理及顯示，通過光導纖維可以和其他計算機形成網(wǎng)絡。傅里葉變換核磁共振波譜已應用于工

15、業(yè)質(zhì)量控制11。近年來涌現(xiàn)出較成功地用于生物大分子質(zhì)譜分析的軟電離技術主要有以下幾種：1)電噴霧電離質(zhì)譜；2)基質(zhì)輔助激光解吸電離質(zhì)譜；3)快原子轟擊質(zhì)譜；4)離子噴霧電離質(zhì)譜；5)大氣壓電離質(zhì)譜。在這些軟電離技術中，以前面三種近年來研究得最多，應用得也最廣泛。自約翰.芬恩(JohnB.Fenn)和田中耕一(Koichi.Tanaka)創(chuàng)造了對生物大分子進行確認和結(jié)構(gòu)分析的方法及創(chuàng)造了對生物大分子的質(zhì)譜分析法以來，隨著生命科學及生物技術的迅速開展，生物質(zhì)譜目前已成為有機質(zhì)譜中最活潑、最富生命力的前沿研究領域之一。它的開展強有力地推動了人類基因組方案及其后基因組方案的提前完成和有力實施。質(zhì)譜法已

16、成為研究生物大分子特別是蛋白質(zhì)研究的主要支撐技術之一，在對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)分析的研究中占據(jù)了重要地位12。(! i7 L+ 6.化學計量學與計算機應用方面 以計算機應用為主要標志的信息時代的來臨，給科學技術的開展帶來巨大的沖擊，分析化學也不例外。各種現(xiàn)代分析儀器技術的開展，改變了分析化學的面貌，過去獲取精確的原始分析數(shù)據(jù)是分析工作中最困難的一步，現(xiàn)代分析儀器具有在相對短的時間內(nèi)提供大量原始分析數(shù)據(jù)的能力，甚至連續(xù)提供具有很高時間、空間分辨率的多維分析數(shù)據(jù)。如何處理這些原始分析數(shù)據(jù)，以最優(yōu)方式從中提取解決實際生產(chǎn)科研課題所需要的有用信息，就成為矛盾的主要方面?；瘜W計量學就是在這一背景下誕生與開展的。分

17、析工作中傳統(tǒng)的實驗設計、采樣、校正等方法，已不能適應新形勢下的要求。化學計量學應用統(tǒng)計學、數(shù)學與計算機科學為工具，開展了新的分析采樣理論、校正理論及其他各種理論與方法?；瘜W模式識別與專家系統(tǒng)能協(xié)助分析工作者將原始分析數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為有用的信息與知識，為進行判別決策及解決實際生產(chǎn)科研課題提供依據(jù)。分析化學的作用由單純提供原始數(shù)據(jù)上升到直接參與實際問題的解決，分析化學已開展成為名符其實的信息科學。分析儀器的開展也跨上了計算機化這一新的臺階，極大提高了分析儀器提供信息的功能，使分析儀器進入過去傳統(tǒng)分析技術無法涉足的許多領域。例如用航天器運載分析儀器探測火星上有無標志生命的化學物質(zhì)存在，不需運送分析試樣，而

18、是直接將分析信息送回地球等13?？偨Y(jié)隨著化學的開展，分析化學正在成為一門分析重要學科。目前由于生產(chǎn)和科技的開展，要求分析提供更多、更全面的信息，從常量到微量及微粒分析；從組成到形態(tài)分析；從總體到微區(qū)分析；從整體到外表及逐層分析；從宏觀組分到微觀結(jié)構(gòu)分析；從靜態(tài)到快速反響跟蹤分析；從破壞試樣到無損分析；從離線到在線分析等等。分析化學吸收了當代科學技術的最新成就包括化學、物理、電子學、生物學等，利用物質(zhì)一切可以利用的性質(zhì)，建立表征測量的新技術，不斷開拓新領域，正在走向一個更新的境界。- D! 4 g4 z+ M- g& e; j  v. F;參考文獻：1汪爾康. 21 世紀的分析

19、化學M . 北京: 科學出版社, 1999. 112Ganzler K, Salgo A ,Valko K. Microwave Extraction :A Novel Sample Preparation Method for Chromato2 graphyJ . J Chromatogr. 1986 ,37 (1) :299.3Lindan W. E. et al . , Anal . Chim. Acta , 1989 ,12(5) :216 3074朱玉霞,何京,陸婉珍. 微波密閉消解- 等離子體原子發(fā)射光譜測定石油化工催化劑中負載元素含量 J . 巖礦測試. 1998 ,17 (2) :138.5Ganzler K, Salgo A ,Valko K. Microwave Extraction :A Novel Sample Preparation Method for Chromato2 graphyJ . J Chromatogr. 1986 ,37 (1) :299.6中國環(huán)境監(jiān)測總站,中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心,北京市環(huán)境監(jiān)測中心譯. 固體廢棄物試驗分析評價手冊M . 北京:中國環(huán)境科學出版社,199