分析化學(xué)學(xué)科前沿綜述-文檔

1、分析化學(xué)前沿綜述摘要：從70年代末到現(xiàn)在，分析化學(xué)正處在第三次大開展時(shí)期。分析化學(xué)正走向信息時(shí)代，計(jì)算機(jī)時(shí)代；生命科學(xué)的開展，計(jì)算機(jī)的開展促進(jìn)了分析化學(xué)的開展。本文主要通過分析化學(xué)的分支學(xué)科來看分析化學(xué)的前沿和熱點(diǎn)。關(guān)鍵詞：分析化學(xué)；分支學(xué)科；前沿；熱點(diǎn)。 1.前言分析化學(xué)是目前化學(xué)中最活潑的領(lǐng)域之一。分析化學(xué)中活潑的領(lǐng)域又在什么地方？從對象來看，與生命科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、高技術(shù)材料科學(xué)有關(guān)的分析化學(xué)是目前分析化學(xué)中最熱門的課題。L從方法來看，計(jì)算機(jī)在分析化學(xué)中的應(yīng)用和化學(xué)計(jì)量學(xué)是分析化學(xué)中最活潑的領(lǐng)域。) w- x. : u$ Y2 Q; h* u分析化學(xué)的特點(diǎn)是新方法層出不窮，舊方法不斷更新。

2、40年代原子能、半導(dǎo)體材料的開展，物理學(xué)、電子學(xué)的開展，促進(jìn)了原子光譜分析的開展。時(shí)至今日，這些學(xué)科仍然在繼續(xù)開展，與之有關(guān)的分析化學(xué)分支學(xué)科也在不斷開展。因此，對分析化學(xué)來說，不一定是新的分支學(xué)科開展取代舊的分支學(xué)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(xué)前沿時(shí)，不但要看到新問題、新學(xué)科、新領(lǐng)域，而且要看到目前各分支學(xué)科中的新的生長點(diǎn)、新的熱點(diǎn)、新的領(lǐng)域。主要從光譜分析，電化學(xué)分析，色譜分析，質(zhì)譜及核磁共振，化學(xué)計(jì)量學(xué)與計(jì)算機(jī)應(yīng)用五個(gè)方面對分析化學(xué)的前沿進(jìn)行綜述。2.光譜分析方面光譜分析一直是分析化學(xué)中最富活力的領(lǐng)域。60

3、年代等離子體、傅里葉變換、激光技術(shù)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(gè)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(dá)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(dá)1060pg/ml。X-射線熒光光譜有進(jìn)一步的開展，7080年代應(yīng)用全反射技術(shù)，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(qiáng)拉曼效應(yīng)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(dǎo)熒光光譜的靈敏度已到達(dá)單分子檢測水平，在生物醫(yī)學(xué)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(dá)10-15g，并可獲得多個(gè)化合物的三維熒光光譜圖。預(yù)計(jì)在1-2年內(nèi)，CCD檢測器將會(huì)成為圖像檢

5、測器裝配到熒光光度計(jì)、拉曼光譜儀、發(fā)射光譜儀、高效液相色譜儀及毛細(xì)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(xué)中的應(yīng)用，已成為活潑的前沿領(lǐng)域。激光的高強(qiáng)度、單色性、定向性等優(yōu)越性能，使痕量分析的靈敏度到達(dá)了極限值，實(shí)現(xiàn)了檢測單個(gè)原子和單個(gè)分子的水平。光導(dǎo)纖維化學(xué)傳感器又稱光極optrode，由激光器、光導(dǎo)纖維、探頭含固定化試劑相及半導(dǎo)體探測器組成。光導(dǎo)纖維化學(xué)傳感器是分析化學(xué)在80年代中一項(xiàng)重大開展。目前已有80多種傳感器探頭設(shè)計(jì)用于臨床分析、環(huán)境監(jiān)測、生物分析及生命科學(xué)等領(lǐng)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?dú)夥治鰞x裝配有pH、CO2及O

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

7、結(jié)構(gòu)，得到人們預(yù)定的新功能電極，有選擇地進(jìn)行所期望的反響，在分子水平上實(shí)現(xiàn)了電極新功能體系的設(shè)計(jì)。步入人們向往已久的分子設(shè)計(jì)及分子工程學(xué)研究階段，成為電化學(xué)及電分析化學(xué)中最活潑的前沿領(lǐng)域之一。金屬卟啉類、酞菁類、聚合物、主-客體絡(luò)合物、無機(jī)物化學(xué)修飾電極在電催化、光電催化、電化學(xué)傳感器、選擇性富集別離等方面的廣闊應(yīng)用，顯示了它在當(dāng)代前沿領(lǐng)域研究及應(yīng)用中光芒的前景4。光譜電化學(xué)，電化學(xué)及電分析化學(xué)研究中一項(xiàng)新的突破。將光譜包括波譜和電化學(xué)研究方法相結(jié)合，同時(shí)測試電化學(xué)反響過程的變化，形成了現(xiàn)場in situ光譜電化學(xué)。這項(xiàng)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(qiáng)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(shù)。研究電極過程動(dòng)力學(xué)、電極外表、界面液-固、液-液電化學(xué)。各種光譜、波譜、能譜及新開展的電化學(xué)現(xiàn)場掃描隧道電子顯微鏡等非電化學(xué)技術(shù)，從電化學(xué)體系獲得的信息必然與電化學(xué)參量電位、電流等密切相關(guān)。因此，光譜電化學(xué)將電化學(xué)及電分析化學(xué)的研究從宏觀深入到微觀，進(jìn)入分子水平的新時(shí)代5。 微電極伏安技術(shù)簡稱微電極技術(shù)80年代開展起來的一種新的電化學(xué)測試技術(shù)。微電極直徑一般為幾微米，最小達(dá)0.3m，隨著電極的縮小，物質(zhì)在電極外表的擴(kuò)散由于邊緣效應(yīng)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(yīng)速度快，掃描速度高，極化電流小，已應(yīng)用于生物分析及生命科學(xué)，如在

9、活體分析中，微電極用作電化學(xué)微探針，檢測動(dòng)物腦神經(jīng)傳遞物質(zhì)的擴(kuò)散過程。在電化學(xué)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(dòng)注射和高效液相色譜流動(dòng)體系，以及低極性、高阻抗的有機(jī)溶劑中，微電極可以構(gòu)成性能優(yōu)良的電化學(xué)檢測器。微電極響應(yīng)速度快的獨(dú)特性能在光譜電化學(xué)的測量上已經(jīng)顯示出光芒的應(yīng)用前景6。4.色譜分析方面' ! V. P0 X" m色譜分析是分析化學(xué)中開展最快、應(yīng)用最廣的領(lǐng)域之一?，F(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(fù)雜體系中組分、價(jià)態(tài)、狀態(tài)、化學(xué)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(shù)。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(shù)。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(xì)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(yīng)用十分活潑，色譜論文在世界第一流的美國“分析化學(xué)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(shù)。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(xué)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(lǐng)域。在色譜柱及固定相研究方面，高效微型柱、毛細(xì)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(xué)多道圖象檢測器將會(huì)得到更多的研究及應(yīng)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(yīng)用激光技術(shù)的光譜檢測器正在研究開展中。電化學(xué)檢測器也是十分活潑的研究及應(yīng)用領(lǐng)域，特別是微電極的研究及應(yīng)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(dāng)活潑的研究領(lǐng)域。柱前及柱后衍生技術(shù)、高靈敏度衍生試劑、聯(lián)用技術(shù)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(shù)。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(bǔ)了氣相色譜和高效液相色譜某些缺乏之處。應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)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(jìn)入成熟期，填充柱已被柱效更高的毛細(xì)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(fù)雜揮發(fā)性有機(jī)物最有效的手段之一9。% R' e$ J- R% o 毛細(xì)管區(qū)帶

13、電泳  簡稱毛細(xì)管電泳是近2-3年迅猛開展起來的一種新的別離技術(shù)。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(diǎn)。采用毛細(xì)管柱直徑25-50m，內(nèi)充流動(dòng)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(xì)管的另一端檢測。毛細(xì)管電泳具有試樣體積小1-10nl，別離效率高柱效達(dá)100萬理論塔板數(shù)，比高效液相色譜約高一個(gè)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(diǎn)。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(shù)，使質(zhì)譜應(yīng)用擴(kuò)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(kuò)大到分子量為10萬的生物大分子，靈敏度到達(dá)10-12-10-15mol/L，應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)、藥物、生物工程領(lǐng)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(yīng)用于生物工程領(lǐng)域。500-600MHZ二維及三維共振波譜儀，采用微處理機(jī)控制儀器操作、數(shù)據(jù)處理及顯示，通過光導(dǎo)纖維可以和其他計(jì)算機(jī)形成網(wǎng)絡(luò)。傅里葉變換核磁共振波譜已應(yīng)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(shù)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(shù)中，以前面三種近年來研究得最多，應(yīng)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(jìn)行確認(rèn)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(xué)及生物技術(shù)的迅速開展，生物質(zhì)譜目前已成為有機(jī)質(zhì)譜中最活潑、最富生命力的前沿研究領(lǐng)域之一。它的開展強(qiáng)有力地推動(dòng)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(shí)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(shù)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(xué)計(jì)量學(xué)與計(jì)算機(jī)應(yīng)用方面 以計(jì)算機(jī)應(yīng)用為主要標(biāo)志的信息時(shí)代的來臨，給科學(xué)技術(shù)的開展帶來巨大的沖擊，分析化學(xué)也不例外。各種現(xiàn)代分析儀器技術(shù)的開展，改變了分析化學(xué)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(shí)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(shí)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(shí)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。化學(xué)計(jì)量學(xué)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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、采樣、校正等方法，已不能適應(yīng)新形勢下的要求?；瘜W(xué)計(jì)量學(xué)應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)、數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)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(xué)模式識(shí)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(shí)，為進(jìn)行判別決策及解決實(shí)際生產(chǎn)科研課題提供依據(jù)。分析化學(xué)的作用由單純提供原始數(shù)據(jù)上升到直接參與實(shí)際問題的解決，分析化學(xué)已開展成為名符其實(shí)的信息科學(xué)。分析儀器的開展也跨上了計(jì)算機(jī)化這一新的臺(tái)階，極大提高了分析儀器提供信息的功能，使分析儀器進(jìn)入過去傳統(tǒng)分析技術(shù)無法涉足的許多領(lǐng)域。例如用航天器運(yùn)載分析儀器探測火星上有無標(biāo)志生命的化學(xué)物質(zhì)存在，不需運(yùn)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(xué)的開展，分析化學(xué)正在成為一門分析重要學(xué)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(xué)吸收了當(dāng)代科學(xué)技術(shù)的最新成就包括化學(xué)、物理、電子學(xué)、生物學(xué)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(shù)，不斷開拓新領(lǐng)域，正在走向一個(gè)更新的境界。- D! 4 g4 z+ M- g& e; j  v. F;參考文獻(xiàn)：1汪爾康. 21 世紀(jì)的分析

19、化學(xué)M . 北京: 科學(xué)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(fù)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(xué)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(yàn)分析評價(jià)手冊M . 北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社,199