1.3　分析化學的發展與前沿

1.3.1　分析化學的發展歷程

分析化學始于Robert Boyle（1661），最早可追溯到亞里士多德對論證的三段論法。它在20世紀發展迅速，歷經三次重大變革，目前在人類科學發展中起著舉足輕重的作用。

（1）第一次變革　發生在20世紀初，由于物理化學的發展，為分析技術提供了理論基礎，建立了溶液中四大平衡的理論，使分析化學從一門技術發展成為一個學科，這也可以說是分析化學和物理化學結合的時代。這一時期分析化學的確是化學的一個分支。以化學分析為主，定量測定到0.1%～0.2%的組分。

（2）第二次變革　發生在第二次世界大戰前后直到20世紀60年代。物理學、電子學、半導體及原子能工業的發展促進了分析中物理方法的大發展和儀器分析方法的大發展。分析化學突破了以經典化學分析為主的局面，開創了儀器分析的新時代。發展了以光譜分析為代表的儀器分析法。進入痕量分析（含量小于0.01%）時代。

（3）第三次變革　從20世紀70年代末到現在，以計算機應用為主要標志的信息時代的來臨，給科學技術的發展帶來巨大的活力。分析化學正處在第三次變革時期。以計算機為代表的高新技術利用物質一切可以利用的性質（光、電、磁、熱、聲），為分析化學提供了高靈敏度、高選擇性、自動化等新的手段；同時材料、環境、食品、生命、地球科學的發展又對分析化學提出了多種要求，促進了分析化學發展為現代的分析科學階段。分析化學正在成長為一門建立在化學、物理學、數學、計算機科學、精密儀器制造科學等學科上的綜合性的邊緣科學。

隨著工農業生產的發展，新興科學技術的發展，為分析化學提出了一系列難題，促進了分析化學的發展，也促進了相關學科的發展。例如，由于20世紀40～50年代的材料科學發展促進了材料分析化學的產生；20世紀60～70年代的環境科學發展促進了環境分析化學的產生；20世紀80～90年代生命科學的發展促進了與生命過程有關的分析化學的產生。另一方面，新興科學技術的發展也為分析化學的發展提供了理論基礎和技術條件，使分析化學得到了迅速發展。

分析化學的發展歷程已由開始的定性分析發展到定量分析，再發展到儀器分析，再發展到現代的分析科學階段。主要表現在以下幾個方面。

①吸收了大量物理方法、生物學方法、電子學和信息科學的方法，發展成為分析科學，應用范圍也大大拓寬。

②分析方法的十化，即微型化芯片化、仿生化、在線化、實時化、原位化、在體化、智能化信息化、高靈敏化、高選擇性化、單原子化和單分子化。

③單分子光譜、單分子檢測、搬運和調控的技術受到重視。

④分離和分析方法的聯用，合成和分離方法的聯用，合成、分離和分析方法的三聯用。

1.3.2　分析化學發展趨勢

隨著現代分析化學的迅速發展，它將廣泛采用各種現代分析手段，對物質做盡可能的縱深分析，物理、數學、化學和生物學中的基礎，新發現、新概念和新方法大量向分析化學滲透，電子、激光、計算機技術的興起和發展，不僅強化和改善了原有儀器的性能，而且推出很多新的分析測試裝置，為科學研究和生產實際提供更多更新和更全面的信息。與此同時，新技術、新材料和前沿科學的發展以及社會發展的需要，又向分析化學家提出許多新課題。在所有分析化學的方法學研究中，都是以提高分析方法或儀器的靈敏度、準確度、選擇性、自動化或智能化為目標。未來的分析化學發展趨勢如下。

（1）高靈敏度和高選擇性　隨著技術的發展及科學技術及經濟發展的需要，許多高靈敏度、高選擇性的分析方法將逐步建立。如激光微探針質譜法對某化合物的檢出限為10^-12～10^-15g，對某金屬的檢出限可達10^-19～10^-20g，且能分析生物大分子和高聚物；電子探針分析所用試液體積可低至10^-12mL，高含量的相對誤差值已達0.01%以下。

（2）智能化和小型化　隨著微電子技術及計算機技術在儀器分析中的應用更加廣泛和深入，智能化的儀器分析方法將逐漸成為常規分析的重要手段。主要體現在計算機的應用和化學計量學（chemometrics）的發展以及自動分析、遙測分析方面。計算機在分析數據處理、實驗條件優化、數字模擬、圖形解析、理論研究以及生物環境測控與管理中都起著非常重要的作用。

（3）應用范圍將日益擴大　儀器分析除了應用于成分分析外，將在更大程度上應用于物質的結構分析、狀態和價態分析、表面分析及微區分析等，而且在許多學科的研究工作中將得到愈來愈廣泛的應用。

（4）與生物醫學相結合　生命科學是21世紀最為熱門的研究領域之一。將儀器分析中各種新方法應用于生命過程的研究；生物醫學中的酶催化反應、免疫反應等技術和成果也將進一步應用于儀器分析，開拓出新的研究領域和方法。

（5）自動檢測或遙控分析　儀器分析將在各種工業流程及特殊環境中的自動在線監控或遙控監測中發揮重大的作用。在這一領域中，各種新型的化學及生物傳感器及流動注射分析技術將是十分重要的。

（6）儀器分析中各種方法的聯用技術　儀器分析中各種方法有其自身的一些特點，將儀器分析中各種方法聯用，將進一步發揮各種方法的效能解決復雜的分析問題。例如將具有很高分離能力的氣相色譜法與具有很強鑒定能力的質譜法、紅外光譜法、核磁共振法聯用，可以迅速地分析復雜試樣。

綜上所述，現代分析化學已經突破了純化學領域，它將化學與數學、物理學、計算機學及生物學緊密地結合起來，發展成為一門多學科性的綜合科學。著名分析化學家Kowalski認為“分析化學已由單純提供數據，上升到從分析數據中獲取有用的信息和知識，成為生產和科研中實際問題的解決者”。

1.3.3　分析化學前沿

分析化學是目前化學中最活躍的領域之一。分析化學中活躍的領域又在什么地方？從對象來看，與生命科學、環境科學、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。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躍的領域。分析化學的特點是新方法層出不窮，舊方法不斷更新。

下面主要從光譜分析、電化學分析、色譜分析、質譜、核磁共振波譜法、化學計量學與計算機應用六個方面對分析化學的前沿進行闡述。

（1）光譜分析　光譜分析一直是分析化學中最富活力的領域。隨著等離子體-原子發射光譜（ICP-AES）、傅里葉變換紅外光譜（FT-IR）、激光光譜、等離子體-質譜（ICP-MS）、全反射X射線熒光光譜、表面增強拉曼效應使激光拉曼光譜等一系列新方法的出現，使光譜分析的靈敏度達到了極限。檢出限可達到10^-9～10^-15g，并可作ppm（10^-6）級多元素微區分布分析，已達到檢測單個原子和單分子的水平。

光譜檢測從傳統的光電倍增管，過渡到光二極管陣列檢測器，又迅速出現了新一代的電荷耦合陣列檢測器（CCD）。CCD具有量子效率高、暗電流小、噪聲低、靈敏度高等優良性能，并可獲得多個化合物的三維熒光光譜圖。CCD檢測器已經裝配到商品儀器，如熒光光度計、拉曼光譜儀、發射光譜儀、高效液相色譜儀及毛細電泳儀等，成了光譜分析的重大革新。

（2）色譜分析　現代色譜分析將分離連續測定結合，也可以濃縮、分離、測定聯用。對復雜體系中組分、價態、狀態、化學性質相近的元素或化合物的分析，20世紀50年代興起的氣相色譜，20世紀60年代發展的色質（GC-MS）聯用技術，20世紀70年代崛起的高效液相色譜，20世紀80年代初出現的超臨界流體色譜，20世紀80年代末迅速發展的毛細管區帶電泳，使色譜分析一直充滿活力，迅速發展。

由于各種分析方法都有一定的適用范圍、測定對象和局限性，實際工作中必須結合具體的情況選擇合適的分析方法。色譜聯用技術經常聯合了兩種或是更多技術，兩種技術或三種技術取長補短，互相補充，能夠大大提高分離分析效能，解決更多的實際問題和復雜成分樣品的分析問題。如，氣相色譜與其他儀器聯用（如GC-MS及GC-NMR等），已成為分離、鑒定、剖析復雜揮發性有機物最有效的手段之一。常見的有列幾種類型。

①色譜-色譜聯用，例如，2D-LC、2D-GC、LC-CE等。

②色譜-質譜聯用，例如，GC-MS、LC-MSⁿ、CE-MS、CEC-MS等。

③色譜-光譜聯用，例如，GC-FTIR、GC-AAS、LC-AAS、LC-AFS等。

④色譜-核磁聯用，例如，LC-NMR等。

⑤色譜-光譜-質譜，例如，GC-FTIR-MS等。

毛細管區帶電泳（簡稱毛細管電泳）是近年來迅猛發展起來的一種新的分離技術。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點。毛細管電泳具有試樣體積小（1～10nL）、分離效率高（柱效達100萬理論塔板數，比高效液相色譜約高一個數量級）、分離速度快（10～20min）、靈敏度高（檢出限10^-15～10^-20mol·L^-1）等特點。特別適用于離子型生物大分子，如氨基酸、肽、蛋白質及核酸等快速分析。

（3）電化學分析　電化學分析中傳感器的研究已成為電分析化學中活躍的研究領域之一。例如，光導纖維化學傳感器又稱光極，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。目前已有80多種傳感器探頭設計用于臨床分析、環境監測、生物分析及生命科學等領域。如pH、CO₂、O₂、堿金屬、非堿金屬、代謝產物和酶、免疫傳感器等。新的血氣分析儀裝配有pH、CO₂及O₂三個傳感器，進行活體分析，已成功地用于心肺外科手術的臨床連續監測；生物傳感器及化學修飾電極的研究已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躍的前沿領域之一。

光譜電化學也是電化學及電分析化學研究中一項新的突破。它將光譜（包括波譜）和電化學研究方法相結合，同時測試電化學反應過程的變化，形成了現場光譜電化學，使得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。

微電極伏安技術（簡稱微電極技術）也是一種新的電化學測試技術。微電極的優異性能表現在電極響應速度快，掃描速度高，極化電流小，已應用于生物分析及生命科學，如在活體分析中，微電極用作電化學微探針，檢測動物腦神經傳遞物質的擴散過程。

（4）質譜　20世紀70年代末到80年代初發展起來的串聯質譜（MS-MS）、（LC-MS）及軟電離技術，使質譜應用擴大到生物大分子，成為這方面研究的前沿。LC-MS-MS串聯質譜采用大氣壓電離源，質量范圍擴大到分子量為10萬的生物大分子，靈敏度達到10^-12～10^-15mol·L^-1，應用于生物醫學、藥物、生物工程領域。核磁共振波譜是測定生物大分子結構的有力手段。

自約翰·芬恩（JohnB.Fenn）和田中耕一（Koichi.Tanaka）發明了對生物大分子進行確認和結構分析的方法及發明了對生物大分子的質譜分析法以來，隨著生命科學及生物技術的迅速發展，生物質譜目前已成為有機質譜中最活躍、最富生命力的前沿研究領域之一。它的發展強有力地推動了人類基因組計劃及其后基因組計劃的提前完成和有力實施。質譜法已成為研究生物大分子，特別是蛋白質研究的主要支撐技術之一，在對蛋白質結構分析的研究中占據了重要地位。近年來，較成功地用于生物大分子質譜分析的軟電離技術主要有下列幾種：

①電噴霧電離質譜；

②基質輔助激光解吸電離質譜；

③快原子轟擊質譜；

④離子噴霧電離質譜；

⑤大氣壓電離質譜。

（5）核磁共振波譜法　二維及三維核磁共振波譜測定溶液中蛋白質的三維結構，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、數據處理及顯示，通過光導纖維可以和其他計算機形成網絡。傅里葉變換核磁共振波譜已應用于工業質量控制。

超導核磁共振波譜法是當今世界頻率最高的儀器，其頻率已達800MHz，儀器的分辨率與檢測靈敏度大大提高，使復雜的核間高級偶合，簡化為一級光譜。還可以從事多核、多種二維核磁共振技術的測定，使有機化合物的結構確定變得容易。

（6）化學計量學與計算機應用　化學計量學是一門新興的科學，按1981年國際化學計量學會的最初定義：“化學計量學是一門化學分支，它應用數學來選擇最優的測量程序和實驗方法，并通過解析化學數據而獲得最大限度的信息。在分析化學領域，化學計量學是用數學和統計方法以最佳方式獲得關于物質系統的有關信息”。即它是應用統計學、數學與計算機科學為工具，發展了新的分析采樣理論、校正理論及其他各種理論與方法。例如，化學模式識別與專家系統能協助分析工作者將原始分析數據轉化為有用的信息與知識，為進行判別決策及解決實際生產科研課題提供依據。

計算機廣泛用于分析儀器，已成為分析儀器的重要組成部分，不僅為實現儀器的自動化提供了條件，而且為向智能化發展提供了基礎。極大提高了分析儀器提供的信息量，使分析儀器進入過去傳統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存在，不需運送分析試樣，而是直接將分析信息送回地球等。

總之，分析化學正在利用物質一切可以利用的性質，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。