儀器分析技術(shù)最新發(fā)展趨勢及應(yīng)用

1、儀器分析技術(shù)最新發(fā)展趨勢及應(yīng)用摘 要：本文闡述了現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展中儀器分析發(fā)展的現(xiàn)狀及其基礎(chǔ)地位，儀器分析的特點及存在的局限性及最新發(fā)展趨勢。特別是當(dāng)今儀器分析技術(shù)吸取數(shù)學(xué)、物理學(xué)、計算機(jī)科學(xué)以及生物學(xué)中的新思想、新理念、新方法和新技術(shù),不斷完善現(xiàn)有的儀器分析技術(shù)，使儀器分析技術(shù)正朝著快速、準(zhǔn)確、自動、靈敏以及適應(yīng)特殊分析方向而迅猛發(fā)展，這就是當(dāng)今儀器分析技術(shù)發(fā)展的總趨勢！關(guān)鍵詞：儀器分析 分析方法 發(fā)展趨勢當(dāng)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的主要特征是高度分化和高度綜合，分析化學(xué)也不例外。分析化學(xué)是四大化學(xué)之一，包括兩大范疇化學(xué)分析和儀器分析?；瘜W(xué)分析是指利用化學(xué)反應(yīng)和它的計量關(guān)系來確定被測物質(zhì)的組成和含量的

2、一類分析方法。儀器分析是以物質(zhì)的物理性質(zhì)和物理化學(xué)性質(zhì)為基礎(chǔ)建立起來的一種分析方法，常常需要使用比較復(fù)雜的儀器。儀器分析又分為基礎(chǔ)儀器分析和現(xiàn)代儀器分析，現(xiàn)代儀器分析又分為波譜分析、光譜分析、電化學(xué)分析、色譜分析、電鏡分析、放射化學(xué)分析等。1 儀器分析技術(shù)的基礎(chǔ)地位現(xiàn)代儀器分析是一門信息科學(xué)，用于陳述事物的運(yùn)動狀態(tài)，促進(jìn)人與環(huán)境的相互交流?，F(xiàn)代儀器分析也是一門信息技術(shù)，涉及信息的生產(chǎn)、處理、流通、也包括信息獲取、信息傳遞、信息存儲、信息處理和信息顯示等，有效地擴(kuò)展了人類信息器官的功能。人們通常將信息與物質(zhì)!能源相提并論，稱為人類社會賴以生存發(fā)展的三大支柱。世界由物質(zhì)組成的，沒有物質(zhì)世界便虛無縹

3、緲。能量是一切物質(zhì)運(yùn)動的源泉，沒有能源，世界便成為靜寂的世界。信息則是客觀事物與主觀認(rèn)識相結(jié)合的產(chǎn)物，沒有信息交換，世界便成為沒有生氣的世界，人類無法生存和發(fā)展。生產(chǎn)和科研的發(fā)展，特別是生命科學(xué)和環(huán)境科學(xué)的發(fā)展，對分析化學(xué)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，即從常量到微量分析，從微量到微粒分析，從痕量到超痕量分析，從組成到形態(tài)分析，從總體到微區(qū)分析，從表現(xiàn)分布到逐層分析，從宏觀到微觀結(jié)構(gòu)分析，從靜態(tài)到快速反應(yīng)追蹤分析，從破壞試樣到試樣無損分析，從離線到在線分析等。儀器分析是生產(chǎn)和科研的眼睛，是高科技發(fā)展的基礎(chǔ)和伴侶?，F(xiàn)代分析儀器是基于多學(xué)科的高技術(shù)產(chǎn)物，離開現(xiàn)代

4、儀器分析，高新技術(shù)研究與進(jìn)步寸步難行。2 儀器分析的發(fā)展2.1 儀器分析內(nèi)容如圖所示方法類型測量參數(shù)或有關(guān)性質(zhì)相應(yīng)的分析方法光學(xué)分析法輻射的發(fā)射原子發(fā)射光譜法，火焰光度法等輻射的吸收原子吸收光譜法，分光光度法，核磁共振光譜法，熒光光譜法輻射的散射比濁法，拉曼光譜法，散射濁度法輻射的折射折射法，干涉法輻射的衍射X射線衍射法，電子衍射法輻射的轉(zhuǎn)動偏振法，旋光色散法，圓二向色性法電化學(xué)分析法電導(dǎo)電導(dǎo)分析法電位電位分析法，計時電位法電流電流滴定法電流-電壓伏安法，極譜分析法電量庫倫分析法色譜法兩相間分配氣相色譜法，液相色譜法熱分析法熱性質(zhì)熱重法，差熱分析法，示熱掃描量熱分析電鏡分析高能電子束與試樣作用

5、射透電子顯微術(shù)，掃描電子顯微術(shù)2.2 儀器分析的特點及局限性2.2.1 儀器分析的特點分析速度快，適于批量試樣的分析，許多儀器配有連續(xù)自動進(jìn)樣裝置，采用數(shù)字顯示和電子計算機(jī)技術(shù)，可在短時間內(nèi)分析幾十個樣品，適于批量分析。有的儀器可同時測定多種組分。靈敏度高，適于微量成分的測定，靈敏度由1×10-6%發(fā)展到1×10-12%；可進(jìn)行微量分析和痕量分析。容易實現(xiàn)在線分析和遙控監(jiān)測，在線分析以其獨(dú)特的技術(shù)和顯著的經(jīng)濟(jì)效益引起人們的關(guān)注與重視，現(xiàn)已研制出適用于不同生產(chǎn)過程的各種不同類型的在線分析儀器。例如中子水分計就是一種較先進(jìn)的在線測水儀器，可在不破壞物料結(jié)構(gòu)和不影響物料正常運(yùn)行狀

6、態(tài)下準(zhǔn)確測量，并用于鋼鐵、水泥和造紙等工業(yè)流程的在線分析。又如，高聚物的高熔點和高黏度，使聚合物生產(chǎn)過程的本身及聚合物改性直至形成產(chǎn)品的一系列過程都要在高溫、高壓條件下進(jìn)行，這使對聚合物的采樣分析十分困難。利用光纖探頭式分光光度計可監(jiān)測聚合過程中聚醚的羥基濃度，反射式探頭直接插入反應(yīng)罐內(nèi)，儀器離探測點達(dá)50m。用途廣泛，能適應(yīng)各種分析要求除能進(jìn)行定性分析及定量分析外，還能進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析、物相分析、微區(qū)分析、價態(tài)分析和剝層分析等。樣品用量少可進(jìn)行不破壞樣品的無損分析，并適于復(fù)雜組成樣品的分析。2.2.2 儀器分析的局限性儀器設(shè)備復(fù)雜，價格及維護(hù)費(fèi)用比較昂貴，對維護(hù)及環(huán)境要求較高。儀器分析是一種相對

7、分析方法，一般需用已知組成的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)來對照，而標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的獲得常常是限制儀器分析廣泛應(yīng)用的問題之一。相對誤差較大，通常在百分之幾至百分之幾十，不適用于常量和高含量組分的分析。因此，儀器分析法和化學(xué)分析法是相輔相成的，在使用時應(yīng)根據(jù)具體情況,取長補(bǔ)短,互相配合，充分發(fā)揮各種方法的特長，才能更好地解決分析化學(xué)中遇到的各種各樣實際問題。2.3 儀器分析技術(shù)的發(fā)展過程化學(xué)科學(xué)的產(chǎn)生以來，經(jīng)歷了三個發(fā)展階段，實現(xiàn)了三次變革。第一階段：16世紀(jì)，天平的出現(xiàn)。分析化學(xué)具有了科學(xué)的內(nèi)涵；20世紀(jì)初，依據(jù)溶液中四大反應(yīng)平衡理論，形成分析化學(xué)的理論基礎(chǔ)，分析化學(xué)由一門操作技術(shù)變成一門科學(xué)。分析化學(xué)的第一次變革，20

8、世紀(jì)40年代前，化學(xué)分析占主導(dǎo)地位,儀器分析種類少和精度低。第二階段：20世紀(jì)40年代后，儀器分析的大發(fā)展時期。儀器分析使分析速度加快,促進(jìn)化學(xué)工業(yè)發(fā)展，化學(xué)分析與儀器分析并重，儀器分析自動化程度低；這一時期一系列重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)，為儀器分析的建立和發(fā)展奠定基礎(chǔ)。儀器分析的發(fā)展引發(fā)了分析化學(xué)的第二次變革。第三階段：80年代初，以計算機(jī)應(yīng)用為標(biāo)志的分析化學(xué)第三次變革。計算機(jī)控制的分析數(shù)據(jù)采集與處理：實現(xiàn)分析過程的連續(xù)、快速、實時、智能；促進(jìn)化學(xué)計量學(xué)的建立?；瘜W(xué)計量學(xué)：利用數(shù)學(xué)、統(tǒng)計學(xué)的方法設(shè)計選擇最佳分析條件，獲得最大程度的化學(xué)信息?；瘜W(xué)信息學(xué)：化學(xué)信息處理、查詢、挖掘、優(yōu)化等。以計算機(jī)為基礎(chǔ)的新

9、儀器的出現(xiàn)：傅里葉變換紅外光譜儀，色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀。3 現(xiàn)代儀器分析技術(shù)的發(fā)展趨勢現(xiàn)代儀器分析技術(shù)正向智能化數(shù)字化方向發(fā)展。發(fā)展趨勢主要表現(xiàn)是：基于微電子技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用實現(xiàn)分析儀器的自動化，通過計算機(jī)控制器和數(shù)字模型進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、運(yùn)算、統(tǒng)計、分析、處理，提高分析儀器數(shù)據(jù)處理能力，數(shù)字圖像處理系統(tǒng)實現(xiàn)了分析儀器數(shù)字圖像處理功能的發(fā)展；分析儀器的聯(lián)用技術(shù)向測試速度超高速化、分析試樣超微量化、分析儀器超小型化的方向發(fā)展。重點研究方向包括：一是高通量分析,即在單位時間內(nèi)可分析測試大量的樣品。二是極端條件分析，其中單分子單細(xì)胞分析與操縱為目前熱門的課題。三是在線、實時、現(xiàn)場或原位分析,即從樣品采

10、集到數(shù)據(jù)輸出,實現(xiàn)快速的或一條龍的分析。四是聯(lián)用技術(shù)，即將兩種(或兩種以上)分析技術(shù)聯(lián)接，互相補(bǔ)充，從而完成更復(fù)雜的分析任務(wù)。聯(lián)用技術(shù)及聯(lián)用儀器的組合方式，特別是三聯(lián)甚至四聯(lián)系統(tǒng)的出現(xiàn)，已成為現(xiàn)代分析儀器發(fā)展的重要方向。五是陣列技術(shù)，如果把聯(lián)用分析技術(shù)看成計算機(jī)中的串行方法，那么陣列技術(shù)就等同于計算機(jī)中的并行運(yùn)算方法。和計算機(jī)一樣，陣列方法是大幅度提高分析速度或樣品批處理量的最佳方案。一旦將并行陣列思路與集成和芯片制作技術(shù)完美結(jié)合,儀器分析技術(shù)就將向新的領(lǐng)域進(jìn)發(fā)。3.1 提高靈敏度這是各種分析方法長期以來所追求的目標(biāo)。當(dāng)今許多新的現(xiàn)代技術(shù)引入分析化學(xué)，都是與提高分析方法的靈敏度有關(guān),如激光技術(shù)

11、的引入，促進(jìn)了激光共振電離光譜、激光拉曼光譜、激光誘導(dǎo)熒光光譜、激光光熱光譜、激光光聲光譜和激光質(zhì)譜的發(fā)展，大大提高了分析方法的靈敏度，使得檢測單個原子或單個分子成為可能。多元配合物、有機(jī)顯色劑和各種增效試劑的研究與應(yīng)用，使吸收光譜、熒光光譜、發(fā)光光譜、電化學(xué)及色譜等分析方法的靈敏度和分析性能得到大幅度地提高。3.2 解決復(fù)雜體系的分離問題及提高分析方法的選擇性迄今,人們所認(rèn)識的化合物已超過1000萬種，而且新的化合物仍在快速增長。復(fù)雜體系的分離和測定已成為分析化學(xué)家所面臨的艱巨任務(wù)。由液相色譜、氣相色譜、超臨界流體色譜和毛細(xì)管電泳等所組成的色譜學(xué)是現(xiàn)代分離、分析的主要組成部分并獲得了很快的發(fā)

12、展。以色譜、光譜和質(zhì)譜技術(shù)為基礎(chǔ)所開展的各種聯(lián)用、接口及樣品引入技術(shù)已成為當(dāng)今分析化學(xué)發(fā)展中的熱點之一。在提高方法選擇性方面，各種選擇性試劑、萃取劑、離子交換劑、吸附劑、表面活性劑、各種傳感器的接著劑、各種選擇檢測技術(shù)和化學(xué)計量學(xué)方法等是當(dāng)前研究工作的重要課題。3.3 擴(kuò)展時空多維信息現(xiàn)代分析化學(xué)的發(fā)展已不再局限于將待測組分分離出來進(jìn)行表征和測量，而是成為一門為物質(zhì)提供盡可能多的化學(xué)信息的科學(xué)。隨著人們對客觀物質(zhì)的認(rèn)識的深入，某些過去所不甚熟悉的領(lǐng)域，如多維、不穩(wěn)態(tài)和邊界條件等也逐漸提到分析化學(xué)家的日程上來。例如現(xiàn)代核磁共振波譜、紅外光譜、質(zhì)譜等的發(fā)展，可提供有機(jī)物分子的精細(xì)結(jié)構(gòu)、空間排列構(gòu)型

13、及瞬態(tài)等變化的信息，為人們對化學(xué)反應(yīng)歷程及生命過程的認(rèn)識展現(xiàn)了光輝的前景?；瘜W(xué)計量學(xué)的發(fā)展，更為處理和解析各種化學(xué)信息提供了重要基礎(chǔ)。3.4 微型化及微環(huán)境的表征與測定微型化及微環(huán)境分析是現(xiàn)代分析化學(xué)認(rèn)識自然從宏觀到微觀的延伸。電子學(xué)、光學(xué)和工程學(xué)向微型化發(fā)展，人們對生物功能的了解，促進(jìn)了分析化學(xué)深入微觀世界的進(jìn)程。電子顯微技術(shù)、電子探針X射線微量分析、激光微探針質(zhì)譜等微束技術(shù)已成為進(jìn)行微區(qū)分析的重要手段。在表面分析方面，電子能譜、次級離子質(zhì)譜、脈沖激光原子探針等的發(fā)展，可檢測和表征一個單原子層，因而在材料科學(xué)、催化劑、生物學(xué)、物理學(xué)和理論化學(xué)研究中占據(jù)重要的位置。此外，對于電極表面修飾行為和

14、表征過程的研究，各種分離科學(xué)理論、聯(lián)用技術(shù)、超微電極和光譜電化學(xué)等的應(yīng)用，為揭示反應(yīng)機(jī)理，開發(fā)新體系，進(jìn)行分子設(shè)計等開辟了新的途徑。3.5 形態(tài)、狀態(tài)分析及表征在環(huán)境科學(xué)中，同一元素的不同價態(tài)和所生成的不同的有機(jī)化合物分子的不同形態(tài)都可能存在毒性上的極大差異。在材料科學(xué)中物質(zhì)的晶態(tài)、結(jié)合態(tài)更是影響材料性能的重要因素。目前已報道利用諸如陽極溶出伏安法、X射線光電子能譜、X射線熒光光譜、X射線衍射、熱分析、各種吸收光譜方法和各種聯(lián)用技術(shù)來解決物質(zhì)存在的形態(tài)和狀態(tài)問題。3.6 生物大分子及生物活性物質(zhì)的表征與測定上世紀(jì)70年代以來，世界各發(fā)達(dá)國家都將生命科學(xué)及其有關(guān)的生物工程列為科學(xué)研究中最優(yōu)先發(fā)展

15、的領(lǐng)域，在歐、美、日等地區(qū)和國家具有戰(zhàn)略意義的宏大研究規(guī)劃“尤利卡計劃”，“人類基因圖”及“人體研究新前沿”中，生物大分子的結(jié)構(gòu)分析研究都占據(jù)重要的位置。我國在2000年前發(fā)展高技術(shù)戰(zhàn)略的規(guī)劃中,也把生物技術(shù)列為七個重點領(lǐng)域之一。一方面生命科學(xué)及生物工程的發(fā)展向分析化學(xué)提出了新的挑戰(zhàn)。另一方面仿生過程的模擬，又成為現(xiàn)代分析化學(xué)取之不盡的源泉。當(dāng)前采用以色譜、質(zhì)譜、核磁共振、熒光、磷光、化學(xué)發(fā)光和免疫分析以及化學(xué)傳感器、生物傳感器、化學(xué)修飾電極和生物電分析化學(xué)等為主體的各種分析手段，不但在生命體和有機(jī)組織的整體水平上，而且在分子和細(xì)胞水平上來認(rèn)識和研究生命過程中某些大分子及生物活性物質(zhì)的化學(xué)和生

16、物本質(zhì)方面,已日益顯示出十分重要的作用。3.7 非破壞性檢測及遙測它是分析方法的又一重要外延。當(dāng)今的許多物理和物理化學(xué)分析方法都已發(fā)展為非破壞性檢測。這對于生產(chǎn)流程控制，自動分析及難于取樣的諸如生命過程等的分析是極端重要的。遙測技術(shù)應(yīng)用較多的是激光雷達(dá)、激光散射和共振熒光、傅里葉變換紅外光譜等，已成功地用于測定幾十公里距離內(nèi)的氣體、某些金屬的原子和分子、飛機(jī)尾氣組成，煉油廠周圍大氣組成等，并為紅外制導(dǎo)和反制導(dǎo)系統(tǒng)的設(shè)計提供理論和實驗根據(jù)。3.8 自動化及智能化微電子工業(yè)、大規(guī)模集成電路、微處理器和微型計算機(jī)的發(fā)展，使分析化學(xué)和其它科學(xué)與技術(shù)一樣進(jìn)入了自動化和智能化的階段。機(jī)器人是實現(xiàn)基本化學(xué)操

17、作自動化的重要工具。專家系統(tǒng)是人工智能的最前沿。在分析化學(xué)中，專家系統(tǒng)主要用作設(shè)計實驗和開發(fā)分析方法，進(jìn)行譜圖說明和結(jié)構(gòu)解釋。上世紀(jì)八十年代興起的過程分析已使分析化學(xué)家擺脫傳統(tǒng)的實驗室操作，進(jìn)入到生產(chǎn)過程、甚至生態(tài)過程控制的行列。分析化學(xué)機(jī)器人和現(xiàn)代分析儀器作為“硬件”，化學(xué)計量學(xué)和各種計算機(jī)程序作為“軟件”，其對分析化學(xué)所帶來的影響將會是十分深遠(yuǎn)的。參考文獻(xiàn)1 武漢大學(xué)化學(xué)系.儀器分析M.北京:高等教育出版社,2001.2 譚湘成.儀器分析(第3版)M.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2008.3 黃一石.儀器分析(第2版)M.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2008.4 楊容,劉海燕,周雅璇.儀器分析發(fā)展現(xiàn)狀及其在農(nóng)林科學(xué)中的應(yīng)用.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(農(nóng)林教育版),2004,(6).5 胡長平.儀器分析的發(fā)展歷程.安徽科技.2004,(10):4