应用化学学科前沿综述-王圣

1、应用化学学科前沿综述(安徽理工大学化学化工学院王圣摘要:从70年代末到现在,分析化学正处在第三次大发展时期。分析化学正走向信息时代,计算机时代;生命科学的发展,计算机的发展促进了分析化学的发展。本文主要通过分析化学的分支学科来综述应用化学在分析化学方面的前沿和热点。关键词:应用化学;分析化学,分支学科,学科前沿,热点。前言分析化学是目前化学中最活跃的领域之一。分析化学中活跃的领域又在什么地方?从对象来看,与生命科学、环境科学、高技术材料科学有关的分析化学是目前分析化学中最热门的课题。从方法来看,计算机在分析化学中的应用和化学计量学是分析化学中最活跃的领域。分析化学的特点是新方法层出不穷,旧方法

2、不断更新。40年代原子能、半导体材料的发展,物理学、电子学的发展,促进了原子光谱分析的发展。时至今日,这些学科仍然在继续发展,与之有关的分析化学分支学科也在不断发展。因此,对分析化学来说,不一定是新的分支学科发展取代旧的分支学科,而常常是新的不断出现,旧的不断更新。80年代分子光谱分析的发展并不限制原子光谱分析的发展。因而在讨论分析化学前沿时,不但要看到新问题、新学科、新领域,而且要看到目前各分支学科中的新的生长点、新的热点、新的领域。主要从光谱分析,电化学分析,色谱分析,质谱及核磁共振,化学计量学与计算机应用五个方面对分析化学的前沿进行综述。1. 光谱分析方面光谱分析一直是分析化学中最富活力

3、的领域。60年代等离子体、傅里叶变换、激光技术的引入,出现了等离子体-原子发射光谱、傅里叶红外光谱(FT-IR、激光光谱等一系列新方法。70年代检测单个原子的激光共振电离光谱的出现,使光谱分析的灵敏度达到了极限。80年代崛起的等离子体-质谱(ICP-MS成为更接近“理想的多元素分析方法”,40多种元素检出限达到1060pg/ml。X-射线荧光光谱有进一步的发展,7080年代应用全反射技术,灵敏度提高约1000倍,检出限ppb(10-9级1。使用粒子(质子加速器及同步加速器,粒子束可以聚焦在1m直径,可作ppm(10-6级多元素微区分布分析,如一根头发横截面上锌和硒的微区分布分析。激光拉曼光谱与

4、FT-IR相配合已成为分子结构研究的主要手段。利用表面增强拉曼效应使激光拉曼光谱的灵敏度提到105107倍。共振拉曼光谱灵敏度高,特别适用于微量生物大分子检测,可以直接获得人体体液的拉曼光谱图。激光诱导荧光光谱的灵敏度已达到单分子检测水平,在生物医学中已用于癌症的早期诊断,用作高效液相色谱检测器,检出限为10-15g。光谱检测从传统的光电倍增管,过渡到光二极管阵列检测器,又迅速出现了新一代的电荷耦合阵列检测器(CCD。它具有量子效率高、暗电流小、噪音低、灵敏度高等优良性能,在高效液相色谱荧光法检测中,检出限达到10-15g,并可获得多个化合物的三维荧光光谱图。预计在12年内,CCD检测器将会成

5、为图像检测器装配到荧光光度计、拉曼光谱仪、发射光谱仪、高效液相色谱仪及毛细电泳仪等仪器中,成为光谱分析的重大革新2。激光在分析化学中的应用,已成为活跃的前沿领域。激光的高强度、单色性、定向性等优越性能,使痕量分析的灵敏度达到了极限值,实现了检测单个原子和单个分子的水平。光导纤维化学传感器又称光极(optrode,由激光器、光导纤维、探头(含固定化试剂相及半导体探测器组成。光导纤维化学传感器是分析化学在80年代中一项重大发展。目前已有80多种传感器探头设计用于临床分析、环境监测、生物分析及生命科学等领域。如pH、CO2、O2、碱金属、非碱金属、代谢产物和酶、免疫传感器等。新的血气分析仪装配有pH

6、、CO2及O2三个传感器,进行活体分析,已成功地用于心肺外科手术的临床连续监测3。2.电化学分析方面电化学传感器6070年代发展起来的离子选择性电极已进入稳定发展时期,在环境、医药、在线分析等方面获得广泛应用。80年代由于生物分析及生命科学的发展,生物传感器应运而生。近几年生物传感器的发展,成为电分析化学中活跃的研究领域。仿生生物传感器和化学修饰微电极制作生物传感器已经成为热门课题。化学修饰电极通过物理或化学方法,在电极表面接上一层化学基团形成某种微结构,得到人们预定的新功能电极,有选择地进行所期望的反应,在分子水平上实现了电极新功能体系的设计。步入人们向往已久的分子设计及分子工程学研究阶段,

7、成为电化学及电分析化学中最活跃的前沿领域之一。金属卟啉类、酞菁类、聚合物、主-客体络合物、无机物化学修饰电极在电催化、光电催化、电化学传感器、选择性富集分离等方面的广阔应用,显示了它在当代前沿领域研究及应用中光辉的前景4。光谱电化学,电化学及电分析化学研究中一项新的突破。将光谱(包括波谱和电化学研究方法相结合,同时测试电化学反应过程的变化,形成了现场(in situ光谱电化学。这项研究已发展到利用现场紫外、可见和红外光谱;拉曼光谱和表面增强拉曼光谱;电子自旋共振波谱;电子能谱等光谱及波谱技术。研究电极过程动力学、电极表面、界面(液-固、液-液电化学。各种光谱、波谱、能谱及新发展的电化学现场扫描

8、隧道电子显微镜等非电化学技术,从电化学体系获得的信息必然与电化学参量(电位、电流等密切相关。因此,光谱电化学将电化学及电分析化学的研究从宏观深入到微观,进入分子水平的新时代5。微电极伏安技术(简称微电极技术80年代发展起来的一种新的电化学测试技术。微电极直径一般为几微米,最小达0.3m,随着电极的缩小,物质在电极表面的扩散由于边缘效应而成球形,使传质过程极大地增加。微电极的优异性能表现在电极响应速度快,扫描速度高,极化电流小,已应用于生物分析及生命科学,如在活体分析中,微电极用作电化学微探针,检测动物脑神经传递物质的扩散过程。在电化学免疫分析中,取微量样品,可以测定10-1910-20mol/

9、L免疫球蛋白-G。在流动注射和高效液相色谱流动体系,以及低极性、高阻抗的有机溶剂中,微电极可以构成性能优良的电化学检测器。微电极响应速度快的独特性能在光谱电化学的测量上已经显示出光辉的应用前景6。3.色谱分析方面色谱分析是分析化学中发展最快、应用最广的领域之一。现代色谱分析将分离连续测定结合,也可以浓缩、分离、测定联用。对复杂体系中组分、价态、状态、化学性质相近的元素或化合物的分析,色谱是一种重要的分析技术。色谱在制备分离及提纯方面也是一种有力的手段。50年代兴起的气相色谱。60年代发展的色质(GC-MS联用技术。70年代崛起的高效液相色谱。80年代初出现的超临界流体色谱。80年代末迅速发展的

10、毛细管区带电泳。使色谱分析一直充满活力,迅速发展。色谱分析的研究及应用十分活跃,色谱论文在世界第一流的美国“分析化学”杂志中,从60年代到现在保持在2430%7。高效液相色谱 70年代发展起来的色谱技术。在已知化合物中70%以上为不挥发性化合物,可以简便的采用液相色谱分离。在生命科学中多肽、蛋白质及核酸等生物大分子的分离分析以及制备提纯方面,高效液相色谱已成为最活跃的研究领域。在色谱柱及固定相研究方面,高效微型柱、毛细管柱、各种手性固定相、分离蛋白质专用柱相继出现。通用的检测器一直在探讨中,在光谱检测中,光学多道图象检测器将会得到更多的研究及应用;光二极管阵列检测器已经装配到商品仪器;电荷耦合

11、阵列检测器(CCD,由于其优异性能即将装配到商品仪器上。应用激光技术的光谱检测器正在研究发展中。电化学检测器也是十分活跃的研究及应用领域,特别是微电极的研究及应用8。金属配合物高效液相色谱及离子色谱用于痕量分析是近年来相当活跃的研究领域。柱前及柱后衍生技术、高灵敏度衍生试剂、联用技术大大提高了分析的灵敏度及适用性,如最近出现的IC-ICP/AES联用商品仪器,用于海水分析,1min 内测定61种元素,检出限1100ng/ml。超临界流体色谱80年代出现的新技术。它能在较低温度下分离热不稳定、挥发性差的大分子,柱效比高效液相色谱高几倍,并可采用灵敏的离子化检测器,弥补了气相色谱和高效液相色谱某些

12、不足之处。应用于生物医学及高分子化合物。近几年出现超临界流体萃取,统称为超临界流体分离。气相色谱80年代已进入成熟期,填充柱已被柱效更高的毛细管柱所取代。气相色谱与其他仪器联用(如GC-SM及GC-NMR等已成为分离、鉴定、剖析复杂挥发性有机物最有效的手段之一9。毛细管区带电泳简称毛细管电泳是近23年迅猛发展起来的一种新的分离技术。兼有高压电泳的高速、高分辨率及高效液相色谱的高效率优点。采用毛细管柱(直径2550m,内充流动电解质溶液,两端加高压(23×104V,试样从柱的一端引入,利用压力梯度及分子迁移力的差别,各组分在管内流体中电泳分离,已分离组分在毛细管的另一端检测。毛细管电泳

13、具有试样体积小(110nl,分离效率高(柱效达100万理论塔板数,比高效液相色谱约高一个数量级、分离速度快(1020min、灵敏度高(检出限10-1510-20mol/L的特点。适用于离子型生物大分子如氨基酸、肽、蛋白质及核酸等快速分析10。4.质谱及核磁共振方面70年代末到80年代初发展起来的串联质谱(MS/MS、(LC-MS及软电离技术,使质谱应用扩大到生物大分子,成为这方面研究的前沿。LC/MS/MS串联质谱采用大气压电离源,质量范围扩大到分子量为10万的生物大分子,灵敏度达到10-1210-15mol/L,应用于生物医学、药物、生物工程领域。核磁共振波谱是测定生物大分子结构的有力手段。

14、二维及三维核磁共振波谱测定溶液中蛋白质三维结构,应用于生物工程领域。500600MHZ二维及三维共振波谱仪,采用微处理机控制仪器操作、数据处理及显示,通过光导纤维可以和其他计算机形成网络。傅里叶变换核磁共振波谱已应用于工业质量控制11。近年来涌现出较成功地用于生物大分子质谱分析的软电离技术主要有下列几种:(1电喷雾电离质谱;(2基质辅助激光解吸电离质谱;(3快原子轰击质谱;(4离子喷雾电离质谱;(5大气压电离质谱。在这些软电离技术中,以前面三种近年来研究得最多,应用得也最广泛。自约翰.芬恩(JohnB.Fenn和田中耕一(Koichi.Tanaka发明了对生物大分子进行确认和结构分析的方法及发

15、明了对生物大分子的质谱分析法以来,随着生命科学及生物技术的迅速发展,生物质谱目前已成为有机质谱中最活跃、最富生命力的前沿研究领域之一。它的发展强有力地推动了人类基因组计划及其后基因组计划的提前完成和有力实施。质谱法已成为研究生物大分子特别是蛋白质研究的主要支撑技术之一,在对蛋白质结构分析的研究中占据了重要地位12。5.化学计量学与计算机应用方面以计算机应用为主要标志的信息时代的来临,给科学技术的发展带来巨大的冲击,分析化学也不例外。各种现代分析仪器技术的发展,改变了分析化学的面貌,过去获取精确的原始分析数据是分析工作中最困难的一步,现代分析仪器具有在相对短的时间内提供大量原始分析数据的能力,甚

16、至连续提供具有很高时间、空间分辨率的多维分析数据。如何处理这些原始分析数据,以最优方式从中提取解决实际生产科研课题所需要的有用信息,就成为矛盾的主要方面。化学计量学就是在这一背景下诞生与发展的。分析工作中传统的实验设计、采样、校正等方法,已不能适应新形势下的要求。化学计量学应用统计学、数学与计算机科学为工具,发展了新的分析采样理论、校正理论及其他各种理论与方法。化学模式识别与专家系统能协助分析工作者将原始分析数据转化为有用的信息与知识,为进行判别决策及解决实际生产科研课题提供依据。分析化学的作用由单纯提供原始数据上升到直接参与实际问题的解决,分析化学已发展成为名符其实的信息科学。分析仪器的发展

17、也跨上了计算机化这一新的台阶,极大提高了分析仪器提供信息的功能,使分析仪器进入过去传统分析技术无法涉足的许多领域。例如用航天器运载分析仪器探测火星上有无标志生命的化学物质存在,不需运送分析试样,而是直接将分析信息送回地球等13。总结随着化学的发展,分析化学正在成为一门分析重要学科。目前由于生产和科技的发展,要求分析提供更多、更全面的信息,从常量到微量及微粒分析;从组成到形态分析;从总体到微区分析;从整体到表面及逐层分析;从宏观组分到微观结构分析;从静态到快速反应跟踪分析;从破坏试样到无损分析;从离线到在线分析等等。分析化学吸收了当代科学技术的最新成就(包括化学、物理、电子学、生物学等,利用物质

18、一切可以利用的性质,建立表征测量的新技术,不断开拓新领域,正在走向一个更新的境界。参考文献1汪尔康. 21 世纪的分析化学M.北京:科学出版社,1999.11.2Ganzler K,Salgo A ,Valko K.Microwave Extraction:A Novel Sample Preparation Method for Chromato2 graphyJ.J Chromatogr.1986,37 (1:299.3Lindan W.E.etal.,Anal.Chim.Acta,1989,12(5:2163074朱玉霞,何京,陆婉珍. 微波密闭消解- 等离子体原子发射光谱测定石油化工催化剂中负载元素含量J. 岩矿测试.1998,17(2:138.5 Ganzler K,Salgo A,Valko K. Microwave Extraction:A Novel Sample Preparation Method for Chromato2 graphyJ.J Chromatogr.1986,37 (1:299.6 中国环境监测总站,中国科学院生态环境研究中心,北京市环境监测中心译. 固体废弃物试验分